Επίδραση της Μορφολογίας του Εδάφους στη Διάδοση Ηλεκτρομαγνητικών Κυμάτων 1. Σκοπός της άσκησης Σκοπός της παρούσας εργαστηριακής άσκησης είναι η μελέτη των φαινομένων διάδοσης Η/Μ πεδίου σε πραγματικό περιβάλλον στη ζώνη συχνοτήτων UHF και η εξοικείωση του φοιτητή με εξειδικευμένο λογισμικό για τη μελέτη αυτή. Για τη μελέτη αυτή απαιτούνται ψηφιακά χαρτογραφικά δεδομένα και γίνεται χρήση διεθνών προδιαγραφών και μοντέλων διάδοσης. Παράλληλα παρουσιάζονται μέθοδοι για την επίλυση προβλημάτων της λειτουργίας ασύρματου δικτύου μιας σύγχρονης εφαρμογής όπως είναι η επίγεια ψηφιακή τηλεόραση. 2. Θεωρητικό υπόβαθρο Διάδοση ελεύθερου χώρου Προτού αναλυθούν οι μηχανισμοί διάδοσης επιβάλλεται ο ορισμός μιας στάθμης αναφοράς για τη διάδοση, της διάδοσης ελεύθερου χώρου. Ως ελεύθερος χώρος εννοείται μια περιοχή ελεύθερη από αντικείμενα που πιθανόν απορροφούν ή σκεδάζουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, στην οποία η ατμόσφαιρα είναι ομογενές, μη απορροφητικό μέσο και το έδαφος είναι σε άπειρη απόσταση. Συνεπώς, η κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου προσδιορίζεται αποκλειστικά από δύο παράγοντες, την απόσταση από την κεραία εκπομπής και το διάγραμμα ακτινοβολίας της κεραίας εκπομπής. Πρόκειται για ιδανική θεώρηση και στην πράξη χρησιμοποιείται προσεγγιστικά θεωρώντας το χώρο μέσα στην πρώτη ζώνη Fresnel ελεύθερο από εμπόδια και παντός είδους σκεδαστές. Η βασική απώλεια ελεύθερου χώρου L s δίνεται από τη σχέση: ή σε db όπου Pt 4π d Ls = = P λ r Ls( db) = 32.4 + 20 log10 d + 20log10 f (d: km, f: MHz ) (2) P t η εκπεμπόμενη ισχύς, 2 (1) P r η ισχύς στα άκρα της κεραίας λήψης, d η απόσταση μεταξύ πομπού και δέκτη, λ = c f το μήκος κύματος της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας.
Μηχανισμοί διάδοσης Οι μηχανισμοί διάδοσης κυμάτων στην τροπόσφαιρα διακρίνονται σε εκείνους που εξαρτώνται από τη μορφολογία του εδάφους και εκείνους που εξαρτώνται από τη μεταβολή της διηλεκτρικής σταθεράς στην τροπόσφαιρα με το υψόμετρο. Οι κύριοι μηχανισμοί της πρώτης κατηγορίας είναι η περίθλαση, η ανάκλαση και η σκέδαση, ενώ στη δεύτερη κατηγορία ανήκουν η ομαλή και ανώμαλη διάθλαση, η ανώμαλη ανάκλαση (refraction) και η τροποσφαιρική σκέδαση. Αναλύονται οι μηχανισμοί που επηρεάζονται από το γεωγραφικό ανάγλυφο. Ανάκλαση (reflection) Όταν ένα κύμα μεταδίδεται σε ένα μέσο και προσκρούσει σε μέσο με διαφορετικές ηλεκτρικές ιδιότητες, τότε μέρος του κύματος ανακλάται. Αν το κύμα προσκρούσει σε τέλειο διηλεκτρικό υλικό, τότε μέρος της ενέργειας μεταδίδεται στο δεύτερο μέσο, ενώ άλλο μέρος αυτής ανακλάται στο πρώτο μέσο χωρίς απώλειες ενέργειας κατά την ανάκλαση. Αν το μέσο στο οποίο προσκρούει το κύμα είναι τέλειος αγωγός, τότε όλη η προσπίπτουσα ενέργεια ανακλάται πάλι στο πρώτο μέσο, χωρίς απώλειες ενέργειας. Το πρόβλημα της ανάκλασης μελετάται κυρίως μέσω του μοντέλου ανάκλασης δύο ακτίνων. Κατά την ασύρματη μετάδοση είναι σπάνιο ο πομπός και ο δέκτης να συνδέονται μόνο μέσω της απευθείας οπτικής επαφής (line of sight), ενώ συχνά δεν υπάρχει μεταξύ τους οπτική επαφή. Το μοντέλο ανάκλασης εδάφους δύο ακτίνων