Export page to Open Document format View page as slide show

Wireless Service Engineering

Wireless signals

  • Signal path is not deignated like in wired solutions
  • Transmission is done by sending energy in form of electromagnetic wave
  • Receiver detects the energy and gets the message
  • Transmissions can be omnidirectional or directed in the certain direction
    • With antennas the transmission can be amplified and directed.

Line of sight propagation

  • Transmitter and receiver have (radio) line of sight
  • Frequencies over 30MHz →
  • Over 30MHz signals do not reflect from ionosphere → can be used to communicate with satellites
  • Model for the communication methods relevant for the course

Optical and radio line of sight

  • curvatory of earth gives limit to the optical line of sight when communication on the stations on the ground.
  • For antenna at height h the maximum optical line of sight d in kilometers can be calculated with formula
    • \Huge d=3.57\sqrt{h} h = meters, d kilometers
    • can be derived from triangles drawed in globe
      \Huge r^2 + d^2 = (r+h)^2 , where r= radius of earth
  • As radiowaves refract the line of sight is a bit longer for them.
    • In atmosphere the index is getting smaller when getting closer to earth i.e. radio waves move slightly slower when moving closer to earth.
    • Radiowaves refract towards earth.
    • Taking the refraction into account, the radiowave can be sent with higher angle.
  • For maximum distance use coefficient K that can be aproximated to 4/3.
    \Huge d=3.57\sqrt{Kh}
  • If both transmitter and receiver are above groundlevel, their height can be added.
    \Huge d=3.57*(\sqrt{Kh_{1}}+\sqrt{Kh_{2}})

Example

  • One antenna is at h=100 m otherone in ground

\Huge d=3.57*\sqrt{\frac{4}{3}*100}\simeq41km

  • Raise the receiving antenna to 10 meters and see how high we have to have the transmitting antenna if we want to achieve 41 km radio line of sight
    \Huge 41km=3.57*(\sqrt{\frac{4}{3}*h_{1}}+\sqrt{\frac{4}{3}*10})=3.57*\sqrt{\frac{4}{3}*h_{1}}+3.57*\sqrt{13.3}\Rightarrow

\Huge\sqrt{\frac{4}{3}*h_{1}}=\frac{41}{3.57}-\sqrt{13.3}\simeq7.84\Rightarrow h_{1}\simeq46.2m

  • So if we raise one antenna 10 meters we can lower the other one over 50 meters.

Signal strength

  • Signal strength attenuates exponentially based on the distance.
  • Loss (L) OR Gain (G) of signal strength is stated in decibels and is counted with formula
    \Huge L_{dB}=10\log_{10}\frac{P_{in}}{P_{out}}\, or\, G_{dB}=10\log_{10}\frac{P_{out}}{P_{in}}
  • L and G describe the relative change in signal strength.
  • Desibels can be also used to state the change in voltage
    \Huge P=\frac{V^{2}}{R}\Rightarrow L_{dB}=10\log_{10}\frac{\frac{V_{in}^{2}}{R}}{\frac{V_{out}^{2}}{R}}=20\log_{10}\frac{V_{in}}{V_{out}}
  • Transmission power of wireless technology is usually depicted as a change in refeerence value usually either to Watt (dBW) or milliwatt (dBm)
    \Huge Power_{dBm}=10\log_{10}\frac{Power_{mW}}{1_{mW}}
  • For example: Class 1 Bluetooth devices transmission power is 20 dBm
    \Huge 20_{dBm}=10\log_{10}\frac{Power_{mW}}{1_{mW}}\Rightarrow2_{dBm}=\log_{10}\frac{Power_{mW}}{1_{mW}}\Rightarrow \\ Power_{mW}=10_{mW}^{2}=100mW
  • So: \Huge 30dBm=0dBW\Rightarrow0dBm=-30dBW

Antennas

  • Signals are sent and received with antennas
    • Transmittins antenna send energy in the air
    • Receiving antenna gathers energy from the air
  • Antennas can amplify the signals
  • Antennas can be used to direct the energy in certain area
  • Isotropic antenna is idealistic antenna that radiates with equal power in all directions

