מערכות תקשורת ניידות ותאיות
description
Transcript of 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
Dr. Moshe Ran / 33 - פרק תקשורת ניידת ותאית
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
Dr. Moshe Ran / 34 - פרק תקשורת ניידת ותאית
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
Dr. Moshe Ran / 35 - פרק תקשורת ניידת ותאית
(Indoor)מודלים להתפשטות בתוך בנינים . 6
שני הבדלים עיקריים לעומת מודלי התפשטות מסוגoutdoor (micro cellמרחקים קצרים בהרבה מאשר תקשורת ניידת תאית )–
תלות בחפצים בתוך המבנה, סוג שונות גדולה מאוד על פני מרחקים קצרים: –המבנה, מיקום חלונות בתוך המבנה וכו'.
:ניתן לחלק לשני סוגים עיקרייםLOS, NLOS – כאשר הגל חודר קירות
עם הגדלת התדר. תוצאות מדגמיות:קטניםהפסדי חדירה –
14.2dB --- 900MHz
13.4dB---- 1800MHz
12.8dB----- 2300MHz ( לעומת קיר6dBהפסדי חדירה קטנים דרך חלון או גג )כ –
מודלים למערכותIndoorמבוססים על המודל הבסיסי
0 100
) ( ) ( 10 logd
L d L d n Xd
עם התאמות לתנאי ההתפשטות בתוך הבניין, שקלול מיקום תחנת הבסיס )בתוך הבנין, מחוץ לבנין,
מספר הקומות בבנין וכו'(.
Dr. Moshe Ran / 36 - פרק תקשורת ניידת ותאית
לתווך COST-231מודלים פרמטריים מבוססים על Indoor
Model-1:0) ([ ] ) 1 ( 10 log) (fsL d dB L d m n d
( Wideband PCS Microcell)מודל
d נמדד ב ]m[ וכן n מחושב מתוך התאמה למדידות בשטח. קשה לתת למודל כזה משמעות הקושרת אותו לתנאים במבנה )קירות, קומות וכו'(.
. nשים לב שיש בד"כ תלות בתדר הנכנסת דרך מקדם אקספוננט הנתיב
תדר: n תוצאות אופייניות למקדם
2400MHz3.3
4.75GHz3.8
11.5GHz4.5
n
Dr. Moshe Ran / 37 - פרק תקשורת ניידת ותאית
Model –2 מבוסס על( Keenan-Motley 90 :)
2) (
1) ([ ]f
f
kb
kfs c wi wi f f
i
L d dB L L k L k L
free-space loss
constant 37dB
number of penetrating walls type with loss
number of adjacent floors
Loss between adjacent floors
empirical factor=0.46
fs
c
wi wi
f
f f
L
L
k i L
k
L k
b
1
w2
18.3 typcial floor
3.4 light-wall
L 6.9 thick wall
)>10cm brick or concrete(
f
w
L dB
L dB
dB
ורצפה אופיינית על שני סוגי קירות1800MHzמדידות בוצעו בתדר
ניתן לפשט את הנוסחא ולרשום: התלות במספר הקומות אינה ליניארית )גדולה יותר מהצפוי(.
20.46
1[ ] 37 30log) ( 18.3f
f
k
kfL dB d k
יש הסתרה מוגברת...( Fl#19)בקומות הגבוהות מעל
Dr. Moshe Ran / 38 - פרק תקשורת ניידת ותאית
:Model-3 מודל עם הנחתה אקספוננציאלית במרחק fsL L d
המודל האחרון מתאים למקרה בו תחנת בסיס בתוך בנין גדול )מדידות בתוך בנין בורסת NYC.)
הראו: ]Dev90,91 [המדידות תדר
850MHz0.54
1900MHz0.49
4GHz0.62
5.8GHz0.55
[dB/m]
אין תלות בתדר )על פני תחום תדרים מספיק גדול, בנין גדול( – פרט 2-3: במודלים הערה.התוצאות בטבלה LOSלהיבטי הגברי אנטנה וגורם הפסדים התלוי בתדר הקשור אל מרכיב
הוא Indoor מראות תלות של בתדר . שים לב – שנושא המודלים ל 3מימין מודל-חדש ואין לעתים התאמה אפילו בתוצאות )תוצאות תלויות אתר !!(
קומות1-2בנין קומות1-4בנין תדר
850MHz0.620.48
1700MHz0.570.35
4GHz0.470.23
[dB/m] [dB/m]
Dr. Moshe Ran / 39 - פרק תקשורת ניידת ותאית
Primary ray tracing modelעם הנחתה בין קומות
0
SF
) ( 10 log
Free space attenuation in dB
n path-loss exponent for the "Same Floor"
FAF Floor Attentuation Factor for a specified number of building floors
PAF Particular At
fs SF jj
fs
dL d L n FAF PAF
d
L
tenuation Factor.
