Modelle zur Ausbreitung elektromagnetischer Wellenguetter/kprn/EM-Ausbreitungsmodelle.pdf · Gütter/Rechnernetzpraxis 3 Ausbreitung in der Athmosphäre Elektromagnetische Wellen

Gütter/Rechnernetzpraxis 1

Modellezur

Ausbreitung elektromagnetischer Wellen


Frequenzbereich 104 … 1012 HzWellenlängenbereich 30 km … 300 µm

Ausbreitung mit Lichtgeschwindigkeit

cvakuum = 300000 km/s

Zusammenhang

c = λ * f λ : Wellenlänge, f: Frequenz

Erzeugung durch offene Schwingkreise(Antennen)

Elektromagnetische Wellen [1]


Ausbreitung in der Athmosphäre


Erdboden

Ionosphäre

Bodenwelle

Raumwelle

Refleklierte Welle

Reflexion

Sende-antenne

Empfangs-antenne



Wellenlänge Band Eigenschaften, wellenlängenabhängig 100 … 10 km VLF very low frequency mit

kürzerer Wellenlänge (höherer Frequenz)

steigende Bedeutung der Raum- gegenüber der Bodenwelle

ab UHF Ausbreitung strahlenförmig, • Schatten bei Hindernissen in der Größenordnung der Wellenlänge und kleiner (im EHF sogar Regen, Nebel, …)• Überhorizontverbindung durch Beugung, Streuung und Reflexion• Störungen durch Resonanzen mit Molekülen (Wasserdampf, …)

10 … 1 km LF low frequency

1000 .. 100 m MF medium frequency

100 … 10 m HF high frequency

10 … 1 m VHF very high frequency

100 … 10 cm UHF ultra high frequency

10 … 1 cm SHF super high frequency

10 … 1 mm EHF extremely high frequency

1000 .. 780 um Infrarotstrahlung immer lichtähnlichere Eigenschaften

Gütter/Rechnernetzpraxis 5Gütter/Rechnernetzpraxis 5

Effekte bei Funkausbreitung


Radio wave propagation models

Berechnung der Ausbreitungseigenschaften elektromagnetischer Wellen als Funktion

• der Frequenz• des Abstandes zwischen Sender und Empfänger• geometrischer Rahmenbedingungen• elektromagnetischer Störeinflüsse• konstruktiver Eigenschaften,

z.B. Sendeleistung, Antennenformen,

Schwerpunkt: Berechnung des Pfadverlustes (Dämpfung der Leistungsdichte auf dem Weg Sender Empfänger)

Zielstellung

• Unterstützung der Entwicklung neuer Funktechnologien

• Unterstützung der Planung von FunknetzenVorhersage für Versorgungsbereiche mit akzeptabler EmpfangsqualitätOptimierung der Senderstandorte, Sendeleistungen und Frequenzbereiche


Modellierung

Genauigkeit

• Exakte Berechnungen auf Basis der Maxwellschen Gleichungenextrem schwierig für nichttriviale Modelle (Rechenaufwand)

• Veränderungen der Umgebung haben u.U. erheblichen Einfluß,(z.B. Errichtung eines Gebäudes in einer Stadt Funkschatten)deshalb Rechenergebnisse nur temporär gültig

Sinnvolles Vorgehen: Math. Modell gegenüber Realität vereinfachenValidierung der Modelle durch Messungen bei typischen EinsatzfällenSicherheitsreserven einplanen

Klassifizierung der Modelle

empirisch erfahrungsbasiert, ohne Berücksichtigung der Umgebung,Modelle einfach und ungenau

deterministisch aufwendige, relativ genaue Methoden mit Umweltberücksichtigungfeldtheoretische bzw. strahlenoptische Modelle

semiempirisch Mischform, Umweltberücksichtigung in vereinfachter Form


theorie-basiert, u.U. sehr rechenaufwendig

• feldtheoretische Modelle Lösung elektromagnetischer Gleichungen (extrem schwierig)

• strahlenoptische Modelle Berechnung von optischen „Strahlen“-Verläufen vom Sender zum Empfänger und der zugehörigen Energieverluste (Standardmethode)