Antenna gain

  • Directed antennas
    • Power output in the certain directions is compared in relation to isotropic antenna.
      • Is higher because the used power is concentrated on certain direction
      • can be described in decibels: 30dBi = 30dB gain = 30 dB:n gain (1000*) compared to isotropic antenna in given direction
    • The power is lost from other directions.
  • Effective area
    • Relative share from the antenna size that affects on the amplifying of transmission in square meters
    • E.g. parabolic antenna 0.56 A (

\Huge G=\frac{4\pi A_{e}}{\lambda^{2}}=\frac{4\pi f^{2}A_{e}}{c^{2}}, G = Gain \Huge A_{e}= effective area, f = carrier wave frequency, \Huge \lambda= wavelength, c=speed of light

in decibels: \Huge G_{dB}=10\log_{10}\frac{G_{antenna}}{G_{isotropic}}=10\log_{10}\frac{G_{antenna}}{1} dB

Example with parabolic antenna

  • parabolic antenna with 2m diameter working on 12GHz. Calculate effective area and gain

\Huge A=\pi r^{2}=\pi(\frac{2m}{2})^{2}=\pi\Rightarrow A_{e}=0.56*\pi
\Huge G=\frac{4\pi*(12*10^{9})^{2}*0.56\pi} {(3*10^{8})^{2}}=2.24*\pi^{2}*1600=35372

\Huge G_{dB}=10\log_{10}\frac{35372}{1}=45.48\, dB

  • Gain is ~45 dB (35000*)

Signal weakening

  • Attenuation and attenuation distortion
  • Free space loss
  • Atmospheric absorption
  • Multipath propagation and distortions from it
  • Refraction
  • Distortions like Noise

attenuation and path loss

  • Signla weakens on transmission path (amplitudi lowers)
  • On directed channel (copper cable) this is logarithmic and can be described in decibels relative to distance.
  • On wireless channels there are more parameters that affect on attenuation
    • Attenuation depends on the attributes of transmission medium and used frequency
      • On higher frequencies attenutaion is higher than on lower frequencies.
    • Due the differences in attenuation, use of different signals causes distortions on signal transmission.
  • The signal has to be strong enough for receiver to be able to recognise it.
    • Signal has to be clearly stronger than the noise in order to avoid errors
  • Too strong signal may cause errors on receiver.

Free-space path loss

  • Signal attenuation in the air when there is no obstacles.
  • As the signal moves on, its strength is divided in bigger and bigger area.
    • Energy per point is smaller.
  • Free-space loss is the biggest attenuation factor in satellite communication
  • depicted either in relation between sent and received signal strength or in decibels

\Huge\frac{P_{t}}{P_{r}}=\frac{(4\pi d)^{2}}{\lambda^{2}}=\frac{(4\pi fd)^{2}}{c^{2}}
\Huge P_{t}= Lähetysteho, \Huge P_{r}= Receiving strenght, d= distance between antennas

  • loss in decibells
    • \Huge L_{db}=10\log(\frac{P_{t}}{P_{r}})=20\log(\frac{4\pi d}{\lambda})=-20\log(\lambda)+20\log(d)+21,98dB
    • \Huge L_{db}=20\log(\frac{4\pi fd}{c})=-169,54dB+20\log(f)+20\log(d)+21,98dB \\ =20\log(f)+20\log(d)-147,56dB

Antenni ja vapaantilan vaimeneminen

  • Antennien vahvistus (Gain otettava huomioon)

\Huge\frac{P_{t}}{P_{r}}=\frac{(4\pi d)^{2}}{G_{r}G_{t}\lambda^{2}}=\frac{(\lambda d)^{2}}{A_{r}A_{t}}=\frac{(cd)^{2}}{f^{2}A_{r}A_{t}}
G = Antennin vahvistus (\Huge G=\frac{4\pi A_{t}}{\lambda^{2}}),A= Antennin sieppauspinta

