Naturens og vejrligets indflydelse på radionetværket2

Til : Alle

Fra : FLI

Cc :      

Vedrørende : Naturens og vejrligets indflydelse på radionetværket

Dato & tid :      

Analyse og beskrivelser af indflydelsen fra vejrlig, samt naturens forandringer i de forskellige årstider.

1. Vejrligets Influens på radio bølgers udbredelse.

2. Naturens (løvets) influens på radio bølgers udbredelse.

I begge dokumenter, er der en beskrivelse, samt en konklusion af fænomenerne.Herunder er beskrevet mulige løsningsforslag.

1. Løsningsforslag til reduktion af tunnel effekt (Ducting):

For at reducerer effekten af Ducting, anbefales det at øge anvendelsen af antenne tilt uden for byer, således, at selv site som er i åbent land m.m., også få min. 2 grader tilt, det vil betyde flere ting.

Positive:

Ducting reduceres.Reduceret interferens.Vil forbedre enhver ny frekvens plan generelt.

Negativt:

Det reducerer dækningen.Vil evt., give øget udbygning på GSM, for at lukke opståede dæknings problemer, som følge af Tilt.

2. Løsningsforslag til reduktion af træer og buskes indflydelse på dæknings kvalitet og drop.

Øget dæknings udbygning af landområder, ferieområder og rekreative arealer, da disse ofte ligger med et lavt signal niveau, som således påvirkes forholdsvis mere af løvtræer og buske

Side1 af 12

1: Solen har en stor indflydelse på radio bølgernes udbredelse på Jorden.

Elektriske sol storme, sol pletter samt varme, kan forsage radio kommunikation over lange afstande, eller det modsatte.

Radio frekvenser udbredes generelt på fire måder:

1) Direkte fra punkt til punkt. (f.eks. satellit kommunikation fra jordstation til satellit og reverse)

2) Udbredelse langs jorden, hvor den afbøjes let og følger jord krumningen over en given afstand, afhængende af frekvens båndet.

3) Udbredelse over en længere afstand end normalt, før de kommer tilbage til Jordens overflade, fordi de er blevet fanget i et af lagene i Jordens atmosfære, typisk toposfæren.

4) Brydes, eller bøjes, tilbage til Jorden af ionosfæren.

Vi vil koncentrere os om punkt 3), da det er det lag, som har den største indvirkning på udbredelsen af radiobølgerne, og muligheden for at påvirke radio netværket uhensigtsmæssigt, med interferens, jitter, (stakit effekt) og følgende dækningsproblemer samt faldende MPD m.m.

I et mobilt netværk, hvor udbredelses mønsteret er under konstant forandring, i form af bevægelige modtage og sender punkter, (brugerne), kan refleksioner forårsage problemer.

De direkte og reflekterede radio bølge kan både ophæve eller styrker hinanden. Dette medfører en form for jitter, (stakit effekt), som under normale omstændigheder, bliver kompenseret med anvendelse af diversitets modtagere og kryds pols antenner. Det er også beskrevet i litteraturen som flervejsudbredelse, der kan medvirke til konstruktiv og destruktiv interferens.

Hvordan er det så, at vi kan blive påvirket af vejrlig eller atmosfæriske forstyrrelser?

Som indledning, skal det siges, at radiobølger, udbreder sig på same måde som lys og visuelt sigt, det betyder at det fjerneste punkt som man kan se, er den synlige horisont.Dette er kun begrænset af den højde som man befinder sig over jordhøjden, så for eksempel, fra en 45 meter gittermast, kan man se meget længere end de normalt 12 -14 km, hvis man står nede på jorden.

Side2 af 12

Det er her at vi så skal til at se lidt nærmere på troposfæren:

Troposfæren består af en atmosfæriske regioner tæt på Jordens overflade. Denne laver en svag afbøjning af radiobølgerne, der så forårsager at radio bølgerne returneres tilbage til Jorden under den geometrisk horisont, og gør, at man kan modtage signal fra en basisstation, der er længere væk, end det ellers ville være muligt. Denne under horisonten modtagelse, er generelt omkring 15% længere væk end den synlige horisont.

