ΚΙΝΗΤΕΣ & ΟΡΥΦΟΡΙΚΕΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ 2 Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΕΙ ΙΟΝΙΩΝ ΝΗΣΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ & ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

Transcript

1 ΚΙΝΗΤΕΣ & ΟΡΥΦΟΡΙΚΕΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΤΕΙ ΙΟΝΙΩΝ ΝΗΣΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ & ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

2 ΓΕΝΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΓΙΑ ΤΗ ΙΑ ΟΣΗ Βασικές α αιτήσεις για αξιό ιστη ε ικοινωνία κατανοµή της µέσης ηλεκτροµαγνητικής ισχύος σε συγκεκριµένη εριοχή ε αρκής ισχύς, όχι αρεµβολές στατιστική συµ εριφορά της ισχύος λόγω της κίνησης του τερµατικού οιότητα σήµατος, ώστε να µην εµφανίζονται σφάλµατα ε αρκής γνώση για τη συµ εριφορά του διαύλου (διαµόρφωση, κωδικο οίηση, εξισορρό ηση )

3 ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΙΑ ΟΣΗΣ Μηχανισµοί ου διέ ουν τη διάδοση: ανάκλαση (reflection): διαστάσεις εµ οδίων >>λ ερίθλαση (diffraction): αρεµβολή αδια έραστου σώµατος στη διαδροµή Αρχή του Huygen: Όταν ένα ραδιοκύµα ροσ ί τει άνω σε ένα εµ όδιο ή ασυνέχεια, τότε αράγονται δευτερογενή κύµατα α ό το εµ όδιο τα ο οία φτάνουν στον δέκτη χωρίς να υ άρχει ο τική ε αφή µεταξύ οµ ού και δέκτη. σκέδαση (scattering): διαστάσεις εµ οδίων λ 3

4 ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΙΑ ΟΣΗΣ 4

5 ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΙΑ ΟΣΗΣ Καθώς το τερµατικό κινείται οι µηχανισµοί διάδοσης ε ηρεάζουν κάθε στιγµή το λαµβανόµενο σήµα. 5

6 Η διάδοση των ηλεκτροµαγνητικών κυµάτων σε εριβάλλοντα κινητών ε ικοινωνιών χαρακτηρίζεται α ό τρία ε ιµέρους φαινόµενα: α ώλειες διαδροµής(path loss) σκίαση(shadowing) διαλείψεις ολλα λών διαδροµών (multipath fading) ιαλείψεις εριβάλλουσας Εξά λωση Doppler Εξά λωση χρονοκαθυστέρησης 6

7 ΙΑ ΟΣΗ ΣΕ ΕΛΕΥΘΕΡΟ ΧΩΡΟ Αν η κεραία 1 ήταν ισοτρο ική µε συνολική ισχύ εκ οµ ής P t, θα είχαµε για την εκ εµ όµενη υκνότητα ισχύος: Pt W0 = 4πR Ε ειδή η κεραία εκ οµ ής είναι κατευθυντική (D t ), η υκνότητα ισχύος είναι: W = W D Η ισχύς ου λαµβάνεται α ό την κεραία µε ενεργό ε ιφάνειαα r είναι: PD t t Pr = Wt Ar = A r 4πR t 0 t = PD t 4πR t 7

8 ΤΥΠΟΣ ΤΟΥ FRIIS Η ισχύς ου λαµβάνει µία κεραία λήψης είναι: Στην ερί τωση µέγιστης εκ οµ ής-λήψης: 4 ), ( ), ( 4 ), ( 4 ), ( = = = R D D e e P P R Pe D D e AW P r r r t t t r t t r t t t t t r r r r t r r π λ φ θ φ θ π φ θ π λ φ θ Εξασθένηση ελεύθερου χώρου: Η εξίσωση του Friis δείχνει ότι η ισχύς λήψης µειώνεται µε το τετράγωνο της α όστασης και της συχνότητας = R G G P P r t t r π λ 4 πr λ 8

