ΚΙΝΗΤΕΣ & ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΕΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ 2 Ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΕΙ ΙΟΝΙΩΝ ΝΗΣΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ & ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ 1

ΓΕΝΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΓΙΑ ΤΗ ΔΙΑΔΟΣΗ Βασικές απαιτήσεις για αξιόπιστη επικοινωνία κατανομή της μέσης ηλεκτρομαγνητικής ισχύος σε συγκεκριμένη περιοχή επαρκής ισχύς, όχι παρεμβολές στατιστική συμπεριφορά της ισχύος λόγω της κίνησης του τερματικού ποιότητα σήματος, ώστε να μην εμφανίζονται σφάλματα επαρκής γνώση για τη συμπεριφορά του διαύλου (διαμόρφωση, κωδικοποίηση, εξισορρόπηση ) 2

ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΔΙΑΔΟΣΗΣ Μηχανισμοί που διέπουν τη διάδοση: ανάκλαση (reflection): διαστάσεις εμποδίων >>λ περίθλαση (diffraction): παρεμβολή αδιαπέραστου σώματος στη διαδρομή Αρχή του Huygen: Όταν ένα ραδιοκύμα προσπίπτει πάνω σε ένα εμπόδιο ή ασυνέχεια, τότε παράγονται δευτερογενή κύματα από το εμπόδιο τα οποία φτάνουν στον δέκτη χωρίς να υπάρχει οπτική επαφή μεταξύ πομπού και δέκτη. σκέδαση (scattering): διαστάσεις εμποδίων  λ 3

ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΔΙΑΔΟΣΗΣ 4

Καθώς το τερματικό κινείται οι μηχανισμοί διάδοσης επηρεάζουν κάθε στιγμή το λαμβανόμενο σήμα. 5

Η διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων σε περιβάλλοντα κινητών επικοινωνιών χαρακτηρίζεται από τρία επιμέρους φαινόμενα: απώλειες διαδρομής (path loss) σκίαση (shadowing) διαλείψεις πολλαπλών διαδρομών (multipath fading) Διαλείψεις περιβάλλουσας Εξάπλωση Doppler Εξάπλωση χρονοκαθυστέρησης 6

Δ ΙΑΔΟΣΗ ΣΕ ΕΛΕΥΘΕΡΟ ΧΩΡΟ Αν η κεραία 1 ήταν ισοτροπική με συνολική ισχύ εκπομπής P t, θα είχαμε για την εκπεμπόμενη πυκνότητα ισχύος: Επειδή η κεραία εκπομπής είναι κατευθυντική ( D t ), η πυκνότητα ισχύος είναι: Η ισχύς που λαμβάνεται από την κεραία 2 με ενεργό επιφάνεια Α r είναι: 7

Τ ΥΠΟΣ ΤΟΥ FRIIS Η ισχύς που λαμβάνει μία κεραία λήψης είναι: Στην περίπτωση μέγιστης εκπομπής-λήψης: Εξασθένηση ελεύθερου χώρου: Η εξίσωση του Friis δείχνει ότι η ισχύς λήψης μειώνεται με το τετράγωνο της απόστασης και της συχνότητας. 8

Α ΠΩΛΕΙΕΣ ΔΙΑΔΡΟΜΗΣ ΣΤΟΝ ΕΛΕΥΘΕΡΟ ΧΩΡΟ Εκφράζεται ο λόγος της ισχύος που ακτινοβολείται από την κεραία του πομπού προς την ισχύ που λαμβάνεται από την κεραία του δέκτη. Σύστημα στον ελεύθερο χώρο και ισοτροπικές κεραίες (Gt= Gr = 1) Απώλειες διάδοσης Απώλειες διάδοσης σε dB 9

Α ΠΩΛΕΙΕΣ ΔΙΑΔΡΟΜΗΣ ΣΤΟΝ ΕΛΕΥΘΕΡΟ ΧΩΡΟ Η διαφορά Δp σε dB των ισχύων δύο σημάτων που λαμβάνονται από δύο διαφορετικές κεραίες σε αποστάσεις d 1 και d 2 από τον πομπό: 10

