מערכות תקשורת ניידות ותאיות

Dr. Moshe Ran/ 3תקשורת ניידת ותאית – פרק b1

מערכות תקשורת ניידות ותאיות

"ר משה רןד

. אין לצלם, לשכפל או להעתיק בכל צורה שהיא . MostlyTek Ltdכל הזכויות שמורות לחברת ללא קבלת אישור בכתב מד"ר משה רן

Dr. Moshe Ran / 32 - פרק תקשורת ניידת ותאית

תוכנית הקורס שעות[3 מבוא למערכות תקשורת אלחוטיות: ]

מערכות תקשורת להעברת מידע, מקור מידע אנלוגי, ספרתי. סכימת מערכת תקשורת ומרכיביה, מערכות תקשורת אנלוגיות מול ספרתיות

– השוואה, סווג ערוצי תקשורת )קווי, אלחוטי(, ספקטרום תדרים, ייצוג אותות בזמן ובתדר, יחידות. תהליכים וכווני התפתחות

ברשתות גישה מהירה, מערכות תקשורת אלחוטיות – סקירה, סוגיית התדרים במערכות אלחוטיות. מערכות דור ראשון, דור שני, שלישי ורביעי בתקשורת ניידת תאית. מגמות עיקריות בהתפתחות מערכות

אלחוטיות בפס רחב.

פרק 1

שעות[6עקרונות תכנון של מערכות תקשורת תאיות: ]( , הקצאת תדרים, מבוא frequency-reuseשימוש חוזר בתדרים )

וקיבול מערכת, ACI ,CCI( , הפרעות , handoffלטכניקות העברת שליטה ) ומדדים לאכות שירות, שיטות Erlang , GOSריבוב סטטיסטי ומושג

להגדלת קיבול במערכות תאיות. דוגמאות מעשיות.

פרק 2

שעותLarge Scale [ 9]מודלים להתפשטות גלים במערכות תאיות- מנגנוני יסוד 3מבוא להתפשטות גלי רדיו, מודל התפשטות בחלל חופשי,

(, פיזור diffraction(, דיפרקציה )(reflectionבהתפשטות גלי רדיו: החזרה (scattering( חיזוי הפסדי נתיב במודל עם קוו ראיה , )LOS הפסדי נתיב , )

(, מודלים מעשיים להתפשטות מחוץ NLOSבמערכות ללא קוו ראיה ) cost231,Okumura, Hata Walfish and Bertoni( כולל outdoorלבניינים )

תכנון מאזן ערוץ למערכת תאית בהתבסס על חיזוי הפסדי נתיב, קביעת (, חדירה של Indoorאחוז כיסוי שטח , מודלים להתפשטות בתוך בנינים )

Ray Tracing modelsאותות לתוך בנינים,

פרק 3


תוכנית הקורס Small Scale 9( מודלים להתפשטות גלים במערכות תאיות-

שעות( גורמים המשפיעים על מודלים לטווח קצר, מדידות של מודל החזרות

(multipath פרמטרים עקרוניים של ערוצים עם דעיכות והחזרות: רוחב סרט ,) מודלים Doppler spread, זמן קוהרנטי- delay spreadקוהרנטי –

Saleh and Valenzuelaסטטיסטיים לערוצים עם דעיכות והפרעות, מודל ITU-B, מודל SUI(, מודל Indoorלהתפשטות בתוך בנינים )

4פרק

שעות(3טכניקות אפנון וגילוי למערכות תקשורת ניידות: ) סוגי אפנון – ייצוג סכמתי לאותות מאופננים )אנלוגי, ספרתי(,

, אפנון פס צד DSB(, אפנון פס צד כפול AMאפנון ליניארי: אפנון תנופה ) SSBיחיד

(. FM(, אפנון תדר )PMאפנון לא-לניארי: אפנון זווית ), PPM, אפנון מיקום PDM, אפנון משך PAMאפנוני פולסים: אפנון עוצמה

