rádiós lefedettség elméleti jellemzői és gyakorlati megvalósulása, elméleti alapok rofesszionális Mobiltávközlési Nap 010 Dr. ap László egyetemi tanár, az MT rendes tagja BME Mobil 010.04.15. 1
rádiókommunikáció alapjai rádiós átvitel minőségét az alábbi paraméterek határozzák meg: moduláció és demoduláció típusa z alkalmazott forrás- és csatornakódolás vevő bemenetére jutó hasznos teljesítmény (adóteljesítmény, antenna nyereségek, antenna magasságok, terjedési viszonyok) vevő bemenetére jutó eredő zavaró teljesítmény (termikus zaj (fehér Gauss-zaj), interferencia, egyéb elektronikus zavaró jelek) z adó és vevő közötti közegben fellépő több utas terjedés, és annak statisztikus ingadozásai (időben változó lineáris csatorna, késleltetések és Doppler- hatások) vevőkészülékben alkalmazott algoritmusok komplexitása, optimális (például minimális hibaarányú) vételi eljárások alkalmazása, vagy azok közelítése 010.04.15.
rádiós lefedettség alapjai, a vett teljesítmény becslése lefedettség meghatározási módszereinek a jellemzői: feladat igen komplex pontos terepadatok ismeretének hiánya hullámterjedési közeg pontos ismeretének hiánya vevő bemenetére jutó teljesítmény meghatározásának módszerei: Elméleti modellek Szabadtéri terjedés Kétutas elméleti modell Késél modellek z elméleti modelleken alapuló empirikus modellek kétutas modell módosított változata (Lee modell) Másodlagos hatások (domborzat, takarások, alagutak, épületek, terjedési közeg, növényzet) Csak méréseken alapuló empirikus modellek Okumura-Hata modell 010.04.15. 3
Két idealizált elméleti modell (1) szabadtéri terjedés leírása: Feltételek: dott egy adóantenna és egy vevőantenna, amiről feltételezzük, hogy minden irányban egyenletesen sugároz, illetve minden irányból egyenletesen vesz Ekkor a vevő bemenetére jutó hasznos teljesítmény a = = λ λ = d d 4π 4π 4 π 010.04.15. 4 kifejezéssel határozható meg, ahol az antenna hatásos felülete, d az antennák távolsága, λ a kisugárzott rádiós jel hullámhossza. Ebből világosan látszik, hogy a vett teljesítmény a távolság négyzetével fordítottan és a hullámhossz négyzetével egyenesen arányos mennyiben az antennáknak nyeresége is van, azaz nem izotróp sugárzók, akkor a vett teljesítmény értéke = G G λ 4 π d
Két idealizált elméleti modell () kétutas terjedési modell (terjedés sík területen, ahol a jel a talajról visszaverődik) Feltételek: dott a következő elrendezés: h 1 Reflektált hullám Direkt hullám d 0 d 1 ϕ d d d d = + - 1 0 d ϕ h l 1 jel az adótól a vevőig két úton terjed: a direkt jelúton és a földfelszínről visszaverődve. z antennák magassága h1 és h, az antennák távolsága l1+l=d l 010.04.15. 5
Két idealizált elméleti modell () kétutas terjedési modell (terjedés sík területen, ahol a jel a talajról visszaverődik) Ha a távolság az antennák magasságánál jóval nagyobb, akkor a vett jel teljesítményét közelítőleg a G G h h d 1 kifejezéssel határozhatjuk meg, amiből világos, hogy ilyen feltételek esetén a csillapítás a távolságtól 40 db/dekád meredekséggel függ, azaz a távolság negyedik hatványával fordítottan arányos a bázisállomás és a mobil állomás antennájának magasságától 0 db/dekád meredekséggel függ, azaz azok négyzetével egyenesen arányos és az üzemi frekvenciától független valóságos rendszerekben ezek a törvényszerűségek pontosan nem teljesülnek (erre épül a kétutas modell módosított változata, az ún. Lee modell) 010.04.15. 6