περιλαμβάνει την απευθείας διαδρομή της ακτίνας, καθώς και αυτή που ανακλάται από το έδαφος. Η περίπτωση αυτή υπάγεται στο γενικότερο φαινόμενο πολλαπλών διοδεύσεων (multipath propagation), όπου το σήμα λήψεως είναι το άθροισμα των κυμάτων που φτάνουν στο δέκτη από διάφορους δρόμους και με διαφορετικές γενικά φάσεις. Τέλος, αξίζει να σημειωθεί ότι το φαινόμενο των πολλαπλών διοδεύσεων οδηγεί στο φαινόμενο της διάλειψης (fading), δηλαδή της πλήρους απόσβεσης του σήματος λήψης, όταν οι φάσεις των συμβαλλόμενων κυμάτων είναι κατάλληλες. Συνεπώς, πιθανές ανακλάσεις από κτίρια αποτελούν σημαντικό παράγοντα εμφάνισης διαλείψεων, όταν η αντίστοιχη ραδιοζεύξη τοποθετείται πάνω από πόλεις, δάση κλπ. Περίθλαση (diffraction) Η περίθλαση (diffraction) εμφανίζεται, όταν παρεμβάλλεται αδιαπέραστο εμπόδιο στη διαδρομή του ραδιοκύματος από τον πομπό προς το δέκτη και χαρακτηρίζει τα φαινόμενα που εμφανίζει η πρόσπτωση του ηλεκτρομαγνητικού κύματος στο εμπόδιο. Τότε, επάγονται πάνω στο εμπόδιο ρεύματα υψηλής συχνότητας, τα οποία αποτελούν πηγές δευτερογενούς πεδίου (πεδίου περίθλασης), σύμφωνα με την αρχή του Huygens. Η ένταση του πεδίου ενός περιθλώμενου κύματος στη ραδιοσκιασμένη περιοχή -όπου υπάρχουν εμπόδια- ισούται με το διανυσματικό άθροισμα των συνιστωσών του ηλεκτρικού πεδίου κάθε δευτερεύοντος κύματος στο χώρο γύρω από το εμπόδιο. Η περίθλαση επιτρέπει τη μετάδοση σημάτων γύρω από την καμπύλη επιφάνεια της γης, πέραν του ορίζοντα, όπως επίσης και τη μετάδοση αυτών πίσω από εμπόδια. Σε ραδιοσυχνότητες, όπου το μήκος κύματος είναι συγκρίσιμο με τις διαστάσεις των εμποδίων, η περίθλαση προκαλεί εξασθένηση στο σήμα και όχι μηδενισμό. 2
Το πολύπλοκο μαθηματικό πρόβλημα της περίθλασης προσεγγίζεται μέσω των λύσεων συγγενών προβλημάτων σκέδασης (knife edge, cylinders, Deygout, κλπ). Βασική παραδοχή για τον υπολογισμό της απόσβεσης λόγω περίθλασης αποτελεί ο χαρακτηρισμός του εμποδίου ως «αιχμηρού» ή «κυλινδρικού» τύπου. Επίσης, το πραγματικό πρόβλημα περίθλασης είναι αυτό από πολλαπλά εμπόδια. Οι περισσότερο διαδεδομένες μέθοδοι υπολογισμού σε αυτή την περίπτωση είναι οι Bullington, Epstein-Peterson και Deygout. Σκέδαση (scattering) Η σκέδαση εμφανίζεται στην περίπτωση όπου στη διαδρομή του ραδιοκύματος υπάρχουν αντικείμενα με διαστάσεις ίσες ή μικρότερες από το μήκος κύματος και έχει ως αποτέλεσμα την επανεκπομπή του προς πολλές κατευθύνσεις. Αντικείμενα όπως οι πυλώνες φωτισμού και τα δέντρα, έχουν την ιδιότητα να σκεδάζουν την ενέργεια σε όλες τις κατευθύνσεις με αποτέλεσμα η ισχύς στο δέκτη να αυξάνεται. Η απώλεια σκέδασης προσεγγίζεται μέσω του μοντέλου Radar Cross Section (RCS). Στους ραδιοδιαύλους, όπου μεγάλα μακρινά αντικείμενα προκαλούν σκέδαση, η γνώση της θέσης των αντικειμένων αυτών μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ακριβή πρόβλεψη των σκεδαζόμενων σημάτων. Για συστήματα κινητής επικοινωνίας σε αστικές περιοχές, μπορεί να χρησιμοποιηθεί η εξίσωση του διστατικού ραντάρ (bistatic radar equation) για τον υπολογισμό της ισχύος στο δέκτη λόγω του σκεδαζόμενου πεδίου. ανάκλαση σκέδαση περίθλαση Σχήμα 1: Οι βασικοί μηχανισμοί διάδοσης