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1 Ausbreitung von Radiowellen II © Roland Küng, 2011.

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Präsentation zum Thema: "1 Ausbreitung von Radiowellen II © Roland Küng, 2011."—  Präsentation transkript:

1 1 Ausbreitung von Radiowellen II © Roland Küng, 2011

2 2 Realität: Mehrwegausbreitung Mehrere Reflexionen, Beugungen und Streuungen gleichzeitig TX, RX oder Hindernisse bewegen sich

3 3 Large Scale - Small Scale Modelle Addition aller Beträge führt zu Signalschwund (Fading) Glättung der Messwerte über kleine Verschiebungen –  Large Scale Modelle, verfeinert um Statistik –Wichtig für mittlere Distanzbestimmung Fluktuation über kleine Verschiebungen –  Small Scale Modell –Wichtig für max. Bandbreite und min. Symbolrate

4 4 Modell “Exponent n” Kanaldämpfung [dB]: darin Teil Sichtverbindung bis do [dB]: Messtechnischer Ansatz [dBm]: Anpassung des Exponenten n bei der Kanaldämpfung im Term d n darin Teil Sichtverbindung bis do [dBm]: Messwert bei do oder Rechenwert [dBm]: Note: fs = freespace

5 5 Modell “Exponent n”: do und  do Beispiel: n = 3.8 RFprop3* *Prop Tool auf https://home.zhaw.ch/~kunr/ntm.html unter Praktikum 1 Einsatzort do Indoor Office 1 m Indoor Factory 10 m Outdoor Urban 100 m Outdoor Rural 1000 m

6 6 Indoor Messungen für n und  XX Wegen statistischen Schwankungen über die Orte (Large Scale), muss auch die Streuung  von P r (d) ermittelt werden (Log-normal Verteilung: dB, dBm) Für Verbindungssicherheit ist dann eine Marge X  [dB] einzurechnen Empfangssignal in dBm: P r (d) Prob of missing PL path

7 7 Was bedeutet die Streuung ? Std. Abweichung  : 84.1% der Pegel im Intervall m-  bis ∞ 97.7% im Intervall m-2  bis ∞ 99.9% im Intervall m-3  bis ∞ Min. Empfangssignal [dBm] für bestimmte WSK:  : Schwelle/Empfindlichkeit [dBm] P r (d): mittlerer Empfangspegel [dBm] X  = P r (d) -  : Fading Marge [dB] PDF PX r  P r X  = - (  -P r )  z.B Q-Funktion P r (d)= P r (do)-10·n·log(d/do) (Mittelwert) Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Empfangspegel PX r den Wert  überschreitet beträgt:

8 8 Was bedeutet die Streuung ? Beispiele P r (d) = -60 dBm, Marge X  = 10 dB Streuung  = 10 dB, WSK für Empfang ? Sensitivity RX  = -70 dBm Q(-10/10) = Q(-1) = 1-Q(1) = = d.h. mit WSK 84.1% ist PX r (d)>-70 dBm Mit 15.9% ist der Empfangspegel kleiner als die Schwelle  P r (d) = -60 dBm, WSK für Empfang = 88.5% Streuung  = 12 dB, notwendige Marge? Q(-z) = 0.885, Q(z) = 1-Q(-z) = liefert z =1.2 Marge X  = 12·1.2 = 14.4 dB Mit Schwelle  = dBm ist WSK für Empfang 88.5% Q(-z) = 1-Q(z) 1212

9 9 Indoor Absorptionen  Dämpfung durch Absorption L absorb [dB] Empfangssignal in dBm:

10 10 Empirische Modelle z.B COST-231 Hata Modell Hata Modell für Mobilfunk gilt gut unter folgenden Randbedingungen: f = 1500 MHz bis 2500 MHz, h t = 30 m bis 200 m, h r = 1 m bis 10 m d = 1 km bis 20 km Medianwert Pfad Dämpfung (Path Loss): Note: d in km, f in MHz)

11 11 Small Scale Model – Fading Kanal Subtraktion des Large Scale Effekts Antennenverschiebung oder Verweilzeit Antennenverschiebung