(Delta Modulation, אפנון דפרנציאלי )PCM, אפנון מקודד PFMאפנון תדר

5פרק

-BPSK, DPSK, QPSK, O: שיטות אפנון ספרתי ליניאריות נפוצות

QPSK ,שיטות אפנון ספרתי עם עוטפת קבועה: FSK, MSK, GMSK . שיטות(. OFDM. אפנון רב-טוני )M-PSK, M-QAM, M-FSK :אפנון מסדר גבוה

Spread-Spectrumמבוא לשיטות מרחיבות סרט

6 פרק


תוכנית הקורס שעות[6טכניקות ריבוי גישה במערכות תקשורת אלחוטיות ]

(, שיטת ריבוי גישה בהתבסס על Multiple Accessמבוא לריבוי גישה ), ריבוי גישה TDMA ריבוי גישה בחלוקת זמן FDMAחלוקת תדר

, שיטות CDMA ובשיטת FHMAבטכניקות של הרחבת ספטרום . השוואת ביצועים של OFDMA, MC-CDMAמודרניות לריבוי גישה

שיטות ריבוי גישה.

7פרק

שעות(3דוגמאות מסכמות )(, תכנון תאי. קיבול מול כיסוי במערכות תאיות.Link Budgetמאזן ערוץ )

8 פרק


Large Scale Models: מודלים להתפשטות גלים במערכות תאיות 3פרק

Large Scaleמאפייני ערוץ תקשורת במערכת תקשורת תאית, מבוא: 1.vs. Small Scale Models

(LOS)חיזוי הפסדי נתיב במודל עם קוו ראיה 2. מודלFriisמושגי יסוד באנטנות

(, (diffraction עקיפה(reflection)ניתוח תופעות פיזיקליות של החזרות 3.(scattering)פיזור

(NLOS) הפסדי נתיב במערכות ללא קוו ראיה 4.

(outdoor) מודלים להתפשטות מחוץ לבניינים 5.

(Indoor) מודלים להתפשטות בתוך בנינים 6.

תכנון מאזן ערוץ למערכת תאית בהתבסס על חיזוי הפסדי נתיב והפרעות 7.מתאים שכנים.


. מנגנונים עיקריים בהתפשטות גלים 3NLOS

מנגנונים/תופעות פיזיקליות לתאור התפשטות גלי רדיו במערכת תאית : NLOSללא קו ראיה

: גל א.מ פוגע במשטח גדול בהרבה ( Reflections)החזרות –מאורך הגל שלו. דוגמאות: פני כדור הארץ, בנין גדול, הרים וכו'.

: גל א.מ. פוגע בעצמים עם פינות, מהם (Diffraction)עקיפה –מתפזרים הגלים לכל הכוונים ועוקפים מכשולים.

: גל א.מ. פוגע בעצמים קטנים בגודל אורך (Scattering) פיזור –גל ופחות )עלים, תמרורים, נורות( ומתפזר לכל הכוונים.


(Rreflections)החזרות

כאשר גל א.מ פוגע במשטח מוליך "אידיאלי" כל הגל מוחזר. בכל המקרים הפרקטיים האותהמוחזר תלוי בתכונות המשטחים

– עד כמה החומר מצופף את קווי השדה החשמלי העובר דרכו(permittivity)מקדם דיאלקטרי הולכה מגנטית(permeability ) עד כמה מצופף החומר את קווי השדה המגנטי -

העובר דרכו

Siemens/m יחידות (conductance )הולכת זרם חשמלי

מהירות הגל הא.מ בתווך 1נקבעת ע"י

בד"כ תלוי תדר )הקבועים האחרים אינם רגישים לתדר(

אימפדנס אופייני

של התווך

tE

ir

t

rH

ir

t

viE

iH

vrE

1 1 1, ,

2 2 2, ,

hiE

hrE

עבור חומר דיאלקטרי חסר הפסדים )אידיאלי(12

0 0, 8.85 10 /r F m

עבור חומר דיאלקטרי הבולע קצת שדה חשמלי

0 ', '2r j

f


תכונות אלקטרו-מגנטיות של חומרים

Frequency [MHz]החומר

Poor Ground40.001100

Typical ground150.005100

Good ground250.02100

Sea Water815100

Brick4.440.0014000

Glass427x10-6100

Glass40.00510000

relative Permittivityr [ / ]S m


)החזרות המשך(

:החזרות ניתן לתאר ע"י "חוק סנל" והתיחסות למרכיבי הגל )פרוק אורטוגונליקיטוב אופקי/אנכי או מעגלי ימני/שמאלי( הפוגע והחוזר:

2 1

2 1

2 1

2 1

sin sin)E-field in plane of incidence(

sin sin

sin sin)E-field orthogonal to plane of incidence(

sin sin

v t irv

v t ii

h i trh

h i ti

E

E

E

E

1 1 2 2sin)90 ( sin)90 (

)1 (

i t

i r

r i

t i

E E

E E

הגל הא.מ מקיים את משוואות התפשטות גלים של מקסוול + תנאי שפה הניקבעים ע"י ידי חוק סנל:

זוית פגיעה = זוית החזרה

תלוי בקיטוב( = גורם החזרה כפול שדה פוגעhאו v שדה מוחזר )


)החזרות המשך(

:נפשט את הנוסחאות ונניח

free-space , משטח ראשון הוא –מקדם דיאלקטרי של תווך שני –

1 2

2

2

sin cos

sin cos

i r ih

i r i

2

2

sin cos

sin cos

r i r iv

r i r i

120 0, 8.85 10 /r F m

בלי תלות ב .1: כאשר הזוית מקדם ההחזרה בערכו המוחלט יהיה שים לב

0oכלומר, כדור הארץ מהווה משטח מחזיר אידיאלי כאשר זוית הפגיעה מתקרבת ל

0oi

r


Brewsterהחזרות – זוית

באיזו זוית אין כלל החזרה?! – כלומר הזוית עבורה מקדם החזרהמתאפס

i B

1

1 2

sin B

מתקבלת כאשר היחסים הבאים בין Brewsterזוית החומרים הדיאלקטריים מתקיימים

1אם אזי 0

2 0 r

2

1 1sin

11r

Brr

Brewsterדוגמא: לחומר שהמקדם הדיאלקטרי שלו היחסי הוא זוית היא

4r

1 1sin 26.56

1 5o

B Br

v


החזרות ממשטח מוליך אידיאלי

.גל א.מ אינו יכל לחדור "מוליך אידיאלי", ולכן כל הגל הא.מ מוחזר על פני המוליך – השדה החשמלי מתאפס כדי לקיים את חוקי מקסוול, ולכן -השדה

מוחזר שווה בגודלו לשדה הפוגע. בלי תלות בזוית הפגיעה מתקיים

עבור קיטוב אנכי

עבור קיטוב אופקי

, , 1i r i r vE E

, , 1i r i r hE E


( ray-2)מודל הפסדי נתיב עם שתי קרניים

מודל פיזיקלי המתחשב בהחזר בודדLOSמהקרקע + מרכיב

d

LOSE

ThiE

0 gE ERh

i

xT

xR

משדר

מקלט בתאור הזה

Transmitter height

Receiver heightT

R

h

h

הוא LOSאורך מסלול

)קוו מרוסק( הוא NLOSאורך מסלול

'd

''d

'' 'd d הפרש בין מסלולLOS למסלול NLOS

V/mעוצמת שדה כוללת במקלט יחידות

TOTהוא הסכום LOS gE E E

הנחות לפישוט הדיון:

החזרה מלאה

1

o

0 ,i g i iE E E

)1 ( 0t iE E

מרחק יחוס מהמשדר )כיול מדידה(d0כמו כן – נסמן

'd

''d


גדוליםd : קרוב לערכי ray-2מודל

בקירוב טוב - עוצמת שדה חשמלי במקלט

LOS למסלול NLOSוכאן הזוית מודדת את הפרש הפאזה בין

גדולים מתקיים d עבור ערכי

שדה כולל נקלט במקלט

02| ) ( | sin

2LOS

TOT

E dE d

d

2

2''

