המנחה: פרופסור נתן בלאונשטיין שם הפרויקט: Influence of Rain Effects on Radio Propagation in Land-Atmospheric Communication Link המנחה: פרופסור נתן בלאונשטיין מגישים: אמיר בנט ושי הראש

רקע לפרויקט: Rain Fade- התופעה הטבעית הכי שכיחה ובד"כ הכי קריטית שמחלישה את אות השידור. הגשם הוא הגורם הראשי הפוגם בשידור בתחומי התדרים Ku/Ka- bands מילימטריים, הטובים לתקשורת לווינית. איך הגשם משפיע על אות הרדיו? תכנון אופטימאלי של מערכות שידור קרקע-לוויין. 1.! אפילו מערכת התקשורת הלווינית הכי אמינה יכולה להיות מוכרעת מאיתני הטבע, בפרוייקט זה נטפל ב hydrometor מסוג גשם. לתופעה קוראים # בעוברו בין טיפות הגשם 2.# Ku-band (GHz12-14) והשני בתחום ה-Ka-band (GHz20-30). =גלים עם אורכי גל מילימטרים, תדרים אלו אטרקטיביים לתקשורת לווינית עקב רוחב הפס הרחב וגודל אנטנות קטן יחסית 3. ! השאלה המרכזית הראשונה שהיה עלינו להבין היתה... # כדי לענות עליה נתקלנו בהרבה תופעות פיסיקליות כמו ספיגה פיזור החזרה ועוד שלכולם השפעה אחת- גרימה לניחות (attenuation)באות הלוויני. 4. !המטרה הישומית שראינו לעיני רוחנו היתה... # כלומר מציאת הספק השידור הדרוש כך שברוב המוחלט של המקרים לגשם לא תהיה השפעה ניכרת על איכות השמע בקליטה.

מטרות הפרויקט: חקירת השפעת ומאפייני הגשם על האות הלוויני. חקירת מודלים קיימים למציאת המודל האידיאלי שיתאר את תופעת הדעיכה הנגרמת מגשם על אותות המשודרים בערוץ קרקעי-אטמוספרי.

Existing Approaches ניחות האות כתוצאה מגשם מתרחש עקב פיזור ובליעת אנרגית האות. הניחות משתנה כפונקציה של התפלגות גדלי וכמות הטיפות, טמפרטורה, מסלול השידור ואורך גל השידור. כאשר α זה הגורם המשלים למרחק כך שהעוצמה תפחת בפקטור של e-1. הפסד כל המסלול: !אם צורת הטיפה וצפיפותה קבועים באותו אזור אז עוצמת האות המועבר (received) r P דועכת אקספוננציאלית כתלות במרחק r !הנוסחא לייצוג ה- Attenuation... של כל המסלול ב- db ישנם שתי שיטות לחישוב הניחות הראשונה מתבססת על מציאת האלפא α.

שלב 1-חישוב הניחות בדציבל לק"מ שיטה הטובה לחישוב ניחות כאשר התפלגות גדלי הטיפות משתנה לאורך המסלול. N0 α ו-β הם קבועים המשתנים per מודל או מקום. Total Cross Section- בתדרים נמוכים ה-TCS גדל עם התדר וניתן להשתמש בקירוב ריילי. בתדרים גבוהים הניחות גדל בצורה איטית יותר עד קבוע optical limit. N(D) מספר הטיפות בקוטר D בכל מטר של המסלול הרווי, # כך שהמשתנה היחיד במשוואה זאת הוא ה-R-קצב נפילת הגשם. !C(D) זה הניחות שטיפה בגודל D גורמת ...#ובד"כ נחשבו באמצעות Mie scattering 4. !בשיטה השנייה נחשב את גמא שמציינת ניחות בdb פר ק"מ שיטה שנייה המתייחסת רק ל-R כאשר a ו-b משתנים כתלות בתדר ובטמ"פ

