RADIOTIETOLIIKENNEKANAVAT Kevät 2015 RADIOTIETOLIIKENNEKANAVAT Millaisia stokastisia ilmiöitä kanavassa tapahtuu? 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 7 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

ongelmat: monitie-eteneminen & kohina Monitie-eteneminen aiheuttaa destruktiivista interferenssia eri reittejä edenneiden sinisignaalien summautuessa antennissa. 180 (/2) vaihesiirrossa aallot sammuttavat toisiaan. Signaali on kohinasta ja monitie-etenemisestä johtuen stokastinen prosessi. Stokastisen osan jakauma tunnettava, jotta suorituskykyä voidaan arvioida ja suunnittelua voidaan sen perusteella optimoida. 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 7 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

Radiokanavan kohinatyypit Kertova (etenemisgeometria muokkaa SM-kentän etenemistä): Antennin suuntakuvio Heijastus (tasaisista pinnoista) Absorptio (seinät, puut, ilmakehä) Sironta (karkeista pinnoista) Diffraktio (rakennusten reunat, vuoret) Refraktio (taittuminen ilmakehässä taitekertoinmuutoksen vuoksi) Summautuva (SM-kenttä peräisin kohinalähteestä): Ilmakehästä tai kosmisesta alkuperästä aiheutuva, tekninen kohina Terminen, 1/f-, ja raekohina RF-häiriöt (tahallinen häirintä, tahaton häiriö naapurikanavista, ns. radio frequency interference, RFI) 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 7 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

LOS, heijastus, sironta, diffraktio Diffraktio aiheuttaa varjostumista. Alkeisaallokkeet interferoivat destruktiivisesti veitsenterädiffraktiossa 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 7 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

SM-signaalin ideaalinen vaimeneminen: Free-space-loss Miten vaimennus lasketaan? 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 7 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

SM-signaalin vaimeneminen: Free-space-loss Friisin kaava/siirtoyhtälö: Mitä suurempi taajuus (lyhempi aallonpituus), niin sitä suurempi häviö, kun vain 1/r2 –tyyppinen perusvaimennus otetaan huomioon. Kaava voidaan myös kirjoittaa muotoon: Kun etäisyys r ilmaistaan kilometreinä ja taajuus megahertseinä, nähdään, että etäisyyden tai taajuuden tuplaaminen lisää vaimennusta ̶ 6 dB. 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 7 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

2-tiekanavan aiheuttama lisähäviö Miten monitie-eteneminen pahentaa tilannetta? 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 7 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

Kaksitiekanava: 2-Ray-Fading-path-loss (S) Interferenssi suoraan edenneen ja maasta heijastuneen signaalin välillä aiheuttaa matkaeron (r2-r1) funktiona häipymistä /2 välein. r,tai f tuplaaminen  ̶ 12 dB n = 4 1/r2-tyyppinen vapaan tilan vaimeneminen (2-tiemallin häipymää ei huomioitu) Lisäksi kaksitiekanava huomioitu 1/r2 -mallissa Johtopäätös: jo 2-tiekanava approksimoi hyvin todellista monitiekanavaa miljoonine kaikuineen, sillä jo tällä n = 4. 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 7 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

Monitiekanava: Total Path Loss Etenemismittauksilla (kallis operaatio) voidaan päätellä empiirinen etenemisvaimennus-malli eri toimintaympäristöissä. Kuvan mittaukset suoraan sovittamiseksi tehty esikaupunkialueella. Eksponentiaalisista 1/rn -käyristä tulee suoria jos molemmat akselit logaritmisia 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 7 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

Monitiekanava: Total Path Loss Etenemisvaimennus suunnittelun tehobudjetin lähtökohtana. Häipymismarginaali ja maksimi sallittu etenemishäviö määrittävät solun maksimikoon, kun keskimääräinen vastaanoton SNR tunnetaan. Tässä käyrä ei ole suora koska etäisyysakseli ei ole logaritminen kuten edellisen kalvon kuvassa. 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 7 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

Radiokanava satunnaisprosessina Mistä osatekijöistä vaimeneminen ja häipyminen koostuu? 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 7 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

Radiokanava satunnaisprosessina Signaalin vaimeneminen 1/rn -laista johtuen (path loss) määrää karkeasti peittoalueen. Häipymisen vuoksi path-loss exp. n = 2...6. Varjostuminen, jota sanotaan myös hitaaksi häipymiseksi, on ns. large-scale ilmiö: Muutokset sadan metrin skaalassa (esim. 20 dB luokaa oleva vaihtelu esteistä johtuen). Log-normaalijakautunut (teho dB:nä normaalijakautunut). Nopea häipyminen on small-scale ilmiö: Muutokset aallonpituuden puolikkaan siirtymäskaalassa (esim. 35...40 dB destruktiivisesta interferenssistä). Lisäksi antennien suuntakuviot vaikuttavat. 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 7 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

Radiokanava satunnaisprosessina Large-scale fading Small-scale fading 1/r2 path loss Huom. Koska molemmat akselit ovat logaritmisia, tulee eksponentiaalisesta 1/r2 –laista suoran yhtälö. 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 7 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

Radiokanava satunnaisprosessina Pelkkä 1/r2 -laki Hyvä kanavamallitutoriaali löytyy osoitteesta: http://www.telecomlab.oulu.fi/~kk/dtsp/tutoriaalit/Barocchi.pdf 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 7 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

Large&small scale fading: total path loss (S) Edellä 8-kalvon 2-tiekanavalla asymptoottinen kulmakerroin n = 4 Suoran yhtälö Path-loss exponent n values for different environments: Free space 2 Urban area cellular radio 2.7 to 3.5 Shadowed urban cellular radio 3 to 5 In building, line of sight 1.6 to 1.8 Obstructed in building 4 to 6 Obstructed in factories 2 to 3 Seinät kokoavat tehoa, ja siksi n < 2 1/rn -laissa ! 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 7 Kari Kärkkäinen Kevät 2015

sisällä Mitattuja etenemisvaimennuksia (S) Kanavamittausten tavoitteena on löytää toimintaympäristöön soveltuva keskimääräinen tehon vaimeneminen etäisyyden funktiona eli n-arvo (kulmakerroin) suoralle. Mittausten varianssi on suuri! Tyypillisiä käytettyjä jakaumamalleja satunnaisen jänniteosan tilastolliseksi kuvaamiseksi: Rayleigh, Rice, log-normaali, Nakagami-m 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa 7 Kari Kärkkäinen Kevät 2015