Studiu Propagarii In Mediu Urban In Gama Vhf
TEMA: “STUDIU PROPAGĂRII ÎN MEDIU URBAN ÎN GAMA VHF”
CUPRINS
INTRODUCERE
CAPITOLUL 1. PROPAGAREA ÎN MEDIU URBAN ÎN GAMA VHF
1.1. Date generale
1.2. Propagarea în spațiul liber
1.3. Fenomenul propagării pe căi multiple
1.4. Fenomene de propagare
1.4.1. Caracteristici ale mediului de propagare
1.4.2. Reflexia
1.4.3. Împrăștierea
1.4.4. Refracția
1.4.5. Difracția
1.4.6. Atenuarea și absorția
1.4.7. Atenuarea datorată copacilor
CAPITOLUL 2. MODELE URBANE DE PROPAGARE ÎN GAMA VHF
2.1. Date generale
2.2. Considerații privind topografia
2.3. Clasificare modelor de propagare
2.4. Modele de predicție a pierderilor în zone populate
2.4.1. Modelul empiric COST-Walfisch-Ikegami
2.4.2. Modelul Longley – Rice
2.4.3. Modelul Okumura-Hata
2.4.4. Modele refractate vs Modele reflectate (Ray Tracing vs. Ray Launching)
2.4.5. Model de propagare în interiorul clădirilor
CAPITOLUL 3. STUDIU DE CAZ ASUPRA PROPAGĂRII ÎN MEDIU URBAN ÎN GAMA VHF
3.1. Studiu de caz asupra propagării în gama vhf în cadrul unei microcelule
3.1.1. Date generale
3.1.2. Atenuarea în funcție de distanță
3.1.3. Analiza propagării în prezența unui obstacol
3.1.4. Analiza propagării în prezența unui vegetației
3.1.5. Concluzii
3.2. Studiu de caz asupra propagării în gama VHF în cadrul unei macrocelule. Implementare unui model de propagare în Matlab.
3.2.1. Aplicația Matlab.
3.2.2. Scenariu conform modelului Okumura-Hata
3.2.3 Influența urbanizării în atenuarea undelor VHF
3.2.4. Influența înălțimii antenei de emisie
3.2.5 Concluzii asupra propagării în macrocelulă
CONCLUZII ȘI PROPUNERI
BIBLIOGRAFIE
ANEXE
INTRODUCERE
Analiza propagării undelor radio are o istorie îndelungată care pornește din a doua jumătate a secolului 19, de la preocupările lui Michael Faraday privind magnetismul, de la abordarea teoretică propagării undelor a lui James Clerk Maxwell și experimentele lui Heinrich Hertz. În anii care au urmat, Tesla, Marconi, Lodge și alte personalități ale științei mondiale au început să aibă preocupări în studierea câmpurilor electromagnetice și să înțeleagă capacitățile extraordinare ale aplicațiilor care pot fi dezvoltate cu ajutorul undelor radio. S-au dezvoltat pe rând telegraful fără fir, radiodifuziunea, televiziunea, radarul, telefonia mobilă. Ceea ce a făcut ca de-a lungul anilor această tehnică să evolueze și să primească noi valențe este asocierea: unda radio – mișcare. Orice comunicație care nu depinde de un cablu înseamnă o comunicație care se poate face în mișcare, iar aceasta se traduce prin a spune că tehnica undelor radio și aplicațiile ei își vor încheia ciclul în istorie atunci când istoria însăși își va atinge finalul.
Evoluția transmisiunilor radio a fost rapidă și pană în anii ’30, s-au înființat numeroase posturi radio, în special în S.U.A și Europa. Pană în 1940 existența posturilor de radio publice a ajuns să fie reglementată și s-au introdus licențele de emisie. S-au descoperit transmisia AM cu bandă laterală unică, modulația de frecvență, amplificatorele cu tuburi. Apoi a apărut radiodifuziunea FM, televiziunea color, și primul satelit de comunicații – Telstar. Nevoia de predicție a propagării a dus la apariția modelelor de propagare prin intermediul cărora să poată fi calculată o legătură radio pentru o anumită aplicație. Dezvoltarea modelării propagării undelor radio a ținut pasul evoluției tehnologice. La început, modelele de propagare au fost bazate pe ecuații simple, de cele mai multe ori determinate empiric. Evoluția tehnicii de calcul, apariția hărților de relief ale Pământului coroborată cu numeroase studii de propagare a condus la apariția unor modele de propagare complexe, care fac apel la rutine software pentru evaluarea acoperirii cu semnal radio a teritoriului.
Procesul intensiv și ireversibil de urbanizare a declanșat în ultimele decenii o serie de preocupări din partea teoreticienilor și specialiștilor militari, privind pregătirea și ducerea acțiunilor de luptă în aceste zone, motiv pentru care trebuie avută în vedere nu atât experiența celor două războaie mondiale, cât învățămintele rezultate din conflicte mai recente, un interes crescut al acțiunile de luptă în localități. Mai mult chiar s-a estimat că în 2007, jumătate din populația globului trăia în zone urbane iar în 2030, aproape două treimi, de unde s-a tras concluzia logică: într-o lume în care conflictele armate țin de o așa-zisă stare de normalitate, tot mai multe dintre acestea se vor desfășura în orașe.
Prin această lucrare ne-am propus să studiem și să analizăm din perspectiva cerințelor războiului modern, importanța comunicațiilor în lupta armată punând accent pe studierea propagării în mediu urban în gama VHF.
În capitolul 1 sunt prezentate fenomele fizice care apar în interacțiunea undelor radio cu mediul de propagare. Relațiile matematice care modelează și caracterizează aceste mecanisme de propagare sunt bine cunoscute și documentate în numeroase publicații, scopul prezentării lor fiind acela de a fundamenta noțiunile care ulterior vor fi amintite în lucrare, pentru descrierea studiilor teoretice și experimentale în domeniul propagării.
Capitolul 2 analizează principalele modele de propagare ca modalitate de calcul a acoperirii unui semnal radio prin analiza interacțiunii semnalului radio cu canalul, care se materializează prin mecanismele de propagare. Canalul radio este una dintre componentele critice ale sistemelor de comunicații, în special pentru sistemele de comunicații mobile, având nevoie de o modelare cât mai exactă a fenomenelor care intervin. Dezvoltarea unui model de propagare presupune determinarea dependenței nivelului de semnal radio în funcție de distanța dintre emițător și punctul de observație, de formele de relief, de vegetație, clădiri, înalțimea antenei de emisie și de recepție. Principala cerință pentru un model de propagare este ca predicția realizată să fie cat mai aproape de realitatea din teren, cu alte cuvinte să aibă o acuratețe cat mai bună, și în plus să fie fiabil, în sensul de a da valori reproductibile, atunci când condițiile de propagare se modifică în limitele admise de către modelul respectiv.
Partea practică a lucrării prezentată în capitolul 3 și este compusă din interpretarea măsurătorilor efectuate într-o arie mică respectiv implementarea unui model de proprapage în Matlab pentru distanțe mari. Prin cele două studii se evidențiază diferența dintre abordarea teoretică a propagării și rezultatele obținute din măsurători efectuate în mediul urban.
CAPITOLUL 1. PROPAGAREA ÎN MEDIU URBAN ÎN GAMA VHF
1.1. Date generale
Undele ultrascurte sunt definite convențional ca parte a spectrului electromagnetic, incluzând radiații cu o frecvență între 30 și 300 MHz și o lungine de undă între 1 și 10 metri. Utilizările frecvente pentru undele VHF sunt în domeniul radio, televiziune și stații mobile terestre (de urgență, private, militare), comunicații de date pe distențe lungi până la 100 km, comunicații maritime și aeriene.
Gama VHF orefă cel mai bun compromis între acoperire și calitate/capacitate. În acestă gamă VHF, raza de acoperire variază între 20-40 km, iar lărgimea de bandă disponibillă este suficientă pentru a permite utilizarea modulației în frecvență sau variante ale acesteia care oferă eficiență spectral, ceea ce sporește considerabil calitatea transmisiei. În anexa 1 se relevă faptul că decizia de a utiliza o frecventă în defavoarea alteia depinde de parametrul mai important: calitatea și capacitatea sau acoperire. În mod tradițional, trupele combatante utilizează stații radio în game de frecvență diferite. VHF este cea mai utilizată bandă pentru CNR și reprezintă cel mai bun compromise între acoperire și capacitate. Pentru o bătaie(distanță) mai mare se va folosi gama HF, iar pentru comunicațiile aer-sol gama UHF.
Undele VHF sunt ideale pentru comunicații terestre pe distanțe scurte. Spre deosebire de frecvențe înalte (HF), ionosfera nu reflectă, de obicei, transmisiile VHF și, astfel, sunt limitate la zona locală. Undele VHF, de asemenea, sunt mai puțin afectat de zgomot și interferențe atmosferice provenite din echipamente electrice decât frecvențele joase. Deși sunt mai ușor de blocat de caracteristici ale terenului decât HF și frecvențe mai mici, sunt mai puțin afectat de clădiri și alte obiecte decât frecvențe UHF.
Timp de mulți ani serviciile de comunicații mobile terestre și cele de emitere s-au concentrat mai ales pe partea inferioară a benzii VHF, iar acum frecvențele mai mari s-au alocat și depășesc 100 MHz. Unele neregularități de teren determină o creștere în intensitatea câmpului și o diferență de fază între undele directe și cele reflectate pe teren neted. Cu toate acestea, datorită neregularităților din teren, copacilor sau clădirilor, semnalul este redus prin umbrire, absorție și împrăștiere. Aceste efecte ale terenului neregulat și a suprafeței dezordonate, cresc odată cu creșterea frecvenței. Tendința actuală de utilizare a unor frecvențe mai mari determină o mai mare importanță acordată acestor efecte. În sistemele mobile terestre înălțimea antenei este mică, de obicei nu este mai mare de 3 metri deasupra solului. Între stația de baza și o unitate mobilă un număr în continuă schimbare și foarte mare de direcții de propagare sunt formate în timpul deplasării din loc în loc. Această intefață multidirecțională face ca semnalul să se estompeze rapid și poate constitui o problem pentru zonele urbane cu clădiri înalte în care se poate forma un număr mare de direcții de propagare. În plus apare fenomenul de fading care este variabil în nivelul de semnal de la o lacație la alta. În zonele urbane, locația este foarte dependentă de tipul și densitatea de caracteristici de suprafață , precum și de teren, nereguli și frecvență. Problemele întâlnite în propagarea într-un mediu urban conțin prea multe elemente necunoscute pentru modelarea complet teoretică. Din acest motiv, datele din măsurători au depins în încercarea de a implementa un model de propagare în condiții urbane .
Într-o rețea terestră, antena de recepție este, de obicei numai aproximativ 3m deasupra solului, în timp ce pentru un serviciu de emisie înălțimea este de aproximativ 10 m. Câștigul în înălțime mediu, atunci când antena de recepție este ridicată de la 3 la 10 m depinde de frecventa. CCIR a raportat că, în intervalul de la 40 la 100 MHz câștigul este de 9-10 dB în zonele rurale și urbane. Pentru frecvențe de la 150 la 250 MHz câștigul este de la 10 la 11 dB în zonele urbane sau de deal, și aproximativ 7 dB în teren plat. De la 450 la 1000 MHz câștigul este de 14 dB în zonele urbane și 6-7 dB în suburbane. În orice locație specifică câștigul pe creșterea antenei de recepție de la 3 la 10 m poate fi destul de diferit de aceste valori medii.
