Στοιχεία µετάδοσης και µέθοδοι πρόβλεψης για τον σχεδιασµό

συστηµάτων ραδιοεπικοινωνίας εσωτερικών χώρων και τοπικών

ασυρµάτων δικτύων στη ζώνη συχνοτήτων 0.9 - 100 GHz1

1 Εισαγωγή

Είναι γνωστό, ότι σήµερα αναπτύσσονται πολλές νέες εφαρµογές προσωπικής

επικοινωνίας περιορισµένης εµβέλειας µε εµβέλεια λειτουργίας δηλαδή µικρότερη

του 1 km, οι οποίες λειτουργούν σε εσωτερικούς χώρους, ενώ παράλληλα υπάρχει

µεγάλη ζήτηση για τοπικά δίκτυα (WLAN) και ασύρµατα τηλεφωνικά κέντρα

ιδιωτικών επιχειρήσεων (WPBXs). Τα συστήµατα αυτά περιορισµένης εµβέλειας

χρησιµοποιούν πολύ χαµηλή ισχύ και εµφανίζουν πολλά πλεονεκτήµατα για την

παροχή υπηρεσιών σε κινητό και προσωπικό περιβάλλον. Η γνώση συνεπώς των

χαρακτηριστικών µετάδοσης εντός κτιρίων και των παρεµβολών που προκαλούνται

από την ύπαρξη πολλαπλών χρηστών στην ίδια περιοχή είναι απαραίτητη για τον

αποτελεσµατικό σχεδιασµό τους, ενώ παράλληλα υπάρχει ανάγκη για δηµιουργία

µοντέλων για τον αρχικό σχεδιασµό τους και την αξιολόγηση παρεµβολών καθώς και

για λεπτοµερείς αξιολογήσεις των υφιστάµενων µοντέλων.

Η πρόβλεψη διάδοσης για τα ραδιοσυστήµατα εσωτερικών χώρων διαφέρει σε αρκετά

σηµεία από την αντίστοιχη των συστηµάτων εξωτερικών χώρων. Απώτερος στόχος,

όπως φυσικά και στα συστήµατα εξωτερικών χώρων, είναι η διασφάλιση

αποτελεσµατικής κάλυψης της απαιτούµενης περιοχής ή αξιόπιστης διαδροµής, σε

περίπτωση συστηµάτων σηµείου προς σηµείο, και οπωσδήποτε η αποφυγή

παρεµβολών, τόσο εντός του συστήµατος όσο και προς άλλα λειτουργούντα

συστήµατα. Ωστόσο, στην περίπτωση των συστηµάτων εσωτερικών χώρων, η

απόσταση ραδιοκάλυψης ορίζεται µε σαφήνεια από τη γεωµετρία του κτιρίου και

από τα όρια του, που θα επηρεάσουν τη διάδοση. Πέραν της επαναχρησιµοποίησης

συχνοτήτων στον ίδιο όροφο ενός κτιρίου, συχνά προκύπτει η ανάγκη για

____________________ 1 ΣΥΣΤΑΣΗ ITU-R P.1238-2

2

επαναχρησιµοποίηση συχνοτήτων και µεταξύ των ορόφων του ίδιου κτιρίου, γεγονός

που προσθέτει µια επιπλέον διάσταση στο ζήτηµα των παρεµβολών. Τέλος, το

εξαιρετικά περιορισµένο βεληνεκές αυτού του τύπου ραδιοζεύξεων ή

ραδιοκαλύψεων, ιδιαίτερα εκεί όπου χρησιµοποιούνται µήκη κύµατος της τάξεως

του χιλιοστού, σηµαίνει ότι οι µικρές µεταβολές στο άµεσο περιβάλλον της

διαδροµής του ραδιοσήµατος µπορεί να έχουν σηµαντική επίδραση στα

χαρακτηριστικά µετάδοσης.

Εξαιτίας της πολύπλοκης φύσης των παραγόντων αυτών, εάν έπρεπε να υλοποιηθεί ο

συγκεκριµένος σχεδιασµός ενός ραδιοσυστήµατος εσωτερικών χώρων, θα απαιτείτο

λεπτοµερής γνώση του συγκεκριµένου χώρου, π.χ. γεωµετρία, υλικά, επίπλωση,

αναµενόµενη χρήση, κλπ. Ωστόσο, για τον αρχικό σχεδιασµό συστηµάτων,

απαιτείται ο υπολογισµός του αριθµού των σταθµών βάσης που θα παρέχουν

κάλυψη στους κατανεµηµένους κινητούς σταθµούς εντός της περιοχής καθώς και ο

υπολογισµός των πιθανών παρεµβολών µε άλλες υπηρεσίες ή µεταξύ συστηµάτων.

Για αυτές τις περιπτώσεις σχεδιασµού συστηµάτων, είναι απαραίτητα τα µοντέλα που

αντιπροσωπεύουν τα χαρακτηριστικά µετάδοσης στο περιβάλλον. Παράλληλα, το

µοντέλο δεν θα πρέπει να απαιτεί µεγάλο όγκο πληροφοριών εισόδου από τον

χρήστη ώστε οι υπολογισµοί να είναι σχετικά απλοί.

Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται κυρίως γενικά, ανεξαρτήτως χώρου µοντέλα και

ποιοτικά στοιχεία σχετικά µε τα προβλήµατα µετάδοσης που απαντώνται στο

περιβάλλον ραδιοσυστήµατος εσωτερικών χώρων. Όπου είναι δυνατό, παρέχονται και

µοντέλα συγκεκριµένου χώρου. Σε πολλές περιπτώσεις, τα διαθέσιµα στοιχεία στα

οποία βασίστηκαν τα µοντέλα είναι περιορισµένα είτε ως προς τη συχνότητα είτε ως

προς το περιβάλλον δοκιµών. Γενικά, θα πρέπει να τονισθεί, ότι εν έχει λεχθεί

ακόµα η τελευταία λέξη γι’ αυτά τα µοντέλα. Πράγµατι, η ακρίβεια των µοντέλων

βελτιώνεται µε την απόκτηση µεγαλύτερης εµπειρίας στην εφαρµογή τους.

2 Προβλήµατα µετάδοσης και µέτρα εξασφάλισης ποιότητας

σε ραδιοζεύξεις εσωτερικών χώρων

Τα προβλήµατα µετάδοσης σε ραδιοζεύξεις εσωτερικών χώρων προκαλούνται κυρίως

από:

3

ανάκλαση, και περίθλαση από και γύρω από αντικείµενα, συµπεριλαµβανοµένων

των τοίχων και των δαπέδων, εντός των αιθουσών,

απώλειες διαδροµής µέσω τοίχων, δαπέδων και άλλων εµποδίων,

απώλειες ενέργειας, ιδιαίτερα σε διαδρόµους σε υψηλές συχνότητες,

κίνηση ατόµων και αντικειµένων στην αίθουσα, συµπεριλαµβανοµένων πιθανώς και

των άκρων της ραδιοζεύξεως,

και προκαλούν προβλήµατα όπως:

απώλειες διαδροµής, όχι µόνο απώλεια ελεύθερου χώρου αλλά και επιπρόσθετη

απώλεια λόγω εµποδίων και µετάδοσης µέσω υλικών κτιρίων, αλλά και

πιθανή µείωση της απώλειας ελεύθερου χώρου από διαδροµές µέσω

διαδρόµων κλπ,

χρονική και χωρική µεταβολή της απώλειας διαδροµής,

αποτελέσµατα πολλαπλών διαδροµών από αντανακλώµενες ή περιθλασµένες

συνιστώσες του κύµατος,

κακή προσαρµογή πόλωσης λόγω τυχαίας ευθυγράµµισης του κινητού τερµατικού.