• Berücksichtigung von gegebener Geometrie, Reflexionen, Brechungen, … falls f < 10 GHz auch von Strahlenbeugungen (empirische Modelle berücksichtigen nur Dämpfungen)

• Vorteile höhere Genauigkeit als empirische Modelle, insbesondere realistischere Ergebnisse für hohe Frequenzen geringerer Rechenaufwand als feldtheoretische Modelle

• 2 Ansätze Ray Tracing und Ray Launching

Deterministische Modelle


ray launching

von einem Quellpunkt werden in alle Richtungen (isotrop)die Strahlenverläufe und die(evtl.) resultierende Empfangsenergieberechnet

Ray Launching vs. Ray Tracing

ray tracing

vom Empfangspunktwerden rückwärts die möglichenStrahlenverläufe zum Sender ermitteltund danach die Energieverlusteberechnet


Ray Launching (RL)Sender emittiert n gleichmäßig über 3600 verteilte sog. Zentralstrahlen, die jeweils ein Bündel von Einzelstrahlen repräsentieren und eine Strahlenröhre mit einem Öffnungswinkel 3600/n darstellen

Algorithmus

Startwinkel einstellen

Zyklus: Berechnen Strahlverlauf und zugehörige DämpfungSignalstärke am Empfänger wird durch Addition der Signalstärkender den Empfangspunkt berührenden Strahlröhren berechnet

Winkelerhöhung

Abbruch nach Berechnung aller Strahlen

bei kleinen Winkelinkrementen Genauigkeit, aber auch Rechenaufwand hoch

Verwerfen von Strahlen, die unter Signalstärke-Schwellwert fallenVerwerfen von Strahlen, die das betrachtete (Teil-)Gebiet verlassenBegrenzung der Interaktionsanzahl (Reflexionen, …)

Beispiele für RL Modelle: 2D Urban Pico Model und CORLA


Ray Tracing (RT)

Ähnlich Berechnungsverfahren für Lichtverteilung in Computergrafik

Algorithmus

Für jeden interessierenden Empfangspunktwerden alle möglichen Strahlenpfade zur Strahlenquelle ermittelt.Dabei werden Reflexionen, Streuung, …berücksichtigt.

Danach erfolgt für jeden ermittelten Strahlenpfadvom Sender ausgehend die Berechnung der Signaldämpfung.Die Signalstärke am Empfänger wird durch Addition der Signalstärkender den Empfangspunkt berührenden Strahlen berechnet.

liefert hochauflösende Prognose der Empfangsfeldstärke, hohe Rechenzeit.

--> Begrenzung der Interaktionsanzahl (Reflexionen, …) pro Strahl. z.B. Verwerfen Strahlen mit mehr als 10 Interaktionen

Beispiele für RT-Modelle: Diffracting Screens Model 3D Urban Micro Model (AWE Communications).


Freiraumdämpfung (free space path loss) für Leistungsdichte

isotroper Kugelstrahler

22 44

λππ ×== R

PPFR

T

Antennenapertur(wirksame Empfangsfläche)Kugeloberfläche

4πR2π

λ4

2

=A

2**4

=

λπ R


Richtfaktor und Antennengewinn

Richtfaktor = Sendeleistung im Verhältnis zum Kugelstrahler

Gewinn = Wirkungsgrad * Richtfaktor

Richtantennnen strahlen die Energie ungleichmäßig ab

typische Richtantenne (Yagi)für WLAN IEEE 802.11

Hauptkeule

NebenkeulenRückwärtskeule


EmpfangsfeldstärkeReceived Signal Strength Indicator (RSSI)

2)4/( RGGPP RTTR πλ×××=

PR – Leistung EmpfängerPT – Leistung SenderGT – Gewinn SendeantenneGR – Gewinn Empfangsantenneλ – WellenlängeR – Distanz Sender-Empfänger


PT – LT + GT - L + GR – LR = PR

Link budget

PT gesendete LeistungPTI abgestrahlte LeistungPRI aufgenommene LeistungPR empfangene Leistung

LT Verlust Sendeleitung, …GT Gewinn SendeantenneGR Gewinn EmpfangsantenneLR Verlust Empfangsleitung, …L Pfadverlust

