MOBILNE RADIOKOMUNIKACIJE

MOBILNE RADIOKOMUNIKACIJEMOBILNE RADIOKOMUNIKACIJE

MEHANIZMI PROSTIRANJA MEHANIZMI PROSTIRANJA SIGNALA U MOBILNOM SIGNALA U MOBILNOM

RADIO KANALURADIO KANALU

MEHANIZMI PROSTIRANJA SIGNALA U MEHANIZMI PROSTIRANJA SIGNALA U MOBILNOM RADIO KANALUMOBILNOM RADIO KANALU

• Osnovni mehanizmi prostiranja signala u mobilnom radio kanalu su:

Refleksija

Difrakcija

Rasijanje• Prostiranje radio signala u realnim uslovima

podrazumijeva sva tri mehanizma, a koji će od

njih biti dominantan, zavisi od dužine veze

MEHANIZMI PROSTIRANJA SIGNALA U MEHANIZMI PROSTIRANJA SIGNALA U MOBILNOM RADIO KANALUMOBILNOM RADIO KANALU

Radio horizont

LOS zona NLOS zona

Direktni signal plus više oslabljenihreflektovanih signala

Difrakcija na tački horizonta

Rasijanje na česticamau troposferi

PROSTIRANJE U SLOBODNOM PROSTORUPROSTIRANJE U SLOBODNOM PROSTORU

PtGt PrGr

d

Predajnik Prijemnik

PtGt – efektivna izotropna izračena snaga (EIRP)

• Snaga primljenog signala (Pr) opada sa kvadratom rastojanja (d) između predajnika i prijemnika (Friis-ova formula)

Pt – emitovana snaga

Gt i Gr – dobitak predajne i prijemne antene, respektivno

λ – radna talasna dužina

L ≥ 1 – faktor koji predstavlja hardverske gubitke u sistemu

koji nemaju veze sa propagacionim gubicima

PROSTIRANJE U SLOBODNOM PROSTORUPROSTIRANJE U SLOBODNOM PROSTORU

0 ,4 22

2

dLd

GGPdP rtt

r

GUBITAK U SLOBODNOM PROSTORUGUBITAK U SLOBODNOM PROSTORU

22

2

4log10log10dB

d

GG

P

PL rt

r

tfree

dL free

4

log20dB

dfL free log20log2044.32dB

(Gr=Gt=1)

f u [MHz], d u [km]

Gubitak u slobodnom prostoru u zavisnosti Gubitak u slobodnom prostoru u zavisnosti od rastojanja i radne frekvencijeod rastojanja i radne frekvencije

ZZONA DALEKOG ONA DALEKOG ZZRARAČČENJAENJA

• Zona dalekog zračenja, ili Fraunhofer-ova zona, određena je Fraunhofer-ovim rastojanjem df. Ovaj parametar zavisi od najveće linearne dimenzije predajne antene D i radne talasne dužine λ

, df >> D, df >> λ

22Dd f

Za d < df ne važi Friis-ova formula.

OPŠTA RELACIJA ZA SNAGU OPŠTA RELACIJA ZA SNAGU PRIMLJENOG SIGNALAPRIMLJENOG SIGNALA

• Mjerenja sprovedena na konkretnim sistemima i u realnim uslovima pokazuju da snaga primljenog signala zavisi od rastojanja po zakonu

v – koeficijant slabljenja koji zavisi od okruženja i karakteristika sredine (2 ≤ v ≤ 6)

• Opšta jednačina za snagu primljenog signala

vr dP

d

dvdPdP ref

refrr log10log10dB

dref – referentno rastojanje

Snaga primljenog signala u zavisnosti od rastojanja i parametra ν

RADIO HORIZONTRADIO HORIZONT

Ka centru Zemlje(poluprečnik re)

Optički horizont

Zakrivljena putanjaradio talasa

Radio horizont

hei

dLsi

err 4

re ≈ 6 370 km

(poluprečnik Zemlje)