  • Häviö desibeleinä
    \Huge L_{db}=20\log(\lambda)+20\log(d)-10\log(A_{r}A_{T})

\Huge L_{db}=-20\log(f)-10\log(A_{r}A_{T})+20\log(d)+169,54dB

Atmospheric absorption

Ympäristöön imeytyminen

  • Vesihöyry
    • Vaikutus vahvimmilaan 22GHz alueella
    • Alle 15 GHz vaikutus selvästi pienempää
  • Happi
    • Huippu 60 GHz alueella
    • 30 GHz vaikutus selvästi pienempää
  • Vaihtuvat tekijät (vesi/lumi sade, sumu)
    • Aiheuttavat signaalien hajaantumista
    • Matalammilla taajuuksilla vaikutus pienempi

Katso: Atmospheric absorption

Signaalin taittuminen

  • Signaali taittuu kulkiessaan eri ilmakerrosten läpi
  • Signaalin etenemisnopeus kasvaa mitä korkeammalle mennään
    • Ilma ohenee
    • signaali taittuu alaspäin
  • Lämpötila vaihtelee korkeuden mukaan
  • Kosteusprosentti, pilvet jne.

Esteiden vaikutus

  • Heijastus (Reflection, R)
    • Signaali osuu pintaan joka on suuri suhteessa signaalin aallonpituuteen
    • Tulo- ja heijastuskulma ovat yhtä suuret. aallonpituus ja etenemisnopeus säilyvät
  • Taipuminen (Diffraktio, D)
    • Tapahtuu kun signaali osuu aallonpituuttaan suuremman kohteen reunaan
  • Hajaantuminen (Scattering, S)
    • Tapahtuu kun signaali osuu kohteeseen jonka kokoluokka on signaalin aallonpituus tai sitä pienempi. Esim epätasainen pinta.

Fresnel Zone

  • Ensimmäinen Fresnel Zone voidaan laskea tietylle pisteelle lähettimen ja vastaanottimen välillä kaavalla:

\Huge R=\sqrt{\frac{\lambda SD}{S+D}} \\
R_{m}=17.3\sqrt{\frac{1}{f_{GHz}}\frac{S_{km}D_{km}}{S_{km}+D_{km}}}
jossa R= Fresnel zonen ympyrän säde tietyssä pisteessä.
S ja D ovat pisteen etäisyydet lähettimestä ja vastaanottimesta.

  • 0.6* ensimmäinen FZ alueen ollessa tyhjä esteistä on line-of-sight yhteys häiriötön esteiden puolesta.
    • Esimerkiksi maa ei aiheuta häiritseviä heijasteita, mikäli antennien välinen suoralinja on kokoajan korkeammalla kuin 0.6*FZ

Monitie-eteneminen

  • Signaali saapuu kohteeseen useaa reittiä pitkin
    • Koska signaali lähetetään useaan suuntaan voi sama signaali heijastumisen johdosta saapua vastaanottimelle useaa eri reittiä ja eri aikaan
    • Erilaiset esteet aiheuttavat signaalin hajautumista
  • Joskus ei ole edes suoraa reittiä vaan vahvin signaalikin tulee haijastuman kautta.
  • Monitie-eteneminen aiheuttaa myös häiriötä signaalissa.

Häipyminen (fading)

  • Vastaanottajan liikkeestä johtuva signaalitason häipyminen (fading)
  • Erityyppiset häipymiset
    • Nopea häipyminen (Fast fading ) /Hidas häipyminen (Slow fading )
    • Flat fading / Selective fading

kanavan häipymismallit

  • Kommunikoinnissa käytetyn kanavan häiriöt ja häipymät oletetaan usein jonkin jakauman/mallin mukaisiksi
    • AWGN additive white Gaussian noise
      • Thermal noise
    • Rayleigh
    • Rician

Nopea/Hidas häipymä

  • Nopea häipymä
    • Signaalin voimakkuus vaihtelee voimakkaasti puolen aallonpituuden säteellä vastaanottimesta
    • Signaalin amplitudi voi vaihdella jopa 20-30 dB
  • Hidas häipymä
    • Viestimen liikkuessa Ympäristön ja maaston vaihtuessa signaalin voimakkuus muuttuu hitaasti

