ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

Transcript

1 "Αρχιμήδης - Ενίσχυση ερευνητικών ομάδων στα Τ.Ε.Ι." του Β Ε.Π.Ε.Α.Ε.Κ.- Γ Κ.Π.Σ Ενέργεια ζ, Υποέργο 6, "Ακριβής χαρακτηρισμός του μέσου διάδοσης στην Ελληνική επικράτεια σε χιλιοστομετρικά μήκη κύματος από δεδομένα τοπικής κλιματολογίας, προσδιορισμός της επίδρασης της ατμόσφαιρας σε ασύρματα συστήματα επικοινωνιών και αξιολόγηση στατικών και δυναμικών τεχνικών για την βελτίωση της απόδοσής των". ΠΕ3: Εξαγωγή περιθωρίων διάλειψης για δεδομένες διαθεσιμότητες και εκτίμηση της απόδοσης συστημάτων ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ Αναστάσιος Παπατσώρης, Κωνσταντίνος Πολυμέρης, Ειρήνη Σκλαρή, Θωμάς Μάντζου, Απόστολος Κουρουΐκίδης, Αθανασία Λάζου, Νικόλαος Βλασσόπουλος Δεκέμβριος 2007

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ... iii Κεφάλαιο 1. Διαδικασία πρόβλεψης απωλειών διάδοσης για επίγεια ασύρματα συστήματα Στοιχεία διάδοσης και μέθοδοι πρόβλεψης που απαιτούνται για το σχέδιο των επίγειων συστημάτων οπτικής επαφής Εξασθένιση λόγω ατμοσφαιρικών αερίων Εξασθένιση διάθλασης Εξασθένιση λόγω της πολλαπλών οδεύσεων και σχετικών μηχανισμών Μέθοδος για μικρά ποσοστά του χρόνου Μέθοδος για όλα τα ποσοστά του χρόνου Μέθοδος πρόβλεψης για την ενίσχυση του σήματος Μείωση λόγω των υδρομετεωριτών Μεταβολή της γωνίας λήψης στον δέκτη και της γωνίας εκπομπής στον πομπό λόγω διάθλασης Εξασθένιση της διακρισιμότητας κάθετης πόλωσης (XPD) σε πολλαπλές οδεύσεις ή σε συνθήκες υδρατμών Εξασθένιση του σήματος λόγω ατμοσφαιρικών αερίων Προβλέψεις χρησιμοποιώντας τη Σύσταση ITU-R P Συνολική απόσβεση κατά μήκος διαδρομής Χαρακτηριστικά βροχόπτωσης για την μοντελοποίηση της διάδοσης Υπολογισμός απόσβεσης ραδιοσήματος λόγω βροχής μεταξύ επίγειων σταθμών Πρόγραμμα για τον υπολογισμό της απόσβεσης λόγω βροχής μεταξύ επίγειων σταθμών Υπολογισμός απόσβεσης ραδιοσήματος λόγω βροχής μεταξύ επίγειου σταθμού και δορυφόρου Πρόγραμμα για τον υπολογισμό της απόσβεσης λόγω βροχής σε δορυφορικό σύστημα επικοινωνίας Κεφάλαιο 2. Περιθώρια διάλειψης για επίγειες και δορυφορικές ζεύξεις Σχεδιασμός ζεύξεων σημείου προς σημείο σταθερής υπηρεσίας ξηράς. Κριτήρια συνύπαρξης και επιλογής συχνοτήτων λειτουργίας Κριτηρία σχεδιασμού ζεύξης σε περιβάλλον θερμικού θορύβου Συχνότητα σφαλμάτων Περιθώριο διαλείψεων Κριτήρια σχεδιασμού σε περιβάλλον συνύπαρξης Προσδιορισμός περιθωρίων διάλειψης για επίγεια συστήματα Προσδιορισμός περιθωρίων διάλειψης για δορυφορικά συστήματα. 2-8 Κεφάλαιο 3. ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ - ΚΩΔΙΚΑΣ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗΣ ΣΥΣΤΑΣΕΩΝ 3-1 ii

3 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στο παραδοτέο (ΠΕ2) υλοποιήθηκε η επεξεργασία των μετεοωρολογικών δεδομένων και εξήχθησαν χρήσιμες στατιστικές μετεωρολογικές παράμετροι, ενώ κατασκευάστηκαν κατάλληλοι κλιματικοί χάρτες για το σύνολο της Ελληνικής επικράτειας που απαιτούνται ως είσοδοι στα μοντέλα διάδοσης. Χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα και τις παραπάνω παραμέτρους, δηλαδή τη μέση απόλυτη και σχετική υγρασία, μέση πίεση και θερμοκρασία, νέφωση καθώς και το ρυθμό βροχόπτωσης R0.01% μπορεί να εκτιμηθεί πλέον με μεγάλη ακρίβεια η επίδραση της ατμόσφαιρας στα ασύρματα τηλεπικοινωνιακά συστήματα που λειτουργούν σε συχνότητες μεγαλύτερες των 10 GHz, ως συνάρτηση της γεωγραφικής θέσης μιας τοποθεσίας στην Ελληνική Επικράτεια. Η εκτίμηση της απόδοσης των τηλεπικοινωνιακών συστημάτων καθώς και η εξαγωγή των κατάλληλων περιθωρίων διάλειψης για επίγεια και δορυφορικά συστήματα που λειτουργούν στη χώρα μας είναι το αντικείμενο του παρόντος πακέτου εργασίας ΠΕ3. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται εδώ αφορούν στα συνήθη ποσοστά διαθεσιμότητας ασύρματων συστημάτων επικοινωνιών, είναι δε πρωτότυπα και παρουσιάζονται για πρώτη φορά στη διεθνή βιβλιογραφία. Αρχικά αναπτύσσεται κατάλληλο λογισμικό για τον υπολογισμό της απόσβεσης ραδιοκυμάτων για επίγεια και κατόπιν για δορυφορικά συστήματα. Στη συνέχεια με την βοήθεια του αναπτυχθέντος λογισμικού, προκύπτουν εκτιμήσεις για την απόδοση αυτών των συστημάτων καθώς και τα περιθώρια διάλειψης στα οποία αντιστοιχούν συγκεκριμένα ποσοστά διαθεσιμότητας. iii

4 Κεφάλαιο 1. Διαδικασία πρόβλεψης απωλειών διάδοσης για επίγεια ασύρματα συστήματα Στο κεφάλαιο αυτό περιγράφεται αναλυτικά η διαδικασία πρόβλεψης της συνολικής απόσβεσης ραδιοκυμάτων στα πλαίσια ασύρματων επικοινωνιών που αφορούν σε επίγειες και διρυφορικές ζεύξεις. Η μεθοδολογία υπολογισμού βασίζεται για τα μεν επίγεια συστήματα στη Σύσταση ITU-R P , ενώ για τα δορυφορικά στη Σύσταση ITU-R P Στοιχεία διάδοσης και μέθοδοι πρόβλεψης που απαιτούνται για το σχέδιο των επίγειων συστημάτων οπτικής επαφής Η συνέλευση ραδιοεπικοινωνιών ITU, αφού έλαβε υπόψη ότι: 1. για τον κατάλληλο προγραμματισμό των επίγειων συστημάτων οπτικής επαφής είναι απαραίτητο να υπάρχουν κατάλληλες μέθοδοι και στοιχεία πρόβλεψης διάδοσης, 2. έχουν αναπτυχθεί μέθοδοι που επιτρέπουν την πρόβλεψη μερικών από τις πιο σημαντικές παραμέτρους διάδοσης που έχουν επιπτώσεις στον σχεδιασμό των επίγειων συστημάτων οπτικής επαφής, 3. οι προαναφερόμενοι μέθοδοι έχουν εξεταστεί όσο το δυνατόν περισσότερο ως προς υπαρκτά διαθέσιμα δεδομένα και έχουν παρουσιάσει ότι έχουν ακρίβεια, που είναι συμβατή με τη φυσική μεταβλητότητα φαινομένων διάδοσης και επαρκής για τις περισσότερες παρούσες εφαρμογές στον προγραμματισμό συστημάτων, συστήνει: οι μέθοδοι πρόβλεψης και οι λοιπές τεχνικές που καθορίζονται και παρουσιάζονται παρακάτω να υιοθετούνται για τον προγραμματισμό 1-1