Dacă antena de recepție este ridicată deasupra obstacolelor de suprafață, este de așteptat o creștere a câștigului. Într-o zonă urbană, cu antenele de recepție pe clădiri, nici o creștere a pierderilor de transmisie mai mare ca cea din mediul rural este de așteptată la frecvențe sub 100 MHz. În banda de 150 la 250 MHz poate exista o atenuare suplimentară de 5 până la 15 dB în zonele urbane în funcție de densitatea și înălțimea clădirilor și unghiul de sosire a semnalului la antenna de recepție. În zonele urbane din Anglia o suplimentare de atenuare de 9 dB a fost observată în intervalul de 450-1000 MHz. Când antena de recepție este coborâtă 3-1.5 m atenuarea suplimentară este de aproximativ 3 dB.
În ambele medii, urban sau suburban, creșterea înălțimii antenei de emisie poate avea un efect însemnat. Valoarea atenuarării depinde de unghiul de recepție la antena și trebuie să fie mai mare pentru unghiuri mici de recepție, deoarece lungimea căii de propagare este mai mare datorită estră, antena de recepție este, de obicei numai aproximativ 3m deasupra solului, în timp ce pentru un serviciu de emisie înălțimea este de aproximativ 10 m. Câștigul în înălțime mediu, atunci când antena de recepție este ridicată de la 3 la 10 m depinde de frecventa. CCIR a raportat că, în intervalul de la 40 la 100 MHz câștigul este de 9-10 dB în zonele rurale și urbane. Pentru frecvențe de la 150 la 250 MHz câștigul este de la 10 la 11 dB în zonele urbane sau de deal, și aproximativ 7 dB în teren plat. De la 450 la 1000 MHz câștigul este de 14 dB în zonele urbane și 6-7 dB în suburbane. În orice locație specifică câștigul pe creșterea antenei de recepție de la 3 la 10 m poate fi destul de diferit de aceste valori medii.
Dacă antena de recepție este ridicată deasupra obstacolelor de suprafață, este de așteptat o creștere a câștigului. Într-o zonă urbană, cu antenele de recepție pe clădiri, nici o creștere a pierderilor de transmisie mai mare ca cea din mediul rural este de așteptată la frecvențe sub 100 MHz. În banda de 150 la 250 MHz poate exista o atenuare suplimentară de 5 până la 15 dB în zonele urbane în funcție de densitatea și înălțimea clădirilor și unghiul de sosire a semnalului la antenna de recepție. În zonele urbane din Anglia o suplimentare de atenuare de 9 dB a fost observată în intervalul de 450-1000 MHz. Când antena de recepție este coborâtă 3-1.5 m atenuarea suplimentară este de aproximativ 3 dB.
În ambele medii, urban sau suburban, creșterea înălțimii antenei de emisie poate avea un efect însemnat. Valoarea atenuarării depinde de unghiul de recepție la antena și trebuie să fie mai mare pentru unghiuri mici de recepție, deoarece lungimea căii de propagare este mai mare datorită obstacolelor care intervin. Un alt efect al creșterii antenei de emisie în înălțime este că acest lucru poate elimina obstacole din apropiere, cum ar fi clădiri înalte, care pot bloca un segment întreg.
Modelele de câștig directe, polarizarea și alte caracteristici ale antenei sunt adesea afectate de apropierea de clădiri și vegetație. În regiunile umbrite VHF efectul reflexiei asupra semnalelor polarizate vertical este de multe ori suficient pentru a distorsiona serios recepția FM, în timp ce reflexia are un efect redus asupra semnale polarizate orizontal. Kenneth Bullington a observat că, la 100 MHz pierderea medie din apropierea copacilor a fost de 5 până la 10 dB cu polarizare verticală și numai de 2 la 3 dB pentru semnale polarizate orizontal. Astfel de diferențe de polarizare nu s-au observat la o frecvență între 300 și 500 MHz. Măsurători într-o regiune deluroasă, cu păduri în apropiere Detmold, Germania la 97 MHz arată avantajul polarizării orizontale, atât intensitatea câmpului și calitate recepției. Intensitatea câmpului a fost cu 5 dB mai mare și nu au fost observate reflecții cu polarizare orizontală. Chiar și la frecvențe mai mari, Cunningham a constatat că variațiile de semnal de 900 MHz sunt mai mari pentru polarizare verticală decât pentru polarizare orizontală sau circulară. Semnalul recepționat prezintă de obicei o variație de 6 dB cu polarizare verticală față de ± 2 la 3 dB cu polarizare orizontală sau circulară. Atunci când un emițător este situat într-un loc oarecare, eliminareaa semnalelor nedorite poate fi realizată prin utilizarea polarizării ortogonale. Într-un mediu urban, în cazul atenuării datorate căilor multiple cauzate de împrăștiere și reflecție de clădiri și copaci, câmpul rezultat este în mare măsură depolarizat.
1.2. Propagarea în spațiul liber
Dacă se presupune că o antenă cu caștigul Ge emite în spațiu o putere Pe, densitatea de putere într-un punct aflat la distanța d de emițător se poate calcula cu relația :
;
Ținand cont de legătura dintre densitatea de putere în spațiul liber și valoarea efectivă a componentei electrice a câmpului electromagnetic, formula devine:
;
Rezultă că la distanța d de emițător, campul electric are valoarea:
;
O antenă care recepționează acest câmp după o distanță d, având caștigul Gr, va recepționa puterea:
, ;
unde reprezintă suprafața echivalentă a antenei. Legătura dintre puterea de emisie și cea de recepție, în acest caz, se materializează prin relația :
;
Pornind de la relația anterioară , se poate exprima atenuarea de propagare în spațiul liber, ca raport între puterea de emisie și cea de recepție. Această atenuare, dacă se exprimă in decibeli, rezultă ca fiind:
;
1.3. Fenomenul propagării pe căi multiple
Efectele multicale sesizabile la antena de recepție se pot datora și condițiilor refractive și difractive aleatoare din atmosferă, aspect care conduce la apariția fenomenului de fading. Efectele fadingului pot conduce la apariția divergenței, întreruperii sau variației aleatoare a nivelului fascicului pe anumite direcții de propagare și pentru diferite lungimi de undă ale semnalului recepționat. Fadingul este un efect de autointerferență care poate genera perturbații ale semnalului util chiar și pentru niveluri mici ale zgomotului sau absența altor tipuri de semnale de interferență.
Fluctuațiile semnalului sunt cunoscute sub numele de fading. Fluctuațiile rapide ale semnalului cauzate de propagarea multiplă sunt cunoscute sub numele de fading rapid. Fadingul rapid este observat la distanțe de aproximativ λ / 2, fiind frecvente scăderi de − 20 dB, și chiar − 30 dB în unele situații. Variațiile lente ale mediei amplitudinii semnalului recepționat sunt cunoscute sub numele de fading lent, umbrire sau fading lognormal datorită distribuției lognormală a mediei pierderilor de propagare. În practică, există câteva unde sosite pe căi de propagare diferite ce se combină în diferite moduri, în funcție de amplasament, ducând la o anvelopă a semnalului mult mai complicată. Variațiile temporare sau schimbările dinamice ale căilor de propagare sunt în strânsă legătură cu deplasarea receptorului și, indirect, cu efectul Doppler care apare. Rata schimbării fazei (ce apare datorită deplasării) este aparent o deplasare Doppler în frecvență pentru fiecare cale de propagare. Pentru a ilustra acest fenomen se consideră un mobil ce se deplasează cu viteza v de-a lungul traseului AA', primind semnal din punctul de dispersie S. Distanța incrementală d este dată de d = v∙∆t și, din geometria figurii 1, este evident faptul că modificarea relativă a căii de propagare este ∆l = d cosα .
Valoarea defazajului se determină ca fiind:
;
Iar schimbarea aparentă a frecvenței (deplasarea Doppler) este:
;
Figura 1 Efectul Doppler
Pentru a explica caracteristicile statistice observate ale câmpului electromagnetic, precum și variațiile anvelopei și fazei semnalului asociat, au fost propuse succesiv câteva modele de propagare pe căi multiple. Primul dintre aceste modele se datorează lui Ossana care a încercat explicarea fenomenului prin interferența undelor incidente și reflectate de clădirile amplasate aleator. Se impunea ca urmare adoptarea unui model pentru care fenomenul de bază ar fi fost difuzia.
1.4. Fenomene de propagare
1.4.1. Caracteristici ale mediului de propagare
Undele radio reprezintă o formă de radiație a energiei, similară căldurii sau luminii. Viteza de deplasare a formei de undă depinde de mediul de propagare și este aproximativ egală cu viteza luminii. Ca și lumina, undele radio se propagă în toate direcțiile. Spațiul și atmosfera reprezintă mediile de propagare cele mai ieftine și ușor de accesat. Dezavantajul utilizării acestor medii rezultă în faptul că ele sunt complexe, în general impredictibile și puternic afectate de surse de perturbare cum ar fi zgomotul și interferențele. Întrucât mediul de propagare reprezintă, de cele mai multe ori, un amestec de elemente, propagarea este afectată de schimbări, de cele mai multe ori aleatoare, datorate condițiilor meteorologice și condițiilor complexe de graniță, care apar între diferite tipuri de suprafețe. Paleta de fenomene din domeniul propagării este foarte vastă și conduce la apariția de interferențe între diferite tipuri de sisteme radio.
1.4.2. Reflexia
Unul dintre cele mai importante fenomene întâlnite de o unda radio este reflexia. Când o undă lovește un obiect plan care este mai mare decât unda în sine, în funcție de mediu, unda se poate reflecta în altă direcție. Fenomenul se petrece ca și în cazul luminii. Undele de pană la 1GHz se reflectă din particulele încărcate ale ionosferei(de aceea, noaptea, o persoana din Carolina de Nord poate asculta o stație radio din Chicago). Undele de peste 1GHz(microundele) se pot reflecta din obiecte mai mici, precum uși de metal, drumuri, clădiri, pereți etc. Acest fenomen poate pune probleme, întrucat prin reflexia undelor, același semnal poate ajunge la destinatar decalat, sau defazat, astfel producând alterarea semnalului original.
Reflexiile de unde radio apar atunci când unda electromagnetică se lovește de suprafețe plane. Gradul de planeitate trebuie comparat cu lungimea de undă. În multe cazuri, suprafața nu va fi perfect plană ci va avea unele ondulări însă reflexia va avea loc în continuare. Reflexia determină modificări în faza semnalului, absorbție sau refracția unei parți din energie. Deși matematic astfel de interacțiuni sunt bine înțelese, în condițiile din cele mai multe situatii practice, se va aproxima doar la idealul matematic. O reflecție va oferi o cale secundară între emițător și receptor. Cele două unde se vor suprapune la antena de recepție deoarece diferența de lungime drum ( și timpul de sosire ) este, de obicei, mic . Vor exista situații în care semnalele interferează în mod constructiv și un nivel de semnal mai mare va fi recepționat la antena. În alte situații semnalele vor interfera distructiv și puterea semnalului recepționat va fi mai mică.
Figura 2 Reflexia undelor electromagnetice
1.4.3. Împrăștierea
Împrăștierea unei unde electromagnetice poate fi percepută ca o reflexie multiplă. Acest fenomen se petrece când lungimea de undă a semnalului electromagnetic este mai mare decât particulele mediului prin care acesta trece. Cel mai simplu exemplu este regăsit când o undă trece prin smog sau furtuni de nisip.