2sin

2 2 T R

T Rh h

d dd

h h

d

02 2

0

2) ( 2

constant related to ) (

T RTOTAL LOS

R

h h d kE d E

d dk E d

תוך שימוש בקשר בין עוצמת שדה חשמלי |2נקלט להספק נקלט נקבל: |P E

2 2

4) ( T R

r t t r

h hP d PG G

d

ובצורה 10לוגריתמית: 1020log ) ( 40logt r T RdB dB

PL G G h h d

d4/1 שים לב: הספק דועך לפי , ואין תלות באורך הגל )תדירות ג"נ( !! 40dB/decadeאו


קטנים )משטח מחזיר עם ( d : קרוב לערכי ray-2מודל

קטנים הרבה מהקרובים שעשינו לא מדויקים. הדרך המדויקת – לתאר את משוואות dבערכי הגלים ולסכם וקטורית את השדה השקול במקלט.

0 00) , ( cos) [ ](,c

E d dE d t t d d

d c LOS בתווך E-fieldביטוי לגל מתקדם

d0 0הוא מרחק ייחוס 0| ) , ( |E d

E d td

שני גלים מתקדמים מגיעים למקלט:0 0 '

) ', ( cos) [ ]('LOS c

E d dE d t t

d c

0 0 '') '', ( cos) [ ](

''g c

E d dE d t t

d c

d' מרחק שעוברLOSמרכיב

d'' מרחק שעוברNLOSמרכיב

1

g i iE E E

0 0 0 0' '') , ( cos) [ ]( cos) [ ](

' ''TOT c c

E d E dd dE d t t t

d c d c


: הערות ray-2מודל

2 הקרוב הנ"ל מניח''

2sin

2 2 T R

T Rh h

d dd

h h

d

0.3rad2

2020

3T R T Rh h h h

d

הערך בו מתאים למרחק בו האדמה מופיעה הראשון בין משדר למקלט. Fresnel zoneבתחום

4 T Rh hd

( Scatteringראה דיון בנושא פיזור (


((Diffraction"עקיפה"

בזכות עקיפה גל א.מ יכל לעבור מכשולים ולהגיע למקלט הנמצא(shadowed) קשים NLOSבתנאי

עקרון:Huygens מצפים שקרני אור המתפשטות בקווים ישרים יגיעו למחסום, וישאירו אזור אור, איזור חושך בצורה חדה...

בו מופיע אור גם אחרי המחיצה. ” soft dark“ מתברר שיש אזור האור "מתעקם" ומאיר איזור מאחורי המחיצה. ככל ש

DIFFRAC3.movהאור מתעקם יותר

כאשר אור עובר דרך חריץ דק, האור מתפשט מן החריץ להרבה DIFFRACT.movכוונים ומאיר שטח הרבה יותר גדול מהחריץ

הסבר לתופעה: אור )כמו גל א.מ.( יש לו אופי גלי, הפגיעה בפינות חדות יוצרת "מקור חדש" ממנו מתפשטים גלי משנה לכל הכוונים.

עוצמת השדה בתחום "החשוך" שאחרי המכשול – הוא סכום וקטורי של גלי המשנה.


Fresnel פר-נל גאומטריה של אזורי

נניח משדר – מכשול - מקלט

TR

1d 2d

ThRh

h

הגל עם מסלול ארוך יותר כאשר עובר דרך הנקודה הגבוהה במכשול, לעומת

דרך המכשול מסלול באורךבקו ישר.

הפרש המסלולים

1 2d d

1 2,h d d

h

2

1 21, 2

1 2

,2

h d dd d h

d d

הפרש הפאזה בין מסלולים

21 2

1 2

2 2

2

h d d

d d

tanעבור זויות קטנות ולכן x x1 2

1 2 1 2

h h d dh

d d d d

המוגדר v נוח לעבוד עם פרמטר חסר מימדים ע"י

1 2 1 2

1 2 1 2

2) ( 2

) (

d d d dv h

d d d d

2

2v

הפרש הפאזה תלוי בגובה ובמיקום של המכשול, ובמרחקים

1 2,d d

מכאן,

Knife-edge diffraction geometry

Fresnel-Kirchoff diffraction parameter


Diffraction loss ואזורי Fresnel

הפסדים של עקיפה(diffraction loss) כפונקציה של הפרש הפאזה בין מסלולים .Fresnelשונים סביב מכשול ניתן להסבר ע"י אזורי