Transmitter Receiver

PT

LT

PTI

GT GR

PRI

LR

PR

L

Leistungsbilanz auf dem Weg vom Sender zum Empfänger

Berechnung der Leistungsbilanz durch Addition der Logarithmen der Verluste/GewinneMaßeinheit: dB


Pfadverlust (path loss)

( )RITI PPdBL /lg10 ×=

Signaldämpfung (attenuation), wegen

• Ausbreitung im Raum (space propagation)Freiraumdämpfung, Wechselwirkung mit Luftmolekülen, Wasser, …

• Streuung (scattering)

• Reflexion (reflexion) und Brechung (refraction)

• Beugung (diffraction)

Pfadverlust für Freiraumdämpfung

+

+=

=

kmR

MhzfR

dBLFS lg20lg2044,324lg*10

2

λπ


• isotroper Kugelstrahler, Punktstrahler, nur von theoretischem Interesse• lineare Antennen, z.B. λ/2-Dipol• Flächenantennen, z.B. Reflektorantennen

Omnidirektionale Antennen

• Öffnungswinkel von 360° auf der horizontalen Ebene (horizontaler Rundstrahler) • Sendekeule auf vertikaler Ebene gestaucht, beispielsweise auf 80°. • horizontale Reichweitensteigerung, Antennengewinn meist 2 … 5 dB

Patch Antennen

• horizontaler und vertikaler Öffnungswinkel von 80° bis 65°• Reichweitensteigerung bis zu 100%, Antennengewinn meist 4 … 10 dB

Yagi Antennen Parabolantennen

• Richtfunk Antennen• hoher Gewinn, Richtfunkstrecken mit hoher Reichweite

Antennentechnik


Elektromagnetische Wellen – Dämpfung durch Atmosphäre

Zitat: www.wikipedia.de

Wasser gleiche Resonanzfrequenz wie WLAN 2,4 GHz ???Zimmerpflanzen


Elektromagnetische Wellen – Dämpfung in Luft durch Resonanz

Zitat: Prof.Dr. Wendel, fh-oow

Druck 1 bar, 293 0K, Sauerstoff, Wasserdampfdichte (7,5 g/m3)


Elektromagnetische Wellen – Dämpfung durch Regen

Zitat: Prof.Dr. Wendel, fh-oow


Funk-Ausbreitungsmodelle

Empirisch Semi-empirisch Strahlen-optisch Feld-theoretisch

Freiraum-Dämpfung

Lineare Dämpfung

COST 231 HATA

Multi Wall

COST 231 WI

Ray Tracing

Ray Launching

Dominant Path Prediction

Enhanced Multi Wall

Funk-Ausbreitungsmodelle: Algorithmenklassifizierung


deterministisches Ausbreitungsmodell mit Berücksichtigung der Erdoberflächenreflexion

Plane Earth Modell

Strahl S1 breitet sich aus mit FreiraumdämpfungStrahl S2 stärker gedämpft, wegen Reflexionsverlust und längerem Weg

Energiedichte darf nicht einfach addiert werden !

Interferenz wegen Zeitverschiebung, u.U. sogar (fast) Auslöschung bei Verschiebung um λ/2

R

hb

hm

Sende-antenne

Empfangs-antenne

S1

S2


Plane Earth Modell - Pfadverlust

bei f=900 MHz, hm= 1,5m, hb= 30m

genäherter Pfadverlust [dB]

Pfadverlust für hm, hb << R

Entfernung

[m]

~ 1/R4

Umkehrpunkt bei R = 4 ∗ hm * hb / λ

- 50

- 100

- 150103 104102101

Interferenzbereich

−

−

=

mh

mh

mR

dBL bmPEL lg20lg20lg40


Plane Earth Modell – Praxistauglichkeit

Faustregel: Verdopplung der Antennenhöhe 6dB GewinnVerdoppelung der Entfernung 12dB Verlust

