Sisteme de Comunicatii Radio Mobile

  • View
    54

  • Download
    1

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Sisteme de Comunicatii Radio Mobile

Text of Sisteme de Comunicatii Radio Mobile

CAPITOLUL VIII SISTEME DE COMUNICAII RADIO MOBILE 8.1. PROPAGARE RADIO, CANAL RADIO MOBIL. n anii 1950-1960 cnd au fost modelate pentru prima dat mecanismele canalelor cu fading (fluctuaii), aceste idei au fost aplicate iniial comunicaiilor dincolo de orizont, care cuprind o gama larg de benzi de frecven. Pentru comunicaiile ionosferice se utilizeaz banda de frecvene nalte HF (high frequency) de la 3-30 Mhz iar pentru mprtierea troposferic se folosesc benzile 300-3Ghz UHF (Ultra High Frequency) respectiv 3-30 Ghz SHF (Super High Frequency). Primele modele ne sunt nc destul de utile n caracterizarea efectelor fadingului n sistemele de comunicaii numerice mobile, dei fadingul n sistemele radio mobile este oarecum diferit dect cel din canalele troposferice i ionosferice. de fa se ocup de fadingul Rayleigh, din banda UHF care afecteaz sistemele mobile cum sunt sistemele de comunicaii celulare prezentnd principalele tipuri de fading i degradri. In studiul sistemelor de comunicaii, punctul uzual de pornire, pentru nelegerea relaiilor referitoare la performanele de baz ale acestora l reprezint canalul clasic cu zgomot gaussian alb aditiv AWGN (Additive White Gaussian Noise), cu eantioane de zgomot gaussian statistic independente care afecteaz eantioanele de date, neafectate de interferena intersimbol ISI (Inter Symbol Interference), zgomotul termic din receptor reprezentnd motivul principal al degradrii performanelor. De nenumrate ori ns, interferena extern recepionat de anten este mai important dect zgomotul termic. Aceast interferen extern poate fi uneori, caracterizat ca avnd un spectru larg i se cuantific printr-un parametru numit temperatura antenei. Zgomotul termic are de obicei, o densitate spectral de putere plat n banda semnalului i o tensiune gaussian avnd funcia densitii de probabilitate de medie nul. Urmtorul pas n modelarea sistemelor practice este introducerea filtrelor limitatoare de band. Filtrul din transmitor servete de obicei la satisfacerea unor cerine referitoare la coninutul spectral. Filtrul din receptor este deseori folosit ca un filtru adaptat la banda semnalului. Din cauza proprietii filtrelor de a limita banda i a distorsiona faza, este necesar o proiectare special a semnalului i tehnici de egalizare pentru a evita ISI introdus de filtre. Dac nu sunt specificate caracteristicile de propagare ale canalului radio, se presupune de obicei c atenuarea semnalului n funcie de distan are loc ca n cazul propagrii printr-un spaiu liber ideal. Modelul spaiului liber ideal consider c regiunea dintre antena transmitoare i cea receptoare e liber, fr obiecte care ar putea s reflecte sau s absoarb energia de radio frecven RF (radio frecven).

220

De asemenea se presupune ca n interiorul regiunii, atmosfera se comport ca un mediu uniform neabsorbant, iar suprafaa solului se consider infinit de departe fa de semnalul care se propag (sau echivalent, are un coeficient de reflexie neglijabil). In acest spaiu liber idealizat, atenuarea energiei RF dintre transmitor i receptor are o lege de variaie ptratic invers. Puterea recepionat n funcie de puterea transmis, e atenuat cu un factor

Ls (d), numit

pierderea cii sau pierderea n spaiul liber. Pentru o antena receptoare izotrop acest factor este:2

4d Ls = unde d = distana dintre transmitor i receptor iar

(8.1)

= lungimea de und a semnalului care se

propag. n cazul n propagrii idealizate, poate fi prezis puterea semnalului recepionat. n realitate, propagarea semnalelor are loc n atmosfer i aproape de pmnt, astfel modelul propagrii libere nu este adecvat pentru descrierea canalului i estimarea performanelor sistemului. n sistemele de comunicaii mobile fr fir, un semnal ajunge de la transmitor la receptor prin canal radio avnd ci de reflexie multiple (fig. 8.1), fenomen denumit propagare multici. Acest fenomen poate cauza fluctuaii ale semnalului recepionat ca amplitudine, faz i unghi de sosire, dnd natere terminologiei de fading multici (multipath fading).

Fig.8.1. Exemplu de propagare multicale Scintilaia - este o alt denumire provenit din radioastronomie, utilizat pentru descrierea fluctuaiei multicale cauzat de schimbrile fizice ale mediului de propagare, ca de exemplu variaii ale densitii ionilor din stratul ionosferic care reflect semnalele radio HF de

