ΑΣΥΡΜΑΤΕΣ-ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΕΣΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ

Διδάσκων

Λούβρος Σπυρίδων

Επίκουρος Καθηγητής - ΤΕΣΥΔ

ΔΙΑΛΕΞΗ 10

ΕΠΙΓΕΙΑ ΜΙΚΡΟΚΥΜΑΤΙΚΗ ΖΕΥΞΗ (MW LINK) – ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ 4ο Μέρος

Σχεδιασμός Μικροκυματικής Ζεύξης κοντινής απόστασης- Short-haul microwave radio design

Μικροκυματική μετάδοση υπό συνθήκες καναλιού ελεύθερες από κατακρυμνήσεις σήματος ισχύος (non-Fading Conditions)

Fading mechanism

Flat multipath fading

Frequencyselective fading

Rain fading(precipitation)

Multipath fadingRefraction / Reflections

k-fadingDiffraction fading

FadingMechanisms

Fading ChannelsReason for Fading

The signal on this radio link is subject to fading problems due to radio propagation effects such as reflection.

This occurs when the propagation wave impinges on an object which is large compared to the wavelength, for example the surface of the earth, buildings, walls, etc.

This reflection phenomena are called multipath and it has several effects, these are:

• Rapid changes in signal strength over a small area or time interval

• Random frequency modulation due to varying Doppler shifts on different multipath signals.

• Time dispersion caused by multipath propagation delays

Fading mechanismsMultipath fading

Refracted

Direct

Reflected

•Refraction due to atmospheric conditions

•Reflections from Atmospheric layersGround or buildings

Multipath FadingΕρμηνεία φαινομένουΒρισκόμαστε σε περιβάλλον πόλης με πολλά κτίρια κατανεμημένα γύρω από την φορητή μονάδα. Αυτό ορίζει ένα κανάλι με χαρακτηριστικάπολύ-οδεύσεων. Τότε:

• Το σήμα εκπομπής του σταθμού βάσης (downlink) ανακλάται από πολλά αντικείμενα του περιβάλλοντος χώρου (κτίρια, αυτοκίνητα κτλπ)

• Το τελικό λαμβανόμενο σήμα στην κεραία της φορητής μονάδας είναι το αλγεβρικό άθροισμα του κυρίως σήματος και των καθυστερούμενων σημάτων λόγω ανάκλασης (echoes).

Multipath Fading

Multipath FadingΕρμηνεία φαινομένουΤο φαινόμενο αυτό είναι στατιστικό καθότι η ανάκλαση συμβαίνει χρονικά και ηφορητή μονάδα κινείται στον χώρο αλλάζοντας τα χαρακτηριστικά λήψης με τυχαίο τρόπο. Μελετήθηκε και αποδείχθηκε ότι ακολουθεί την στατιστική κατανομή Rayleigh.Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται η ιδέα - δύο σήματα (κόκκινα) συμβάλουν μεδιαφορά φάσης η οποία μεταβάλλεται με τυχαίο τρόπο. Το σήμα συμβολής (κυανούν) μεταβάλλεται χρονικά. Επομένως η ισχύς λήψης (Signal Strength SS) έχει βυθίσματα πλάτους και μεταβάλλεται στατιστικώς

Multipath Fading

ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ 1

• Εάν τα σήματα λήψης (κυρίως και καθυστερούμενα) είναι σχεδόν συμφασικά (Δφ ≈ 0) με σχεδόν ίσα πλάτη τότε το αλγεβρικό άθροισμα τους θα μας δώσει ένα ισχυρότερο σήμα (το άθροισμα των επιμέρους πλατών όλων των συμβαλλόμενων κυμάτων) με μεγάλο βάθος διαμόρφωσης ΑΜ και αργά χρονικά βυθίσματα. Αυτό στην κυματική ονομάζεται ενισχυτική συμβολή

Multipath FadingΕνισχυτική Συμβολή – Περίπτωση 1

Κυρίως σήμα

Ανακλώμενο σήμα

Συμβαλλόμενο σήμα

Multipath Fading

ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ 2

• Εάν τα σήματα λήψης (κυρίως και καθυστερούμενα) είναι εκτός φάσης (0 < Δφ < π) με διαφορές πλατών τότε το αλγεβρικό άθροισμα τους θα μας δώσει ένα εξασθενημένο σήμα (το πλάτος θα είναι περίπου ο μέσος όρος των επιμέρους συμβαλλόμενων κυμάτων) με μεγάλο βάθος διαμόρφωσης ΑΜ και γρηγορότερα βυθίσματα πλάτους . Αυτό στην κυματική ονομάζεται καταστρεπτική συμβολή