Οι υπηρεσίες πάλι ασύρµατης επικοινωνίας εσωτερικών χώρων χαρακτηρίζονται και

κατατάσσονται ανάλογα µε:

το ρυθµό εκποµπής δεδοµένων (υψηλός, µέσος, χαµηλός),

την περιοχή κάλυψης κάθε σταθµού βάσης (π.χ. αίθουσα, όροφος, κτίριο),

τη φύση των ανταποκριτών (κινητοί, φορητοί, σταθεροί),

την ανάγκη επικοινωνίας (πραγµατικός χρόνος, µη πραγµατικός χρόνος,

φαινοµενικά πραγµατικός χρόνος),

την τοπολογία του δικτύου (π.χ. σηµείο προς σηµείο, σηµείο προς πολλαπλά

σηµεία, µεµονωµένο σηµείο προς µεµονωµένο σηµείο).

Είναι χρήσιµο να καθοριστούν ποια χαρακτηριστικά µετάδοσης ενός καναλιού είναι

τα πιο κατάλληλα για να περιγράψουν την ποιότητά του για διάφορες εφαρµογές,

όπως η φωνητική επικοινωνία, η µεταφορά δεδοµένων σε διαφορετικές ταχύτητες, η

µεταφορά εικόνων και οι υπηρεσίες µαγνητοσκόπησης. Στον Πίνακα 1

παρουσιάζονται τα πιο σηµαντικά χαρακτηριστικά των συνήθων υπηρεσιών.

4

ΠΙΝΑΚΑΣ 1

Συνήθεις υπηρεσίες και προβλήµατα µετάδοσης

3 Μοντέλα απώλειας διαδροµής

Η χρήση αυτού του τύπου µοντέλου απώλειας µετάδοσης εσωτερικών χώρων θεωρεί

ότι ο σταθµός βάσης και το φορητό τερµατικό βρίσκονται εντός του ίδιου κτιρίου. Η

Υπηρεσίες Χαρακτηριστικά Σηµαντικά προβλήµατα

µετάδοσης

Ασύρµατο

τοπικό δίκτυο

Υψηλός ρυθµός δεδοµένων

ανάλογα µε το πρωτόκολλο που

χρησιµοποιείται, µια ή

πολλαπλές αίθουσες, φορητό, σε

µη πραγµατικό χρόνο, σηµείο

προς πολλαπλό σηµείο ή

µεµονωµένο σηµείο προς

µεµονωµένο σηµείο

Απώλεια διαδροµής – χρονική

και χωρική κατανοµή

Καθυστέρηση πολλαπλής

διαδροµής

Αναλογία ισχύος επιθυµητού

προς µη επιθυµητού τρόπου

WPBX Μέσος ρυθµός δεδοµένων,

πολλαπλές αίθουσες, ένας ή

πολλαπλοί όροφοι, πραγµατικός

χρόνος, κινητό, σηµείο προς

πολλαπλά σηµεία

Απώλεια διαδροµής – χρονική

και χωρική κατανοµή

Ειδοποίηση

εσωτερικού

χώρου

Χαµηλός ρυθµός δεδοµένων,

πολλαπλοί όροφοι, µη

πραγµατικός χρόνος, κινητή,

σηµείο προς πολλαπλό σηµείο

Απώλεια διαδροµής – χρονική

και χωρική κατανοµή

Ασύρµατη

µαγνητοσκόπησ

η εσωτερικού

χώρου

Υψηλός ρυθµός δεδοµένων,

πολλαπλές αίθουσες,

πραγµατικός χρόνος, κινητή ή

φορητή, σηµείο προς σηµείο

Απώλεια διαδροµής – χρονική

και χωρική κατανοµή

Καθυστέρηση πολλαπλής

διαδροµής

5

απώλεια διαδροµής εσωτερικού χώρου βάσης προς κινητό/φορητό ανταποκριτή

µπορεί να υπολογιστεί ή µε γενικά µοντέλα είτε µε µοντέλα που συντίθενται για το

συγκεκριµένο χώρο.

3.1 Γενικά µοντέλα

Τα µοντέλα που περιγράφονται στο τµήµα αυτό θεωρούνται ανεξάρτητα χώρου

καθώς λίγες πληροφορίες τους σχετίζονται µε τη διαδροµή ή το συγκεκριµένο χώρο.

Η απώλεια διαδροµής εσωτερικών χώρων χαρακτηρίζεται από µια µέση απώλεια

διαδροµής και από τη σχετική στατιστική αργής εξασθένησης. Πολλά µοντέλα

απώλειας διαδροµής εσωτερικού χώρου λαµβάνουν υπόψη την εξασθένηση του

σήµατος κατά τη διάδοσή του µέσω πολλαπλών τοίχων ή και ορόφων. Το µοντέλο

που περιγράφεται εδώ λαµβάνει υπόψη την απώλεια µέσω πολλαπλών ορόφων

προκειµένου να διευκολύνονται χαρακτηριστικά όπως η επαναχρησιµοποίηση

συχνοτήτων µεταξύ ορόφων. Βεβαίως, σε περίπτωση που αυτό θα χρησιµοποιούνταν

για σχεδιασµό ραδιοζεύξεων µεταξύ γειτονικών δωµατίων στον ίδιο όροφο, θα έδινε

σηµαντικά µεγαλύτερες απώλειες. Οι συντελεστές απώλειας ισχύος λόγω απόστασης,

που δίδονται κατωτέρω θεωρούν µετάδοση µέσω τοίχων, υπεράνω και µέσω εµποδίων

καθώς και κάποιους άλλους µηχανισµούς απώλειας που ενδέχεται να απαντηθούν

εντός ενός και µόνου ορόφου ενός κτηρίου. Αντίστοιχα τα µοντέλα συγκεκριµένου

χώρου θα περιελάµβαναν τις απώλεια λόγω ύπαρξης του κάθε τοίχου στη θέση του

µοντέλου απόστασης.

Το βασικό µοντέλο έχει την ακόλουθη µορφή:

Ltotal = 20 log10 f + N log10 d + Lf (n) – 28 dB (1)

όπου:

N : είναι ο συντελεστής απώλειας απόστασης ισχύος

f : είναι η συχνότητα (MHz)

d : είναι η διαχωριστική απόσταση (m) µεταξύ του σταθµού βάσης και

του φορητού τερµατικού (όπου d 1 m)

Lf : είναι ο συντελεστής απώλειας διείσδυσης δαπέδου (dB)

6

n : είναι ο αριθµός των ορόφων µεταξύ του σταθµού βάσης και του

φορητού τερµατικού (n ≥ 1).

Οι συνήθεις παράµετροι, που προέκυψαν από µετρήσεις, δίδονται στους Πίνακες 2

και 3. Πρόσθετες γενικές οδηγίες δίδονται στο τέλος του τµήµατος αυτού.

ΠΙΝΑΚΑΣ 2

Συντελεστές απώλειας ισχύος, N, για τον υπολογισµό

της απώλειας µετάδοσης εσωτερικού χώρου

Συχνότητα Περιοχή

κατοικίας

Περιοχή

γραφείων

Εµπορική

περιοχή

900 MHz – 33 20

1.2-1.3 GHz – 32 22

1.8-2 GHz 28 30 22

4 GHz – 28 22

5.2 GHz – 31 –

60 GHz(1) – 22 17

(1) Οι τιµές 60 GHz θεωρούν τη µετάδοση εντός µίας αίθουσας ή χώρου και δεν

περιλαµβάνουν πρόβλεψη για µετάδοση µέσω τοίχων. Η απορρόφηση από

ατµοσφαιρικά αέρια στους 60 GHz είναι επίσης σηµαντική για αποστάσεις

µεγαλύτερες των 100 m περίπου, που ενδέχεται να επηρεάσουν τις αποστάσεις

επαναχρησιµοποίησης συχνοτήτων (βλ. Σύσταση ITU-R P.676).

7

ΠΙΝΑΚΑΣ 3

Συντελεστές απώλειας διείσδυσης ορόφου, Lf (dB) µε n τον αριθµό των

ορόφων

για τον υπολογισµό της απώλειας µετάδοσης εσωτερικού χώρου (n ≥ 1)

Για τις διάφορες ζώνες συχνοτήτων που δεν δίδεται συντελεστής απώλειας ισχύος για

κτίρια κατοικίας, µπορεί να χρησιµοποιηθεί η τιµή που δίδεται για κτίρια γραφείων.

