1 RADIOTIETOLIIKENNEKANAVAT Millaisia stokastisia ilmiöitä kanavassa tapahtuu?
ONGELMAT: MONITIE-ETENEMINEN & KOHINA 2 Monitie-eteneminen aiheuttaa destruktiivista interferenssia eri reittejä edenneiden sinisignaalien summautuessa antennissa. 180 ο (λ/2) vaihesiirrossa aallot sammuttavat toisiaan. Signaali on kohinasta ja monitie-etenemisestä johtuen stokastinen prosessi. Stokastisen osan jakauma tunnettava, jotta suorituskykyä voidaan arvioida ja suunnittelua voidaan sen perusteella optimoida.
RADIOKANAVAN KOHINATYYPIT Kertova (etenemisgeometria muokkaa SM-kentän etenemistä): Antennin suuntakuvio Heijastus (tasaisista pinnoista) Absorptio (seinät, puut, ilmakehä) Sironta (karkeista pinnoista) Diffraktio (rakennusten reunat, vuoret) Refraktio (taittuminen ilmakehässä taitekertoinmuutoksen vuoksi) Summautuva (SM-kenttä peräisin kohinalähteestä): Ilmakehästä tai kosmisesta alkuperästä aiheutuva, tekninen kohina Terminen, 1/f-, ja raekohina RF-häiriöt (tahallinen häirintä, tahaton häiriö naapurikanavista, ns. radio frequency interference, RFI) 3
LOS, HEIJASTUS, SIRONTA, DIFFRAKTIO 4 Diffraktio aiheuttaa varjostumista. Alkeisaallokkeet interferoivat destruktiivisesti veitsenterädiffraktiossa
5 SM-SIGNAALIN IDEAALINEN VAIMENEMINEN: FREE-SPACE-LOSS Miten vaimennus lasketaan?
SM-SIGNAALIN VAIMENEMINEN: FREE-SPACE-LOSS 6 Friisin kaava/siirtoyhtälö: PR ( r) P L T Free = ( r) db G T G R 4 λ π = 10 log r, L 4π r λ ( L ) = 20 log = 20 log Free Free Mitä suurempi taajuus (lyhempi aallonpituus), niin sitä suurempi häviö, kun vain 1/r 2 tyyppinen perusvaimennus otetaan huomioon. Kaava voidaan myös kirjoittaa muotoon: L Free 2 Kun etäisyys r ilmaistaan kilometreinä ja taajuus megahertseinä, nähdään, että etäisyyden tai taajuuden tuplaaminen lisää vaimennusta 6 db. = PT GTG P R R = 4π λ r 2 = 4π r c 4π r c ( r) db = 32,4 + 20 log ( Rkm ) + 20 log10( 10 MHz f f f ) 2
7 2-TIEKANAVAN AIHEUTTAMA LISÄHÄVIÖ Miten monitie-eteneminen pahentaa tilannetta?
KAKSITIEKANAVA: 2-RAY-FADING-PATH-LOSS (S) 8 L Interferenssi suoraan edenneen ja maasta heijastuneen signaalin välillä aiheuttaa matkaeron (r 2 -r 1 ) funktiona häipymistä λ/2 välein. r,tai f tuplaaminen 12 db PEL = 40 log10( r) 20 log10( hm ) 20 log10( hb ) n = 4 1/r 2 -tyyppinen vapaan tilan vaimeneminen (2-tiemallin häipymää ei huomioitu) Lisäksi kaksitiekanava huomioitu 1/r 2 -mallissa P P R T λ = 2 4π r 2 2 2hmhb θ 1 cos k r,cos( θ ) 1 2 2 2 2 PR λ 2hmhb hmhb k, hm << r, hb << r 4 PT 4π r r r Johtopäätös: jo 2-tiekanava approksimoi hyvin todellista monitiekanavaa miljoonine kaikuineen, sillä jo tällä n = 4.
MONITIEKANAVA: TOTAL PATH LOSS 9 Etenemismittauksilla (kallis operaatio) voidaan päätellä empiirinen etenemisvaimennus-malli eri toimintaympäristöissä. Kuvan mittaukset suoraan sovittamiseksi tehty esikaupunkialueella. Eksponentiaalisista 1/r n -käyristä tulee suoria jos molemmat akselit logaritmisia
MONITIEKANAVA: TOTAL PATH LOSS 10 Etenemisvaimennus suunnittelun tehobudjetin lähtökohtana. Häipymismarginaali ja maksimi sallittu etenemishäviö määrittävät solun maksimikoon, kun keskimääräinen vastaanoton SNR tunnetaan. Tässä käyrä ei ole suora koska etäisyysakseli ei ole logaritminen kuten edellisen kalvon kuvassa.
11 RADIOKANAVA SATUNNAISPROSESSINA Mistä osatekijöistä vaimeneminen ja häipyminen koostuu?
RADIOKANAVA SATUNNAISPROSESSINA 12 Signaalin vaimeneminen 1/r n -laista johtuen (path loss) määrää karkeasti peittoalueen. Häipymisen vuoksi path-loss exp. n = 2...6. Varjostuminen, jota sanotaan myös hitaaksi häipymiseksi, on ns. large-scale ilmiö: Muutokset sadan metrin skaalassa (esim. 20 db luokaa oleva vaihtelu esteistä johtuen). Log-normaalijakautunut (teho db:nä normaalijakautunut). Nopea häipyminen on small-scale ilmiö: Muutokset aallonpituuden puolikkaan siirtymäskaalassa (esim. 35...40 db destruktiivisesta interferenssistä). Lisäksi antennien suuntakuviot vaikuttavat.
RADIOKANAVA SATUNNAISPROSESSINA 13 Small-scale fading Large-scale fading 1/r 2 path loss Huom. Koska molemmat akselit ovat logaritmisia, tulee eksponentiaalisesta 1/r 2 laista suoran yhtälö.
RADIOKANAVA SATUNNAISPROSESSINA 14 Pelkkä 1/r 2 -laki Hyvä kanavamallitutoriaali löytyy osoitteesta: http://www.telecomlab.oulu.fi/~kk/dtsp/tutoriaalit/barocchi.pdf
LARGE&SMALL SCALE FADING: TOTAL PATH LOSS (S) 15 Edellä 8-kalvon 2-tiekanavalla asymptoottinen kulmakerroin n = 4 Path-loss exponent n values for different environments: Free space 2 Urban area cellular radio 2.7 to 3.5 Shadowed urban cellular radio 3 to 5 In building, line of sight 1.6 to 1.8 Obstructed in building 4 to 6 Obstructed in factories 2 to 3 L ( r) L Seinät kokoavat tehoa, ja siksi n < 2 1/r n -laissa! db r r 0 ( r) = L n F, db ( ) L F, db r 0, r 0 = freespacecloseinreferencedist. ( r ) 0 + 10 n log r0 r Suoran yhtälö
SISÄLLÄ MITATTUJA ETENEMISVAIMENNUKSIA (S) 16 Kanavamittausten tavoitteena on löytää toimintaympäristöön soveltuva keskimääräinen tehon vaimeneminen etäisyyden funktiona eli n-arvo (kulmakerroin) suoralle. Mittausten varianssi on suuri! Tyypillisiä käytettyjä jakaumamalleja satunnaisen jänniteosan tilastolliseksi kuvaamiseksi: Rayleigh, Rice, log-normaali, Nakagami-m