EKVIVALENTNI POLUPREEKVIVALENTNI POLUPREČČNIK ZEMLJENIK ZEMLJE

Ka centru Zemlje(poluprečnik a=kre)

Ekvivalentna putanjaradio talasa

Radio horizont

hei

dLsi

ee rkra

uzima se k = 4/3

a = 8 493 km

RASTOJANJE DO RADIO HORIZONTARASTOJANJE DO RADIO HORIZONTA

• Pretpostavljajući da je površina Zemlje glatkapovršina Zemlje glatka, rastojanje do radio horizonta može se izraziti sljedećom jednačinom:

odnosno

• Uticaj zakrivljenosti Zemlje neće doći do izražaja ako je:

dLst i dLsr – rastojanje do radio horizonta gledano sa strane

predajne i prijemne antene, respektivno

eieiLsi ahahad 222

m17km eiLsi hd

LsrLstLs dddd

• U stvarnosti, rastojanje do radio horizonta je manje zbog profila terena i raznih objekata koji površinu Zemlje profila terena i raznih objekata koji površinu Zemlje ččine neravnomine neravnom. Što je područje brdovitije i sa više visokih objekata, veća je vjerovatnoća da radio horizont bude zatvoreniji.

• Uzimajući u obzir nepravilnost terena, rastojanje do radio horizonta u realnom slučaju može se izračunati pomoću empirijske formule:

Δh – "parametar nepravilnosti terena"

m 5,max/07.0e eihhLsiLi dd

RASTOJANJE DO RADIO HORIZONTARASTOJANJE DO RADIO HORIZONTA

Parametar nepravilnosti terena

h

10 km

10 %

90 %

Tip terena Δh [m]

Vodena ili druga veoma ravna površina 0 – 5

Ravna površina 5 – 20

Blago neravan teren 20 – 40

Brežuljci 40 – 80

Brda 80 – 150

Planine 150 – 300

Grebenaste planine 300 – 700

Veoma grebenaste planine > 700

EFEKTIVNA VISINA ANTENEEFEKTIVNA VISINA ANTENE

• Ako sa hgi označimo strukturnu visinu antene (rastojanje od tla do vrha antene), tada efektivnu visinu antene hei možemo definisati kao:

irefiagigiei xhxhhhh ,max

hei>hgi

hs<0hs>0

hei=hgi

Prosječnanadmorska visina

terena

Nadmorska visinaterena

• Ako je antena postavljena na slučajno izabranoj lokaciji (što je slučaj kod antene mobilne antene mobilne jedinicejedinice), onda je prosječna nadmorska visina terena na lokaciji antene jednaka referentnom nivou. U tom slučaju je efektivna visina antene jednaka strukturnoj visini, .

EFEKTIVNA VISINA ANTENEEFEKTIVNA VISINA ANTENEMOBILNE JEDINICEMOBILNE JEDINICE

hei=hgi

• Ako je antena postavljena na pažljivo izabranoj lokaciji (što je slučaj kod antene bazne stanice), razvijena je sljedeća empirijska formula za određivanje efektivne visine antene:

EFEKTIVNA VISINA ANTENEEFEKTIVNA VISINA ANTENEBAZNE STANICEBAZNE STANICE

hhgiei

gichh

/2gi e

m 10

hsin1

hgiei chh /-2hgie1 , za hgi ≤ 5

, za hgi > 5 m

Uzima se c=4 za pažljivo odabranu lokaciju antene, i c=9 za veoma pažljivo odabranu lokaciju

Efektivna visina antene u funkciji Efektivna visina antene u funkciji njene strukturne visinenjene strukturne visine

Rastojanje do radio horizonta u Rastojanje do radio horizonta u funkciji strukturne visine antenefunkciji strukturne visine antene

PROSTIRANJE IZNAD RAVNE POVRŠINE ZEMLJEPROSTIRANJE IZNAD RAVNE POVRŠINE ZEMLJE

• Model prostiranja iznad ravne, djelimično provodne površine Zemlje, predstavlja dobar model za predikciju snage primljenog signala u LOS regionu. Analiza uključuje direktni, reflektovani i površinski talas (Bullington-ov princip). Relacija koja povezuje emitovanu i primljenu snagu je:

P0 – očekivana snaga pri prostoranju u slobodnom prostoru

R – kompleksni koeficijent refleksije

A – koeficijent apsorpcije površinskog talasa

Δ – fazna razlika direktnog i reflektovanog talasa

2

0 ...e1e1 jjr ARRPP

• Na VHF i UHF opsegu možemo zanemariti površinski talas, tako da se model svodi na direktni i reflektovani talas


r1

r2

dt dr

ht

hr

d

• Relacija koja povezuje emitovanu i primljenu snagu u ovom uprošćenom slučaju je:

• Koeficijent refleksije R zavisi od upadnog ugla ψ, polarizacije talasa i karakteristika zemljišta na kome se dešava refleksija


cos21e1 0

2

0 RRPRPP jr

jR

z

zR e

sin

sin

• Razlika između dužina putanja direktnog i reflektovanog talasa:

• Ova razlika dužina putanja prouzrokuje sljedeću faznu razliku:

• Za frekvencije iz UHF opsega i za male upadne uglove (ψ ≈ 0)

R ≈ -1 tako da se primljena snaga može izraziti kao:


d

hhdhhdhhrr rt

rtrt

2222212

d

hhrr rt

42

12

d

hhPPPP rt

r 2

sin42

sin4cos12 20

200

Dobitak pri LOS prostiranju iznad ravne površine Zemlje

• Prethodna slika pokazuje da LOS prostiranje iznad ravne površine Zemlje rezultira:

maksimalnim dobitkom od 6 dB u odnosu na prostiranje

u slobodnom prostoru, u slučaju kada je Δ/2 neparan umnožak od π/2

poništenjem, u slučaju kada je Δ/2 umnožak od π

Za ostale vrijednosti fazne razlike dobitak se kreće od 0 do 4 puta, što zavisi od efektivne visine predajne i prijemne antene

i rastojanja između njih

Dobitak pri LOS prostiranju iznad ravne površine Zemlje

• Uvrštavajući izraz za P0, snagu primljenog signala koji se prostire iznad ravne Zemljine površine, možemo izraziti kao:

• Za Δ/2 < 0.3 rad može se napraviti aproksimacija sinx ≈ x, pa se gornja jednačina svodi na:

- rastojanje za koje je Δ/2 = 0.3 rad


22

2

4

2sin4

dd

hhGGPP rt

rttr

d'd , 4

24

2

2

22

d

hhGGP

dd

hhGGPP rt

rttrt

rttr

/20' rt hhd

• Iz prethodne jednačine se može zaključiti da snaga primljenog signala opada sa četvrtim stepenom rastojanja, odnosno slabljenje signala sa porastom rastojanja d se povećava 40 dB/dec, što je i eksperimentalno potvrđeno

• Prethodna jednačina predstavlja dobar model za predikciju slabljenja u navedenim uprošćenim uslovima, mada ima određenih nedostataka koji se prije svega odnose na:

nezavisnost slabljenja od radne talasne dužine, i

netačnu zavisnost slabljenja od efektivne visine antene mobilne jedinice


FRESNELFRESNEL-OVE ZONE-OVE ZONE

• Posmatrajmo slučaj kada je fazna razlika između direktnog i reflektovanog talasa:

• Rastojanje d > dn odgovara n-toj Fresnel-ovoj zoni

Specijalno, d > d1 odgovara prvoj Fresnel-ovoj zoni

• Analizirajuću prethodnu sliku dolazimo do zaključka da za

d < d1 dolazi naizmjenično do konstruktivne i destruktivne interferencije između direktnog i reflektovanog talasa, dok je za d > d1 prisutna samo konstruktivna interferencija

n

nhh

d ren

4

• Fresnel-ova zona n-tog reda se definiše kao elipsoid koji sadrži tačke refleksije za koje je razlika između dužina putanja direktnog i reflektovanog talasa manja od n-tog umnoška polovine radne talasne dužine

