מערכות תקשורת ניידות ותאיות מצגת זו תכלול כנראה דיון של הקהל, אשר יביא ליצירת פריטי פעולה. השתמש ב- PowerPoint כדי לעקוב אחר פריטי פעולה אלה במהלך המצגת. בהצגת שקופיות, לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני. בחר באפשרות “מפקח הישיבות”. בחר בכרטיסיה “פריטי פעולה”. הקלד את פריטי הפעולה כאשר הם מופיעים. לחץ על אישור כדי להסיר תיבה זו. פעולה זו תיצור אוטומטית שקופיות לפריטי פעולה בסוף המצגת, והנקודות שהעלית יוזנו בתוכה. מערכות תקשורת ניידות ותאיות ד"ר משה רן כל הזכויות שמורות לחברת MostlyTek Ltd. . אין לצלם, לשכפל או להעתיק בכל צורה שהיא ללא קבלת אישור בכתב מד"ר משה רן Dr. Moshe Ran/תקשורת ניידת ותאית – פרק 3b

תוכנית הקורס פרק 1 פרק 2 פרק 3 מבוא למערכות תקשורת אלחוטיות: [3 שעות]  מבוא למערכות תקשורת אלחוטיות: [3 שעות] מערכות תקשורת להעברת מידע, מקור מידע אנלוגי, ספרתי. סכימת מערכת תקשורת ומרכיביה, מערכות תקשורת אנלוגיות מול ספרתיות – השוואה, סווג ערוצי תקשורת (קווי, אלחוטי), ספקטרום תדרים, ייצוג אותות בזמן ובתדר, יחידות. תהליכים וכווני התפתחות ברשתות גישה מהירה, מערכות תקשורת אלחוטיות – סקירה, סוגיית התדרים במערכות אלחוטיות. מערכות דור ראשון, דור שני, שלישי ורביעי בתקשורת ניידת תאית. מגמות עיקריות בהתפתחות מערכות אלחוטיות בפס רחב. פרק 2 עקרונות תכנון של מערכות תקשורת תאיות: [6 שעות] שימוש חוזר בתדרים (frequency-reuse) , הקצאת תדרים, מבוא לטכניקות העברת שליטה (handoff) , הפרעות , ACI ,CCI וקיבול מערכת, ריבוב סטטיסטי ומושג Erlang , GOS ומדדים לאכות שירות, שיטות להגדלת קיבול במערכות תאיות. דוגמאות מעשיות. פרק 3   מודלים להתפשטות גלים במערכות תאיות- Large Scale [9 שעות] מבוא להתפשטות גלי רדיו, מודל התפשטות בחלל חופשי, 3 מנגנוני יסוד בהתפשטות גלי רדיו: החזרה reflection)), דיפרקציה (diffraction), פיזור (scattering) , חיזוי הפסדי נתיב במודל עם קוו ראיה (LOS) , הפסדי נתיב במערכות ללא קוו ראיה (NLOS), מודלים מעשיים להתפשטות מחוץ לבניינים (outdoor) כולל cost231,Okumura, Hata Walfish and Bertoni תכנון מאזן ערוץ למערכת תאית בהתבסס על חיזוי הפסדי נתיב, קביעת אחוז כיסוי שטח , מודלים להתפשטות בתוך בנינים (Indoor), חדירה של אותות לתוך בנינים, Ray Tracing models  Dr. Moshe Ran / תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