אזוריFresnel מיצגים תחומים מסביב למכשול בהם לגל המשני ) ז.א. הגל הנוצר LOSשהוא ארוך מהמסלול של ’’dמחדש לאחר פגיעה במכשול( יש מסלול כולל

d’ 2בדיוק ב

n

' ''2

nd d

Fresnel 2אזור

1d2d

Tx Rx

Fresnel 1אזור

/ 2

2

התחומים הנ"ל הם עיגולים ברדיוס

. הסדרה Fresnelמייצגים אזורי מייצגת אזורי התאבכות nהזוגית של

, האי-זוגית Rxבונה לאות הנקלט ב מייצגת התאבכות הורסת.

nr

1 2

1 2n

n d dr

d d


הרדיוס תלוי מיקום המישור החוסם. כאשר הרדיוס של אזור Fresnel .מקסימלי

הפסדי עקיפהdiffraction loss נגרמים כאשר גלי המשנה מאזורי Fresnel לא . (shadowing)מגיעים למקלט בשל עצם מפריע

העוצמה הניקלטת היא סכום משוקלל של הקרניים שמצליחות להגיע מכל אזוריFresnel .שלא נחסמו

ההפסדים תלויים במיקום העצם המפריע - כמה שהוא קרוב למשדר או למקלט –הם גדלים

ההפסדים תלויים באורך הגל )תדר(. –

Diffraction loss ואזורי : Fresnel הערות

nr1 2d d

:LOSכלל אצבע בתכנון מימסרי מיקרוגל ב מאזור פרנל הראשון נקי ממכשולים, ואז הפסדי עקיפה מינימליים 55% לשמור על

וניתן להזניחם.


Diffraction loss ואזורי : Fresnel המשך

גם בציור הבא:Fresnelניתן לתאר את אזורי

אליפסות מסביב למשדר ולמקלט – מציינות את המקום הגאומטרי של כל הנקודות LOSבהן המסלול ארוך ב לעומת מסלול

TR

1d 2d

ThRh

h

2

2

n

האליפסות מציינות Fresnelאת אזורי

כאשר במוקדים – המשדר והמקלט.


Knife-edgeהפסדי נתיב בעזרת מודל

T R

1d 2d

ThRh

h

T משדר בנקודה Rנניח – מקלט בנקודה

ומכשול נמצא ביניהם. במקרה הכללי של הרבה עצמים מפריעים – התאור המדויק

מסובך. ניתן לקרב ע"י מציאת המכשול Knife-edgeהכי מפריע ולחשב בעזרת

.(diffraction loss)את הניחות לרכיב השדה Edהיחס בין עוצמת שדה חשמלי : הגבר )ניחות( כתוצאה מדיפרקציה הוא הגדרה

תאורטי )ללא מכשול וללא LOS לרכיב השדה החשמלי בהנחת Diffractionהחשמלי שעבר 2החזרות מהקרקע(.

2

0

1) ( ,

2

Fresnel-Kirchoff parameter

j td

v

E jF v e dt

E

v

)dB( 20log ) (dG F v

או להשתמש בגרף. , vניתן לקרב את האינטגרל ע"י ביטוי פשוט יותר כפונקציה של


]]diffraction loss Lee85 קרוב לאינטגרל

בקרוב, הגבר בתלות בפרמטר הדיפרקציה

0.95

2

01

20log)0.5 0.62 (1 0

20log)0.5 () ( 0 1

20log)0.4 0.1184 )0.38 0.1 ( ( 1 2.40.225 2.420log

v

d

vv

ve

G dB vv v

vv

1 2) , , , (v f h d d


גרף לחישוב הפסדי דיפרקציה כפונקציה של מקדם הדיפרקציה


knife-edgeדוגמא לחישוב הפסדי דיפרקציה במודל

הנח מכשול בודד

T R

1d 2d

ThRh

h

1 2

1, 1000 , 1000 , 25

3m d m d m h m

א. חשב את הפסדי הדיפרקציה ב. זהה את אזורי Fresnel בהם נמצא הקצה הגבוה של המכשול, מהם

