Радіопокриття для безпровідних мереж всередині приміщень (2.3 - 1)

1. Проектування безпровідних мереж

2.3-1
РАДІОПОКРИТТЯ
ДЛЯ БЕЗПРОВІДНИХ
МЕРЕЖ
ВСЕРЕДИНІ ПРИМІЩЕНЬ

2. Особливості поширення радіохвиль всередині приміщень

На поширення хвиль у радіоканалах всередині приміщень
впливають головним чином такі фактори:
відбиття від об’єктів всередині приміщень і дифракції
навколо них, включно зі стінами і міжповерховими
перекриттями;
втратами при проходженні хвиль через стіни, перекриття та
інші перешкоди;
спрямування енергії хвиль, особливо у коридорах при
високих частотах;
переміщення осіб або інших об’єктів у приміщенні, включно
з одним або обидвома кінцевими пунктами радіоканалу.

3. Особливості поширення радіохвиль всередині приміщень (2)

Вплив цих факторів можна оцінити такими параметрами:
втратами на шляху поширення, які враховують вплив
відстані, додаткові втрати внаслідок перешкод і
проходження через різні матеріали будівлі, а також
можливе зменшення рівня втрат внаслідок спрямування
електромагнітної енергії елементами будівлі;
часовими і просторовими варіаціями втрат на шляху
поширення хвиль;
ефектами багатошляхового поширення від відбитих і
дифрагованих складових хвиль;
неузгодженістю поляризації внаслідок випадкових змін
орієнтації мобільного терміналу

4. МОДЕЛІ ПОШИРЕННЯ РАДІОХВИЛЬ ВСЕРЕДИНІ БУДІВЕЛЬ

Моделі поширення радіохвиль всередині приміщень
поділяють на теоретичні (детерміновані) та емпіричні.
Теоретичні (детерміновані) моделі базуються на
фізичних законах, які повинні бути застосовані у різних
середовищах без втрати точності. Їх використання
потребує багатьох характеристик середовища, що
непрактичне і часто неможливе до виконання.
Алгоритми, використані у теоретичних моделях,
звичайно дуже складні та обчислювально неефективні.
З цих міркувань застосування теоретичних моделей
звичайно обмежене до малих областей мікрокомірок у
приміщеннях.

5. МОДЕЛІ ПОШИРЕННЯ РАДІОХВИЛЬ ВСЕРЕДИНІ БУДІВЕЛЬ (2)

Емпіричні моделі базуються на результатах натурних
вимірювань і дозволяють отримати математичні
співвідношення (формули) для обчислення втрат при
поширенні в різних умовах всередині приміщень.
Емпіричні моделі дозволяють врахувати всі впливи
середовища поширення радіохвиль незалежно від того,
чи ці впливи розпізнані окремо, і це безумовна перевага
таких моделей.

6. МОДЕЛІ ПОШИРЕННЯ РАДІОХВИЛЬ ВСЕРЕДИНІ БУДІВЕЛЬ, РЕКОМЕНДОВАНІ ITU

Рекомендації ITU-R P.1238-7 запроваджують моделі поширення
радіохвиль всередині приміщень, придатні до використання в
діапазоні частот від 900 МГц до 100 ГГц і дозволяють оцінити:
втрати на шляху поширення хвиль;
розкид затримки;
впливи поляризації і діаграм спрямованості антен;
впливи розташування передавача і приймача;
вплив матеріалів будівлі та його наповнення;
вплив переміщення об’єктів у приміщенні;
статистичну модель у статичному застосуванні.

7. МОДЕЛІ ВТРАТ НА ШЛЯХУ ПОШИРЕННЯ РАДІОХВИЛЬ

Застосування моделі втрат поширення всередині
приміщень базується на припущенні, що базова станція
і портативний термінал розміщені всередині тієї самої
будівлі.
Втрати на шляху поширення сигналів можуть бути
оцінені на підставі однієї з двох моделей – незалежної
(site-general) і залежної від місця розташування
(site-specific).