5 επίγειων συστημάτων οπτικής επαφής στις αντίστοιχες περιοχές των παραμέτρων που υποδεικνύονται. Διάφορα φαινόμενα διάδοσης πρέπει να εξεταστούν στο σχεδιασμό των επίγειων συστημάτων μετάδοσης, μέσω σύνδεσης δύο ραδιοσταθμών οπτικής επαφής. Αυτά περιλαμβάνουν: Εξασθένιση λόγω περίθλασης από εμπόδια ή μερικής παρακώλυσης πάνω στην διεύθυνση διάδοσης. Εξασθένιση λόγω των ατμοσφαιρικών αερίων Εξασθένιση λόγω πολλαπλής όδευσης ή διασποράς ακτινών (που αναφέρεται συνήθως ως αποεστίαση (defocusing)), που οφείλεται σε αφύσικα ανώμαλα διαθλαστικά στρώματα Εξασθένιση λόγω πολλαπλής όδευσης που προκύψει από την αντανάκλαση επιφάνειας Εξασθένιση του σήματος λόγω συμπύκνωσης υδρατμών ή στερεών μορίων στην ατμόσφαιρα Μεταβολή της γωνίας λήψης στον δέκτη και της γωνίας εκπομπής στον πομπό λόγω διάθλασης Εξασθένιση της διακρισιμότητας κάθετης πόλωσης (XPD) σε πολλαπλές οδεύσεις ή σε συνθήκες υδρατμών Διαστρέβλωση, παραμόρφωση του σήματος λόγω της επιλεκτικής εξασθένισης ορισμένων συχνοτήτων και καθυστέρηση κατά τη διάρκεια της πολλαπλών οδεύσεων διάδοσης. Σκοπός είναι να παρουσιαστούν βήμα προς βήμα οι απλές μέθοδοι πρόβλεψης για τα αποτελέσματα διάδοσης που πρέπει να ληφθούν υπόψη στην πλειοψηφία επίγειων ζεύξεων οπτικής επαφής, Ένας ακόμη σκοπός είναι να παρουσιαστούν πληροφορίες και τεχνικές που μπορούν να συστηθούν στον προγραμματισμό επίγειου συστήματος οπτικής επαφής. 1-2

6 Για βελτιστοποίηση της δυνατότητας χρησιμοποίησης αυτής της σύστασης και της υποδεικνυόμενης μεθοδολογίας στον προγραμματισμό και την ανάλυση συστημάτων, η πληροφορία οργανώνεται σύμφωνα με τα αποτελέσματα διάδοσης που πρέπει να εξεταστούν, παρά με τους φυσικούς μηχανισμούς που προκαλούν τα διαφορετικά αποτελέσματα. Πρέπει να σημειωθεί ότι ο όρος «χειρότερος μήνας» που χρησιμοποιείται σε αυτήν την σύσταση είναι ισοδύναμος με αυτού του «κάθε μήνα». Η απώλεια διάδοσης σε μια επίγεια διαδρομή οπτικής επαφής σχετικά με την απώλεια στον ελεύθερο χώρο είναι το άθροισμα διαφορετικών συνεισφορών ως εξής: Εξασθένιση λόγω των ατμοσφαιρικών αερίων, Εξασθένιση λόγω περίθλασης που οφείλεται σε εμπόδια ή μερική παρεμπόδιση στη διεύθυνση διάδοσης, Εξασθένιση λόγω της πολλαπλών οδεύσεων, διασποράς της δέσμης και σπινθηρισμού, Εξασθένιση λόγω της μεταβολής της γωνίας εκπομπής/λήψης, Εξασθένιση λόγω συμπύκνωσης υδρατμών(υγρασίας), Εξασθένιση λόγω των θυελλών άμμου και σκόνης. Κάθε μια από αυτές τις συνεισφορές έχει τα χαρακτηριστικά της ως συνάρτηση της συχνότητας, κατά μήκος της διαδρομής και της γεωγραφικής θέσης Εξασθένιση λόγω ατμοσφαιρικών αερίων Κάποια εξασθένιση λόγω της απορρόφησης από το οξυγόνο και τους υδρατμούς υπάρχει πάντα, και πρέπει να συμπεριληφθεί στον υπολογισμό της συνολικής απώλειας διάδοσης στις συχνότητες μεγαλύτερες των 10 GHz. Η εξασθένιση σε μια πορεία του μήκους d (km) δίνεται από: 1-3

7 A = γ d ( db ) α α Στις μακρινές πορείες στις συχνότητες μεγαλύτερες των 20 GHz, μπορεί να είναι επιθυμητό να ληφθεί υπόψη οι στατιστικές της πυκνότητας και της θερμοκρασίας υδρατμών κοντά στην πορεία. Σημείωση: Περισσότερα για το γ α στη σύσταση ITU-R P Εξασθένιση διάθλασης Οι μεταβολές των συνθηκών διάθλασης στην ατμόσφαιρα προκαλούν αλλαγές του k - παράγοντα από τη μέση τιμή του περίπου 4/3 για μια τυπική ατμόσφαιρα. Όταν η ατμόσφαιρα είναι αρκετά υπο-διαθλαστική (μεγάλες θετικές τιμές της κλίσης του διαθλαστικού δείκτη, χαμηλή τιμή k- παράγοντα), οι πορείες ακτινών θα πάρουν κλίση με τέτοιο τρόπο ώστε η γη εμφανίζεται να εμποδίζει την άμεση πορεία μεταξύ της συσκευής αποστολής σημάτων και του δέκτη, που αυξάνει την εξασθένιση, και καλείται εξασθένιση διάθλασης. Αυτή η εξασθένιση είναι ο παράγοντας που καθορίζει τα ύψη κεραιών. Οι στατιστικές k-παράγοντα για ένα σημείο μπορούν να καθοριστούν από τις μετρήσεις ή τις προβλέψεις της κλίσης διαθλαστικών δεικτών στα πρώτα 100 m της ατμόσφαιρας. Αυτές οι κλίσεις πρέπει να υπολογιστούν κατά μέσο όρο προκειμένου να ληφθεί η τελική τιμή k για το μήκος της διαδρομής εν λόγω k e. Οι τιμές k e που υπερβαίνονται για 99,9% του χρόνου συζητούνται μέσα στους όρους των κριτηρίων εκκαθάρισης πορειών στο εξής τμήμα Εξασθένιση λόγω της πολλαπλών οδεύσεων και σχετικών μηχανισμών Διάφοροι μηχανισμοί απόσβεσης (εκτός βροχής) που προκαλούνται από τα εξαιρετικά διαθλαστικά στρώματα στην ατμόσφαιρα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη στον σχεδιασμό των ζεύξεων, σε αποστάσεις μεγαλύτερες από 1-4

8 ορισμένα χιλιόμετρα κατά μήκος της διαδρομής. Παράδειγμα αποτελούν η διασπορά δέσμης ή αποεστίαση, αποσύζευξη κεραιών, η επιφανειακή πολλαπλή όδευση, και πολυόδευση στην ατμόσφαιρα. Οι περισσότεροι από αυτούς τους μηχανισμούς προκύπτουν μόνοι τους ή σε συνδυασμό σε μεταξύ τους. Μια ιδιαίτερα ισχυρή μορφή επιλεκτικής εξασθένισης ως προς τη συχνότητα εμφανίζεται όταν η διασπορά της δέσμης ακτινοβολίας συμβάλει με ένα ανακλώμενο σήμα στην επιφάνεια της γης, παράγει πολλαπλών οδεύσεων εξασθένιση. Ο σπινθηρισμός που εξασθενεί το σήμα λόγω των τυρβωδών διακυμάνσεων μικρότερης κλίμακας στην ατμόσφαιρα υπάρχει πάντα με αυτούς τους μηχανισμούς αλλά στις συχνότητες μικρότερες των 40 GHz η επίδρασή του δεν είναι σημαντική. Μια μέθοδος πρόβλεψης της κατανομής απόσβεσης συχνότητας (ή περιορισμένο εύρος ζώνης) σε μεγάλα βάθη εξασθενίζει στο μέσο χειρότερο μήνα σε οποιοδήποτε μέρος του κόσμου δίνεται στην Αυτή η μέθοδος δεν χρησιμοποιείται το σχεδιασμό πορειών και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον αρχικό σχεδιασμό, και χορήγηση αδειών. Η δεύτερη μέθοδος που είναι κατάλληλη για όλα τα βάθη εξασθένισης παρουσιάζεται στη Μια μέθοδος για την πρόβλεψη της ενίσχυσης του σήματος δίνεται στη που χρησιμοποιεί ως μόνη είσοδο την μέθοδο της Μέθοδος για μικρά ποσοστά του χρόνου Βήμα 1. Για την γεωγραφική θέση της όδευσης, υπολογίστε τον γεωκλιματικό παράγοντα K για το μέσο χειρότερο μήνα από τα δεδομένα εξασθένισης για το γεωγραφικό τομέα. Εάν τα δεδομένα για K δεν είναι διαθέσιμα, υπολογίστε τον γεωκλιματικό παράγοντα για το μέσο χειρότερο μήνα από: 1-5

9 K = 10 dn sa Όπου: dn1 είναι η κλίση διαθλαστικότητας σημείου στα 65 m της ατμόσφαιρας που δεν υπερβαίνει για 1% ενός μέσου έτους, και s a είναι η τραχύτητα εδάφους. Η dn1 παρέχεται σε ένα πλέγμα 1,5 ο μοιρών στο γεωγραφικό πλάτος και το γεωγραφικό μήκος. Η σωστή τιμή για το γεωγραφικό πλάτος και το γεωγραφικό μήκος στο κέντρο των διαδρομών πρέπει να ληφθεί από τις τιμές για τα τέσσερα πιο κοντινά σημεία πλέγματος από τη διγραμμική παρεμβολή. Η s a ορίζεται ως η τυπική απόκλιση των υψωμάτων του εδάφους σε τετραγωνική περιοχή 110 Km * 110Km. Ένας εναλλακτικός υπολογισμός του K, εάν εκτίμηση μπορεί να ληφθεί από: απαιτείται μια ακριβέστερη K dN1 = 10 (1.2) Βήμα 2. Από τα ύψη κεραιών he και hr (σε (m) επάνω από το επίπεδο της θάλασσας), υπολογίστε τη κλίση κατεύθυνσης της όδευσης εp σε χιλιοστά ακτινών (mrad) από: ε p = hr he / d (1.3) πού d είναι το μήκος όδευσης σε (km). Βήμα 3. Για τη λεπτομερή ανάλυση της ζεύξης, υπολογίζουμε το ποσοστό του χρόνου p w (%) που ένα βάθος απόσβεσης A σε (db) ξεπερνιέται στο μέσο χειρότερο μήνα από: 1-6