Multipath FadingΚαταστρεπτική Συμβολή – Περίπτωση 2

Κυρίως σήμα λήψης (Line of Site – LoS)

Ανακλώμενο σήμα εκτός φάσης με 0 < Δφ < π

Συμβαλλόμενο σήμα

Multipath FadingΠΕΡΙΠΤΩΣΗ 3• Εάν τα σήματα λήψης (κυρίως και καθυστερούμενα) είναι εκτός φάσης

με Δφ = π με διαφορετικά πλάτη τότε το αλγεβρικό άθροισμα τους θα είναι μία διαμόρφωση ΑΜ με βάθος διαμόρφωση το οποίο εξαρτάται από την διαφορά A1 – A2 των πλατών

Multipath FadingΠΕΡΙΠΤΩΣΗ 4• Εάν τα σήματα λήψης (κυρίως και καθυστερούμενα)

είναι εκτός φάσης με Δφ = π με ίσα σχεδόν πλάτη τότε το αλγεβρικό άθροισμα τους θα είναι:

• Αυτό σημαίνει ότι στην κεραία της φορητής μονάδος, καίτοι λαμβάνονται δύο ισχυρά σήματα πλάτους Α έκαστο, έχουμε πλήρη καταστρεπτική συμβολή με μηδενισμό του συμβαλλόμενου σήματος λήψης.

0)sin()cos()( tAtAtS

Multipath FadingΚαταστρεπτική Συμβολή – Περίπτωση 2

Κυρίως σήμα λήψης (Line of Site – LoS)

Ανακλώμενο σήμα εκτός φάσης με Δφ = π

Συμβαλλόμενο σήμα S(t) = 0

Fading free conditionsWell mixed atmosphere.Radio refractivity is changingconstantly by altitude

Multipath fading Distinct atmospheric layers with different radio refractivity

Multipath fading cycleMorning, elevated duct

As the sun rises in the morning it first warms up the ground and the layer of air closest to ground.

As this layer of air gets warmer it also gets lighter (less density) and will thereby start to raise up through the atmosphere.

The radio refractivity of this layer will ,because of its temperature and humidity, differ significantly from the surronding air causing a distinct change in radio refractivity at its borders, what is called point refractivity gradient.

This sudden change in radio refractivity will bend (refract) or reflect the signal back to ground where it reaches the receiver as multipath propagated signal.

In severe cases the layer will trap the signal and acting as a waveguide carry the signal away over long distances.

The later presented input to mp fading prediction, dN1, is a value discribing how high this sudden change in radio refractivity is likely to be.

Multipath fading cycleMorning, elevated duct

Elevated duct

High Point Refractivity Gradiant

N

h

Positive k

Negative k

Positive k

Radio refractivity

Multipath fading cycle Mid-day, fading free conditions

Well mixed atmosphere

N

h

Positive k

Radio refractivity

Multipath fading cycle Evening, ground based duct

Cool air, high humidity

High Point Refractivity Gradiant

N

h

Negative k

Positive k

Reflective layer

Radio refractivity

Multi Path fading scenario

1 h

Recording of typical multipath fading

Rx level during fading free time

Threshold level

Bit error interruption of communication

“Up Fading”

Refractivity gradient, PL factor

0453-089

FIGURE 9

Percentage of time gradient –100 (N-units/km): May

FIGURE 8

Percentage of time gradient –100 (N-units/km): February

0453-1011

FIGURE 11

Percentage of time gradient –100 (N-units/km): November

FIGURE 10

Percentage of time gradient –100 (N-units/km): August

PL factor• Used for multipath fading

prediction • Is the percentage of time during

which the gradient (the changes) of radio refractivity is equal to, or larger than 100 N-units/kmin the lowest 100m from the surface of the earth. (Equal or more negative value)

• Obtained from maps in ITU-R Rec. P.453. The worst case (highest percentage) is to be chosen.

Point refractivity gradient, dN1Refractivity gradient not exceeded for 1% of the average year in the lowest 65m

(This is the parameter referred to as dN1 in Recommendation ITU-R P.530)

dN1

• Used for multipath fading prediction

• Has replaced the PL factor in later revisions of ITU-R Rec. P.530

• Gives the highest point change in radio refractivity in the lowest 65m. The most severe case that will only occurfor 1% of the average year.

