מערכות תקשורת ניידות ותאיות

מצגת זו תכלול כנראה דיון של הקהל, אשר יביא ליצירת פריטי פעולה. השתמש ב- PowerPointכדי לעקוב אחר פריטי פעולה אלה במהלך המצגת. • בהצגת שקופיות, לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני. • בחר באפשרות “מפקח הישיבות”. • בחר בכרטיסיה “פריטי פעולה”. • הקלד את פריטי הפעולה כאשר הם מופיעים. • לחץ על אישור כדי להסיר תיבה זו. פעולה זו תיצור אוטומטית שקופיות לפריטי פעולה בסוף המצגת, והנקודות שהעלית יוזנו בתוכה. מערכות תקשורת ניידות ותאיות ד"ר משה רן כל הזכויות שמורות לחברת MostlyTek Ltd. . אין לצלם, לשכפל או להעתיק בכל צורה שהיא ללא קבלת אישור בכתב מד"ר משה רן Dr. Moshe Ran/תקשורת ניידת ותאית – פרק 3b

תוכנית הקורס Dr. Moshe Ran /תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

פרק 3: מודלים להתפשטות גלים במערכות תאיות Large Scale Models • מבוא: מאפייני ערוץ תקשורת במערכת תקשורת תאית, Large Scale vs. Small Scale Models • חיזוי הפסדי נתיב במודל עם קוו ראיה (LOS) • מודל Friis • מושגי יסוד באנטנות • ניתוח תופעות פיזיקליות של החזרות (reflection) עקיפהdiffraction)), פיזור (scattering) • הפסדי נתיב במערכות ללא קוו ראיה (NLOS) • מודלים להתפשטות מחוץ לבניינים (outdoor) • מודלים להתפשטות בתוך בנינים (Indoor) • תכנון מאזן ערוץ למערכת תאית בהתבסס על חיזוי הפסדי נתיב והפרעות מתאים שכנים. Dr. Moshe Ran /תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

3. מנגנונים עיקריים בהתפשטות גלים NLOS מנגנונים/תופעות פיזיקליות לתאור התפשטות גלי רדיו במערכת תאית ללא קו ראיה NLOS : • החזרות (Reflections) : גל א.מ פוגע במשטח גדול בהרבה מאורך הגל שלו. דוגמאות: פני כדור הארץ, בנין גדול, הרים וכו'. • עקיפה (Diffraction): גל א.מ. פוגע בעצמים עם פינות, מהם מתפזרים הגלים לכל הכוונים ועוקפים מכשולים. • פיזור(Scattering): גל א.מ. פוגע בעצמים קטנים בגודל אורך גל ופחות (עלים, תמרורים, נורות) ומתפזר לכל הכוונים. Dr. Moshe Ran /תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

החזרות (Rreflections) • כאשר גל א.מ פוגע במשטח מוליך "אידיאלי" כל הגל מוחזר. בכל המקרים הפרקטיים האות המוחזר תלוי בתכונות המשטחים מקדם דיאלקטרי (permittivity) – עד כמה החומר מצופף את קווי השדה החשמלי העובר דרכו הולכה מגנטית (permeability) - עד כמה מצופף החומר את קווי השדה המגנטי העובר דרכו הולכת זרם חשמלי (conductance) יחידות Siemens/m מהירות הגל הא.מ בתווך נקבעת ע"י אימפדנס אופייני של התווך בד"כ תלוי תדר (הקבועים האחרים אינם רגישים לתדר) עבור חומר דיאלקטרי חסר הפסדים (אידיאלי) עבור חומר דיאלקטרי הבולע קצת שדה חשמלי Dr. Moshe Ran /תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

תכונות אלקטרו-מגנטיות של חומרים Dr. Moshe Ran /תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

(החזרות המשך) • החזרות ניתן לתאר ע"י "חוק סנל" והתיחסות למרכיבי הגל (פרוק אורטוגונלי: קיטוב אופקי/אנכי או מעגלי ימני/שמאלי) הפוגע והחוזר: הגל הא.מ מקיים את משוואות התפשטות גלים של מקסוול + תנאי שפה הניקבעים ע"י ידי חוק סנל: זוית פגיעה = זוית החזרה שדה מוחזר ( v או h תלוי בקיטוב) = גורם החזרה כפול שדה פוגע Dr. Moshe Ran /תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

(החזרות המשך) • נפשט את הנוסחאות ונניח: • משטח ראשון הוא , free-space • מקדם דיאלקטרי של תווך שני שים לב: כאשר הזוית מקדם ההחזרה בערכו המוחלט יהיה 1 בלי תלות ב . כלומר, כדור הארץ מהווה משטח מחזיר אידיאלי כאשר זוית הפגיעה מתקרבת ל 0o Dr. Moshe Ran /תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

החזרות – זוית Brewster • באיזו זוית אין כלל החזרה?! – כלומר הזוית עבורה מקדם החזרה מתאפס זוית Brewster מתקבלת כאשר היחסים הבאים בין החומרים הדיאלקטריים מתקיימים אם אזי דוגמא: לחומר שהמקדם הדיאלקטרי שלו היחסי הוא זוית Brewster היא Dr. Moshe Ran /תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