10 p w f hL A /10 = Kd (1 + ε p ) 10 % (1.4) f: συχνότητα σε GHz h L : Το ύψος της χαμηλότερης κεραίας σε (m). Το μικρότερο από τα h e και h r Ένας εναλλακτικός υπολογισμός του p w (%) μπορεί να ληφθεί από: p w f 0.001h L A/10 = Kd (1 + ε p ) 10 % (1.5) Όπου το Κ το παίρνουμε από τον εναλλακτικό υπολογισμό του, παραπάνω. Βήμα 1. Οι γενικές σταθερές αποκλίσεις του λάθους στις προβλέψεις που χρησιμοποιούν τις εξισώσεις (1) και (4), και (2) και (5), είναι 5,7 db και 5,9 db, αντίστοιχα. Μέσα στο ευρύ φάσμα των διαδρομών που περιλαμβάνεται σε αυτά τα διαγράμματα, μια ελάχιστη σταθερή απόκλιση λάθους 5,2 db ισχύει για χερσαίες τις πορείες για τις οποίες hl <700 m, και μια μέγιστη τιμή 7,3 db για τις υδάτινες διαδρομές. Βήμα 2. Οι εξισώσεις (4) και (5), και οι σχετικές εξισώσεις (1) και (2) για το γεωκλιματικό παράγοντα K, προήλθαν από τις πολλαπλάσιες αναδρομές σε εξασθενίζοντα στοιχεία για 251 ζεύξεις στις διάφορες περιοχές του κόσμου με τα μήκη πορειών d, από 7,5 έως 185 Km, συχνότητες f, από 450 MHz σε 37 GHz, πορεία κλίσεις ε p, μέχρι 37 mrad, χαμηλότερα ύψη κεραιών h L στη ανάμεσα σε 17 έως m, κλίσεις διαθλαστικότητας dn1 ανάμεσα στα 860 εώς 150/N-unit/Km, και τραχύτητα επιφάνειας περιοχής s a ανάμεσα σε 6 έως 850 m (για s a < 1 m, χρησιμοποιείστε ένα χαμηλότερο όριο του 1m). 1-7

11 Οι εξισώσεις (4) και (5) αναμένονται επίσης να ισχύουν για τις συχνότητες τουλάχιστον ως 45 GHz. Τα αποτελέσματα μιας ημι-εμπειρικής ανάλυσης δείχνει ότι το όριο χαμηλότερης συχνότητας είναι αντιστρόφως ανάλογο προς το μήκος της διαδρομης. Μια κατά προσέγγιση εκτίμηση αυτού του ορίου χαμηλότερης συχνότητας f min, μπορεί να ληφθεί από: (1.6) Μέθοδος για όλα τα ποσοστά του χρόνου Η μέθοδος που δίνεται κατωτέρω προβλέπει του ποσοστού του χρόνου κάποιο βάθος απωλειών ξεπερνιέται και συνδυάζει την κατανομή της προηγούμενης ενότητας και μια εμπειρική μέθοδο παρεμβολής (interpolation) για ρηχά βάθη απωλειών κάτω από 0 db. Βήμα 1. Χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της υπολογίζουμε τον παράγοντα πολλαπλών οδεύσεων p 0 (δηλ. την τομή κατανομής βαθειάς απώλειας με τον άξονα του ποσοστού του χρόνου): p = Kd f hL (1 + ε p ) 10 % (1.7) για το λεπτομερή σχεδιασμό εφαρμογών με K αποκτηθείς από την εξίσωση (1), και p = Kd f 0.001hL (1 + ε p ) 10 % (1.8) 1-8

12 για το γρήγορο υπολογισμό, με K που προκύπτει από τη σημείωση εξίσωσης (2) εκείνες της εξίσωσης (7) και (8) είναι ισοδύναμο με τις εξισώσεις (4) και (5), αντίστοιχα, με Α=0. Βήμα 2. Υπολογίστε τη τιμή του βάθους απώλειας At, στο οποίο η μετάβαση από την κατανομή βαθιάς απώλειας στη κατανομή ρηχής απώλειας όπως προβλέπεται από τον εμπειρικό τύπο παρεμβολής: (1.9) Η μέθοδος εξαρτάται τώρα από εάν το A είναι μεγαλύτερο ή μικρότερο από το At. Βήμα 3. α) Εάν το ζητούμενο βάθος απώλειας A, είναι ίσο ή μεγαλύτερο από τo At : Υπολογίστε το ποσοστό του χρόνου που το A υπερβαίνει στο μέσο χειρότερο μήνα από την: (1.10) Σημειώστε ότι η εξίσωση (10) είναι ισοδύναμη με την εξίσωση (4) ή (5), ανάλογα με την περίπτωση. β) Εάν το ζητούμενο βάθος απώλειας A, είναι μικρότερο από τo At : Υπολογίστε το ποσοστό του χρόνου pt, που το Αt χειρότερο μήνα από την: υπερβαίνει το μέσο (1.11) Σημειώστε ότι η εξίσωση (11) είναι ισοδύναμη με την εξίσωση (4) ή (5), ανάλογα με την περίπτωση, με Α=At. 1-9

13 Υπολογίστε το q a από το βάθος απώλειας μετάβασης At και το χρόνο ποσοστού μετάβασης pt : (1.12) Υπολογίστε qt από q a και την απώλεια μετάβασης At : (1.13) Υπολογίστε q a από το απαιτούμενο βάθος A : (1.14) Υπολογίστε το ποσοστό του χρόνου pw, που το βάθος απώλειας A σε (db) υπερβαίνει στο μέσο χειρότερο μήνα: (1.15) Εάν το p 0 < 2.000, η παραπάνω μέθοδος παρέχει μια μονότονη μεταβολή του p w ως προς το A που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να βρεθεί το A για μια δεδομένη τιμή του pw χρησιμοποιώντας απλή επανάληψη της διαδικασίας. 1-10

14 Διάγραμμα 1-1. Το ποσοστό του χρόνου p w, το βάθος εξασθένισης A ξεπερνιέται σε έναν μέσο χειρότερο μήνα, με p 0 (στην εξίσωση (7) ή (8), ανάλογα με την περίπτωση) κυμαινόμενος από 0,01 έως Μέθοδος πρόβλεψης για την ενίσχυση του σήματος Οι μεγάλες ενισχύσεις σήματος παρατηρούνται κάτω από ίδιες συνθήκες για τις συνηθισμένες οδεύσεις, όπου έχουμε και απώλειες λόγω πολλαπλής όδευσης. Ενίσχυση πάνω από τα 10 db για τον μέσο χειρότερο μήνα προκύπτει από την: (1.16) για Ε>10dB. Όπου E (db) είναι η ενίσχυση που δεν υπερβαίνεται για p % του χρόνου και A 0,01 είναι προβλεπόμενη απώλεια ( από τις εξισώσεις (4) ή (5), που υπερβαίνεται για pw =0,01% του χρόνου. Για ενίσχυση μεταξύ 10 και 0 db χρησιμοποιούμε την ακόλουθη βαθμιαία μέθοδο: 1-11

15 Βήμα 1. Υπολογίστε το ποσοστό του χρόνου p w με ενίσχυση μικρότερη ή ίση με 10 db (E =10) χρησιμοποίηση της εξίσωσης (16). Βήμα 2: Υπολογίστε το q e από: (1.17) Βήμα 2. Υπολογίστε την παράμετρο q s από: (1.18) Βήμα 3. Υπολογίστε q e για το απαιτούμενο E από: (1.19) Βήμα 4. την: Το ποσοστό του χρόνου που η ενίσχυση E (db) δεν υπερβαίνεται από (1.20) Το σύνολο καμπυλών στο σχήμα 2 δίνει μια γραφική απεικόνιση της μεθόδου με p 0 ως παράμετρο (εξίσωση (7) ή (8)). Κάθε καμπύλη στο σχήμα 2 αντιστοιχεί στην καμπύλη στο σχέδιο 1 με την ίδια τιμή p 0. Πρέπει να σημειωθεί ότι το σχέδιο 2 δίνει το ποσοστό του χρόνου για το οποίο οι ενισχύσεις υπερβαίνονται, πράγμα που αντιστοιχεί (100-p w ), με p w από τις εξισώσεις (16) και (20). 1-12