Α ΣΚΗΣΗ 2 Πομπός παράγει σήμα ισχύος 40 W. Εκφράστε την εκπεμπόμενη ισχύ σε dBW και dBm. Αν το κέρδος της κεραίας του πομπού είναι ίσο με τη μονάδα και η συχνότητα του φέροντος είναι 1.8 GHz, βρείτε τη λαμβανόμενη ισχύ σε απόσταση d=300 m από τον πομπό, αν η διάδοση γίνεται στον ελεύθερο χώρο. Ποια είναι η λαμβανόμενη ισχύς σε απόσταση d=8 km από τον πομπό; Θεωρείστε μοναδιαίο κέρδος και για την κεραία του δέκτη. 11

Δ ΙΑΔΟΣΗ ΠΑΝΩ ΑΠΟ ΕΠΙΠΕΔΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ Απόσταση μέγιστης εξασθένησης: Απόσταση ελάχιστης Εξασθένησης: Λαμβανόμενη ισχύς: 12

Α ΣΚΗΣΗ 3 Να βρεθεί η λαμβανόμενη ισχύς σε dB, για αστικό περιβάλλον σε πομπό με ύψος 2m ο οποίος βρίσκεται σε απόσταση 5km από σταθμό βάσης με ύψος 50m, ο οποίος εκπέμπει ισχύ 30 W. Θεωρούμε ότι οι κεραίες και του πομπού και του δέκτη είναι ισοτροπικές. Η συχνότητα του φέροντος είναι fc=900 MHz. Επίσης να βρεθούν οι αποστάσεις μέγιστης και ελάχιστης εξασθένησης. 13

Α ΠΩΛΕΙΕΣ ΔΙΑΔΟΣΗΣ ΣΕ ΜΗ ΟΠΤΙΚΗ ΕΠΑΦΗ Η μέση τιμή των απωλειών διαδρομής αυξάνει εκθετικά με την απόσταση, με εκθέτη n. Η τιμή του n εξαρτάται από το εκάστοτε περιβάλλον 14

Α ΠΩΛΕΙΕΣ ΔΙΑΔΟΣΗΣ ΣΕ ΜΗ ΟΠΤΙΚΗ ΕΠΑΦΗ Βάσει εμπειρικών μοντέλων: d = Απόσταση μεταξύ κεραιών εκπομπής και λήψης d 0 = Απόσταση αναφοράς (1 km ή 1-3 m) L f = Απώλειες διαδρομής σε απόσταση d 0 και διάδοση LOS, Lf=(λ/4πd) 2 L = Απώλειες διαδρομής για διάδοση LOS και NLOS Απόλυτη μέση τιμή απωλειών διαδρομής 15

Α ΣΚΗΣΗ 4 Κινητό τερματικό βρίσκεται σε απόσταση 1500m από σταθμό βάσης και εκπέμπει 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 απομακρύνεται από το BS. Ο εκθέτης απωλειών διαδρομής είναι n=4. Ποια θα είναι η μέση ισχύς σήματος ένα λεπτό αργότερα; 16

Μ ΕΓΙΣΤΗ ΑΠΟΣΤΑΣΗ ΡΑΔΙΟΚΑΛΥΨΗΣ Για συνθήκες LOS: Για γενικότερες συνθήκες NLOS: 17

Δ ΙΑΔΟΣΗ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΔΙΑΔΡΟΜΩΝ Το κινητό τερματικό γενικά λαμβάνει ένα άμεσο και πολλά ανακλώμενα κύματα Στατιστικό μοντέλο Rice Το άμεσο κύμα παρουσιάζεται σχετικά πιο ισχυρό Kατανομή Rayleigh Ο αριθμός των επιπέδων κυμάτων που καταφθάνουν από διάφορες κατευθύνσεις είναι αρκούντως μεγάλος και δεν υπάρχει ισχυρή συνιστώσα από διάδοση οπτικής επαφής 18

Δ ΙΑΛΕΙΨΕΙΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΥΣΑΣ Κίνηση τερματικού στο χώρο και κίνηση γειτονικών αντικειμένων, προκαλούν μεγάλες μεταβολές στις φάσεις των επιπέδων κυμάτων που φτάνουν στον δέκτη. Αυτές οι μεταβολές δρουν είτε θετικά είτε αρνητικά όταν προσθέτουμε τα κύματα που φτάνουν στην κεραία του δέκτη, κάτι το οποίο προκαλεί μεταβολές στο πλάτος και τη φάση του λαμβανόμενου σήματος. Καθώς το τερματικό μετακινείται, οι μεταβολές της περιβάλλουσας και της φάσης του ληφθέντος σήματος στο χώρο, εμφανίζονται ως χρονικές. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται διαλείψεις περιβάλλουσας. 19