Flat/selective fading

  • Flat fading
    • Signaalin kaikki taajuudet vaimenevat samassa suhteessa
  • Selective fading
    • Signaalin eri komponentit vaimenevat eri suhteessa
    • Käytetään mikäli vaimeneminen koskee vain osaa signaalin taajuuskaistasta

Rayleigh häipymä

  • Rayleigh häipymä saadaan mikäli
    • signaali saapuu vastaanottimeen monia eri reittejä
    • signaalilla ei ole yhtä dominoivaa polkua (näköyhteys)
  • Rayleigh edustaa ns. pahinta mahdollista tapausta
  • Soveltuu hyvin ulkotiloihin
  • Nopea häipymä voi kuitenkin olla Rayleighiakin suurempi.

Rician häipymä

  • Rician häipymä saadaan mikäli signaali saapuu vastaanottimeen monia eri reittejä
  • signaalilla on myös yksi dominoiva polku (näköyhteys)
  • Soveltuu hyvin sisätiloihin

Kanavan häipymätyypin määrittely

\Huge K=\frac{paapolun\, voimakkuus}{Hajapolkujen\, voimakkuus}

  • Jos K = ∞ →AWGN , eli ainoastaan kohina vaikuttaa signaaliin
  • Jos K = 0 →Rayleigh
  • muuten Rician arvolla K

Etenemismallit

  • Signaalit käyttäytyvät erilaisissa ympäristöissä eri tavalla
    • Sisätiloissa signaalin etenemiseen vaikuttavat esimerkiksi rakennuksessa käytetyt materiaalit, hissikuilut, porraskäytävät, huoneiden korkeus, ikkunoiden lukumäärä ja huoneiston kalusteet
    • Ulkotiloissa epävarmuustekijöitä enemmän: kuiva/kostea ilma, vuodenaika, kasvillisuus, lumipeite, kaupunki/maaseutuympäristö,
  • Etenemistä voidaan ennakoida etenemismalleilla
    • eri ympäristöihin omat mallinsa

—-

Etenemismallit

  • Etenemismalleilla pyritään mallittamaan erilaisten osatekijöiden vaikutusta signaaliin
    • Taajuusalue
    • Lähetysteho
    • Etäisyys
    • Antennien korkeudet
    • Ympäristötekijät

Etenemismallin toimintaan vaikuttavia tekijöitä

  • Vapaan tilan vaimennus
  • Maaston muotojen aiheuttama vaimennus
  • Kasvillisuuden aiheuttama vaimennus
  • Kaupungistumisen vaikutus
    • Kaupungistumisaste
  • Säätilan vaikutus
  • Lumipeitteen vaikutus heijastuksiin
  • Lumipeitteen vaikutus antennin toiminnalle

Radiotien jaottelu etenemismallien kannalta

  • Etenemismallien kannalta radiotie voidaan jakaa omiin kokonaisuuksiin [Ojanperä]:
    • Vehicular radio environment
    • Outdoor to indoor and pedestrian radio environment
    • Indoor office environment
  • Jako tapahtuu kukin osa-alueen ominaisuuksien perusteella

Vehicular radio environment

  • Tämä ympäristö kuvaa ns. tyypillistä makrosolua, jossa käytetään kohtalaisen suuria lähetystehoja
  • Vastaanottimet liikkuvat usein suurilla nopeuksilla
  • Ei LOS komponenttia
    \Huge L=\xi+\alpha10\log(x)(dB) x kilometreinä

\Huge \xi = shadowing efektin vaikutus. käytetään yleisesti 10dB:iä
\Huge \alpha = ympäristöstä riippuva arvo joka on yleensä välillä 3.0-5.0

Outdoor to indoor environment

  • Kuvaa pieniä mikrosoluja, joissa käytetään pieniä lähetystehoja
  • Antennit usein kattotasojen alapuolella
  • Sekä LOS että NLOS komponentit
  • Sisätilat voidaan kattaa ulkona sijaitsevilla tukiasemilla

