ΜΗ33: Τηλεπικοινωνιακά Δίκτυα Νέας Γενιάς (7 η και 8 η Διάλεξη - Σχεδιασμός)

Transcript

1 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυµα (ΤΕΙ) Αθηνών Σχολή Τεχνολογικών Εφαρµογών Τµήµα Ηλεκτρονικών Μηχανικών Σημειώσεις Παραδόσεων Μεταπτυχιακό Πρόγραµµα Σπουδών:! Σχεδίαση και Ανάπτυξη Προηγµένων Συστηµάτων Ηλεκτρονικής ΜΗ33: Τηλεπικοινωνιακά Δίκτυα Νέας Γενιάς (7 η και 8 η Διάλεξη - Σχεδιασμός)! Δρ. Κ.Ν. Βουδούρης Αναπληρωτής Καθηγητής! Αθήνα, Δεκέμβριος

2 Planning 2

3 Planning PSK B = 10 MHz SNR = 7 db = 5,01 log2(snr+1) 2,59 C = 25,88 Mbps 3

4 Planning 4

5 Planning Μηκοτομή - Path profile 5

6 6

7 Υπολογισμός Καμπυλότητας Γης: Όπου ct = 12.75, όταν h k (m), X 1,2 (km) και Κ = 4/3 Υπολογισμός 1ης ζώνης Fresnel:

8 8

9 Απλοποιηµένο µοντέλο για τον υπολογισµό του ισοζυγίου ισχύος. 9

10 Path loss = Free space loss + Gas loss + Additional path loss Received power = EIRP - Path Loss + Receiver antenna gain 10

11 Διάδοση ; What is free space? (Ελεύθερος Χώρος) Free space in this context means space with NOTHING AT ALL IN IT, it does not exist in the known universe but interstellar space is a good approximation. The important features of free space: Uniform everywhere (Παντού ομοιόμορφο) Contains no electrical charge (Δεν περιέχει ηλεκτρικά φορτία) Carries no current (Δεν μεταφέρει ρεύμα) Infinite extent in all dimensions (εκτείνεται στο άπειρο σε όλες τις διαστάσεις) 11

12 12

13 Απώλειες ελευθέρου χώρου (Free Space Loss - FSL)! - Ένα Ηλεκτρομαγνητικό κύμα (radio wave) που εκπέμπεται από μια σημειακή πηγή, διαδίδεται προς ΟΛΕΣ τις κατευθύνσεις με την ταχύτητα του φωτός. - Η ΗΜ ενέργεια διαδίδεται σε ευθεία γραμμή, ως να μην υπάρχει κάτι να την εμποδίζει. - Η διάδοση διαρκεί παντοτινά Γιατί λοιπόν μιλάμε για απώλειες ελευθέρου χώρου; Στην πραγματικότητα, η δήλωση παντοτινά, δεν είναι απόλυτα αληθής, καθώς η ενέργεια μεταφέρεται από φωτόνια των οποίων ο χρόνος ημισείας ζωής είναι της τάξεως των 6,5 δισεκατομμυρίων ετών!!! Δεν μπορούμε λοιπόν να ομιλούμε για απώλειες ελευθέρου χώρου: κι όμως το κάνουμε! Αυτό που εννοούμε, είναι ο λόγος της λαμβανομένης προς την εκπεμπόμενη ισχύ. 13

14 Τι σημαίνει ο λόγος αυτός των ισχύων; ΔΕΝ πρόκειται για απώλειες, η ενέργεια διατηρήται, ΔΕΝ χάνεται. Απλούστατα περιγράφεται το γεγονός ότι δεν λαμβάνεται από την κεραία του δέκτη ΟΛΗ η ΗΜ ακτινοβολία που εκπέμπεται από την κεραία του πομπού.! Εύκολα μπορεί να υπολογιστεί από τον τύπο:. Free Space Loss = log(d) + 20log(f) db (όπου d σε km και f σε MHz)! Το παράδειγμα με την λάμπα!! Το μέτωπο του κύματος (wavefront) επεκτείνεται σφαιρικά και η ροή της ενέργειας ακτινοβολείται με την ταχύτητα του φωτός.! 14

15 Η Πυκνότητα ροής της Ιχύος (Power Flux Density - PFD) ορίζεται ως η ισχύς ανά μονάδα επιφανείας, δηλαδή η ισχύς από την λάμπα διαιρούμενη με την επιφάνεια της σφαίρας. Η επιφάνεια της σφαίρας είναι 4πr 2, οπότε: Ppfd = Pt / 4πr 2 w/m 2 => η λαμβανόμενη ισχύς είναι αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της απόστασης Field strength P (From Ohms Law (P = V 2 /R, Erms 2 = PZ0) η ένταση πεδίου αντιστρόφως ανάλογη της απόστασης 15