16 Διάγραμμα 1-2. Ποσοστό του χρόνου, (100-p w), ενίσχυση E, που υπερβαίνεται στο μέσο χειρότερο μήνα, με p 0 (στην εξίσωση (7) ή (8)) που κυμαίνεται από 0,01 έως Μείωση λόγω των υδρομετεωριτών Η εξασθένιση μπορεί επίσης να εμφανιστεί ως αποτέλεσμα της απορρόφησης και διασπορά από υδρο-μετεωρίτες όπως τη βροχή, το χιόνι, το χαλάζι και την ομίχλη. Αν και η μείωση βροχής μπορεί να αγνοηθεί στις συχνότητες κάτω από περίπου 5 GHz, αυτό πρέπει να περιληφθεί στους υπολογισμούς σχεδίου στις υψηλότερες συχνότητες, όπου η σημασία της αυξάνεται γρήγορα. Στις πορείες στα υψηλά γεωγραφικά πλάτη ή τις διαδρομές υψηλού ύψους στα χαμηλότερα γεωγραφικά πλάτη, το υγρό χιόνι μπορεί να προκαλέσει σημαντική μείωση πέρα από ένα ακόμα μεγαλύτερο φάσμα συχνοτήτων. Στις συχνότητες όπου και η μείωση βροχής και η πολλαπλών οδεύσεων εξασθένιση πρέπει να ληφθούν υπόψη, τα ποσοστά υπέρβασης για την εξασθένιση βάθους που αντιστοιχεί σε κάθε ένας από αυτούς τους μηχανισμούς μπορούν να προστεθούν. 1-13

17 1.1.8 Μεταβολή της γωνίας λήψης στον δέκτη και της γωνίας εκπομπής στον πομπό λόγω διάθλασης Οι ανώμαλες κλίσεις του διαθλαστικού δείκτη καθαρού αέρα κατά μήκος μιας διαδρομής μπορούν να προκαλέσουν ιδιαίτερη μεταβολή της γωνίας λήψης στον δέκτη και της γωνίας εκπομπής των διαβιβασθέντων και λαμβανόμενων κυμάτων. Αυτή η μεταβολή είναι ουσιαστικά ανεξάρτητη της συχνότητας και πρώτιστα στο κάθετο επίπεδο των κεραιών. Η εύρος τιμών της γωνίας είναι μεγαλύτερο στις υγρές παράκτιες περιοχές απ' ότι στις ξηρές περιοχές. Η επίδραση μπορεί να είναι σημαντική στις μακριές διαδρομές στις οποίες υιοθετείται υψηλό κέρδος/στενές ακτίνες κεραιών. Εάν το εύρος της δέσμης κεραιών είναι πάρα πολύ στενά, το άμεσο εξερχόμενο/εισερχόμενο κύμα μπορεί να είναι αρκετά μακριά από τον άξονα, ώστε να μπορεί να εμφανιστεί σημαντική εξασθένιση. Επιπλέον, εάν οι κεραίες ευθυγραμμίζονται κατά τη διάρκεια περιόδων με αφύσικες τιμές της γωνίας του δέκτη, η ευθυγράμμιση μπορεί να μην είναι βέλτιστη. Κατά συνέπεια, στην ευθυγράμμιση κεραιών στις κρίσιμες διαδρομές (π.χ. μακριές διαδρομές στην παράκτια περιοχή), μπορεί να είναι επιθυμητό να ελεγχθεί η ευθυγράμμιση αρκετές φορές για μία περίοδο μερικών ημερών Εξασθένιση της διακρισιμότητας κάθετης πόλωσης (XPD) σε πολλαπλές οδεύσεις ή σε συνθήκες υδρατμών Η XPD μπορεί να εξασθενίσει το σήμα αρκετά ώστε να προκαλέσει συνκαναλική παρεμβολή. Η μείωση XPD που εμφανίζεται και κατά τη διάρκεια συνθηκών καθαρού-αέρα και κατά την διάρκεια βροχόπτωσης, πρέπει να ληφθούν υπόψη. 1-14

18 Πρόβλεψη της παύσης της XPD λόγω των φαινομένων σε συνθήκες καθαρού αέρα Η συνδυασμένη δράση της πολλαπλής όδευσης και των διευθύνσεων πόλωσης των κεραιών κυβερνά τις μειώσεις της XPD που εμφανίζονται για μικρά ποσοστά του χρόνου. Για να υπολογιστεί η επίδραση αυτών των μειώσεων στην απόδοση των ζεύξεων, τα ακόλουθα βήματα πρέπει να χρησιμοποιηθούν: Βήμα 1. Υπολόγισε: (1.21) πού XPD g είναι το εγγυημένο ελάχιστο απ τον κατασκευαστή XPD για απευθείας θέαση, για την κεραία εκπομπής και λήψης. Βήμα 2. Υπολογίστε την πολλαπλών διαδρομών παράμετρο δραστηριότητας: ( P0) η = 1 e (1.22) Όπου P0= pw / 100 είναι ο πολλαπλών διαδρομών παράγοντας περιστατικού που αντιστοιχεί στο ποσοστό του χρόνου pw (%) της υπέρβασης A=0 db στο μέσο χειρότερο μήνα, όπως υπολογίζεται από την εξίσωση (4) ή (5), αναλόγως της περίπτωσης. 1-15

19 Βήμα 3. Καθορίστε: Q kxp η = 10log P0 (1.23) Όπου μία κεραία εκπομπής k xp = e st λ 2 δύο κεραίες εκπομπής (1.24) Στην περίπτωση όπου δύο ορθογώνια πολωμένες μεταδόσεις είναι από διαφορετικές κεραίες, η κατακόρυφη απόσταση είναι s t (m) και το μήκος κύματος του φορέα είναι λ (m). Βήμα 4. Υπολογίστε την παράμετρο C από: C = XPD0 + Q (1.25) Βήμα 5. Υπολογίστε την πιθανότητα της διακοπής λειτουργίας P XP λόγω της σταυροπόλωσης σε συνθήκες καθαρού-αέρα από: 10 = (1.26) P XP P0 10 M XPD 1-16

20 Όπου M XPD (db) είναι το ισοδύναμο περιθώριο XPD για ένα BER αναφοράς που δίνεται από: (1.27) Εδώ, το C0/I είναι η αναλογία φορέας παρέμβασης για ένα BER αναφοράς, το οποίο μπορεί να αξιολογηθεί καθενός από τις προσομοιώσεις ή από τις μετρήσεις. XPIF είναι ένας εργαστήριο-μετρημένος παράγοντας βελτίωσης σταυροπόλωσης που δίνει τη διαφορά ανάμεσα σταυροπολωτική απομόνωση (XPI) στην αρκετά μεγάλη αναλογία μεταφοράς θορύβου (χαρακτηριστικά 35 db) και συγκεκριμένα στο BER για τα συστήματα με και χωρίς διαγώνιο πολικό ακυρωτή παρέμβασης (XPIC). Ένας χαρακτηριστικός η αξία XPIF είναι περίπου 20 db Πρόβλεψη της διακοπής λειτουργίας XPD λόγω φαινομένων βροχόπτωσης Στατιστικές XPD κατά τη διάρκεια βροχόπτωσης. Η έντονη βροχή κυβερνά τις μειώσεις XPD που παρατηρούνται για τα μικρά ποσοστά του χρόνου. Για τις διαδρομές όπου περισσότερο λεπτομερείς προβλέψεις ή μετρήσεις δεν είναι διαθέσιμες, μια κατά προσέγγιση εκτίμηση της κατανομής XPD μπορεί να ληφθεί από μια αθροιστική κατανομή της ομοπολικής εξασθένισης (CPA) για τη βροχή χρησιμοποιώντας τη σχέση ισοπιθανότητας: (1.28) 1-17

21 Οι συντελεστές U και V (f ) είναι γενικά εξαρτώμενοι από διάφορες μεταβλητές και εμπειρικοί παράμετροι, συμπεριλαμβανομένης της συχνότητας f. Για τις διαδρομές άμεσης οπτικής επαφής με μικρές γωνίες ανύψωσης και οριζόντια ή κάθετη πόλωση, αυτοί οι συντελεστές μπορεί να προσεγγιστούν από: (1.29) (1.30) (1.31) Μια μέση τιμή U 0 περίπου 15 db, με κάτω φράγμα τα 9 db για όλες τις μετρήσεις, έχει μετρηθεί για πτώσεις σήματος μεγαλύτερες από 15 db. Η μεταβλητότητα στις τιμές U και V (f ) είναι τέτοια που η διαφορά μεταξύ των τιμών CPA για οι κάθετες και οριζόντιες το πολώσεις δεν είναι σημαντικές κατά αξιολόγηση της XPD. Χρησιμοποιείται η τιμή CPA για την κυκλική πόλωση κατά την εργασία με την εξίσωση (28). Βαθμιαία μέθοδος για τη πρόβλεψη της διακοπή λειτουργίας λόγω των φαινομένων βροχόπτωσης. Βήμα 1. Καθορίστε την εξασθένιση διαδρομής,a 0,01 (db), που ξεπερνιέται για 0,01% του χρόνου από την εξίσωση: (1.32) Για να υπολογισθεί η ειδική εξασθένιση ς πρέπει να υπολογίσουμε τον ρυθμό βροχόπτωσης r. Υπολογίζεται από την σύσταση της ITU-R P Επίσης, η ειδική μείωση γ R υπολογίζεται από την σύσταση της ITU-R P Βήμα 2. Καθορίστε την εξασθένιση διαδρομής, Ap (db): 1-18