9 ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΙΑ ΡΟΜΗΣ ΣΤΟΝ ΕΛΕΥΘΕΡΟ ΧΩΡΟ Εκφράζεται ο λόγος της ισχύος ου ακτινοβολείται α ό την κεραία του οµ ού ρος την ισχύ ου λαµβάνεται α ό την κεραία του δέκτη. Σύστηµα στον ελεύθερο χώρο και ισοτρο ικές κεραίες (Gt= Gr = 1) Α ώλειες διάδοσης L Α ώλειες διάδοσης σε db f Pt 4π d 4π d = = = Por λ c / f L f 4π d 4π d [ db] = 0 log10 = 0 log10 λ c / f 9

10 ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΙΑ ΡΟΜΗΣ ΣΤΟΝ ΕΛΕΥΘΕΡΟ ΧΩΡΟ Η διαφορά p σε db των ισχύων δύο σηµάτων ου λαµβάνονται α ό δύο διαφορετικές κεραίες σε α οστάσεις d 1 και d α ό τον οµ ό: P d p= 10log ( ) = 0log ( ) or Por 1 d db P db P = 10log = 0log V P V 10

11 ΑΣΚΗΣΗ Ποµ ός αράγει σήµα ισχύος 40 W. Εκφράστε την εκ εµ όµενη ισχύ σε dbw και dbm. Αν το κέρδος της κεραίας του οµ ού είναι ίσο µε τη µονάδα και η συχνότητα του φέροντος είναι 1.8 GHz, βρείτε τη λαµβανόµενη ισχύ σε α όσταση d=300 m α ό τον οµ ό, αν η διάδοση γίνεται στον ελεύθερο χώρο. Ποια είναι η λαµβανόµενη ισχύς σε α όσταση d=8 m α ό τον οµ ό; Θεωρείστε µοναδιαίο κέρδος και για την κεραία του δέκτη. 11

12 ΙΑ ΟΣΗ ΠΑΝΩ ΑΠΟ ΕΠΙΠΕ Η ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ Α όσταση µέγιστης εξασθένησης: x max, n 4hbhm = λ(n+ 1) Α όσταση ελάχιστης Εξασθένησης: hbhm x min, n= ( n+ 1) λ hbhm P0r= PtGtGr x Λαµβανόµενη ισχύς: h b h m P 0 r = P t G t G r r( ( ) x h h = b m P0r PtGtGr x 1

13 ΑΣΚΗΣΗ 3 Να βρεθεί η λαµβανόµενη ισχύς σε db, για αστικό εριβάλλον σε οµ ό µε ύψος m ο ο οίος βρίσκεται σε α όσταση 5m α ό σταθµό βάσης µε ύψος 50m, ο ο οίος εκ έµ ει ισχύ 30 W. Θεωρούµε ότι οι κεραίες και του οµ ού και του δέκτη είναι ισοτρο ικές. Η συχνότητα του φέροντος είναι fc=900 MHz. Ε ίσης να βρεθούν οι α οστάσεις µέγιστης και ελάχιστης εξασθένησης. 13

14 ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΙΑ ΟΣΗΣ ΣΕ ΜΗ ΟΠΤΙΚΗ ΕΠΑΦΗ Η µέση τιµή των α ωλειών διαδροµής αυξάνει εκθετικά µε την α όσταση, µε εκθέτη n. Η τιµή του n εξαρτάται α ό το εκάστοτε εριβάλλον 14

15 ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΙΑ ΟΣΗΣ ΣΕ ΜΗ ΟΠΤΙΚΗ ΕΠΑΦΗ Βάσει εµ ειρικών µοντέλων: L( d) d Lf d0 d= Α όσταση µεταξύ κεραιών εκ οµ ής και λήψης d 0 = Α όσταση αναφοράς (1 m ή 1-3 m) LL f = Α ώλειες διαδροµής σε α όσταση d 0 και διάδοση LOS, Lf=(λ/4 d) L= Α ώλειες διαδροµής για διάδοση LOS και NLOS n Α όλυτη µέση τιµή α ωλειών διαδροµής L( d) = L( d ) + 10 n log ( d / d ) db