תוכנית הקורס פרק 4 מודלים להתפשטות גלים במערכות תאיות- ) Small Scale 9 שעות) גורמים המשפיעים על מודלים לטווח קצר, מדידות של מודל החזרות (multipath), פרמטרים עקרוניים של ערוצים עם דעיכות והחזרות: רוחב סרט קוהרנטי – delay spread, זמן קוהרנטי- Doppler spread מודלים סטטיסטיים לערוצים עם דעיכות והפרעות, מודל Saleh and Valenzuela להתפשטות בתוך בנינים (Indoor), מודל SUI, מודל ITU-B פרק 5 טכניקות אפנון וגילוי למערכות תקשורת ניידות: (3 שעות) סוגי אפנון – ייצוג סכמתי לאותות מאופננים (אנלוגי, ספרתי), אפנון ליניארי: אפנון תנופה (AM), אפנון פס צד כפול DSB, אפנון פס צד יחיד SSB אפנון לא-לניארי: אפנון זווית (PM), אפנון תדר (FM). אפנוני פולסים: אפנון עוצמה PAM, אפנון משך PDM, אפנון מיקום PPM, אפנון תדר PFM, אפנון מקודד PCM, אפנון דפרנציאלי (Delta Modulation ) פרק 6 שיטות אפנון ספרתי ליניאריות נפוצות: BPSK, DPSK, QPSK, O-QPSK, שיטות אפנון ספרתי עם עוטפת קבועה: FSK, MSK, GMSK. שיטות אפנון מסדר גבוה: M-PSK, M-QAM, M-FSK. אפנון רב-טוני (OFDM). מבוא לשיטות מרחיבות סרט Spread-Spectrum Dr. Moshe Ran / תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

תוכנית הקורס פרק 7 טכניקות ריבוי גישה במערכות תקשורת אלחוטיות [6 שעות] מבוא לריבוי גישה (Multiple Access), שיטת ריבוי גישה בהתבסס על חלוקת תדר FDMA ריבוי גישה בחלוקת זמן TDMA, ריבוי גישה בטכניקות של הרחבת ספטרום FHMA ובשיטת CDMA, שיטות מודרניות לריבוי גישה OFDMA, MC-CDMA. השוואת ביצועים של שיטות ריבוי גישה. פרק 8 דוגמאות מסכמות (3 שעות) מאזן ערוץ (Link Budget), תכנון תאי. קיבול מול כיסוי במערכות תאיות. Dr. Moshe Ran / תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

פרק 3: מודלים להתפשטות גלים במערכות תאיות Large Scale Models מבוא: מאפייני ערוץ תקשורת במערכת תקשורת תאית, Large Scale vs. Small Scale Models חיזוי הפסדי נתיב במודל עם קוו ראיה (LOS) מודל Friis מושגי יסוד באנטנות ניתוח תופעות פיזיקליות של החזרות (reflection) עקיפה diffraction)), פיזור (scattering) הפסדי נתיב במערכות ללא קוו ראיה (NLOS) מודלים להתפשטות מחוץ לבניינים (outdoor) מודלים להתפשטות בתוך בנינים (Indoor) תכנון מאזן ערוץ למערכת תאית בהתבסס על חיזוי הפסדי נתיב והפרעות מתאים שכנים. Dr. Moshe Ran / תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

3. מנגנונים עיקריים בהתפשטות גלים NLOS החזרות (Reflections) : גל א.מ פוגע במשטח גדול בהרבה מאורך הגל שלו. דוגמאות: פני כדור הארץ, בנין גדול, הרים וכו'. עקיפה (Diffraction): גל א.מ. פוגע בעצמים עם פינות, מהם מתפזרים הגלים לכל הכוונים ועוקפים מכשולים. פיזור (Scattering): גל א.מ. פוגע בעצמים קטנים בגודל אורך גל ופחות (עלים, תמרורים, נורות) ומתפזר לכל הכוונים. Dr. Moshe Ran / תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

החזרות (Rreflections) כאשר גל א.מ פוגע במשטח מוליך "אידיאלי" כל הגל מוחזר. בכל המקרים הפרקטיים האות המוחזר תלוי בתכונות המשטחים מקדם דיאלקטרי (permittivity) – עד כמה החומר מצופף את קווי השדה החשמלי העובר דרכו הולכה מגנטית (permeability) - עד כמה מצופף החומר את קווי השדה המגנטי העובר דרכו הולכת זרם חשמלי (conductance) יחידות Siemens/m מהירות הגל הא.מ בתווך נקבעת ע"י אימפדנס אופייני של התווך בד"כ תלוי תדר (הקבועים האחרים אינם רגישים לתדר) עבור חומר דיאלקטרי חסר הפסדים (אידיאלי) עבור חומר דיאלקטרי הבולע קצת שדה חשמלי Dr. Moshe Ran / תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