Suprafața deformată și finită (suprafață cu extindere mică în comparație cu lungimea de undă) împrăștie energia incidentă în toate direcție cu o diagramă a radiației care depinde de deformarea și mărimea suprafeței. Dispersia de energie prin împrăștiere înseamnă o scădere a energiei reflectate în direcția opusă undei electromagnetice incidente. Împrăștiere este similară cu reflecția, dar apare condiția suprafața să nu fie netedă și astfel reflexiile sunt dezordonate. Prin urmare, este mai tipic pentru situațiile întâlnite în realitate. Diferența dintre împrăștiere și de reflexie poate fi ilustrată printr-un exemplu optic . Dacă cineva ar fi să se uite la un apus de soare peste un lac calm, se poate vedea o reflectare a soarelui pe apă. Dacă apa este agitată imaginea reflectată va fi distorsionată.
Figura 3 Împrăștierea undelor electromagnetice
1.4.4. Refracția
Un semnal poate fi "îndoit ", când semnalul trece dintr-un mediu în altul cu densitate diferită, astfel producându-se fenomenul de refracție.
Refracția este cauzată de variații ale indicelui de refracție la diferite niveluri în atmosferă . Pentru rețelele mobile terestre, cele mai importante zone sunt cele relativ apropiate de suprafața Pământului (de obicei până la primul kilometru). În general, indicele de refracție se reduce cu înălțimea datorită presiunii atmosferice în scădere, dar vor exista variații datorate efectelor meteorologice.
De obicei, efectul de variația indicelui de refracție va produce unde radio refractate spre Pământ, care permite recepția de semnale radio pe parcursul orizontului aparent, chiar și fără a se baza pe efecte de difracție. Acest lucru înseamnă că orizontul radio este mai departe decât orizontul optic, așa cum este ilustrat în figrura 4.
Figura 4 Refracția undelor electromagnetice
Influența troposferei asupra propagării undelor este strâns legată de refracția atmosferică. Datorită refracției atmosferice undele radio nu se propagă rectiliniu prin troposferă. Pentru raza de curbură a undelor radio în troposferă este valabilă relația:
R= = , unde: n= indicele de refracție al troposferei;
Expresia obținută arată că raza de curbură a traiectoriei undelor radio, în straturile inferioare ale troposferei depinde de viteza de variație a indicelui de refracție cu înălțimea și nu de valoarea absolută a indicelui de refracție. Semnul minus al derivatei arată că raza de curbură este pozitivă, adică traiectoria undelor va fi orientată cu convexitatea în sus numai dacă indicele de refracție se micșorează cu înălțimea. În cazul propagării printr-o troposferă normală, traiectoria undelor radio ar fi un cerc cu raza R=23 256 m.
Troposfera reală diferă mult de troposfera normală, astfel că apar diferite tipuri de refracție. La baza clasificării diferitelor tipuri de refracție troposferică se află valorile pe care le poate avea gradientul vertical al indicelui de refracție.
Principalele tipuri de refracție sunt:
a) Refracția negativă caracterizată prin > 0; rezultă R < 0. Undele radio prezintă convexitatea spre Pământ, îndepărtându-se de suprafața acestuia.
b) Lipsa refracției caracterizată prin: = 0; rezultă R = . Undele radio au o traiectorie rectilinie.
c) Refracția pozitivă caracterizată prin: < 0; rezultă R > 0. Undele radio prezintă convexitatea în sus, adică undele se apropie de suprafața Pământului. La rândul său refracția pozitivă este: scăzută, normală, ridicată, critică și suprarefracție.
d) Suprarefracția: traiectoria undelor radio are convexitatea în sus, dar raza de curbură este mai mică decât raza Pămâtului.
În acest caz, undele radio, care sunt radiate sub un unghi de înălțare nu prea mare, se întorc pe suprafața Pământului și sunt reflectate de către acesta.
La liniile de radiocomunicație realizate în gama undelor foarte scurte, la distanțe mai mari decât distanța vizibilității directe, s-a constatat că se obține o intensitate a câmpului electric mai mare decât valoarea rezultată din fenomenele de difracție cunoscute. De asemenea, s-a constatat că, cu toate că nivelul câmpului este supus, la distanțe mari, unor fluctuații neîncetate și dezordonate, valoarea ei medie păstrează la aceeași oră din zi, o mărime aproape constantă.
Creșterea nivelului intensității câmpului electric se găsește în fenomenul de dispersie troposferică.
Apariția acestui fenomen poate fi explicat în mai multe moduri:
la deducerea formulelor de difracție s-a presupus că indicele de refracție variază liniar cu înălțimea, care însă are o variație neliniară;
existența în troposferă a unor neomogenități locale, cu indici de refracție diferiți;
poate avea loc dispersia undelor radio la limita de separație dintre atmosferă și norii de ploaie, sau dintre straturi de aer cu temperaturi diferite.
1.4.5. Difracția
În multe cazuri, calea între o stație de bază fixă și elementul mobil va fi obstrucționată de formele de relief. În acest caz , nu există o linie de vizibilitate directă, iar mecanismul principal poate fi difracție semnalului peste sau în jurul obstrucțiile, așa cum se arată în figura 5.
Figura 5 Difracția
Pot exista mai multe obstrucții pentru o undă electomagnetică, caz în care semnalul poate fi difractat peste fiecare obstacol. Pierderea intensității semnalului, comparativ propagarea în spațiu liber poate fi foarte importantă. În unele cazuri, pierderile cauzate de difracție vor determina ca undele care sosesc din alte surse decât cea a elementului de transmisie, să domine calea directă. În astfel de cazuri, pot exista căi cauzate de reflecție și împrăștiere, ceea ce duce la propagare multipath, cu difuziune troposferică.
1.4.6. Atenuarea și absorția
Prin atenuarea undelor radio se înțelege micșorarea intensității câmpului electric datorită: disipării naturale a puterii undelor, absorbției lor prin mediul în care se propagă, precum și difracției și dispersiei lor.
Fenomenul atenuării undelor electromagnetice de către materiale folosite ca bariere de ecranare este caracterizat prin trei componente: atenuarea prin absorbție, atenuarea prin reflexie externă și atenuarea prin reflexiei internă. Fenomenul de ecranare efectivă este reprezentat în figura 6 prin intermediul undei electromagnetice incidentă, reflectată și atenuată. Suma celor trei componente ale atenuării reprezintă ecranarea efectivă a materialului de barieră.
Figura 6 Fenomenul de ecranare
Energie undelor electromagnetice este absorbită de materiale de constructii, vegetatie și alte corpuri. Acest lucru este valabil în special în cazul în care antena se află într-o zonă cu obstrucții pentru undele electromagnetice, de exemplu, atunci când mergi pe jos pe o stradă înconjurată de clădiri, într-o pădure sau în interiorul unei clădiri. Deoarece materialele care pot absorbi energie variază în proprietăți, este posibilă numai obținerea unei valori aproximative pentru nivelul de pierdere în cele mai multe cazuri .
1.4.7. Atenuarea datorată copacilor
În zonele urbane, suntem preocupați cu absorbtia, reflexia, și împrăștierea de energie de radio de copaci și alte plante, precum și efectele lor asupra propagării pe mai multe căi spre antena de recepție.
Multe măsurători au fost făcute cu privire la efectele pădurilor și arborilor asupra propagării radio. Păduri dese, și mai degrabă extinse sunt practic un mediu opac pentru semnalele radio UHF și frecvențe mai mari. Semnalele în apropierea antenei de recepție și în prezența copacilor par să fie în principal difractate peste copaci, dar în pădurile mai puțin dense, semnalul transmis ce undă directă poate fi mai puternic decât cel difractat peste copaci.
Un număr mic de copaci, sau chiar un singur copac, poate provoca o variație considerabilă în intensitatea câmpului în puncte situate în zona de umbră. Atunci când o antenă este plasată între mai mulți copaci, semnalul este puternic atenuat și câștigul antenei, polarizare, precum și alte caracteristici ale antenei pot fi afectate puternic. Măsurătorile efectuate în jungle și păduri tropicale arată că atenuarea la VHF este foarte mare, și că semnalele polarizate vertical sunt atenuate cu 15 dB mai mult față de semnalele polarizate orizontal, la o distanta de o milă. La aproximativ 50 MHz, pentru distanțe de 10 la 40 km, pierderea medie junglă a fost de aproximativ 18 până la 20 dB față de spațiu liber.
CAPITOLUL 2. MODELE URBANE DE PROPAGARE ÎN GAMA VHF
2.1. Date generale
În proiectarea acoperirii cu semnal radio pentru diverse servicii de comunicații trebuie să se țină seama de interacțiunea undelor radio cu mediul în care se propagă. Pentru comunicațiile mobile respectiv serviciile de difuziune a semnalului TV, undele se propagă în imediata vecinătate a scoarței terestre, ceea ce înseamnă că trebuie luate în considerare reflexiile care au loc la sol, obstacolele datorate reliefului, prezența vegetației și a obstacolelor datorate activităților umane (construcții temporare sau permanente, utilaje, etc).
Proiectarea și implementarea de sisteme de comunicare necesită predicție a propagării undelor referitoare la zgomotul și interferențelor în cadrul unei rețele luate în considerare sub forma unei celule. Tipuri de celule:
macrocelulele: acoperire regională între 1 și 30km;
diviziuni ale macrocelulelor: acoperire de până șa 3 km;
microcelulele: acoperire urbană și în trafic de până la 1 km;
picocelulele: acoperire pe o arie urbană de până la 500 m, cu trafic intens, pot fi luat în considerare și interiorul clădirilor;
Celulele de rețea de configurații mici – în special tipuri de microcelule și picocelule sunt de interes major pentru mediul urban datorită creșterii cererii de capacitate. Criteriile utilizate pentru definirea unei microcelule sunt legate de înălțimea antenei stației de bază. Pentru o microcelulă, înălțimea antenei stației de bază este sub nivelul mediu sl acoperișului clădirilor din jur sau aproximativ aceeași înălțime. Astfel raza celulei este în intervalul de 250-500m. O caracteristică suplimentară este putere de emisie redusă. Cu toate acestea, o predicție cu raza de câțiva kilometri se realizează calculând interferența dintre celule. O stație picocelulară, se realizează în interiorul unei clădiri și în afară în jurul acesteia.
Transmisia radio în mediul urban este supusă puternic propagării pe mai multe căi. Caracteristicile dominante în aceste modele sunt reflexia, difracția, umbrirea realizată de obstacole și ghidul de undă ce se formează similar unor canioane de stradă. Luând în considerare toate aceste efecte, trebuie cunoscute care căi de propagare sunt cele mai puternice. Aceste căi depinde de înălțimea antenei stație de bază și totodată de înălțimea clădirilor din jur.
Pentru simplificarea modelelor de propagare, două modele empirice au fost dezvoltate în ipoteza de propagare pe deasupra clădirilor. Modelul Walfisch-Ikegami în cooperare cu COST 231 este o astfel de abordare analitică pe baza ecuațiilor și factorii de corecție.
Al doilea model de predicție microcelular are la baza folosirea metodelor optice. Acestea permit proiectarea tridimensională a pierderii pe căile de preopagare și predicția semnalului răspândit, precum și influența cladirilor sau a altor obstacole însă necesită un efort mare de calcul în raport cu metoda anterioară.