Indoor office environment

  • Kuvataan sisätiloihin rakennettuja soluja
  • Pienet lähetystehot
  • Sekä tukiasemat että käyttäjät sisätiloissa
    \Huge L=L_{0}+10n\log(x)+\sum_{j=1}^{J} N_{w}_{j}L_{w}_{j}+\sum_{i=1}^{I} N_{f}_{j}L_{f}_{j} , jossa

\Huge L_{0} = vaimennus referenssipisteessä (1 metrin päässä) (37dB)
\Huge N_{f}_{i} = välissä olevien erityyppisten lattioiden määrä
\Huge L_{f}_{i} = lattia tyypin antama vaimennus (20 dB) \Huge L_{w}_{j}N_{w}_{j} = vastaavat arvot seinille. (3dB)
n = vaimennuskerroin (yleensä 2)

Tunnettuja malleja (ulkotilat)

  • Okumuran ja Hatan malli
  • Leen malli
  • COST mallit

(wesolowski: mobile communication systems)

Leen malli

  • Yksinkertainen malli
    \Huge P(d)=P_{0}(d/d_{0})^{-\gamma}(f/f_{0})^{-n}F_{0} \\ (P(d))_{dB}=(P_{0})-\gamma\log(d/d_{0})-n\log(f/f_{0})+(F_{0})_{dB}
  • \Huge P_{0}= referenssimediaani teho etäisyydellä math>\Huge d_{0} </math> = 1 km
  • n riippuu maaston topologiasta ja käytetystä taajuudesta.
    • n = 2 suburban/rural ja taajuus alle 450MHz.
    • n = 3 urban environment ja taajuus 450 MHz-2GHz,
  • \Huge F_{0} = korjauskerroin, joka lasketaan ottaen huomioon
  • \Huge \gamma = etenemisvaimenemisen potenssi
  • Parametrit \Huge P_{0} ja\Huge \gamma otetaan valitaan ympäristöstä riippuen ja perustuvat mittauksiin esim:
    • Free space: \Huge P_{0} = -41 , \Huge \gamma = 20
    • Rural : \Huge P_{0} = -40 , \Huge \gamma = 43.5
    • Tokio: \Huge P_{0} = -78 , \Huge \gamma = 30.5

Okumuran malli

  • Okumuran malli on kokeellinen joukko käyrästöjä
    • 1960 -luvulla Tokion ympäristössä mitattu
    • Etenemiskäyrästöt ja korjausparametrit
    • Useita taajuusalueita
    • Etäisyyden ja antennikorkeuden funktioita
    • Käyrästöt kaupunkialueelle, mutta korjauskertoimilla sovitettavissa muihin ympäristöihin

\Huge (L_{50})_{dB}=L_{s}+A(f,d)+G(h_{BS,eff})+G(h_{ms}),

  • Missä Ls = vapaan tilan vaimennus
  • \Huge A(f,d) = vaimennuksen mediaani suhteessa free space etenemiseen taajuudella f (MHz), etäisyydellä d (km). Otetaan käyrästöstä.
  • \Huge h_{BS,eff} = tukiaseman efektiivinen korkeus.
  • \Huge h_{ms} = vastaanottimen korkeus
  • \Huge G() = korjauskerroin

Okumura-Hata malli

  • Hata muutti Okumuran käyrästöt logaritmilausekkeiksi
  • Kaupunki: \Huge(L_{50})_{dB|urban}=69,55+26,16\log f-13,83\log(h_{BS,eff})\\-a(h_{MS})+(44,9-6,55\log(h_{BS,eff}))\log d
  • Avoin: \Huge(L_{50})_{dB|open}= (L_{50})_{dB|urban}-4,78(\log f)^{2}\\+18,33\log f-40,94
  • \Huge a(h_{MS}) = korjaustermi mobiiliantennille
  • Okumuran ja Hatan mallit toimivat lähinnä taajuuksilla 150-1920 MHz