Επισηµαίνεται, ότι ενδέχεται να υπάρχει όριο στην αποµόνωση που αναµένεται µέσω

πολλαπλών ορόφων. Το σήµα µπορεί να βρει άλλες εξωτερικές διαδροµές

προκειµένου να ολοκληρώσει τη σύνδεση µε µικρότερη συνολική απώλεια από

εκείνη που θα προέκυπτε από διείσδυση σε πολλούς ορόφους.

Όταν δεν συµπεριλαµβάνονται οι εξωτερικές διαδροµές, οι µετρήσεις στα 5.2 GHz

έχουν δείξει, ότι υπό φυσιολογική συχνότητα εµφάνισης, η µέση πρόσθετη απώλεια

λόγω συνήθους ορόφου από οπλισµένο σκυρόδεµα µε ψευδοροφή είναι 20 dB, µε

συνήθη απόκλιση 1.5 dB. Τα φωτιστικά σώµατα αύξησαν τη µέση απώλεια σε 30 dB,

µε συνήθη απόκλιση 3 dB, και οι υποδαπέδιοι σωλήνες αύξησαν τη µέση απώλεια

σε 36 dB, µε συνήθη απόκλιση 5 dB. Οι τιµές αυτές λοιπόν, αντί του Lf, θα πρέπει

να χρησιµοποιηθούν σε µοντέλα συγκεκριµένου χώρου όπως π.χ. τα µοντέλα η

ιχνηλάτησης ακτίνων.

Η στατιστική αργής εξασθένησης εσωτερικού χώρου είναι λογαριθµική-κανονική και

οι τιµές συνήθους απόκλισης (dB) δίδονται στον Πίνακα 4.

Συχνότητα Περιοχή κατοικίας Περιοχή γραφείων Εµπορική περιοχή

900 MHz – 9 (1 όροφος)

19 (2 όροφοι)

24 (3 όροφοι)

–

1.8-2 GHz 4 n 15 4 (n – 1) 6 3 (n – 1)

5.2 GHz – 16 (1 όροφος) –

8

ΠΙΝΑΚΑΣ 4

Στατιστική αργής εξασθένησης, συνήθης απόκλιση (dB),

για τον υπολογισµό της απώλειας µετάδοσης εσωτερικού χώρου

Παρά το γεγονός ότι υπάρχουν πολλές µετρήσεις, που έγιναν κατά καιρούς,

διαφέρουν τόσο πολύ ως προς τις αρχικές συνθήκες, ώστε καθίστανται δύσκολες οι

άµεσες συγκρίσεις ενώ έχουν αναφερθεί µόνο επιλεγµένες ζώνες συχνοτήτων. Έτσι

είναι δυνατόν να εξαχθούν ορισµένα µόνο και γενικά συµπεράσµατα, ιδιαίτερα για

τη ζώνη 900-2 000 MHz.

Οι διαδροµές οπτικής επαφής (LoS) κυριαρχούνται από απώλεια ελεύθερου χώρου

και έχουν συντελεστή απώλειας απόστασης ισχύος περίπου 20.

Οι µεγάλες ανοικτές αίθουσες έχουν επίσης συντελεστή απώλειας απόστασης ισχύος

περίπου 20. Αυτό µπορεί να οφείλεται σε ισχυρή συνιστώσα LoS στις

περισσότερες περιοχές της αίθουσας. Τα παραδείγµατα περιλαµβάνουν

αίθουσες που βρίσκονται σε µεγάλα καταστήµατα λιανικής πώλησης, σε

αθλητικούς στίβους, σε εργοστάσια και γραφεία χωρίς τοίχους.

Οι διάδροµοι παρουσιάζουν απώλεια διαδροµής µικρότερη από εκείνη του

ελεύθερου χώρου, µε συνήθη συντελεστή απόστασης ισχύος περίπου 18. Τα

παντοπωλεία µε τους µεγάλους, γραµµικούς διαδρόµους τους παρουσιάζουν

αυτό ακριβώς το χαρακτηριστικό απώλειας διαδρόµου.

Η µετάδοση γύρω από εµπόδια και µέσω τοίχων προσθέτει σηµαντικές απώλειες που

µπορεί να αυξήσουν τις τιµές του συντελεστή απόστασης ισχύος σε 40

περίπου για ένα σύνηθες περιβάλλον. Τα παραδείγµατα περιλαµβάνουν

Συχνότητα

(GHz)

Περιοχή

κατοικίας

Περιοχή

γραφείων

Εµπορική

περιοχή

1.8-2 8 10 10

5.2 – 12 –

9

διαδροµές µεταξύ αιθουσών σε κτίρια γραφείων µε πολλούς ενδιάµεσους

τοίχους.

Στις µακριές ανεµπόδιστες διαδροµές ενδέχεται να προκύψει σηµείο διακοπής της

πρώτης ζώνης Fresnel. Στην απόσταση αυτή, ο συντελεστής απώλειας

απόστασης ισχύος µπορεί να αλλάξει από περίπου 20 σε περίπου 40.

Η µείωση του συντελεστή απώλειας διαδροµής για υψηλότερες συχνότητες και για

περιβάλλον γραφείων (Πίνακας 2) δεν είναι δυνατόν να προκύψει πάντα ούτε

να εξηγηθεί εύκολα. Από τη µια πλευρά, µε την υψηλότερη συχνότητα

αυξάνεται και η απώλεια λόγω εµποδίων (π.χ. τοίχοι, επίπλωση), και τα

σήµατα που έχουν υποστεί περίθλαση συνεισφέρουν λιγότερο στην

λαµβανόµενη ισχύ. Από την άλλη µεριά, η ζώνη Fresnel εµποδίζεται λιγότερο

στις υψηλότερες συχνότητες, προκαλώντας µικρότερη απώλεια. Η

πραγµατική απώλεια διαδροµής εξαρτάται από αυτούς τους αντιτιθέµενους

µηχανισµούς.

3.2 Μοντέλα συγκεκριµένου χώρου

Για τον υπολογισµό της απώλειας διαδροµής ή της ισχύος πεδίου, τα µοντέλα

συγκεκριµένο χώρου είναι πολύ χρήσιµα. Υπάρχουν µοντέλα για την πρόβλεψη της

ισχύος πεδίου εσωτερικού χώρου που βασίζεται στην ενιαία θεωρία της περίθλασης

(UTD) καθώς και τεχνικές ιχνηλάτησης ακτίνων. Για τον υπολογισµό της ισχύος

πεδίου ραδιοζεύξεων εσωτερικού χώρου είναι απαραίτητες οι λεπτοµερείς

πληροφορίες που αφορούν την κατασκευή του κτιρίου. Τα µοντέλα αυτά συνδυάζουν

τα εµπειρικά στοιχεία µε τη θεωρητική ηλεκτροµαγνητική προσέγγιση της UTD. Η

µέθοδος λαµβάνει υπόψη τις άµεσες ακτίνες απλής περίθλασης και µιας ανάκλασης

και µπορεί να εφαρµοστεί σε περιπτώσεις πολλαπλής περίθλασης ή πολλαπλών

ανακλάσεων καθώς και σε δέσµες που έχουν υποστεί περίθλαση και ανάκλαση.

Λαµβάνοντας υπόψη τις ακτίνες που έχουν υποστεί περίθλαση και ανάκλαση, η

ακρίβεια πρόβλεψης της απώλειας διαδροµής βελτιώνεται σηµαντικά.