Messungen: Energiedichte fällt ab mit p ~ 1/Rxmit x= 2 ... 5

bei plane earth Modell x = 4

in Stadtgebieten geringer, z.B x = 3,2 L = 32lg(R/m) + …

Grund: Bodenbeschaffenheit reduktiert Einfluß der reflektierten Welle

−

−

+

=

mh

mh

Mhzf

mR

dBL bmPEL lg20lg20

40lg20lg40

Plane Earth Modell nach Egli mit Korrektur für Frequenzeinfluß

Beurteilung der Relevanz der Modelle ist sehr schwierig


Einteilung in Sendeversorgungsgebiete

Bezeichnung Gebiet AntennenpositionPicozelle innerhalb von Gebäuden bis ca. 100 m mittlere EtagenhöheMikrozelle außerhalb von Gebäuden 20 … 1km unter mittlerer DachhöheKleinzelle Häuseransammlung 0,5 … 3km mittlere GebäudehöheMakrozelle Häuseransammlung 1 … 30 km über höchstem Gebäude… global Weltraum

Interferenzen bei Mehrwegeausbreitungund beim Senden mehrerer Stationen auf gleicher Frequenz

• Einteilung in Sendegebiete (Zellen) mit gleicher Sendefrequenz

• Frequenzplanung – Nachbarzellen mit unterschiedlichen Frequenzen

• Begrenzung der Sendeleistung auf Versorgungsgebiet (plus Sicherheitsreserve in Nachbarzellen)


Okumura-Hata Modell [1]

empirisches Modell zur Berechnung des Pfadverlustes in Makrozellen

Frequenzbereich 150 … 1500 MHzSendeantennenhöhe 30 … 200 mEmpfangsantennenhöhe 1 … 10 mAbstand Sender-Empfänger 1 … 10 km

-100

-50Pfadverlust [dBm]

Abstand [m]100 300 1000 3000

Meßwerteanpassung an verschiedene Vorhersagebereiche

rural open area offene Gebiete, keine Bäume und Gebäuderural quasi open area leichte Bebauungsuburban area mittlere Bebauungurban area starke Bebauung

MessungenTokio, 1968



hm Höhe Empfängerantenne [m]h0 typische Gebäudehöhe [m]hb Höhe Sendeantenne [m]R Abstand Antenne - Empfänger [km]dm Abstand Empfänger – Gebäude [m]f Sendefrequenz [MHz]

hm

hb

h0

dmR



Formelanpassung je nach Bereichstyp

urban area LdB = A + B*log10 R – E

suburban area LdB = A + B*log10 R – C

open areaLdB = A + B*log10 R – D

A = 69,55 + 26,16 log10 f – 13,82 log10 hb

B = 44,9 – 6,55 log10 hb

C = 2 * ( log10 (f /28 ))2 + 5,4

D = 4,78 * (log10 f)2 + 18,33 log10 f + 40,94

E = 3,2 * (log10 (11,7554 hm))2 – 4,97 für große Städte, f >= 300MHz = 8,29 * (log10 (1,54 hm))2 – 1,1 für große Städte, f < 300MHz = (1,1 log10 f – 0,7 )*hm – (1,56 log10 f – 0,8 ) für mittlere bis kleine Städte


COST 231-Hata Modell

1999 Erweiterung des Okumura-Hata Modells für mittlere bis kleine Städtefür Frequenzbereich 1500 … 2000 Mhz

LdB = F + B*log10 R – E + G

mit

F = 46,3 + 33,9 log10 f – 13,82 log10 hb

0 dB mittlere Städte und suburbane BereicheG =

3 dB Großstädte

Genauigkeit der empirischen Ausbreitungsmodelle Okumura-Hata und COST 231-Hata

Normal Fehler 5 … 7 dB

Sonderfälle Fehler 15 dB und mehr


Ikegami Modell [1]

deterministisches Modell zur Berechnung des Pfadverlustes in Kleinzellen

Berücksichtigung

• Gebäudehöhen, Straßenbreiten• Antennenhöhen und Abstand• Abschattungen• 2 Strahlwege

Einfachbeugung und –reflexion• Einfallwinkel

φ

hm

hBase

hRoof

d

w


Ikegami Modell [2]

w Straßenbreite [m]hRoof typische Gebäudehöhe [m]hm Höhe Empfängerantenne [m]hBase Höhe Sendeantenne [m]d Abstand Antenne - Empfänger [km] ??? d ???f Sendefrequenz [MHz]φ Horizontaler Einfallwinkel