terjedési modellek általános leírási módja terjedési modellek leírása logaritmikus mértékegységekkel Feltételek: terjedési modelleket a rádiós gyakorlatban logaritmikus mértékegységekkel szokás leírni, mivel ezek két előnyös tulajdonsággal rendelkeznek z egyes szakaszok csillapítása az átvitel során szorzódik, ami a logaritmikus skálán összeadódik egymással csillapítás a paraméterek egy részének a hatványfüggvényével arányos, ami a logaritmikus skálán konstanssal való szorzásnak felel meg Ez az ideális kétutas modell esetén az alábbi módon adható meg [ ] [ ] + G dbm r dbm + 10 lg 10 lg + r Gr G 10 lg G r h + 0 lg h1 1 r + h 0 lg h r 40 lg d d r 010.04.15. 7
terjedési modellek általános leírási módja terjedési modellek leírása logaritmikus mértékegységekkel Hasonló változatok sokféle módon megadhatók [ dbm] [ dbm] G 10 lg G r h + 0 lg h1 + 10 lg 1 r r r h + 0 lg h + G 10 lg G r r + d 40 lg d r vagy L [ dbm] G G [ dbm] L [ db] [ db] h 0 lg h = 10 lg r r G + 40 lg r r d d r G r h 0 lg h1 1 r 010.04.15. 8
kétutas modell módosított változata, az ún. Lee modell (1) Lee modell négy alapvető paraméterrel korrigálja az egyszerű kétutas modellt Feltételek: Mérésekkel igazolható, hogy a terjedési csillapítás függ a frekvenciától terjedés a környezettől erősen függ, ezért tipikusan megkülönböztethetünk nyílt terepi, falusi, elővárosi, külvárosi és városi terjedést, ahol a távolságtól függés hatványkitevője és az alapcsillapítás értéke is változó Mérésekkel az is igazolható, hogy a csillapítás az kisebb (mobil) antenna magasságától nem négyzetesen, hanem ettől eltérő módon függ Ezeket a hatásokat írja le a = 0 d d r γ f f r n h h r korrekciós kifejezés, ami megmutatja, hogy a kétutas modellt az említett faktorokkal hogyan kell módosítani v 010.04.15. 9
jelerősség [dbm] kétutas modell módosított változata, az ún. Lee modell () 47.5 50 γ = 4.3 szabad terület 60 70 3.84 4.31 3.68 külváros nyílt terület Newark 80 90 3.05 hiladelphia Tokio, Japán japán külváros 100 110 = 40 dbm (10 Watt) nt. ny. G = 6 db/dipól nt. ny. G = 6 db/dipól h 1 = 100 láb (bázis állomás) h = 10 láb (mobil vevő) 0.5 1 8 10 d [mérföld] 010.04.15. 10 4 6
70 csillapítás [db] kétutas modell módosított változata, az ún. Lee modell (3) városi terület h 1 = 00 m h = 3 m 60 d [km] 50 40 30 100 80 70 60 50 40 30 0 3 db 0 5 3 1 ~1 db 3 db 10 010.04.15. 70 100 00 300 500 700 1000 000 3000 5000 11 Frekvencia f [MHz]
z Okumura-Hata modell felépítése z Okumura-Hata modell Ez a leggyakrabban használt méréseken alapuló modell, ami a L 1 d 30 [ dbm] G G [ dbm] L [ db] + B lg( d), + B lg( d) D, MHz 1000 városi [ db ] = + B lg( d ) C, külvárosi 450 f [ ] [ km] 0 h1 [ m] [ ] 10 00 1 h m összefüggésekkel jellemezhető, ahol, B, C, D a frekvencia és az antennamagasságok bonyolult függvénye 010.04.15. 1 nyilt terepi
Egyéb hatások z említett modellek mellett a hullámterjedést egyéb hatások is befolyásolják hegyek és dombok hatása (effektív antennamagasság) terjedési útba eső közegek változása terjedési útba eső akadályok hatása (diffrakció, késél modellek) növények lombkoronája (évszak, polaritás, a növények típusa) z aluljárók és alagutak hatása jelútba eső épületek hatása városi útirányok csatorna effektusa (Manhattan hatás) z épületeken belüli hullámterjedés (ablakok, az épületek anyaga) 010.04.15. 13
