Analiza câmpului electromagnetic generat de [308516]
ACADEMIA FORȚELOR TERESTRE
„NICOLAE BĂLCESCU“
LUCRARE DE LICENȚĂ
CONDUCĂTOR ȘTIINȚIFIC
Prof. univ.
dr. ing. MICLĂUȘ SIMONA
AUTOR
Stud. sg.
[anonimizat], 2018-
ACADEMIA FORȚELOR TERESTRE
„NICOLAE BĂLCESCU“
LUCRARE DE LICENȚĂ
TEMA: „Analiza câmpului electromagnetic generat de
terminalele telefonice în standardele de comunicații 3G
și 4G”
CONDUCĂTOR ȘTIINȚIFIC
Prof. univ.
dr. ing. MICLĂUȘ SIMONA
AUTOR
Stud. sg.
[anonimizat], 2018-
REFERAT DE APRECIERE
a lucrării de licență
1. Numele și prenumele absolvent: [anonimizat]:
______________________________________________________________
2. Domeniul de studii:
_____________________________________________________________
Programul de studii universitare de licență:
_____________________________________________________________
Tema lucrării de licență:
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Aprecieri asupra conținutului teoretic al lucrării de licență (se marchează cu X):
[anonimizat] a lucrării de licență (se marchează cu X):
Aprecieri privind redactarea lucrării de licență:
Considerații finale:
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Apreciez lucrarea de licență cu nota _____________ și o recomand pentru a fi susținută în prezența comisiei examenului de licență.
[anonimizat], la care au acces aproape toți oamenii din lume. [anonimizat] a lua contact cu o [anonimizat], să trimitem o scrisoare, [anonimizat]-o altă scrisoare. [anonimizat], [anonimizat]-ar fi fost de folos răspunsul respectivului.
Inițial, s-a [anonimizat] o transmisie vocală pe fire de cupru prin care o persoană utiliza un microfon pentru a [anonimizat] o altă persoană utiliza un receptor pentru a putea recepționa informația primită de la prima persoană. [anonimizat] a vorbitorului avea rolul de a [anonimizat] o vibrare corespunzătoare. Aceasta a fost o [anonimizat], [anonimizat]. Utilizatorul și-a [anonimizat], aici intervenind în 1910 [anonimizat] o antenă de tip bifilară a reușit să acceseze rețeaua națională de telefonie în momentul în care acesta se deplasa prin țară cu mașina.
Astfel, s-a folosit cea mai la îndemână cale de comunicare: aerul. Telefonia mobilă reprezintă principala metodă de comunicare utilizată, aceasta funcționând fără fir, prin unde electromagnetice, pe baza rețelelor GSM („Global System for Mobile communications”, adică sistemul global de comunicație mobilă) sau CDMA („Code Division Multiple Access”, adică un canal de acces multiplu utilizat de către diverse tehnologii de comunicare radio). Acesta este un aparat de emisie-recepție de dimensiuni reduse, care, în funcție de standardul telefonului, transmisia se realizează între 453 și 1800 MHz.
Astăzi, tehnologia telefoanelor mobile a avansat foarte mult, apărând conceptul de telefon inteligent („smartphone”). Acesta a apărut în 2007, când recunoscutul Steve Jobs a dorit să creeze un dispozitiv care să fie de dimensiuni foarte reduse, să poată fi folosit pentru a primi și trimite informație la distanță, să aibă acces la internet și sa aibă capacitatea de a instala aplicații pe care utilizatorul le folosește zilnic, precum alarmă, calculator, calendar, etc. În ziua de astăzi, au fost înregistrate peste un miliard de unități vândute, ceea ce ar însemna ca aproximativ o persoană din șapte în această lume are un asemenea dispozitiv. Aceste cifre sunt într-adevăr uriașe, ținând cont că pe piața actuală telefoanele Android sunt construite de giganți precum Samsung care au cifre foarte apropiate de cele ale Iphone-ului.
Ceea ce voi discuta în această lucrare de licență este analiza câmpului electromagnetic generat de aceste terminale telefonice în standardele de comunicații 3G și 4G, în care voi explica principiile care stau la baza acestor comunicații, dar și modul în care sunt realizate. În primul capitol al acestei lucrări vom discuta despre undele electromagnetice generate de terminalele mobile, câmpul general și spectrul electromagnetic.
În cel de al doilea capitol voi discuta despre caracteristicile principale ale antenelor mobile, câmpul electromagnetic generat de ele, dar și despre anumiți senzori de măsurare a nivelului de câmp în proximitatea unui terminal mobil.
Al treilea capitol va conține partea aplicativă a acestei teme, în care voi pune în aplicare unele principii descrise în capitolele anterioare pentru a putea verifica concordanța între datele teoretice oferite de proiectanți și datele exacte cu care ne confruntăm în realitate.
Capitolul 1:
GENERALITĂȚI DESPRE UNDELE ELECTROMAGNETICE GENERATE DE TERMINALELE MOBILE
Câmpurile electrice și câmpurile magnetice sunt două caracteristici ale formei de existență a materiei, numit câmp electromagnetic. Tensiunea electromotoare de inducție care se creează într-o spiră conductoare atunci când un flux magnetic variabil trece prin aria care mărginește acea spiră, denotă faptul că un câmp electric este generat de un câmp magnetic variabil în timp. Generalizând, putem spune că oriunde în spațiu, un câmp electric provine din acțiunea unui câmp magnetic variabil în timp. Totodată, fizicianul James Clark Maxwell a stabilit în anul 1864 că o inducție electrică variabilă creează un câmp magnetic, conform teoriei electromagnetice. Așadar, putem considera că cele două câmpuri mai sus menționate sunt interconectate și se condiționează reciproc.
Folosindu-ne de ecuații diferențiale în care apar variabile independente de poziție „r” și timp „t”, ecuațiile lui Maxwell vor conecta noțiunea de câmp electromagnetic, unde avem vectorul câmpului electric „E” și vectorul câmpului magnetic „B”, de sursele acestora, adică densitatea sarcinii electrice „” și densitatea curentului electric „J”. Atunci când relațiile sunt scrise sub formă integrală, pentru componentele vectorilor câmpului electric și a celui magnetic (fluxul dintr-o suprafață închisă „S” și circulația de-a lungul curbei închise) le vor corespunde sarcina electrică „Q” din volumul delimitat de „S”, curentul electric „I” prin suprafața „SC” delimitată de „C”, precum și variația în timp a fluxului electromagnetic care parcurge suprafața respectivă.
Atunci când dorim să calculăm mărimile care apar în fenomenul de electromagnetism și coeficienții respectivi ai ecuațiilor lui Maxwell va trebui să alegem un sistem de unități potrivit. Pentru o înțelegere mai profundă a fenomenului, sistemul internațional de unități de măsură a introdus două constante fizice fundamentale: permeabilitatea magnetică a vidului „” și noțiunea de permitivitate electrică a vidului „”. De asemenea, în cadrul unor aplicații teoretice, se mai pot folosi alte sisteme de măsura, precum Gauss sau Heaviside-Lorentz.
Relațiile (1.1), (1.2), (1.3), (1.4) reprezintă ecuațiile diferențiale ale lui Maxwell în formă generală.
Relațiile (1.5), (1.6), (1.7), (1.8) reprezintă ecuațiile integrale ale lui Maxwell în formă generală.
În relațiile prezentate mai sus putem distinge densitățile de sarcină și de curent totale. Acestea au în componența lor sarcini și curenți macroscopici care sunt considerate surse libere, dar și surse legate care sunt introduse prin fenomenele de magnetizare și polarizare în materialele care prezintă câmp electromagnetic. De obicei, în calcule, se iau în considerare doar sursele libere, restul fiind incluse în două câmpuri auxiliare, câmpul electric indus „D” și câmpul magnetic indus „H”. În concluzie, pentru a putea obține soluție a ecuațiilor lui Maxwell vom introduce relațiile de material „D=D(E)” și „H=H(B)”, care reprezintă felul cum câmpurile fundamentale acționează asupra câmpurilor induse. În relațiile care urmează, sursele libere sunt distinse prin indicele „f”: „, „”, respectiv „” și „”.
Relațiile (1.9), (1.10), (1.11), (1.12) reprezintă ecuațiile diferențiale ale lui Maxwell într-un mediu material.
Relațiile (1.13), (1.14), (1.15), (1.16) reprezintă ecuațiile integrale ale lui Maxwell într-un mediu material.
1.1. Câmp apropiat – Câmp depărtat
O consecință a câmpurilor electrice și magnetice variabile în timp generate în jurul unui conductor prin care trece curent electric este chiar câmpul electromagnetic. Conform ecuațiilor lui Maxwell, orice corp ce are componenta câmpului electric și cea a câmpului magnetic, poate radia în spațiu undele electromagnetice, însă trebuie îndeplinite unele condiții cum ar fi o frecvență a oscilației suficient de înaltă, dar și lungimea de undă să fie proporțională cu mărimea sistemului radiant.
Undele electromagnetice reprezintă de fapt o variație periodică în timp și spațiu a câmpului electromagnetic. Acestea se propagă cu viteza luminii și se regăsesc în proximitatea antenelor de emisie care sunt considerate sisteme oscilante deschise. Parametrii precum polarizarea, lungimea de undă și intensitatea caracterizează aceste unde.
Lungimea de undă „” reprezintă practic mărimea drumului parcurs în spațiu într-o perioadă de timp corespunzătoare unei oscilații. În formula următoare, se denotă dependența lungimii de undă față de viteza luminii și frecvența oscilației:
În câmp depărtat, adică la o distanță suficient de mare față de sursa de emisie a oscilației, undele electromagnetice sunt considerate plane și sunt caracterizate de intensitatea câmpului electric „”, și de intensitatea câmpului magnetic „”. Între cei doi vectori există o relație de perpendicularitate pe direcția propagării. Figura (1.1) arată variația în timp a câmpului electromagnetic.
Figura 1.1
Planul în care avem vectorul „” se numește plan de polarizare. Dacă acest vector este în poziție verticală atunci acesta are polarizare verticală. Tensiunea indusă va fi maximă doar în antenele de recepție din planul vertical care sunt paralele cu vectorul „”. Ca tipuri de polarizare putem enumera polarizările verticale, orizontale și circulare, ultima fiind atunci când este descrisă o elice în spațiu folosind vârful vectorului „”. Pentru televiziune, se folosește adeseori polarizarea orizontală, deoarece se consideră că undele de acest tip suferă atenuări mai mici pe suprafața Pământului și se reflectă mai puțin. Intensitatea câmpului electric este măsurată în și reprezintă o tensiune indusă de câmpul electromagnetic într-un conductor de lungime 1m străbătut cu viteza luminii.
Atunci când undele electromagnetice se propagă, acestea vor suferi fenomene de refracție, reflexie, difracție sau schimbare de plan de polarizare, definitorie fiind frecvența la care se găsesc aceste unde. Din cauza obstacolelor pe care le întâlnesc în propagarea lor, undele electromagnetice, se vor induce curenți electrici care generează câmpuri electromagnetice proprii, numite unde reflectate. Reflexia acestor unde se face după legile reflexiei optice, corpurile conductoare reflectând mai multe unde electromagnetice decât cele izolatoare. Atunci când în calea undei se abat neuniformități din troposferă, sau straturi ionizate din stratul ionosferei, se produce fenomenul de reflexie. Din cauza straturilor neomogene din atmosferă, undele electromagnetice care poartă informația folosită pentru telefonie sunt reflectate, traiectoriile lor fiind curbate. În unele cazuri în care condițiile meteo sunt speciale, din cauza fenomenelor de reflexie, la suprafața Pământului se pot întoarce unele unde care au fost radiate de pe acesta, având la rândul ei încă o reflexie, unda rezultată având posibilitatea să străbată o distanță mai mare decât cea inițială.