Διάδοση Πάνω Από Πολλαπλά Εμπόδια - Μοντέλα Ραδιοκάλυψης Στην πράξη το ηλεκτρομαγνητικό σήμα υφίσταται εξασθένηση λόγω της πρόσπτωσής του σε πολλαπλά εμπόδια και όχι σε ένα μεμονωμένο. Η επέκταση της θεωρίας της περίθλασης αιχμής (knife-edge) σε δύο ή περισσότερα εμπόδια παρουσιάζει αυξημένες δυσκολίες. Το πρόβλημα περιπλέκεται από μαθηματικής άποψης και καταλήγει σε ένα διπλό ολοκλήρωμα της μορφής Fresnel πάνω από επίπεδο άνωθεν του εμποδίου. Στη βιβλιογραφία έχουν προταθεί διάφορες μέθοδοι προσέγγισης του προβλήματος, οι οποίες έχουν υιοθετηθεί λόγω της έκτασης και της πολυπλοκότητας του προβλήματος. Μέθοδος Bullington Σύμφωνα με τη μέθοδο Bullington το πραγματικό έδαφος αντικαθίσταται από ένα «ισοδύναμο» εμπόδιο αιχμής στο σημείο όπου τέμνονται οι ημιευθείες που συνδέουν τον πομπό/δέκτη και τις πραγματικές αιχμές, όπως φαίνεται στο σχήμα που 3
ακολουθεί. Η μέθοδος του Bullington έχει το πλεονέκτημα ότι είναι αρκετά απλή, αλλά συχνά αγνοεί σημαντικά εμπόδια, γεγονός που την οδηγεί σε σημαντικά σφάλματα. Γενικά, η συγκεκριμένη μέθοδος εμφανίζει αισιόδοξα αποτελέσματα επειδή υποτιμά το μέγεθος των απωλειών. Πομπός Δέκτης ισοδύναμη αιχμή Σχήμα 2: Η μέθοδος Bullington Μέθοδος Epstein-Peterson Το βασικό πρόβλημα της μεθόδου Bullington ξεπέρασε η μέθοδος Epstein- Peterson. Η συγκεκριμένη μέθοδος υπολογίζει την εξασθένιση που υφίσταται το σήμα από κάθε εμπόδιο ξεχωριστά και αθροίζει τα τελικά αποτελέσματα, ώστε να προκύψουν οι συνολικές απώλειες. E 1 E 2 E 3 h 1 h 2 Πομπός Δέκτης Σχήμα 3: Η μέθοδος Epstein-Peterson Το παραπάνω σχήμα απεικονίζει μια διαδρομή τριών εμποδίων. Σύμφωνα με τη μέθοδο Epstein-Peterson, σχεδιάζεται μια γραμμή από τον πομπό προς την κορυφή του εμποδίου Ε 2, οπότε υπολογίζεται η απώλεια λόγω του εμποδίου Ε 1. Με παρόμοιο τρόπο υπολογίζεται η εξασθένιση λόγω του δεύτερου εμποδίου ενώνοντας τις κορυφές Ε 1 και Ε 3 και χρησιμοποιώντας το ύψος h 2. Τελικά, η απώλεια που υφίσταται το σήμα συνολικά (σε db) υπολογίζεται ως το άθροισμα των επιμέρους απωλειών. Στο υπό μελέτη παράδειγμα όλα τα εμπόδια διακόπτουν τη γραμμή της οπτικής επαφής, αλλά η τεχνική ενδείκνυται ακόμα και αν τα εμπόδια διακόπτουν μόνο κάποια από τις χαμηλότερες ζώνες Fresnel. Η μέθοδος είναι ανακριβής όταν δύο εμπόδια βρίσκονται αρκετά κοντά μεταξύ τους. Μέθοδος Deygout d 1 d 2 d 3 d 4 Η μέθοδος αυτή θεωρεί το κάθε εμπόδιο απομονωμένο και ξεχωρίζει μια κύρια κορυφή, της οποίας υπολογίζεται η απώλεια. Στο παρακάτω παράδειγμα παρουσιάζεται η μέθοδος για την περίπτωση τριών εμποδίων. Αν η κύρια κορυφή του σχήματος είναι η κορυφή Ε 2, τότε οι απώλειες περίθλασης για τις κορυφές Ε 1 και Ε 3, βρίσκονται σύμφωνα με τις γραμμές που ενώνουν την κύρια κορυφή με τον 4