Troposfærisk afbøjning er bevist over et bredt spektrum af frekvenser, selv om det er mest i VHF / UHF / SHF området, som også dækker det frekvens område, der anvendes til mobiltelefoni, 900 / 1800 / 2100 Mhz. (Afbøjningseffekten er den samme som opleves med lys som passerer grænsen mellem stoffer med forskellig brydningsindex.)

Mobile signaler kan derfor blive fanget i troposfæren, og udbrede sig over en meget længere afstand end normalt, før de returneres tilbage til Jordens overflade. Normalt er det i den varmeste luft som er tæt på Jorden, da temperaturen og luft trykket falder, jo højere man komme op. I stedet for de gradvise ændringer i luftens temperatur, tryk og fugtighed, formes

Side3 af 12

der dog undertiden forskellige temperatur zoner i troposfæren. I nærved liggende zoner, som har markant forskellig temperatur densitet vil de bøje radiobølger kunne passere mellem disse.

Disse tropofæriske fænomener optræder typisk i løbet af forår, sommer, og sensommer månederne. Dette sker under visse vejrforhold, som forårsager troposfærisk ’forstærkning’ og troposfæriske ’tunneler, rør’, på VHF / UHF og SHF frekvens båndene.

Det troposfæriske lag af atmosfæren lige under stratosfæren. Det afgrænses opadgående cirka 11 til 16 km. I denne region formes skyerne og temperaturen falder hurtigt med højden.

Under normale forhold vil temperaturen af luften gradvist falde med stigende højde over jorden. Men når der er et stabilt højtryks-system, kan en meget varme luft trykke det kold luft lag ned, dette forårsager så en temperatur spejlvending. Radiobølger som bliver fanget under denne varme luft masse, kan derfor udbredes over store afstande med ringe tab, ud over ’free space loss’. Området mellem Jorden og den varm luft masse betegnes som en tunnel eller rør.

Når radiobølger udbredes gennem troposfæren, vil der altid være noget signal tab, for enhver rute gennem troposfæren, vil signalet tabet stige, med stigende frekvensen.

Troposfærisk tunneller er herfor, den mest almindelige form for forøget udbredelse på UHF / SHF båndene. Og det er disse tunneller, som giver øget interferens og forringelse af mobil radio netværkets MPD. Da basisstationer, som er placeret så langt fra hinanden, at de under normale omstændigheder ikke ville kunne se hinandens radio signal, pludselig giver interferens og medfører drop af samtalen.

I jordens øvre atmosfære (40 - 300 km over Jorden) findes der hovedsageligt ilt og kvælstof, der dog spor af brint, helium, og flere andre gasser. De atomer, der udgør disse gasser er elektrisk neutrale, de har ingen elektrisk ladning og udviser ingen elektrisk kraft uden for deres egen struktur.

Side4 af 12

Gas atomerne absorberer ultraviolet stråling og andre strålinger fra solen, dette slår elektroner ud af atomet. Disse elektroner er negativt ladede partikler, og de resterende dele af gas-atomet former positivt ladede partikler. De positive og negative partikler kaldes ioner, og den proces, hvorved ioner dannes kaldes ionisering.

Når solstrålingen ioniserer dette øvre lag, kaldet ionosfære, kan dette afbøje radiobølger. Dette har dog ingen betydning for de frekvenser som anvendes ved mobil telefoni, da disse er for høje til at blive påvirkede og fortsætter da ud i rummet.

Konklusion:

Vejr skiftet i foråret over sommeren til sensommeren, har en betydelig indvirkning på performance i radio netværket, da de normale udbredelses mønstre for de mobile frekvenser, bliver påvirket i en uheldig retning, i form af meget længere rækkevidde.

Denne række vide afhænger helt af forholdene imellem temperatur lagene i troposfæren, et udslag st denne form for tunnel udbredelse, kan ses herunder af en UMTS Celle i Odense, som blev mål i helt oppe ved Hobro ved den foregående hedebølger, d. 5 -6 Juli 2008.