22 (1.33) πού U λαμβάνεται από την εξίσωση (30) και V από την εξίσωση (31),C0 /I (db) είναι ο λόγος φορέα-παρεμβολής που καθορίζονται για τα BER αναφοράς χωρίς XPIC, και XPIF (db) είναι ο διαγώνιος-πολωμένος παράγοντας βελτίωσης για τα BER αναφοράς. Εάν μια συσκευή XPIC δεν χρησιμοποιείται, θέτουμε XPΙ=0. Βήμα 3. Καθορίστε τις ακόλουθες παραμέτρους: και (1.34) (1.35) Οι έγκυρες τιμές για n πρέπει να είναι στη περιοχή από- 3 έως 0. Σημειωτέων ότι σε μερικές περιπτώσεις, ειδικά όταν μία συσκευή XPIC χρησιμοποιείται, τιμές του n μικρότερες του -3 μπορεί να ληφθούν. Εάν αυτό συμβαίνει, πρέπει να σημειωθεί ότι οι τιμές του p είναι μικρότερες από -3, θα δώσουν BER < 1*10-5. Βήμα 4. Καθορίστε την πιθανότητα διακοπής λειτουργίας από: (1.36) 1-19

23 1.17 Υπολογισμός απόσβεσης ραδιοσήματος λόγω βροχής μεταξύ επίγειων σταθμών, ΣΥΣΤΑΣΗ ITU-R P Εξασθένιση του σήματος λόγω ατμοσφαιρικών αερίων Η συνέλευση ραδιοεπικοινωνιών της ITU, λαμβάνοντας υπόψη ότι: α) Ότι είναι απαραίτητη η εκτίμηση της εξασθένισης από τα ατμοσφαιρικά αέρια, σε επίγειες και σε κεκλιμένες οδεύσεις, συστήνει ότι: 1 Προκειμένου να υπολογιστεί η εξασθένιση από ατμοσφαιρικά αέρια πρέπει να χρησιμοποιούνται συχνότητες μέχρι GHz. 2 Οι εκτιμήσεις της εξασθένισης από τα ατμοσφαιρικά αέρια με την μεθοδολογία που προτείνεται παρακάτω αναφέρεται σε φάσμα συχνοτήτων που εκτείνεται από 1 έως 350 GHz. Ειδική απόσβεση λόγω ατμοσφαιρικών αερίων (Specific Attenuation) Η ειδική απόσβεση στις συχνότητες μέχρι GHz λόγω του ξηρού αέρα και των υδρατμών, μπορεί να υπολογιστεί επακριβώς σε οποιαδήποτε πίεση, θερμοκρασία και υγρασία διαμέσου ενός αθροίσματος των αντίστοιχων γραμμών από το οξυγόνο και τους υδρατμούς, μαζί με κάποιους μικρούς επιπλέον παράγοντες για το μη συντονισμένο φάσμα Debye του οξυγόνου κάτω από τα 10 GHz, πίεση που έχει προκληθεί από το άζωτο επάνω από 100 GHz και μια υγρή συνέχεια για να αποτελέσει την υπερβολική απορρόφηση των υδρατμών. Το σχήμα 1 παρουσιάζει ειδική απόσβεση χρησιμοποιώντας το πρότυπο, υπολογισμένο από 0 έως GHz σε διαστήματα 1 GHz, για μια πίεση hpa, θερμοκρασία 15 ο C για τις περιπτώσεις πυκνότητας υδρατμών 7,5 g/m3 (καμπύλη Α) και μια ξηρά ατμόσφαιρα (Καμπύλη Β). 1-20

24 Διάγραμμα 1-3. Γραμμές απορρόφησης για υδρατμούς και οξυγόνο σε συνάρτηση με τη συχνότητα Η ειδική απόσβεση λόγω αερίων δίνεται από τη σχέση: (1.37) Όπου: γ ο : ειδική απόσβεση σε (db/km) που οφείλονται στον ξηρό αέρα (οξυγόνο, πίεση που έχει προκληθεί από το άζωτο και μη-ηχηρή μείωση Debye), γ w : ειδική απόσβεση σε (db/km) που οφείλονται στους υδρατμούς, f: είναι η συχνότητα σε (GHz) και Ν (f): είναι το φανταστικό μέρος της μιγαδικής διαθλαστικότητας της συχνότητας: το Si είναι η ισχύς της i-ής γραμμής, το Fi είναι ο παράγοντας μορφής της γραμμής και (1.38) 1-21

25 το N D (f) είναι το ξηρό συνεχές υπόβαθρο λόγω της πίεσης απορρόφησης άζωτου. Η ισχύς της γραμμής δίνονται: για Οξυγόνο (1.39) για Υδρατμούς (1.40) Όπου: P: Πίεση ξηρού αέρα (hpa) e: Μερική πίεση υδρατμών σε hpa (ολική βαρομετρική πίεση P β =p+e) θ: 300/Τ Τ: Θερμοκρασία ( ο Κ) Οι ανάλογες τοπικές τιμές των p, e και T πρέπει να χρησιμοποιούνται από μετρημένα προφίλ. Σημειώστε ότι όταν υπολογίζουμε την ολική ατμοσφαιρική απόσβεση, η μερική πίεση είναι ίδια για υδρατμούς και για ξηρό αέρα. Η μερική πίεση υδρατμών e, προκύπτει από τη πυκνότητα p από έκφραση: την (1.41) Οι συντελεστές για τα α1, α2 δίνονται στον Πίνακα 1 για το οξυγόνο και για τα b1 και b2, δίνονται στον Πίνακα 2 για τους υδρατμούς, όπου δίνονται παρακάτω. Ο παράγοντας μορφής γραμμής Fi είναι: 1-22

26 Με Fi είναι η συχνότητα γραμμής και η Δf είναι το εύρος συχνότητας γραμμής: (1.42) για Οξυγόνο (1.43) για Υδρατμούς (1.44) και ο παράγοντας διορθώσεων που προκύπτει λόγω των αποτελεσμάτων παρέμβασης στις γραμμές οξυγόνου: για Οξυγόνο (1.45) για Υδρατμούς f 0 α1 α2 α3 Α4 α5 α6 50, , , , , , , , , , , , ,069 56,

27 56, , , , ,647 59, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Πίνακας 1-1. Φασματοσκοπικά στοιχεία για τη εξασθένηση οξυγόνου 1-24

28 f 0 b1 b2 b3 b4 b5 b6 22, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

29 Πίνακας 1-2. Φασματοσκοπικά στοιχεία για τη μείωση υδρατμών (1.46) όπου το d είναι η παράμετρος εύρους για το φάσμα Debye: (1.47) Απόσβεση Διαδρομών (Path Attenuation) Επίγειες διαδρομές Για μια επίγεια διαδρομή, ή για τις ελαφρώς κεκλιμένες πορείες κοντά στο έδαφος, απόσβεση διαδρομών Α, είναι: (1.48) Όπου r 0 είναι το μήκος της διαδρομής Κεκλιμένες διαδρομές 1-26

30 Αυτό το τμήμα δίνει μια μέθοδο για να ολοκληρωθεί η ειδική απόσβεση που υπολογίζεται όπως παραπάνω, στις διαφορετικές πιέσεις, τις θερμοκρασίες και τις υγρασίες της ατμόσφαιρας. Αυτό σημαίνει ότι, η απόσβεση διαδρομών για τα συστήματα επικοινωνιών με οποιαδήποτε σχετική γεωμετρική τοποθέτηση, εντός και εκτός της γης, η επίδραση της ατμόσφαιρα μπορεί να καθοριστεί ακριβώς απλά με τη διαίρεση της ατμόσφαιρας σε οριζόντια στρώματα, που διευκρινίζουν τα σχεδιάγραμμα της μετεωρολογικής πίεσης παραμέτρων, θερμοκρασία και υγρασία κατά μήκος της πορείας. Θεωρούμε 2 σταθμούς (επίγειους, εναέριους ή σε συνδυασμό) σε ύψη Η1 και Η2 σε (km) και με γεωγραφικές συντεταγμένες Ρ1(λ1,φ1) και Ρ2(λ2,φ2) αντίστοιχα. Σημείωση. Το γεωγραφικό μήκος λ μετριέται για ένα τόπο, κατά σύμβαση( άλλοι υιοθετούν αντίθετο πρόσημο) πάνω στον ισημερινό και είναι θετικό για τόπους Δυτικά [0 ο,+180 ο ] και αρνητικό για τόπους Ανατολικά [-180 ο, 0 ο ]. Το γεωγραφικό πλάτος φ μετριέται για τόπους, του βόριου ημισφαιρίου και είναι θετικό [0 ο,+90 ο ] και αρνητικό για τόπους του νότιου ημισφαιρίου [- 90 ο, 0 ο ]. Στο σχήμα χωρίζουμε την ατμόσφαιρα σε στρώματα (Layers) πάχους δ κ. Έχουμε δυο σταθμούς (σε οποιαδήποτε ύψη) σε ύψη Η1 και Η2 σε (Km). Βρίσκουμε την απόσταση μεταξύ σταθμών σε (Km) από τις γεωγραφικές συντεταγμένες βρίσκουμε. Υπολογίζουμε την γωνία εισόδου β i για κάθε στρώμα. Κάθε στρώμα έχει σταθερή απόσβεση και για να βρούμε την συνολική, αθροίζουμε τις αποσβέσεις των στρωμάτων. Έχουμε δυο τόπους Ρ1(λ1,φ1) και Ρ2(λ2,φ2) θέλουμε να υπολογίσουμε το τόξο(γωνία σε ακτίνα) Ρ1^Ρ2=α Πολλαπλασιάζοντας με την ακτίνα της γης R=6370 Km έχουμε την απόσταση των 2 σταθμών πάνω στη γη. 1-27