Specified by a ray drawn between Tx to Rx in 3-D
הסכום האחרון נקבע ע"י סיכום של כל תרומות המכשולים לקרן הבודדת מהמשדר למקלט.
. Primary Ray Tracingלשיטה קוראים
לשיטה יש יתרונות:
)פישוט ניכר של הסיבוכיות )על פני מודל תלת מימדי מלא
הקטנת האי וודאות בהתבסס על תאור מפורט של המבנה )טבלאות ל FAF )
Dr. Moshe Ran / 310 - פרק תקשורת ניידת ותאית
Building 1FAF [dB][ dB]Number of Locations
1F12.97.052
2F18.72.89
3F24.41.79
4F27.01.59
Building 2
1F16.22.921
2F27.55.421
3F31.77.221
בשני Floor Attenuation Factor (FAF)ערך ממוצע של פרמטר ] ] Sei 92 קומות 4 עד 1בניני משרדים
Dr. Moshe Ran / 311 - פרק תקשורת ניידת ותאית
בעזרת מקדם אקספוננט נתיב, ולקבל נוסחה להפסדי נתיב FAFניתן לשקלל את And94[[
0
) ( 10 logfs MF jj
dL d L n PAF
d
וכן FAF – לשפר ע"י התחשבות בגורם ניחות באותה קומה 3ניתן את מודל PAFבגורם ההנחתה בתלות בסוג המסוים של התווך החוצץ בין משדר למקלט:
Dr. Moshe Ran / 312 - פרק תקשורת ניידת ותאית
outdoor , Indoor עבור Ray-Tracingשיטות
לא סטטיסטיות( לחישוב מדויק של משוואות הגלים אלו הן גישות דטרמיניסטיות(+ תאור מדויק במידת האפשר של התווך. הכוון המודרני של חישוב מדויק של הפסדי נתיב. יכל להחליף במקרים רבים את המודלים "הקלאסיים" בהם האי וודאות ) (
גדולה.
שיטות Ray Tracing למערכות Outdoor משלבות בסיס נתונים גרפי (GIS) עם הכוללת D-3 ושיטות חישוביות )"פוטוגרמטריה" להפיכת תצ"א למפה D-3מיפוי
גבהים( . השיטה מאפשרת לפתור בצורה ספציפית את מודל התפשטות הגלים במרחב עם: החזרות, עקיפה ופיזור בשל עצמים הקיימים במודל הספציפי.
לשיטות אלה ניתן להוסיף מודלoutdoor-to-indoor ,וחדירה לתוך הבנינים הפסדים בתוך בנינים בתלות בסוג הבניין וכו'.
הרזולוציה של המפה והדיוק בשכבת הגובה(terrain) כמו עדכניות שכבות התכסית חשובים לשערוך הפסדי הנתיב.
מידעterrain, building , tree-density על המפה. כשכבה וקטורית מופיעה
Dr. Moshe Ran / 313 - פרק תקשורת ניידת ותאית
. חישוב טווח תקשורת וכיסוי תקשורת רדיו7
הוא המרחק המקסימלי אליהם יגיעו גלי הרדיו, כך שהאות טווח תקשורתהניקלט יהיה לפחות בסף רגישות הקליטה.
LOS מנוסחת : Friis נציב במקום הספק ניקלט את רגישות הקליטה
,min
1/ 22
max,min
[meter]4 4
r rP P t t rrt r
t r
p GGPGG d
P d P
NLOSהמודל הכי פשוט - נתייחס למסלול המורכב משני קטעים :
d0 עם LOS
d עם NLOS
Dr. Moshe Ran / 314 - פרק תקשורת ניידת ותאית
NLOSהמשך – כיסוי תקשורת רדיו -
)המודל הפשטני )ללא הסתרות
2
0
0
1/2 2
0 00 0
4
4 4
n
r t t r
n
nn t t r t t r
r r
dP PGG
d d
PGG PGGd d d d
P d P d
ככל שרגישות הקליטה משתפרת – הטווח גדל.
.n=2 הוא מקרה פרטי כאשר LOSהמקרה של
Dr. Moshe Ran / 315 - פרק תקשורת ניידת ותאית
ניספח: רגישות קליטה
– הספק האות הנדרש בכניסה לקיום יחס אות לרעש מינימלי רגישות קליטהרצוי במוצא .