16 ΑΣΚΗΣΗ 4 Κινητό τερµατικό βρίσκεται σε α όσταση 1500m α ό σταθµό βάσης και εκ έµ ει µε συχνότητα 840 MHz. Η µέση λαµβανόµενη ισχύς σήµατος στο σταθµό βάσης είναι -80 dbm. Το κινητό κινείται µε 80 Km/h σε ευθεία διαδροµή και α οµακρύνεται α ό το BS. Ο εκθέτης α ωλειών διαδροµής είναι n=4. Ποια θα είναι η µέση ισχύς σήµατος ένα λε τό αργότερα; 16

17 ΜΕΓΙΣΤΗ ΑΠΟΣΤΑΣΗ ΡΑ ΙΟΚΑΛΥΨΗΣ Για συνθήκες LOS: d max 1/ 1/ PG t tg r λ PG t tg r c = = P 4π P f r min r min 1 4π ( m) Για γενικότερες συνθήκες NLOS: L T O T LTOT = LLOS LNLOS ( d ) λ d 0 = 4π d 0 d ( L O S ) ( N L O S ) n 1/ n λ Pt GtG r 4π d 0 d max = d 0 ( m) P r min 17

18 ΙΑ ΟΣΗ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΙΑ ΡΟΜΩΝ Το κινητό τερµατικό γενικά λαµβάνει ένα άµεσο και ολλά ανακλώµενα κύµατα Στατιστικό µοντέλο Rice Το άµεσο κύµα αρουσιάζεται σχετικά ιο ισχυρό Kατανοµή Rayleigh Ο αριθµός των ε ι έδων κυµάτων ου καταφθάνουν α ό διάφορες κατευθύνσεις είναι αρκούντως µεγάλος και δεν υ άρχει ισχυρή συνιστώσα α ό διάδοση ο τικής ε αφής 18

19 ΙΑΛΕΙΨΕΙΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΥΣΑΣ Κίνηση τερµατικού στο χώρο και κίνηση γειτονικών αντικειµένων, ροκαλούν µεγάλες µεταβολές στις φάσεις των ε ι έδων κυµάτων ου φτάνουν στον δέκτη. Αυτές οι µεταβολές δρουν είτε θετικά είτε αρνητικά όταν ροσθέτουµε τα κύµατα ου φτάνουν στην κεραία του δέκτη, κάτι το ο οίο ροκαλεί µεταβολές στο λάτος και τη φάση του λαµβανόµενου σήµατος. Καθώς το τερµατικό µετακινείται, οι µεταβολές της εριβάλλουσας και της φάσης του ληφθέντος σήµατος στο χώρο, εµφανίζονται ως χρονικές. Αυτό το φαινόµενο ονοµάζεται διαλείψεις εριβάλλουσας. 19

20 ΟΛΙΣΘΗΣΗ DOPPLER Αν το κινητό κινείται ρος την κατεύθυνση άφιξης του σήµατος η ολίσθηση είναι θετική (φαινοµενική συχνότητα αυξάνει), ενώ αν α οµακρύνεται είναι αρνητική (φαινοµενική συχνότητα µειώνει). f D ϕ = = π t v cosθ λ 0

21 ΑΣΚΗΣΗ 5 Σταθµός βάσης κινητών ε ικοινωνιών εκ έµ ει ηµιτονικό φέρον f c =1800MHz. Να υ ολογιστεί η συχνότητα ου λαµβάνεται α ό κινητό τερµατικό το ο οίο κινείται µε ταχύτητα 100m/h αν α)κατευθύνεται ρος το σταθµό βάσης, β)α οµακρύνεται, γ)κινείται σε κατεύθυνση κάθετη ρος την κατεύθυνση άφιξης του µεταδιδόµενου σήµατος. 1

22 ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΛΟΓΩ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΙΑ ΡΟΜΩΝ Τα τρία κυριότερα φαινόµενα ου ροέρχονται α ό τις ολλα λές διαδροµές: Α ότοµες αλλαγές στη στάθµη του σήµατος, όταν διανύονται µικρές α οστάσεις ή µεσολαβούν µικρά χρονικά διαστήµατα Τυχαία διαµόρφωση συχνότητας Εξά λωση χρονοκαθυστέρησης (φαινόµενα ηχούς)