8. Моделі, незалежні від місця розташування (2)

Втрати радіошляху описані середніми втратами і
статистиками затінень і завмирань;
для шляхів з компонентою прямої видимості (LoS)
переважають втрати поширення у вільному просторі і
коефіцієнт втрат потужності з відстанню приблизно
дорівнює 20; таке ж значення приймають для великих
приміщень – торговельних залів, спортивних арен,
офісів з вільним плануванням;
коридори і подібні довгі прямолінійні приміщення
мають менші втрати від вільного простору, для них
типове значення дорівнює 18;

9. Моделі, незалежні від місця розташування (3)

поширення навколо перешкод і крізь стіни збільшує втрати
для типових середовищ , наприклад, для переходів між
приміщеннями у офісних будівлях з закритим плануванням;
довгі шляхи без перешкод можуть містити межу першої зони
Френеля, у таких випадках значення коефіцієнта лежить у
межах від 20 до 40.
зменшення коефіцієнта втрат потужності зі збільшенням
частоти спостерігається не завжди і пояснюється взаємодією
двох протилежних тенденцій – збільшенням втрат у
перешкодах і за рахунок дифракції та зменшенням втрат за
рахунок меншого перекриття першої зони Френеля.

10. Модель з логарифмічною відстанню

Основна модель втрат (у дБ) на шляху поширення
радіохвиль (модель з логарифмічною відстанню - logdistance path loss model) має такий вигляд:
де
f - частота носія, МГц;
d - відстань від антени передавача до антени приймача, м; мінімальна відстань 1 м;
N - коефіцієнт втрат потужності залежно від відстані;
n - кількість поверхів між передавачем і приймачем; n 1;
L f n - коефіцієнт втрат внаслідок переходу через міжповерхові перекриття, дБ.

11. Модель з логарифмічною відстанню (1)

Значення коефіцієнта N для різних типів приміщень і частот.
Частота
900 МГц
1.2-1.3 ГГц
1.8-2 ГГц
2.4 ГГц
3.5 ГГц
4 ГГц
5.2 ГГц
5.8 ГГц
60 ГГц (1)
70 ГГц (1)
Житлове приміщення Офіс
–
–
28
28
–
30 (квартира)
28 (будинок) (2)
–
–
33
32
30
30
27
28
Комерційні
приміщення
20
22
22
22
31
–
24
22
22
17
–

12. Модель з логарифмічною відстанню (2)

Фактор втрат внаслідок переходу через міжповерхові
перекриття - емпірична величина, залежна від кількості
поверхів, які повинна перетинати радіохвиля.
Частота
Житлові
приміщення
Офісні
приміщення
Комерційні
приміщення
900 МГц
-
9 (один поверх),19 (2 поверхи), 24 (3 поверхи)
-
1.8 - 2 ГГц
4n
15+4(n-1)
6+3(n-1)
2.4 ГГц
10 (квартира)
5 (будинок)
14
-
3.5 ГГц
-
18 (1 поверх), 26 (2 поверхи)
-
5.2 ГГц
13(1) (квартира)
7(2) (будинок)
16(1 поверх)
-
5.8 ГГц
-
22 (1 поверх), 28 (2 поверхи)
-

13. Модель з логарифмічною відстанню (3)

Інша форма подання цієї моделі:
мала відстань віднесення d0=1 м для приміщень;
показник степеня N і стандартне відхилення
статистично описують усереднені втрати для
довільного розташування з конкретною відстанню d
між передавачем і приймачем.
X - випадкова змінна, у випадку плоского завмирання
розподілена нормально з нульовим середнім значенням
і стандартним відхиленням .

14. Модель з логарифмічною відстанню (4)

Типові значення параметрів моделі втрат з логарифмічною відстанню
, дБ
Тип будівлі
Частота, ГГц
N
Відкритий простір
2
0
Крамниця з роздрібним продажем
0.914
2.2
8.7
Бакалійна крамниця
0.914
1.8
5.2
Офіс з жорсткими перегородками
1.5
3.0
7.0
Офіс з м’якими перегородками
0.9
2.4
9.6
Офіс з м’якими перегородками
1.9
2.6
14.1
Тканини і синтетика
1.3
2.0
3.0
Тканини і синтетика
4
2.1
7.0/9.7
Папір або зерно
1.3
1.8
6.0
Металеві конструкції
1.3
1.6/3.3 5.8/6.8

15. Модель з логарифмічною відстанню (5)

У випадку завмирання внаслідок затінення або
повільного завмирання ця випадкова змінна може мати
Ґаусовий розподіл зі стандартним відхиленням у дБ,
що зумовлює логнормальний розподіл прийнятої
потужності у Вт.
У випадку тільки швидкого завмирання, викликаного
багатошляховим поширенням, відповідний виграш у Вт
можна моделювати розподілом Релея або розподілом
Райса.

