Μέρος 1 ΜΟΝΤΕΛΑ ΔΙΑΔΟΣΗΣ

Transcript

1 Μέρος 1 ΜΟΝΤΕΛΑ ΔΙΑΔΟΣΗΣ

2 Μοντέλα Διάδοσης Βασικές αρχές. Στόχος: Υπολογισμός Εμβέλεια ζεύξης Τρόπος: Προϋπολογισμός ζεύξης (link budget)

3 Μοντέλα Διάδοσης Η ζεύξη ως σύστημα P T = Ισχύς πομπού, L T = Απώλεια τροφοδοσίας/καλωδίου, G T = Κέρδος κεραίας πομπού P R = Ισχύς είσοδος δέκτη, L R = Απώλεια τροφοδοσίας/καλωδίου, G R = Κέρδος κεραίας δέκτη L : Απώλεια διάδοσης P Tι και P RI?

4 Μοντέλα Διάδοσης Η ζεύξη ως σύστημα P R = P TG T G R L L T L R P R P T = G TG R L L T L R Μήπως βολεύει κάτι καλύτερο?

5 Μοντέλα Διάδοσης Η ζεύξη ως σύστημα Ενεργός ισοτροπικά ακτινοβολούμενη ισχύς EIRP (effective isotropic radiation power) σε Watt EIRP = P TG T L T = P TI Ενεργός ισοτροπικά λαμβανόμενη ισχύς effective isotropic received power) σε Watt P RI = P RL R G R Συναντάται και ως: EIRP = P T G T δλδ παραλείπεται το L T

6 Μοντέλα Διάδοσης Η ζεύξη ως σύστημα Η απώλειες διάδοσης εκφράζονται ανεξάρτητα από τις παραμέτρους του συστήματος ως Απώλεια διάδοσης: L = EIRP P RI Απώλεια διάδοσης: L(dB) = 10log( EIRP P RI ) Σκοπός μοντέλων διάδοσης Πρόβλεψη του L δλδ. προσδιορισμός εμβέλειας Μέγιστη εμβέλεια => ευαισθησία δέκτη που οδηγεί σε Μέγιστη αποδεκτή απώλεια διάδοσης (maximum acceptable path loss - MAPL) Ή με δεδομένο L να προσδιοριστεί κάποιο άλλο σχεδιαστικό στοιχείο του συστήματος. (κεραία, ευαισθησία κτλ.)

7 Για να δούμε ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 1 Σταθμός βάσης εκπέμπει με ισχύ 10W σε καλώδιο τροφοδοσίας με απώλεια 10dB. Η κεραία εκπομπής έχει κέρδος 12dBd προς τη κατεύθυνση κινητού δέκτη με κέρδος κεραίας 0dBd και απώλεια τροφοδοσίας 2dB και ευαισθησία -104dBm. a) EIRP =? b) MAPL =?

8 Μοντέλα Ραδιοδιαύλου Απωλειών - Διάδοσης Εμπειρικά Βασίζονται σε προσαρμογές σε δεδομένα μετρήσεων Εκτιμούν απώλειες σε διάφορους τύπους περιβάλλοντος Δίνουν την εξάρτηση από βασικές παραμέτρους αλλά δεν εξηγούν τον φυσικό μηχανισμό Αναλυτικά Στοιχεία από θεωρία Φυσικής όπως Η/Μ διάδοσης, Οπτικής, Γεωμετρίας κτλ. Συγκεκριμένες γεωμετρικές συνθήκες Πολυπλοκότητα και απαίτηση για γνώση όλων των «γεωγραφικών» λεπτομερειών Στατιστικά Στατιστική μοντελοποίηση με κατανομές (συναρτήσεις πυκνότητας πιθανότητας π.χ. Rayleigh, Rician κτλ.)