Ο ΛΙΣΘΗΣΗ DOPPLER Αν το κινητό κινείται προς την κατεύθυνση άφιξης του σήματος η ολίσθηση είναι θετική (φαινομενική συχνότητα αυξάνει), ενώ αν απομακρύνεται είναι αρνητική (φαινομενική συχνότητα μειώνει). 20

Α ΣΚΗΣΗ 5 Σταθμός βάσης κινητών επικοινωνιών εκπέμπει ημιτονικό φέρον f c =1800MHz. Να υπολογιστεί η συχνότητα που λαμβάνεται από κινητό τερματικό το οποίο κινείται με ταχύτητα 100km/h αν α)κατευθύνεται προς το σταθμό βάσης, β)απομακρύνεται, γ)κινείται σε κατεύθυνση κάθετη προς την κατεύθυνση άφιξης του μεταδιδόμενου σήματος. 21

Ε ΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΛΟΓΩ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΔΙΑΔΡΟΜΩΝ Τα τρία κυριότερα φαινόμενα που προέρχονται από τις πολλαπλές διαδρομές: Απότομες αλλαγές στη στάθμη του σήματος, όταν διανύονται μικρές αποστάσεις ή μεσολαβούν μικρά χρονικά διαστήματα Τυχαία διαμόρφωση συχνότητας Εξάπλωση χρονοκαθυστέρησης (φαινόμενα ηχούς) 22

Π ΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΤΩΝ ΔΙΑΥΛΩΝ ΜΕ ΠΟΛΛΑΠΛΕΣ ΔΙΑΔΡΟΜΕΣ Έχουν αναπτυχθεί πολλές μέθοδοι για την πραγματοποίηση μετρήσεων με σκοπό τη μελέτη της συμπεριφοράς των ραδιοδιαύλων. Οι μετρήσεις πραγματοποιούνται είτε στο πεδίο του χρόνου με άμεση αποστολή παλμών RF, είτε στο πεδίο συχνότητας με σάρωση κατάλληλης περιοχής συχνοτήτων. Από τις μετρήσεις υπολογίζονται παράμετροι που χαρακτηρίζουν τη συμπεριφορά των ραδιοδιαύλων, τόσο στο πεδίο του χρόνου όσο και της συχνότητας. 23

Π ΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΧΡΟΝΙΚΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ Ο αναμενόμενος βαθμός διασποράς καθυστέρησης καθορίζεται μέσω της μέτρησης του προφίλ καθυστέρησης ισχύος (power delay profile) του διαύλου 24

Π ΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΧΡΟΝΙΚΗΣ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ Καθυστέρηση πρώτης άφιξης (τ Α ): Καθυστέρηση πρώτης ή ελάχιστης διαδρομής από τον πομπό στον δέκτη. Χρησιμεύει ως αναφορά. Μέση επιπρόσθετη καθυστέρηση (τ e ): μέση καθυστέρηση που μετριέται σε σχέση με την καθυστέρηση πρώτης άφιξης. Rms εξάπλωση καθυστέρησης (τ d ): μέτρο της εξάπλωσης καθυστέρησης. Μέγιστη επιπρόσθετη καθυστέρηση (τ Μ ): μετριέται με αναφορά κάποια συγκεκριμένη στάθμη ισχύος 25

Π ΡΟΦΙΛ ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗΣ ΙΣΧΥΟΣ 26

Ε ΥΡΟΣ ΖΩΝΗΣ ΣΥΝΟΧΗΣ Το εύρος ζώνης μέσα στο οποίο οι φασματικές συνιστώσες των σημάτων επηρεάζονται κατά παρόμοιο τρόπο, ονομάζεται εύρος ζώνης συνοχής (coherence bandwidth, Bc). Αν θεωρήσω ότι το Bc ορίζεται ως εύρος ζώνης δύο συχνοτήτων f1 και f2, αν η συνάρτηση συσχέτισης είναι: Συσχέτιση >0.9 τότε Συσχέτιση >0.5 τότε 27

Α ΣΚΗΣΗ 6 Το προφίλ πολλαπλών διαδρομών ενός διαύλου αποτελείται από τέσσερις συνιστώσες με στάθμες –20, -6, -10 και 2 dB και καθυστερήσεις 0, 1, 3 και 5 μs αντίστοιχα. Να βρεθούν: Μέση επιπρόσθετη καθυστέρηση τ e, RMS εξάπλωση καθυστέρησης τ d, Υπολογισμός του B c (για συσχέτιση 0.5 στο πεδίο της συχνότητας) 28