16. Модель з логарифмічною відстанню (6)

Статистики завмирань внаслідок затінення у
внутрішніх приміщеннях відповідають логарифмічнонормальному закону розподілу, а значення їх
стандартних відхилень у дБ наведені в таблиці:
Частота, ГГц
1.8 - 2
3.5
5.2
5.8
Житлові
Офісні
Комерційні
приміщення приміщення приміщення
8
10
10
8
12
17
-

17. Модель для приміщення з багатьма стінами

де
Модель для приміщення
з багатьма стінами
Модель для приміщення з багатьма стінами можна подати як:
LFS - втрати для відкритого простору між передавачем і приймачем, дБ;
Lc - постійні втрати у дБ, визначені лінійною апроксимацією за результатами вимірювань,
звичайно близькі до нуля;
k wi - кількість стін i -го типу між передавачем і приймачем;
Lwi - втрати у стіні i -го типу, дБ;
k f - кількість міжповерхових перекриттів між передавачем і приймачем;
L f - втрати у перекритті між суміжними поверхами, дБ;
b - емпіричний параметр;
I - кількість різних типів стін у будівлі; коефіцієнт з практичних міркувань повинна бути
малим.

18. Модель для приміщення з багатьма стінами (2)

Типи стін для моделі з багатьма стінами
Тип стіни
Легка стіна ( Lw1 )
Важка стіна ( Lw 2 )
Опис
Стіна, яка не є несучою: стіна з гіпсокартону, з деревиностружки або
тонка (<10 см) стіна з пінобетону.
Несуча стіна або бетонна чи цегляня стіна товщиною понад 10 см.
Коефіцієнти моделі при частоті 1.8 ГГц.
Середовище
Щільне
Один поверх
Два поверхи
Багато поверхів
Відкрите
Велике
Коридор
Модель з одним
схилом
L d 0 , дБ
N
33.3
21.9
44.9
42.7
37.5
39.2
4.0
5.2
5.4
1.9
2.0
Модель приміщення
з багатьма стінами
Lw1 , дБ Lw 2 , дБ L f , дБ
3.4
3.4
3.4
3.5
6.9
6.9
6.9
6.9
18.3
18.3
18.3
18.3
Лінійна
модель
b
a
0.46
0.62
0.46
0.46
0.46
2.8
0.22

19. Моделі, залежні від місця розташування

Звичайно базуються на однорідній теорії дифракції (uniform
theory of diffraction - UTD) і техніці трасування променів.
Ці моделі поєднують емпіричні елементи з теоретичними
електромагнітними методами UTD.
Для розрахунків інтенсивності поля всередині приміщень
необхідна детальна інформація про структуру будівлі.
Метод враховує прямі, однократно дифраговані і
однократно відбиті промені та може бути розширений на
випадки багатократних дифракції та відбиттів і поєднання
цих ефектів.
Точність прогнозування втрат на шляху поширення хвиль
значно підвищується.

20. Двопроменева модель

Метод трасування променів апроксимує розсіяння
електромагнітних хвиль дзеркальним відбиттям і
заломленням.
Рівень відбиття і заломлення на перешкодах пов’язаний
з комплексною електричною і магнітною
проникностями перешкоди.
Одною з поширених моделей, базованих на цій теорії, є
модель двопроменевого поширення або двопроменева
модель (Two-Ray model), яка враховує пряму хвилю і
відбиття від плоскої поверхні.

21. Двопроменева модель (2)

Потужність сигналу, прийнятого ізотропною антеною, можна
виразити як суму вкладів від кожного зі складових променів

22. Двопроменева модель (3)

23. Двопроменева модель (4)

Залежність прийнятої потужності від відстані між антенами
в логарифмічних шкалах показана на графіку суцільною
кривою. Для інженерних застосувань такі залежності
апроксимують прямими лініями.
Розрізняють дві області, де апроксимаційні прямі мають
різний нахил, тому цю апроксимацію вихідної залежності
називають апроксимацією з подвійним схилом для
двопроменевої моделі (dual slope regression fit to the two-ray
model).
Точку перетину апроксимаційних прямих називають точкою
зламу (break point).