שלב 3-חישוב הניחות הכולל שלב 2-מציאת אורך המסלול גובה שכבת הקרח תלוי בקו האורך העולמי θ. גודל תא גשם ממוצע-2ק"מ שלב 3-חישוב הניחות הכולל !בחישוב המסלול קרקע-לווין נתייחס לגובה h שמייצג את .. #כאשר בקו המשווה הגובה יהיה מירבי (5ק"מ) ועם ההתרחקות בקווי האורך הגובה יקטן בעד ק"מ. 3. # התדר ב-GHz והמרחק בק"מ שלב 4-קבלת Link Budget

נקודות להשוואה בין המודלים סיבות לבחירת המודל של סאנדרס כאבן הבוחן ניחות: השוואה אל מול מודל אבן בוחן לקבלת נכונות ודיוק. זמן ריצה: מימוש ב-MATLAB, סיבוכיות וזמני ריצה שונים פשטות: פשטות ההבנה והיכולת לתקן או לממש מחדש במידת הצורך באפליקציות אחרות. סיבות לבחירת המודל של סאנדרס כאבן הבוחן אין תלות במיקום. אין מגבלת טווח תדרים. זמן ריצה טוב ומובנות גבוהה. התקבל ע"י ITU= International Telecommunication Union . כלומר בדיקה מה ההפרש בניחות בין שני המודלים. ITU = הגוף התקינה העולמי הראשי בענייני טלקומוניקציה

מודל 1- סטטיסטיCrane R. K מודל הפותח באמצעות תצפיות גאופיזיות על קצב ירידת הגשם ועל הטמ"פ של האטמוספירה. חלוקה לאזורי אקלים וקבלת RP. קבלת אורך המסלול D=rR. מציאת הפרמטרים α ו-β לתדר הרלוונטי. α β בוצעה סינתזה על נתונים שהופקו מתחנות מטאורולוגיות ברחבי העולם ע"מ לקבל את הנתונים הסטטיסטים הדרושים. החלוקה לאזורי אקלים בוצעה על סמך: טמ"פ צמחייה גובה מעל פני הים וכמות הגשם העונתית המצטברת, לכל אזור התקבל קצב גשם בתלות בשכיחות שבה הופיע. השלב הבא היה ... רק שכאן אורך המסלול הוא D הנתונים הופקו מקצב ירידת הגשם באמצעות קשר שנגזר מבחינה תיאורטית מניתוח התפלגות טיפות הגשם שהתקבל

משוואת הניחות קבועים אמפרים 1. אל משוואות אלה נגיע כשקצב ירידת הגשם R, המרחק D ו- α ו-β ידועים 2. הקבועים אמפירים משלימים את הפאזל האקספוננציאלי של המודל ותלויים רק ב- R, עפ"י d יקבע באיזה נוסחא נעבוד.

קריטריון הניחות ביחס ל- Saunders. נבחרו שני תדרים לתצוגה אחד בתחום ה-Ku-band(GHz12-14) והשני בתחום ה-Ka-band (GHz20-30). קריטריון הניחות ביחס ל- Saunders. 50 100 150 1 2 3 4 5 6 The Crane Model Vs Saunders Model at 12.5 GHz Rain Intensity [mm/h] Rain Attenuation [dB/Km] 1- Carne 2- Saunders 50 100 150 5 10 15 20 25 30 35 The Crane Model Vs Saunders Model at 30 GHz Rain Intensity [mm/h] Rain Attenuation [dB/Km] 1- Carne 2- Saunders 2 1 50 100 150 5 10 15 20 25 30 35 The Crane Model Vs Saunders Model at 30 GHz Rain Intensity [mm/h] Rain Attenuation [dB/Km] 1- Carne 2- Saunders 2 1 50 100 150 1 2 3 4 5 6 The Crane Model Vs Saunders Model at 12.5 GHz Rain Intensity [mm/h] Rain Attenuation [dB/Km] 1- Carne 2- Saunders 12.5GHz ו- 30GHz מגרפים אלה ניתן לראות שבתדרים הגבוהים מתקבל הבדל בניחות גדול יותר מאשר בנמוכים (עד 6db) שתלוי יותר בעוצמת הגשם ואילו בנמוכים ההפרש די קבוע, ויחסי קטן כ- 1db כך שעדיין מודל זה נחשב כמדויק יחסית למודל של סאנדרס. המודל היה יחסית פשוט למימוש והבנה.