221

nalt frecven. Ambele denumiri fluctuaie i scintilaie, se refer la fluctuaii aleatoare ale semnalului sau fading datorat propagrii multicale. Diferena principal const n faptul c scintilaia implic particule (ex: ioni) care sunt mult mai mici dect lungimea de und. Modelarea cap la cap i proiectarea de sisteme care s atenueze efectul fadingului sunt mult mai dificile dect cele ale unei surse ale crei performane sunt degradate de AWGN. 8.2. FADING. CLASIFICARE, CARACTERISTICI. 8.2.1. Fading la scar mare i fading la scar mic. n fig.8.2 este reprezentat o vedere de ansamblu a manifestrilor fadingului n canalele de comunicaie. Sunt dou tipuri generale de fading care caracterizeaz comunicaiile mobile: fadingul de scar larg si cel de scar mic. Fadingul de scar larg reprezint atenuarea puterii medii a semnalului sau pierderea cii cauzat de micarea pe zone mari (blocurile 1, 2 i 3 din fig.8.2). Acest fenomen e asociat cu contururile de teren (dealuri, pduri, grupuri de cldiri etc.) aflate ntre transmitor i receptor. Deseori receptorul e reprezentat ca fiind umbrit de aceste proeminene. Statistica fadingului pe scar larg furnizeaz o cale de calcul a estimatului pierderii cii n funcie de distan. Acesta apare ca o pierdere medie a cii (o lege de puterea n) i o variaie, n jurul mediei, de tip log-normal. Fadingul de scar mic se refer la schimbri dramatice ale amplitudinii i fazei semnalului cauzate de modificri mici de poziie (de ordinul unei jumti de lungimi de und) n separarea spaial dintre emitor i receptor. Dup cum se vede n fig.8.2 (blocurile 4,5 i 6) fadingul de scar mic se manifest prin dou mecanisme i anume mprtierea n timp a semnalului (sau dispersarea semnalului) i comportarea variabil n timp a canalului. Pentru aplicaii radio mobile, canalul e variabil n timp din cauz c micarea dintre transmitor i receptor duce la modificri ale cii de propagare. Viteza de schimbare a acestor condiii de propagare conteaz pentru rapiditatea fadingului (rata de schimbare a fedingului). Fadingul de scar mic e numit i fading Rayleigh deoarece atunci cnd, cile rezultate prin reflexie sunt numeroase i nu exist o component de cale direct LOS (Line-Off-Sight), anvelopa semnalului recepionat e descris statistic printr-o funcie cu densitate de probabilitate de tip Rayleigh. Atunci cnd e prezent componenta dominant de semnal nefadat, n cazul cii de propagare direct LOS, anvelopa fadingului de scar mic e descris de o funcie cu densitate de probabilitate Rice-an. Mobilul radio, care se deplaseaz pe zone mari trebuie s proceseze semnale afectate de ambele tipuri de fading: fadingul de scar mic suprapus peste fadingul de scar larg. Propagarea semnalului n sistemele de comunicaii mobile, este influenat de trei mecanisme: reflexia, difracia i mprtierea.

222

reflexia apare cnd unda electromagnetic ce se propag, cade pe o suprafa neted de dimensiuni foarte mari comparativ cu frecven RF.

, lungimea de und a semnalului de radio

difracia aparecnd calea radio dintre transmitor i receptor e obstrucionat de un corp dens, de dimensiuni mari comparativ cu corpului obturant

genernd unde secundare n spatele

Difracia este un fenomen care conteaz pentru energia RF care circul ntre transmitor i receptor fr cale direct de propagare LOS. Difracia e deseori numit umbrire deoarece cmpul rezultat prin difracie poate ajunge la receptor chiar i atunci cnd receptorul e umbrit de un corp impenetrabil din punct de vedere electromagnetic. mprtierea (scattering) apare cnd unda radio cade pe suprafee rugoase mari sau cnd cade pe o suprafa cu dimensiuni comparabile cu

sau mai mici, ceea ce

determin reflectarea energiei de RF n toate direciile. n mediul urban corpurile tipice care cauzeaz difracia sunt stlpii felinarelor, tbliele cu numele strzilor i frunziul. Se analizeaz fadingul de scar mic, cu cele dou forme: mprtierea n timp a semnalului (dispersia semnalului) i natura variabil n timp a canalului. Analiza se face n domeniul timp i n domeniul frecven (fig.8.2, blocurile 7, 10, 13, 16). Pentru dispersia semnalului tipurile de degradare cauzate de fading sunt clasificate ca fading selectiv n frecven, respectiv fading neselectiv n frecven (plat) (blocurile 8, 9, 11, 12). Pentru manifestrile variabile n timp; degradrile produse de fading se clasific n: fading lent, respectiv fading rapid (blocurile 14, 15, 17, 18), etichetele care indic transformrile Fourier.

223

. Manifestri ale canalelor cu fading

1 Fadingul de scar larg datorat micrilor pe zone mari

4 Fadingul de scar mic datorat modificrilor mici de poziie

2 Atenuarea mediei semnalului funcie de distan

3 Variaii n jurul mediei

5 mprtierea n timp a semnalului

6 Variaia n timp a canalului

7 Descriere n Transf. domeniul timp Fourier

10 Descriere n domeniul frecven

13 Descriere n domeniul timp Transf.

16 Descriere n domeniul deplasrii Doppler Fourier

8 Fading selectiv n frecven

9 Fading plat

Duale Duale

17 Fading rapid

18 Fading lent

11 Fading selectiv n frecven

12 Fading plat

14 Fading rapid

15 Fading lent

Fig.8.2 Manifestri ale canalelor cu fading

224

n fig.8.3 sunt prezentate diferitele contribuii care trebuie luate n considerare cnd se estimeaz pierderea pe cale pentru analiza bugetului legturii de comunicaie n aplicaiile celulare. Aceste contribuii sunt: pierderea medie a cii ca funcie de distan, cauzat de fadingul de scar larg. variaii apropiate de cazul cel mai defavorabi