Side5 af 12

Hvor mange ekstra drops, af sted kommer dette vejfænomen så, det kan man ikke beregne, det vil varierer, helt efter, stort tunnel fænomenet er, og hvilke områder, som bliver påvirket, men ekstra mange drops vil forekomme som følge af den øgede udbredelse, med frekvens forstyrrelser til følge. Dette vil da påvirke GSM en del, da mobil terminalerne, da vil have svært ved at afkode BSIC signaleringen fra basisstationerne.

Referenser:An artificial neural network predictor for tropospheric surface ductphenomenaS. A. Isaakidis1, I. N. Dimou2, T. D. Xenos1, and N. A. Dris31Aristotle University of Thessaloniki, Department of Electrical and Computer Engineering, 54006 Thessaloniki, Greece2Technical University of Crete, Department of Electronics and Computer Engineering, 73100 Chania, Greece3Hellenic National Meteorological Service (HNMS), 16777 Helliniko, GreeceReceived: 25 October 2006 – Revised: 23 August 2007 – Accepted: 23 August 2007 – Published: 3 September 2007

Andre referencer:Babin, S. M., Young, G. S., and Carton, J. E.: A New Model of theOceanic Evaporation Duct. J. of Applied Meteorology, American

Hobro by

Målinger af 3G site

UFN615 placeret i Odense

Side6 af 12

Meteorological Society, 36, 193–204, 1997.Burges, C. J. C.: A Tutorial on Support VectorMachines for PatternRecognition., Data Min. Knowl. Disc., 2, 121–167, 1998.Nello Cristianini, N. and Shawe-Taylor, J.: An Introduction to SupportVector Machines and other kernel-based learning methods,Cambridge University Press, 211–231, 2000.Fawcett, T.: ROC Graphs: Notes and Practical Considerations forResearchers. Technical Report, HP Laboratories, 16 March 2004.IEEE Std 211: IEEE Standard Definitions of Terms for RadioWavePropagation, 29, 1997.Isaakidis S. A., Xenos T. D., and Dris N. A.: Tropospheric DuctingPhenomena over the Hellenic Region, Int. J. Commun. Syst.,Wiley, 17, 337–346, 2004.Isaakidis, S. A. and Xenos, T. D.: “10 Years Analysis of RefractivityVariations”, Ann. Geophys.-Italy (Annali di Geofisica), 47, 2004.ITU-R: The radio refractive index: its formula and refractivity data,Recommendation, P.453-9, 2003.Lear, M. W: Computing Atmospheric Scale Height for RefractionCorrections, NASA Mission Planning and Analysis Division,Lyndon B. Johnson Space Centre, 1980.Musson-Genon, L., Gauthier, S., and Bruth, E.: A Simple Methodto Determine Evaporation Duct Height in the Sea Surface boundarylayer, Radio Science, 27, 635–644, 1992.Patterson,W. L., Hattan C. P., Lindem, G. E., Paulus, R. A., Hitney,H. V., Anderson, K. D., and Barrios, A. E.: Engineer’s RefractiveEffects Prediction Systems (EREPS) Version 3.0. NRaD TechnicalDocument 2648, 8–9, May 1994.Paulus, R. A.: Practical Application of an Evaporation Duct Model,Radio Science, 20, 887–896, 1985.Suykens, J. A. K. and Vandewalle, J.: Least squares support vectormachine classifiers, Neural Process Lett., 9, 293–300, 1999.Vapnik, V.: The Nature of Statistical Learning Theory, Springer-Verlag, ISBN 0-387-98780-0, 9–14, 1999.

Side7 af 12

2: Årstiderne, og løvbærende træer og buskes indflydelse på radio bølgernes udbredelse over Jordfladen.

1. Radiobølgers udbredelse og tabs karakteristika:

Free Space Loss:Tabet fremkommer på grund af radio bølgernes passage gennem luften med en klar Fresnel zone (Åbnings vinkel fra antennen, uden forhindringer, i form af bygninger, vegetation og lignende). Generelt kan det siges, at et GSM 900 MHz signal har et langt mindre tab gennem luften, end højere frekvenser på 1800, 2100 MHz og derover.