Cost231-mallit

  • Okumuran ja Hatan mallit toimivat lähinnä 150 - 1920 MHz alueella
  • EU:n Cost 231 projektissa luotiin kaksi uutta mallia
  • COST 231 Hata -malli
  • COST 231 - Walfish-Ikegami -malli

COST231 Hata

  • Okumura-Hatan malliin tehtiin parannuksia taajuusalueelle 1,5 - 2 GHz
    • Alkuperäinen malli aliarvioi vaimennuksen kyseisellä alueella
  • Uusi malli laskettiin
    • Tukiasema 30-300 m
    • Mobiiliasema 1-10 m
    • Etäisyys 1-20 km
    • Voidaan soveltaa myös tukiasemille alle 30 metrissä, jos rakennukset selvästi alempana
  • Ei sovi alle 1 km etäisyyksille

\Huge(L_{50})_{dB}=46,33+33,9\log f-13,82\log(h_{BS,eff})\\-a(h_{MS})+(44,9-6,55\log(h_{BS,eff}))\log d + C
C= on vakio riippuen ympäristöstä, lähiöissä ja keskikokoisissa kaupungeissa 0, isojen kaupunkien keskustoissa 3.

COST231-Walfish-Ikegami

  • Voidaan käyttää tapauksissa, missä antenni asennetaan kattolinjan alapuolelle kaupunki- olosuhteissa
    • f = 800-2000 MHz, \Huge h_{BS} = 4-50 m, \Huge h_{MS} = 1-3 m d = 0,02 - 5 km
  • Huomioi
    • Antennikorkeudet
    • Katujen leveydet
    • Rakennusten etäisyydet
    • Rakennusten korkeudet
    • Katujen aseman signaalin etenemiseen nähden

\Huge (L_{50})_{db}=L_{s}+L_{rts}+L_{ms} Jossa,
\Huge L_{s} = vapaantilan vaimennus \Huge L_{s}=32.4+20 \log(d)+20\log (f)
\Huge L_{rts} = katolta-kadulle taipumis- ja sirontavaimennus (roof-top-to-street diffraction and scatter loss)
\Huge L_{ms} = monen esteen taipumisvaimennus (multiscreen diffraction loss)

\Huge L_{rts} ja \Huge L_{ms} laskukaavoja ei käydä kurssilla kts. Propagation Prediction Models

Sisätilan mallit

  • Sisätilojen mallinnus lähes yhtä tärkeätä kuin ulkotilojenkin
  • Ominaista sisätiloille
    • Etäisyydet lyhyitä 10-100m
    • Matalat lähetystehot
    • Suuret vaimennukset esteistä johtuen
  • Yksinkertaisimmillaan ns. point-to-point monimutkaisemmissa tapauksissa käytetään ns. säteenjäjitystä

Point-to-point

* tarkastellaan ympäristöä vain kahden pisteen kannalta. * Keskitytään lyhyimpään reittiin kahden pisteen välille * Huomioidaan lähettimen ja vastaanottimen välinen etäisyys

  • Voidaan ottaa huomioon myös välillä olevat esteet

Säteenjäljitys -mallit

  • lähteestä piirretään n määrä säteitä, joiden kulku lasketaan
  • Säteenjäljitysmallit ovat huomattavasti point-to-point malleja raskaampia laskea
  • Tulokset ovat parempia johtuen juuri signaalin todellisen käyttäytymisen mallintamisesta

Sisätilan vapaa vaimennus

  • Käytetään katkaistua arviointimallia
    • Pienempi vaimennuskerroin \Huge\gammalähietäisyydelle (d <5), ja suurempi kauemmas.

\Huge L(2.4GHz)=\begin{cases} 40+20\log(d) dB, & d\leq 5 \\ 40+14+10*\gamma\log(\frac{d}{5}) dB, & d\gt 5 \end{cases}

  • erilaiset esteet voidaan huomioda aiemmin esitetyn indoor office mallin pohjalta.
Last modified: 2013/07/01 14:42