több utas terjedés és a jel statisztikus ingadozása (fading) többutas terjedés hatása, a jelszint statisztikus ingadozása hullámterjedési modellek csak a vett jel átlagos teljesítményét képesek becsülni, emellett a csatorna és az ellátottság minőségét nagy mértékben befolyásolja a jelek statisztikus ingadozása fading jelenség oka az, hogy a különböző utakon terjedő jelek képesek kioltani egymást, ami miatt elhalkulás (fading) jön létre fading jelenség azt eredményezi, hogy a vevőben értelmezett effektív jel-zaj viszony nem állandó, hanem előre meg nem jósolhatóan változó értékű, azaz valószínűségi változó Emellett mobil rendszerekben, ahol a rádiókészülékek tipikusan mozognak felléphet két másik jelenség is a Doppler szórás, amely hatására a vett rádiójel frekvenciája statisztikusan megváltozik, illetve az egyes jelutak késleltetésének szórása, amely statisztikusan megváltoztatja a vevőbe érkező jelek időzítését 010.04.15. 14
Rayleigh- és Rice-fading statisztikája fading modellek közül két típus terjedt el leginkább Rayleigh modell, ami azt feltételezi, hogy az adó és a vevő között nincsen rálátás (direkt jelút), azaz a jel diszperzív módon jut el a vevő bemenetére Rice modell, aminél a hasznos jel teljesítményének egy része direkt jelúton, másik része pedig diszperzív úton terjed az adótól a vevőig két rendszerben a jel-zaj viszony statisztikáját az alábbi ábrán adjuk meg γ 0 fγ( γ) 1 c =0 c =10 c =5 c = c =1 γ 010.04.15. γ 0 15 1 3 4 5 6 7
Rayleigh- és Rice-fading hatása az átviteli hibára (1) jel-zaj viszony statisztikus ingadozása a digitális modulációs rendszerek hibaarányát jelentősen lerontja Ezt illusztráljuk az alábbi ábrán bináris modulációs rendszerek esetében (Rayleigh-fading) 1 b 10-1 10 - fadinges nemkoherens FSK 10-3 SK SK DSK 10-4 DSK nemkoherens FSK 10-5 fadingmentes 10-6 4 6 8 10 1 14 16 18 0 4 6 8 30 010.04.15. γ 0 = Es / N 0 [db] 16 fadingtartalék
Rayleigh- és Rice-fading hatása az átviteli hibára () jel-zaj viszony statisztikus ingadozása a digitális modulációs rendszerek hibaarányát jelentősen lerontja Ezt illusztráljuk az alábbi ábrán BSK modulációs rendszer esetében (Rice-fading) 1 b Koherens SK 10-1 10-10 -3 c = 0 (Rayleigh) 10-4 10-5 c = Gauss c = 10 (10 db) c = 5 (7 db) c = (3 db) 10-6 4 6 8 10 1 14 16 18 0 4 6 8 30 010.04.15. 17 γ 0 = Es / N 0 [db]
Tipikus ellátottsági térképek (1) 010.04.15. 18
Tipikus ellátottsági térképek () 010.04.15. 19
Tipikus ellátottsági térképek (3) 010.04.15. 0
Összefoglalás területi ellátottság általános jellemzői területi ellátottság műszaki tervezése igen összetett feladat z ellátottság aktuális szintjét igen sok tényező befolyásolja méretezési eljárások elméleti alapokra épülnek, de gyakorlati módszerekhez jelentős mennyiségű empirikus adatra van szükség Egy konkrét rendszer ellátottsági térképe állandóan változik, ezért az ellátottság folyamatos szinten tartásához a hálózatot állandóan ellenőrizni és fejleszteni kell z ellátottság mellett a rendszer paramétereit sztochasztikus hatások is befolyásolják Mindez azt jelenti, hogy olyan hálózatot biztosan nem lehet elfogadható költséggel kiépíteni, amely az ország minden pontján, minden időpillanatban a legjobb minőségben képes szolgáltatást nyújtani 010.04.15. 1
Köszönöm megtisztelő figyelmüket! 010.04.15.