תכונות אלקטרו-מגנטיות של חומרים Frequency [MHz] החומר 100 0.001 4 Poor Ground 0.005 15 Typical ground 0.02 25 Good ground 5 81 Sea Water 4000 4.44 Brick 27x10-6 Glass 10000 Dr. Moshe Ran / תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

(החזרות המשך) החזרות ניתן לתאר ע"י "חוק סנל" והתיחסות למרכיבי הגל (פרוק אורטוגונלי: קיטוב אופקי/אנכי או מעגלי ימני/שמאלי) הפוגע והחוזר: הגל הא.מ מקיים את משוואות התפשטות גלים של מקסוול + תנאי שפה הניקבעים ע"י ידי חוק סנל: זוית פגיעה = זוית החזרה שדה מוחזר ( v או h תלוי בקיטוב) = גורם החזרה כפול שדה פוגע Dr. Moshe Ran / תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

נפשט את הנוסחאות ונניח: משטח ראשון הוא , free-space (החזרות המשך) נפשט את הנוסחאות ונניח: משטח ראשון הוא , free-space מקדם דיאלקטרי של תווך שני שים לב: כאשר הזוית מקדם ההחזרה בערכו המוחלט יהיה 1 בלי תלות ב . כלומר, כדור הארץ מהווה משטח מחזיר אידיאלי כאשר זוית הפגיעה מתקרבת ל 0o Dr. Moshe Ran / תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

החזרות – זוית Brewster באיזו זוית אין כלל החזרה?! – כלומר הזוית עבורה מקדם החזרה מתאפס זוית Brewster מתקבלת כאשר היחסים הבאים בין החומרים הדיאלקטריים מתקיימים אם אזי דוגמא: לחומר שהמקדם הדיאלקטרי שלו היחסי הוא זוית Brewster היא Dr. Moshe Ran / תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

החזרות ממשטח מוליך אידיאלי גל א.מ אינו יכל לחדור "מוליך אידיאלי", ולכן כל הגל הא.מ מוחזר. על פני המוליך – השדה החשמלי מתאפס כדי לקיים את חוקי מקסוול, ולכן -השדה מוחזר שווה בגודלו לשדה הפוגע. בלי תלות בזוית הפגיעה מתקיים עבור קיטוב אנכי עבור קיטוב אופקי Dr. Moshe Ran / תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

מודל הפסדי נתיב עם שתי קרניים (2-ray) משדר מודל פיזיקלי המתחשב בהחזר בודד מהקרקע + מרכיב LOS מקלט בתאור הזה אורך מסלול LOS הוא אורך מסלול NLOS (קוו מרוסק) הוא הנחות לפישוט הדיון: החזרה מלאה הפרש בין מסלול LOS למסלול NLOS עוצמת שדה כוללת במקלט יחידות V/m הוא הסכום כמו כן – נסמן d0 מרחק יחוס מהמשדר (כיול מדידה) Dr. Moshe Ran / תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

מודל 2-ray : קרוב לערכי d גדולים בקירוב טוב - עוצמת שדה חשמלי במקלט וכאן הזוית מודדת את הפרש הפאזה בין NLOS למסלול LOS עבור ערכי d גדולים מתקיים שדה כולל נקלט במקלט תוך שימוש בקשר בין עוצמת שדה חשמלי נקלט להספק נקלט נקבל: ובצורה לוגריתמית: שים לב: הספק דועך לפי 1/d4 או 40dB/decade , ואין תלות באורך הגל (תדירות ג"נ) !! Dr. Moshe Ran / תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

מודל 2-ray : קרוב לערכי d קטנים (משטח מחזיר עם ) ביטוי לגל מתקדם E-field בתווך LOS d0 הוא מרחק ייחוס שני גלים מתקדמים מגיעים למקלט: מרכיב LOS שעובר מרחק מרכיב NLOS שעובר מרחק Dr. Moshe Ran / תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