Ε ΞΑΠΛΩΣΗ DOPPLER ΚΑΙ ΧΡΟΝΟΣ ΣΥΝΟΧΗΣ Η εξάπλωση Doppler και ο χρόνος συνοχής περιγράφουν τον τρόπο που μεταβάλλεται ο δίαυλος στον χρόνο. Η εξάπλωση Doppler B D δείχνει πόσο διευρύνεται το φάσμα, και η διεύρυνση αυτή που προκαλείται από τον ρυθμό χρονικής μεταβολής του ραδιοδιαύλου. Αν το εύρος ζώνης του σήματος είναι πολύ μεγαλύτερο από το B D οι επιδράσεις της εξάπλωσης Doppler στον δέκτη είναι αμελητέες. Ο χρόνος συνοχής (coherence time) C T είναι η αντίστοιχη προς την εξάπλωση Doppler έννοια στο πεδίο του χρόνου. 29

Ε ΞΑΠΛΩΣΗ DOPPLER ΚΑΙ ΧΡΟΝΟΣ ΣΥΝΟΧΗΣ Είναι το χρονικό διάστημα στο οποίο δύο λαμβανόμενα σήματα έχουν μεγάλη πιθανότητα να εμφανίζουν συσχέτιση πλάτους. Συσχέτιση >0.5 Πρακτικός τύπος 30

Α ΣΚΗΣΗ 7 Πρόκειται να πραγματοποιηθούν μετρήσεις διάδοσης σε περιβάλλον διαλείψεων, όπου υποτίθεται ότι οι διαδοχικές μετρήσεις παρουσιάζουν υψηλή συσχέτιση ως προς τον χρόνο. Ποια είναι η κατάλληλη απόσταση μεταξύ των διαδοχικών σημείων μέτρησης; Πόσες μετρήσεις ανά μέτρο θα απαιτηθούν αν η συχνότητα του φέροντος είναι f c = 1800 MHz και η ταχύτητα του κινητού τερματικού είναι v = 40 m/s; Ποια είναι η εξάπλωση Doppler B D για τον δίαυλο; 31

Α ΡΧΗ ΑΝΤΙΣΤΡΕΠΤΟΤΗΤΑΣ Η ένταση του σήματος που λαμβάνεται στην κεραία του σταθμού βάσης, και προέρχεται από κάποιον κινητό πομπό, είναι η ίδια με εκείνη που λαμβάνεται στην κεραία του κινητού και προέρχεται από τον σταθμό βάσης. Ισχύει σε ασύρματο περιβάλλον κινητών επικοινωνιών για συγκεκριμένες καταστάσεις. Δεν ισχύει για τους λόγους σήματος προς θόρυβο στα δύο άκρα. 32

Χ ΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΟΥ ΔΙΑΥΛΟΥ Κανονικοποιημένη χωρητικότητα χωρίς σφάλματα κατά Shannon: 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 πληροφορίας (bps) S=E b R: η ισχύς του σήματος N o : η πυκνότητα φάσματος ισχύος του θορύβου W/Hz 33

Ε ΠΙΔΡΑΣΗ ΔΕΝΔΡΩΝ ΚΑΙ ΚΤΙΡΙΩΝ ΣΤΗ ΔΙΑΔΟΣΗ Ο βαθμός αυτών των αλλοιώσεων εξαρτάται από το μέγεθος των κτιρίων και των δένδρων και μπορεί να προκαλέσει μέχρι και εκμηδένιση του σήματος. Για διάδοση μέσα από δάση με πυκνό φύλλωμα: Όπου: L οι απώλειες σε dB F η συχνότητα σε GHz df το βάθος του φυλλώματος σε μέτρα 34

Ε ΠΙΔΡΑΣΗ ΔΕΝΔΡΩΝ ΚΑΙ ΚΤΙΡΙΩΝ ΣΤΗ ΔΙΑΔΟΣΗ Υποθέτουμε την περίπτωση ενός διαδρόμου στον 1 ο όροφο ενός πολυώροφου κτιρίου γραφείων. Ο διάδρομος απέχει 15m από τον εξωτερικό τοίχο που είναι κατασκευασμένος από συμπαγές μπετό και μεταξύ τους υπάρχει εσωτερικό χώρισμα από αλουμίνιο. 35