Lr Reflexionsverlust 0.25

Das Ikekami-Modell unterschätzt den Pfadverlust bei hohen Distanzenund den Frequenzeinfluß

empirische Ergänzungen erforderlich

( ) 8,531lg10lg10lg20sinlg10lg10 20 −

+−

−

−++

=

r

m

Lmw

mhh

Mhzf

dBL φ


semiempirisches Modell zur Berechnung des Pfadverlustes in Kleinzellen

2 Teilmodelle

Sichtverbindung LOS (line of sight)keine Sichtverbindung NLOS (non line of sight)

Pfadverlust für LOS

LLOS = 42,6 + 26*lg d/km + 20lg f /MHz

COST 231-Walfisch-Ikegami Modell [1]

d



Pfadverlust für NLOS

hRoof typische Gebäudehöhe [m]b Gebäudeabstand 20…50 mw Straßenbreite [m], etwa b/2hm Höhe Empfängerantenne [m] 1 … 3 mhBase Höhe Sendeantenne [m] 4 … 50 md Abstand Antenne - Empfänger [km] 0,02 … 5 kmf Sendefrequenz [MHz] 800 … 2000 MHzφ Horizontaler Einfallwinkel

hm

hBase

hRoof

d

wb

φ


LFS = 32,4 + 20 log10 d + 20 log10 f

Lrts = -8,8 + 10log10 f + 20log10 (∆hm) –10 log10 w + Lori

NLOS (non line of sight)

LNLOS = LFS + Lrts (wr, f, ∆hm , Φ ) + LMSD (∆hBase, hBase, d, f, b )


∆hm = hRoof – hm

freespaceloss

roof-to-streetloss

multi diffractionloss

-10 + 0,35 Φ 0 <= Φ < 35°

Lori = 2,5 + 0,075 ( Φ– 35 ) 35° <= Φ < 55°

4,0 – 0,114 ( Φ–55 ) 55° <= Φ < 90°

street orientationfunction


COST 231-Walfish-Ikegami Modell [4]

LMSD = Lbsh + ka + kd log10 d + kf log10 f – 9 log10 b

∆hBase = hBase – hRoof

Lbsh =

54 hBase > hRoof

54 – 0.8 ∆hBase d >= 0,5 km, hBase <= hRoof

54 – 0.8 ∆hBase *2 d d < 0,5 km, hBase <= hRoof

18 hBase > hRoof

18 – 15 ∆hBase / hRoof hBase <= hRoof

0,7 ( f / 925 – 1 ) medium sized city

1.5 ( f / 925 – 1 ) metropolitan center

ka =

kd =

kf = - 4 +

-18 log10 ( 1 + ∆hBase ) hBase > hRoof

0 hBase <= hRoof


10n2 lg ( R/ Rb ) + 10n1 lg rb + L1 R > Rb

Dual Slope Modell

empirisches Modell zur Berechnung des Pfadverlustes in Mikrozellen

Einfaches Pfadverlustmodell mit 2 Steigungen n1 bzw. n2und einem Umkehrpunkt Rb

10n1 lg R + L1 R <= Rb

L1 Referenz-Pfadverlust für R = 1m, z.B. 20 dBRb meist ca. 100 mn1 = 2 und n2 = 4 oft große empirische Abweichungen

L =

oft genähert in der Form

L = L1 + 10n1 lg R + 10 ( n2 – n1) lg (1 + R/Rb)


Two Ray Modell

R = Fresnel reflection coefficient

2

11

2214

−−−

+×

=

reR

reL

jkrjkr

λπ

hb

hm

Sende-antenne

Empfangs-antenne

R1

R2

deterministisches Modell zur Berechnung des Pfadverlustes in Mikrozellenfür LOS (line of sight)

Modell ähnelt dem „plane earth Modell“, aber Strahlenwege nicht annähernd gleich


L= L1 + 20lg R + nf af + nw aw

af Dämpfung pro Geschoßaw Dämpfung pro WandL1 Referenzpfadverlust für R = 1m

Wall and Floor Factor Modell

empirisches Modell zur Berechnung des Pfadverlustes in Gebäuden (Pikozellen)

Einfaches Pfadverlustmodell berücksichtigt entlang einer geraden Linie• Freiraumdämpfung• plus Dämpfung an Wänden und Geschoßdecken• keine Berücksichtigung von Reflexionen, Beugungen, Streuungen, …

z.B.