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 Dr. Moshe Ran /תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

מודל הפסדי נתיב עם שתי קרניים (2-ray) משדר • מודל פיזיקלי המתחשב בהחזר בודד מהקרקע + מרכיב LOS בתאור הזה מקלט אורך מסלול LOSהוא אורך מסלול NLOS (קוו מרוסק) הוא הנחות לפישוט הדיון: החזרה מלאה הפרש בין מסלול LOS למסלול NLOS עוצמת שדה כוללת במקלט יחידות V/m הוא הסכום כמו כן – נסמן d0 מרחק יחוס מהמשדר (כיול מדידה) Dr. Moshe Ran /תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

מודל 2-ray : קרוב לערכי d גדולים • בקירוב טוב - עוצמת שדה חשמלי במקלט וכאן הזוית מודדת את הפרש הפאזה בין NLOS למסלול LOS עבור ערכיd גדולים מתקיים שדה כולל נקלט במקלט תוך שימוש בקשר בין עוצמת שדה חשמלי נקלט להספק נקלט נקבל: ובצורה לוגריתמית: שים לב: הספק דועך לפי 1/d4או 40dB/decade , ואין תלות באורך הגל (תדירות ג"נ) !! Dr. Moshe Ran /תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

מודל 2-ray : קרוב לערכי d קטנים (משטח מחזיר עם ) בערכי d קטנים הרבה מהקרובים שעשינו לא מדויקים. הדרך המדויקת – לתאר את משוואות הגלים ולסכם וקטורית את השדה השקול במקלט. ביטוי לגל מתקדם E-field בתווך LOS d0הוא מרחק ייחוס שני גלים מתקדמים מגיעים למקלט: מרכיב LOS שעוברמרחק מרכיב NLOS שעוברמרחק Dr. Moshe Ran /תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

מודל 2-ray : הערות • הקרוב הנ"ל מניח • הערך בו מתאים למרחק בו האדמה מופיעה בתחום Fresnel zone הראשון בין משדר למקלט. )ראה דיון בנושא פיזור Scattering ) Dr. Moshe Ran /תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

"עקיפה" Diffraction)) • בזכות עקיפה גל א.מ יכל לעבור מכשולים ולהגיע למקלט הנמצא בתנאי NLOS קשים (shadowed) • עקרון :Huygens מצפים שקרני אור המתפשטות בקווים ישרים יגיעו למחסום, וישאירו אזור אור, איזור חושך בצורה חדה... מתברר שיש אזור “soft dark” בו מופיע אור גם אחרי המחיצה. האור "מתעקם" ומאיר איזור מאחורי המחיצה. ככל ש האור מתעקם יותר DIFFRAC3.mov כאשר אור עובר דרך חריץ דק, האור מתפשט מן החריץ להרבה כוונים ומאיר שטח הרבה יותר גדול מהחריץ DIFFRACT.mov 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. Dr. Moshe Ran /תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

R T גאומטריה של אזורי פר-נל Fresnel • נניח משדר – מכשול - מקלט Knife-edge diffraction geometry הגל עם מסלול ארוך יותר כאשר עובר דרך הנקודה הגבוהה במכשול, לעומת מסלול באורך דרך המכשול בקו ישר. הפרש המסלולים הפרש הפאזה בין מסלולים הפרש הפאזה תלוי בגובה ובמיקום של המכשול, ובמרחקים עבור זויות קטנות ולכן נוח לעבוד עם פרמטר חסר מימדים v המוגדר ע"י מכאן, Fresnel-Kirchoff diffraction parameter Dr. Moshe Ran /תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

אזור Fresnel 1 Diffraction loss ואזורי Fresnel • הפסדים של עקיפה (diffraction loss) כפונקציה של הפרש הפאזה בין מסלולים שונים סביב מכשול ניתן להסבר ע"י אזורי Fresnel. • אזורי Fresnel מיצגים תחומים מסביב למכשול בהם לגל המשני ( ז.א. הגל הנוצר מחדש לאחר פגיעה במכשול) יש מסלול כולל d’’שהוא ארוך מהמסלול של LOSd’בדיוק ב התחומים הנ"ל הם עיגולים ברדיוס מייצגים אזורי Fresnel . הסדרה הזוגית של n מייצגת אזורי התאבכות בונה לאות הנקלט ב Rx, האי-זוגית מייצגת התאבכות הורסת. אזור Fresnel 2 Dr. Moshe Ran /תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