10

4 Μοντέλα διασποράς καθυστέρησης

4.1 Πολλαπλές διαδροµές

Το κινητό/φορητό κανάλι µετάδοσης σήµατος διαφοροποιείται στο χρόνο, µε τη

συχνότητα και µε τη χωρική µετατόπιση. Ακόµα και στην περίπτωση που ποµπός

και δέκτης είναι σταθεροί, το κανάλι προκύπτει δυναµικό δεδοµένου ότι οι

σκεδαστές και οι ανακλαστήρες είναι πιθανόν να βρίσκονται σε κίνηση. Ο όρος

πολλαπλές διαδροµές προκύπτει από το γεγονός ότι, µέσω της ανάκλασης, της

περίθλασης και της σκέδασης, τα ραδιοκύµατα µπορούν να οδεύουν από έναν

ποµπό σε έναν δέκτη µέσω πολλών διαδροµών. Με κάθε µία από αυτές τις διαδροµές

σχετίζεται µια χρονοκαθυστέρηση, η οποία είναι ανάλογη µε το µήκος της

διαδροµής. Μια πρόχειρη εκτίµηση της µέγιστης χρονοκαθυστέρησης που

αναµένεται σε ένα δεδοµένο περιβάλλον µπορεί να προκύψει απλά από τις

διαστάσεις της αίθουσας και από το γεγονός ότι ο χρόνος (ns) που χρειάζεται ένας

παλµός για να διανύσει την απόσταση d (m) είναι περίπου 3.3 d. Αυτά τα σήµατα

που εµφανίζουν καθυστέρηση, κάθε ένα µε το σχετικό του εύρος, συνθέτουν ένα

γραµµικό φίλτρο µε χαρακτηριστικά µεταβαλλόµενου χρόνου.

4.2 Παλµική απόκριση

Ο στόχος των µοντέλων καναλιών είναι να παράσχουν ακριβείς µαθηµατικές

αναπαραστάσεις της µετάδοσης ραδιοκυµάτων σε ραδιοζεύξη και σε προσοµοιώσεις

για τον σχεδιασµό συστηµάτων. ∆εδοµένου ότι το κανάλι είναι γραµµικό, θα

περιγράφεται πλήρως από την παλµική του απόκριση. Όταν η παλµική απόκριση

είναι γνωστή, µπορεί να καθοριστεί η απόκριση του καναλιού σε οποιαδήποτε

δεδοµένα εισόδου..

Η παλµική απόκριση δίδεται συνήθως ως πυκνότητα ισχύος και επιπλέον

καθυστέρησης, σε σχέση µε το πρώτο εντοπιζόµενο σήµα. Αυτή αναφέρεται συχνά ως

κατατοµή καθυστέρησης ισχύος. Παράδειγµα δίδεται στο Σχήµα 1 της Σύστασης

ITU-R P.1407 µε την διευκρίνηση ότι η χρονική κλίµακα για τα κανάλια εσωτερικού

χώρου θα µετρούνταν σε ns αντί µs. Η εν λόγω σύσταση περιλαµβάνει επίσης τους

ορισµούς πολλών παραµέτρων που χαρακτηρίζουν τις κατατοµές παλµικής

απόκρισης.

11

Η παλµική απόκριση καναλιού διαφοροποιείται ανάλογα µε τη θέση του δέκτη και

ενδέχεται επίσης να διαφοροποιείται και µε το χρόνο. Ως εκ τούτου, συνήθως

µετράται και αναφέρεται ως ο µέρος όρος των κατατοµών που µετρώνται σε ένα

µήκος κύµατος για την µείωση της επίδρασης του θορύβου, ή σε πολλά µήκη

κύµατος για τον καθορισµό της χωρικής µέσης τιµής. Είναι σηµαντικό να καθοριστεί

µε σαφήνεια ποιος µέσος όρος εννοείται και µε ποιον τρόπο πραγµατοποιήθηκε η

µέση τιµή. Η προτεινόµενη σχετική διαδικασία είναι η διαµόρφωση ενός στατιστικού

µοντέλου ως ακολούθως: Για κάθε εκτίµηση παλµικής απόκρισης (κατατοµή

καθυστέρησης ισχύος), πρέπει να προσδιοριστούν οι χρόνοι πριν και µετά τη µέση

καθυστέρηση TD (βλ. Σύσταση ITU-R P.1407) πέραν των οποίων η πυκνότητα ισχύος

δεν υπερβαίνει συγκεκριµένες τιµές (–10, –15, –20, –25, -30 dB) αναφορικά µε την

πυκνότητα ισχύος αιχµής. Η διάµεσος, και εάν είναι επιθυµητό το 90ο

ποσοστηµόριο των κατανοµών των χρόνων αυτών αποτελεί το µοντέλο.

4.3 ∆ιασπορά ενεργού καθυστέρησης

Οι κατανοµές καθυστέρησης ισχύος χαρακτηρίζονται συχνά από µία ή περισσότερες

παραµέτρους, όπως αναφέρεται ανωτέρω. Οι παράµετροι αυτές θα πρέπει να

υπολογίζονται βάσει κατατοµών των οποίων έχουν ληφθεί οι µέσες τιµές σε µια

περιοχή διαστάσεων πολλών µηκών κύµατος. Η παράµετρος διασποράς ενεργού

καθυστέρησης προκύπτει ορισµένες φορές από µεµονωµένες κατατοµές και τις

προκύπτουσες τιµές των οποίων έχουν ληφθεί οι µέσες τιµές. Σε γενικές γραµµές

όµως το αποτέλεσµα δεν είναι το ίδιο µε εκείνο που προκύπτει από µια κατατοµή

της οποίας έχει ληφθεί η µέση τιµή. Τα κατώφλια αποκλεισµού θορύβου, που

αποτελούν κριτήριο αποδοχής, π.χ. 30 dB, κάτω από το υψηλότερο σηµείο της

κατατοµής, θα πρέπει να αναφέρονται µαζί µε την προκύπτουσα διασπορά

καθυστέρησης που εξαρτάται από το κατώφλι αυτό.

Παρά το γεγονός ότι η διασπορά ενεργού καθυστέρησης χρησιµοποιείται ευρέως, δεν

αποτελεί πάντα ικανοποιητικό χαρακτηρισµό της κατατοµής καθυστέρησης. Σε

περιβάλλοντα πολλαπλών διαδροµών, όπου η διασπορά καθυστέρησης υπερβαίνει

την διάρκεια συµβόλου, η αναλογία δυαδικού σφάλµατος για διαµόρφωση

µετατόπισης φάσης δεν εξαρτάται από τη διασπορά ενεργού καθυστέρησης αλλά

µάλλον από την αναλογία λαµβανόµενης ισχύος από το επιθυµητό κύµα προς το µη

12

επιθυµητό κύµα. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για περιπτώσεις συστηµάτων υψηλού εύρους

συµβόλων, αλλά ισχύει και για χαµηλό εύρος συµβόλων, όταν υπάρχει ένα έντονο

κυρίαρχο σήµα ανάµεσα στις συνιστώσες της πολλαπλής διαδροµής (διάλειψη Rice).

Ωστόσο, εφόσον µπορεί να ληφθεί ως δεδοµένη µια εκθετικά φθίνουσα κατατοµή,

αρκεί προκειµένου να εκφραστεί η διασπορά ενεργού καθυστέρησης αντί για την

κατατοµή καθυστέρησης ισχύος. Σε αυτήν την περίπτωση, η παλµική απόκριση

µπορεί να αναπαρασταθεί κατά προσέγγιση ως εξής:

⎩⎨⎧ ≤≤

=αλλού0

0γιαe)(

/–max

St ttth (2)

όπου:

S :είναι η διασπορά ενεργού καθυστέρησης

tmax :είναι η µέγιστη καθυστέρηση

tmax >> S.