12 12 Ursache des Small Scale Fading: Bewegung und Mehrweg Bei bewegtem Mehrweg ergeben sich 3 Effekte: Lage der E-Feldvektoren ändern räumlich Doppler Kopien durch unterschiedliche Geschwindigkeiten (Frequency Dispersion) Zeitliche Echos durch unterschiedliche Laufzeiten (Time Dispersion) Einzelner Pfad von vielen  Solange nur 1 Pfad existiert passiert nichts spezielles  Änderung Phasenlage  Frequenzverschiebung (Doppler)

13 13 Wirkungen bei Mehrweg Doppler Shift Sum of both t f Delay e -j  t m(t)cos(  t) m(t)cos(  t) + m(t)cos((  +  d )t) == f 0 =k/2 , k odd Sum of both t f H,  H h t h   =0 f H,  Bewegung Echo f H fdfd

14 14 Grosse Zahl Pfade mit Doppler aber irrelevant geringen Laufzeitunterschieden: Modell: LOS: Rice Verteilung der Amplitude NLOS: Rayleigh Verteilung (A=0) Slow or Fast Fading u(t), v(t): AWGN A Amplitude LOS Schmalbandfunk kbit/s Zeitliche Schwankung

15 15 Zeitliche Schwankung XX YY Note: nur für schmalbandige Signale (Delay Spread irrelevant / Flat Channel) sinnvoll Wegen statistischen Schwankungen über die Zeit, muss eine Marge Y  [dB] eingerechnet werden (i.A. nicht Gauss sondern Rayleigh oder Rice verteilt)

16 16 Anzahl Pfade mit Laufzeitunterschieden aber irrelevant kleinen Dopplerunterschieden Modell: Tapped Delay Line Flat or Frequency-Selective Fading  _i Delay, a_i Amplitude Breitbandfunk Mbit/s Mehrweg Empfang

17 17 Beschreibung mit Mehrweg-Modell  Am besten beschrieben durch: Stossantwort = Multipath Impulse Response Line of Sight LOS Multipath Components (NLOS) Delay [ns] Power [dBm] Reflexionen Rigi Reflexionen Zugerberg Basisstation Cham

18 18 Mehrweg-Profil in Raum und Zeit MOVEMENT IN m Delay E-Field Allgemeine Beschreibung. sehr komplex

19 19 Mehrweg formt Frequenzgang - Bewegung verändert ihn

20 20 Vereinfachtes Mehrweg-Modell Für max. Bandbreite von bei Frequenz f c Amplitude Delay gegenüber LOS d.h. Excess Delay Phase vereinfacht man die Beschreibung von h(t,  ) im Basisband:  Es existieren N diskrete Pfade mit  Mehrweg Bewegung

21 21 Charakterisierung Mehrwegkanal Der RMS Delay Spread beschreibt den Kanal bezüglich Fading mit einer einzigen Grösse. LOS Aus der Stossantwort des Kanals ergibt sich das Power Delay Profile

22 22 Bsp.: Power Delay Profile -30 dB -20 dB -10 dB 0 dB 0125 Pr()Pr() (µs)  1.37 µs 4.38 µs Excess Delay 1.37 µs

23 23 RMS Delay Spread: Typical values Der RMS Delay Spread ist ein gutes Mass für den Mehrwegkanal 10ns50ns150ns1µs2µs5µs10µs25µs500ns Office Building Swiss GSM Urban Industrial Site Suburban ZHAW Lab Building 3m15m45m150m300m600m3Km7.5Km

24 24 LTE Fading Models Source: ETSI, TS Annex B, 2011

25 25 Symbolbandbreite B S versus Kanal Mass der Dinge: Kohärenzbandbreite B c The coherence bandwidth of a wireless channel is the range of frequencies that are allowed to pass through the channel without distortion. B S < B C B S > B C

26 26 Time Symbol x Frequency Symbol x Time Frequency Flat   Frequency-Selective Fading Flat Frequency-Selective B S < B C  Flat B S > B C  Frequency-Selective Bandbreite für Symbole: Wichtig für die Symbol Detektion ! Mass der Dinge: Kohärenzbandbreite B C

27 27 Symboldauer: Slow  Fast Fading f m = max. Doppler T S < T C  Slow Fading T S > T C  Fast Fading Channel x Wichtig für die AGC (Pegelregelung) ! Dauer für 1 Symbol: Mass der Dinge: Kohärenzzeit T c Slow Fast Frequency Time

28 28 Slow  Fast Fading Im Zeitbereich

29 29 Slow Flat  Slow Frequency Selective Fading Bei Freq. Sel. Fading fehlen spektrale Anteile. Dies heisst Verzerrungen!