בכמה צריך להיות האות המינימלי בכניסה מעל לרמת הרעש התרמי כדילקבל את הביצועים הנדרשים ?
,min,min ,min,
r in dB dBout out dB
S SP N F kTB F
N N
Dr. Moshe Ran / 316 - פרק תקשורת ניידת ותאית
דוגמא- רגישות קליטה
בהנחה שצריך ביציאת מקלט יחס אות-לרעש B=10KHz וכן T0=290oK עבור F=10dB נניח ספרת רעש של מקלט 10dBשל
רגישות קליטה
, [ / ],min
114 10log
) 114 10log 0.01( 10 10 114
r in dBm Mhz MHz dBout dB
SP B F
N
dBm
מעל לרצפת הרעש התרמי. dB 20כלומר, האות הניקלט צ"ל עם הספק של
Dr. Moshe Ran / 317 - פרק תקשורת ניידת ותאית
Shadowingחישוב הסתברותי של כיסוי שטח – התחשבות בתופעת
המטרה לחשב על סמך ההסתברות לקליטה על גבול התא (boundary coverage) את ההסתברות לכיסוי השטח (area coverage ) .
מהזמן האות הנקלט על גבול התא 75%דוגמא: אם למשל ב d=R הוא מעל לסף , מה אחוז כיסוי השטח ? )אשר בו עוצמת קליטה מעל סף ( ?
) (U
2
r r r r2 20 0
1 1) ( P P ) ( P P ) (
R
A
U r dA r r dr dR R
הפרמטרים במודל ההסתברותי של הפסדי נתיב, nהתשובה תלויה ב
0 100
) ( ) ( 10 log ) (d
L d L d n X L d Xd
Dr. Moshe Ran / 318 - פרק תקשורת ניידת ותאית
כזכור, ההסתברות שהספק נקלט במרחקd=r יהיה מעל לסף קליטה מסוים
חישוב הסתברותי של כיסוי שטח - המשך
) () ( r
r r
P d rP P d r Q
00
00
) ( ) ( 10 log ) (
10 log 10 log ) (
r t t
t
rP r P L r P n L d
d
R rP n n L d
d R
ערך ממוצע של הספק נקלט במרחק רדיאלי rמהמשדר נתון ע"י
תוך שימוש בקשר
1) ( 1
2 2
zQ z erf
1 1 ) () (
2 2 2r
r r
P rP P d r erf
נקבל
) .1(eq
) .2 (eq a
) .2 (eq b
) .3(eq
Dr. Moshe Ran / 319 - פרק תקשורת ניידת ותאית
0 0
) (
) ( 10 log 10 log1
2 2
r r
t
P P d r
P L d n R d n r Rerf
יתקבל ביטוי מפורש לגודל 1-3תוך שימוש במשוואות ) (r rP P d r
) .4(eq
(ומכאן, ניתן לחשב את ( percentage useful area serviceU
2 20
1 1 1 1 2 1) ( erf ln 1 ) ( exp 1
2 2
R r ab abU r a b dr erf a erf
R R b b
10 log) (,
2r
n ea P r b
אם נבחר על גבול התא נקבל:
) ( 0ra P r
) .5(eq
2
1 1 1) ( 1 exp 1
2U erf
b b
) .6(eq
Dr. Moshe Ran / 320 - פרק תקשורת ניידת ותאית
: ידיעת הסתברות הקליטה בגבול התא, וכן 6תאור של משוואה
) (U / n כאשר הכיסוי בגבול התא הנו מאפשרת להגדיר אחוז כיסוי השטח
פרמטר.
Dr. Moshe Ran / 321 - פרק תקשורת ניידת ותאית
דוגמאות לשימוש בגרפים:
75% )ז.א. ב 75% . אם הכסוי בגבול התא הוא א. נניח מהזמן עוצמת הקליטה הנמדדת בגבול התא הנה מעל לסף (. אזי:
90% כיסוי השטח שווה ל
? נניח LOSב. מה קורה כאשר הפסדים לפי
86% כיסוי שטח שווה ל
ג. מה קורה אם סטיית התקן קטנה ? נניח
% 90~ כיסוי השטח גדל ל
4, 8n
2, 8n
2, 4n
Dr. Moshe Ran / 322 - פרק תקשורת ניידת ותאית
נניח מודל- דוגמא מסכמת
בין משדר למקלט d מדידות של הספקים כפונקציה המרחק 4נתונות
dBm
1000
200-20
1000-35
3000-70
id ) (r iP d 0 100d m
0 100
) ( ) ( 10 log ) (d
L d L d n X L d Xd
למקדם MMSEא( מצא שערוך מסוג מינימום-שגיאה-ריבועית ממוצעת האקספוננט של הפסדי הנתיב..