1.2. Spectrul electromagnetic
Undele electromagnetice care se propagă cu viteze care depind de permitivitatea dielectrică și permeabilitatea magnetică formează în spațiu un câmp electromagnetic rotațional, frecvența deplasării electronilor dând frecvența oscilației. Energia pe care aceștia o transportă este direct proporțională cu frecvența pe care o poartă. Intervalul în care putem regăsi diferite lungimi de undă este unul foarte vast. Spre exemplu, radiațiile gamma pe care le emit unele elemente cu caracter radioactiv au valori de aproximativ ), pe când în domeniul telecomunicațiilor putem regăsi unde de lungimi kilometrice. Studiul undelor electromagnetice se bazează pe ecuațiile lui Maxwell și sunt explicate folosind experimentele fizicianului Heinrich Hertz. Viteza lor de propagare în atmosferă este de aproximativ , valoare pe care o regăsim și în vid. Ca exemplu putem da lumina și radiațiile în domeniul infraroșu sau ultraviolet, acestea fiind de asemenea unde electromagnetice, însă de lungimi de undă diferite. În domenii precum radioteleviziunea sau telefonia, principala problemă care se pune este ca informația pe care vrem să o trimitem să fie recepționată la distanță mare. Informația este purtată de acele unde electromagnetice care sunt de înaltă frecvență, fiind trecute prin procese de modulație de alte unde care sunt de frecvență mai mică. Până când antena de recepție primește informația emisă, undele suferă fenomene de refracție, difracție sau interferență și sunt atenuate cu până la câteva ordine de mărime, în funcție de sensibilitatea receptorului.
În Figura (1.2) prezint spectrul electromagnetic, indicându-se atât domeniul frecvențelor, cât și cel al lungimilor de undă.
Ținând cont de frecvență, și luând în considerare și lungimea undei cu care radiația electromagnetică are posibilitatea de a se repeta în timp dar și în spațiu, undele electromagnetice au capacitatea de a se manifesta sub anumite forme. Astfel că, spectrul radiațiilor electromagnetice poate fi împărțit în câteva domenii, după criteriul lungimii de undă, iar împărțirea spectrului începe de la frecvențele joase și se sfârșește cu frecvențele înalte.
Undele radio sunt folosite în general în domeniul comunicațiilor ( ca de exemplu în transmiterea semnalelor radio/TV, dar și în comunicații prin satelit și telefonie mobilă).
Figura 1.2
1.3. Unda electromagnetică în radiofrecvență
În radiocomunicații este folosit un cadru foarte larg de frecvențe,acesta este de aproximativ (0-300GHz), fiind echivalent cu >1mm. Lungimea de undă determină împărțirea acestuia în mai mute subdomenii. Astfel că, fiecare domeniu este utilizat pentru diferite aplicații dar și în ceea ce privește tehnologiile de transmisii radio. Spectrul de radiofrecvență (RF) este de cele mai multe ori supus anumitor reguli, acestea fiind specifice fiecărei țări și de obicei spectrul este fie închiriat unor deținători licențiați de sisteme de transmisii radio (de ex: operatori de telefonie mobilă, stații TV, etc),fie chiar vândut acestora.
Spectrul de radiofrecvență este împărțit în următoarele subdomenii:
Frecvență extrem de joasă (ELF): . Se folosește pentru comunicațiile submarine care se află la o adâncime foarte mare;
Frecvență super joasă (SLF): . Se utilizează pentru comunicațiile de care dispun submarinele;
Frecvență ultra joasă (ULF): . Se folosește pentru comunicațiile din interiorul minelor;
Frecvență foarte joasă (VLF): . Aceasta este utilizată pentru comunicațiile de care dispun submarinele aflate în vecinătatea suprafeței apei, precum și monitoarele cardiace de tip wireless, având utilizări și în geofizică;
Frecvență joasă (JF) sau undele lungi (UL sau LW): . Deoarece utilizează lungimi de undă mari, prezintă bune proprietăți de difracție, astfel încât acestea au capacitatea de a ocoli practic orice obstacol, putând astfel înconjura suprafața Pământului;
Frecvență medie (MF) sau undele medii (UM sau MW): . Comparativ cu undele lungi, pătrund mai adânc în ionosferă;
Frecvență înaltă (HF) sau undele scurte (US sau SW): . Cum atenuarea undelor la suprafața Pământului se mărește odată cu creșterea frecvenței rezultă că undele scurte sunt caracterizate de o foarte mică zonă de propagare ca unde de suprafață;
Frecvență foarte înaltă (VHF) sau undele ultrascurte (USS sau SSW): . Acestea au proprietatea de a nu fi reflectate în ionosferă și astfel ele se pierd în spațiu. Acesta este motivul care impune realizarea legăturilor pe UUS prin unde terestre. Sunt existente anumite asemănări între UUS și undele luminoase (vizibile):se difractă puțin, și de aceea legăturile stabile pot fi realizate numai în limita vizibilității directe. Aceasta se determină aproximând Pământul cu o sferă de raza 6370km (Figura 1.3), apoi se obține: , unde [m] reprezintă înălțimile celor doua antene de emisie și de recepție. În troposfera normal, apare totuși o mica difracție, ceea ce face ca distanța să se mărească: . Se folosesc în trasmisiuni radio cu modulație de frecvneță (FM), transmisiuni TV, PMR ( Professional Mobile Radio – la Taxi de exemplu), transmisiuni video digitale terestre, imagistică cu rezonanță magnetică;
Figura 1.3
Frecvență ultra înaltă (UHF) : . Acestea sunt cel mai frecvent utilizate în transmisiuni TV, PMR, cuptoare cu microunde, GPS, comunicații telefonice mobile (GSM, Universal Mobile Telecomunication System 3G, High Speed Downlink Packet Access 3.5G), telefoane cordless (DECT), WLAN (Wi-Fi 802.11 b/g/n), Bluetooth;
Frecvență super înaltă (SHF) : : TV satelit, WLAN (Wi-Fi 802.11 a/n), dispozitive de microunde, WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access – un protocol pentru acces fix sau mobil la internet), radare, etc;
Frecvență extrem de înaltă (EHF) : . Se folosesc la legături inter-satelit, dispozitive de microunde, WiMAX, radare de înaltă rezoluție, arme cu energie direcționată (sisteme de apărare active, de exemplu sisteme antirachetă), scannere de unde milimetrice.
1.4. Terminale mobile și standarde de comunicații
Pentru a furniza anumite servicii de comunicații mobile,se impune o cunoaștere a rețelelor prin intermediul cărora este posibilă furnizarea acestor servicii. Această calitate a serviciului, care este oferită utilizatorului, și care este percepută de acesta, este influențată de mai mulți factori, care la rândul lor pot să fie obiectivi și subiectivi. Dintre aceștia putem enumera:
Calitatea transmisiei pe care o oferă rețeaua;
Calitatea informației oferită de ofertantul serviciului;
Calitatea dar și accesibilitatea interfeței de comunicație prin care este realizat serviciul;
Conținutul informației oferite, precum și adaptarea acesteia la necesitățile clienților, etc.
În funcție de viteza de transmisie produsă, și ținând cont de banda de frecvență utilizată, putem clasifica serviciile oferite ca fiind de bandă largă sau îngustă. Termenul de bandă largă, respectiv de bandă îngustă, nu au în prezent o definiție suficient de riguroasă. Există definiții, ca cele promovate de FCC(„Federeal Communications Commission”, adică comisia federală a comunicațiilor), prin care acea limită dintre banda largă și cea îngustă ar fi reprezentată de o viteză de transmisie de aproximativ 200kbit/s, definiție care este totuși contestată.
Pentru conexiunile mobile, utilizatorul realizează comunicația în mișcare. În zilele noastre există trei limite de viteză care definesc mobilitatea față de rețea a utilizatorului, și anume:
Mobilitatea pietonală, prin această mobilitate se definește deplasarea cu o viteză de până la 10km/h, cu menținerea comunicației;
Mobilitate cu o viteză de până la 120km/h, pentru utilizatori aflați în mișcare;
Mobilitate cu o viteză de până la 500km/h, pentru utilizatori aflați în trenuri sau în vehicule de mari viteze etc.
Rețelele radio frecventate în vederea conectării mobile a utilizatorului sunt, în prezent, rețele de radiocomunicații digitale, celulare sau necelulare. Rețelele celulare sunt, în mod general, rețele cu care se acoperă suprafețe mari, de cele mai multe ori se regăsesc la nivelul unei țări. Rețelele radio necelulare sunt frecventate, de cele mai multe ori, pentru a elimina problema comunicațiilor pe anumite zone, atât în jurul locuinței, cât și în zone rurale sau suburbane, unde se găsesc foarte multe locuințe dispersate, sau în zone relativ aglomerate, însă cu dimensiuni destul de reduse, cum ar fi târguri, expoziții, etc.
Sistemele celulare folosite în prezent pentru comunicații mobile, în Europa, sunt:
GSM;
DCS 1800;
UMTS,
Cdma2000
Acestea apar cu variante diferite, aparținând fie generației 2G fie celei 3G de sisteme de comunicații mobile.
În ceea ce privește sistemele necelulare, care dispun de cea mai mare dezvoltare sau cu cel mai mare potențial sunt:
Wi-Fi;
WiMAX.
Aceste tipuri de sisteme pot fi configurate și ca sisteme celulare, în mod special WiMAX, astfel încât pot să ofere capacitatea de acoperire a unor suprafețe relativ mari, însă nu au posibilitatea de a ajunge la acoperirile realizate de rețelele celulare.
1.4.1. Tipuri de semnale emise de terminalele mobile
Pentru ca utilizatorii să poată accesa simultan semnalele, se folosesc două tipuri de duplexări: FDD (Frequency Division Duplex) și TDD (Time Division Duplex).
Pentru duplexarea în frecvență, se alocă două benzi de frecvență fiecărui utilizator: una pentru un sens și alta pentru sens invers (uplink/downlink). Intervalul de frecvență dintre cele două benzi este constant pentru toți utilizatorii de obicei. Acest tip necesită un circuit, numit duplexor (care este un filtru costisitor), care să separe sensurile (se utilizează aceeași antenă pentru cele două sensuri, rezultând ca separarea în frecvență este limitată.
Duplexarea în timp necesită două intervale temporale pentru fiecare utilizator: un slot temporal pentru un sens și altul pentru sens invers, așadar mai mulți utilizatori partajează același canal radio. Acest tip nu necesită circuitul duplexor (semnalele de pe cele două sensuri nu se suprapun în timp), însă este nevoie de o sincronizare temporală foarte bună.
Ambele topologii sunt folosite în mare parte în sisteme de comunicații wireless, cum ar fi WLAN, WiMAX(fixă/mobilă), LTE, etc.
Figura 1.4
Precum se poate vedea în Figura (1.4), pentru sistemul TDD banda de frecvențe Fc este folosită si pentru transmitere și pentru primire în diferite intervale de timp. Pentru sistemul FDD avem două benzi de frecvență Fc1 și Fc2 care sunt folosite pentru trimitere și primire în același interval de timp.