30 30 Klassierung Small Scale Fading Doppler (Änderung des Delay) Delay

31 31 Wahl von Signalbandbreite und Symboldauer Schmalband (GSM…) OFDM (WLAN.11a, 4G…) Spread Spectrum (CDMA, UMTS, WLAN.11b) Equalizer-based SC (GSM)

32 32 Schmalbandsystem - Breitbandsystem  Gegenmassnahme zum Kanaleinfluss:  für Schmalbandsystem mit W < Bc: Diversity Frequenz, Zeit, Raum  für Breitband mit W > Bc: Kanal Equalizer, Spread Spectrum, OFDM  Schmalbandsystem: W < Bc  Breitband: W > Bc W Bc

33 33 Praktische Systeme  Analoge Signalübertragung Schmalband: B < Bc  Digital DatenübertragungDiversity Zeit, Frequenz, Raum  GSMAdaptiver Equalizer mit Trainingssequenz für Kanalschätzung  DECT Diversity, nur in Small Delay Umgebung  IS95 (USA)RAKE Empf. Spread Spectrum 1.2 Mchip/s Length 128 chip/bit  UMTS RAKE Empfänger Spread Spectrum 3.84Mchip/s Lenght 4…512 chip/bit  Digital Audio Broadcasting OFDM Multi-Träger Modulation WLAN a Kanal gesplitted in Subbänder mit B < Bc Wie gehen praktische Systeme mit Mehrweg Delay Spread um?

34 34 Mehrwegkanal bestimmt Bandbreite Der Kanal lässt eine nutzbare Bandbreite B c zu  max. Symbolrate Ausnahmen (Breitbandsysteme):  Spread Spectrum Technik mit RAKE Empfänger zum Einzelempfang jedes verzögerten Pfades (  Lecture 11)  OFDM, Daten auf je 1 Träger in mehrere Kanäle der Breite

35 35 Inter Symbol Interference (ISI) -30 dB -20 dB -10 dB 0 dB 0125 Pr()Pr() (µs)    =1.4 µs 4.4 µs 0125(µs) Symbol time  mean = 4.4 µs  Symbol time > 10·   --- No ISI, no equalization required, ev. Guard Interval* Symbol time < 10·   --- ISI, Equalization* will be required to deal with ISI Im Beispiel sollte Symboldauer > 14 µs sein um ISI zu vermeiden. d.h. die Symbolrate < 70 kbps (approx) Erfahrungswert: *Note: NTM2

36 36 Inter Symbol Interference (ISI) TX: In this process, the last part of the pulse (typically 1/16 to 1/4) is copied and attached to the beginning of the burst. Due to the periodic nature of the FFT (Modulator), the junction at the start of the original burst will always be continuous. Tg = Guard Time Tu = Useful Symbol Time Tu+Tg = Symbol Time

37 37 Inter Symbol Interference (ISI) The guard interval Tg needs to be larger than the delay spread, but not such long that much throughput is lost. Example: In the WLAN A standard, the guard interval is fixed at ¼ of Tu RX: FFT over the yellow intervall Tu  Only sum of same symbols  Only scaling and rotation  Only self interference

38 38  Time Diversity : Dank Doppler ändert die Situation mit der Zeit  Kopie senden nach Kohärenz-Zeit T C  Frequency Diversity: Mehrweg wirkt nicht bei allen Frequenzen Flat Kopie senden in Kanal mit Abstand > Kohärenzbandbreite B C  Antenna Diversity: Örtlich ist die Situation verschieden (Abstand > /2)  Interleaving: Zusätzliche Massnahme Datenverschachtelung plus Fehlerkorrektur Diversity gegen Slow Fading

39 39 Design-Freiheiten Funkzulassung Kanaleigenschaften Rauschzahl Bitrate Fehlerrate (QOS) Bandbreite Modulation Frequenz Sendeleistung Empfindlichkeit frei: Quellenkodierung, Fehlerschutz, Beam Forming, Repeater Distanz


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