Δρ. Στυλιανός Τσίτσος (Επίκουρος Καθηγητής) ΑΣΥΡΜΑΤΗ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ "ΨΗΦΙΑΚΟΥ ΣΧΟΛΕΙΟΥ" ΜΕ ΔΙΚΤΥΟ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΩΝ ΠΑΡΟΧΩΝ - ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΖΕΥΞΕΩΝ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΕΠΙΠΕΔΩΝ ΠΑΘΗΤΙΚΩΝ ΚΑΤΟΠΤΡΩΝ Δρ. Στυλιανός Τσίτσος (Επίκουρος Καθηγητής)

Πλεονεκτήματα ασύρματης σύνδεσης Ολοένα και περισσότερες ευρυζωνικές υπηρεσίες (διαδίκτυο, υπηρεσίες πολυμέσων, κινητή τηλεφωνία, ηλεκτρονικό ταχυδρομείο, τραπεζικές συναλλαγές κλπ.) διεκπεραιώνονται σήμερα από ασύρματα δίκτυα. Πλεονεκτήματα ασυρμάτων δικτύων: → Μειωμένο κόστος. → Ευκολία εγκατάστασης. → Ταχύτητα εγκατάστασης. → Άμεση αξιοποίηση του δικτύου. Η ασύρματη διασύνδεση είναι ιδιαίτερα σημαντική για σχολεία απομακρυσμένων, ορεινών και νησιωτικών περιοχών, όπου το κόστος εγκατάστασης καλωδίων οπτικών ινών είναι απαγορευτικό.

Σύστημα Ασύρματης Επικοινωνίας

Μικροκύματα Αρχικά χρησιμοποιηθήκαν στην ανάπτυξη του ραντάρ. Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα μικροκυμάτων: 1 GHz – 30 GHz (αντίστοιχα μήκη κύματος 30 cm – 1 cm). Διαδίδονται μέσα από την ατμόσφαιρα με μικρές απώλειες. Μπορούν να συγκεντρώνουν μεγάλη ποσότητα πληροφορίας στο εύρος ζώνης τους. Περιορίζονται στην απόσταση εκπομπής που έχουν οπτική επαφή.

Συνθήκη οπτικής επαφής – Ελλειψοειδές του Fresnel Η οπτική επαφή είναι εξασφαλισμένη μόνον όταν το μέγιστο μέρος της μεταδιδόμενης ενέργειας φτάνει στον δέκτη. Ελλειψοειδές του Fresnel: o γεωμετρικός τόπος των σημείων P για τα οποία ισχύει PA+PB=d1+d2+λ/2. Το ελλειψοειδές του Fresnel πρέπει να είναι ελεύθερο από εμπόδια.

Παθητικά Κάτοπτρα (passive reflectors) Όταν παρεμβάλλονται μεγάλα φυσικά εμπόδια, η οπτική επαφή δεν είναι εφικτή με την απλή ανύψωση των κεραιών. Συνεπώς: χρήση παθητικών κατόπτρων (ανακλαστήρων). Παθητικό κάτοπτρο: επίπεδη ανακλαστική επιφάνεια που χρησιμοποιείται για την αλλαγή της κατεύθυνσης μιας ηλεκτρομαγνητικής δέσμης χωρίς εισαγωγή επιπρόσθετης ισχύος.

Κέρδος παθητικού κατόπτρου Επιφάνεια προβολής κατόπτρου: α2 = Α2 sin (θ/2) Α2 : φυσική επιφάνεια κατόπτρου θ : γωνία πρόσπτωσης ηλεκτρομαγνητικής δέσμης Κέρδος παθητικού κατόπτρου: Gp= (% απόδοση συστήματος) (4πα2 /λ2)2 λ: μήκος κύματος ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας

Κέρδος παραβολικής κεραίας Κέρδος παραβολικών κεραιών πομπού και δέκτη: G(dB) = 20log(f) + 20log(D) – 52.6 Απώλεια ελευθέρου χώρου: Ls(dB) = 36.6 + 20log(f) + 20log(d) f: συχνότητα λειτουργίας του συστήματος D: διάμετρος κεραίας d: απόσταση πομπού - δέκτη

Απώλειες ασύρματης ζεύξης με διπλό παθητικό κάτοπτρο Σε αρκετές περιπτώσεις ασυρμάτων ζεύξεων με πολλαπλά εμπόδια, απαιτείται η χρήση διπλού παθητικού κατόπτρου, για την εξασφάλιση οπτικής επαφής. Απώλεια μετάδοσης συστήματος διπλού παθητικού κατόπτρου: L(dB) = LS1 + LS3 – an – Gt – Gr – GP1 LS1: απώλεια μετάδοσης μεταξύ πομπού – 1ου παθ. κατόπτρου σε dB LS3: απώλεια μετάδοσης μεταξύ 2ου παθητικού κατόπτρου – δέκτη σε dB an: συνολικό κέρδος ή απώλεια σύζευξης μεταξύ των παθητικών κατόπτρων σε dB Gt: κέρδος κεραίας πομπού σε dB, Gr: κέρδος κεραίας δέκτη σε dB GP1: κέρδος πρώτου παθητικού κατόπτρου σε dB