Diffraction loss ואזורי :Fresnel הערות • הרדיוס תלוי מיקום המישור החוסם. כאשר הרדיוס של אזור Fresnel מקסימלי. • הפסדי עקיפה diffraction loss נגרמים כאשר גלי המשנה מאזורי Fresnel לא מגיעים למקלט בשל עצם מפריע (shadowing). • העוצמה הניקלטת היא סכום משוקלל של הקרניים שמצליחות להגיע מכל אזורי Fresnel שלא נחסמו. • ההפסדים תלויים במיקום העצם המפריע - כמה שהוא קרוב למשדר או למקלט הם גדלים • ההפסדים תלויים באורך הגל (תדר). כלל אצבע בתכנון מימסרי מיקרוגל ב LOS : לשמור על 55% מאזור פרנל הראשון נקי ממכשולים, ואז הפסדי עקיפה מינימליים וניתן להזניחם. Dr. Moshe Ran /תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

R T Diffraction loss ואזורי :Fresnel המשך ניתן לתאר את אזורי Fresnel גם בציור הבא: אליפסות מסביב למשדר ולמקלט – מציינות את המקום הגאומטרי של כל הנקודות בהן המסלול ארוך ב לעומת מסלול LOS האליפסות מציינות את אזורי Fresnel כאשר במוקדים – המשדר והמקלט. Dr. Moshe Ran /תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

R T הפסדי נתיב בעזרת מודל Knife-edge נניח – מקלט בנקודה R משדר בנקודה T ומכשול נמצא ביניהם. במקרה הכללי של הרבה עצמים מפריעים – התאור המדויק מסובך. ניתן לקרב ע"י מציאת המכשול הכי מפריע ולחשב בעזרת Knife-edge את הניחות (diffraction loss). הגדרה: הגבר (ניחות) כתוצאה מדיפרקציה הוא היחס בין עוצמת שדה חשמלי Edלרכיב השדה החשמלי שעבר Diffraction לרכיב השדה החשמלי בהנחת LOS תאורטי (ללא מכשול וללא החזרות מהקרקע). ניתן לקרב את האינטגרל ע"י ביטוי פשוט יותר כפונקציה של v , או להשתמש בגרף. Dr. Moshe Ran /תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

קרוב לאינטגרל diffraction lossLee85]] בקרוב, הגבר בתלות בפרמטר הדיפרקציה Dr. Moshe Ran /תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

גרף לחישוב הפסדי דיפרקציה כפונקציה של מקדם הדיפרקציה Dr. Moshe Ran /תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

R T דוגמא לחישוב הפסדי דיפרקציה במודל knife-edge הנח מכשול בודד 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 ב) הפרש המסלולים בין LOS למסלול העובר דרך קצה המכשול מכאן – הקצה חוסם את 3 אזורי Fresnel הראשונים Dr. Moshe Ran /תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

דוגמא לחישוב הפסדי דיפרקציה במודל knife-edge הנח כעת שגובה המכשול 0 וכל התנאים כמו קודם R T 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 ב) הפרש המסלולים בין LOS למסלול העובר דרך קצה המכשול מכאן – הקצה נמצא במרכז אזור 1Fresnel . וההשפעה היא – ירידה של 6dB בהספק הנקלט לעומת LOS Dr. Moshe Ran /תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

מודל Multiple Knife-edge • בשטח יש בד"כ יותר מאשר מכשול אחד – וצריך לחשב את האותות שעוברים "עקיפה" מס"ה המכשולים. • מודל מקורב – לשקלל את כל המכשולים לאחד שקול ועליו לבצע את החישובים. Dr. Moshe Ran /תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

תופעת פיזור (scattering) • מתברר שבפועל – העוצמה הניקלטת של האות גבוהה יותר מאשר החזוי לפי מודל המתחשב רק בהחזרות + דיפרקציה • עצמים בגודל קטן מאורך הגל – מנורת רחוב, עלים – גורמים לפיזור האות הפוגע בכל הכוונים. חלק מהאנרגיה מגיע למקלט ומוסיף לעוצמת הקליטה. • ידיעת מיקום העצמים – משפרת את דיוק חיזוי מודל הפיזור. • משתמשים במודל מתורת המכ"מ – Radar Cross Section (RCS) כדי לתאר את האות המתפזר ולהעריך את תרומת הפיזור באות הניקלט Dr. Moshe Ran /תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

מודל RCS לתופעת הפיזור Dr. Moshe Ran /תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

תיקון מקדם החזרה – שקלול פיזור • מידת החספוס (protuberance) של משטח עבור אורך גל נתון וזוית פגיעה מוגדר ע"י הגודל אם מתקיים המשטח חלק אם מתקיים המשטח קשה בקרוב למשטח חלק אין הפסדי פיזור, למשטח קשה – יש הפסדי פיזור אותם מתארים ע"י פקטור המשקלל את תרומת הפיזור להקטנת השדה החשמלי החוזר. Dr. Moshe Ran /תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

מודל פיזור - המשך • ביטוי מתמטי למקדם הפיזור: נניח גובה חספוס הוא משתנה אקראי גאוסי עם ממוצע ושונות . נניח זוית פגיעה וכן אורך גל • מודל מדויק עם התאמה טובה יותר למדידות(Boithias87) Dr. Moshe Ran /תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

מערכות תקשורת ניידות ותאיות

מערכות תקשורת ניידות ותאיות

Presentation Transcript