Știm că transmisia de la centrul de emisie la abonat se numește „downlink”(descărcare/primire), și transmisia de la abonat la centrul de emisie se numește „uplink”(încărcare) pentru sistemele de comunicație celulare sau wireless. Pentru TDD, ambele căi voi fi transmise pe aceeași frecvență purtătoare Fc, pe când la FDD se alocă două frecvențe Fc1 și Fc2.
Sistemele TDD sunt mai ieftine decât cele FDD, deoarece necesită mai puține module de radiofrecvență, cum ar fi sintetizatoare, oscilatoare locale sau filtre, așadar ele consumă mai puțină putere. TDD este mai favorabil în comparație cu FDD, deoarece pot folosi tehnici de antene avansate, cum ar fi „beamforming” (formarea fascicolului) și AAS („Adaptive Antenna System”, adică sisteme cu antene adaptive).
Cele mai multe terminale mobile folosesc FDD. Cele mai noi tehnologii LTE („Long-Term Evolution”) și sistemele 4G folosesc această tehnică, pe când cele mai multe transmisii de date wireless folosesc TDD. Alte exemple care folosesc TDD sunt WiMAX, Wi-FI, ZigBee, etc.
În concluzie, TDD pare să fie opțiunea cea mai bună, însă FDD este mult mai larg implementată, datorită spectrelor de frecvențe deja atribuite și deoarece este o tehnologie mai nouă. FDD va continua să domine piața celularelor momentan, dar atunci când spectrul de frecvențe va deveni mult mai scump și îngust, TDD va avea întâietate.
1.4.2. Caracteristici principale ale semnalelor în standarde 3G și 4G
3G și 4G sunt standarde ale comunicațiilor mobile. Aceste standarde specifică cum trebuie folosite undele electromagnetice pentru transmiterea informației (voce și date). 3G sau „a3a generație” a fost lansată în Japonia în 2001. Până la mijlocului anului 2010, majoritatea rețelelor wireless și de internet foloseau acest standard. Trecerea de la rețelele 2G la cele 3G a fost una cu o puternică îmbunătățire, oferind viteză mult mai mare pentru transferul de date, la fel fiind și trecerea de la 3G la 4G.
3G este a treia generație de tehnologie de comunicații mobile fără fir, oferind o mai mare viteză a internetului decât rețelele GPRS 2G și 2.5G. Rețelele 3G respectă specificațiile IMT-2000, incluzând telefonia vocală, televiziunea mobilă, apeluri video și accesul la internet.
4G este a patra generație de tehnologie a rețelei celulare de bandă largă, care a depășit 3G ca performanțe. Un sistem 4G trebuie să furnizeze capabilități definite de ITU în IMT Advanced. Aplicațiile 4G includ accesul la internet mobil, telefonia IP, jocuri, HDTV și videoconferințe.
Din punctul de vedere ar transmiterii de date, tehnologia 3G poate avea un maxim de 3.1Mbps, însă viteza medie este de 0.5-1.5Mbps, pe când 4G are o medie între 2-12Mbps, dar cu un potențial estimat în marja 100-300Mbps.
Maximele ratelor de încărcare (upload) și descărcare (download) sunt în totalitate în favoarea rețelei 4G, upload 500Mbps, download 1Gbps, în comparație cu cele de la 3G, 5Mbps pentru încărcare, respectiv 100Mbps pentru descărcare.
Tehnologia de comutare a celei de a patra generații a inclus pe lângă „packet switching” care aparținea și generației a treia, „message switching” pentru o optimizare mai bună. Din punctul de vedere al arhitecturii internetului, 3G folosește „Wide Area Cell Based” (adică celule bazate pe arii largi), pe când 4G folosește integrări ale tehnologiilor wireless LAN(„Local Area Network”, adică rețele locale) și „Wide area”.
Tehnologia 3G lucrează în banda 1.8-2.5 GHz, pe când cea 4G folosește banda 2-8GHz. Ca servicii și aplicații, rețelele 3G includ CDMA 2000, UMTS, EDGE, etc, iar cele 4G includ WiMAX2 și LTE-Advance. Ambele standarde folosesc coduri corectoare de erori, 3G folosește coduri „Turbo”, pe când cele 4G folosesc coduri concatenate, mult mai eficiente și rapide.
1.5. Caracteristicile principale ale antenelor de emisie ale telefoanelor mobile
În GSM, emițătoarele stațiilor de bază și echipamentelor mobile sunt clasificate în funcție de puterea maximă pe care o pot livra. Astfel, se pot deosebi până la 8 categorii de echipamente de radiofrecvență pentru stațiile de bază, începând de la 2.5W până la 320W, cu o distanță de 3dB (dublare de putere) între ele.
Controlul adaptiv al puterii devine obligatoriu pentru stațiile mobile și opțional pentru stațiile de bază. Scopul acestei caracteristici este reducerea interferenței și a consumului de putere din baterie, fiind păstrată calitatea comunicației. Au fost stabilite 16 niveluri distincte de putere pentru stațiile mobile, distanțate cu 2dB. Nivelul minim, fără a ține cont de clasă, este de 13dBm (20mW). Nivelul maxim depinde de clasă si îl voi prezenta în Tabelul 1.
Tabelul 1 – Clasele stațiilor mobile
Puterea de emisie a BTS (Base Transceiver Station) poate fi redusă de la valoarea maximă cu cel puțin 6 trepte de 2 dB, fiecare având o acuratețe de , cu scopul de a controla acoperirea radio a celuilalt. Acest reglaj fix este prevăzut în orice BTS ,însă acesta nu trebuie confundat cu controlul adaptiv al puterii.
GSM are capacitatea de a utiliza mai multe tipuri de terminale mobile. Primele dintre aceste tipuri de terminale mobile utilizate erau customizate și erau atribuite utilizatorului. În variantele mai noi, GSM realizează o distincție între abonat și terminalul pe care acesta îl utilizează în vederea realizării legăturii de comunicație. Separarea este necesară în vederea utilizării terminalului mobil de către oricare utilizator, cu ajutorul unui modul de identificare, pentru ca terminalul mobil să nu mai fie atribuit în exclusivitate unui singur utilizator. În acest caz abonatul mobil devine astfel desemnat sub acronimul MS iar terminalul mobil devine desemnat sub acronimul MT. Astfel că, un abonat devine capabil de a realiza conectarea la rețea utilizând orice terminal pe care l-a personalizat, acest lucru devine posibil prin introducerea modulului propriu de identificare SIM. Structura de principiu a unei stații mobile capabilă de a fi acționată cu ajutorul modulului SIM conține un bloc denumit „Echipament mobil, ME”, și unul denumit „Modul de identificare a utilizatorului”. Acesta comunică bidirecțional cu sistemul stațiilor de bază prin Interfața Um. Modulul SIM este realizat sub forma unei cartele magnetice, pe această cartelă fiind înregistrate anumite caracteristici care devin necesare pentru a se putea realiza recunoașterea utilizatorului precum și pentru a se obține alte informații necesare, de exemplu cele pentru taxare.
Echipamentul terminal este alcătuit dintr-una sau mai multe unități de echipament și acesta poate să aibă una sau chiar mai multe din următoarele entități: set telefonic, precum și terminale de utilizator (acestea fiind prezente ca echipamente terminale de date, terminale telex), sau sisteme de utilizator.
În ceea ce privește echipamentul mobil, acesta conține o secțiune de emisie, o secțiune de recepție, dar și un circuit duplexor care are scopul de a realiza lucrul comun al emisiei și recepției pe o antenă comună, de asemenea acesta conține și anumite circuite de prelucrare a semnalului, care pornesc de la banda de bază și continuă până la semnalul de radiofrecvență ca și un set de circuite cu rol de decodificare pentru semnalul recepționat și totodată, de transpunere a acestuia în banda de bază. Echipamentul mobil are în componența sa, de asemenea, o serie de circuite care sunt necesare pentru a realiza semnalizările și măsurătorile necesare funcționării în rețea.
Oricărui echipament mobil îi este făcută identificarea printr-un număr de intentificare internațională a echipamentului stației mobile IMEI, acest număr utilizat fiind unic atribuit echipamentului. IMEI deține în componența sa atât indicativul fabricantului cât și alte elemente de identificare. Acest număr este obținut printr-o convenție efectuată între realizatorii echipamentelor, având scopul de a identifica stațiile, dar și de a depista stațiile care posedă anumite defecte. IMEI este un utilizator tipic de rețea, deoarece utilizează registrul de identificare a echipamentelor, ori de câte ori este necesar.
Modulul care realizează identificarea abonatului, SIM, conține informațiile necesare pentru a realiza conectarea unui abonat la rețea. Există două tipuri de informații: informații fixe, acestea rămân constante pe întreaga durată în care se realizează exploatarea SIM și informații variabile, care se modifică pe durata exploatării.
Un exemplu de informație fixă poate fi reprezentat de numărul de identificare internațională a abonatului, IMSI, iar ca și exemple de informații variabile, se poate distinge numărul de identificare temporară a unui abonat, TMSI, precum și anumite detalii referitoare la zona de localizare a unui anumit abonat la un anumit moment dat (numărul ariei de localizare.) etc.
Antenele interne, precum cea Planar, Antena PIFA sau antenele microstrip sunt de obicei incorporate în carcasa telefonului. Există informații că antenele interne au o eficiență mai mică (unele nu ating eficientă de 70%). Mai mult, antenele interne, spre deosebire de antenele externe, sunt de obicei antene omnidirecționale. De regulă, lobul principal al caracteristicii de directivitate este direcționat spre spatele aparatului, adică înspre capul persoanei care utilizează dispozitivul.
Pentru exemplificare, voi descrie caracteristicile tehnice ale unui sistem de telefonie fără fir de tipul CT2 („Cordless Telephone 2”) și a unuia DECT („Digital European Cordless Telecomm.”) în următorul tabel:
Tabelul 2 – Comparație CT2 si DECT
În cadrul sistemului DECT, avem o viteză de transmisie a informației de 1.52 Mbit/s, cu o viteză netă de transmitere a informației numerice pe canal (pentru o fereastră temporală) de 32 kbit/s pentru trafic, și 6.4 kbit/s pentru semnalizare/control.
Cât despre tipurile de antene pe care le putem regăsi în sistemele telefonice mobile, voi prezenta în următorul tabel cele mai folosite tipuri.
Tabel 3 – Tipuri de antene folosite
Capitolul 2
MĂSURAREA CÂMPULUI ELECTROMAGNETIC EMIS DE ANTENE DE RADIOCOMUNICAȚII ÎN 3G și 4G
2.1. Analizorul spectral – generalități
Precum cunoaștem deja, orice semnal electric poate fi caracterizat, în mod univoc, prin două reprezentări: în domeniul timp și în domeniul frecvență.
Dacă anumite proprietăți ale semnalelor electrice sunt mai relevante și ușor de măsurat în domeniul timp (ex: timpii de creștere și de cădere ai semnalelor de tip impuls), altele sunt concludente a fi măsurate doar în domeniul frecvență (ex: lățimea de bandă ocupată de un semnal modulat).
Analizoarele de spectru sunt instrumente care deservesc la determinarea conținutului în armonici al semnalelor, sau, altfel spus, la măsurarea puterii fiecărei componente spectrale. Ele afișează amplitudinea semnalelor în funcție de frecvență (măsuri în domeniul frecvență), fiind complementare osciloscoapelor, care afișează amplitudinea semnalelor în funcție de timp.