Eksempel 5 km: 900 MHz, 2,4 GHz 5.8GHz 105,2 dB 113,7 dB 121,3 dB

Vegetations Tab:Tabet fremkommer på grund af den radio bølge energi, der absorberes af vandindholdet i vegetationen. ( Træer og blade, buske m.m. varierende vinter, forår, sommer og efterår). Dette tab vil variere for hver årstid, men det typiske træet tab der forventes på forskellige frekvenser er blevet anslået af den International Telecommunication Union (ITU).

Eksempel 45m dybde med træer: 900 MHz, 2,4 GHz 5.8GHz 9 dB 25 dB 60 dB Se tillige i tabellerne herunder, som er målinger der er fortaget i kontrollerede felt forsøg, i USA, England m.m.

Side8 af 12

Side9 af 12

Bygnings mure / væge og vinduesglas Tab:Tabet forekommer på grund af den radio bølge energi, der bliver absorberet, mens der passerer gennem vægge og vinduer i en bygning. Størrelsen af absorption varierer afhængigt af byggematerialer, glastyper og tykkelse af materialet. Generelt bliver mere energi absorberet jo højere frekvenserne er.

Side10 af 12

Gevinsterne fra Refleksion:I den virkelige verden, følger radio bølge energien ikke bare en sti fra senderen til modtageren.I et rodet NLOS,(No Line Of Sight) miljø, (for eksempel masser af bygninger, der omgiver den modtagende mobilradio), modtages signalet som en sum af mange signaler, der har reflekteret på de omkringliggende bygninger, jord, træer osv. Med højere frekvenser, 1800 , 2100 MHz vil mere af signalet bliver absorberet under en refleksion. Ved lavere frekvens, som GSM 900 MHz , vil mere energi i sidste ende nå ud til den modtagende antenne.

Gevinsterne fra diffraktion:Diffraktion, ( Lyset og elektroners, herunder radio bølgers bøjning) er, hvad der sker, når et radiosignal "hjørner" omkring en forhindring, som f.eks., en bakke, en bygning eller et træ.For eksempel hvis en GSM 900 base stations antennen er placeret ud for eller bagved træer, kan en diffraktiv sti findes rundt om eller over træerne, der kan giver en rimelig stærkere radio link. Denne fordel er ikke tilgængelig i samme omfang ved højere frekvenser, som 1800 og 2100 MHz.

Konklusion:Vegetationens indflydelse varierer med årstiderne, hvor den mindste tabs faktor i i vinter halvåret, hvor der ingen blade er, samt at vandindholdet, er lavt.Dette stiger med foråret, hvor løvet på træer og buske skyder frem i midten af Maj måned, dette øges op mod sommeren, hvor efter der er en aftagende tab effekt i efteråret.Dette betyder, at minuts pr drop, øges, hvor meget, kan kun anslås, ud fra den givne ændring i dækningsgraden fra basis stationerne, alt efter om der er meget elle lidt vegetation, samt i hvilke område af landet.

Referencer:

1. Brug den fælles formel: Free Space Loss = 20Log10 (Frekvens i MHz) + 20Log10 (Afstand i km) + 32,4

2. Se ITU Anbefaling: ITU-R P.833-3 "dæmpning i vegetation" 2001 http://www.itu.int/rec/recommendation.asp?type=items&lang=e&parent=R-REC-P.833-3-200102-I

3.ESD-TR-81-101DEPARTMENT OF DEFENSEElectromagnetic Compatibility Analysis CenterAnnapolis, Maryland 21402AN INITIAL CRITICAL SUMMARY OF MODELSFOR PREDICTING THE ATTENUATION OFRADIO WAVES BY TREES /PREPARED FOR 'DEPARTMENT OF DEFENSEELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY ANALYSIS CENTER

Side11 af 12

ANNAPOLIS, MARYLAND 21402

4.

Side12 af 12