23 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΤΩΝ ΙΑΥΛΩΝ ΜΕ ΠΟΛΛΑΠΛΕΣ ΙΑ ΡΟΜΕΣ Έχουν ανα τυχθεί ολλές µέθοδοι για την ραγµατο οίηση µετρήσεων µε σκο ό τη µελέτη της συµ εριφοράς των ραδιοδιαύλων. Οι µετρήσεις ραγµατο οιούνται είτε στο εδίο του χρόνου µε άµεση α οστολή αλµών RF, είτε στο εδίο συχνότητας µε σάρωση κατάλληλης εριοχής συχνοτήτων. Α ό τις µετρήσεις υ ολογίζονται αράµετροι ου χαρακτηρίζουν τη συµ εριφορά των ραδιοδιαύλων, τόσο στο εδίο του χρόνου όσο και της συχνότητας. 3

24 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΧΡΟΝΙΚΗΣ ΙΑΣΠΟΡΑΣ Ο αναµενόµενος βαθµός διασ οράς καθυστέρησης καθορίζεται µέσω της µέτρησης του ροφίλ καθυστέρησης ισχύος (power delay profile) του διαύλου 4

25 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΧΡΟΝΙΚΗΣ ΙΑΣΠΟΡΑΣ Καθυστέρηση ρώτης άφιξης (τα): Καθυστέρηση ρώτης ή ελάχιστης διαδροµής α ό τον οµ ό στον δέκτη. Χρησιµεύει ως αναφορά. Μέση ε ι ρόσθετη καθυστέρηση (τ e ): µέση καθυστέρηση ου µετριέται σε σχέση µε την καθυστέρηση ρώτης άφιξης. Rms εξά λωση καθυστέρησης (τd): µέτρο της εξά λωσης καθυστέρησης. Μέγιστη ε ι ρόσθετη καθυστέρηση (τμ): µετριέται µε αναφορά κά οια συγκεκριµένη στάθµη ισχύος 5

26 ΠΡΟΦΙΛ ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗΣ ΙΣΧΥΟΣ = = e p p a a ) ( ) ( τ τ τ τ τ e d τ τ τ = = = p p a a ) ( ) ( τ τ τ τ τ 6

27 ΕΥΡΟΣ ΖΩΝΗΣ ΣΥΝΟΧΗΣ Το εύρος ζώνης µέσα στο ο οίο οι φασµατικές συνιστώσες των σηµάτων ε ηρεάζονται κατά αρόµοιο τρό ο, ονοµάζεται εύρος ζώνης συνοχής (coherence bandwidth, Bc). Αν θεωρήσω ότι το Bc ορίζεται ως εύρος ζώνης δύο συχνοτήτων f1 και f, αν η συνάρτηση συσχέτισης είναι: Συσχέτιση >0.9 τότε B c 1 50τ d Συσχέτιση >0.5 τότε B c 1 5τ d 7

28 ΑΣΚΗΣΗ 6 Το ροφίλ ολλα λών διαδροµών ενός διαύλου α οτελείται α ό τέσσερις συνιστώσες µε στάθµες 0, -6, -10 και db και καθυστερήσεις 0, 1, 3 και 5 µs αντίστοιχα. Να βρεθούν: Μέση ε ι ρόσθετη καθυστέρηση τ e, RMS εξά λωση καθυστέρησης τ d, Υ ολογισµός του B c (για συσχέτιση 0.5 στο εδίο της συχνότητας) 8

29 ΕΞΑΠΛΩΣΗ DOPPLER ΚΑΙ ΧΡΟΝΟΣ ΣΥΝΟΧΗΣ Η εξά λωση Doppler και ο χρόνος συνοχής εριγράφουν τον τρό ο ου µεταβάλλεται ο δίαυλος στον χρόνο. Η εξά λωση Doppler B D δείχνει όσο διευρύνεται το φάσµα, και η διεύρυνση αυτή ου ροκαλείται α ό τον ρυθµό χρονικής µεταβολής του ραδιοδιαύλου. Αν το εύρος ζώνης του σήµατος είναι ολύ µεγαλύτερο α ό το B D οι ε ιδράσεις της εξά λωσης Doppler στον δέκτη είναι αµελητέες. Ο χρόνος συνοχής (coherence time) C T είναι η αντίστοιχη ρος την εξά λωση Doppler έννοια στο εδίο του χρόνου. C T = 1/ f 9 m