Necesar pentru orice model de propagare este un fundament care descrie mediul de propagare. Microcelula și propagarea în interiorul clădirilor posedă cea mai complexă dependență de înaltă rezoluție a datelor spațiale. Măsurători ale dimensiunile structurilor clădirilor din zona urbană care se folosesc în prezent și au precizie în intervalul de 1-2 m sunt realizate prin fotografie aeriană având astfel rezoluție înaltă. Pentru propagarea urbană, sunt esențiale informațiile exacte despre înălțimea medie a fiecărei clădiri, mai ales atunci când antenele de emisie sunt aproape de înălțime de pe acoperiș.
În planificarea microcelulele pentru a crește capacitatea rețelei în zonele urbane, este necesară folosirea unei baze de date orientate spre construcții. În scopul de a obține o descriere mai exactă a propagarii undelor, caracteristicile construcțiilor sunt stocate într-un format vectorial. Figura 7 este un model de bază de date pentru clădiri în format vectorial. Fiecare clădire este modelată ca un cilindru vertical cu baza poligonală și o înălțime uniformă. Cu această abordare numai pereți verticali și acoperișuri plate orizontale sunt luate în considerare. În plus, proprietățile materialului de construcție(grosime, permitivitatea, conductivitate) pot fi luate în considerare, ceea ce este important pentru calculul coeficienților de reflecție și de difracție și, de asemenea, pentru pătrunderea undelor electromagnetice în clădiri. Având în vedere influența informațiilor din bază de date privind acuratețea predicție este de remarcat că erorile de predicție în microcelulele de până la 15 dB au fost atribuite inexactităților rezultate din rezoluția slabă privind construcțiile.
2.2. Considerații privind topografia
Orașele sunt construite frecvent pe teren deluros, astfel încât propagarea poate fi afectată simultan de clădiri și de relief. Abordările statistice și deterministe au fost utilizate pentru a ține cont de efectele terenului asupra propagării undelor radio. Unul dintre modele statistice, care se bazează pe măsurările efectuate în Japonia utilizând antene foarte mari, evidențiază variabilitatea terenului prin utilizarea factorilor de corecție. Cu toate acestea, această abordare nu permite evaluarea semnalului în locații specifice chiar și atunci când terenul este cunoscut. În modele deterministe, un rol important este atribuit propagării pe teren în absența clădirilor. Abordările sunt bazate pe teoria difracției geometrice pentru vârfurile dealurilor care blocheaza calea de de vizibilitate LOS.
Figura 8 Căi de transmisie în mediu urban
Căile de transmisie de la o stație de bază sunt reprezentate în figură 8 pentru trei clase de locații într-o zonă metropolitană construit pe teren cu denivelări. Clădirile sunt presupuse a fi orientat perpendicular pe planul de curbură al dealurilor, în vedere laterală, care, de asemenea, se presupune a fi planul de propagare.
2.3. Clasificare modelor de propagare
Poate cel mai important criteriu insă, pentru o clasificare a modelelor de propagare este principiul după care aceste modele lucrează:
modele empirice;
modele deterministe;
modele fizice;
modele stohastice.
Modelele empirice sunt bazate pe măsurări și observarea evoluției acestora în diferite scenarii de propagare. Aceste modele sunt utilizate la predicția mediei locale a semnalului radio în funcție de mai mulți parametri (distanță, înălțimea antenelor), unele dintre ele luând în calcul natura dispersivă a canalului radio, altele nu. Acest tip de modele au câteva avantaje notabile cum ar fi simplitatea utilizării, costurile mici de exploatare și timpul mic de calcul de predicție. Chiar dacă uneori fac apel la hărți ale zonei pentru care urmează a fi calculată acoperirea, nu folosesc hărți detaliate care cresc complexitatea utilizării și totodată costurile.
Modelele deterministe funcționează pe baza legilor care guvernează campurile electromagnetice, fiind programe software la care trebuie introduse hărți digitale 3D detaliate, cu totalitatea clădirilor din zona de acoperire cu semnal, proprietăți ale material din care acestea sunt construite, forme de relief, etc. Deși, în urma unei exploatări corecte a software-ului de simulare, rezultatele simulării nivelului câmpului au erori mici comparativ cu valorile rezultate din măsurări, complexitatea parametrilor pe care îi ia in calcul, necesitatea hărților foarte precise și timpul mare de simulare le fac să nu fie atât de populare ca modelele empirice. De asemenea, puterea de calcul este esențială în utilizarea acestor modele. În plus, dacă hărțile introduse au abateri de la situația reală din teren, rezultatele pot fi mai slabe decât în cazul modelelor empirice. Aceste modele însă pot furniza, ca valori de ieșire, o gamă mai largă de date despre propagare, pe langă atenuarea de propagare, unghiul sub care sosește raza la receptor.
Modelele fizice, spre deosebire de cele deterministe, iau în cosiderare aspectele de natură fizică a interacțiunii dintre unda electromagnetică și obstacolele din zona de propagare (reflexii, difracție, dispersie). Pot funcționa atât cu date exacte cat și cu date generice, de exemplu, specificarea tipului zonei în care are loc propagarea (rezidențială, urbană densă, rurală, arie deschisă) și înălțimea obstrucțiilor.
Modelele stohastice sunt cel mai puțin exacte, dar cel mai simplu de aplicat. Propagarea undelor este analizată prin metode statistice, utilizand un minim de informație despre mediul de propagare pentru care se realizează proiectarea. Prezintă avantajul unei nevoi de putere de calcul mici.
ITU (International Telecommunication Union) este o organizație internațională, inființată in anul 1865 la prima conferință internațională a telegrafului, care a avut loc in Paris. Scopul acestei organizații create atunci și care nu s-a modificat nici astăzi, este acela de a crea reglementări și norme în domeniul telecomunicațiilor. Din 1992 ITU a fost impărțit în două sectoare de activitate, ITU-R ocupându-se de partea radio a comunicațiilor, seria P făcand referire la propagarea undelor radio. Aceste norme au rolul de a da o informație generală despre condițiile de propagare, problemele de care trebuie să se țină seama într-o situație dată și pot fi folosite pentru a se face diverse comparații ale rezultatelor obținute în studiul propagării.
2.4. Modele de predicție a pierderilor în zone populate
2.4.1. Modelul empiric COST-Walfisch-Ikegami
Comitetul European de cercetări COST-231 a stabilit un model de calcul a atenuării de traseu având la bază o serie de relații stabilite de Walfish-Bertoni și Ikegami.
Model utilizabil pentru:
Celule de dimensiuni mici (de ordinul a 200-5000 m)
Înălțimi ale antenelor stațiilor de bază de ordinul a 4-50 m și stațiilor mobile de ordinul a 1-3 m.
Atenuarea de traseu este formată din trei componente și este dată de relația
L COST = min{LFreeSpace ; LFreeSpace − L1 − L2 };
S-au utilizat următoarele notații:
• L1 – atenuarea rezultată ca efect al difracției câmpului electromagnetic pe acoperișurile clădirilor către stradă, cumulat cu efectul de dispersie a undelor electromagnetice;
• L2 – reprezintă atenuarea datorată ecranărilor multiple care se produc pe traseul de propagare;
Așa-numitele modele empirice (ex. modelul Walfisch/Ikegami) ia în considerare numai propagarea într-un plan vertical care conține emițător și receptor. Pentru predicția intensității câmpului, parametrii trebuie să fie extrași din secțiunea verticală a mediului de propagare.
În cele din urmă ecuații care conțin acești parametri trebuie să fie optimizate și fixate pe numeroase măsurători pentru a obține un model de predicție, care să poată fi aplicat în medii diferite de propagare. Principalul avantaj al modelelor empirice este timpul scurt de calcul.
Modelul empiric a fost dezvoltat în cadrul proiectului European COST 231 de o combinație de modele Walfisch și Ikegami. Modelul permite estimarea de pierderea prin luarea în considerare a mai multe date pentru a descrie caracterul din mediul urban, și anume:
• înălțimea antenei de emisie hTX;
• înălțimea antenei de recepție hRX;
• valoarea medie a clădirilor hroof ;
• valoarea medie a lățimii drumurilor w;
• distanța dintre clădiri b;
• unghiul φ dintre direcția emițător– receptor și strada pe care se găsește receptorul;
Cu toate acestea acest model este încă statistic deoarece numai valorile caracteristice sunt luate în considerare pentru predicție. Modelul face distincția între situațiile line-of-sight (LOS) și non-line-of-sight (NLOS). În cazul LOS între antena de emisie și antena de repecție mobilă aflată într-un canion pe stradă, se aplică formula:
– prima constanta lp este egală cu pierderea de energie pentru distanța d = 20 m în cazul LOS. În cazul NLOS pierderea bază de transmisie este compus din pierderea în spațiu liber lo, difracția multiplă lmsd și difracția prin schimbarea direcției undei electromagnetice către antena de recepție lrst. Calibrarea aceastei formule se face prin măsurători efectuate în orașe .
2.4.2. Modelul Longley – Rice
În ianuarie 1967 este publicat de către National Technical Information Service al US Department of Commerce, NTIA Technical Note 101 – Transmission Loss Predictions for Tropospheric Communication Circuits Volumes I and II by P.L. Rice, et al., 01-1967. Acest raport reprezintă o documentație complexă legată de propagarea undelor radio a cărei implementare software va fi cunoscută ca modelul Longley-Rice. La dezvoltarea acestui model au stat studiile de pană atunci desfășurate în mediul economic și academic, la care s-au adăugat studiile facute de agențiile guvernamentale începand cu 1955, multe dintre acestea nepublicate. Modelul Longley-Rice a fost gândit să furnizeze, în urma calcului de propagare, atenuarea medie pentru o anumită legătură radio. Acest calcul este structurat sub forma unor algoritmi, ceea ce îl face relativ ușor de implementat sub forma unor rutine software. De asemenea există posibilitatea de calcul a atenuării medii pentru o anumită arie in jurul unui emițător. Așadar modelul are două moduri pe care utilizatorul le poate folosi: „point-to-point prediction mode” și „area prediction mode”. Primul mod de predicție este descris in cele ce urmează.
Din punct de vedere al datelor de intrare, limitele în care se poate face estimarea sunt foarte generoase, fiind un atu al modelului:
– frecvența purtătoarei cuprinsă intre 20 MHz și 40 GHz, cu recomandarea de utilizare pana la 20 GHz;
– distanța emițător – receptor: 1 km – 2000 km;
– inălțimile antenelor de emisie/recepție: 0,5 m – 3000 m;
– polarizarea undelor: verticală sau orizontală;
În vederea predicției, modelul folosește date legate de relieful în care are loc propagarea, conducția solului și constanta sa dielectrică, indicele de refracție al atmosferei. Legatura radio poate fi estimată și pentru cazul când terminalele se află dincolo de orizontul radio unul față de celălalt. De asemenea se ține seama de locația în care se află terminalele legăturii prin gradul de degajare al reliefului în aceste zone. Modul în care se face calculul atenuării este unul semiempiric, pe de o parte folosindu-se formule determinate empiric prin numeroase studii de propagare, iar pe de altă parte metode deterministe, cum ar fi în cazul difracției.
2.4.3. Modelul Okumura-Hata
Acest model de propagare empiric a rezultat în urma unui număr foarte mare de măsurări efectuate in prejma orașului Tokio. Okumura publică, un model de propagare destinat comunicațiilor mobile terestre, bazat pe formula spațiului liber, la care se adaugă o corecție Amu(f,d) care reprezintă atenuarea medie suplimentară față de spațiul liber, pentru mediul urban, în condițiile unui teren cvasi-neted, și înălțimi ale clădirilor nu foarte mari.