După modul de extragere a armonicilor semnalelor, analizoarele de spectru sunt seriale sau în timp real. Cele seriale au armonicile extrase și afișate succesiv, precum analizorul superheterodină, analizorul cu filtru acordabil sau analizorul cu filtru dispersiv. Acestea se utilizează la frecvențe înalte (radiofrecvență și microunde). Analizoarele în timp real permit extragerea și afișarea simultană a tuturor armonicilor și sunt cele cu filtre în paralel, cu compresie de timp sau analizorul Fourier, fiind folosite în audiofrecvență.
Cel mai utilizat analizor de spectru este cel de tip superheterodină, a cărui schemă va fi prezentată în Figura 2.1. Spectrul semnalului de intrare este explorat cu ajutorul unui oscilator local și al unui etaj de amestec (mixer), iar extragerea succesivă a armonicilor se realizează cu ajutorul unui filtru trece-bandă (filtru de frecvență intermediară), acordat pe o frecvență centrală fixată, fi. Semnalul de ieșire al filtrului este amplificat (logaritmic), supus unei detecții pătratice, și în final, aplicat plăcilor de deflexie pe verticală (OY) ale tubului catodic. Generatorul de baleiaj comandă plăcile de deflexie pe orizontală (OX) și, în același timp, atacă oscilatorul local, astfel încât domeniul de frecvență baleiat de acesta este determinat de amplitudinea tensiunii rampă. Pe această cale, după o excursie completă a tensiunii de baleiaj, pe ecran vor apărea toate armonicile semnalului analizat (întreg spectrul de frecvență al semnalului).
Analizoarele de spectru moderne, în locul sistemului osciloscopic cu tub catodic, utilizează ecrane cu cristale lichide. Afișarea numerică prezintă avantaje incontestabile, însă este necesară o procesare suplimentară a semnalului, dar și existența unor moduri de afișare specializate.
Înainte ca datele rezultate din procesul de măsurare să fie afișate, ele trebuie convertite în formă numerică, semnalul de la detector aplicându-se unui convertor analog-numeric cu parametri performanți (viteză, rezoluție și liniaritate). Din moment ce ecranul prezintă un anumit număr de pixeli, utilizatorul trebuie să decidă ce valoare va fi afișată pentru fiecare dintre acestea.
Figura 2.1 – Schema bloc simplificată a unui analizor de spectru de tip superheterodină
În cadrul proiectului efectuat de mine, am folosit analizorul spectral „Spectran 5 HF-80120 V5x”. Acesta este un analizor USB în timp real cu o bandă de până la 175MHz, cu o probabilitate de interceptare (POI) mai mică de o microsecundă. Acesta are o viteză de baleiere de până la 14THz/s, folosește tehnologia filtrelor polifazice, de mărime și greutate relativ scăzute, având cel mai nou software RTSA („Real-time spectrum analysis”) cu posibilitate de vedere 3D în timp real al spectrului măsurat continuu, fără pauze de măsură și cu posibilitate de redare a graficelor precedente. Acesta a fost proiectat pentru monitorizarea de spectre de radiofrecvență și microunde, pentru detectarea surselor de interferență, dar și pentru testarea rețelelor Wi-FI și wireless.
„Spectran 5” a fost fabricat în Germania, vine cu o garanție de doi ani și greutatea sa fiind de 2.1kg. Acesta are intervalul de frecvențe între 9kHz și 12GHz, nivelul de zgomot al preamplificatorului este de -150dBm/Hz. Lărgimea benzii filtrului este de la 1Hz până la un maxim de 40MHz, cu o precizie a unității de bază de 1.5dB. Conectat la acest analizor spectral avem un preamplificator intern de 20 dB „Option 020”, o antenă omnidirecțională „OmniLOG 70600” care are intervalul de frecvențe de la 700MHz până la 6GHz. Bineînțeles, acesta beneficiază și de o carcasă rezistentă la apă și șocuri, de adaptori pentru alimentarea cu tensiune a sa, dar și de software-ul mai sus menționat.
Figura 2.2 – Analizorul spectral „Spectran 5”
2.2. Antene/senzori de măsurare a nivelului de câmp în proximitatea unui terminal mobil
Pentru a putea realiza o evaluare a expunerii omului la câmpul electromagnetic, măsurătoarea trebuie să vizeze în primul rând intensitatea (puterea, amplitudinea) câmpului, iar acest parametru trebuie să fie cel mai relevant. Din cauza faptului că expunerea provine din anumite surse diferite, ambientale și ocupaționale, va rezulta faptul că puterea acesteia trebuie să fie o rezultantă a puterilor câmpurilor care se propagă pe mai multe direcții. În ceea ce privește puterea câmpului electromagnetic, aceasta se măsoară cu un aparat care deține un senzor magnetic și care este numit gaussmetru (teslametru) sau electric, aparat incorporat în analizorul spectral „Spectran 5”. Se pot executa două tipuri de măsurători cu acest aparat: măsurarea în bandă largă și măsurarea cu frecvență selectată.
Câmpul este alcătuit din două mari componente principale, după cum urmează: prima componentă este cea reactivă și cea de-a doua componentă, radiativă. Componenta reactivă face referire la acea energie care este înmagazinată în regiunea din apropierea sursei și care este responsabilă de anumite efecte asupra omului. Această regiune se regăsește în jurul sursei, până la o distanță de aproximativ 0.2-2m (regiunea câmpului apropiat).
Măsurătorile efectuate în regiunea câmpului apropiat sunt foarte greu de realizat, deoarece pot fi foarte ușor influențate, de exemplu chiar și simpla introducere a sondei pentru măsurare are capacitatea de a modifica substanțial câmpul (din acest motiv se face apel la dozimetria computațională sau la dozimetria bazată pe fantome, care este un model anatomic ce reprezintă anumite structuri pe care le conține corpul uman, de cele mai multe ori configurații ale capului, constituite din anumite materiale cu rezistență electrică foarte apropiată de cea a țesuturilor biologice).
Componenta radiativă este localizată la distanțe mai mari de o lungime de undă (câmp depărtat), loc în care unda electromagnetică poate fi prezentată ca o undă plană, iar raportul existent între intensitatea câmpului electric și intensitatea câmpului magnetic fiind în acest caz constant. Această caracteristică este cea care face suficientă măsurarea unei singure componente ale câmpului. Există însă o zonă de tranziție, între cele două regiuni, iar în această zonă predomină componenta radiativă.
Din cauza faptului că lungimea de undă are proprietatea de a fi invers proporțională cu frecvența, aceste regiuni au și ele capacitatea de a varia considerabil, de la 1mm la 100km în cadrul benzii de radiofrecvență. Spre exemplu, pentru frecvențe mai mari de 300 MHz (<1m), expunerea populației se realizează doar în regiunea câmpului îndepărtat, astfel se face excepție de la situația în care persoana se află la o distanță mai mică de un metru față de sursă.
Pentru o măsurare corectă și relevantă trebuie să se țină cont de compatibilitatea existentă a aparatului de măsură cu banda de frecvență a surselor monitorizate, un alt factor determinant pentru realizarea unei măsurători corecte este reprezentat de faptul că măsurătoarea trebuie să se execute pe cele trei direcții ortogonale, dar în fiecare punct (în cazul în care aparatul este unidirecțional).De asemenea, trebuie luată în calcul alterarea măsurătorii de către sondă, acest lucru se poate produce în regiunea câmpului apropiat și totodată, un alt lucru de care trebuie să se țină cont este reprezentat de faptul că efectuarea de măsurători trebuie să se realizeze în mai multe puncte ale locației, astfel că, trebuie să existe o măsurătoare ambientală dar și mai multe măsurători în proximitatea surselor din acea locație. Alt fapt de care trebuie ținut cont este acela când sursei nu i se cunosc caracteristicile tehnice (în special frecvența de emisie),și de aceea aceasta poate să nu fie detectată dacă nu se folosește aparatul corespunzător, iar ca urmare rezultatul unei măsurători ambientale poate fi irelevant sau interpretat eronat în ceea ce privește efectul cumulat al radiațiilor.
Pentru măsurătorile efectuate în cadrul acestui proiect, am folosit un set de sonde „PBS 1 / DC to 9GHz”, care conține sonde de mărimi variabile (1x50mm PBS-H4, 1x25mm PBS-H3, 1x12mm PBS-H2, 1x6mm PBS-H1). Acestea funcționează până la o frecvență de 9GHz, cu o precizie foarte bună. Acest pachet conține pe lângă cele 4 sonde enumerate mai sus pentru măsurarea câmpului magnetic și o sondă pentru măsurarea câmpului electric. Acest set a fost creat pentru calculul câmpurilor de radiofrecvență in domenii precum: depistarea surselor de interferență, estimare a puterii câmpului, verificarea protecției și filtrării măsurătorilor, identificarea de componente avariate și detectarea circuitelor care sunt foarte sensibile interferențelor.
Figura 2.3 – Sondele de măsură PBS1
Capitolul 3
INTERPRETAREA REZULTATELOR OBȚINUTE ȘI COMPARAREA ACESTORA PENTRU 3G ȘI 4G
3.1. Introducere
În acest capitol este prezentată partea practică a lucrării ce constă într-o analiză și o interpretare a datelor prelucrate, rezultate în urma măsurătorilor și totodată un studiu comparativ între rezultatele obținute pentru standardul 3G și 4G. Acest studiu este de fapt un experiment ce constă în măsurători realizate pentru două tipuri de aplicații foarte frecvent utilizate în zilele noastre de un număr extrem de mare de persoane. Aplicațiile utilizate de telefonul mobil sunt:Facebook și Youtube. Aplicația Facebook este un site web de tip rețea de socializare din internet, fiind creată în anul 2004,oferind posibilitatea de a conecta persoane apropiate, dar și persoane necunoscute. Accesul la această rețea se poate face din orice loc unde există acces la internet. Înființată relativ recent, aplicația Facebook este în acest moment una dintre cele mai răspândite rețele de socializare din lume, aplicația având 1,44 miliarde de membrii din întreaga lume, numărul acestora fiind în creștere.
Cea de-a două aplicație utilizată în vederea efectuării măsurătorilor este aplicația Youtube. Aceasta este un site web, iar utilizatorii pot efectua două tipuri de operațiuni, astfel că, prima operațiune care poate fi utilizată este reprezentată de încărcarea anumitor materiale cu caracter video-audio, iar cea de-a doua operațiune este reprezentată de posibilitatea de accesare a acestor materiale și de vizionare a lor. Aplicația a fost creată în anul 2005,dispunând de tehnologia “Adobe Flash Player”,având scopul de a expune o gamă largă de clipuri video care pot fi create chiar de utilizatori, dar dispune și de fragmente din programele de televiziune sau filme. Aplicația a devenit una dintre cele mai importante aplicații a internetului, deoarece înainte de crearea acestei aplicații existau foarte puține metode de încărcare a videoclipurilor pe Internet. Am decis să supun măsurătorilor aceste două aplicații deoarece sunt utilizate zilnic, de o gamă foarte mare de oameni din întreaga lume și deoarece au un rol și un impact foarte mare în viața de zi cu zi a oamenilor.
3.2. Obiective
Obiectivul nr.1:Obiectivul fundamental al acestui studiu pe care l-am realizat este reprezentat de măsurarea nivelului de putere pentru cele două aplicații selecționate. Deoarece aceste două aplicații sunt utilizate zilnic de un număr foarte mare de oameni din întreaga lume, și datorită importanței pe care o reprezintă pentru acești oameni, consider că măsurarea nivelului de putere reprezintă un studiu foarte interesant și important deoarece reprezintă un factor esențial în ceea ce privește funcționarea acestor aplicații și de asemenea, acest studiu ne ajută să înțelegem mai bine anumite aspecte de funcționare și de modul de rulare a aplicației deoarece aceste aspecte nu sunt cunoscute de către numărul numeros de oameni care utilizează aplicațiile.