מודל 2- אמפיריDer-Phone Lin and Hsing-Yi Chen מודל המשתמש בנוסחה חדשה עבור חישוב ה-TCS. כאשר 5A-1A הם פרמטרים התלויים בתדר ובגודל הטיפה והאם הקיטוב אופקי או אנכי. 1.TCS – חתך רוחב למודל זה הוצאו 3 פונקצית להתפלגות טיפות הגשם :N(a) עבור M-P

השוואה בן 3 הפונקציות להתפלגות טיפות הגשם אם TCS שהוצא במודל זה 50 100 150 2 4 6 8 10 12 The Lin Chen Model Vs Saunders Model at 12.5GHz Rain Intensity [mm/h] Rain Attenuation [dB/Km] 1- RMSSingapore 2- RMSMP 3- RMSJT 4- Saunders 1 3 50 100 150 2 4 6 8 10 12 The Lin Chen Model Vs Saunders Model at 12.5GHz Rain Intensity [mm/h] Rain Attenuation [dB/Km] 1-RMSSingapore 2-RMSMP 3-RMSJT 4-Saunders 1 3 50 100 150 5 10 15 20 25 30 35 40 45 The Lin Chen Model Vs Saunders Model at 30GHz Rain Intensity [mm/h] Rain Attenuation [dB/Km] 1-RMSSingapore 2-RMSMP 3-RMSJT 4-Saunders 1 4 2 3 50 100 150 5 10 15 20 25 30 35 40 45 The Lin Chen Model Vs Saunders Model at 30GHz Rain Intensity [mm/h] Rain Attenuation [dB/Km] 1-RMSSingapore 2-RMSMP 3-RMSJT 4-Saunders 1 4 2 3 התפלגותה-M-P נותנת את התוצאות הטובות ביותר סטיית תקן של 1-2dB ולכן היא נבחרה. התפלגותה-Singapore נותנת התוצאות לא מספקות סטייה ממוצעת של15dB .

תוצאות סופיות 50 100 150 1 2 3 4 5 6 Final Comparison at 12.5GHz Rain Intensity [mm/h] Rain Attenuation [dB/Km] 1- Crane 2- Lin-Chen 3- Saunders 50 100 150 5 10 15 20 25 30 35 Final Comparison at 30GHz Rain Intensity [mm/h] Rain Attenuation [dB/Km] 1- Crane 2- Lin-Chen 3- Saunders 2 3 1 נבחן איזה מודל מבין המודלים Crane או Lin-Chen הכי מתאים למודל של Saundersעל מנת לימצוא Lex האופטימאלי. 50 100 150 1 2 3 4 5 6 Final Comparison at 12.5GHz Rain Intensity [mm/h] Rain Attenuation [dB/Km] 1- Crane 2- Lin-Chen 3- Saunders 50 100 150 5 10 15 20 25 30 35 Final Comparison at 30GHz Rain Intensity [mm/h] Rain Attenuation [dB/Km] 1- Crane 2- Lin-Chen 3- Saunders 2 3 1 1. ספיגה - שינוי כל או חלק מאנרגיית השידור בד"כ לאנרגיה תרמית, כתוצאה ממפגש האנרגיה בתווך חומרי כלשהו. מתרחש ברמה המולקולרית או האטומית. פיזור-תופעה שבה משתנה התדר, הקיטוב וכיוון הגל המשודר. בא לידי ביטוי בכל הגראפים ברמות הניחות שגדלו עם הגדלת התדר. 2. The attenuation the wave experience from passing thorough a micro cell saturated with rain is more severe then macro cell attenuation with the same rain intensity. המודל הנבחר על מנת למצוא את Lex הוא מודל Lin-Chen עם התפלגות טיפות הגשם של M-P .