Condițiile de aplicabilitate ale acestui model presupun o înălțime efectivă a antenei de emisie hte de 200 m, și a antenei de recepție hre de 3 m. Curbele sunt exprimate ca și funcții de frecvență în gama 100 – 3000 MHz, și o distanță de la stația de bază de pană la 100 km. Pentru antene care nu au înălțimile considerate în studiu, se adaugă coeficienți de corecție. Expresia de calcul a atenuării medii de propagare între emițător și receptor, valabilă in 50 % din locații este:
G(hte) = 20lg, pentru 30m < hte < 1000m;
G(hre) = 10lg, pentru hre < 3m;
G(hre) = 20lg, pentru 3m< hre < 10m;
Pe langă aceste corecții se mai pot adăuga și altele, cea mai importantă fiind corecția legată de ondulațiile terenului (Δh) calculată ca valoarea a ondulațiilor pe o distanță de 10 km de la receptor spre emițător. O altă corecție se aplică în cazul prezenței unei creste izolate pe traseul de propagare, la fel și în cazul unei căi de propagare mixte pămant – mare. Înălțimea efectivă a antenei se calculează față de o referință a înălțimii terenului. Această referință se determină ca o medie a ondulațiilor terenului pe o distanță între 3 km și 15 km (sau mai puțin dacă receptorul se află la o distanță mai mică de 15 km) de la emițător. Au existat mai multe încercări de interpretare a curbelor date de Okumura sub forma unor relații matematice, cea mai cunoscută formulare fiind cea a lui Hata.
unde:
Amu (f ,d) atenuarea medie în mediul urban relativ la propagarea în spațiul liber pentru medii cvasi-netede (caracterizate de iregularități sub 20 m ) ;
Htu – factorul de câștig dependent de înălțimea efectivă a antenei stației de bază și de distanță ( relativ la hbo =200m);
Hru – factorul de câștig dependent de înălțimea antenei mobilului hm și de frecvența (relativ la hmo =3m);
Hata a dat o formulare empirică pentru relațiile ce descriu curbele folosite de Okumura; Această formulare este limitată la terenuri cvasi-netede și pentru domenii de valori foarte precise pentru parametrii de intrare:
1m ≤ hm ≤ 10m;
30m ≤ hb ≤ 300m;
1km ≤ d ≤ 20 km;
150MHz ≤ f ≤ 1500MHz;
d este exprimată în km iar constantele A, B, C, D sunt date de expresiile:
;
Parametrul a depinde și de categoria orașului:
Pentru orașe de mărime medie și mică:
Pentru orașe de mărime mare:
;
2.4.4. Modele refractate vs Modele reflectate (Ray Tracing vs. Ray Launching)
Modelele optice de propagare sunt foarte des folosite pentru predicție a intensității câmpului în scenarii urbane. Există două abordări diferite pentru a stabili căile de propagare între emițător și receptor: Ray Tracing vs. Ray Launching.
Modelele undelor refractate calculează toate undele electromagnetice pentru fiecare punct de recepție individual și garantează luarea în considerare a fiecărei unde refractate prin perete. În abordarea Ray Tracing, undele sunt lansate la transmițător cu o creștere unghiulară constantă. În Ray Launching ar putea neglija un perete care este foarte mic și situat între două raze. Singurul avantaj al Ray Launching este timpul de calcul scurt, comparativ cu algoritmul Ray Tracing.
2.4.5. Model de propagare în interiorul clădirilor
Estimarea caracteristicilor de propagare între două antene în interiorul unei clădiri este important în special pentru proiectarea rețelelor de telefoane fără fir și rețele locale wireless (WLAN). De asemenea, instalarea de sisteme celulare cu stații de emisie interioară implică modele de propagare interioară.
Canalul de propagare interior diferă considerabil față de unul exterior. Distanța între emițător și receptor este mai scurtă însă atenuarea este mare datorită pereților și mobilierului și, adesea din cauza faptului că puterea emisă de transmitor este mică. Distanța scurtă implică o durată mică a recepționării semnalului si deasemenea o decalaj de timp redus în propagarea unui semnal către un receptor. Așa cum este cazul în sisteme exterioare de propagare, există mai mulți parametri importanți pentru ca propagarea să fie precisă.
Modelul spațiului liber MF
Modelul spațiului liber analizează clădirile din perspectiva distanțelor dintre pereți și pierderilor de penetrare a pereților, dar pozițiile individuale ale pereților și proprietățile lor materiale nu sunt luate în considerare. Prin urmare, acest model calculează pierderea de traiectorie similară cu pierderea din spațiu liber. Se presupune că pierderea de cale LMF (în dB) este dependentă liniar pe distanță, de un anumit coeficient de atenuare n:
;
Modelul spațiului liber nu ia în considerare pereții clădirilor, astfel nu este necesară o baze de date. Cu valori constante pentru n și lc predicția duce la câmp valori care scade în cercuri concentrice în jurul emițătorului. În conformitate cu aceste rezultate, predicțiile sunt destul de imprecise și potrivite doar pentru o estimare.
Modelul Motley-Keenan (MK)
Modelul conform lui Motley și Keenan calculează pierderea pe drum bazată pe raza directă între emițător și receptor. În contradicție cu modelul de spațiu liber acest model ia în considerare locațiile exacte ale pereților, podelelor și plafoanelor clădirilor. Factori suplimentari de absorbție a calea de raze directe de ziduri ia în considerare aceste efecte cu umbra. Așa cum se arată în figura 12, parametrul kw descrie numărul de pereți ce intersectează unda directă între emițător și receptor. Este utilizată pentru calculu o pierdere în transmisie uniformă lw pentru toate zidurilor, adică proprietățile materialelor pereților nu sunt luate în considerare individual.
Modelul pereților multipli COST
Modelul pereților multipli dă pierderea pe direcție ca pierderea în spațiu liber adăugată la pierderile provocate de pereții și podelele prin care unda directă între emițător și receptor pătrunde (figura 13). S-a observat că pierderea totală a clădirilor este în funcție de numărul de etaje prin care unda electromagnetică trece. Această caracteristică este luată în considerare prin introducerea unui factor de corecție empiric suplimentar. Pierderile individuale de penetrare pentru pereți (în funcție de parametrii lor materiale), sunt luate în considerare pentru predicția pierderii pe calea undei electromagnetice. Prin urmare, modelul multi-strat poate fi exprimată după cum urmează:
, unde
lFS este pierderea în spațiu liber între emițător și receptor;
lC este o constantă a pierderii;
kwi este numărul de pereți pătrunși de unda electromagnetică;
kf numărul de etaje;
lwi pierderea într-un anumit perete;
lf pierderea între etaje adiacente;
N numărul de tipuri de pereți;
Pierderea constantă din ecuație rezultă din pierderile prin perete care se determină pe baza rezultatelor măsurătorilor utilizând regresia liniară multiplă . În mod normal, acesta este aproape de zero. A treia sumă în ecuația reprezintă pierderea totală perete ca cumulare a pereților între emițător și receptor.
CAPITOLUL 3. STUDIU DE CAZ ASUPRA PROPAGĂRII ÎN MEDIU URBAN ÎN GAMA VHF
3.1. Studiu de caz asupra propagării în gama vhf în cadrul unei microcelule
3.1.1. Date generale
Dezvoltarea tehnologiilor în comunicațiile mobile presupune introducerea de noi servicii in ideea de a pune la dispoziția utilizatorului un număr cat mai mare de servicii și aplicații. Aplicațiile care au la bază internetul – voce prin IP (VoIP), descărcarea de fișiere multimedia (muzică, clipuri video), accesul la programe TV online, au devenit comune unui utilizator care se află in fața unui computer static, acasă sau la birou. Acum accentul se pune pe deservirea, cu același tip de servicii, a utilizatorilor mobili, aflați nu neapărat la nivelul străzii, ci în clădiri de birouri, mall-uri sau chiar acasă, utilizatori care folosesc multiple și diverse dispozitive de acces la aceste servicii.
În aceste condiții, provocările legate de proiectarea acoperirii cu semnal a rețelelor de comunicații mobile se regăsesc exclusiv in zonele urbane, dens populate, la nivel de micro și picocelulă. Dacă pană acum hărțile de predicție cu semnal radio erau 2D (de obicei campul era estimat pentru o înălțime a antenei de recepție de 1,5 – 2 m), acum se pune problema predicției 3D a semnalului sau cu alte cuvinte devine de interes și distribuția pe verticală, la diferite inălțimi, a campului electromagnetic. Chiar și cele mai performante software-uri folosite de companiile de comunicații nu reprezintă propagarea undelor în realitate din cauza diferențelor dintre datele luate în considerare și datele ce reprezintă realitatea din teren și sunt în continuă schimbare. Așadar prin măsurători practice se poate determina cel mai exact atenuarea unui semnal în mediu urban. Pentru ca măsurătorile să fie cât mai exacte trebuie folosite echipamentele care emit și recepționează fără perturbații interne ale echipamentelor pasive sau active cum ar fi într-o stație radio. Pentru efectuarea măsurătorilor voi folosi:
analizorul spectral FSH 3 (Rohde & Schwarz) conectat la antenă și laptop pentru achiziția datelor, utilizând soft-ul FSH View. Analizorul de spectru este ideal pentru analize cost-eficacitate ale unui semnal electromagnetic. Acesta oferă un număr mare de funcții de măsurare de la instalarea sau menținerea unei stații mobile de bază de radio până la localizarea defectelor în cabluri RF. Frecvența analizată poate fi cuprinsă între 100 kHz și 3 GHz iar lățimea de bandă între 100 Hz și 1 MHz. Având în vedere că în experiment se va transmite un semnal vocal, valoarea lățimei de banda a semnalului va fi de 25 de kHz.
generatorul de semnal SM 300 conectat la antena de emisie. Generatorul SM300 oferă toate caracteristicile necesare unui generator de semnal de uz general: gamă largă de frecvențe, mare varietate de funcții de modulare și de înaltă fiabilitate. Domeniile de aplicare SM 300 sunt practic nelimitate în dezvoltare, de servicii sau de producție în cazul în care este folosit ca o sursă de semnal flexibil în sisteme de testare automate, este ideal pentru generarea de semnale cu modulație digitală. Gama de frecvențe: 9 kHz la 3 GHz;tipuri de modulare: AM, FM, φM, Puls și I / Q. Ieșire NF: 20 Hz la 80 kHz. Zgomot de fază SSB <-95 dBc (fc = 1 GHz, 20 kHz offset, o lățime de bandă de masurare Hz). Incertitudine nivel <1dB (fc> 100 kHz, Nivelul> -120 dBm, 20 ° C și 30 ° C). Interfata grafica orientata, interfață USB.
antena de emisie log-periodică CBL 6143A cu frecvența cuprinsă între 30 MHz și 3 GHz;
antena de recepție biconică și telescopică VHA 9103 cu frecvența cuprinsă între 25 și 300 MHz;
cabluri de conexiune LAN, fider, alimentare;
Schema conexiunii elementelor folosite pentru determinarea atenuarii în spațiu liber este prezentată în figura 14 :
Figura 14 Schema măsurătorilor
Considerăm antenele situate pe platoul AFT care au următoarele caracteristici:
Frecvențe: din intervalul 30-300 MHz expun spre studiu frecvențele 60, 120 și 240 MHz deoarece nu este afectată de frecvențele radio din zona urbană considerată, frecvențele fiind în general în intervalul 80 MHz și 110 MHz .