Obiectivul nr.2: Cel de-al doilea obiectiv este reprezentat de observarea și analizarea modului de variație al nivelului de putere la anumite distanțe de măsurare ale acestuia față de telefonul mobil. Din punctul meu de vedere acest obiectiv este important deoarece trebuie să observăm nu doar variația nivelului de putere într-un mod standard, ci și prin analizarea modului cum acest nivel de putere variază în anumite condiții, din acest considerent am decis să realizez această analiză prin efectuarea măsurătorilor la diferite distanțe față de telefonul mobil.
Obiectivul nr. 3: Consider că un al treilea obiectiv îl constituie comparația dintre rezultatele obținute a nivelului de putere prin utilizarea aceluiași tip de aplicație însă în standarde de comunicații diferite. Astfel că, mi-am propus să analizez aceste variații ale nivelului de putere pentru standardele 3G și 4G. Un alt element foarte important în vederea realizării acestui studiu, am decis să fie reprezentat de această comparație. În anumite condiții impuse de mediul și de locul în care este poziționat utilizatorul sau din dorința personală a fiecărui utilizator, aceste aplicații pot fi rulate utilizând diferite standarde de comunicații.
În continuare o să prezint modul de realizare a măsurătorilor efectuate, modul de prelucrare a datelor inițiale obținute și de asemenea, analiza și interpretarea acestora.
3.3. Materiale și metode utilizate
În vederea realizării măsurătorilor au fost utilizate următoarele materiale:
Analizorul spectral (Spectran 5)
Setul de senzori PBS
Software-ul oferit de Aaronia
Telefonul mobil propriu
Figura 3.1-Modul de interconectare al materialelor utilizate
În figura de mai sus este reprezentat modul de interconectare al materialelor folosite. Așadar, utilizăm laptopul pentru a putea rula software-ul oferit de compania Aaronia. Aceasta este producătoare de echipamente de măsurare cu frecvență joasă dar și înaltă, precum și de tehnologii și tehnici de măsurare folosite în segmentul ingineriei comunicațiilor. De asemenea, scopul principal al companiei este reprezentat de producerea, dezvoltarea și vânzarea dispozitivelor de măsurare extrem de sensibile și de precise. Am utilizat un analizor spectral în timp real, produs de această companie, acesta este Spectran 5,ale cărui caracteristici și descriere au fost prezentate în capitolul 2.
Acestui analizor spectral i-am atașat o sondă de câmp electric, în vederea măsurării nivelului de câmp electric din proximitatea telefonului mobil, în timp ce am rulat diverse aplicații pe acesta. Pentru a putea observa în timp real rezultatele obținute și pentru a realiza măsurători cât mai exacte am utilizat software-ul oferit de aceeași companie, acest lucru realizându-se prin conectarea analizorului spectral la laptopul în care a fost descărcat și rulat software-ul. Acest software dispune de o serie de facilități, spre exemplu are capacitatea de a rula cu orice sistem de operare precum MAC OS, Linux sau Windows. Totodată, i se pot aplica diferite setări în timp real și este compatibil cu o gamă variată de analizoare spectrale.
Figura 3.2-Display afișat de software-ul utilizat
În figura 3.2 este prezentat display-ul afișat de software-ul pe care l-am folosit, înainte să îi fie aplicate setările necesare, corespunzătoare măsurătorilor pe care le-am realizat. Primul pas pe care l-am abordat în vederea realizării setărilor potrivite a fost reprezentat de determinarea benzii de frecvență pe care o utilizează rețeaua de telefonie mobilă folosită de către telefonul meu mobil.
Astfel că, în conformitate cu precizările făcute de către “Autoritatea Națională pentru Administrare și Reglementare în Comunicații” (ANCOM),am determinat banda de frecvență utilizată și licențiată de către rețeaua de telefonie a telefonului meu mobil. Banda de frecvență folosită în 3G pentru uplink de către telefonul meu mobil este între 1.940-1.950 GHz.
Figura 3.3-Display afișat de software-ul utilizat după stabilirea setărilor în 3G
În figura 3.3 sunt expuse setările optime în vederea realizării măsurătorilor propuse pentru 3G și modul în care a fost reprezentat spectrul în timp real. Frecvența utilizată este de 1,94300 GHz, la această frecvență semnalul este cel mai vizibil, având puterea maximă, iar pentru a cuprinde tot spectrul de variație al semnalului am ales lungimea de bandă de 5 MHz. În vederea parcurgerii într-un mod cât mai eficient al benzii de frecvență am ales pasul de parcurgere de 1 MHz. Viteza aleasă de parcurgere este de 224,aceste măsurători realizându-se în lipsa atenuării.
În mod similar, în ceea ce privește stabilirea setărilor necesare pentru realizarea măsurătorilor în 4G primul pas a fost reprezentat de determinarea benzii de frecvență utilizată de rețeaua de telefonie mobilă, acest lucru l-am determinat în conformitate cu precizările făcute de către „Autoritatea Națională pentru Administrare și Reglementare în Comunicații” (ANCOM). În urma acestui studiu am ajuns la concluzia că banda de frecvență utilizată de către rețeaua de telefonie mobilă folosită de către telefonul meu mobil, în 4G începe de la frecvența de 1,800GHz.
Figura 3.4- Display afișat de software-ul utilizat după stabilirea setărilor în 4G
În figura 3.4 sunt expuse setările optime în vederea realizării măsurătorilor propuse pentru 4G și modul în care a fost reprezentat spectrul în timp real. Astfel, frecvența utilizată este de 1,81500GHz la această frecvență semnalul este cel mai vizibil,având puterea maximă,iar pentru a cuprinde tot spectrul de variație al semnalului am ales lungimea de bandă de 22 MHz.
În vederea parcurgerii într-un mod cât mai eficient al benzii de frecvență am ales pasul de parcurgere de 1MHz. Viteza aleasă de parcurgere este de 448,aceste măsurători realizându-se în lipsa atenuării.
Următorul pas pe care l-am abordat după efectuarea setărilor optime în vederea obținerii celor mai bune rezultate, a fost să determin modul de efectuare al măsurătorilor atât pentru 3G cât și pentru 4G. Astfel că am decis să realizez măsurători pentru fiecare aplicație în parte pe 3 axe de coordonate astfel:
Figura 3.5-Direcția de măsurare X
În figura 3.5 este prezentat primul mod de efectuare a măsurătorilor realizat, pe prima direcție de măsurare, aceasta fiind direcția X, pentru o anumită aplicație specifică telefonului mobil. Pe această direcție am realizat un număr de 8 măsurători la distanțe diferite astfel că, prima măsurătoare a fost realizată la distanța de 0,5cm, pasul folosit în continuare a fost de 0,5cm, astfel că ultima măsurătoare realizată pe această direcție a fost efectuată la distanța de 4cm.
Figura 3.6-Direcția de măsurare Y
În figura 3.6 este prezentat cel de-al doilea mod de efectuare a măsurătorilor, realizat pe cea de-a doua direcție de măsurare, aceasta fiind direcția Y, pentru același tip aplicație utilizată și pe direcția X, specifică telefonului mobil.
La fel ca la prima direcție de realizare a măsurătorilor, am efectuat un număr de 8 măsurători și pentru această direcție, prima măsurătoare a fost realizată la distanța de 0,5cm, de asemenea, am utilizat un pas de creștere a distanței de 0,5cm, rezultând faptul că ultima măsurătoare s-a realizat la distanța de 4cm față de telefonul mobil în momentul în care acesta rula diverse aplicații atât în 3G cât și în 4G.
Figura 3.7-Direcția de măsurare Z
În figura 3.7 este prezentat ultimul mod de efectuare a măsurătorilor, realizat pe cea de-a treia direcție de măsurare, respectiv direcția Z, fiind utilizată același tip de aplicație ca la cele două direcții anterior precizate X și Y.
În cazul acestei direcții am respectat același tip de abordare ca și la celelalte două direcții de măsurare. Astfel că, am efectuat un număr de 8 măsurători și pentru această direcție, prima măsurătoare a fost realizată la distanța de 0,5cm, de asemenea, am utilizat un pas de creștere a distanței de 0,5cm, rezultând faptul că ultima măsurătoare s-a realizat la distanța de 4cm față de telefonul mobil în momentul în care acesta rula diverse aplicații atât în 3G cât și în 4G.
Următorul pas făcut după ce am stabilit cele trei direcții de măsurare, distanțele la care s-a efectuat fiecare măsurătoare și setările corespunzătoare atât pentru aplicațiile 3G cât și pentru cele 4G a fost reprezentat de prelucrarea datelor, pentru ca să pot realiza o analiză și o comparație cât mai eficientă. Astfel că, pentru fiecare măsurătoare a rezultat un fișier de tip Excel care conține 300 de linii și 225 de coloane de date. Fiecare dată din fișier reprezintă nivelul de putere măsurat la o anumită frecvență și la un anumit timp. Deoarece nivelul de putere măsurat a rezultat exprimat în dBm pentru a putea efectua anumite operații matematice ca de exemplu calculul mediei sau operații de înmulțire a fost necesară transformarea tuturor datelor din dBm în mW. Acest lucru l-am realizat utilizând următoarea formulă:
La finalul transformărilor a rezultat același număr de linii și de coloane de date, acestea fiind exprimate în mW. Următoarea acțiune pe care am realizat-o a fost reprezentată de calcularea mediei pe fiecare coloană a nivelului de putere, operațiunea fiind desfășurată în programul Excel. Am repetat procedeul de calculare a mediei pe fiecare coloană pentru fiecare măsurătoare în parte, trecând rezultatele obținute în fișiere separate în vederea realizării următoarei operații din etapa de prelucrare a datelor.
Figura 3.8-Mediile rezultate pentru fiecare coloană
În figura 3.8 este prezentat un fișier în programul Excel în care au fost trecute toate mediile obținute pe fiecare coloană, menționez faptul că fișierul original conține 225 de coloane, iar în captura reprezentată sunt afișate doar 18 coloane din cele 225. Această operațiune am repetat-o și pentru celelalte două direcții Y și Z și de asemenea operațiunea a fost repetată pentru fiecare măsurătoare în parte în vederea prelucrării datelor pentru obținerea unor grafice cu valori. Următorul pas parcurs este reprezentat de o operație de calcul, de asemenea, realizată tot în programul Excel, iar pentru realizarea operației am aplicat următoarea formulă de calcul:
Pentru a putea analiza și a interpreta grafic datele am aplicat formula anterior prezentată. Am aplicat această formulă cu scopul de a obține un singur rezultat pentru nivelul de putere, acesta fiind obținut conform formulei, aplicând funcția radial sumei pătratelor valorilor respective. Unda electromagnetică se reprezintă într-un sistem de coordonate de tipul X,Y,Z și de aceea în vederea realizării măsurătorilor am ales aceste direcții de măsurare. Așadar conform formulei anterior menționate, E reprezintă valorile obținute pentru direcția X de efectuare a măsurătorilor, iar în mod similar celelalte două elemente ale formulei corespund cu valorile obținute pentru direcțiile Y și Z. Această formulă a fost aplicată în programul Excel, în vederea obținerii graficelor corespunzătoare pentru valorile obținute.