Το πλεονέκτηµα στη χρήση της διασποράς ενεργού καθυστέρησης ως µοντέλο

παραµέτρου δεδοµένων εξόδου είναι ότι το µοντέλο µπορεί να εκφραστεί απλά µε

την µορφή ενός πίνακα. Οι συνήθεις παράµετροι διασποράς καθυστέρησης, οι

οποίες έχουν υπολογιστεί από κατανοµέςές των οποίων έχουν ληφθεί οι µέσες τιµές

καθυστέρησης, για τρία περιβάλλοντα εσωτερικών χώρων δίδονται στον Πίνακα 5. Οι

τιµές αυτές έχουν βασιστεί σε µετρήσεις στα 1 900 MHz και 5.2 GHz µε τη χρήση

παγκατευθυντικών κεραιών. Υπάρχουν όµως λίγα στοιχεία που να πιστοποιούν την

ύπαρξη έντονης εξάρτησης των παραµέτρων αυτών όταν χρησιµοποιούνται

παγκατευθυντικές κεραίες. Για άλλους τύπους κεραιών υπάρχουν σχόλια στην

παράγραφο 5. Στον Πίνακα 5, η στήλη B εκφράζει τις διάµεσες τιµές που

εµφανίζονται συχνά, η στήλη A εκφράζει χαµηλότερες, αλλά όχι οριακές, τιµές που

επίσης εµφανίζονται συχνά, ενώ η στήλη C εκφράζει εξαιρετικά υψηλές τιµές

καθυστέρησης που εµφανίζονται µόνο σπάνια. Οι τιµές που δίδονται στον Πίνακα

αντιπροσωπεύουν τα µεγαλύτερα µεγέθη αιθουσών που είναι πιθανόν να απαντηθούν

σε κάθε περιβάλλον.

13

ΠΙΝΑΚΑΣ 5

Παράµετροι διασποράς ενεργού καθυστέρησης

Μέσα σε δεδοµένο κτίριο, η διασπορά καθυστέρησης τείνει να αυξάνει καθώς

αυξάνεται η απόσταση µεταξύ των κεραιών και ως εκ τούτου να αυξάνει καθώς

αυξάνεται η απώλεια διαδροµής. Σε περίπτωση µεγαλύτερης απόστασης µεταξύ των

κεραιών, είναι πιο πιθανό ότι η διαδροµή θα παρεµποδιστεί και ότι το λαµβανόµενο

σήµα θα αποτελείται στο σύνολό του από διασκορπισµένες διαδροµές.

4.4 Στατιστικά µοντέλα

Τα στατιστικά µοντέλα συνοψίζουν τα αποτελέσµατα για έναν µεγάλο αριθµό

µετρήσεων µε τέτοιο τρόπο που να µπορούν να χρησιµοποιηθούν για προσοµοιώσεις

µετάδοσης. Για παράδειγµα, µια προσοµοίωση µπορεί να πραγµατοποιηθεί µε ένα

ασυνεχές µοντέλο καναλιού WSSUS. Ένας τρόπος για αυτό είναι η αντικατάσταση

των πολλών διασκορπισµένων διαδροµών που ενδέχεται να υπάρχουν σε ένα

πραγµατικό κανάλι µε µόνο µερικές συνιστώσες πολλαπλής διαδροµής N στο

µοντέλο. Στη συνέχεια, µια πολύπλοκη Gaussian διαδικασία µεταβλητής χρόνου

gn(t) περιγράφει την επαλληλία των άλυτων συνιστωσών πολλαπλής διαδροµής που

φτάνουν από διαφορετικές γωνίες µε καθυστερήσεις γύρω από την καθυστέρηση τn της συνιστώσας n πολλαπλής διαδροµής. Στη συνέχεια, η παλµική απόκριση h(t)

προκύπτει από την:

Συχνότητα Περιβάλλον A

(ns)

B

(ns)

C

(ns)

1 900 MHz Οικιστικός εσωτερικός χώρος 20 70 150

1 900 MHz Εσωτερικός χώρος γραφείων 35 100 460

1 900 MHz Εµπορικός εσωτερικός χώρος 55 150 500

5200 ΜHz Εσωτερικός χώρος γραφείων 45 75 150

14

∑=

τδ=N

nnnn ttgpth

1)–()()( (3)

όπου pn είναι η λαµβανόµενη ισχύς της συνιστώσας n πολλαπλής διαδροµής. Ένα

τέτοιο στατιστικό µοντέλο απαιτεί κατάλληλες παραµέτρους για κάθε συνιστώσα.

4.5 Μοντέλα συγκεκριµένου χώρου

Ενώ τα στατιστικά µοντέλα είναι χρήσιµα για την παροχή οδηγιών σχεδιασµού, τα

καθοριστικά ή συγκεκριµένου χώρου µοντέλα έχουν µεγάλη αξία για εκείνους που

σχεδιάζουν τα συστήµατα. Υπάρχουν πολλές καθοριστικές τεχνικές για τον

σχεδιασµό συστηµάτων µετάδοσης. Ειδικά για τις εφαρµογές εσωτερικών χώρων, έχει

µελετηθεί η τεχνική FDTD και η τεχνική γεωµετρικής οπτικής. Η τεχνική

γεωµετρικής οπτικής είναι από υπολογιστικής άποψης πιο εξυπηρετική από την

τεχνική FDTD, η οποία όµως υπερτερεί σε ακρίβεια.

Υπάρχουν δύο βασικές προσεγγίσεις στην τεχνική γεωµετρικής οπτικής, η

προσέγγιση ως προς το είδωλο και η προσέγγιση ως προς την αποστολή ακτίνας. Η

πρώτη χρησιµοποιεί τα είδωλα του δέκτη σε σχέση µε όλες τις ανακλαστικές

επιφάνειες του περιβάλλοντος. Υπολογίζονται οι συντεταγµένες όλων των εικόνων και

στη συνέχεια οι ακτίνες παρακολουθούνται ως προς τα είδωλα.

Η προσέγγιση της αποστολής ακτίνας περιλαµβάνει έναν αριθµό ακτίνων, οι οποίες

εκπέµπονται όλες µαζί στο διάστηµα γύρω από την κεραία µετάδοσης. Κάθε ακτίνα

παρακολουθείται µέχρις ότου φτάσει τον δέκτη ή η στάθµη της πέσει κάτω από ένα

προκαθορισµένο όριο. Όταν συγκριθεί µε την προσέγγιση του ειδώλου, η προσέγγιση

της ακτίνας είναι πιο ελαστική εξαιτίας του ότι οι εκ περιθλάσεως και σκεδάσεως

ακτίνες µπορούν να αντιµετωπισθούν κατά µήκος των κατοπτρικών ανακλάσεων.

Επιπλέον, χρησιµοποιώντας την τεχνική διαχωρισµού ακτίνων ή τη µέθοδο

διακύµανσης, µπορεί να εξοικονοµηθεί υπολογιστικός χρόνος ενώ διατηρείται

επαρκής αναλυτικότητα. Η προσέγγιση αποστολής ακτίνας είναι µια κατάλληλη

τεχνική για προβλέψεις µεγάλης περιοχής της παλµικής απόκρισης του καναλιού,

ενώ η προσέγγιση του ειδώλου είναι κατάλληλη για πρόβλεψη σηµείου προς σηµείο.

Τα καθοριστικά µοντέλα γενικά κάνουν παραδοχές σχετικά µε την επίδραση των

υλικών των κτιρίων στην υπό µελέτη συχνότητα. (Βλ. παράγραφο 7 σχετικά µε τις

15

ιδιότητες των υλικών κτιρίων.) Ένα µοντέλο συγκεκριµένου χώρου θα πρέπει να

ερµηνεύει τη γεωµετρία του περιβάλλοντος, την ανάκλαση, την περίθλαση και την

µετάδοση µέσω τοίχων. Η παλµική απόκριση σε ένα δεδοµένο σηµείο µπορεί να

εκφραστεί ως ακολούθως:

∑=

=N

nth

1)(

⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡τδ⋅⋅

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛×Γ τω

= =∏ ∏ )–(e1 j–

1 1n

n

M

u

M

vnvnu t

rP n

rn pn

(4)

όπου:

h(t) : είναι η παλµική απόκριση

N : είναι ο αριθµός των ακτίνων

Mrn : είναι ο αριθµός των ανακλάσεων της ακτίνας n

Mpn : είναι ο αριθµός των διεισδύσεων της ακτίνας n

Γnu : είναι ο συντελεστής ανάκλασης τοίχου u της ακτίνας n

Ρnv : είναι ο συντελεστής διείσδυσης τοίχου v της ακτίνας n

rn : είναι το µήκος διαδροµής της ακτίνας n

τn : είναι η καθυστέρηση της ακτίνας n.