πομπό και το δέκτη αντίστοιχα και προστίθενται στην απώλεια της κύριας κορυφής. Γενικότερα, για μια διαδρομή με αρκετά εμπόδια, η συνολική εξασθένιση υπολογίζεται ως το άθροισμα των επιμέρους απωλειών από όλα τα εμπόδια ακολουθώντας επαναληπτικά την ίδια διαδικασία. E 1 E 2 E 3 Πομπός h 1 h 2 Δέκτης d 1 d 2 βασική d 3 d 4 κορυφή Σχήμα 4: Η μέθοδος Deygout Πρακτικά, υπολογίζονται οι συνολικές απώλειες ως το άθροισμα των τριών στοιχείων των κύριων και των παράπλευρων κορυφών. Η μέθοδος αυτή εμφανίζει γενικά ακριβή αποτελέσματα, αλλά μπορεί να γίνει πεσιμιστική, εφόσον υπερεκτιμήσει τις απώλειες διάδοσης, κάτι που συμβαίνει, όταν τα πολλαπλά εμπόδια βρίσκονται κοντά το ένα στο άλλο. 3. Διαχείριση του Λογισμικού Επεξεργασία Αποτελεσμάτων Η εργαστηριακή άσκηση πραγματοποιεί μελέτη της τηλεοπτικής κάλυψης μιας περιοχής με κέντρο την πόλη Teruel. Το υπάρχον δίκτυο περιλαμβάνει ένα κύριο και ένα δευτερεύον κέντρο εκπομπής, ενώ θα μελετηθεί το ενδεχόμενο αντικατάστασης του κύριου από ένα τρίτο. Η μελέτη γίνεται με τη βοήθεια του εξειδικευμένου λογισμικού ATDI ICS Telecom και ATDI ICS Viewer. Διαχείριση Χαρτογραφικών Δεδομένων - Δημιουργία Project στο ATDI ICS Telecom Η βάση για το σχεδιασμό κάθε ηλεκτρονικού έργου (project) είναι τα χαρτογραφικά δεδομένα που αφορούν την περιοχή εξυπηρέτησης του δικτύου. Για το project της εργαστηριακής άσκησης θα απαιτηθούν: ψηφιακά χαρτογραφικά δεδομένα (Digital Terrain Model DTM,.GEO) φέρουν πληροφορία για το υψόμετρο κάθε pixel με αποτέλεσμα να εμφανίζουν τις ιδιομορφίες του εδάφους απεικονιστικά χαρτογραφικά δεδομένα (.IMG) χάρτες, αεροφωτογραφίες, δορυφορικές φωτογραφίες κ.λπ. βάση δεδομένων βιοφυσικής κάλυψης της γης (clutter -.SOL) περιλαμβάνει πληροφορίες για τη χρήση γης για κάθε pixel των ψηφιακών χαρτογραφικών δεδομένων (αστική, δασική, αγροτική, κ.λπ.) Για τη δημιουργία ενός project στο λογισμικό απαιτείται να οριστεί η διαδρομή για το φάκελο που περιλαμβάνει τα αρχεία με τις χαρτογραφικές πληροφορίες. Η διαχείριση αυτών γίνεται από το διαχειριστή ηλεκτρονικού έργου (project manager) που εμφανίζεται με την εκκίνηση του λογισμικού. Για την παρούσα άσκηση απαιτούνται τα εξής: 5
Στο διαχειριστή ηλεκτρονικού έργου επιλέξτε το αρχείο στην αντίστοιχη γραμμή Digital Terrain Model Lab_exercise 5m.GEO Map Image Lab_exercise 5m.IMG Color Palette Lab_exercise 5m.PAL Clutter Layer Lab_exercise 5m.SOL Parameters Lab_exercise 5m.PRM Αποθηκεύεστε το project (πλήκτρο Save project) και εκκινήστε το (πλήκτρο Load). Από τη στιγμή που το project έχει φορτωθεί, το κάθε ένα από τα προηγούμενα στρώματα (layers) μπορεί να εμφανιστεί, εφόσον επιλεγεί από τη λίστα του πλήκτρου Layer που βρίσκεται στην κορυφή της μπάρας εργαλείων στα αριστερά. Δίκτυα Κέντρων Εκπομπής Στην παρούσα εργαστηριακή άσκηση θα χρησιμοποιήσουμε προεπιλεγμένο δίκτυο κέντρων εκπομπής. Οι τεχνικές του παράμετροι χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό των προσομοιώσεων κάλυψης (έντασης Η/Μ πεδίου στο χώρο). Για να φορτώσουμε το δίκτυο, επιλέγουμε File Load Load network file (.EWF) και επιλέγουμε ένα από τα δύο αρχεία αυτού του τύπου. Για να ενεργοποιήσουμε /απενεργοποιήσουμε κάθε έναν από τους σταθμούς, κάνουμε αριστερό κλικ πάνω σε αυτόν και επιλέγουμε activate/deactivate. Τα κέντρα εκπομπής που χρησιμοποιούνται είναι για την εξυπηρέτηση της περιοχής με ψηφιακό σήμα τηλεόρασης. Οι τεχνικές παράμετροι επιλέχτηκαν σύμφωνα με ρεαλιστικά κριτήρια σχεδιασμού, ενώ η επιλογή των θέσεων των κέντρων εκπομπής έγινε όχι σε υπαρκτά κέντρα με σκοπό την κατανόηση και την αντιμετώπιση των προβλημάτων διάδοσης. Το υπάρχον δίκτυο (old transmitters) περιλαμβάνει δύο κέντρα εκπομπής με ονομασία Muela και Subelectrica (address). Το δίκτυο αυτό χρησιμοποιείται για την κάλυψη της πόλης Teruel και των γύρω περιοχών. Στην παρούσα εργαστηριακή άσκηση μελετάται η δυνατότητα αντικατάστασης του πρώτου κέντρου εκπομπής από ένα νέο (new transmitter) με ονομασία San Abdon (address) με χαμηλότερη ισχύ και 6