נשווה את ה-Link budged בין הניחות של הגל בעוברו ב-micro cell הרווי בגשם לעומת הניחות של הגל בעוברו ב- macro cell הרווי בגשם . 50 100 150 125 130 135 140 145 155 Final Comparison of Micro Cell Link Budged at 12.5 GHz Rain Intensity [mm/h] Rain Attenuation [dB] 1- Crane 2- Lin-Chen 3- Saunders 1 2 3 50 100 150 125 130 135 140 145 155 Final Comparison of Micro Cell Link Budged at 12.5 GHz Rain Intensity [mm/h] Rain Attenuation [dB] 1- Crane 2- Lin-Chen 3- Saunders 1 2 3 50 100 150 134 136 138 140 142 144 146 148 Final Comparison of Macro Cell Link Budged at 12.5 GHz Rain Intensity [mm/h] Rain Attenuation [dB] 1- Crane 2- Lin-Chen 3- Saunders 1 2 3 50 100 150 134 136 138 140 142 144 146 148 Final Comparison of Macro Cell Link Budged at 12.5 GHz Rain Intensity [mm/h] Rain Attenuation [dB] 1- Crane 2- Lin-Chen 3- Saunders 1 2 3 הניחות של הגל בעוברו ב- micro cell הרווי בגשם יותר גדול מהניחות ב- macro cell ב-8 dB.

Micro Vs. Macro: נשווה בתדר יותר גבוה. 50 100 150 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 Final Comparison of Micro Cell Link Budged at 30 GHz Rain Intensity [mm/h] Rain Attenuation [dB] 1- Crane 2- Lin-Chen 3- Saunders 2 3 1 50 100 150 140 160 170 180 190 200 210 220 Final Comparison of Macro Cell Link Budged at 30 GHz Rain Intensity [mm/h] Rain Attenuation [dB] 1- Crane 2- Lin-Chen 3- Saunders 2 3 1 50 100 150 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 Final Comparison of Micro Cell Link Budged at 30 GHz Rain Intensity [mm/h] Rain Attenuation [dB] 1- Crane 2- Lin-Chen 3- Saunders 2 3 1 50 100 150 140 160 170 180 190 200 210 220 Final Comparison of Macro Cell Link Budged at 30 GHz Rain Intensity [mm/h] Rain Attenuation [dB] 1- Crane 2- Lin-Chen 3- Saunders 2 3 1 תופעה זאת שהניחות שנגרם על ידי הגשם ב-Micro cell יותר גדול מהניחות שנגרם על ידי הגשם ב-Macro cell נהיית יותר בולטת ככל שתדר עולה.

הסבר גיאומטרי להבדל בניחות בין ה- Micro Cellל-Macro Cell. 2 km dc=dR1 2 km dR2 5 km hr rR 10 km dc Macro Cell. הסבר נוסף להבדל. מסקנה:הדעיכה הטבעית מהווה פקטור הרבה פחות משמעותי מהגשם.

סיכום (מסקנות) המודל הנבחר על מנת למצוא את Lex הוא מודל Lin-Chen אם התפלגות טיפות הגשם של M-P . הדעיכה הטבעית מהווה פקטור הרבה פחות משמעותי מהגשם. בתדרים גבוהים שבהם הטיפה גדולה ביחס לאורך הגל הספיגה (absorption) והפיזור (scattering) גדולים יותר מאשר בתדרים נמוכים. ←מוביל לניחות (Attenuation) גבוה יותר.

ומה הלאה ?!?

Questions?