30 ΕΞΑΠΛΩΣΗ DOPPLER ΚΑΙ ΧΡΟΝΟΣ ΣΥΝΟΧΗΣ Είναι το χρονικό διάστηµα στο ο οίο δύο λαµβανόµενα σήµατα έχουν µεγάλη ιθανότητα να εµφανίζουν συσχέτιση λάτους. C T Συσχέτιση >0.5 9 Πρακτικός τύ ος 1 6π f m C T = = 16π f f m m 30

31 ΑΣΚΗΣΗ 7 Πρόκειται να ραγµατο οιηθούν µετρήσεις διάδοσης σε εριβάλλον διαλείψεων, ό ου υ οτίθεται ότι οι διαδοχικές µετρήσεις αρουσιάζουν υψηλή συσχέτιση ως ρος τον χρόνο. Ποια είναι η κατάλληλη α όσταση µεταξύ των διαδοχικών σηµείων µέτρησης; Πόσες µετρήσεις ανά µέτρο θα α αιτηθούν αν η συχνότητα του φέροντος είναι f c = 1800 MHz και η ταχύτητα του κινητού τερµατικού είναι v = 40 m/s; Ποια είναι η εξά λωση DopplerB D για τον δίαυλο; 31

32 ΑΡΧΗ ΑΝΤΙΣΤΡΕΠΤΟΤΗΤΑΣ Η ένταση του σήµατος ου λαµβάνεται στην κεραία του σταθµού βάσης, και ροέρχεται α ό κά οιον κινητό οµ ό, είναι η ίδια µε εκείνη ου λαµβάνεται στην κεραία του κινητού και ροέρχεται α ό τον σταθµό βάσης. Ισχύει σε ασύρµατο εριβάλλον κινητών ε ικοινωνιών για συγκεκριµένες καταστάσεις. εν ισχύει για τους λόγους σήµατος ρος θόρυβο στα δύο άκρα. 3

33 ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΟΥ ΙΑΥΛΟΥ Κανονικο οιηµένη χωρητικότητα χωρίς σφάλµατα κατά Shannon: C S E R b = log [1 + ] = log [1 + ( )] B N B N B T o T o T C: η χωρητικότητα του δίαυλου (bps) B T : το εύρος ζώνης µετάδοσης κατά τη µια κατεύθυνση σε Hz E b : η ενέργεια ανά bit του λαµβανόµενου σήµατος σε Joule R: ο ρυθµός µετάδοσης ληροφορίας (bps) S=E b R: η ισχύς του σήµατος N o : η υκνότητα φάσµατος ισχύος του θορύβου W/Hz 33

34 ΕΠΙ ΡΑΣΗ ΕΝ ΡΩΝ ΚΑΙ ΚΤΙΡΙΩΝ ΣΤΗ ΙΑ ΟΣΗ Ο βαθµός αυτών των αλλοιώσεων εξαρτάται α ό το µέγεθος των κτιρίων και των δένδρων και µ ορεί να ροκαλέσει µέχρι και εκµηδένιση του σήµατος. Για διάδοση µέσα α ό δάση µε υκνό φύλλωµα: L= F d για < d < f 14 f 400 L= F d για < d < f 0 f 14 Ό ου: L οι α ώλειες σε db F η συχνότητα σε GHz df το βάθος του φυλλώµατος σε µέτρα 34

35 ΕΠΙ ΡΑΣΗ ΕΝ ΡΩΝ ΚΑΙ ΚΤΙΡΙΩΝ ΣΤΗ ΙΑ ΟΣΗ Υ οθέτουµε την ερί τωση ενός διαδρόµου στον 1 ο όροφο ενός ολυώροφου κτιρίου γραφείων. Ο διάδροµος α έχει 15m α ό τον εξωτερικό τοίχο ου είναι κατασκευασµένος α ό συµ αγές µ ετό και µεταξύ τους υ άρχει εσωτερικό χώρισµα α ό αλουµίνιο. 35