στόχο την κάλυψη της ίδιας περιοχής. Κάθε κέντρο εκπομπής περιγράφεται από μια σειρά τεχνικών χαρακτηριστικών που το προσδιορίζουν και καθορίζουν τις δυνατότητές του. Η επιλογή των χαρακτηριστικών αυτών γίνεται μέσα από το μενού parameters που εμφανίζεται με αριστερό κλικ πάνω στο εν λόγω κέντρο. Το παράθυρο που ανοίγει έχει τα βασικά χαρακτηριστικά του κέντρου (καρτέλα General). Στην αριστερή στήλη μπορούν να οριστούν οι τεχνικές παράμετροι (τύπος σήματος, ισχύς πομπού, κέρδος πομπού, απώλειες, συχνότητα, ύψος ιστού πομπού, εύρος ζώνης της επιλεγμένης υπηρεσίας). Η δεξιά στήλη περιλαμβάνει πεδία τα οποία δίνουν περισσότερες πληροφορίες (labels) μη τεχνικού χαρακτήρα για τον προσδιορισμό του κέντρου. Στη δεύτερη καρτέλα παρουσιάζεται το διάγραμμα ακτινοβολίας σαν ένας συνδυασμός οριζόντιου διαγράμματος, κατακόρυφου διαγράμματος, πόλωσης και κέρδους. Στην περίπτωση πολύπλοκων διαγραμμάτων ακτινοβολίας μπορεί να επιλεγεί τρισδιάστατο διάγραμμα ακτινοβολίας. 7
Επίσης, στη δεξιά στήλη δίνεται η δυνατότητα επιλογής της τιμής της αζιμουθιακής στροφής του διαγράμματος ακτινοβολίας, καθώς και της γωνίας κλίσης του οριζόντιου διαγράμματος ακτινοβολίας με τον ορίζοντα (0 ο ). Τα επιλεγόμενα διαγράμματα ακτινοβολίας είναι διαγράμματα που προκύπτουν από κεραίες που κυκλοφορούν στο εμπόριο και χρησιμοποιούνται για την εκπομπή τηλεοπτικού σήματος. Οι επόμενες καρτέλες παρουσιάζουν τη θέση του κέντρου εκπομπής και χαρακτηριστικά του σήματος που εκπέμπεται από το εν λόγω κέντρο και η επεξήγησή τους δεν είναι αναγκαία για τη διεξαγωγή της παρούσας άσκησης. Οι γεωγραφικές συντεταγμένες δίνονται στο παγκόσμιο γεωδαιτικό σύστημα συντεταγμένων (WGS84), ενώ η καρτέλα Advanced περιέχει πληροφορίες που αφορούν το εκπεμπόμενο σήμα ψηφιακής τηλεόρασης (DVB-T) και θα επηρεάσουν επεξεργασίες που έχουν σχέση με το κατώφλι ισχύος σχεδιασμού, τη διαμόρφωση κ.λπ. 8
Μοντέλα Υπολογισμού Πρόβλεψης Η/Μ Πεδίου Παράμετροι Έχοντας το υπό εξέταση δίκτυο στο χάρτη, ιδιαίτερης σημασίας είναι το μοντέλο διάδοσης. Αυτό μπορεί να βρεθεί στο μενού Files Preferences Model Model του ICS Viewer ή στο μενού Tools Propagation model του ICS Telecom. Μια από τις σημαντικότερες αποφάσεις στο σχεδιασμό ενός δικτύου και στην προσομοίωση των αποτελεσμάτων του είναι η επιλογή ντετερμινιστικών ή εμπειρικών μοντέλων. Η επιλογή αυτή έχει σχέση με τη συχνότητα λειτουργίας του δικτύου, καθώς και με την ακρίβεια των ψηφιακών χαρτογραφικών δεδομένων. Τα ντετερμινιστικά μοντέλα υπολογίζουν το Η/Μ πεδίο με βάση τους νόμους διάδοσης σήματος όπως εφαρμόζονται απευθείας στα ψηφιακά χαρτογραφικά δεδομένα. Τέτοιοι νόμοι περιλαμβάνουν τις απώλειες ελευθέρου χώρου (Free Space loss), την περίθλαση (Diffraction), τον υπολογισμό απωλειών λόγω εμποδίου στις ζώνες Fresnel (Fresnel zone blocking), καθώς και πολυδιαδρομικά και κλιματολογικά φαινόμενα (Multipath and Climate effects). Επιβάλλεται η χρήση ντετερμινιστικών μοντέλων όταν τα χαρτογραφικά μοντέλα έχουν υψηλή ανάλυση, όπως επίσης και όταν οι συχνότητες είναι υψηλές (μεγαλύτερες των UHF). Ακριβέστερα ντετερμινιστικά μοντέλα είναι Free Space Diffraction Fresnel zone blocking ITU-R P.525 Deygout 94 Standard ITU-R P.525 ITU-R P.526 ITU-R P.526 Τα εμπειρικά μοντέλα βασίζονται στο συνδυασμό στατιστικών δεδομένων απωλειών διάδοσης, τα οποία προκύπτουν από τη μελέτη μεγάλου πλήθους ζεύξεων πομπού-δέκτη (Tx Rx). Αυτά τα μοντέλα χρησιμοποιούν απλές συναρτήσεις, εξαρτώμενες μερικώς από τα χαρτογραφικά δεδομένα και ισχύουν μόνο για μικρά εύρη συχνοτήτων και συγκεκριμένα περιβάλλοντα (αστικά, ημιαστικά, ανοιχτά/αγροτικά, θαλάσσια κ.λπ.). Η πλειονότητα αυτών εστιάζει σε χαμηλές συχνότητες, κάτω από τη ζώνη συχνοτήτων των UHF, όπου τα σήματα διαδίδονται στο χώρο περισσότερο ως κύματα παρά ως ακτίνες. Εξαιτίας αυτού, η χρήση χαρτογραφικών δεδομένων υψηλής ανάλυσης δεν είναι απαραίτητη, ενώ προτείνεται η χρήση δεδομένων μέτριας ανάλυσης. Εμπειρικά μοντέλα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη ζώνη συχνοτήτων των UHF είναι τα ITU-R P.1546, Hata- COST231, SUI Method και ITM-Longley-Rice. Καθεμία από αυτές τις μεθόδους χρησιμοποιεί διαφορετικές συναρτήσεις και χρειάζεται ο καθορισμός συγκεκριμένων παραμέτρων τους. Δεδομένα Βιοφυσικής Κάλυψης Γης Παράλληλα με τη χρήση του μοντέλου διάδοσης, στην περίπτωση των ντετερμινιστικών μοντέλων, τα δεδομένα βιοφυσικής κάλυψης γης (clutter) επηρεάζουν τον υπολογισμό των απωλειών διάδοσης λόγω της προσθήκης ενός ακόμα εμποδίου πάνω στα ψηφιακά χαρτογραφικά δεδομένα. Αυτό επιτυγχάνεται με τον καθορισμό της πληροφορίας του περιβάλλοντος, όπου βρίσκεται ο δέκτης. Οι παράμετροι του Clutter βρίσκονται στο μενού Tools Clutter options. 9
Στην παρούσα άσκηση το clutter που χρησιμοποιείται λαμβάνει υπόψιν τέσσερα διαφορετικά επίπεδα εμποδίων και συγκεκριμένα αγροτική περιοχή, δάσος, αστική περιοχή, πάρκα/πλατείες (rural, forest, road/roof, wood). Η πληροφορία του clutter αφορά το χαρακτηρισμό του κάθε pixel του χάρτη. Για κάθε κατηγορία χρήσης γης επιλέγεται το μέσο ύψος του εμποδίου που περιγράφει η κατηγορία, καθώς και οι πρόσθετες απώλειες (db/km) που προστίθενται καθώς το σήμα διαδίδεται στην υπό εξέταση περιοχή. Το λογισμικό παρέχει τη δυνατότητα επιλογής τιμών για κάθε κατηγορία από μια σειρά προδιαγραφών. Στην παρούσα άσκηση η επιλογή των τιμών τόσο των απωλειών (Attenuation) όσο και του μέσου ύψους (Clutter height) είναι προεπιλεγμένη (User). Εκτός αυτού υπάρχει η δυνατότητα δύο επιλογών για τη θέση του δέκτη είτε πάνω από το μέσο ύψος που εισάγει το clutter (T/R over clutter) είτε πάνω στο έδαφος (T/R over ground spot), στο εσωτερικό δηλαδή του clutter, οπότε και υπολογίζει τις αποσβέσεις λόγω περίθλασης και σκέδασης. Για παράδειγμα, στη μηκοτομή που ακολουθεί είναι εμφανές ότι το σημείο λήψης βρίσκεται στο εσωτερικό του clutter. Συνεπώς δεν είναι καθαρή η πρώτη ζώνη Fresnel και δεν υπάρχει οπτική επαφή μεταξύ του πομπού και του δέκτη. Αυτό οφείλεται τόσο στο γεγονός ότι χρησιμοποιείται clutter όσο και στο ότι η λήψη θεωρείται πάνω από το έδαφος. 10