Οι ακτίνες, είτε αντανακλώνται από ή διεισδύουν µέσα από τοίχους ή άλλες

επιφάνειες, υπολογίζονται µε τη χρήση των εξισώσεων Fresnel. Ως εκ τούτου, η

ανηγµένη διαπερατότητα των υλικών κτιρίων απαιτείται ως δεδοµένο εισόδου. Οι

τιµές διαπερατότητας ορισµένων υλικών κτιρίων που έχουν µετρηθεί δίδονται στην

παράγραφο 7.

Σε αντίθεση µε τις ακτίνες που ανακλώνται και διεισδύουν, όπως περιγράφεται στην

εξίσωση (4), οι ακτίνες που έχουν υποστεί περίθλαση και σκέδαση θα έπρεπε επίσης

να περιλαµβάνονται προκειµένου να αναπαρίσταται ικανοποιητικά το λαµβανόµενο

σήµα. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα στην περίπτωση διαδρόµων µε γωνίες καθώς και σε

άλλες παρόµοιες περιπτώσεις µετάδοσης. Η ενιαία θεωρία περίθλασης µπορεί να

χρησιµοποιηθεί για τον υπολογισµό των ακτίνων που έχουν υποστεί περίθλαση.

16

5 Επίδραση της πόλωσης και πρότυπο ακτινοβολίας κεραίας

Σε περιβάλλοντα εσωτερικού χώρου, µεταξύ του ποµπού και του δέκτη δεν υπάρχει

µόνο µία απευθείας διαδροµή αλλά και διαδροµές που έχουν υποστεί ανάκλαση και

περίθλαση. Τα χαρακτηριστικά ανάκλασης ενός υλικού κτηρίου εξαρτώνται από την

πόλωση, τη γωνία πρόσπτωσης και την ανηγµένη διαπερατότητα του υλικού, όπως

παρουσιάζεται στον τύπο ανάκλασης Fresnel. Οι γωνίες άφιξης των συνιστωσών

πολλαπλών διαδροµών κατανέµονται ανάλογα µε το εύρος δέσµης της κεραίας, τις

κτηριακές δοµές και την χωροθέτηση του ποµπού και του δέκτη. Ως εκ τούτου, η

πόλωση και το πρότυπο ενεργού ακτινοβολίας κεραίας µπορούν να επηρεάσουν

σηµαντικά τα χαρακτηριστικά µετάδοσης σε εσωτερικούς χώρους.

5.1 Περίπτωση ευθείας οπτικής επαφής

Είναι ευρέως αποδεκτό ότι στα κανάλια ευθείας οπτικής επαφής (LoS), οι

κατευθυντικές κεραίες µειώνουν την διασπορά ενεργού καθυστέρησης σε σύγκριση

µε τις παγκατευθυντικές κεραίες και ότι η κυκλική πόλωση (CP) µειώνει τη

διασπορά σε σύγκριση µε τη γραµµική πόλωση (LP). Ως εκ τούτου, στην περίπτωση

αυτή µια κατευθυντική κεραία CP προσφέρει έναν αποτελεσµατικό τρόπο µείωσης

της διασποράς καθυστέρησης.

Ο βασικός µηχανισµός της εξάρτησης από την πόλωση µπορεί να αποδοθεί στο

γεγονός ότι, όταν το σήµα CP προσπίπτει σε µια επιφάνεια ανάκλασης υπό γωνία

µικρότερη από τη γωνία Brewster, η πορεία του ανακλώµενου σήµατος CP

αντιστρέφεται. Η αντιστροφή του σήµατος CP σε κάθε ανάκλαση σηµαίνει ότι οι

συνιστώσες πολλαπλών διαδροµών που φθάνουν µετά από µία ανάκλαση είναι

ορθογώνια πολωµένα προς τη συνιστώσα LoS. Με τον τρόπο αυτό, εξαλείφεται ένα

σηµαντικό ποσοστό της παρεµβολής πολλαπλών διαδροµών. Το αποτέλεσµα αυτό

εξαρτάται από τη συχνότητα, όπως προβλέπεται θεωρητικά και υποστηρίζεται από

πειράµατα µετάδοσης σε εσωτερικούς χώρους στη ζώνη συχνοτήτων 1.3 έως 60 GHz,

και ισχύει εξ ίσου για εσωτερικούς και εξωτερικούς χώρους. ∆εδοµένου ότι όλα τα

υφιστάµενα υλικά κτιρίων δίνουν γωνίες Brewster µεγαλύτερες από 45ο, οι

πολλαπλές διαδροµές λόγω µίας και µόνης ανάκλασης (δηλαδή η κύρια πηγή των

συνιστωσών πολλαπλών διαδροµών) καταστέλλονται αποτελεσµατικά στα περισσότερα

περιβάλλοντα αιθουσών ανεξάρτητα από την εσωτερική δοµή και τα υλικά τους.

17

Πιθανές εξαιρέσεις αποτελούν τα περιβάλλοντα όπου κυριαρχούν πολύ µεγάλες

γωνίες πρόσπτωσης, όπως για παράδειγµα ένας µακρύς διάδροµος. Επίσης, η

διακύµανση της διασποράς ενεργού καθυστέρησης σε µια κινούµενη σύνδεση

µειώνεται όταν χρησιµοποιούνται κεραίες CP.

∆εδοµένου ότι οι συνιστώσες µετάδοσης πολλαπλών διαδροµών έχουν κατανοµή

γωνίας άφιξης, οι συνιστώσες αυτές έξω από το εύρος δέσµης της κεραίας

φιλτράρονται χωρικά µε τη χρήση κατευθυντικής κεραίας, έτσι ώστε να µπορεί να

µειωθεί η διασπορά καθυστέρησης. Οι µετρήσεις µετάδοσης σε εσωτερικούς χώρους

και οι προσοµοιώσεις ιχνηλάτησης ακτίνας που πραγµατοποιούνται στα 60 GHz, µε

παγκατευθυντική κεραία µετάδοσης και τέσσερις διαφορετικούς τύπους κεραίας

λήψης (παγκατευθυντική, ευρέως φάσµατος, κανονικοποιηµένης χοάνης και κεραία

περιορισµένου φάσµατος) µε κατεύθυνση προς την κεραία µετάδοσης, δεικνύουν ότι

η καταστολή των συνιστωσών που έχουν υποστεί καθυστέρηση είναι πιο

αποτελεσµατική µε πιο στενά φάσµατα. Ο Πίνακας 6 δείχνει ένα παράδειγµα της

εξάρτησης της κατεύθυνσης της κεραίας από τη στατική διασπορά ενεργού

καθυστέρησης που δεν υπερβαίνεται στο 90ο ποσοστηµόριο, η οποία έχει προκύψει

από προσοµοιώσεις ιχνηλάτησης ακτίνας στα 60 GHz σε ένα άδειο γραφείο.

Επισηµαίνεται ότι η µείωση στη διασπορά ενεργού καθυστέρησης µπορεί να είναι

πάντα επιθυµητή, καθώς µπορεί να σηµαίνει αυξηµένες δυναµικές κλίµακες για την

εξασθένηση σηµάτων ευρείας ζώνης ως αποτέλεσµα της έλλειψης διαφοροποίησης

ενυπάρχουσας συχνότητας. Επιπλέον, πρέπει να τονισθεί ότι ορισµένα προγράµµατα

µετάδοσης εκµεταλλεύονται τις επιδράσεις των πολλαπλών διαδροµών.

