MOBILNE KOMUNIKACIJE

1. MOBILNE KOMUNIKACIJE 12. Propagacija u mikroćelijama

2. PROPAGACIJA U NOVOM SCENARIJU • Novi modeli propagacije i novi aspekti planiranja mreža zbog novih zahtjeva na mobilne i bežične sustave. • highway(cestovne) mikroćelije (1-3 km; izdužene) • urbane mikroćelije (50-200 m) • unutaranje pikoćelije (15-20 m).

3. Mikroćelijski scenario • Krajem 80-tih i tijekom 90-tih, bilježi se visok porast korisnika analogne generacije bežičnih sustava. • Radi povećanja kapaciteta smanjuje se promjer ćelija i međusobna udaljenost ćelija u urbanim sredinama. • Analogni sustavi, iako koriste manje makroćelije, dolaze do granice svog kapacitivnog limita. • Rješenja: • prelazak na novu generaciju digitalne telefonije • uvode se ćelije sa manjim opsegom - MIKROĆELIJE.

4. Povećanje kapaciteta omogućuje se ponovnom uporabom frekvencija na malim udaljenostima. • Manja pokrivenost postiže se zahvaljujući zgradama (Shilding effect). • Zbog toga antene mikroćelija moraju biti ispod krovova i moraju imati manju snagu odašiljača za razliku od makroćelija. • Širenje zrake na uglovima ( s obzirom na difrakciju i refleksiju) omogućuje ostvarivanje predajnih procedura susjednoj mikroćeliji ili makroćeliji. • U mreži djeluju zajedno mikro i makroćelije: • makroćelije se koriste za pokrivanje širokog područja • za mjesta gdje se javljaju veliki zahtjevi za promet (hot spots) koriste se highway ili ulične mikroćelijama

6. Avenije i ceste unutar gradskog područja pokrivaju se gradskim mikroćelijama (bolje pokrivaju područje okruženo zgradama). • Pokrivanje unutar zgrada rješava se vanjskim makroćelijama i mikroćelijama, a kod povećanog prometa i unutarnjim mikroćelijama ili pikoćelijama. • Makroćelije mogu pokrivati nenaseljena mjesta (mala razina prometa), te omogućuju neprekinutu pokrivenost u naseljenim mjestima (umbrella cells). • U naseljenim mjestima makroćelije nastoje pratiti pokretne automobile (sa umjerenim ili velikim brzinama), dok mikroćelije su prilagođene za pješake ili kvazistacionarnog korisnika.

7. Propagacijski modeli mikroćelija razlikuju se bitno od onih za makroćelije, te standardni modeli poput Hata-Okumura ili COST231 nisu primjenjivi na mikroćelije. • Standardna procedura za procjenu pokrivenosti počinje izračunom medijana snage, posebno na granici zone te usporedbom s zahtjevanim pragom. • Nužna je provjera omjera korisnog signala i istokanalne interferencije

8. . Istokanalni razmak za dvije mikroćelije na prometnici.

10. Propagacijski modeli za mikroćelije • Deterministički ili empirijski • Dva različita propagacijska tipa mikroćelija: 1) urbane mikroćelije 2) highway mikroćelije • Za highway ćelije koristi se model 2-zrake (direktna + zraka reflektirana od zemlje). • Za urbana područja bolji je model 4-zrake (direktna + zraka reflektirana od zemlje + 2 zrake reflektirane od zgrada s obje strane ulice). • Za razliku od makroćelija u mikroćelijama gotovo uvijek postoji direktna vidljivost BS-MS (LOS uvjeti).

11. f=900 MHz w=20 m hBS=5 m hMS=1.5 m

12. Ukupno polje u modelu s 4 zrake dano je sljedećim izrazom: • Rwall- koeficijent refleksije od zidova. • Rground– koeficijent refleksije od zemlje. • Između 10-300m, oba modela prikazuju varijacije signala oko vrijednosti kod prostiranja u slobodnom prostoru. • Iza točke gdje su jednaki gubici slobodnog prostora (n=2) i modela n=4, (break point) proračunato polje prema modelima s 2 i 4 zrake se razlikuje.