FRESNELFRESNEL-OVE ZONE-OVE ZONE

T

R

r1 - poluprečnik prve Fresnel-ove zone

hthr

rezerva

ODREĐIVANJE POLUPREČNIKA PRVE FRESNEL-OVE ZONE

.

d

dt dr

r1

T

R

rt

rt

rt

rtrt dd

ddr

dd

ddrdrdrd

1

212

122

12

22

DIFRAKCIJA NA DIFRAKCIJA NA ""IVICI NOIVICI NOŽŽAA""

dt

dr

hprepT

R

h>0

dt dr

hprep

T

R

h<0

Slučaj A

Slučaj B

• Određivanje gubitaka usljed difrakcije ima smisla samo u slučaju kada je prva Fressnel-ova zona zauzeta, ili uz nešto strožiji kriterijum, kada nije slobodna neka od zona višeg reda

• Jačina električnog polja Ed difraktovanog talasa u odnosu na jačinu električnog polja pri prostiranju u slobodnom prostoru E0, može se izračunati primjenom kompleksnog Fresnel-ovog integrala koji ima oblik:

p – Fresnel-Kirchoff-ov difrakcioni parametar

DIFRAKCIJADIFRAKCIJA

p

d dttjj

pFE

E2/exp

2

1 2

0

DIFRAKCIJADIFRAKCIJA

• Fresnel-Kirchoff-ov difrakcioni parametar je funkcija efektivne visine prepreke h i pozicije prepreke između predajnika i prijemnika

• Efektivna visina prepreke se uzima kao pozitivna kada je vrh prepreke iznad linije direktne vidljivosti, tj. kada prepreka blokira tu liniju (slučaj A na slici), dok se u slučaju kada linija direktne vidljivosti nije ugrožena, efektivna visina prepreke uzima sa znakom minus (slučaj B na slici)

rt

rt

dd

ddhp

2

DOBITAK USLJED DIFRAKCIJEDOBITAK USLJED DIFRAKCIJE

• Dobitak usljed difrakcije može se izračunati prema relaciji:

• Za praktične potrebe, kriva sa prethodne slike se aproksimira sljedećim jednačinama:

DOBITAK USLJED DIFRAKCIJEDOBITAK USLJED DIFRAKCIJE

pFGd log20dB

, 0dB dG

, 62.05.0log20dB pGd

, 95.0exp5.0log20dB pGd

, 1.038.01184.04.0log20dB 2

pGd

,225.0

log20dB

pGd

za p ≤ -1

za -1 ≤ p ≤ 0

za 0 ≤ p ≤ 1

za 1 ≤ p ≤ 2.4

za p > 2.4

DVOSTRUKA DIFRAKCIJA NA DVOSTRUKA DIFRAKCIJA NA ""IVICI NOIVICI NOŽŽAA""

RASIJANJERASIJANJE

• Glatke površine koje imaju mnogo veće dimenzije od radne talasne dužine mogu se modelovati samo kao refleksione površine. Grubost površine često produkuje prpagacione efekte koji su različiti od reflesije.

• Da bi se korektno izračunala snaga primljenog signala koji se reflektuje od grube površine, koeficijent refleksije treba pomnožiti sa faktorom slabljenja zbog rasijanja ρS.

Srough

• Ako se uzme da je visina neravnina na površini (h) slučajna promjenljiva sa Gauss-ovom raspodjelom, tada se faktor ρS može izračunati preko formule:

σh – standardna devijacija visine neravnina oko srednje vrijednosti

θi – upadni ugao • Modifikovana formula za koeficijent rasijanja koja se bolje

poklapa sa eksperimentalnim rezultatima ima oblik:

RASIJANJERASIJANJE

2sin

exp

ihS

2

0

2sin

8sin

8exp

ihihS I

MOBILNE RADIOKOMUNIKACIJE

Documents