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