Εμφάνιση Κάλυψης Παλέτα Χρωματισμού Μετά την ολοκλήρωση της επιλογής των παραμέτρων μπορεί να υπολογιστεί η ένταση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου για κάθε pixel του ψηφιακού χάρτη σε μια ακτίνα κάλυψης γύρω από τον πομπό, η οποία επιλέγεται από το χρήστη. Το αποτέλεσμα αποθηκεύεται στο διανυσματικό αρχείο του δικτύου (.EWF) και εμφανίζεται στις παραμέτρους του πομπού. Ανάλογα με το είδος της υπηρεσίας που προσομοιώνεται και τις παραμέτρους της, διαφοροποιείται η ελάχιστη απαιτούμενη ένταση ηλεκτρικού πεδίου για ικανοποιητική λήψη ( E wanted min ). Με την επιλογή Coverage Network analysis Composite coverage display εμφανίζεται στο χάρτη η από κοινού κάλυψη των ενεργοποιημένων (activated) κέντρων εκπομπής. Με άλλα λόγια, σε κάθε pixel εμφανίζεται η μέγιστη τιμή της έντασης του πεδίου που προέρχεται από όλα τα ενεργοποιημένα κέντρα εκπομπής. Το λογισμικό μάς δίνει τη δυνατότητα να εμφανίσουμε διαφορετικά επίπεδα έντασης πεδίου, τα οποία διακρίνονται με διαφορετικούς χρωματισμούς των αντίστοιχων pixel. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της παλέτας, όπως αυτή του σχήματος που ακολουθεί. Μετά την εμφάνιση της από κοινού κάλυψης, το μενού Tools User palette επιτρέπει τον ορισμό των επιθύμητων επιπέδων έντασης πεδίου στην τέταρτη στήλη (>= dbuv/m/oaa), καθώς και την επιλογή μιας ετικέτας (Label) και χρώματος που θα αντιπροσωπεύει το συγκεκριμένο επίπεδο έντασης ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Αξίζει να σημειωθεί ότι οι προσωπικές ρυθμίσεις της παλέτας πρέπει να ξεκινούν από την πρώτη γραμμή της. Η επιλεγμένη παλέτα εμφανίζεται στην μπάρα κάτω από το χάρτη, ενώ η μπάρα πάνω από το χάρτη δίνει πληροφορίες για τις συντεταγμένες, το ύψος, την ένταση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου κ.ά. του σημείου που βρίσκεται κάθε φορά ο δείκτης. Το λογισμικό δίνει τη δυνατότητα χρησιμοποιώντας το φίλτρο Map Filter Road/Roof filter να εμφανιστεί η τιμή του πεδίου για το συγκεκριμένο μόνο τύπο δόμησης. Στην περίπτωση αυτή ο τύπος που επιλέγεται είναι αστικής δόμησης. 11
4. Περιγραφή της Άσκησης Στην παρούσα εργαστηριακή άσκηση θα μελετήσουμε την κάλυψη της πόλης Teruel και των γύρω περιοχών της με ψηφιακό τηλεοπτικό σήμα. Μέρος 1 ο 1. Δημιουργήστε ένα ηλεκτρονικό έργο (project) φορτώνοντας τα κατάλληλα χαρτογραφικά δεδομένα. 2. Εισάγετε το διανυσματικό αρχείο δικτύου που περιέχει τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων πάνω από το clutter (Lab_exercise_over_clutter.EWF). 3. Ενεργοποιήστε (activate) τα υπάρχοντα κέντρα εκπομπής (Muela, Subcentral electrica). 4. Ρυθμίστε τις παραμέτρους της παλέτας ώστε να εμφανίζεται η κάλυψη μόνο για υπηρεσία σταθερής λήψης (fixed reception), για την οποία η ελάχιστη απαιτούμενη ένταση πεδίου είναι E wanted min = 48dBμ V/m. 5. Εμφανίστε την κοινή κάλυψη των κέντρων εκπομπής. 