Διάγραμμα εύρεσης της τιμής του συνολικού κέρδους-απώλειας σύζευξης μεταξύ των παθητικών κατόπτρων b/a : τετραγωνική ρίζα των επιφανειών προβολής του 2ου προς το πρώτο παθητικό κάτοπτρο

Ισχύς εκπομπής και λήψης Στάθμη λαμβανόμενου σήματος στην είσοδο του δέκτη: WR (dBm) = WT (dBm) – L (dB) WT (dBm) : ισχύς εκπομπής σε dBm L (dB) : συνολική απώλεια μετάδοσης του συστήματος Ισχύει: dBm=10log(WT/1mW)

Απώλεια λόγω «ατμοσφαιρικών κατακρημνίσεων» Απώλεια λόγω «ατμοσφαιρικών κατακρημνίσεων» Συχνότητες > 10 GHz → αυξημένες απώλειες μετάδοσης λόγω «ατμοσφαιρικών kατα-κρημνίσεων» (βροχή, χιόνι, χαλάζι). Αποτέλεσμα: μείωση της ποιότητας της ζεύξης. Ένταση βροχόπτωσης R: καθορίζει το ύψος του νερού που φτάνει στη γη ανά μονάδα χρόνου.

Κατανομή υπέρβασης του R για διάφορα ποσοστά του χρόνου σε καθεμία από τις κλιματικές ζώνες Ο Διεθνής Οργανισμός Τηλεπικοινωνιών C.C.I.R προτείνει τη χρήση 15 κλιματικών ζωνών (A-Q) που αναφέρονται στα χαρακτηριστικά βροχόπτωσης των διαφόρων περιοχών της γήινης επιφάνειας: Μεσογειακές περιοχές: ζώνες K-L Βόρεια Ευρώπη: ζώνες H-F Ιαπωνία: ζώνη M Τροπικές περιοχές της Κεντρικής Αφρικής και Νότιας Αμερικής: ζώνες P-Q

Υπολογισμός της στάθμης απόσβεσης λόγω βροχόπτωσης Βήματα που ακολουθούνται για τον υπολογισμό της στάθμης απόσβεσης λόγω βροχής: Κριτήριο αξιόπιστης λειτουργίας. Υπολογισμός των συντελεστών ah, av (dB/km) και bh, bv (καθαροί αριθμοί). Υπολογισμός ειδικής απόσβεσης Αο σε dB/km. Υπολογισμός του παράγοντα μείωσης r (καθαρός αριθμός). Υπολογισμός της στάθμης απόσβεσης λόγω βροχής Αβ σε dB.

I. Κριτήριο αξιόπιστης λειτουργίας Κριτήριο αξιόπιστης λειτουργίας: η στάθμη του σήματος λήψεως WR επιτρέπεται να είναι μικρότερη από μία τιμή ισχύος (π.χ. 0.001 mW) μόνο για συγκεκριμένο ποσοστό του χρόνου λειτουργίας (π.χ. 0.01%): WR(dBm) = W R (ελευθ. Χώρου)(dBm) – Aβ(dB) → Aβ(dB) ≤ W R(dBm) - 10log(0.001) Αβ: στάθμη απόσβεσης λόγω βροχής. WR: ισχύς λαμβανομένου σήματος στο δέκτη σε dBm. WR(ελευθ. Χώρου) : ισχύς σήματος λήψεως υπό συνθήκες ελευθέρου χώρου.

II. Υπολογισμός των συντελεστών ah, av & bh, bv

ΙΙΙ. Υπολογισμός της ειδικής απόσβεσης Ειδική απόσβεση λόγω βροχόπτωσης: Aο = a Rb Αο : σε dB/km R: ένταση βροχόπτωσης σε mm/hr a = [ (ah + av ) + (ah – av ) cos2 Φ cos(2τ)] / 2 b = [(ah bh + av bv + (ah bh - av bv) cos2 Φ cos(2τ)] / 2a φ: η γωνία με τον ορίζοντα τ: 0ο για οριζόντια πόλωση, 45ο για κυκλική πόλωση, 90ο για κατακόρυφη πόλωση

IV. Υπολογισμός του παράγοντα μείωσης Παράγοντας μείωσης (καθαρός αριθμός): r = 1 / [1+(d / do)] d: συνολική απόσταση από την κεραία εκπομπής ως την κεραία λήψης (στο d δεν συμπεριλαμβάνεται η απόσταση μεταξύ των δύο παθητικών κατόπτρων) do=35e-0.015R R: ένταση της βροχόπτωσης σε mm/hr

V. Υπολογισμός της στάθμης απόσβεσης λόγω βροχόπτωσης Στάθμη απόσβεσης (σε dB) λόγω βροχής: Aβ = Αο d r Ao: ειδική απόσβεση σε dB/km d: συνολική απόσταση ραδιοζεύξης σε km r: παράγοντας μείωσης (καθαρός αριθμός)