Strahldämpfung an 1, 2 oder 3 Wänden


Multi Wall Model

∑=

++=M

iiMWM LdLL

10 log10γ

Vorteile der Wall-Modelle

+ Lineare Komplexität O(N)+ Akzeptable Genauigkeit+ geeignet auch für kombinierte (indoor + outdoor) Szenarien

LMWM Multi Wall Dämpfung [dB]d Entfernung zwischen Sender und Empfänger [m]L0 Referenzdämpfung in 1m Entfernung [dB]γ VerlustfaktorM Anzahl der Wände zw. Sender und EmpfängerLi Verlust durch i-te Wand


Ähnlicher Ansatz

• Floor-Verluste werden berücksichtigt

• Wandverluste werden implizit berücksichtigt (Anpassungen der Parameter)

LT = 20log10 (fc /MHz) + 10n lg (R/m) + Lf ( nf ) –28

ITU-R - Wall and Floor Factor Modell


Wall and floor factor models – ITU-R models cont.


Semi-empirisches Modell zur Berechnung des Pfadverlustes in Gebäuden (Pikozellen)

Pfadverlust LT = LF + Le + Lg (1-cos θ)2 + max(L1 , L2)

COST 231 LOS-Modell [1]

LF Freiraumdämpfung für gesamte Strahllänge (ri + re)Le Pfadverlust durch Außenwand bei senkrechtem Einfall ( θ = 0°)Lg Pfadverlust durch Außenwand bei streifendem Einfall ( θ = 90°)Li Pfadverlust durch Innenwändeα Dämpfung für hindernisfreien hausinternen Wegnw Anzahl der passierten Innenwände

L1= nwLi L2 = α(ri –2)(1-cos θ )2

θ

re

ri


COST231 - LOS [2]

Parameter Material Dämpfung ca.Le bzw. Li [dB/m] Holzwand 4

Beton mit nichtmetallischen Fenstern

7

Beton 10 - 20Lg [dB] 20

α [dB/m] 0,6


• Multi Wall Model mit Sekundärstrahl

• Erweiterung des MWM um eine Reflexion

• Berücksichtigung von Streuungen (Scattering, statisch implementiert)

• Erhöhte Genauigkeit

Erweitertes Multi Wall Model


Dominant Path Prediction Model (DPP)– Entwickelt durch Universität Stuttgart und AWE Communications GmbH– Beobachtung: 95% der empfangenen Energie wird über durchschnittlich 3

Ausbreitungswege übertragen dominante Strahlen– Suche nach dominanten Interaktionen mit der Umwelt

• Indoor: Reflexionen• Outdoor: Diffraktionen

– Ergebnisse ähnlich zu anderen strahlenoptischen Modellen, der erforderliche Rechenaufwand ist deutlich geringer


Dominant Path Prediction Model (DPP)

Allgemeines Vorgehen (Outdoor)

• 1. Schritt: Berechnung des Corner Tree (Gebäude-Ecken)□ Bestimmung konvexer Ecken

□ Sender ist Wurzel des Baumes

□ Alle Ecken mit Sichtverbindung (LOS) zum Sender bilden erste Ebene des Baumes

□ 2. Ebene wird durch Ecken mit Sichtverbin-dung zu Ecken der 1. Ebene gebildet, …

□ Empfänger ist Blatt des Baumes

□ Äste vom Sender zum Empfänger beschreiben dominante Pfade

• 2. Schritt: Berechnung d. Dämpfung□ I.d.R. existieren mehrere Pfade

□ Pfad mit geringster Dämpfung ist relevant


Model/Algorithm Supported networks

Description Model and parameters Category Complexity

Free Space (FS) All, i/o E, no consideration of obstacles M=M(d,F,L), L=a/RF² P O(N)

Link Budget (LB) All, i/o Determines signal power and data rates M=M(PRx, PTx, L),DR=DR(PRx)

P O(N)

Multi Wall Model (MWM) WLAN, i SE, regards for attenuation by walls (material and thickness)