31 dpp ( )( Km) = R ( Km) α( rad) (1.49) 1 2 ΓΗΣ Το σημείο τομής του μεσημβρινού του Greenwich και του Ισημερινού είναι Ο (0,0).Αν αυτό είναι ένα σημείο ενός από τους 2 σταθμούς, πχ Ρ1(0,0) τότε η απόσταση των 2 σταθμών είναι cos(α)=cos(λ2)*cos(φ2) Υποθέτουμε ότι τα τόξα είναι μη μηδενικά, δηλ. 0<β,γ π. Από το σφαιρικό τρίγωνο ΟΡ1Ρ2(χρήση μεθόδων σφαιρικής τριγωνομετρίας) έχουμε: cos( α) = cos( β) cos( γ) + sin( β) sin( γ) sin( A) (1.50) όπου: cos( β ) = cos( λ ) cos( φ ) (1.51) 1 1 cos( γ ) = cos( λ ) cos( φ ) sin β = + 1 cos β (1.52) sin γ = cos γ Η Ελλάδα είναι σε βόρειο γεωγραφικό πλάτος και ανατολικό γεωμετρικό μήκος. Από τον νόμο των ημιτόνων έχουμε sinφ2 sin A 2 = sinγ sinφ sin = 1 1 sin β, Α(Α 1,-Α 2 ). Έτσι βρίσκουμε το α σε rad. A και Υπολογίζουμε το total path attenuation λόγω οξυγόνου και υδρατμών. Έχουμε τα γεωγραφικά πλάτη και μήκη των σταθμών, απ όπου έχουμε υπολογίσει την απόσταση d, καθώς και τα ύψη των σταθμών. Από τα ύψη και την απόσταση υπολογίζουμε την γωνία φ: 1-28

32 Η1 Η2 tan( ϕ) = d H H ϕ = d 1 2 arctan( ) (1.53) Η φ είναι συμπληρωματική της γωνίας εισόδου της ακτίνας β1, δηλαδή π β1 = ( ϕ) (1.54) 2 Η ατμόσφαιρα χωρίζεται σε στρώματα πάχους δ κ όπου (κ=1,2, 922) (1.55) Με i=1,2, 922, όπου το αρχικό στρώμα είναι πολύ λεπτό δ 1 =10cm και το τελευταίο περίπου 1 Km.Το συνολικό ύψος είναι περίπου 100 Km, δηλαδή (1.56) Έχουμε επίσης και τους παράγοντες πίεση, θερμοκρασία και πυκνότητα για κάθε συγκεκριμένο στρώμα. Μέχρι τα 100 Km έχουμε τα στρώματα της τροπόσφαιρας(όπου υπάρχει μια θερμοβαθμίδα -6,5 ο C/Κm), την στρατόσφαιρα και τη μεσόσφαιρα όπου η θερμοκρασία δεν είναι σταθερή και αλλάζει με μη κανονικό τρόπο. Θεωρούμε ως μέση θερμοκρασία τους 250 ο K για λόγους λειτουργικότητας του κώδικα, που ισχύει για τα πρώτα 10 Κm ύψος. Έχουμε: Th = T0 6,5 o C h( km) o και T 0 = 290 K (1.57) Η πίεση και η πυκνότητα που βρίσκονται στα στρώματα (i+1) από το στρώμα I με την σχέση: 1-29

33 g δ ι RT ( i) P( i + 1) = P( i) e (1.58) Όπου R=287 Joule/Kgr* o K, g=9,81m/sec δi=10 3 δi Για την επιφάνεια της γης έχουμε πίεση P (0) = 1013,25 hpa και p(0)=1,293 Kgr/m 3. Βρίσκουμε το στρώμα Ν 1 για τον οποίο το Η1 είναι μια σειρά αθροισμάτων του δi για I=1 έως το Ν 1. Ομοίως και για το Η2. Θέτουμε β 1 =β, r 1 =R+H1, με R=6370Km ακτίνα της γης και κάνουμε από το n=1 έως n=(n 2 -N 1 ), με επαναληπτική διαδικασία υπολογίζονται τα παρακάτω: Το μήκος της διαδρομής σε κάθε στρώμα της ατμόσφαιρας a n = rn cos β n + 4rn cos βn + 8rnδ n + 4δ n (1.59) r δ (1.60) n+ 1 = r n + N1+ n 1 Η γωνία α n υπολογίζεται a n 2 2 an 2rnδ n δ n = π arccos 2anrn + 2anδ n (1.61) Η γωνία πτώσης β n+1 στον επίγειο σταθμό. Υπολογίζεται από το α n χρησιμοποιώντας το νόμο του Snell β n = arcsin n sin a nn+ 1 n+ 1 n (1.62) n=δείκτης διάθλασης 1-30

34 H oλική εξασθένιση υπολογίζεται από τον τύπο A gas = a i γ i k i= 1 (1.63) Όπου, α είναι το μήκος της διαδρομής σε κάθε στρώμα της ατμόσφαιρας και γ η ειδική εξασθένιση Διάγραμμα 1-4. Σφαιρική γεωμετρία για τη θεώρηση της διάθλασης μέσα στη γήινη ατμόσφαιρα Προβλέψεις χρησιμοποιώντας τη Σύσταση ITU-R P676-5 Στην ενότητα αυτή παρουσιάζονται αποτελέσματα απορρόφησης ραδιοκυμάτων λόγω ατμοσφαιρικών αερίων. Πιο συγκεκριμένα οι γεωγραφικές συντεταγμένες των δύο σταθμών ραδιοεπικοινωνίας ορίζονται από τα σημεία με συντεταγμένες Ρ1(λ1=19 ο, φ1=34 ο, Η1=0km) και 1-31

35 Ρ2(λ2=19 ο, φ2=34 ο, H2=1 Km). Η οριζόντια απόστασή τους είναι d=0 Km και οι υπολογισμοί έχουν πραγματοποιηθεί με βήμα συχνότητας Δf=0.5MHz. Διάγραμμα 1-5. Κατακόρυφη εξασθένηση σε db για το πρώτο χιλιόμετρο της ατμόσφαιρας που ορίζεται από τις γεωγραφικές συντεταγμένες Ρ1(λ1=19 ο, φ1=34 ο ) σε υψόμετρο Η1=0 km και Ρ2(λ1=19 ο,φ1=34 ο ) σε υψόμετρο Η2=1 km και για τις συχνότητες από 1GHz έως 15GHz. 1-32

36 Διάγραμμα 1-6. Κατακόρυφη εξασθένηση σε db για το πρώτο χιλιόμετρο της ατμόσφαιρας που ορίζεται από τις γεωγραφικές συντεταγμένες Ρ1(λ1=19 ο, φ1=34 ο ) σε υψόμετρο Η1=0 km και Ρ2(λ1=19 ο,φ1=34 ο ) σε υψόμετρο Η2=1 km και για τις συχνότητες από 15GHz έως 70GHz. Διάγραμμα 1-7. Κατακόρυφη εξασθένηση σε db για το πρώτο χιλιόμετρο της ατμόσφαιρας που ορίζεται από τις γεωγραφικές συντεταγμένες Ρ1(λ1=19 ο,φ1=34 ο ) σε υψόμετρο Η1=0 km και Ρ2(λ1=19 ο,φ1=34 ο ) σε υψόμετρο Η2=1 km και για τις συχνότητες από 70GHz έως 100GHz. 1-33

37 Διάγραμμα 1-8. Κατακόρυφη εξασθένηση σε db για το πρώτο χιλιόμετρο της ατμόσφαιρας που ορίζεται από τις γεωγραφικές συντεταγμένες Ρ1(λ1=19 ο, φ1=34 ο ) σε υψόμετρο Η1=0 km και Ρ2(λ1=19 ο,φ1=34 ο ) σε υψόμετρο Η2=1 km και για τις συχνότητες από 100GHz έως 140GHz. 1-34