Φόρμα εφαρμογής (MatLab)

Παράδειγμα εφαρμογής ασύρματης ζεύξης Επιφάνεια πρώτου παθητικού κατόπτρου → 67m2 Επιφάνεια δεύτερου παθητικού κατόπτρου → 67m2 Γωνία πρόσπτωσης πρώτου παθ. κατόπτρου → 40o Γωνία πρόσπτωσης δεύτερου παθ. κατόπτρου → 40o Συχνότητες λειτουργίας → 7500 MHz & 15000 MHz Απόδοση παθ. κατόπτρων → 85% Απόσταση πομπού – 1ου παθ. κατόπτρου → 20 km Απόσταση 2ου παθ. κατόπτρου – δέκτη → 10 km Απόσταση μεταξύ των κατόπτρων → 300 m Διάμετρος κεραίας εκπομπής → 3.80 m Διάμετρος κεραίας λήψης → 3.80 m Ισχύς εκπομπής → 25 dBm

Μελέτη ζεύξης μεταβάλλοντας την γωνία του πρώτου παθητικού κατόπτρου Εύρος τιμών: 10ο – 100ο, βήμα: 5ο, συχνότητα: 7500 MHz

Μελέτη ζεύξης σε συνθήκες βροχής μεταβάλλοντας την γωνία του πρώτου παθητικού κατόπτρου Εύρος τιμών: 10ο–100ο, βήμα: 5ο, συχνότητα: 15000 MHz Ελάχιστη στάθμη σήματος λήψεως: 0.001mW Ποσοστό του χρόνου λειτουργίας, για το οποίο η στάθμη λήψης μπορεί να είναι κάτω από την ελάχιστη στάθμη: 0.01% Κλιματική ζώνη: Κ (ρυθμός βροχόπτωσης: 42 mm/h)

Μελέτη ζεύξης μεταβάλλοντας την γωνία του δεύτερου παθητικού κατόπτρου Εύρος τιμών: 10ο – 100ο, βήμα: 5ο, συχνότητα: 7500 MHz

Μελέτη ζεύξης σε συνθήκες βροχής μεταβάλλοντας την γωνία του δεύτερου παθητικού κατόπτρου Συνθήκες βροχής εύρος τιμών 10ο – 100ο, βήμα 5ο, συχνότητα 15000 MHz

Μελέτη ζεύξης μεταβάλλοντας την απόσταση μεταξύ των κατόπτρων Εύρος τιμών: 100 m – 3200 m, βήμα: 100 m, συχνότητα: 7500 MHz

Μελέτη ζεύξης σε συνθήκες βροχής, μεταβάλλοντας απόσταση μεταξύ των κατόπτρων Συνθήκες βροχής Εύρος τιμών: 100 m – 3200 m, βήμα: 100m, συχνότητα: 15000 MHz

Συμπεράσματα Η χρήση παθητικών κατόπτρων επιτρέπει την εύκολη ασύρματη διασύνδεση απομακρυσμένων «ψηφιακών σχολείων» Αύξηση γωνίας πρόσπτωσης 1ου ή 2ου παθ. κατόπτρου : → αύξηση απωλειών μετάδοσης του συστήματος → μείωση της ισχύος λήψης στον δέκτη Αύξηση απόστασης μεταξύ των παθητικών κατόπτρων : Αύξηση συχνότητας σε συνθήκες χωρίς βροχή : → μείωση απωλειών μετάδοσης του συστήματος → αύξηση της λαμβανομένης ισχύος. Αύξηση συχνότητας σε συνθήκες βροχόπτωσης : → εξασθένιση λαμβανόμενου σήματος. Αύξηση ισχύος εκπομπής: → αύξηση της λαμβανόμενης ισχύος στον δέκτη → δεν επηρεάζονται οι απώλειες μετάδοσης Αύξηση διαμέτρων κεραιών εκπομπής και λήψης και/ή των επιφανειών των παθητικών κατόπτρων: → μείωση της απώλειας μετάδοσης → αύξηση της ισχύος λήψης στον δέκτη

Η περιοχή μεταξύ των παθητικών κατόπτρων είναι ιδιαίτερα σημαντική, καθώς σε κάποιες περιπτώσεις μπορεί να προκύψει κέρδος αντί για απώλεια ισχύος. Αυτό εξαρτάται από τις διαστάσεις των κατόπτρων και την μεταξύ τους απόσταση. Σε συνθήκες βροχής σημαντική επίδραση έχει η τιμή της έντασης βροχόπτωσης R η οποία εξαρτάται από: → την κλιματική ζώνη → το ποσοστό του χρόνου λειτουργίας για το οποίο η στάθμη λήψης μπορεί να είναι κάτω από το επιτρεπόμενο όριο. Η χρήση κατακόρυφης πόλωσης είναι προτιμότερη σε συνθήκες βροχόπτωσης λόγω των χαμηλότερων απωλειών μετάδοσης.

Σας ευχαριστώ για την προσοχή σας