# 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

• 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.
• 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.

• Vastaanottajan liikkeestä johtuva signaalitason häipyminen (fading)
• Erityyppiset häipymiset

## 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

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

## Rayleigh häipymä

• 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

—-

• 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

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

• 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} [/itex] = 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
• 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
• Pienempi vaimennuskerroin $\Huge\gamma$lähietäisyydelle (d <5), ja suurempi kauemmas.
$\Huge L(2.4GHz)=\begin{cases} 40+20\log(d) dB, & d\leq 5 \\ 40+14+10*\gamma\log(\frac{d}{5}) dB, & d\gt 5 \end{cases}$