18

ΠΙΝΑΚΑΣ 6

Παράδειγµα εξάρτησης κατεύθυνσης κεραίας από τη στατική διασπορά

ενεργού καθυστέρησης

5.2 Περίπτωση εµποδιζόµενης διαδροµής

Όταν υπάρχουν εµπόδια στην απευθείας διαδροµή, η πόλωση και η εξάρτηση

κατεύθυνσης της κεραίας από τη διασπορά καθυστέρησης µπορεί να είναι πιο

περίπλοκες από εκείνες στη διαδροµή LoS. Υπάρχουν πολύ λίγα πειραµατικά

αποτελέσµατα σχετικά µε την περίπτωση εµποδιζόµενης διαδροµής. Ωστόσο, ένα

πειραµατικό αποτέλεσµα που προέκυψε στα 2.4 GHz δείχνει ότι η πόλωση και η

εξάρτηση της κατεύθυνσης της κεραίας από τη διασπορά καθυστέρησης στην

εµποδιζόµενη διαδροµή είναι σηµαντικά διαφορετικές από εκείνες στη διαδροµή

LoS. Για παράδειγµα, µια παγκατευθυντική οριζοντίως πολωµένη κεραία στον

ποµπό και µια κατευθυντική κεραία λήψης CP έδωσαν τη µικρότερη διασπορά

ενεργού καθυστέρησης και τη χαµηλότερη υπέρβαση καθυστέρησης στην

εµποδιζόµενη διαδροµή.

Συχνότη

τα

(GHz)

Κεραία TX

Εύρος

φάσµατος

κεραίας RX

(µοίρες)

Στατιστική

διασπορά

ενεργού

καθυστέρησης

(90ο

ποσοστηµόριο)

(ns)

Μέγεθος

αίθουσας

(m)

Σχόλια

60 Παγκατευθυ-

ντική

Παγκατευθυντι

κή

17 13.5 7.8 Ιχνηλάτηση

ακτίνας

60 16

Άδειο

γραφείο

10 5

5 1

19

5.3 Προσανατολισµός κινητού τερµατικού

Στο περιβάλλον του φορητού ραδιοσήµατος, η µετάδοση κυριαρχείται σε γενικές

γραµµές από την ανάκλαση και τη σκέδαση του σήµατος. Η ενέργεια διασκορπίζεται

συχνά από την µεταδιδόµενη πόλωση στις ορθογώνιες πολώσεις. Υπό τις συνθήκες

αυτές, η ζεύξη crosspolarization αυξάνει την πιθανότητα επαρκών λαµβανόµενων

επιπέδων τυχαία προσανατολισµένων φορητών ραδιοσηµάτων. Η µέτρηση της ζεύξης

crosspolarization που πραγµατοποιήθηκε στα 816 MHz έδειξε υψηλό βαθµό ζεύξης.

6 Επίδραση της χωροθέτησης ποµπού και δέκτη

Υπάρχουν λίγες πειραµατικές και θεωρητικές έρευνες που να αφορούν την επίδραση

της θέσης του ποµπού και του δέκτη στα χαρακτηριστικά µετάδοσης εσωτερικού

χώρου. Ωστόσο, σε γενικές γραµµές, µπορεί να προταθεί ο σταθµός βάσης να

τοποθετηθεί όσο το δυνατόν ψηλότερα κοντά στην οροφή της αίθουσας προκειµένου

να επιτύχει διαδροµές LoS όσο το δυνατόν πιο µακριά. Στην περίπτωση των

κινούµενων τερµατικών, η θέση του τερµατικού του χρήστη θα εξαρτάται φυσικά

από την κίνηση του χρήστη και όχι από τους περιορισµούς µελετών κάποιου

συστήµατος. Ωστόσο, για τις περιπτώσεις σταθερών τερµατικών, προτείνεται το ύψος

της κεραίας να είναι τέτοιο ώστε να διασφαλίζεται η LoS στο σταθµό βάσης, όπου

αυτό είναι δυνατό. Η επιλογή της χωροθέτησης του σταθµού έχει επίσης µεγάλη

σχέση µε τα θέµατα διαµόρφωσης συστήµατος, όπως οι ρυθµίσεις στη χωρική

διαφοροποίηση, η διαµόρφωση των ζωνών, κλπ.

7 Επίδραση των υλικών κτιρίων, των οικοσυσκευών και της

επίπλωσης

Τα χαρακτηριστικά µετάδοσης σε εσωτερικούς χώρους επηρεάζονται από την

ανάκλαση από και την µετάδοση µέσω των υλικών του κτηρίου. Τα χαρακτηριστικά

ανάκλασης και µετάδοσης των υλικών αυτών εξαρτώνται από την σύνθετη

διαπερατότητα των υλικών. Όπως είναι φυσικό, τα µοντέλα πρόβλεψης µετάδοσης

συγκεκριµένου χώρου χρειάζονται τόσο την σύνθετη διαπερατότητα των υλικών

κτιρίων όσο και τα δεδοµένα κατασκευής κτηρίου ως βασικά δεδοµένα εισόδου.

20

Η σύνθετη διαπερατότητα των συνηθισµένων υλικών κτιρίων, που πειραµατικά

προσδιορίστηκε στα 1, 57.5, 78.5 και 95.9 GHz, παρουσιάζεται στον Πίνακα 7.

Αυτές οι διαπερατότητες παρουσιάζουν σηµαντικές διαφορές από το ένα υλικό στο

άλλο, ενώ εµφανίζουν επίσης µικρή εξάρτηση συχνότητας στη ζώνη συχνοτήτων 60-

100 GHz, µε εξαίρεση τις σανίδες δαπέδου για τις οποίες παρατηρήθηκε

διαφοροποίηση της τάξης του 10%.

Από την σύνθετη διαπερατότητα η, ο συντελεστής ανάκλασης προκύπτει ως εξής:

θ−η+θ

θ−η−θ=

2

2

sincos

sincosNR (διάνυσµα E κάθετο στο επίπεδο

συµµετρίας) (5a)

22

22

/)sin(cos

/)sin(cos

ηθ−η+θ

ηθ−η−θ=PR (διάνυσµα E στο επίπεδο συµµετρίας) (5b)

2

PNC

RRR += (κυκλική πόλωση) (5c)

όπου το επίπεδο συµµετρίας είναι το επίπεδο στο οποίο βρίσκονται τόσο η ακτίνα

πρόσπτωσης όσο και η ακτίνα ανάκλασης και θ είναι η γωνία µεταξύ της ακτίνας

πρόσπτωσης και της καθέτου στην επιφάνεια ανάκλασης (βλ. Σχήµα 1 για τη

γεωµετρία).

21

ΠΙΝΑΚΑΣ 7

Σύνθετη διαπερατότητα υλικών κατασκευής εσωτερικών χώρων

Κάθετος

στην

επιφάνεια

θ

ΣΧΗΜΑ 1

Γεωµετρία για τον υπολογισµό των χαρακτηριστικών αντανάκλασης

Επίπεδο συµµετρίας

Κύµα αντανάκλασης

Επιφάνεια αντανάκλασης Κύµα πρόσπτωσης

Οι παραπάνω σχέσεις έχουν εφαρµογή όταν η απώλεια διείσδυσης του υλικού

κτηρίου είναι τόσο µεγάλη που δεν αντανακλάται σηµαντικό κύµα πίσω στην

1 GHz 57.5 GHz 78.5 GHz 95.9 GHz

Σκυρόδεµα 7-j0.85 6.5-j0.43 – 6.2-j0.34

Σκυρόδεµα µικρού

βάρους

2-j0.5 – – –

Σανίδες δαπέδου

(συνθετική ρητίνη)

– 3.91-j0.33 3.64-j0.37 3.16-j0.39

Γυψοσανίδες – 2.25-j0.03 2.37-j0.1 2.25-j0.06

Σανίδες οροφής

(λιθοβάµβακας)

1.2-j0.01 1.59-j0.01 1.56-j0.02 1.56-j0.04

Γυαλί 7-j0.1 6.81-j0.17 – –

Ίνες υάλου 1.2-j0.1 – – –

22

επιφάνεια ανάκλασης. Όταν δεν συµβαίνει αυτό, πρέπει να λαµβάνεται υπόψη η

επίδραση πολλαπλών εσωτερικών ανακλάσεων εντός του υλικού κτηρίου.