38 Διάγραμμα 1-9. Κατακόρυφη εξασθένηση σε db για το πρώτο χιλιόμετρο της ατμόσφαιρας που ορίζεται από τις γεωγραφικές συντεταγμένες Ρ1(λ1=19 ο, φ1=34 ο ) σε υψόμετρο Η1=0 km και Ρ2(λ1=19 ο,φ1=34 ο ) σε υψόμετρο Η2=1 km και για τις συχνότητες από 320GHz έως 390GHz. 1-35

39 Διάγραμμα Κατακόρυφη εξασθένηση σε db για το πρώτο χιλιόμετρο της ατμόσφαιρας που ορίζεται από τις γεωγραφικές συντεταγμένες Ρ1(λ1=19 ο, φ1=34 ο ) σε υψόμετρο Η1=0 km και Ρ2(λ1=19 ο,φ1=34 ο ) σε υψόμετρο Η2=1 km και για τις συχνότητες από 430GHz έως 490GHz. 1-36

40 Διάγραμμα Κατακόρυφη εξασθένηση σε db για το πρώτο χιλιόμετρο της ατμόσφαιρας που ορίζεται από τις γεωγραφικές συντεταγμένες Ρ1(λ1=19 ο, φ1=34 ο ) σε υψόμετρο Η1=0 km και Ρ2(λ1=19 ο,φ1=34 ο ) σε υψόμετρο Η2=1 km και για τις συχνότητες από 530GHz έως 570GHz. 1-37

41 Διάγραμμα Κατακόρυφη εξασθένηση σε db για το πρώτο χιλιόμετρο της ατμόσφαιρας που ορίζεται από τις γεωγραφικές συντεταγμένες Ρ1(λ1=19 ο, φ1=34 ο ) σε υψόμετρο Η1=0 km και Ρ2(λ1=19 ο,φ1=34 ο ) σε υψόμετρο Η2=1 km και για τις συχνότητες από 600GHz έως 650GHz. 1-38

42 Διάγραμμα Κατακόρυφη εξασθένηση σε db για το πρώτο χιλιόμετρο της ατμόσφαιρας που ορίζεται από τις γεωγραφικές συντεταγμένες Ρ1(λ1=19 ο, φ1=34 ο ) σε υψόμετρο Η1=0 km και Ρ2(λ1=19 ο,φ1=34 ο ) σε υψόμετρο Η2=1 km και για τις συχνότητες από 720GHz έως 780GHz. 1-39

43 Διάγραμμα Κατακόρυφη εξασθένηση σε db για το πρώτο χιλιόμετρο της ατμόσφαιρας που ορίζεται από τις γεωγραφικές συντεταγμένες Ρ1(λ1=19 ο, φ1=34 ο ) σε υψόμετρο Η1=0 km και Ρ2(λ1=19 ο,φ1=34 ο ) σε υψόμετρο Η2=1 km και για τις συχνότητες από 910GHz έως 990GHz Συνολική απόσβεση κατά μήκος διαδρομής Οι γεωγραφικές συντεταγμένες των δύο σταθμών ραδιοεπικοινωνίας ορίζονται από τα σημεία με συντεταγμένες Ρ1(λ1=19 ο, φ1=34 ο, Η1=1km) και Ρ2(λ2=19 ο, φ2=35 ο, H2=5 Km). Η οριζόντια απόστασή τους είναι d=144 Km και οι υπολογισμοί έχουν πραγματοποιηθεί με βήμα συχνότητας Δf=0.5MHz. 1-40

44 Διάγραμμα Συνολική απόσβεση σε db μεταξύ των σημείων Ρ1(λ1=19 ο, φ1=34 ο, Η1=1km) και Ρ2(λ2=19 ο, φ2=35 ο, H2=5 Km) για συχνότητες από 10 GHz έως 70 GHz. Διάγραμμα Συνολική απόσβεση σε db μεταξύ των σημείων Ρ1(λ1=19 ο, φ1=34 ο, Η1=1km) και Ρ2(λ2=19 ο, φ2=35 ο, H2=5 Km) για συχνότητες από 110 GHz έως 180 GHz. 1-41

45 Διάγραμμα Συνολική απόσβεση σε db μεταξύ των σημείων Ρ1(λ1=19 ο, φ1=34 ο, Η1=1km) και Ρ2(λ2=19 ο, φ2=35 ο, H2=5 Km) για συχνότητες από 200 GHz έως 250 GHz. Διάγραμμα Συνολική απόσβεση σε db μεταξύ των σημείων Ρ1(λ1=19 ο, φ1=34 ο, Η1=1km) και Ρ2(λ2=19 ο, φ2=35 ο, H2=5 Km) για συχνότητες από 300 GHz έως 380 GHz. 1-42

46 Διάγραμμα Συνολική απόσβεση σε db μεταξύ των σημείων Ρ1(λ1=19 ο, φ1=34 ο, Η1=1km) και Ρ2(λ2=19 ο, φ2=35 ο, H2=5 Km) για συχνότητες από 400 GHz έως 460 GHz. Διάγραμμα Συνολική απόσβεση σε db μεταξύ των σημείων Ρ1(λ1=19 ο, φ1=34 ο, Η1=1km) και Ρ2(λ2=19 ο, φ2=35 ο, H2=5 Km) για συχνότητες από 510 GHz έως 570 GHz. 1-43

47 Διάγραμμα Συνολική απόσβεση σε db μεταξύ των σημείων Ρ1(λ1=19 ο, φ1=34 ο, Η1=1km) και Ρ2(λ2=19 ο, φ2=35 ο, H2=5 Km) για συχνότητες από 600 GHz έως 640 GHz. Διάγραμμα Συνολική απόσβεση σε db μεταξύ των σημείων Ρ1(λ1=19 ο, φ1=34 ο, Η1=1km) και Ρ2(λ2=19 ο, φ2=35 ο, H2=5 Km) για συχνότητες από 720 GHz έως 770 GHz. 1-44

48 Διάγραμμα Συνολική απόσβεση σε db μεταξύ των σημείων Ρ1(λ1=19 ο, φ1=34 ο, Η1=1km) και Ρ2(λ2=19 ο, φ2=35 ο, H2=5 Km) για συχνότητες από 800 GHz έως 860 GHz. Διάγραμμα Συνολική απόσβεση σε db μεταξύ των σημείων Ρ1(λ1=19 ο, φ1=34 ο, Η1=1km) και Ρ2(λ2=19 ο, φ2=35 ο, H2=5 Km) για συχνότητες από 900 GHz έως 950 GHz. 1-45

49 Επίσης, υπολογισμοί έχουν πραγματοποιηθεί για δυο σταθμούς με γεωγραφικές συντεταγμένες Ρ1(λ1=19 ο,φ1=34 ο, Η1=5km) και Ρ2(λ2=21 ο, φ2=35 ο, H2=7km). Η οριζόντια απόστασή τους είναι d=214,33km και to βήμα συχνότητας Δf=0.5 MHz. Διάγραμμα Συνολική απόσβεση σε db για την διαδρομή που ορίζεται από τις γεωγραφικές συντεταγμένες Ρ1(λ1=19 ο, φ1=34 ο, Η1=5km) και Ρ2(λ1=21 ο, φ1=35 ο, Η2=7km) από 10GHz έως 80GHz. 1-46

50 Διάγραμμα Συνολική απόσβεση σε db για την διαδρομή που ορίζεται από τις γεωγραφικές συντεταγμένες Ρ1(λ1=19 ο, φ1=34 ο ) σε υψόμετρο Η1=5 km και Ρ2(λ1=21 ο,φ1=35 ο ) σε υψόμετρο Η2=7 km και για τις συχνότητες από 110GHz έως 180GHz. Διάγραμμα Συνολική απόσβεση σε db για την διαδρομή που ορίζεται από τις γεωγραφικές συντεταγμένες Ρ1(λ1=19 ο, φ1=34 ο ) σε υψόμετρο Η1=5 km και Ρ2(λ1=21 ο,φ1=35 ο ) σε υψόμετρο Η2=7 km και για τις συχνότητες από 200GHz έως 250GHz. 1-47

51 Διάγραμμα Συνολική απόσβεση σε db για την διαδρομή που ορίζεται από τις γεωγραφικές συντεταγμένες Ρ1(λ1=19 ο, φ1=34 ο ) σε υψόμετρο Η1=5 km και Ρ2(λ1=21 ο,φ1=35 ο ) σε υψόμετρο Η2=7 km και για τις συχνότητες από 300GHz έως 380GHz. Τέλος, υπολογισμοί έχουν πραγματοποιηθεί για δυο σταθμούς με γεωγραφικές συντεταγμένες Ρ1(λ1=19 ο,φ1=34 ο, Η1=0km) και Ρ2(λ2=21 ο, φ2=35 ο, H2=10km) με βήμα συχνότητας Δf=0.5 MHz. 1-48

52 Διάγραμμα Συνολική απόσβεση σε db για την διαδρομή που ορίζεται από τις γεωγραφικές συντεταγμένες Ρ1(λ1=19 ο, φ1=34 ο ) σε υψόμετρο Η1=0 km και Ρ2(λ1=21 ο,φ1=35 ο ) σε υψόμετρο Η2=10 km και για τις συχνότητες από 10GHz έως 80GHz. Διάγραμμα Συνολική απόσβεση σε db για την διαδρομή που ορίζεται από τις γεωγραφικές συντεταγμένες Ρ1(λ1=19 ο, φ1=34 ο ) σε υψόμετρο Η1=0 km και Ρ2(λ1=21 ο,φ1=35 ο ) σε υψόμετρο Η2=10 km και για τις συχνότητες από 110GHz έως 180GHz. 1-49