האזורים הנחסמים?!א( נחשב – את מקדם הדיפרקציה ע"י

1 2

1 2

2) ( 2)1000 100025 2.74

11000 1000

3) 2.74( 22d

d dv h

d d

G v dB

למסלול העובר דרך קצה LOSב( הפרש המסלולים בין המכשול

21 2

1 2

0.6252

h d dm

d d

23.75

2

nn

הראשונים Fresnel אזורי 3מכאן – הקצה חוסם את


knife-edgeדוגמא לחישוב הפסדי דיפרקציה במודל

וכל התנאים כמו קודם 0הנח כעת שגובה המכשול

T R1d 2d

ThRh

1 2

1, 1000 , 1000 , 0

3m d m d m h m

א. חשב את הפסדי הדיפרקציה ב. זהה את אזורי Fresnel בהם נמצא הקצה הגבוה של המכשול, מהם

האזורים הנחסמים?!א( נחשב – את מקדם הדיפרקציה ע"י

1 2

1 2

2) (0

) 0( 6d

d dv h

d d

G v dB

למסלול העובר דרך קצה LOSב( הפרש המסלולים בין המכשול

20

2

nn

. 1Fresnelמכאן – הקצה נמצא במרכז אזור בהספק הנקלט 6dBוההשפעה היא – ירידה של

LOSלעומת

0


Multiple Knife-edgeמודל

בשטח יש בד"כ יותר מאשר מכשול אחד – וצריך לחשב את האותותשעוברים "עקיפה" מס"ה המכשולים.

מודל מקורב – לשקלל את כל המכשולים לאחד שקול ועליו לבצע אתהחישובים.


(scattering)תופעת פיזור

מתברר שבפועל – העוצמה הניקלטת של האות גבוהה יותר מאשרהחזוי לפי מודל המתחשב רק בהחזרות + דיפרקציה

עצמים בגודל קטן מאורך הגל – מנורת רחוב, עלים – גורמים לפיזורהאות הפוגע בכל הכוונים. חלק מהאנרגיה מגיע למקלט ומוסיף

לעוצמת הקליטה..ידיעת מיקום העצמים – משפרת את דיוק חיזוי מודל הפיזור

– משתמשים במודל מתורת המכ"מRadar Cross Section (RCS) כדי לתאר את האות המתפזר ולהעריך את תרומת הפיזור באות

הניקלט


לתופעת הפיזורRCSמודל

2) ( ) ( ) ( 20log ) (

30log)4 ( 20log 20log

distance from scattering object to receiver

distance from scattering object to transmitter

RCS Radar cross section of the object

r t t

t r

r

t

P dBm P dBm G dBi RCS dB m

d d

d

d

2

2

2

[ ]

surface area of the scattering object measured in dB

with respect to 1m reference.

e.g. RCS of medium\large building 5-10 km away is 14.1\55.7 [ ]

dB m

dB m


תיקון מקדם החזרה – שקלול פיזור

מידת החספוס(protuberance ) של משטח עבור אורך גל נתון וזוית פגיעה מוגדר ע"י הגודל

ich

8sinci

h

אם מתקיים המשטח חלק

אם מתקיים המשטח קשה

ch h

ch h

בקרוב למשטח חלק אין הפסדי פיזור, למשטח קשה – יש הפסדי פיזור אותם מתארים ע"י פקטור המשקלל את תרומת הפיזור להקטנת השדה החשמלי החוזר.

scattering loss factorS

roughi

S Sr

E

E


מודל פיזור - המשך

:נניח גובה חספוס הוא משתנה אקראי ביטוי מתמטי למקדם הפיזור גאוסי עם ממוצע ושונות . נניח זוית פגיעה וכן

אורך גל hhi

2sin

exp h iS

מודל מדויק עם התאמה טובה יותר למדידות (Boithias87 )

2 2

0

sin sinexp 8 8h i h i

S I

0 first order Bessel functionI

Documents

מערכות תקשורת ניידות ותאיות