9 ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΕΛΕΥΘΕΡΟΥ ΧΩΡΟΥ (Free Space Path Loss) Εξίσωση μετάδοσης του Friis P R = G P T G R ( λ T 4πd )2 d = απόσταση μεταξύ κεραιών, λ = μήκος κύματος (φέροντος) Θεωρούμε οπτική επαφή LOS Line of Sight Απώλειες ελευθέρου χώρου P Τ G T G R L f = P ΤG T G R = ( 4πd P R λ )2 = ( 4πdf ) 2 c L f (db) = 32,4 + 20log(d km ) + 20log(f MHz ) P R = ( 4πd λ )2 = ( 4πdf c )2 ΠΡΟΣΟΧΗ!

10 ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΕΛΕΥΘΕΡΟΥ ΧΩΡΟΥ (Free Space Path Loss) π.χ., Υπερβάλλουσα απώλεια (excess loss) L ex = L L f Υπερβαση δλδ. των απωλειών ελεύθερου χώρου

11 Για να δούμε ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 2 Στο προηγούμενο παράδειγμα, αν λειτουργούμε μόνο υπό σύνθήκες διάδοσης ελευθέρου χώρου και f = 900MHz καθορίστε τη μέγιστη εμβέλεια.

12 ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΕΠΙΠΕΔΗΣ ΓΗΣ (plane earth loss) Αποδεικνύεται η προσέγγιση αν h m, h b << r P r P T = h m 2 h b 2 r 4 Θεωρούμε οπτική επαφή LOS Line of Sight και περιλαμβά νει και τις FSL P T P r = L = r4 h m 2 h b 2 L e (db) = 40log(r) - 20log(h m ) - 20log(h b )

13 Για να δούμε ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 3 Υπολογίστε τη μέγιστη εμβέλεια του Παραδείγματος 1, αν h m = 1.5m & h b = 30m και η διάδοση γίνεται πάνω από επίπεδη γή. Αν το ύψος του σταθμού βάσης διπλασιαστεί?

14 ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΕΠΙΠΕΔΗΣ ΓΗΣ (plane earth loss) Δεν αποτελεί ακριβές μοντέλο παρά μόνο για ιδανικές καταστάσεις π.χ., μεγάλες αποστάσεις, «τέλεια» ανάκλαση Στη πράξη οι απώλειες εξαρτώνται πάντα από συχνότητα Άλλα εμπειρικά μοντέλα που θα δούμε παρακάτω δίνουν ακριβέστερα αποτελέσματα απωλειών

15 Άσκηση 1 Άσκηση 2

16 ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΛΟΓΩ ΕΜΠΟΔΙΟΥ (ΕΜΠΟΔΙΩΝ) Περίθλαση Εμπόδιο ευθείας ακμής Ζώνες FRESNEL Εφαρμογή: Σταθερές Επίγειες Ζεύξεις (fixed links) Δεν περιλαμβάνει FSL Δευτερεύουσες πηγές κυμάτων Σκίαση Το τελικό αποτέλεσμα εκφράζεται ως απώλειες διάδοσης ν: παράμετρος περίθλασης (diffraction parameter)

17 ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΛΟΓΩ ΕΜΠΟΔΙΟΥ (ΕΜΠΟΔΙΩΝ) Περίθλαση Εμπόδιο ευθείας ακμής Ζώνες FRESNEL Προσέγγιση απωλειών για ν > 1: L ke ν = 20log( 1 πv 2 ) = 20log( v ) ν > 0 για ύψος εμποδίου πάνω από LOS ν < 0 για ύψος εμποδίου κάτω από LOS

18 ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΛΟΓΩ ΕΜΠΟΔΙΟΥ (ΕΜΠΟΔΙΩΝ) Περίθλαση Εμπόδιο ευθείας ακμής Ζώνες FRESNEL ν > 0 για ύψος εμποδίου πάνω από LOS ν < 0 για ύψος εμποδίου κάτω από LOS Άλλη σχέση προσέγγισης απωλειών για ν > -0.7:

19 ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΛΟΓΩ ΕΜΠΟΔΙΟΥ - Ζώνες FRESNEL Αν d1, d2 >> h και r n << d1, d2 v= h 2(d 1 +d 2 ) λd 1 d 2 = h r n 2n Ακτίνα ζωνών Fresnel r n = nλd 1 d 2 d 1 + d 2

20 ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΛΟΓΩ ΕΜΠΟΔΙΟΥ - Ζώνες FRESNEL Τυπική σταθερή επίγεια ζεύξη

21 ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΛΟΓΩ ΕΜΠΟΔΙΟΥ - Ζώνες FRESNEL Τυπική σταθερή επίγεια ζεύξη Ζώνη Fresnel Συνοπτικά: Η 1 η ζώνη Fresnel καταλαμβάνει ελλειψοειδή όγκο γύρω από την LOS διαδρομή μεταξύ Tx & Rx και πρέπει να είναι ιδανικά καθαρή από εμπόδια με ανοχή παρεμπόδιση 20% - 40% Δλδ. μια φαινομενικά ελεύθερη LOS διαδρομή δεν συνεπάγεται και ελεύθερη ζώνη Fresnel H ακτίνα της 1 η ζώνης Fresnel δίνεται και από τη παρακάτω σχέση όπου οι αποστάσεις είναι σε μέτρα και η συχνότητα είναι σε MHz. Το μέγιστο είναι όταν d 1 = d 2 = d/2. Προσοχή: υπολογίζει την ακτίνα και όχι το ύψος πάνω από το έδαφος. r 1 = d 1d 2 fd r max = 8.65 d f

22 ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΛΟΓΩ ΕΜΠΟΔΙΟΥ - Ζώνες FRESNEL Τυπική σταθερή επίγεια ζεύξη παρεμπόδισης 1 ης ζώνης Fresnel Από το έδαφος Από οχήματα Από άλλα εμπόδια

23 Παράδειγμα 1 A link between two towers. Assuming both towers were ten metres tall Calculate the size of the first Fresnel zone in the middle of a 2 km link, transmitting at GHz (802.11b channel 6). How tall could a structure at that point be to block no more than 60% of the first zone? Παράδειγμα 2 A microwave link operating at 10 GHz with a path length of 30 km has a maximum acceptable path loss of 169 db. The transmitter antenna is mounted at a height of 20m Above ground level, while the height of the receiver antenna is to be determined. The ground is level apart from a hill of height 80m, located 10 km away from the transmitter antenna. (a) Calculate the total path loss assuming the receiver antenna is mounted at a height of 20 m above ground level. (b) Calculate the height of the receiver antenna for the path loss to be just equal to the maximum acceptable value.

24 ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΛΟΓΩ ΕΜΠΟΔΙΟΥ - Ζώνες FRESNEL Σχεδίαση σταθερής επίγειας ζεύξης

25 ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΛΟΓΩ ΕΜΠΟΔΙΟΥ - Ζώνες FRESNEL Σχεδίαση σταθερής επίγειας ζεύξης

26 ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΛΟΓΩ ΕΜΠΟΔΙΟΥ - Ζώνες FRESNEL Σχεδίαση σταθερής επίγειας ζεύξης ΣΗΜΑΝΤΙΚΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ Προφίλ διαδρομής (μηκοτομή) Καμπυλότητα Γης (για d > 3Km) Διασφάλιση Ζώνης Fresnel Προσαρμογή ύψους κεραιών Διασφάλιση διάδοσης LOS oπότε κατά το δυνατόν FSL

27 ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΛΟΓΩ ΕΜΠΟΔΙΟΥ - Ζώνες FRESNEL Σχεδίαση σταθερής επίγειας ζεύξης ΣΗΜΑΝΤΙΚΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ Προφίλ διαδρομής (μηκοτομή) &b= , &ab=1&maptype=hybrid&f= m Διάδοση ακτίνας LOS Καμπυλότητα γης ύψη ως προς το επίπεδο της θάλασσας