Figura 3.9- Tabelul rezultat în urma aplicării formulei (3.2)
În figura 3.9 sunt prezentate rezultatele obținute în urma efectuării operației de calcul menționată mai sus. Această operație reprezintă calcul mediei dintre valorile prelucrate pe cele trei direcții de realizare a măsurătorilor, rezultând o medie finală a valorilor pentru nivelul de putere măsurat. Menționez faptul că în această figură, am putut surprinde doar 18 coloane, fișierul original având 225 de coloane. Aceste valori au fost obținute pentru cele opt distanțe de realizare a măsurătorilor, pornind de la distanța de 0,5cm și continuând cu pasul de 0,5cm până la distanța de 4cm. Cele 225 de coloane de date reprezintă valorile efective ale nivelului de putere măsurat, aceste valori variază, ele fiind înregistrate la o anumită frecvență. Am decis să repet acest mod de prelucrare a datelor obținute pentru fiecare aplicație în parte, respectând aceeași pași pentru a putea interpreta și analiza într-un mod cât mai veridic datele obținute. Această operațiune a reprezentat ultimul pas în ceea ce a privit prelucrarea datelor obținute. Am decis că este necesar să realizez grafice pentru a putea observa mult mai bine modul de variație a nivelului de putere și de a analiza datele obținute.
3.4. Rezultate și discuții
Figura 3.10-Variația nivelului de putere pentru aplicația Facebook în 3G
În figura 3.10 sunt reprezentate sub formă grafică datele obținute după prelucrare, care la rândul ei a fost realizată prin respectarea pașilor de prelucrare pe care i-am menționat anterior. Datele reprezentate au fost obținute prin măsurarea nivelului de putere pentru aplicația Facebook, aceasta rulând pe telefonul mobil în standardul de comunicație 3G.
După cum se poate observa în figură am realizat două axe de coordonate. Astfel că, pe axa Ox am dispus frecvențele specifice la care s-au realizat măsurătorile, acestea fiind exprimate în GHz. Este parcursă întreaga bandă de frecvență, pasul de parcurgere al acesteia fiind de 24,414 Hz.
Pe axa Oy am dispus puterile, acestea fiind exprimate în mW și de asemenea am stabilit un număr de 7 zecimale după virgulă deoarece am ajuns la concluzia că acestea este numărul cel mai optim pentru a putea interpreta grficul în cel mai bun mod. Totodată deasupra graficului am realizat o legendă cu colorile specifice utilizate pentru fiecare distanță în parte.
Figura 3.11- Variația nivelului de putere pentru aplicația Youtube în 3G
În figura 3.11 sunt reprezentate datele obținute după prelucrare sub formă grafică, modul de obținere al acestora este similar cu cel prezentat anterior prezentat. Datele reprezentate au fost obținute prin măsurarea nivelului de putere pentru aplicația Youtube, aceasta rulând pe telefonul mobil în standardul 3G.
După cum se poate observa în figură am realizat două axe de coordonate. Astfel că, pe axa Ox am dispus frecvențele specifice la care s-au realizat măsurătorile, acestea fiind exprimate în GHz. Este parcursă întreaga bandă de frecvență, pasul de parcurgere este același, adică acesta este de 24,414 Hz.
Pe axa Oy am dispus puterile, acestea fiind exprimate în mW și de asemenea am stabilit pentru acest caz un număr de 10 zecimale după virgulă deoarece am ajuns la concluzia că acestea este numărul optim pentru a putea interpreta graficul în cel mai bun mod. Totodată deasupra graficului am realizat o legendă cu colorile specifice utilizate pentru fiecare distanță în parte.
Figura 3.12- Variația nivelului de putere pentru aplicația Youtube în 3G pentru componenta H
În figura 3.12 sunt reprezentate datele obținute după prelucrare sub formă grafică, prin același mod de prelucrare pe care l-am utilizat și la celelalte aplicații. Datele reprezentate au fost obținute prin măsurarea nivelului de putere pentru aplicația Youtube, aceasta rulând pe telefonul mobil în standardul 3G,cu precizarea că de această dată nu a fost măsurată componenta electrică ci a fost măsurată componenta magnetică deoarece am dorit să fac o analiză a datelor obținute pentru același tip de aplicație, în același standard de comunicație și cu aceleași setări. De asemenea, și în acest caz am realizat aceleași axe de coordonate, cu precizarea că am folosit un număr de 10 zecimale după virgulă în ceea ce privește puterea, iar în ceea ce privește pasul de parcurgere al frecvenței este cel specific pe care l-am utilizat pentru 3G,cel de 24,414 HZ
Figura 3.13- Variația nivelului de putere pentru aplicația Facebook în 4G
În figura 3.13 sunt reprezentate datele sub formă grafică obținute după prelucrare. Datele reprezentate au fost obținute prin măsurarea nivelului de putere pentru aplicația Facebook ,aceasta rulând pe telefonul mobil dar acum în standardul 4G. De asemenea și pentru acest grafic am utilizat același tip de axe la fel ca la graficele rezultate în standardul 3G cu mențiunea că în acest caz pasul frecvenței este de 48,828 Hz și în acest caz banda de frecvență utilizată este parcursă în întregime.
Pe axa Oy am dispus puterile, acestea fiind exprimate în mW și de asemenea am stabilit pentru acest caz un număr de 7 zecimale după virgulă deoarece am ajuns la concluzia că acesta este numărul optim pentru a putea interpreta graficul în cel mai bun mod. Totodată deasupra graficului am realizat o legendă cu colorile specifice utilizate pentru fiecare distanță în parte.
Figura 3.14- Variația nivelului de putere pentru aplicația Facebook în 4G
În figura 3.14 sunt reprezentate datele sub formă grafică obținute după prelucrare. Datele reprezentate au fost obținute prin măsurarea nivelului de putere pentru aplicația Youtube ,aceasta rulând pe telefonul mobil în standardul 4G. Totodată și pentru acest grafic am utilizat același tip de axe la fel ca și la graficele rezultate în standardul 3G cu mențiunea că în acest caz pasul frecvenței este de 48,828 Hz și banda de frecvență utilizată este parcursă în întregime. Pe axa Oy am dispus puterile, acestea fiind exprimate în mW și de asemenea am stabilit pentru acest caz un număr de 7 zecimale după virgulă deoarece am ajuns la concluzia că acestea este numărul optim pentru a putea interpreta graficul în cel mai bun mod. Totodată deasupra graficului am realizat o legendă cu colorile specifice utilizate pentru fiecare distanță în parte.
Pentru a realiza o analiză mai complexă și pentru a compara mult mai bine rezultatele obținute am decis să realizez pentru fiecare grafic prezentat mai sus aria proprie. Pentru a putea determina aria fiecărui grafic am decis să realizez o operație de înmulțire ,astfel că, am hotărât să înmulțesc pasul cu care frecvența parcurge întreaga bandă,cu valorile nivelului de putere înregistrate. După realizarea calculelor și efectuarea graficelor urmează să prezint o comparație între aplicațiile utilizate pentru executarea măsurătorilor. În continuare o să prezint o comparație realizată între rezultatele măsurătorilor pentru standardul 3G. Pentru acest standard am utilizat două aplicații,acestea fiind facebook și youtube, iar pentru aplicația youtube am efectuat și o măsurătoare care vizează câmpul magnetic pentru a analiza diferențele nivelului de putere pentru același tip de aplicație utilizată.
Figura 3.15-Valorile ariilor rezultate pentru aplicația Facebook în 3G
În figura 3.15 sunt reprezentate datele obținute după efectuarea ariei graficelor. Aria este exprimată în cm fiind poziționată pe axa Ox iar pe axa Oy sunt repartizate valorile efective ale nivelului de putere obținute.
Cea mai mică valoare a nivelului de putere este de 0,00080 Hz·mW, această valoare a fost înregistrată pentru măsurătoarea efectuată la distanța de 0,5cm față de telefonul mobil. Cea mai mare valoare a ariei înregistrându-se pentru măsurătoarea realizată la distanța de 1cm față de telefonul mobil, valoarea efectivă a ariei fiind de 0,00234 Hz·mW, astfel că, se distinge o diferență foarte mare între cea mai mică și cea mai mare valoare înregistrată pentru acest tip de aplicație care a rulat în standardul 3G.
În continuare la distanța de 1,5cm se distinge o valoare a ariei mult mai scăzută, valoarea ariei pentru această distanță este aproximativ jumătate din cea mai mare valoare a ariei înregistrate. Pentru următoarele două măsurători la distanțele de 2 și 2,5cm se înregistrează două valori ale ariei foarte apropiate și anume de 0,00189 Hz·mW și respectiv de 0,00195 Hz·mW. Urmează o scădere a valorilor ariilor, pentru măsurătoarea realizată la distanța de 3cm. Valoarea acestei arii este foarte apropiată de valoarea cea mai mică obținută pentru această aplicație, valoarea ei fiind de 0,00083 Hz·mW. În ceea ce privește ultimele două măsurători realizate la distanțele de 3,5 și respectiv 4cm se poate observa o valoare foarte apropiată a ariilor. Pentru distanța de 3,5cm valoarea ariei este de 0,00126 Hz·mW, iar pentru măsurătoarea realizată la distanța de 4cm valoarea ariei suprafeței ocupate de graficul inițial este de 0,00124 Hz·mW.
Figura 3.16- Valorile ariilor rezultate pentru aplicația Youtube în 3G
În figura 3.16 sunt reprezentate datele obținute după efectuarea ariei graficelor pentru aplicația Youtube în standardul 3G. Legenda ariei este exprimată în cm fiind poziționată pe axa Ox pentru a se distinge valorile acestei arii pentru fiecare distanță la care s-au realizat măsurătorile, iar pe axa Oy sunt repartizate valorile efective ale ariei obținute.
Pentru acest tip de aplicație se distinge cea mai mare valoare a ariei pentru măsurătoarea efectuată la distanța de 0,5 cm valoarea ariei în acest caz fiind de 0,0000660 Hz·mW, iar cea mai mică valoare înregistrată este de 0,0000095 Hz·mW, rezultat obținut pentru măsurătoarea realizată la distanța de 4cm.
Pentru această aplicație se distinge o particularitate a măsurătorilor realizate, în sensul că se observă o scădere treptată a valorii ariei, cum am precizat, cea mai mare valoare se înregistrează la distanța de măsurare față de telefonul mobil la 0,5cm și urmează o scădere pentru valoarea măsurătorii de la 1cm deoarece valoarea înregistrată pentru acest tip de măsurătoare este de 0,0000202 Hz·mW diferența este foarte mare dintre măsurătoarea precedentă și aceasta,valoarea pentru măsurătoarea de la distanța de 1cm reprezintă aproximativ o treime din valoarea măsurătorii de la 0,5 cm.
Pentru măsurătoarea realizată la distanța de 1,5 cm se observă o scădere a valorii ariei, aceasta fiind de 0,0000178 Hz·mW, fiind foarte apropiată de valoarea ariei precedente. De asemenea, se observă o scădere treptată pentru valorile ariei la distanțele de 2 cm, 2,5 cm și 3 cm, valorile rezultate fiind de 0,0000151 Hz·mW,0,0000138 Hz·mW și de 0,0000109 Hz·mW.
La distanța de măsurare de 3,5 cm se observă o creștere a valorii ariei, aceasta ajungând la valoarea de 0,0000141 Hz·mW. Această valoarea este foarte apropiată de valoarea înregistrată la distanța de 2,5 cm, la acea distanță fiind observată o valoare a ariei de 0,0000138 Hz·mW.