53 Διάγραμμα Συνολική απόσβεση σε db για την διαδρομή που ορίζεται από τις γεωγραφικές συντεταγμένες Ρ1(λ1=19 ο, φ1=34 ο ) σε υψόμετρο Η1=0 km και Ρ2(λ1=21 ο,φ1=35 ο ) σε υψόμετρο Η2=10 km και για τις συχνότητες από 200GHz έως 250GHz. Διάγραμμα Συνολική απόσβεση σε db για την διαδρομή που ορίζεται από τις γεωγραφικές συντεταγμένες Ρ1(λ1=19 ο, φ1=34 ο ) σε υψόμετρο Η1=0 km και Ρ2(λ1=21 ο,φ1=35 ο ) σε υψόμετρο Η2=10 km και για τις συχνότητες από 300GHz έως 380GHz. 1-50

54 Διάγραμμα Συνολική απόσβεση σε db για την διαδρομή που ορίζεται από τις γεωγραφικές συντεταγμένες Ρ1(λ1=19 ο, φ1=34 ο ) σε υψόμετρο Η1=0 km και Ρ2(λ1=21 ο,φ1=35 ο ) σε υψόμετρο Η2=10 km και για τις συχνότητες από 400GHz έως 460GHz. Διάγραμμα Συνολική απόσβεση σε db για την διαδρομή που ορίζεται από τις γεωγραφικές συντεταγμένες Ρ1(λ1=19 ο, φ1=34 ο ) σε υψόμετρο Η1=0 km και Ρ2(λ1=21 ο,φ1=35 ο ) σε υψόμετρο Η2=10 km και για τις συχνότητες από 510GHz έως 570GHz. 1-51

55 1.2 Χαρακτηριστικά βροχόπτωσης για την μοντελοποίηση της διάδοσης Προκειμένου να υπολογιστεί η διαθεσιμότητα των ασύρματων συστημάτων επικοινωνιών (επίγειων και δορυφορικών) απαιτείται γνώση της στατιστικής της βροχόπτωσης στο σημείο που εγκαθίσταται ή εγκαθίστανται οι σταθμοί ραδιοεπικοινωνίας. Μέχρι την ολοκλήρωση του παρόντος ερευνητικού έργου και ελλείψει τοπικών δεδομένων μετεωρολογίας, η εκτίμηση της διαθεσιμότητας γινόταν με τη βοήθεια της Σύστασης ITU-R P Στην ενότητα αυτή παρουσιάζουμε την Σύσταση ITU-R P και συγκρίνουμε τα αποτελέσματα με αυτά που προκύπτουν από τη λεπτομερή γνώση των χαρακτηριστικών βροχόπτωσης που προσδιορίστηκαν στα πλαίσια του Έργου. Με αυτό τον τρόπο αναδεικνύεται φυσικά η σκοπιμότητα και χρησιμότητα του παρόντος ερευνητικού Έργου. Η ITU-R προτείνει στη Σύσταση ITU-R P ένα μοντέλο για τον προσδιορισμό του ποσοστού υπέρβασης δεδομένης στάθμης του ρυθμού βροχόπτωσης σε συγκεκριμένη τοποθεσία της Γης. Για το σκοπό αυτό, η γήινη επιφάνεια υποδιαιρέθηκε σε σφαιρικούς τομείς 1.5 κατά το ο γεωγραφικό πλάτος (+90 Βόρειο έως 90 Νότιο) και κατά το γεωγραφικό μήκος (0 έως 180 Ανατολικά και 0 έως 180 Δυτικά). Οι τομείς εμβαδού 1.5 x1.5 ο ο ο ο ο ο επί της γήινης επιφάνειας αποτελούν την κλιματολογική χαρτογράφηση της Γης από πλευράς ρυθμού βροχόπτωσης και είναι γνωστοί ως χάρτες βροχής. Οι χάρτες βροχής είναι ιδιαιτέρως χρήσιμοι σε περιοχές όπου δεν υπάρχουν διαθέσιμα πειραματικά δεδομένα για το σημειακό ρυθμό βροχόπτωσης. Για καθένα από τους προαναφερθέντες τομείς δίδονται τιμές για συγκεκριμένες παραμέτρους με επεξεργασία δεδομένων του Ευρωπαϊκού Κέντρου Μέσης Κλίμακας Πρόγνωσης Καιρικών Συνθηκών (European Center of Mediumrange Weather Forecast, ECMWF) που προέκυψαν μετά από 15 χρόνια μετρήσεων και παρέχονται με μορφή αρχείων κειμένου. Οι παράμετροι, των οποίων οι τιμές παρέχονται από τους χάρτες βροχής, είναι: Pr6(%) πιθανότητα υπέρβασης εξάωρων βροχερών περιόδων 1-52

56 MC (mm): ετήσιο ποσό βροχόπτωσης τύπου συνεκτικών βροχοπυρήνων (convective-type rain) MS (mm): ετήσιο ποσό βροχόπτωσης στρωσιγενούς τύπου (stratiformtype rain) Ο προσδιορισμός του ρυθμού βροχόπτωσης για δεδομένο ποσοστό υπέρβασης p% σε γεωγραφική θέση με συντεταγμένες Lat, Lon ακολουθεί τα εξής βήματα: Βήμα 1. Υπολογισμός των παραμέτρων Pr6, MC και MS στις τέσσερις πλέον γειτονικές γεωγραφικές συντεταγμένες της συγκεκριμένης τοποθεσίας. Βήμα 2. Από τις ανωτέρω τιμές στα τέσσερα σημεία του πλέγματος με διγραμμική παρεμβολή υπολογίζονται οι τιμές Pr6 (Lat, Lon), MC (Lat, Lon) και MS (Lat, Lon). Βήμα 3. Υπολογίζεται η πιθανότητα ύπαρξης βροχής P0 από τη σχέση: (1.65) Αν το αποτέλεσμα της διαδικασίας δεν προσδιορίζεται(αν το Pr6 είναι ίσο με το μηδέν), η πιθανότητα ύπαρξης βροχής P 0 (Lat, Lon) είναι μηδενική. Σε αυτή την περίπτωση ολοκληρώνεται η διαδικασία και το επόμενο βήμα δεν χρειάζεται να υλοποιηθεί. Βήμα 4. Ο ρυθμός βροχόπτωσης Rp που αντιστοιχεί σε πιθανότητα υπέρβασης p% (P<=p0) του ολικού χρόνου αναφοράς υπολογίζεται πλέον από τη σχέση: (1.66) 1-53

57 Όπου: και (1.67) (1.68) Σημειώνεται ότι η τιμή R p αντιπροσωπεύει το ρυθμό βροχόπτωσης με πιθανότητα υπέρβασης p% του ολικού χρόνου αναφοράς Υπολογισμός απόσβεσης ραδιοσήματος λόγω βροχής μεταξύ επίγειων σταθμών. Έχοντας υπολογίσει τον ρυθμό βροχόπτωσης για κάθε σταθμό από τα διαθέσιμα δεδομένα της ΕΜΥ αναπτύχθηκε κατάλληλο λογισμικό σε Matlab για τον υπολογισμό της απόσβεσης που εισάγεται λόγω βροχής μεταξύ επίγειων σταθμών. Για την υλοποίηση της συγκεκριμένης εφαρμογής χρησιμοποιήθηκαν οι παρακάτω συστάσεις της ITU: Recommation ITU-R P Recommation ITU-R P

58 Είναι σημαντικό να τονίσουμε ότι το συγκεκριμένο μοντέλο υπολογισμού της ITU προβλέπει τις απώλειες διάδοσης λόγω βροχής για συχνότητες έως 40GHz και για απόσταση μεταξύ των σταθμών έως και 60km. Παρακάτω παραθέτουμε την μεθοδολογία υπολογισμού και επισυνάπτουμε το διαθέσιμο λογισμικό στον παρών παραδοτέο (ΠΕ2). Η ειδική απόσβεση για όλα τα τηλεπικοινωνιακά συστήματα δίνεται από τον παρακάτω σχέση (Recommation ITU-R P.838-3): α γ R = kr ( db / km) (1.69) Οι συντελεστές k και α μπορούν να υπολογιστούν από τους παρακάτω τύπους: k = a = 2 [ kh + kv + ( kh kv) cos θ cos2 τ] 2 2 [ kh ah + kv av + ( kh ah kv av) cos θ cos2 τ ] 2τ (1.70) (1.71) όπου τ η γωνία που προσδιορίζει την πόλωση (τ=0 ο οριζόντια πόλωση, τ=90 ο κάθετη πόλωση και τ=45 ο κυκλική πόλωση), θ η γωνία ανύψωσης της κεραίας και τέλος τις τιμές των k H, α Η, k V, α V τις παίρνουμε από τον παρακάτω πίνακα: Frequency k H (GHz) α Η k V α V θ ο

59