Putere de emisie: 10 dBm
Înălțimea antenelor: 90 cm
Alte caracteristici: din punct de vedere al urbanizării mediu considerat este cel suburban deoarece există puține elemente care influențează negativ propagarea undelor electromagnetice. Condițiile meteorologige au fost prielnice măsurătorilor. Măsurătorile s-au efectuat în câmp îndepărtat(λ>>R).
3.1.2. Atenuarea în funcție de distanță
Pentru a evidenția fenomenele care influențează o undă electromagnetică în mediu urban vom porni de la analiza propagării în vizibilitate directă. Considerăm o undă elecromagnetică ce se propagă între două antene aflate la distanța de 10 m ca în figura 15. După o serie de măsurători la trei frecvențe diferite distanța se va dubla. Aprecierea măsurătorilor va fi determinată de mai mulți factori. Câștigurile antenelor au o mare importanță în determinarea puterii recepționate. Parametri precum refractivitatea suprafetei sau climatul au o mică influență în abordarea rezultatelor.
Figura 15 Propagare în vizibilitate directă
Puterea semnalului la recepție va fi calculată teoretic cu autorul formulei lui Friss :
;
;
unde este definită ca puterea semnalului la recepție,este puterea semnalului la transmisie adică de 10 dBm în experiment, este câștigul antenei de recepție, este câștigul antenei la transmisie, atenuarea în funcție de distență și frecvență , R este distanța dintre antene, f este frecvența, La este atenuarea din cele două fidere;
În tabelul următor sunt prezentate datele teoretice, respectiv cele rezultate din măsurători:
Tabelul 3.1 Valorile atenuării în spațiu liber
Dacă nu ținem seama în calculul teoretic de câștigurile antenelor și atenuării datorată fiderelor, valorile puterii recepționate scad odată cu creșterea distanței și a frecvenței. Cu toate că din punct de vedere teoretic puterea ar trebui să scadă, valorile obținute teoretic aplicând formula lui Friss pentru Pr arată că femonenul este inveres. Acest lucru de datorează câștigurilor antenelor care la frecvențe mai mari au un aport favorabil în propagarea semnalului. Aceste valori sunt prezentate în tebelul următor:
Tabelul 3.2 Valorile câștigurilor antenelor și atenuării din fider
Din graficul 3.1 se pot observa diferențele mari între valorile puterii fără câștiguri ale antenei cumulate cu atenuatea datorată fiderelor și valorile puterii din calcul aplicând formula lui Friss. De asemenea valorile puterii de recepție calculate teoretic și valorile obținute din măsurători sunt aproximativ egale. Practic la frecvența de 240 MHz efectul cumulării câștigurilor antenelor și atenuării din fider are are valoarea cea mai mică și astfel atenuarea FSPL este aproximativ egală cu atenuarea din măsurători.
Valorile puterilor calculate și măsurate sunt prezentate în tabelul 3.1. Diferențele dintre acestea sunt cumularea mai multor factori cum ar fi câștigurile antenelor, atenuatea din fider sau factori exteriori. Valoarea puterii semalului la recepție s-a obținut din măsurători prin interfața FSH conform anexei nr 3. Observăm că dacă mărim frecvența la aceeași distanță, pierderile puterii semnalului scad, atenuarea fiind din ce în ce mai mică. Pentru prima măsurătoare cumularea câsțigurilor antenelor cu atenuarea din fider este de 24.36 dB. Rezultă o diferență de 3.47 dB care îi putem atribui factorilor exteriori cum ar fi condițiile atmosferice, influența solului sau erorilor. În tabelul 3.3 sunt prezentate rapoartele dintre atenuarea puterii, FSPL și cea rezultată din cumularea câștigurilor antenelor cu antenuarea din fidere.
Tabelul 3.3 Diferențele de atenuare
În cazul în care valoarea ultimei coloane din tabelul 3.3 este pozitivă sunt elemente exterioare care influențează negativ propagarea. Dacă valoarea este negativă elementele din jurul sistemului influențează pozitiv propagarea. Valorile obținute sunt într-un interval ce determină o eroare aproximativ mică fapt rezultat și din graficul 3.1.
3.1.3. Analiza propagării în prezența unui obstacol
Majoritatea modelelor de propagare presupun ca antena de emisie să fie mai înaltă ca înălțimea media a clădirilor pentru ca direcția undelor electromagnetice să sufere difracția o singură dată când își schimbă direcția spre zona umbrită din spatele clădirii. Pentru acest experiment considerăm antena de emisie situată la 90 cm deasupra suprafeței solului. Vom considera o undă de ce propagă de pe platoul AFT de la antena de emisie peste pavilionul J2 precum cea din figura 17 . Puterea semnalui măsoară în punctele B, C și E ale figurii. Punctul de măsurare E din figura 15 este situat la 60 m pe partea opusă pavilionului raportat la antena de emisie aflată în puncul A. Punctele de măsurare B și C se află la 20 m respectiv 40 m față de punctul A. Antena de emisie este directivă prin urmare cea unda de referință pentru măsurare este cea care se propagă pe direcția punctelor A,B,C,D,E. În punctul D unda suferă o refracție la intrare în clădire din cauza peretelui și de asemenea la ieșirea din clădire. Aceste fenomene s-ar putea anula reciproc însă în interiorul clădirii unda suferă atenuări datorită mobilierului. Dacă adăugăm faptul că punctul E prezintă o vegetație bogată, atenuarea din acest punct este greu de prezis.
Tabelul 3.4 Valorile atenuării în propagarea peste o clădire
În tabelul 3.4 se observă diferențe între puterea recepțioanată la distanța de 20 m în cazul vizibilității directe cu spațiu larg, prezentate în tabelul 3.1 și vizibilitatea directă atunci când în apropierea antenelor se află o clădire care are dimensiuni mult mai mari decât lungimea de undă și poate să reflecte unda realizând fadingul. Acest fenomen este reprezentat în graficul 3.2 și se accentuează odată cu creșterea distanței.
De asemenea la distanța de 60 m, după clărire, se observă diferența mare dintre atenuarea în LOS și atenuarea măsurată obținută în anexa 4.
Tabelul 3.5 Diferențele de atenuare
În cazul în care valoarea ultimei coloane din tabelul 3.5 este pozitivă sunt elemente exterioare care influențează negativ propagarea. Dacă valoarea este negativă elementele din jurul sistemului cât și cele din cadrul sistemului influențează pozitiv propagarea. Toate valorilor obținute sunt pozitive așadar sunt elemente care influențează negativ propagarea. Pâna la distanța de 40 m influențele exterioare care cumulează și erorile din măsurători, sunt mici. La distanța de 60 de metri valoarea este pozitivă și foarte mare, fapt determinat de atenuarea clădirii. Dacă în propagarii până la clădire nu sunt diferențe mari între puterea semnalului calculată și cea repeționată, după clădire diferențele sunt mult mai mari și prezentate în graficul 3.3.
3.1.4. Analiza propagării în prezența unui vegetației
Pentru a arata influența vegetației asupra propagării undelor în gama VHF amplasez antena de emisie spre o zonă cu vegetație iar antena de recepție la 5 m de cea de emisie la marginea unor zone predominate de copaci. Apoi măsurătorile se vor face la 10 m unde predomină zona de vegetație respectiv la 20 m ca în figura 18. Zona în care s-au efectuat măsurătorile este asemănătoare unui parc nefiind foarte bogată în vegetație.
Tabelul 3.6 Valorile atenuării în zonă cu vegetație
Dacă antena este plasată în fața zonei cu vegetație se observă unda este refectată de vegetație și valorile puterii sunt mai mari decât cele determinate prin calcul teoretic. Prin urmare putem considera o zonă cu vegetație densă ca fiind un mediu de reflexie pentru undele electromagnetice. Dacă amplasăm antena de recepție în interiorul zonei de vegetație se valorile puterii semnalului mai mici.
Figura 18 Amplasarea antenelor în zonă cu vegetație
Din graficul 3.4 se observă influența negativă asupra propagării unui semnalului. Cu cât creștem ditanța și frecvența, atenuarea devine mai mare. Pentru măsurătoatea la distanța de 5 metri și frecvența de 60 MHz se observă faptul că predicția este greu de făcut datorită vegetației și elementelor aflate în apropierea antenei de emisie( tulpina unui copac și un stâlp metalic).
3.1.5. Concluzii
În acest subcapitol s-au prezentat măsurătorile și interpretarea acestora în ceea ce privește propagarea undelor radio în banda VHF în mediu urban, pentru acoperirea cu semnal a unei microcelule. Scopul inițial al acestor studii a fost acela de a determina experimental atenuarea unui semnal între antena de emisie respectiv cea de recepție. Pentru aceasta, s-au realizat măsurări de câmp îndepărtat pe direcția optimă pentru propagare. În urma studiilor a rezultat că abaterile care apar între atenuarea prezisă de calculul teoretic și valorile rezultate din măsurători, se încadrează într-un interval de eroare accepatbil mai puțin în cazul propagării peste un obstacol. O explicație pentru această diferență dintre perechea (prezis, măsurat) poate să apară și datorită faptului că în modelul LOS nu se ține seamă de prezența elementelor din mediul exterior, a clărilor sau a vegetației. Dezavantajul care se poate sublinia este că datorită volumului mic al datelor experimentale, nu s-au putut determina o valoare medie a atenuării pentru fiecare din cele trei cazuri considerate.
3.2. Studiu de caz asupra propagării în gama VHF în cadrul unei macrocelule. Implementare unui model de propagare în Matlab.
3.2.1. Aplicația Matlab.
În acest subcapitol ne propunem să realizezăm un soft în Matlab prin care să scoatem în evidență atenuarea unui semnal electomagnetic din gama VHF în mediu urban. MATLAB este un pachet de programe de înaltă performanță, dedicat calculului numeric și reprezentărilor grafice în domeniul științei și ingineriei. El integrează analiza numerică, calculul matriceal, procesarea semnalului și reprezentările grafice, într-un mediu ușor de învățat și folosit, în care enunțurile problemelor și rezolvările acestora sunt exprimate în modul cel mai natural posibil, așa cum sunt scrise matematic, fără a fi necesară programarea tradițională. Elementul de bază cu care operează MATLAB-ul este matricea. Cu acesta se pot rezolva probleme fără a fi necesară scrierea unui program într-un limbaj de programare. Dezvoltat de-a lungul mai multor ani, acum MATLAB-ul este un standard în mediile universitare, precum și în domeniile cercetării și rezolvării practice a problemelor legate de procesarea semnalelor, identificarea sistemelor, controlul statistic, prelucrarea datelor experimentale etc.
Cea mai importantă caracteristică a MATLAB-ului este ușurința cu care poate fi extins. Prin aceasta, orice utilizator poate adăuga propriile programe scrise în MATLAB la fișierele originale, dezvoltând aplicații specifice domeniului în care lucrează. De asemenea, MATLAB-ul include aplicații specifice, numite TOOLBOX-uri. Acestea sunt colecții extinse de funcții MATLAB (fișiere M) care dezvoltă mediul de programare de la o versiune la alta, pentru a rezolva probleme din domenii variate. Structural, MATLAB-ul este realizat sub forma unui nucleu de bază, cu interpretor propriu, în jurul căruia sunt construite toolbox-urile.