24. Двопроменева модель (5)

Перед точкою зламу радіосигнал осцилює внаслідок
інтерференції прямої і відбитої хвиль, а після точки зламу
його амплітуда швидше зменшується з відстанню.
Точка зламу пов’язана з першою зоною Френеля, тобто ця
точка визначена відстанню між антенами, за якої еліпсоїд
першої зони Френеля дотикає горизонтальну поверхню
(«грунт»):

25. Моделі розкиду затримки

Лінійний канал у часовій області повністю описаний
його імпульсним відгуком, який звичайно виражають
залежністю щільності потужності від надлишкової
затримки. Цю функцію часто називають профілем
затримки потужності.
Імпульсний відгук каналу змінюється залежно від
положення приймача, а також може змінюватися в часі,
тому звичайно його наводять як усереднення профілів,
виміряних на відстанях порядку довжини хвилі для
зменшення впливу шумів або на відстанях у декілька
довжин хвиль для усереднення в просторі.

26. Моделі розкиду затримки (2)

Багатошляхове поширення - радіохвилі можуть
поширюватися від передавача до приймача різними
шляхами внаслідок відбиттів, дифракції та розсіяння.
Часова затримка, пов’язана з поширенням по кожному
такому шляху, пропорційна його довжині та може бути
оцінена за відомими довжиною шляху і швидкістю
поширення радіохвиль.
Ці затримані сигнали, кожен з відповідною амплітудою,
формують лінійний фільтр з характеристиками,
змінними в часі.

27. Моделі розкиду затримки (3)

Багатошляхове поширення радіосигналів зумовлює їх додавання у
пункті приймання з випадковими фазами. Значення цих фаз
залежать від довжини конкретного шляху, частоти носія і можуть
дуже швидко змінюватися зі зміною розташування приймача.
Кожну сигнальну компоненту характеризують амплітудою,
фазовим зсувом, затримкою і напрямом прибуття (Direction Of
Arrival - DOA).
Базовою метрикою для опису поведінки багатошляхового каналу є
профіль затримки потужності (Power Delay Profile - PDP), який
виражає потужність сигналу в залежності від затримок
багатошляхових складових.
У безпровідному середовищі PDP звичайно має один або декілька
максимумів, наявність яких вказує а властиву цьому середовищу
кластеризацію затримок.

28. Моделі розкиду затримки (4)

Інформацію, отриману з PDP, можна використати для
обчислення розкиду затримки, визначеного як стандартне
(середньоквадратичне) відхилення PDP.
Типові значення параметрів розкиду затримки, оцінені на
підставі усереднених профілів для трьох типів приміщень у
будівлях, наведені в таблиці. Вимірювання здійснювали на
трьох частотах з використанням всенапрямних антен.
Стовпець B містить серединні значення, які з’являються
найчастіше, стовпець A - менші, але не екстремальні
значення, які також з’являються часто, стовпець C –
екстремально великі значення, які з’являються дуже рідко.

29. Моделі розкиду затримки (5)

Частота
1.9 ГГц
3.7 ГГц
5.2 ГГц
Середовище
A (нс) B (нс) C (нс)
Житлове приміщення
20
70
150
Офісне приміщення
35
100
460
Комерційне приміщення
55
150
500
Житлове приміщення
15
22
27
Офісне приміщення
30
38
45
Комерційне приміщення 105
145
170
Житлове приміщення
17
23
30
Офісне приміщення
38
60
110
Комерційне приміщення 135
190
205
Значення середньоквадратичного розкиду затримки потужності.
Розкид затримки є мірою часової дисперсії каналу.
Розширення відгуку імпульсу в каналі в часовій області
викликає міжсимвольну інтерференцію (ISI).

30. Вплив поляризації хвиль та діаграми спрямованості антени

У середовищі всередині будівлі прийнятий сигнал залежить як від
прямого шляху поширення між передавачем і приймачем, так і від
поширення внаслідок відбиттів і дифракції.
Характеристики відбиття матеріалів будівлі залежать від
поляризації хвилі, кута падіння і комплексної проникності
матеріалу.
Кути прибуття багатошляхових компонент залежать від ширини
головного пелюстка діаграми спрямованості антени, структури
будівлі та розташування передавача і приймача.
Тому поляризація та ефективна діаграма спрямованості антени
можуть суттєво впливати на характеристики поширення
радіохвиль всередині приміщень.