6. Σχολιάστε την εξυπηρέτηση στο κέντρο της πόλης και τα προάστια. Χρησιμοποιήστε το κατάλληλο φίλτρο για να απομονώσετε τις αστικές περιοχές. 7. Επαναλάβετε τα βήματα 4 έως 6 για την περίπτωση που επιδιώκεται φορητή λήψη (portable reception), δεδομένου ότι η ελάχιστη απαιτούμενη τιμή έντασης πεδίου είναι E wanted min = 72dBμ V/m. 8. Για μία περιοχή (pixel) όπου το πεδίο δεν επαρκεί για την κάλυψη, παρουσιάστε τα προβλήματα της διάδοσης στη συγκεκριμένη περιοχή με τη χρήση μηκοτομής. Αποθηκεύστε τα αποτελέσματα. Μέρος 2 ο 1. Ρυθμίστε ξανά τις παραμέτρους της παλέτας ώστε να εμφανίζεται η κάλυψη μόνο για υπηρεσία σταθερής λήψης (fixed reception), για την οποία η ελάχιστη απαιτούμενη ένταση πεδίου είναι E = 48dBμ V/m. wanted min 2. Εμφανίστε την κοινή κάλυψη των κέντρων εκπομπής. 3. Απενεργοποιήστε το κέντρο εκπομπής Muela και ενεργοποιήστε το κέντρο εκπομπής San Abdon κρατώντας το υπάρχον κέντρο εκπομπής Subcentral electrica. 4. Εμφανίστε την κοινή κάλυψη των κέντρων εκπομπής. 5. Σχολιάστε τις διαφορές στην εξυπηρέτηση στο κέντρο της πόλης και τα προάστια. Εφόσον απαιτηθεί χρησιμοποιήστε το κατάλληλο φίλτρο για να απομονώσετε τις αστικές περιοχές. 12
Μέρος 3 ο 1. Εισάγετε το διανυσματικό αρχείο δικτύου που περιέχει τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων πάνω στο έδαφος (Lab_exercise_over_ground.EWF). 2. Ενεργοποιήστε (activate) τα υπάρχοντα κέντρα εκπομπής (Muela, Subcentral electrica). 3. Ρυθμίστε τις παραμέτρους της παλέτας ώστε να εμφανίζεται η κάλυψη για φορητή σταθερή λήψη (portable reception). 4. Εμφανίστε την κοινή κάλυψη των κέντρων εκπομπής. 5. Σχολιάστε τα αποτελέσματα στο κέντρο της πόλης και τα προάστια. Χρησιμοποιήστε το κατάλληλο φίλτρο για να απομονώσετε τις αστικές περιοχές. 6. Για μία περιοχή (pixel) όπου το πεδίο δεν επαρκεί για την κάλυψη, παρουσιάστε τα προβλήματα της διάδοσης στη συγκεκριμένη περιοχή με τη χρήση μηκοτομής. Αποθηκεύστε τα αποτελέσματα. 5. Ερωτήσεις Παραδοτέα της Άσκησης 1. Σχολιάστε τα αποτελέσματα των επιμέρους τμημάτων της άσκησης. 2. Γιατί πέραν ενός εμποδίου (π.χ. βουνό) το ηλεκτρικό πεδίο δε μηδενίζεται; 3. Για ποιο λόγο απαιτείται η χρήση του clutter στη σταθερή λήψη; 4. Ποιο από τα κέντρα εκπομπής Muela και San Abdon επιλέγετε για την κάλυψη της πόλης; Ισχύει το ίδιο και για την κάλυψη της ευρύτερης περιοχής; Σχολιάστε τα υπέρ και τα κατά της διατήρησης ενός υπάρχοντος κέντρου ή της δημιουργίας ενός νέου και τεκμηριώστε τις απαντήσεις σας με απεικονίσεις των προσομοιώσεων. 5. Σχολιάστε τις διαφοροποιήσεις ανάμεσα στις προσομοιώσεις φορητής λήψης πάνω από το clutter και πάνω από το έδαφος. Πού οφείλονται; Τεκμηριώστε τις απαντήσεις σας με τη χρήση των μηκοτομών που αποθηκεύσατε. 6. Στην περίπτωση που ο δέκτης φορητής λήψης έχει εσωτερική κεραία με ενισχυτή που έχουν συνολικό κέρδος 20dB πώς διαφοροποιούνται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων; Απεικονίστε τις προσομοιώσεις έντασης πεδίου χρησιμοποιώντας το κατάλληλο φίλτρο για να απομονώσετε την πόλη Teruel, καθώς και την παλέτα χρωματισμού που χρησιμοποιήσατε. Χρησιμοποιήστε όποια μέθοδο προσομοίωσης φορητής λήψης επιθυμείτε. 13