3.2.2. Scenariu conform modelului Okumura-Hata
Așa cum s-a prezentat în capitolul 2, există diverse abordări de calcul de proiectare a acoperirii cu semnal radio a unei celule. Organizarea rețelelor de comunicații actuale, în special în zonele cu populație densă, presupune organizarea interfeței radio în microcelule. Scenariul de propagare la nivelul unei microcelule presupune că o stație de bază acoperă cu semnal o anumită suprafață teritorială în care traseele de propagare sunt de pană la 1 km, putând ajunge rareori și pană la 2 km. Antena de recepție este plasată la o înălțime care să fie deasupra înălțimii medii a clădirilor din zona de propagare, raportul dintre înălțimea antenei de emisie și înălțimea clădirilor fiind undeva în intervalul 1,1 ÷ 1.4 (în majoritatea orașelor din Europa). Această situație conduce la ideea că într-o microcelulă din mediul urban există un procent foarte mic din suprafață în care terminalele legăturii radio sunt în vizibilitate directă, în rest mecanismele de propagare însumează difracții pe clădiri (chiar și spații verzi compacte) și reflexii la sol și pe clădiri. Ca și excepții se pot aminti străzile perpendiculare pe emițător, acolo unde apare efectul de canion (propagare asemănătoare unui ghid de undă plan paralel), respectiv piețele – zone mai degajate, în care reflexiile pe clădiri sunt mai puțin însemnate. Acest paragraf prezintă un program de simulare a propagării dezvoltat în Matlab, pentru calculul mediei locale a atenuării semnalului radio la nivelul străzilor unui oraș, pe baza interacțiunii dintre unde și clădirile obstacol conform modelului Okumura-Hata. Codul sursă în Matlab al modelului Okumura-Hata este prezentat în anexa 2.
Cazul propagării prin efectul de canion nu este luat în considerare în acest model. Modelul este supus spre interpretare deoarece este cel care încadrează cel mai bina gama undeler VHF având posibilitatea interpretării undelor de frecvență mai ridicată care au o utilizare mult mai mare în mediul urban. Frecvențele ce vor fi evaluate sunt cele ale posturilor de radio acestea nepunând accent pe recepție ci doar pe transmisie. Astfel puterea semnalului emis este mare astfel încat semnalul sa aibă o buna acoperire. Implementarea modelului conferă posibilitatea de a alege parametri în funcție de mărimea orașului, antene, tipul zonei, distanțele dintre antene. Rezultatele obținute nu includ câștigurile antenelor acestea fiind izotropice.
Pentru a reprezenta atenuarea în mediul urban în funcție de frecvență voi considerara urmatorii parametri:
marimea orașului: 1- mediu
tipul zonei: 1- urban
înălțimea antenei de emisie: 30 m
înălțimea antenei de recepție: 1.5 m
distanta dintre emitator si receptor: 10 km
Pentru a analiza rezultatele modelului Okumura-Hata, acestea vor fi comparate cu atenuarea în spațiul liber. Atenuarea în spațiul liber a fost obținută cu formula din subcapitolul 1.3. Atenuatea în câteva puncte ale frecvenței în intervalul 150- 300 MHz sunt prezentate în tabelul 3.7.
Figura 19 Graficul rezulatat în urma rulării parametrilor în Matlab
Tabel 3.8 Diferențe de atenuare
Se observă că dacă frecvența cu care se emite cresțe, atenuarea se marește mai rapid decât în cazul propagării în spațiu liber. După recomandările modelului Okumura-Hata frecvențele luate în considerare sunt cele din zona inferioară a intervalului care permite abordarea acestui model. Gama VHF este mai puțin afectată de zona urbană decât gamele cu frecvență mai mare. Din acest motiv la distanță care s-a luat în considerare de 10 km atenuarea unor semnale cuprinse între 150 MHz și limita superioară a benzii VHF este relativ mică de aproximativ 11 dB. Valori mari ale atenuării apar la frecvențe înalte și determină o scădere mult mare a distanței față de propagarea în spațiu liber pentru a se asigura transmisia.
3.2.3 Influența urbanizării în atenuarea undelor VHF
O caracteristică a mediului urban este forma ciudată pe care o au zonele de acoperire, din cauza fenomenelor de propagare care le suferă undele electromagnetice. Cu cât gradul de urbanizare a unui oraș crește cu atât acesta devine un mediu ostil pentru comunicații. Clădirile au diverse mărimi și forme, sunt înțesate cu cabluri ce sunt străbătute de curent electric (și un câmp electromagnetic adiacent)ceea ce duce la redesenarea formelor de acoperire radio, introducând puncte de acoperire minimă. Prin urmare, forma exactă a zonelor de acoperire radio este greu de determinat.
Pentru a arata modul în care influețează gradul de urbanizare a orașului, considerăm aceiași parametri ca în subcapitolul anterior, însă vom evidenția diferențele în atenuarea semnalului în funcție de trei medii: mediu urban, mediu suburban și propagarea în spațiu liber. După cum reiese din figura 20 cu crește gradul de urbanizare cumulat cu creșterea frecvenței atenuarea se mărește. În medii diferite se aplică pentru predicție, factori de corecție care depind de profilul terenului, înălțimea antenelor, profilurile clădirilor, forma drumurilor și orintarea acestora. Din reprezentarea grafică distingem faptul că față de propagarea în spațiu liber, semnalul poate fi atenuat cu 20 dB în mediul urban și 4 dB în mediu suburban. În mediu urban considerat, majoritatea clădirilor nu depășesc înălțimea antenei de emisie așadar vizibilitatea directă este obstrucționată de cladirile înalte din apropierea receptorului. Mediu suburban este caracterizat de clădiri ce au înălțimea de câteva ori mai mare decât antena de recepție și prezența vegetației.
Figura 20 Atenuarea în diferite medii
3.2.4. Influența înălțimii antenei de emisie
O importanță deosebită în propagarea undelor electromagnetice o are înălțimea antenei de emisie. Prin creșterea înălțimii acesteia se elimină unele obstacole, cum ar fi clădirile mai înalte care au o influență negativă asupra propagării undelor. În majoritatea orașelor antenele de emisie în banda VHF se află pe cele mai înalte clădiri. Astfel singura difracție în drumul de la antena de la emițător la receptor apare la clădirea după care se află receptorul. Semnalul luat în considerare este pe frecvența de 150 MHz.
Graficul prezintă scaderea atenuării semnalului odată cu creșterea înălțimii antenei de emisie. Se observă că în mediul urban într-un oraș mediu atenuarea scade cu 7dB atunci când antena de emisie este ridicată cu 70 m. Scăderea atenuarii nu este semnificativă asadar în proiectarea unei rețele radio important este ca antena de emisie să fie situată peste înălțimea medie a clădilor. Pragul de 30 de metri este suficient pentru orașele în care majoritatea clădirilor nu depășesc această înălțime cu excepția ariilor cu grad crescut de urbanizare.
Figura 21 Atenuarea în funcție de înălțimea antenei
3.2.5 Concluzii asupra propagării în macrocelulă
Se poate stabili care este atenuarea medie într-un punct din mediu urban având caracteristicile mediului și ale instalațiilor de emisie respectiv recepție. Cazul luat în considerare este specific emisiilor radio care folosesc frecvențe joase și au ca obiectiv o acoperire cât mai bună. Prin măsurători realizate în diverse puncte se poate stabili raportul dintre atenuarea calculată teoretic și cea din măsurători. Pe de altă parte, implementarea în Matlab a unor modele de propagare poate determina influența unor factori cum ar fi distanța dintre emițător și receptor, înălțimea antenelor de emisie și recepție, tipul sau mărimea orașului.
CONCLUZII ȘI PROPUNERI
Undele radio au fost descoperite cu mai bine de un secol in urmă, dar studiile privind propagare continuă și astăzi să fie de actualitate, datorită dinamicii cu care se dezvoltă și evoluează piața de comunicații mobile, concomitent cu noile tehnologii și noile aplicații care apar an de an. Chiar dacă există un număr mare de studii referitoare la modelarea interacțiunii dintre unde și mediul de propagare, datorită complexității fenomenelor, este imposibil de realizat o caracterizare globală a comportamentului propagării. De aici rezultă un interes continuu pentru găsirea unor modele care să corespundă cu specificitatea aplicațiilor pentru care se dorește proiectarea acoperirii cu semnal de radiofrecvență. Deloc de neglijat în practică sunt costurile de proiectare. Astfel, companiile de profil caută să găsească o soluție de proiectare cat mai ieftină și mai fiabilă, în condițiile în care licențele unor programe software dedicate calculului atenuării de propagare pentru o legătură radio sunt foarte ridicate. Pe de altă parte, modelele deja cunoscute, cele mai multe dintre ele fiind modele empirice, au limitări în ceea ce privește aplicabilitatea din punct de vedere al benzii de frecvență sau înălțimea antenei terminalelor. Această stare de fapt conduce la oportunități de studiu privind extinderea capabilităților de predicție a unor modele de propagare existente respectiv, să se găsească noi metode cât mai ieftine și mai fiabile de predicție.
Lucrarea de față prezintă direcțiile de optimizare – eficientizare a modelării propagării undelor radio. Studiile au pornit de la o analiză teoretică a fenomenelor și mecanismelor de propagare, respectiv a modelor de propagare existente. O prezentare în acest sens este realizată pe parcursul capitolelor 1 și 2. Una dintre componentele principale ale lucrării o constituie partea experimentală. Datele experimentale privind propagarea au fost obținute de către autor prin măsurători într-un mediul suburban și constituie punctul de plecare pentru determinarea influenței atunuării unui semnal într-o microcelulă în mediu urban. Pe de altă parte, determinarea atenuării pentru distanțe mai mari s-a realizat prin implementarea unui model de propagare respectiv interpretarea rezultatelor obținute.
Studiile care stau la baza acestei lucrări pot oferi un punct de pornire spre noi directii de studiu a propagării. În primul rand, legat de programul de simulare, rescrierea rutinelor într-un alt mediu software pot extinde capacitățile de simulare și de analiză prin furnizarea valorilor de câmp sub forma unor suprafețe sau chiar posibilitatea de furnizare a câmpului în variantă 3D. De asemenea o interfață de lucru în care utilizatorul să introducă datele de intrare în model și să solicite raportul cu datele de ieșire într-un anumit format ar fi îmbunătățire considerabilă. Analiza canalului radio în mediul urban și a varianței sale în cazul comunicațiilor de bandă largă este un alt subiect de interes. La ora actuală există un interes crescut în industria auto pentru implementarea de aplicații care folosesc ca și canal de comunicație canalul radio. Datorită vitezei de deplasare a unui autovehicul și a modificărilor care intervin în distribuția campului în jurul caroseriei, modelarea propagării poate fi un subiect de cercetare foarte actual și foarte ofertant ca și posibilități de analiză.
BIBLIOGRAFIE
Adrian Mihăiuți, Contribuții la modelarea propagării undelor radio, Editura Politehnica – Timișoara, 2012.
Adrian W. Graham, Nicolas C. Kirkman, Peter M. Paul, Mobile Radio Network. Design in the VHF and UHF Bands , Wiley, 2007.
Bogdan Octavian Ioan, Antene și linii, Editura AFT, Sibiu, 2000.
Cristea Dumitru, Ion Roceanu, Războiul bazat pe rețea- provocarea erei informaționale în spațiul de luptă, Editura Universității Naționale de Apărare " CAROL I", București, 2005.
Cunningham, M. L. , 900 MHz land-mobile radio improved using circular polarization.
Dieter J. Cichon, Thomas Kürner, Propagation prediction models.