M=M(d,f,Material,SL) P, in part D O(N)

COST Walfish-Ikegami Model WiMAX, o SE, regards for mean building heights and building separation

M=M(d,f,b,w,HTx, HRx,hr,a,S)F=0.8-2GHz, d<5km

P, D O(N)

LOS visualization All, i/o RO, regards for walls and buildings M=M(d) P, in part D O(N)

Extended Site Finder Algorithm (ESFA) All, i/o AP/BS placement on the basis of signal power, „greedy heuristics“ (add/drop)

M=M(PRx,Geometry, Nap)DR=DR(PRx)

P O(N²)

LOS Site Finder (LOS SF) WiMAX, o RO, AP/BS placement on the basis of LOS coverage

M=M(d,PRx,DR) P, V O(N)

Digital Height Map Model + Clearance/Downtilt (DHM)

WiMAX, o RO, calculates the heights of sender and receiver on the basis of digital height maps, regards the 1st Fresnel zone

M=M(f,d(x,y),HTx, downtilt) P O(N)

Multi Color Ink Spot Algorithm (MCISA) WLAN, i E; Regards for room layout, number of users; calculates data rates and signal power

M=M(Nap, d, DR, Nuser) V, FM O(Nuser∙Nap)

Ray Tracing (RT) All, i/o RO, regards environment using single rays;high complexity (NP-hard)

M=M(d, f, tree, material) P, D O(exp(N))

Ray Launching -RL All, i/o RO, regards environment using ray bundles;high complexity (NP-hard)

M=M(d, f, tree, material) P, D O(exp(N))

Dominant Path Prediction (DPP) WiMAX, o RO; regards for buildings and multiple interactions; considers 2-3 most important rays reduced complexity compared to RT/RL methods

M=M(d,f,tree) P, D < O(exp(N))

i…indoor, o…outdoor, d…distance between sender and receiver, f…frequency, SL…cutting length „ray-to-wall“, b…distance between buildings, w…width of the street, HTx…transmitter height, HRx…receiver height, hr…building height, a…cutting angle „ray-to-roof edge“, S…city type, tree…tree representation of dominant paths, Tx…transmitter, Rx…receiver, PTx…transmitter power, PRx…receiver power, R…cell radius, Nap…number of access points, Nuser…number of users, k…number of cells in the cluster, N…general wireless node quantity, D…diffraction, P…propagation of EM waves, E…empirical, SE…semi empirical, FM…frequency management, RO…ray optical, L…user load distribution, V…visualization

Übersicht Ausbreitungsmodelle


Adaptiver Modellauswahl-Algorithmus

• Individual models are not suitable for all scenarios

• Automatic selection reasonable

Model Properties

Okumura Hata Entfernung: 20 kmFrequenz: up to 1 GHz

Walfish Ikegami Entfernung: 5 kmFrequenz: 0,8 – 2 GHz

Urban Pico (AWE RL) Entfernung: 100 mFrequenz: 600 MHz – 60 GHz

Urban Micro (AWE RT) Entfernung: 2 kmFrequenz: 300 MHz – 3 GHz

Parabolic Equation Method (AWE) Entfernung: 2000 kmFrequenz: 300 KHz – 30 GHz



• Estimation of the most suitable model for a given scenario

• Input parameters:• Frequency, Geometry/Geography, Topology, Heights, Sources of interference, User Areas …

• Output of significance parameters

• Stochastic estimation based on boundary values



• Bewertung der Modelle basierend auf einem Entscheidungsbaum

• Betrachtet werden Eigenschaften des Szenarios sowie der genutzten Funkstandards

• Z.B.: Wandkonstellation, Höhenunterschiede, Empfangsbereiche, Abschattungseffekte, Homogenität des Szenarios, verwendete Frequenzbänder

• Gewichtungswerte für die Bewertung können nur empirisch bestimmt werden




• Ekahau Site Survey (http://www.ekahau.com)– Unterstützung für Site surveys, Berechnungen mittels

Ausbreitungsmodell; Visualisieurung und Auswertung der Ergebnisse

– Funkabdeckung kann halbautomatisch mittels Laptop gemessen werden

• RF3D WiFi Planner (http://www.rf3d.com/)– WLAN Modellierung mittels Ausbreitungsmodell; Visualisierung

und Auswertung der Ergebnisse• Wimap 4G (http://www.wimap-4g.com/)