În ceea ce privește rezultatele obținute pentru aplicațiile Facebook și Youtube în standardul 3G se distinge o diferență foarte vizibilă deoarece în ceea ce privește aplicația Facebook se observă o fluctuație a valorilor ariei pentru distanțele de măsurare. Pentru aplicația Youtube spre deosebire de aplicația Facebook,se observă o valoare foarte mare pentru prima măsurătoare, urmând o scădere treptată a valorilor ariei.
Figura 3.17- Valorile ariilor rezultate pentru aplicația Youtube în 3G pentru componenta H
În figura 3.17 sunt reprezentate datele obținute după efectuarea ariei graficelor pentru aplicația Youtube în standardul 3G,cu mențiunea că am efectuat măsurătorile pentru componenta magnetică. De asemenea, legenda ariei este exprimată în cm fiind poziționată pe axa Ox pentru a se distinge valorile acestei arii pentru fiecare distanță la care s-au realizat măsurătorile, iar pe axa Oy sunt repartizate valorile efective ale ariei obținute.
Am realizat acest tip de măsurătoare pentru componenta magnetică deoarece am dorit să efectuez o analiză a nivelului de putere pentru același tip de aplicație și utilizând același standard, adică standardul 3G pentru a vedea diferențele dintre măsurătorile efectuate pentru componenta electrică și cea magnetică.
Analizând datele obținute, distingem o creștere a valorilor ariei în ceea ce privește primele două măsurători efectuate la distanțele de 0,5 cm și respectiv 1 cm. Valorile obținute pentru arie sunt apropiate, ele fiind de 0,00000762 Hz·mW și respectiv 0,00000842 Hz·mW.
O creștere evidentă a valorii ariei se înregistrează pentru măsurătoarea realizată la distanța de 1,5 cm, aceasta fiind de 0,00001222 Hz·mW. În ceea ce privește măsurătorile la distanțele de 2 cm și de 2,5 cm se observă o scădere a valorilor ariilor și sunt înregistrate valorile ariilor de 0,00000927 Hz·mW și respectiv de 0,00000786 Hz·mW.
Valoarea maximă obținută pentru acest tip de aplicație se observă pentru măsurătoarea realizată la distanța de 3 cm, valoarea ariei aici fiind de 0,00001328 Hz·mW. În ceea ce privește valorile ariilor realizate la ultimele două distanțe de măsurare de 3,5 cm și 4 cm se observă un declin al acestor valori, obținându-se valoarea de 0,00001203 Hz·mW pentru distanța de 3,5 cm și valoarea de 0,00000983 Hz·mW pentru distanța de 4 cm.
Analizând datele obținute în figura nr. 3.16 și în figura nr.3.17 observăm faptul că deși am folosit același tip de aplicație rezultatele obținute în urma prelucrării sunt complet diferite. O primă particularitate a măsurătorilor pentru componenta electrică este reprezentată de faptul că valorile ariilor scad direct proporțional cu distanța la care s-au realizat măsurătorile.
În mod comparativ, valorile ariilor pentru componenta magnetică variază simetric, se observă o ascensiune a valorilor pentru primele 3 măsurători realizate la distanțele de 0,5 cm , 1 cm și 1,5 cm, urmând un declin pentru următoarele distanțe, valoarea maximă fiind atinsă la distanța de 3 cm.
Cea de-a doua particularitate este reprezentată de valorile ariilor rezultate deoarece există o diferență foarte mare între acestea. Spre exemplu cea mai mare valoare a ariei pentru componenta electrică se obține pentru măsurătoarea la distanța de 0,5 cm, această valoare fiind de 0,0000660 Hz·mW, dar în ceea ce privește componenta magnetică cea mai mare valoare este de 0,00001328 Hz·mW, fiind de aproximativ 6 ori mai mică decât valoarea maximă pentru componenta electrică.
Figura 3.18- Valorile ariilor rezultate pentru aplicația Facebook în 4G
În figura 3.18 sunt reprezentate datele obținute după efectuarea ariei graficelor pentru aplicația Facebook în standardul 4G. Legenda ariei este exprimată în cm fiind poziționată pe axa Ox pentru a se distinge valorile acestei arii pentru fiecare distanță la care s-au realizat măsurătorile, iar pe axa Oy sunt repartizate valorile efective ale ariei obținute.
Pentru acest tip de aplicație se distinge cea mai mare valoare a ariei pentru măsurătoarea efectuată la distanța de 1 cm, această valoare este de 0,03664 Hz·mW, valoarea fiind apropiată de valoarea ariei rezultată pentru distanța de 0,5 cm,la această distanță valoarea ariei este de 0,03195 Hz·mW.
Observăm o scădere a valorilor ariilor pentru distanțele de măsurare 1,5 cm 2 cm și 2,5 cm, ajungându-se la valoarea de 0,02308 Hz·mW. Pentru ultimele trei distanțe de realizare a măsurătorilor se continuă declinul valorilor, fiind obținute trei valori foarte apropiate, cea mai mică valoare dintre cele trei fiind de 0,00609 Hz·mW.
Figura 3.19- Valorile ariilor rezultate pentru aplicația Youtube în 4G
În figura 3.19 sunt reprezentate datele obținute după efectuarea ariei graficelor pentru aplicația Youtube în standardul 4G. Legenda ariei este exprimată în cm fiind poziționată pe axa Ox pentru a se distinge valorile acestei arii pentru fiecare distanță la care s-au realizat măsurătorile, iar pe axa Oy sunt repartizate valorile efective ale ariei obținute.
În acest caz se observă două valori apropiate ale ariei pentru distanțele de 0,5 cm și 1 cm, valorile ariilor fiind de 0,0056017 Hz·mW și respectiv de 0,0045185 Hz·mW. Pentru măsurătoarea realizată la distanța de 1,5 cm față de telefonul mobil se observă o creștere a valorii ariei, această valoare fiind de 0,0133777 Hz·mW. Cea mai mare valoare se înregistrează pentru distanța de 2 cm, aceasta fiind de 0,0383599 Hz·mW, valoarea aceasta este de aproximativ trei ori mai mare decât valoarea ariei precedente de la distanța de 1,5 cm. În ceea ce privește valorile celorlalte patru măsurători pentru această aplicație, realizate la distanțele de 2,5 cm,3 cm,3,5 cm și 4 cm se observă o scădere treptată și foarte mare față de valoarea maximă înregistrată la distanța de 2 cm. Spre exemplu valoarea ariei la distanța de 2,5 cm este de 0,0078981 Hz·mW și este de aproximativ cinci ori mai mică față de valoarea precedentă.
Aceast declin al valorilor ariilor continuă, până la ultima măsurătoare realizată pentru acest tip de aplicație, măsurătoare realizată la distanța de 4 cm și care are valoarea ariei de 0,0011099 Hz·mW.
3.5. Compararea rezultatelor obținute pentru 3G și 4G
Prima aplicație utilizată pentru măsurători a fost aplicația Facebook. Am utilizat aceleași proceduri de efectuare a măsurătorilor și de prelucrare a datelor obținute, punctul final de prelucrare a măsurătorilor a fost reprezentat de calcularea și afișarea valorilor ariilor graficelor rezultate în urma prelucrării graficelor.
Astfel că, o primă diferență între cele două standarde utilizate pentru acest tip de aplicație este reprezentată de valorile efective ale ariilor. Pentru standardul 3G se observă cea mai mare valoare a ariei pentru măsurătoarea realizată la distanța de 1cm față de telefonul mobil, această valoare fiind de 0,00234 Hz·mW, iar pentru standardul 4G cea mai mare valoare pentru arie este obținută pentru măsurătoarea realizată la aceeași distanță de efectuare a măsurătorilor ca și la standardul 3G,adică cea de 1 cm față de telefonul mobil, însă valoarea acestei arii este de 0,03664 Hz·mW în acest caz, fiind de aproximativ 16 ori mai mare decât cea mai mare valoare înregistrată pentru arie în standardul 3G. Diferența foarte mare a valorii ariei se păstrează și pentru cea mai mică valoare obținută.
Pentru standardul 3G cea mai mică valoare a ariei s-a obținut pentru distanța de măsurare de 0,5 cm față de telefonul mobil, această valoare fiind de 0,00080 Hz·mW. În ceea ce privește standardul 4G cea mai mică valoare a ariei s-a obținut pentru distanța de măsurare de 3,5 cm față de telefonul mobil, valoarea este de 0,00609 Hz·mW fiind de aproximativ opt ori mai mare față de cea obținută pentru standardul 3G. O să expun o comparație rezultată pentru cele două standarde de comunicații prin prezentarea modului de variație a valorilor ariilor. Utilizând standardul 3G se observă o creștere foarte mare pentru valorile ariei de la distanța de 0,5 cm și respectiv de 1 cm față de telefonul mobil, această creștere fiind de 0,00154 Hz·mW.
Pentru standardul 4G se obervă o creștere foarte mare pentru valorile ariei de la distanța de 0,5 cm și respectiv de 1 cm față de telefonul mobil, această creștere în acest caz fiind de 0,00469 Hz·mW. Pentru distanțele de măsurare de la 1cm la 1,5 cm se înregistrează o scădere a valorilor ariilor, pentru ambele standarde de comunicații. Pentru standardul 3G scăderea este de 0,00093 Hz·mW, iar pentru standardul 4G această scădere este de 0,001195 Hz·mW. De la distanța de 1,5 cm la distanța de 2 cm se observă o creștere a valorilor ariei pentru standardul 3G,această creștere fiind de 0,00048 Hz·mW, în timp ce pentru aceleași distanțe în standardul 4G se observă o scădere a valorilor ariei de 0,00161 Hz·mW. Valorile ariilor cresc pentru ambele standarde de comunicații de la distanța de 2 cm la 2,5 cm, pentru standardul 3G creșterea este de foarte mică,de 0,0006 Hz·mW iar pentru standardul 4G creșterea este de 0,00298 Hz·mW. Scăderi ale valorilor ariilor se înregistrează pentru ambele standarde de comunicații de la distanța de 2,5 cm la 3 cm, pentru standardul 3G scăderea este de 0,00112 Hz·mW,iar pentru standardul 4G scăderea este foarte mare, ea având valoarea de 0,01949 Hz·mW. O diferență a valorilor ariilor apare în ceea ce privește trecerea de la distanța de măsurare de la 3 cm la 3,5 cm, deoarece pentru standardul 3G se observă o creștere a valorii de 0,00043 Hz·mW, iar pentru standardul 4G se înregistrează o scădere a valorii de 0,00048 Hz·mW. De asemenea, o diferență între cele două standarde de comunicații se observă și pentru trecerea de la distanța de măsurare de la 3,5 cm la distanța de 4 cm.Pentru standardul 3G scăderea este una foarte mică, valoarea efectivă a ariei este de 0,00002 Hz·mW, iar pentru standardul 4G se înregistrează o creștere a valorii ariei, această valoare fiind de 0,00026 Hz·mW.
Cea de-a doua aplicație utilizată pentru realizarea măsurătorilor a fost aplicația Youtube. Și în acest caz am utilizat aceleași proceduri de efectuare a măsurătorilor și de prelucrare a datelor obținute, punctul final de prelucrare a măsurătorilor a fost reprezentat de calcularea și afișarea valorilor ariilor graficelor rezultate în urma prelucrării graficelor.