13. Točka loma ili točka gdje su gubici slobodnog prostora jednaki gubicima zakona n=4 (direktna +reflektirana zraka) nalazi se na udaljenosti od BS: • Primjer: f=900 MHz w=20 m hBS=5 m hMS=1.5 m

14. Mjereni i simulirani profil (model 2-zrake) primljenog signala za highway mikroćelije na 900 MHz.

15. Gušenje u highway mikroćeliji Gušenje u urbanoj mikroćeliji

16. Brze promjene primljenog signala prate Rice-ovu raspodjelu, • koja se karakterizira omjerom c/m (carrier-to-multipath) ili k faktorom. • gdje je: a-amplituda direktnog signala 22-srednja snaga višestaznog (multipath) signala

18. Mjerene veličine primljenog signala mikroćelije sa BS smještenom na nadvožnjak, i konvencionalne makroćelije smještene na istom mjestu. Za makroćeliju je vrijednost k0 (Rayleigh-ov fading), dok su za mikroćeliju vrijednosti k velike (Rice-ov fading) – slabljenja signala biti će manja

19. Razina primljenog signala i vrijednost k za urbane mikroćelije • mjestimično se pojavljuju lokacije s malim k zbog postojanja refleksija od zgrada koje su mnogo intenzivnije od refleksija drveća u cestovnim (highway) mikroćelijama.

20. Empirijski propagacijski modeli za urbane mikroćelije • U praksi se za predviđanje propagacije, umjesto modela sa 2 ili 4 zrake, češće koriste empirijski modeli. • Mjerenja su opisana u projektu Europske unije RACE faza I-R 1040 • Iz analiza mjerenih podataka dobio se model sa dva nagiba za gubitke puta.

21. BS MS1 • Na slici 6.11 prikazana je geometrija kod propagacije u urbanoj mikroćeliji MS2

22. U modelima za vrlo kratke udaljenosti pri LOS uvjetima gubitke puta opisuje relacija L(x)=Mxn • Za gubitke slobodnog prostora koristi se n=2, te M=103.7; x je udaljenost između BS od MS. • Gubici se mogu izraziti i kao Lb(x) = 37 + 10n.log x(m) (dB) • Da bi se 2 nagiba uvela u model, uvodimo novu varijablu xL-udaljenost do točke loma.

23. Gubici puta se tada računaju prema L1(x)   αxn1 za x<xL L2(x) αxn1(x/xL) n2-n1 za x>xL α-faktor proporcionalnosti • Kako bi se u modelu omogućio lagani prijelaz između 2 nagiba, mora se odabrati prikladna kombinacija L1 i L2: L(x) = [L1(x)p + L2(x)p ]1/p • Gdje je p faktor oblika koji opisuje prijelaz između dva nagiba.

24. Kad mobilna postaja skrene u drugu ulicu mobitel prelazi u NLOS uvjete, tako da direktna zraka nije dostupna. • Gušenje se može računati kao u ekvivalentnom slučaju da je BS smještena na udaljenosti yE1 u ulici u kojoj se pojavljuju NLOS uvjeti. BS MS2

25. Neka su gubitci do točke na udaljenosti y od ugla dani sa e1 i e2 ( u linearnim jedinicama) dobijamo: - y-okomita udaljenost od x0 (sl.6.11). • nakon točke loma yE2 gubici su dani sa e2(y): • Kako bi se dobio model bez naglih promjena nagiba gubici e(y) se računaju prema izrazu e(y) = [e1(y)p + e2(y)p]1/p

26. Ovim izrazima dana je kombinacija jednostavnih modela iz kojih je moguće izračunati gubitke puta za različite vrijednosti y i n (promjene okoliša). • Ukupan gubitak puta od BS do MS koja se nalazi na mjestu y0 računa se prema izrazu: lTotal(x0,y0) = ML(x0)e(y0) - M( intercept loss) - gubici zračenja izotropnog radijatora na udaljenosti x=1m (iznose 3.7 za uvjete slobodnog prostora). • n1, n2, xL, nE1, nE2, yE1, yE2 su parametri ovisni o geometriji ulica i dani su empirijskim modelima

27. za 1700 MHz ,x0

28. Propagacija u zatvorenom prostoru • Predajnik i prijamnik su u zatvorenom području (zgradi). • Zbog velikih slabljenja zbog zidova, namještaja, podova itd., udaljenost predajnika i prijamnika je mnogo manja nego u ćelijama izvan zgrada. • Manja snaga-manja udaljenost (dobra strana: manje je vremensko raspršenje – tj. kašnjenja višestaznih komponenti u kanalu) • Manje vremenske varijacije. • Modeli za 900 i 1.700-1.800MHz , te 5 GHz pojas

29. Modeli se mogu svrstati u 4 grupe: 1) uskopojasni empirijski modeli. 2) širokopojasni empirijski modeli. 3) vremensko promjenjivi modeli. 4) deterministički modeli. • Za danu udaljenost i konfiguraciju terena empirijski modeli omogućuju jednostavan matematički izraz za proračun gubitaka puta. • Deterministički ili “site-specific” modeli bazirani su na tehnici praćenja zrake i sposobni su predvidjeti promjenjivost signala i vremensko raspršenje.