• Obtained from maps in ITU-R Rec. P.453. or with given long/lat from databases.Resolution 1.5 x 1.5 degreeRefer to ITU-R Rec. P.453

Mean terrain hight deviation• The roughness of the terrain surrounding the path has and influence

on the multipath fading scenario. • According to ITU-R Rec. P.530-12 an area of 110x110 km shall be included• Data is available from ”gtopo30” data file ”on the web”.• For quick evaluation the value 0 can be used.

The below table can be used for a somewhat more precise prediction.

Inclination

Δh

d

To tilt the hop will im

prove the quality.

Inclination [rad] = Δh [m]d [m]

Atmospheric layers are always horisontaly organized, ”shooting” the signal in parallell with those layers will be the worst case from a mp fading point of view.

Flat and Freq. selective mp fadingMultipath fading occurs when the receiver is reached by the same signal via different paths with different propagation time.

The delay between the direct signal and the ”multipath” signal will if it is small give raise to flat multipath fading.

If the delay is long it will give raise to frequency selective multipath fading.

This is the limiting factor for ”long” hops at ”low” frequency (next slide).

Frequency selective multipath fading always holds a flat mp fading component .Flat mp fading occurs if the reflection point is close to the path, for example ground reflections.

Flat and Freq. selective mp fadingFreq. sel. mp fading occurs when the reflection point is far from the path, atmospheric refraction/reflection.

To increase the gain will not contribute to the path performance (beyond a certain point) if freq.sel. mp fading is the limiting factor for the hop length.

This holds because the origin of the freq. sel. mp fading is a matter of time delay, not a matter of gain.

Both flat and freq.sel mp fading will influence the Quality of the hop by causing ESR and SESR.

Flat and Freq. selective mp fading

Flat fading

Frequency selective fading

Frequency [MHz]

Received power level

Un-faded

Center frequencyChannel bandwidth

• Flat fadingThe loss is uniform across the frequency spectrum

• Frequency selective fadingThe loss varies across the frequency spectrum

Improvements• Flat fading

+ “Tilt” the hop+ Gain+ Space diversity+ Frequency diversity+ Shorter hop

• Fq. selective fading+ “Tilt” the hop+ Space diversity+ Frequency diversity+ Shorter hop

RSSImeasured

levels

Frequency selective mp fading1+0 example

Next slide diagram shows example of the relationship between path length (hop length) and SESR for some different values of system gain.

What is of most interest in this slide is the fact that frequency selective multipath fading puts a definite limit to possible path length.

To increase the system gain will not help to increase the hop length (improving SESR figure) beyond this limit.

In the slide this is seen as the curves for system gain 185-215dB are totally overlappin each other.

Frequency selective mp fading1+0 example

To beyond this point improve the SESR figures (extend path length) requires the employment of diversity technique.

The slide shows only SESR BBER and ESR will show similar graphs and behaviour. In real path design at ”low” frequencies it is most commonly the SESR objective that is dimensioning. BBER can under certain circomstances be the dimensioning objective but ESR is in practice never the dimensioning objective.

dB values in the slide are ”System gain” defined as As = Pt + GTx + GRx – PthrWhere:Pt = Transmitter output powerGTx = Transmitter antenna gainGRx = Receiver antenna gainPthr = Receiver threshold value

Frequency selective mp fading1+0 example

0.000001

0.000010

0.000100

0.001000

0 10 20 30 40Path length (km)

SE

SR

7/8 GHz, pL=1%

145dB 155 dB

165 dB

175 dB

185 dB195 dB205 dB215 dB

Fq. sel mp fadingputs a limit to possible path lengthregardless of increasedsystem gain

Improvement factorSpace diversity

Δh= 80fq [GHz]

”Rule of the thumb”

• Space diversity: the two antennas will be reached by signals fading uncorrelated

Gro

und

clea

renc

e ob

ject

ive

Antenna separation

30 40 50 60 70 80

Path length (km)

0.000001

0.000010

0.000100

0.001000

SE

SR

3m

6m 9m 12m15m

18m

7/8 GHz, pL=1%Space diversity, 1+1

Δh

Frequency selective mp fading1+1 space diversity example (compare to 1+0 example)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Path length (km)

7/8 GHz, pL=1%

145 dB 155 dB 165 dB 175 dB

185 dB195 dB205 dB215 dB

Space diversity, 1+1, ant. sep.: 11.4 m

0.000001

0.000010

0.000100

0.001000

SE

SR Fq. sel mp fading

puts a limit to possible path lengthregardless of increasedsystem gain

Improvement factorFrequency diversity

• Frequency diversity: the two frequencies will fade uncorrelated

”Rule of the thumb”Fully uncorrelated fading at:

f2 = 1.05 x f1(5% difference)

f1f2