28 ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΛΟΓΩ ΕΜΠΟΔΙΟΥ - Ζώνες FRESNEL Σχεδίαση σταθερής επίγειας ζεύξης ΣΗΜΑΝΤΙΚΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ Καμπυλότητα Γης (για d > 3Km) Επίδραση καμπυλότητας γης h er = b = r 1r 2 2R Διόρθωση επίδρασης καμπυλότητας γης για ευθεία LOS διαδρομή h er = b = r 1r 2 2R K Για R = 6375Km h er = b = r 1Kmr 2Km K

29 ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΛΟΓΩ ΕΜΠΟΔΙΟΥ - Ζώνες FRESNEL Σχεδίαση σταθερής επίγειας ζεύξης ΣΗΜΑΝΤΙΚΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ Καμπυλότητα Γης (για d > 3Km)

30 ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΛΟΓΩ ΕΜΠΟΔΙΟΥ - Ζώνες FRESNEL Σχεδίαση σταθερής επίγειας ζεύξης ΣΗΜΑΝΤΙΚΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ Προφίλ διαδρομής (μηκοτομή) Διόρθωση της μηκοτομής

31 ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΛΟΓΩ ΕΜΠΟΔΙΟΥ - Ζώνες FRESNEL Σχεδίαση σταθερής επίγειας ζεύξης ΣΗΜΑΝΤΙΚΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ Προφίλ διαδρομής (μηκοτομή) αναγνώριση/εντοπισμός εμποδίων διαδρομής Καμπυλότητα Γης (για d > 3Km) ύψωση κεραιών κατά h ER Διασφάλιση Ζώνης Fresnel ύψωση κεραιών κατά h F1 Προσαρμογή ύψους κεραιών Διασφάλιση διάδοσης LOS oπότε κατά το δυνατόν FSL

32 Παράδειγμα 3 Με αναφορά στο σχήμα της διαφάνειας 24: f = 900 MHz d1 = 8 km d2 = 12 km h1 = 110 meters h2 = 150 meters ho = 120 meters d = d1 + d2 k = 1.33 (δλδ 4/3) Υπολογίστε όλα τα στοιχεία και τις απώλειες λόγω περίθλασης Παράδειγμα 4 Άσκηση RH_MHKOTOMH_1.pdf και RH_MHKOTOMH_2.pdf στο e-class Ζεύξη με παραβολικές κεραίες και f=10ghz, μηκοτομή του παρακάτω σχήματος, με Pt = 1W, ευαισθησία δέκτη -100dBW, απώλειες κυματοδηγών 0.2 db/m και περιθώριο διαλείψεων 35dB. Αφού διορθωθούν τα ύψη των κεραιών να υπολογιστεί η διάμετρος των κατόπτρων των παραβολικών κεραιών.

33 Παράδειγμα 4 Άσκηση RH_MHKOTOMH_1.pdf και RH_MHKOTOMH_2.pdf στο e-class Στοιχεία μηκοτομής:

34 ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΠΩΛΕΙΩΝ: 1) Εμπειρικά, 2) Okumura-Hata ΜΑΚΡΟΚΥΨΕΛΕΣ

35 ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΠΩΛΕΙΩΝ: 1) Εμπειρικά, 2) Okumura-Hata ΜΑΚΡΟΚΥΨΕΛΕΣ Προσαρμογή σε μετρήσεις

36 ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΓΙΑ ΜΑΚΡΟΚΥΨΕΛΕΣ 1) Εμπειρικά

37 ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΓΙΑ ΜΑΚΡΟΚΥΨΕΛΕΣ 1) OKUMURA _ HATA

38 ΜΟΝΤΕΛΟ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΓΙΑ ΜΑΚΡΟΚΥΨΕΛΕΣ 1) COST 231 HATA Model

39 Παράδειγμα 5 Παράδειγμα 6