30. Propagacija u pikoćelijama u zatvorenom prostoru • Tipovi propagacije prema empirijskim modelima: • LOS - postoji potpuna ili djelomična linija pogleda od BS-MS. • Nepotpuni LOS - na putu stoje tanki zidovi ili objekti koji blokiraju put signala. • NLOS - masivni zidovi priječe put signala.

31. Gubici ovise o udaljenosti i za ovakav model koriste se dva izraza: L(dB) = M(d) + X(l,t) • M(d) – medijan gubitaka puta na udaljenosti d, • X(l,t) je slučajna varijabla sa nultim očekivanjem - opisuje nepredvidljivo ponašanje prijenosnog kanala. • Modeli koji predviđaju srednji gubitak (medijan) zbog udaljenosti: 1) Power low: M1(d) = 10n1log(d) + K1(dB) 2) gubici otvorenog prostora + linearno gušenje: M2(d) = 20 log(d) + αd + K2(dB) 3) Power low + linearno gušenje: M3(d) = 10n3log(d) + αd + K3(dB)

32. Tablica 6.3 sadrži parametre za navedene modele i to za različite tipove ćelija.

33. Nešto sofisticiraniji model je tzv. multiwall, koji gubitke puta predstavlja kao sumu gubitaka otvorenog prostora i gubitaka zbog podova i zidova, koji se nalaze točno na liniji BS-MS. • Multiwall model daje gubitke kao nelinearnu funkciju gubitaka u zidovma i podovima • Lfs- gubici slobodnog prostora; • Lc - konstanta; • kwi -broj poprečnih zidova; • Lwi - gubici tipa zida; • Lf - gubici između susjednih katova; • kf – broj katova • b - empirijski parametar; • I - broj različitih tipova poprečnih zidova

34. U tablici 6.4. dana je moguća podjela zidova. U tablici 6.5. dani su parametri različitih modela (prema COST231 za 1800 MHz)

35. U zatvorenom prostoru u prijemnom signalu opaža se vremenska promjenjivosti i depolarizacija. a) Promjenjivost: • spora promjena signala unutar zgrade može biti opisana sa log normalnom raspodjelom sa standardnom devijacijom raspona 2.7 - 5.3 dB, dok brže promjene signala (u većini slučajeva) mogu biti opisana s Rayleigh-ovom raspodjelom. b) Depolarizacija: • Unutar zgrada obično se koriste mobiteli kao terminali. Njihove antene neće biti vertikalno orijentirane što znači da će gubici polarizacije utjecati na primljeni signal. Uz to emitirani val širenjem kroz zidove i ostale objekte mijenja polarizaciju. To znači da će dio energije vertikalno polariziranog vala dosegnuti prijamnik sa horizontalnom komponentom. XPOL=Ph-Pv Ph- primljena snaga horizontalno polarizirane antene. Pv- primljena snaga vertikalno polarizirane antene. XPOL od –2 do -14 dB.

36. Pokrivanje unutrašnjosti zgrada signalom vanjske BS - gubici prodiranja • Za razvoj bežičnih mreža od iznimnog je interesa je mogućnost pokrivenosti unutar zgrada signalom vanjske BS. • Kod analize gubitaka signala prolaskom kroz zidove, razmatraju se dvije mogućnosti: • BS definira makroćeliju. • BS definira urbanu mikroćeliju. • U tabl. 6.6. dani su geometrijski parametri koje koriste pojedini modeli kod pokrivanja signalom unutrašnjost zgrade

38. Pokrivanje unutar zgrade makroćelijom: • Za proračun gubitaka prodora u makroćelijama, koristimo slijedeći izraz: LTotal(dB) = L(d) + Lwe(vi) + nwLwi - nfGh • Lwi i Lwe uzimaju se iz tablice 6.7; • Gh=2 dB/kat. • Ako nema direktne vidljivosti između BS i zgrade, u proračunu se uzima jednaka primljena snaga na svakoj strani zgrade • Ako postoji otvoreno područje ili pak koridor koji je paralelan s putom direktne propagacije, model će precjeniti gubitke.

40. Pokrivanje unutar zgrade mikroćelijom: • S direktnom vidljivošću između zgrada i BS za proračun gubitaka propagacije koristimo izraz: LTotal(dB) = L(d) + Lwe(vi) + nwLwi • koji koristi mali horizontalni kut otklona vh (vh<10°). • Lwi i Lwe uzimaju se iz tabl.6.7. • Povećanje vertikalnog kuta povećava gubitke: LTotal(dB) = L(dgeom,vertikalni dijagram zračenja) + Lwe(vi) + nwLwi

42. HVALA NA PAŽNJI!