– WiMAX Planungswerkzeug– Verschiedene Ausbreitungsmodelle

– CANDY Site Finder (http://www.rn.inf.tu-dresden.de/)– Verschiedene Ausbretungsmodelle für WLAN und WiMAX– Unterstützt Geometrie-Import aus IFCXML– Geeignet für Indoor- und Outdoor-Szenarien

Software zur Planung drahtloser Netzwerke

http://www.ekahau.com/

http://www.ekahau.com/

http://www.rf3d.com/

http://www.wimap-4g.com/

http://www.rn.inf.tu-dresden.de/




Ekahau Site Survey


Wimap 4G

ITU-R P.1411-3 Model


1. Geometrie-Beschreibung aus IFCXML importieren

2. Umwandlung in NDML

3. Automatischer Vorschlag für Platzierung von Access Points

4. Analyse der Funkabdeckung mittels Ausbreitungsmodellen und verschiedenen Visualisierungsmöglichkeiten

5. Optimierung der Access Point Anordnung

CANDY Site Finder


References

[1] S. Saunders, Antennas and Propagation for WirelessCommunication Systems, Wiley, 2000, 409 p.[2] R. Vaughan, J. Bach Andersen, Channels, Propagation andAntennas for Mobile Communications, IEE, 2003, 753 p.[3] H. Bertoni, Radio Propagation for Modern WirelessSystems, Prentice Hall, 2000, 258 p.[4] K. Siwiak, Radiowave Propagation and Antennas forPersonal Communications, Artech House, 1998, 418 p.[5] COST231, final report, 1999.[6] W. Backman, Error Correction on Predicted Signal levels in MobileCommunications, master thesis, 2003.[7] J. Rissanen, Dynamic resource reallocation in cellular networks,master thesis, 2003.[8] A. Medeisis, A.Kajackas, On the Use of the Universal Okumura-Hata PropagationPrediction Model in Rural Areas, IEEE Vehicular Technology Conference Proceeding,Vol. 3, May 2000, pp. 450-453.

Gütter/Rechnernetzpraxis 5719.09.08 57

• Tanenbaum, A.S.: Computernetzwerke; Prentice Hall, Upper Saddle River, 1998

• Lipinski, K.: Lexikon der Datenkommunikation; MITP-Verlag GmbH, Bonn, 1998

• Comer, E.D.: Internetworking with TCP/IP; Precentice Hall, 1988

• Schiller, J.: Mobilkommunikation, Techniken für das allgegenwärtige Internet; Addison-Wesley, 2000

• Kraiss, K.F., Schmitt, M.: Praktikum Multimedia-Techniken, WS 87/98; RWTH, 1997

• Cossier, D.: Electron Commerce; Microsoft Corp, 1999

Literatur

Gütter/Rechnernetzpraxis


Material 2,4 GHz Dämpfung [dB] 5 GHz Dämpfung [dB]Leichtbeton (11,5 cm) 12 19

Lehmziegel (11,5 cm) 22 36Kalksandsteinziegel (24 cm) 9,5 23

Stahlbeton (16 cm) 20 32Ton-Dachziegel (1,3 cm) 3 8

Effekte bei Funkausbreitung


COST231 - LOS [2]

Parameter Material Dämpfung ca.Le bzw. Li [dB/m] Holzwand 4

Beton mit nichtmetallischen Fenstern

7

Beton 10 - 20Lg [dB] 20

α [dB/m] 0,6

Material 2,4 GHz Dämpfung [dB] 5 GHz Dämpfung [dB]Leichtbeton (11,5 cm) 12 19Lehmziegel (11,5 cm) 22 36

Kalksandsteinziegel (24 cm) 9,5 23Stahlbeton (16 cm) 20 32

Ton-Dachziegel (1,3 cm) 3 8

Documents

Modelle zur Ausbreitung elektromagnetischer Wellenguetter/kprn/EM-Ausbreitungsmodelle.pdf · Gütter/Rechnernetzpraxis 3 Ausbreitung in der Athmosphäre Elektromagnetische Wellen