מודל 2-ray : הערות הקרוב הנ"ל מניח הערך בו מתאים למרחק בו האדמה מופיעה בתחום Fresnel zone הראשון בין משדר למקלט. )ראה דיון בנושא פיזור Scattering ) Dr. Moshe Ran / תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

"עקיפה" Diffraction)) בזכות עקיפה גל א.מ יכל לעבור מכשולים ולהגיע למקלט הנמצא בתנאי NLOS קשים (shadowed) עקרון :Huygens מצפים שקרני אור המתפשטות בקווים ישרים יגיעו למחסום, וישאירו אזור אור, איזור חושך בצורה חדה... מתברר שיש אזור “soft dark” בו מופיע אור גם אחרי המחיצה. האור "מתעקם" ומאיר איזור מאחורי המחיצה. ככל ש האור מתעקם יותר DIFFRAC3.mov כאשר אור עובר דרך חריץ דק, האור מתפשט מן החריץ להרבה כוונים ומאיר שטח הרבה יותר גדול מהחריץ DIFFRACT.mov הסבר לתופעה: אור (כמו גל א.מ.) יש לו אופי גלי, הפגיעה בפינות חדות יוצרת "מקור חדש" ממנו מתפשטים גלי משנה לכל הכוונים. עוצמת השדה בתחום "החשוך" שאחרי המכשול – הוא סכום וקטורי של גלי המשנה. Dr. Moshe Ran / תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

גאומטריה של אזורי פר-נל Fresnel T R נניח משדר – מכשול - מקלט Knife-edge diffraction geometry הגל עם מסלול ארוך יותר כאשר עובר דרך הנקודה הגבוהה במכשול, לעומת מסלול באורך דרך המכשול בקו ישר. הפרש המסלולים הפרש הפאזה בין מסלולים הפרש הפאזה תלוי בגובה ובמיקום של המכשול, ובמרחקים עבור זויות קטנות ולכן מכאן, נוח לעבוד עם פרמטר חסר מימדים v המוגדר ע"י Fresnel-Kirchoff diffraction parameter Dr. Moshe Ran / תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

Diffraction loss ואזורי Fresnel אזורי Fresnel מיצגים תחומים מסביב למכשול בהם לגל המשני ( ז.א. הגל הנוצר מחדש לאחר פגיעה במכשול) יש מסלול כולל d’’ שהוא ארוך מהמסלול של LOS d’ בדיוק ב התחומים הנ"ל הם עיגולים ברדיוס מייצגים אזורי Fresnel . הסדרה הזוגית של n מייצגת אזורי התאבכות בונה לאות הנקלט ב Rx, האי-זוגית מייצגת התאבכות הורסת. אזור Fresnel 1 אזור Fresnel 2 Dr. Moshe Ran / תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

Diffraction loss ואזורי :Fresnel הערות הפסדי עקיפה diffraction loss נגרמים כאשר גלי המשנה מאזורי Fresnel לא מגיעים למקלט בשל עצם מפריע (shadowing). העוצמה הניקלטת היא סכום משוקלל של הקרניים שמצליחות להגיע מכל אזורי Fresnel שלא נחסמו. ההפסדים תלויים במיקום העצם המפריע - כמה שהוא קרוב למשדר או למקלט הם גדלים ההפסדים תלויים באורך הגל (תדר). כלל אצבע בתכנון מימסרי מיקרוגל ב LOS : לשמור על 55% מאזור פרנל הראשון נקי ממכשולים, ואז הפסדי עקיפה מינימליים וניתן להזניחם. Dr. Moshe Ran / תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

Diffraction loss ואזורי :Fresnel המשך Dr. Moshe Ran / תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