De asemenea, și în cazul acesta se observă o primă diferență în ceea ce privește valorile efective ale ariilor, acest lucru se observă prin analiza graficelor rezultate, diferența fiind vizibilă prin intermediul valorilor minime și maxime rezultate pentru fiecare tip de standard utilizat. Pentru standardul 3G valoarea maximă se obține pentru prima măsurătoare efectuată pentru acest tip de aplicație utilizată, măsurătoare realizată la distanța de 0,5 cm față de telefonul mobil, valoarea efectivă a ariei fiind de 0,0000660 Hz·mW și este de aproximativ 582 de ori mai mică decât valoarea maximă obținută pentru acest tip de aplicație în standardul 4G în acest caz valoarea maximă având valoarea de 0,0383599 Hz·mW.
O diferență foarte mare între cele două standarde de comunicații se observă și pentru valorile minime obținute, deoarece pentru standardul 3G valoarea minimă se obține pentru ultima măsurătoare efectuată, aceasta fiind realizată la distanța de 4 cm față de telefonul mobil, având valoarea efectivă a ariei de 0,0000095 Hz·mW și este de aproximativ 117 ori mai mică decât valoarea minimă obținută pentru standardul 4G. Pentru acest standard valoarea minimă s-a obținut tot la ultima măsurătoare efectuată, ea fiind realizată la aceeași distanță de 4 cm față de telefonul mobil, valoarea efectivă a ariei fiind de 0,0011099 Hz·mW.
O să continui să prezint diferențele rezultate dintre cele două standarde în cazul acestui tip de aplicație utilizat prin prezentarea modului de variație a valorilor ariilor de la o distanță de efectuare a măsurătorilor la alta.
Astfel că, de la distanța de efectuare a măsurătorilor de 0,5 cm la 1 cm, în standardul 3G se observă o scădere foarte mare a valorii ariei, această scădere fiind de 0,0000458 Hz·mW. Un declin al valorii ariei se observă și pentru standardul 4G,declin care se produce la aceleași distanțe, valoarea declinului fiind în acest caz de 0,0010832 Hz·mW.
De la distanța de măsurare de 1 cm până la distanța de 1,5 cm se produce un declin foarte mic pentru standardul 3G, de 0,0000024 Hz·mW și o creștere a valorii ariei de 0,0088592 Hz·mW pentru standardul 4G.
Declinul valorii ariei continuă să fie prezent pentru standardul 3G și de la distanța de 1,5 cm la 2 cm, acesta având valoarea de 0,0000027 Hz·mW, în mod contradictoriu, pentru standardul 4G se înregistrează iarăși o creștere a valorii ariei, aceasta fiind de 0,0249822 Hz·mW. Pentru ambele standarde de comunicație se înregistrează un declin al valorilor ariei de la distanța de 2 cm la 2,5 cm, acest declin având valoarea de 0,0000013 Hz·mW pentru standardul 3G și de 0,0304618 Hz·mW pentru standardul 4G.
Acest declin continuă să fie vizibil și de la distanța de măsurare de 2,5 cm la 3 cm, pentru ambele standarde de comunicație, valoarea înregistrată în acest caz pentru standardul 3G fiind de 0,0000029 Hz·mW și respectiv de 0,0043316 Hz·mW pentru standardul 4G.
Analizând variația valorilor ariei de la distanța de măsurare de 3 cm la 3,5 cm, observăm o creștere a valorilor ariilor pentru ambele standarde, valorile acestor ascensiuni fiind de 0,0000032 Hz·mW pentru 3G și de 0,0007994 Hz·mW pentru standardul 4G. O scădere a valorilor ariilor pentru ambele standarde de comunicație se înregistrează de la distanța de măsurare de 3,5 cm la ultima distanță de măsurare, adică cea de 4 cm, valoarea declinului fiind de 0,0000046 Hz·mW pentru standardul 3G și de 0,003256 Hz·mW pentru standardul 4G.
3.6. Concluzii măsurători
În ceea ce privește această parte a lucrării, consider că am reușit să îndeplinesc toate obiectivele propuse și să realizez măsurători precise, deoarece am analizat pe baza cunoștințelor teoretice modalitățile cele mai optime de realizare a acestor măsurători.
De asemenea, consider că am utilizat modalități eficiente de prelucrare a datelor brute, rezultate din măsurători. Totodată, am reușit să analizez și să interpretez rezultatele obținute în urma prelucrării datelor, într-un mod propice și utilizând metode de comparare cu scopul de a evidenția aspecte esențiale și definitorii ale rezultatelor.
Din punctul meu de vedere acest studiu este unul interesant și important deoarece utilizăm aceste tipuri de aplicații tot mai frecvent, devenind parte din rutina noastră zilnică și din acest considerent ar trebui să cunoaștem cât mai bine tehnologia pe care o utilizăm. De aceea am dorit să efectuez un studiu care să conțină anumite elemente ale tehnologiei pe care le utilizăm zi de zi, ca de exemplu standardele de comunicații.
Astfel că am prezentat o diferență foarte clară a nivelului de putere în funcție de tipul de standard folosit. Acest studiu m-a ajutat să îmi însușesc anumite cunoștințe și să pot să le utilizez pentru a descoperi lucruri noi, pentru a înțelege mult mai bine fenomenele pe care le utilizez zi de zi.
Totodată, consider că ar trebui să încercăm să descoperim cât mai multe lucruri utile în acest sens, ca de exemplu anumite principii de funcționare, modurile în care funcționarea întâmpină anumite constrângeri, de ce apar acestea și cum putem să le perfecționăm. Din punctul meu de vedere acest studiu realizat sprijină aceste concepții, ajutând oamenii să observe, să înțeleagă mult mai bine fenomenul și șă inducă o dorință de o cunoaștere continuă a fenomenelor din jurul nostru, pe care le utilizăm extrem de frecvent și care devin parte din viețile noastre.
CONCLUZII
În concluzie, în urma acestei lucrări de licență am evidențiat generalitățile câmpurilor electromagnetice generate de terminalele mobile care ne înconjoară în zilele noastre, dar și măsurători concludente care să scoată la iveală parametrii reali cu care ne confruntăm în practică.
Chiar dacă atât câmpul electric,cât și cel magnetic nu pot fi vizibil observate, ele își fac simțită prezența în viața oamenilor de zi cu zi și au anumite efecte asupra corpului nostru,aceste efecte au un grad de distructivitate direct proporțional cu intensitatea câmpurilor și cu modul fiecărei persoane de a se expune la aceste câmpuri. Telefonul mobil produce un câmp electric care, deși este atenuat într-o anumită măsură de structura peretelui și scade direct proporțional cu depărtarea de sursa de energie, nu poate fi evitat în cadrul lui, deoarece suntem nevoiți să îl ținem în apropierea urechii pentru a auzi persoana cu care comunicăm.
Funcționarea aparaturii electrice reprezintă modul principal de generare a câmpului electromagnetic,mai exact acest câmp este generat de mișcarea sarcinilor electrice.Intensitatea câmpului electromagnetic depinde de curentul absorbit,deoarece cu cât curentul absorbit va fi mai mare,cu atât și câmpul electromagnetic generat de echipamentul respectiv va fi la fel de mare.
Principalele caracteristici ale câmpului electromagnetic sunt frecvența (numărul de oscilații pe secunda) și lungimea de undă. Frecvențele de intensitate diferită interacționează într-un mod diferit cu corpul uman. Efectele care se produc asupra corpurilor noastre sunt mai mult sau mai puțin distructive,acest lucru fiind determinat de intensitatea câmpului,dar și de apropierea sau de depărtarea de sursa care are rol generator.
Odată cu trecerea timpului,organismul uman a dobândit capacitatea de a dezvolta anumite mecanisme complexe de adaptare,dar chiar și în acest caz expunerea la anumite valori foarte mari ale radiațiilor pentru perioade lungi de timp,constituie în mod cert un pericol pentru ființele umane.
Efectele asupra sănătății pe termen lung privind telefoanele mobile reprezintă un subiect controversat. Cercetarea a ajuns la concluzii cum că expunerea la câmpuri electromagnetice pot cauza efecte biologice dăunătoare și că efectele pe termen lung sunt nedetectabile cu metodele actuale de investigare. Așadar, pe viitor va trebui ca tehnologia să avanseze și în acest sens, găsindu-se noi metode de transmitere a informației mai puțin nocive, dar și de protecție artificială a țesuturilor organismului.
BIBLIOGRAFIE
Autori români:
Iustina Zaharia, Bazele Electrotehnicii, Editura Tehnopress,2013
Universitatea „Politehnică” din Timișoara, Catedra de Electrotehnică, Bazele Electrotehnicii, Editura Politehnica, 2014
Buta Adrian, Opincariu Danie, Bazele Electrotehnicii, Editura Timișoara, 2003
I.Marghescu, N. Coțanis, St. Nicolaescu, Comunicații Mobile Terestre, Ed. Tehnică, 1989
Ad. Mateescu și colaboratorii, Rețele și Sisteme GSM, Ed. Tehnică
Marghescu Ion, Rețele de RadioComunicații, Universitatea Politehnică București, 2018
Mircea Iliev, Rețele Mobile de telecomunicații-Sistemul GSM
ANGHEL, Dan Sorin. Bazele electronicii analogice și digitale. Cluj-Napoca, Presa Universitară Clujeană, 2007
Dan S. Grigorescu, Analizor Spectral
Valeriu David, Măsurarea Câmpului Electromagnetic
Mugurel, A., Natura undelor electromagnetice, Craiova, Editura Else, 2015.
LIȚĂ, Ioan D. Comunicații de date, București : Matrix Rom, 2010
MORARU, Luminița. Unde acustice și vibrații. Galați : Editura Fundației Universitare "Dunărea de Jos" din Galați, 2004
Autori străini:
14.Adolf j. Schwab, Wolfgang W. Kurner, Comptabilitate electromagnetică, Editura AGIR, 2013
15.Ranvier, S., Physical layer methods in wireless communication systems, Helsinki University of Technology, Noiembrie 2004.
16.Sarkar, T.K., Kim, K., A Survey of Various Propagation Models for Mobile.Communication,.2003
17.Naval education and training professional development and technology center, Introduction to wave propagation, transmission lines and antennas, 2004
18.Blaunstein N., Christodoulou C., Radio propagation and Adaptive Antennas for Wireless Communications Links, New Jersey, Editura John Wiley & Sons,Inc.,2007
19.Hernando J.M.,Perez-Fontan F., Introduction to Mobile Communications Engineering,Norwood,Editura Artech House,1999
20. LATHI, B. P. Modern digital and analog communication systems. B.P. Lathi. ed. a 3-a: Oxford ; New York : Oxford University Press, 1998
21. Thomas, T.G., Sekhar, S.C., Communication Theory, Tata-McGraw Hill 2005.
Surse internet:
22. http://www.comm.pub.ro/_curs/rrc/cursuri/RRC%2002%20Canale%20Radio%20Mobile.pdf
23. http://iota.ee.tuiasi.ro/~czet/Curs/Teledata/Cap2_Sisteme_de_comunicatii.pdf
24. https://www.aaronia-shop.com/products/spectrum-analyzer/real-time/usb-spectrum-analyzer
25. http://www.tc.etc.upt.ro/teaching/tfi/tfi_prezentari.pdf
26. https://www.aaronia.com/products/antennas/RF-Field-Probes-PBS1/
27. https://ro.wikipedia.org/wiki/Facebook
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Analiza câmpului electromagnetic generat de [308516] (ID: 308516)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.