Erik Őstlin, Radio wave propagation measurements and modelling for cellular mobile radio neworks, Blekinge Institute of Technology Doctoral Dissertation Series, 2009.
G. Olan, M. Chelu, M. M. Olan, Antene utilizate în comunicații speciale și propagarea undelor radio în gama U.U.S., Editura Alma Mater, Sibiu, 2009
Gheorghe Olan, Marius Chelu, Mihaela Maria Olan, Antene utilizate în comunicații speciale și propagarea undelor radio în gama U.U.S., Editura “Alma Mater”, Sibiu, 2009.
Gheorghe Olan, Propagarea undelor electromagnetice în telecomunicații, Editura “Alma Mater”, Sibiu, 2009.
Henry I. Bertoni, Saúl A. Torrico, Propagatin prediction for urban system.
M. V. Popa, P. Bechet, C. Bădescu, M. Bora, Comunicații militare, Sibiu, Editura Academiei Forțelor Terestre, 2005.
O. Bogdan, Antene și linii, Sibiu, Editura Academiei Forțelor Terestre, 2000.
P. Bechet, R. A. Munteanu, I. Bouleanu, M. Munteanu, R. Mitran, Compatibilitatea electromagnetică în medii de comunicații radio, București, Editura Academiei Române, 2010.
P. L. Rice, A. G. Longley, K. A. Norton, A. P. Barsis, Transmission Loss Predictions for Tropospheric Communication Circuits, Technical Note 101, Volumes I and II, Institute for Telecommunication Science Service Administration, 1967.
Paul Bechet, Radu A. Munteanu, Iulian Bouleanu, Mihai Munteanu, Radu Mitran, Compatibilitate electromagnetică în medii de comunicații radio, Editura Academiei Române, București 2010.
Y. Okumura, E. Ohmori, T. Kawano, K. Fukuda, Fieldstrength and its variability in VHF and UHF land mobile radio service, Review of the Electrical Communication Laboratory, 1968.
Periodice
Buletin Științific al Universității “Politehnica ” din Timișoara, The Study of radio propagation models for urban areas prediction, nr. 2, 2008.
Revista Recent, nr. 25 Martie 2009.
Infografie
http://frecvente-radio.radiobox.ro/radio-in-sibiu/
ITU Recommendation P.834-6, www.itu.int/rec/R-REC-P.834-6-200701-I/en
Nortel paper – “Long-Term Evolution (LTE): The vision beyond 3G”, http://4girelessevolution.tmcnet.com/topics/4gwirelessevolution/articles/Nortel%20LTE%20The%20vision%20beyond%203G.pdf
Nortel paper – Long-Term Evolution (LTE): The vision beyond 3G http://www.mobilitytechzone.com/
Radio Coverage Prediction using Longley Rice, http://lrcov.crc.ca/main/
Radio mobile, http://www.cplus.org/rmw/english1.html
Winprop, Documentation-Propagation models, background information, www.awecomunication.com
ANEXE
Anexa 1
Utilizarea benzilor de frecvență în domeniul militar
HF VHF UHF Frecvență
Anexa 2
Codul modelului Okumura Hata implementat în Matlab
clc;
clear all;
close all;
f=1;
t=input (' marimea orasului (1 – mic sau mediu, 2 – mare)–:');
u=input (' tipul zonei (1 – urban , 2 – suburban)–:');
ht=input(' inaltimea antenei de emisie(30 to 300m)–:');
hr=input('inaltimea antenei de receptie(1 to 10m)–:');
d=input('distanta dintre emitator si receptor(1 to 20 km)–:');
%f=input('frecventa in MHz 150 to 300–:');
display('Pierderea medie in dB este');
if t==1
cf=(1.1*log10(f)-0.7)*hr-(1.566*log10(f)-0.8);
elseif f <= 200
cf=8.29*(log10(1.54*hr))*(log10(1.54*hr))-1.1;
else
cf=3.2*(log10(11.75*hr))*(log10(11.75*hr))-4.97;
end
L50=69.55+26.15*log10(f)-13.82*log10(ht)-cf+(44.9-6.55*log10(ht))*log10(d);
if u==2
L50=L50-(2*log10(f/28)*log10(f/28))-5.4;
elseif u==3
L50=L50-(4.78*log10(f)*log10(f))+18.33*log10(f)-40.94;
end
display(L50);
figure
f=1;
h = waitbar(0,'……………..');
for f=150:1:300
%for u=1:1:2
if t==1
cf=(1.1*log10(f)-0.7)*hr-(1.566*log10(f)-0.8);
elseif f <= 300
cf=8.29*(log10(1.54*hr))*(log10(1.54*hr))-1.1;
else
cf=3.2*(log10(11.75*hr))*(log10(11.75*hr))-4.97;
end
L50=69.55+26.16*log10(f)-13.82*log10(ht)-cf;
if u==2
L50=L50-(2*log10(f/28)*log10(f/28))-5.4;
elseif u==3
L50=L50-(4.78*log10(f)*log10(f))+18.33*log10(f)-40.94;
end
%subplot(1,1,1);
plot(f,L50)
hold on;
xlabel('frecventa(in MHz)');ylabel('Atenuarea in dB');
waitbar(f / 300)
end
close(h);
Anexa 3
Interfața FSH View de pe care s-au extras măsurătorile.
Anexa 4
Interfața FSH View de pe care s-au extras măsurătorile.
BIBLIOGRAFIE
Adrian Mihăiuți, Contribuții la modelarea propagării undelor radio, Editura Politehnica – Timișoara, 2012.
Adrian W. Graham, Nicolas C. Kirkman, Peter M. Paul, Mobile Radio Network. Design in the VHF and UHF Bands , Wiley, 2007.
Bogdan Octavian Ioan, Antene și linii, Editura AFT, Sibiu, 2000.
Cristea Dumitru, Ion Roceanu, Războiul bazat pe rețea- provocarea erei informaționale în spațiul de luptă, Editura Universității Naționale de Apărare " CAROL I", București, 2005.
Cunningham, M. L. , 900 MHz land-mobile radio improved using circular polarization.
Dieter J. Cichon, Thomas Kürner, Propagation prediction models.
Erik Őstlin, Radio wave propagation measurements and modelling for cellular mobile radio neworks, Blekinge Institute of Technology Doctoral Dissertation Series, 2009.
G. Olan, M. Chelu, M. M. Olan, Antene utilizate în comunicații speciale și propagarea undelor radio în gama U.U.S., Editura Alma Mater, Sibiu, 2009
Gheorghe Olan, Marius Chelu, Mihaela Maria Olan, Antene utilizate în comunicații speciale și propagarea undelor radio în gama U.U.S., Editura “Alma Mater”, Sibiu, 2009.
Gheorghe Olan, Propagarea undelor electromagnetice în telecomunicații, Editura “Alma Mater”, Sibiu, 2009.
Henry I. Bertoni, Saúl A. Torrico, Propagatin prediction for urban system.
M. V. Popa, P. Bechet, C. Bădescu, M. Bora, Comunicații militare, Sibiu, Editura Academiei Forțelor Terestre, 2005.
O. Bogdan, Antene și linii, Sibiu, Editura Academiei Forțelor Terestre, 2000.
P. Bechet, R. A. Munteanu, I. Bouleanu, M. Munteanu, R. Mitran, Compatibilitatea electromagnetică în medii de comunicații radio, București, Editura Academiei Române, 2010.
P. L. Rice, A. G. Longley, K. A. Norton, A. P. Barsis, Transmission Loss Predictions for Tropospheric Communication Circuits, Technical Note 101, Volumes I and II, Institute for Telecommunication Science Service Administration, 1967.
Paul Bechet, Radu A. Munteanu, Iulian Bouleanu, Mihai Munteanu, Radu Mitran, Compatibilitate electromagnetică în medii de comunicații radio, Editura Academiei Române, București 2010.
Y. Okumura, E. Ohmori, T. Kawano, K. Fukuda, Fieldstrength and its variability in VHF and UHF land mobile radio service, Review of the Electrical Communication Laboratory, 1968.
Periodice
Buletin Științific al Universității “Politehnica ” din Timișoara, The Study of radio propagation models for urban areas prediction, nr. 2, 2008.
Revista Recent, nr. 25 Martie 2009.
Infografie
http://frecvente-radio.radiobox.ro/radio-in-sibiu/
ITU Recommendation P.834-6, www.itu.int/rec/R-REC-P.834-6-200701-I/en
Nortel paper – “Long-Term Evolution (LTE): The vision beyond 3G”, http://4girelessevolution.tmcnet.com/topics/4gwirelessevolution/articles/Nortel%20LTE%20The%20vision%20beyond%203G.pdf
Nortel paper – Long-Term Evolution (LTE): The vision beyond 3G http://www.mobilitytechzone.com/
Radio Coverage Prediction using Longley Rice, http://lrcov.crc.ca/main/
Radio mobile, http://www.cplus.org/rmw/english1.html
Winprop, Documentation-Propagation models, background information, www.awecomunication.com
ANEXE
Anexa 1
Utilizarea benzilor de frecvență în domeniul militar
HF VHF UHF Frecvență
Anexa 2
Codul modelului Okumura Hata implementat în Matlab
clc;
clear all;
close all;
f=1;
t=input (' marimea orasului (1 – mic sau mediu, 2 – mare)–:');
u=input (' tipul zonei (1 – urban , 2 – suburban)–:');
ht=input(' inaltimea antenei de emisie(30 to 300m)–:');
hr=input('inaltimea antenei de receptie(1 to 10m)–:');
d=input('distanta dintre emitator si receptor(1 to 20 km)–:');
%f=input('frecventa in MHz 150 to 300–:');
display('Pierderea medie in dB este');
if t==1
cf=(1.1*log10(f)-0.7)*hr-(1.566*log10(f)-0.8);
elseif f <= 200
cf=8.29*(log10(1.54*hr))*(log10(1.54*hr))-1.1;
else
cf=3.2*(log10(11.75*hr))*(log10(11.75*hr))-4.97;
end
L50=69.55+26.15*log10(f)-13.82*log10(ht)-cf+(44.9-6.55*log10(ht))*log10(d);
if u==2
L50=L50-(2*log10(f/28)*log10(f/28))-5.4;
elseif u==3
L50=L50-(4.78*log10(f)*log10(f))+18.33*log10(f)-40.94;
end
display(L50);
figure
f=1;
h = waitbar(0,'……………..');
for f=150:1:300
%for u=1:1:2
if t==1
cf=(1.1*log10(f)-0.7)*hr-(1.566*log10(f)-0.8);
elseif f <= 300
cf=8.29*(log10(1.54*hr))*(log10(1.54*hr))-1.1;
else
cf=3.2*(log10(11.75*hr))*(log10(11.75*hr))-4.97;
end
L50=69.55+26.16*log10(f)-13.82*log10(ht)-cf;
if u==2
L50=L50-(2*log10(f/28)*log10(f/28))-5.4;
elseif u==3
L50=L50-(4.78*log10(f)*log10(f))+18.33*log10(f)-40.94;
end
%subplot(1,1,1);
plot(f,L50)
hold on;
xlabel('frecventa(in MHz)');ylabel('Atenuarea in dB');
waitbar(f / 300)
end
close(h);
Anexa 3
Interfața FSH View de pe care s-au extras măsurătorile.
Anexa 4
Interfața FSH View de pe care s-au extras măsurătorile.
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: Studiu Propagarii In Mediu Urban In Gama Vhf (ID: 124275)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.