ב( חשב את מתוך המדידות.
2kmג( מצא בעזרת המודל את ההספק הנקלט במרחק
תהיה מעל – 2km ד( מה ההסתברות שעוצמת האות הנקלט במרחק 60dBm
בו עוצמת האות הנקלט מעל 2kmה( חשה את אחוז כיסוי השטח ברדיוס לסף של סעיף קודם ?
פתרון נרשום את הערכים החזויים מתוך המודל להספק הנקלט עבור ערכי nא( למציאת
id
,) (r i r iP d P
פונקציית השגיאה הריבועית ניתנת לרישום ע"י 24
, ,1
) ( r i r ii
J n P P
Dr. Moshe Ran / 323 - פרק תקשורת ניידת ותאית
המשך דוגמא מסכמת – סעיף א
, ,0
0
10 log 0 10 log100
i ir i r
d dP P n n
d
0,מכאן, 0rP dBm ,1 3rP n
,2 10rP n ,3 14.77rP n
2 2 22
2
) ( 0 0 20 3 35 10 70 14.77
=6525-2887.8n+327.153n
) ( 654.3 2887.8 0 4.4
J n n n n
dJ n n n
dn
n=4.4מקדם אקספוננט הנתיב הנו
Dr. Moshe Ran / 324 - פרק תקשורת ניידת ותאית
המשך דוגמא מסכמת – סעיף ב
במודל ונרשום ביטוי ל הספקים חזויים n=4.4נציב את הערך שקיבלנו
,0 0rP dBm
,1 3 13.2rP n dBm
,2 10 44rP n dBm
,3 14.77 4.4 64.99rP dBm
בעזרת של תוצאות המדידה ניתנת לחישוב, ( Variance)מכאן, השונות
2 2 2 2) ( 0 0 13.2 20 44 35 )64.99 70( 152.36J n
2
2 21) ( 38.09 6.17
4J n dB dB
Dr. Moshe Ran / 325 - פרק תקשורת ניידת ותאית
המשך דוגמא מסכמת – סעיף ג
נחשב בעזרת המודל
0 100
| ) ( | ) ( 10 log ) (d
L d L d n X L d Xd
6.17dB
2000) 2 ( ) 2 ( 0 10 4.4 log
100
57.24
r rP d km P d km
dBm
הספק נקלט הנו בממוצע הגודל
0 100
) ( ) ( 10 log ) (r r r
dP d P d n X P d X
d
0 0) ( ) (, ) ( | ) ( |t r r tL d P P d P d P L d
-בפועל , הספק ניקלט הוא מ.א גאוסי עם תוחלת )ממוצע( של 57.24dBm
ושונות של . הגודל הזה מתאר את האי וודאות בהספק הניקלט הממוצע., ויכל לתאר תופעות הסתרה .
Dr. Moshe Ran / 326 - פרק תקשורת ניידת ותאית
המשך דוגמא מסכמת – סעיף ד
- יהיה עם הספק העולה על 2km הסתברות שהאות הניקלט במרחק60dBm
) ( 60 57.24) 60 ( 67.4%
6.17r
r r
P dP P d dBm Q Q
המשך דוגמא מסכמת – סעיף ה
. תוך שימוש בגרפים של כיסוי 67.4%קיבלנו בסעיף קודם שאחוז הכיסוי בגבול התא הוא שטח עבור המקרה
מהשטח הינו עם עוצמת קליטה 88%. כלומר – 88%נקבל שאחוז כיסוי השטח הוא - 60dBmגבוהה מ –
/ 6.17 / 4.4 1.4n
Dr. Moshe Ran / 327 - פרק תקשורת ניידת ותאית
System Gainהגבר מערכת
פרמטר שימושי מאוד בתכנון מערכות אלחוטיות. נותן למתכנן הערכה כוללת שלמאזן ההספקים.
התכנון צריך להבטיח שיתקיים
,minSystem Gain S t rG P P
system gain [dB]
92.4 20log [ ] 20log [ ] LOS path loss in dBm
Feeder loss, Branching loss )filter, circulators, couplers etc.(
Tx antenna gain,
Rx antenna gai
S p F B t r
s
p
F B
t
r
G FM L L L G G
G
L d km f GHz
L L
G
G
n
FM Fade Margin= שולי דעיכה" רזרבה למאזן הספקים שנועד לעמוד בדרישות הזמינות של" (diversityהמערכת למרות דעיכות בערוץ )מניחים שאין