Όταν το υλικό κτηρίου αντιπροσωπεύεται από διηλεκτρικές πλάκες N και το πάχος

και η σύνθετη διαπερατότητα της στρώσης m (m = 1, 2, … N) δίδονται ως dm και ηm,

αντίστοιχα, οι συντελεστές ανάκλασης και µετάδοσης προκύπτουν ως εξής:

0

0ABRN = ,

0

0FGRP = ,

0

1A

TN = , 0

1F

TP = (6a)-(6d)

Εδώ, τα A0, B0, F0, και G0 καθορίζονται από τους τύπους αναδροµής ως εξής:

( ) ( ) ( )[ ]1111 112

exp++++ −++

δ= mmmm

mm YBYAA (7a)

( ) ( ) ( )[ ]1111 112

exp++++ ++−

δ−= mmmm

mm YBYAB (7b)

( ) ( ) ( )[ ]1111 112

exp++++ −++

δ= mmmm

mm WGWFF (7c)

( ) ( ) ( )[ ]1111 112

exp++++ ++−

δ−= mmmm

mm WGWFG (7d)

11 =+NA , 01 =+NB , 11 =+NF , 01 =+NG (8a)-(8d)

1

11 cos

cos

+

++ η

ηθ

θ=

m

m

m

mmW ,

m

m

m

mmY

ηη

θθ

= +++

111 cos

cos , 110 =η=η +N (9a)-(9c)

mmmm djk θ=δ cos , mmk ηλπ

=2 ,

λπ

== +2

10 Nkk (10a)-(10c)

όπου:

λ: είναι το µήκος κύµατος σε ελεύθερο χώρο

θm: είναι η γωνία διάθλασης στη στρώση m

θN+1: είναι η γωνία διάθλασης στον αέρα στα δεξιά του τελευταίου ορίου

συµµετρίας.

23

Για την ειδική περίπτωση όπου υπάρχει µία και µόνο στρώση, οι σχέσεις (6)

µπορούν να απλοποιηθούν ως ακολούθως:

( )( )

RjR

jR ′δ−′−

δ−−=

2exp12exp1

2 (συντελεστής ανάκλασης) (11a)

( ) ( )( )( )δ−′−

−δ−′−=

2exp1

exp12

02

jR

dkjRT (συντελεστής µετάδοσης) (11b)

όπου:

θ−ηλπ

=δ 2sin2 d (12)

και d είναι το πάχος του υλικού κτηρίου. Στις εξισώσεις (11a) και (11b), το R

προκύπτει από το RN ή το RP, ανάλογα µε την πόλωση του πεδίου πρόσπτωσης E.

Στις ζώνες χιλιοστοµετρικών κυµάτων, το τελείωµα επιφανείας όπως η βαφή πρέπει

να θεωρείται ως µία από τις διηλεκτρικές στρώσεις.

Οι κατοπτρικές ανακλάσεις από τα υλικά δαπέδου, όπως οι σανίδες δαπέδου και οι

πλάκες σκυροδέµατος, µειώνονται σηµαντικά σε χιλιοστοµετρικές ζώνες, όταν τα

υλικά καλύπτονται από τάπητες µε τραχείες επιφάνειες. Παρόµοιες µειώσεις

ενδέχεται να σηµειωθούν από καλύµµατα παραθύρων όπως οι κουρτίνες. Ως εκ

τούτου, αναµένεται ότι η ιδιαίτερη επίδραση των υλικών θα είναι πιο σηµαντική

καθώς αυξάνεται η συχνότητα.

Εκτός από τις βασικές κτιριακές δοµές, η επίπλωση και άλλα εξαρτήµατα

επηρεάζουν επίσης σηµαντικά τα χαρακτηριστικά µετάδοσης σε εσωτερικούς

χώρους. Αυτά µπορούν να θεωρούνται εµπόδια και καλύπτονται στο µοντέλο

απώλειας διαδροµής της παραγράφου 3.

8 Επίδραση της κίνησης αντικειµένων στην αίθουσα

Η κίνηση ατόµων και αντικειµένων εντός της αίθουσας προκαλεί χρονικές µεταβολές

στα χαρακτηριστικά µετάδοσης σε εσωτερικούς χώρους. Ωστόσο, η διαφοροποίηση

αυτή είναι πολύ αργή σε σύγκριση µε το ρυθµό δεδοµένων που κατά πάσα

24

πιθανότητα θα χρησιµοποιηθεί και, ως εκ τούτου, µπορεί να θεωρηθεί στην

πραγµατικότητα µια τυχαία µεταβλητή ανεξάρτητη από το χρόνο. Εκτός από τα

άτοµα που βρίσκονται πλησίον της κεραίας ή στην απευθείας διαδροµή, η κίνηση

ατόµων σε γραφεία και άλλες τοποθεσίας µέσα και γύρω από το κτίριο έχει αµελητέα

επίδραση στα χαρακτηριστικά µετάδοσης.

Οι µετρήσεις που πραγµατοποιήθηκαν όταν και τα δύο τερµατικά σύνδεσης είναι

σταθερά δείχνουν ότι η εξασθένηση είναι εκρηκτική (οι στατιστικές είναι ιδιαίτερα

ασταθείς), και προκαλείται είτε από την διατάραξη των σηµάτων πολλαπλών

διαδροµών στις περιοχές που περιβάλλουν µια συγκεκριµένη σύνδεση είτε από την

επισκίαση που προκαλείται από τα άτοµα που διέρχονται µέσα από τη σύνδεση.

Οι µετρήσεις στα 1.7 GHz δείχνουν ότι ένα άτοµο που κινείται µέσα στην διαδροµή

ενός σήµατος LoS προκαλεί πτώση 6 έως 8 dB drop στο επίπεδο της λαµβανόµενης

ενέργειας, και η τιµή K της κατανοµής Nakagami-Rice είναι σηµαντικά µικρότερη.

Στην περίπτωση συνθηκών µη LoS, τα άτοµα που κινούνται πλησίον των κεραιών δεν

είχαν καµία σηµαντική επίδραση στο κανάλι.

Στην περίπτωση κινούµενου τερµατικού, η εγγύτητα της κεφαλής και του σώµατος

του χρήση επηρεάζουν το επίπεδο του λαµβανόµενου σήµατος. Στα 900 MHz µε

διπολική κεραία, οι µετρήσεις δείχνουν ότι η ισχύς του λαµβανόµενου σήµατος

µειώθηκε από 4 έως 7 dB όταν το τερµατικό τηρείτο στο ύψος της µέσης και 1 έως 2

dB όταν το τερµατικό τηρείτο στο ύψος της κεφαλής του χρήστη, σε σύγκριση µε την

ισχύ του λαµβανόµενου σήµατος όταν η κεραία απείχε πολλά µήκη κύµατος µακριά

από το σώµα του χρήστη.

Όταν το ύψος της κεραίας είναι µικρότερο από 1 m περίπου, για παράδειγµα, στην

περίπτωση µιας συνηθισµένης εφαρµογής επιτραπέζιου ή φορητού υπολογιστή, η

διαδροµή LoS µπορεί να επισκιάζεται από άτοµα που κινούνται πλησίον του

τερµατικού του χρήστη. Σε τέτοιες εφαρµογές δεδοµένων ενδιαφέρουν τόσο το βάθος

όσο και η διάρκεια της εξασθένησης. Οι µετρήσεις στα 37 GHz σε περιβάλλον

προθαλάµου γραφείων εσωτερικού χώρου έχουν δείξει ότι παρατηρήθηκαν συχνά

εξασθενήσεις της τάξης των 10 έως 15 dB. Η διάρκεια των εν λόγω εξασθενήσεων

λόγω της σκίασης σωµάτων, µε άτοµα να κινούνται συνεχώς µε τυχαίο τρόπο µέσα

στη LoS, ακολουθεί µια λογαριθµική-κανονική κατανοµή, µε τη µέση και συνήθη

25

απόκλιση να εξαρτάται από το βάθος της εξασθένησης. Για τις µετρήσεις αυτές, σε

βάθος εξασθένησης 10 dB, η µέση διάρκεια ήταν 0.11 s και η συνήθης απόκλιση

ήταν 0.47 s. Σε βάθος εξασθένησης 15 dB, η µέση διάρκεια ήταν 0.05 s και η

συνήθης απόκλιση ήταν 0.15 s.