16 Το παράδειγμα του Voyager O Voyager1, βρίσκεται σε απόσταση 15 δισεκατομμυρίων χιλιομέτρων από τη Γη. Ποια η ισχύς του σήματος που λήψης; Η ισχύς εκπομπής Ρt είναι πεί τα 13 watts στα 8415MHz. Η 3.7m παραβολική του κεραία έχει κέρδος 48 db => η ισχύς προς την κατεύθυνσή μας είναι 800kW. Το σήμα του Voyager λαμβάνεται από ένα τεράστιο παραβολικό κάτοπτρο των 70m στο Goldstone που η επιφάνειά του είναι 3800m. Οπότε η ολική λαμβανόμενη ισχύς είναι περί το 1 x W ή ένα attowatt (-180 dbw). 16

17 Το παρατηρητήριο Goldstone βρίσκεται στην έρημο Mojave της California. Λειτούργησε στα τέλη της δεκαετίας των 50 για την επικοινωνία με τον διαστημικό σταθμό Pioneer. 17

18 Πως προκύπτει η σχέση FSL; - εξίσωση Friis 18

19 f σε ΜΗz και r σε km

20 Διάδοση μέσα στην ατμόσφαιρα της Γης 20

21 - Άζωτο - Nitrogen (N2) 78% - Οξυγόνο - Oxygen (O2) 21% - Αργό - Argon (Ar) 0.9% - Διοξείδιο του Άνθρακα - Carbon dioxide (CO2) 0.1% - (Varies with location, increasing...) - Neon, Helium, Krypton % - Υδρατμοί - Water vapour (H20) 0-2% - Ίχνη: Methane (CH4), Sulphur dioxide (SO2), Ozone (O3), Nitrogen oxide (NO) Nitrogen Dioxide (NO2). - Άλλα αέρια και σωματίδια καθώς και ρύπανση. 21

22 22

23 ITU-R Recommendation P.676 A rough & ready Model for Sea Level Gaseous Attenuation Where ρ is the water vapour concentration in g/m 3 and f is the frequency in GHz. For Oxygen attenuation it is a bit more complicated with two models, one for frequencies below 57 GHz and one for above frequencies 63 GHz. For GHz, an averaged value of 14.9 db/km is used. 23

24 24

25 Λοιπές απώλειες: διάθλασης, περίθλασης και σκέδασης Εμπειρικός κανόνας (Rule of thumb) απόσταση ραδιο-ορίζοντα (εμβέλεια) σε (km) συναρτήσει του ύψους του πομπού (m): d = 4.12 h d m -> 130 km h -> m , ,5 30 X -> km 25

26 Μηχανισμοί διάδοσης πέραν του ορίζοντος - Διάθλαση (Refraction) - bending of signals towards ground - Σκέδαση (Scattering) - from eddies in the air (δύνη, στροβιλισμός αέρα), from rain, from reflecting surfaces and objects - Περίθλαση (Diffraction) - from terrain, buildings and vegetation 26

27 Διάθλαση 27

28 Κανονική (πρότυπη) ατμόσφαιρα: dn/dh =

29 Ισοδύναμη ακτίνα της Γης Many models are simpler if we can treat radio waves as if they were traveling along straight lines in a standard atmosphere (dn/dh = -40) We can achieve this by pretending the Earth has a larger radius which we call the equivalent Earth radius Re. Ο συντελεστής καμπυλότητας (k factor) ορίζεται ως: Re = k R. Τυπικά Re = 4/3 R στην Ευρώπη, δηλ. k factor = 4/3. 29

30 Περίθλαση 30

31 31 Αρχή Huygen

32 When the off-axis component is delayed by half a wavelength, then when they are summed at the receive side, they will cancel; if the difference was a full wavelength, they would add. 32

33 33

34 34

35 35

36 36

37 37

38 Απώλειες περίθλασης (κατά ITU): Ad = -20h/F1+10 db, όπου h = το ύψος του εμποδίου 38

39 Απλοποιηµένο µοντέλο για τον υπολογισµό του ισοζυγίου ισχύος. 39

40 Path loss = Free space loss + Gas loss + Additional path loss Received power = EIRP - Path Loss + Receiver antenna gain 40

41 Στάθμη λήψης - RSL 41

42