הפסדי נתיב בעזרת מודל Knife-edge T R נניח – מקלט בנקודה R משדר בנקודה T ומכשול נמצא ביניהם. במקרה הכללי של הרבה עצמים מפריעים – התאור המדויק מסובך. ניתן לקרב ע"י מציאת המכשול הכי מפריע ולחשב בעזרת Knife-edge את הניחות (diffraction loss). הגדרה: הגבר (ניחות) כתוצאה מדיפרקציה הוא היחס בין עוצמת שדה חשמלי Ed לרכיב השדה החשמלי שעבר Diffraction לרכיב השדה החשמלי בהנחת LOS תאורטי (ללא מכשול וללא החזרות מהקרקע). ניתן לקרב את האינטגרל ע"י ביטוי פשוט יותר כפונקציה של v , או להשתמש בגרף. Dr. Moshe Ran / תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

קרוב לאינטגרל diffraction loss Lee85]] בקרוב, הגבר בתלות בפרמטר הדיפרקציה Dr. Moshe Ran / תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

גרף לחישוב הפסדי דיפרקציה כפונקציה של מקדם הדיפרקציה Dr. Moshe Ran / תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

דוגמא לחישוב הפסדי דיפרקציה במודל knife-edge T R הנח מכשול בודד א. חשב את הפסדי הדיפרקציה ב. זהה את אזורי Fresnel בהם נמצא הקצה הגבוה של המכשול, מהם האזורים הנחסמים?! א) נחשב – את מקדם הדיפרקציה ע"י ב) הפרש המסלולים בין LOS למסלול העובר דרך קצה המכשול מכאן – הקצה חוסם את 3 אזורי Fresnel הראשונים Dr. Moshe Ran / תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

דוגמא לחישוב הפסדי דיפרקציה במודל knife-edge הנח כעת שגובה המכשול 0 וכל התנאים כמו קודם R T א. חשב את הפסדי הדיפרקציה ב. זהה את אזורי Fresnel בהם נמצא הקצה הגבוה של המכשול, מהם האזורים הנחסמים?! א) נחשב – את מקדם הדיפרקציה ע"י ב) הפרש המסלולים בין LOS למסלול העובר דרך קצה המכשול מכאן – הקצה נמצא במרכז אזור 1Fresnel . וההשפעה היא – ירידה של 6dB בהספק הנקלט לעומת LOS Dr. Moshe Ran / תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

מודל Multiple Knife-edge בשטח יש בד"כ יותר מאשר מכשול אחד – וצריך לחשב את האותות שעוברים "עקיפה" מס"ה המכשולים. מודל מקורב – לשקלל את כל המכשולים לאחד שקול ועליו לבצע את החישובים. Dr. Moshe Ran / תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

תופעת פיזור (scattering) מתברר שבפועל – העוצמה הניקלטת של האות גבוהה יותר מאשר החזוי לפי מודל המתחשב רק בהחזרות + דיפרקציה עצמים בגודל קטן מאורך הגל – מנורת רחוב, עלים – גורמים לפיזור האות הפוגע בכל הכוונים. חלק מהאנרגיה מגיע למקלט ומוסיף לעוצמת הקליטה. ידיעת מיקום העצמים – משפרת את דיוק חיזוי מודל הפיזור. משתמשים במודל מתורת המכ"מ – Radar Cross Section (RCS) כדי לתאר את האות המתפזר ולהעריך את תרומת הפיזור באות הניקלט Dr. Moshe Ran / תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

מודל RCS לתופעת הפיזור Dr. Moshe Ran / תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

תיקון מקדם החזרה – שקלול פיזור מידת החספוס (protuberance) של משטח עבור אורך גל נתון וזוית פגיעה מוגדר ע"י הגודל אם מתקיים המשטח חלק אם מתקיים המשטח קשה בקרוב למשטח חלק אין הפסדי פיזור, למשטח קשה – יש הפסדי פיזור אותם מתארים ע"י פקטור המשקלל את תרומת הפיזור להקטנת השדה החשמלי החוזר. Dr. Moshe Ran / תקשורת ניידת ותאית - פרק 3

מודל פיזור - המשך ביטוי מתמטי למקדם הפיזור: נניח גובה חספוס הוא משתנה אקראי גאוסי עם ממוצע ושונות . נניח זוית פגיעה וכן אורך גל מודל מדויק עם התאמה טובה יותר למדידות(Boithias87) Dr. Moshe Ran / תקשורת ניידת ותאית - פרק 3