31. Вплив поляризації хвиль та діаграми спрямованості антени (2)

У радіоканалах з прямою видимістю (Line-of-Sight - LoS)
застосування антен з коловою поляризацією зменшує
величину стандартного відхилення затримки порівняно з
антенами з лінійною поляризацією.
Це зумовлене тим, що коли хвиля з коловою поляризацією,
падає на відбивну поверхню під кутом, меншим від кута
Брюстера (Brewster), то відбита хвиля змінює напрям
обертання поляризації на протилежний.
Тому хвилі з коловою поляризацією після одноразових
відбиттів прибувають до приймальної антени з
поляризацією, ортогональною до поляризації прямої хвилі, а
це значно зменшує рівень багатошляхових завад.

32. Вплив поляризації хвиль та діаграми спрямованості антени (3)

Оскільки всі наявні будівельні матеріали мають кут Брюстера
більший від 45º, то багатошляхові ефекти внаслідок одноразових
відбиттів ефективно пригнічуються у більшості приміщень
незалежно від їх структури. Винятки - приміщення, де
переважають великі кути падіння: довгі переходи або коридори.
Для мобільних терміналів умови поширення радіохвиль визначені
переважно відбиттями і розсіянням енергії сигналу.
Енергія часто розсіюється при перетвореннях поляризації хвиль,
властивої висиланню, в ортогональну поляризацію.
Крос-поляризаційний зв’язок збільшує ймовірність адекватного
рівня прийнятого сигналу терміналом, орієнтованим у просторі
випадковим чином.

33. Вплив поляризації хвиль та діаграми спрямованості антени (4)

Коефіцієнти кореляції завмирань між ортогонально
поляризованими антенами дуже малі.
Розроблені техніки рознесення поляризації і системи
MIMO з ортогонально поляризованими антенами для
підтримки таких характеристик.
Результати вимірювань для серединних (median) і
середніх (mean) значень коефіцієнта вибірності
перехресної поляризації (Cross-Polarization
discrimination Ratio - XPR) для деяких середовищ
наведені в таблиці.

34. Вплив поляризації хвиль та діаграми спрямованості антени (5)

Приклади значень коефіцієнта вибірності перехресної поляризації (XPR)
Частота, ГГц
Середовище
Офіс
Конфігурація антен
Варіант 1
Варіант 2
Варіант 3
5.2
Варіант 1
Конференц-зал
Варіант 2
Варіант 3
XPR, дБ
6.39 (серединне)
6.55 (середнє)
4.74 (серединне)
4.38 (середнє)
8.36 (серединне)
7.83 (середнє)
6.68 (серединне)
6.33 (середнє)
-
Варіант 1. Передавальна і приймальна антени встановлені понад рівнем перешкод.
Варіант 2. Передавальна антена встановлена понад рівнем перешкод, приймальна
антена – на рівні, порівняльному з висотою перешкод.
Варіант 3. Передавальна і приймальна антени встановлені на рівнях, порівняльних з
висотою перешкод.

35. Вплив поляризації хвиль та діаграми спрямованості антени (6)

Приклад залежності статичного стандартного відхилення
розкиду затримки від спрямованості антени
Частота,
ГГц
Ширина головного
пелюстка приймальної
антени, град.
60
Всенапрямна
60
10
5
Всенапрямна
60
10
5
Статичне стандартне
відхилення розкиду
затримки
(90-процентиль), нс
17
16
5
1
22
21
10
6
Розмір
приміщення, м
13.5 7.8
Порожнє офісне
приміщення, LoS
13.0 8
Порожнє офісне
приміщення, NLoS

36. Вплив поляризації хвиль та діаграми спрямованості антени (7)

При відсутності прямої видимості (NLoS) зв’язок між
поляризацією, спрямованістю антени і розкидом
затримки більш складний, ніж у випадку LoS.
Наприклад, всеспрямована горизонтально поляризована
антена передавача в діапазоні 2.4 ГГц і спрямована
антена приймача з коловою поляризацією забезпечують
найменше значення стандартного відхилення розкиду
затримки і найменший максимум надлишкової
затримки для шляху з перепонами.
У всіх випадках пункт доступу слід розміщати якомога
вище, близько до стелі приміщення, щоб шлях прямої
видимості був максимально далекий .