1. Gilat Abraham & Ram Reuveni Supervisor: Prof. Nathan Blaunstein
Ben-Gurion University of the Negev
Department of Communication Systems Engineering
Communication characteristic analysis of data signals propagating through troposphere layer
Gilat Abraham & Ram Reuveni
Supervisor: Prof. Nathan Blaunstein

2. Roadmap Problem Definitions Troposphere Layer Fading
Empiric Model of Atmospheric Turbulence Phenomena Description
Main Goal
Optical Model of channel
Information data stream main parameters
Analysis Results
במצגת זו נציג את הפרויקט שאנחנו עושים עם פרופסור נתן בלאונשטיין השנה, באופן הבא:
ראשית כל נגדיר את המוטיבציה לבעיה
אח"כ נסביר קצת על הרקע לבעיה, מהי שכבת הטרופוספרה, ואילו סוגי דעיכה קיימים בערוץ תקשורת אלחוטי
נמשיך לתיאור הטורבו לנציה בטרופוספרה, פירוט על המדדים שאיתם אנו מגדירים את אופי הערוץ, והאות העובר בערוץ.
בהמשך נגדיר את מטרת הפרויקט ונתאר את המודל המרכזי של הפרויקט – המתאר את הערוץ ע"י הפרמטר K, נראה איך מגיעים מפרמטר זה – אל האפיון של איכות המידע העובר בערוץ.
נסיים בניתוח כמה גרפים המתארים את הממצאים.
Communication characteristic analysis of data signals propagating through troposphere layer
Tuesday, May 15, 2018

3. Problem Definitions
To describe the relations between real natural phenomena at the troposphere, the parameters of the radio channel, and the parameters of the information data stream.
To obtain the types of fading through the K-factor, and its effects on the data stream parameters.
הגדרות הבעיה
תיאור הקשרים בין התופעות הפיסיות המתרחשת בטרופוספרה, הפרמטרים של ערוץ הרדיו והפרמטרים של אות המידע.
קבלת סוג הדעיכה מתוך פרמטר הדעיכה של רייס, K, ואת השפעותיה על איכות גל המידע המתואר על ידי הפרמטרים הבאים: א. קיבולת, מקסימום קצב מידע לשנייה, ב. יעילות ספקטראלית, ו-ג. יחס אות לשגיאה באות (BER).
Communication characteristic analysis of data signals propagating through troposphere layer
Tuesday, May 15, 2018

4. Troposphere Layer The lowest layer of the earth atmosphere .
The troposphere structure consists of :
Hydrometeors.
Atmospheric Turbulence.
טרופוספרה ואשר נמצאת בין גובה 10מטר לבין 20 ק"מ מעל פני הקרקע.
הידרומטרים הם חלקיקי מים או קרח שנוצרו באטמוספרה או על כדור הארץ כתוצאה של עיבוי, או סובלימציה. חלקיקי מים או קרח המועפים מהאדמה לתוך האטמוספרה גם הם נחשבים כהידרומטרים.משקעים ידועים הם גשם, ערפל, שלג, עננים, ברד, טל, כפור, קוניה, משבי שלג, ורסס.
טורבו-לנציה אטמוספרית היא מבנה כאוטי הנוצר על ידי תנועות אוויר חריגות בו הרוח משנה באופן אקראי את המהירות ואת הכיוון. טורבו לנציה חשובה מאחר שהיא מרעישה ומערבבת את האטמוספרה וגורמת לקיטור, עשן, או מרכיבים אחרים, כמו כן גם אנרגיה, כדי להיות מופץ בכל גובה.
במצגת זו – נציג את מה שרלוונטי להשפעות טורבולנציה – בהמשך הפרוייקט, נרחיב את הדיון להשפעות ההידרומטאורים
Communication characteristic analysis of data signals propagating through troposphere layer
Tuesday, May 15, 2018 4 4

5. Fading No Line Of Sight (LOS). Fast Fading - Rician
General case – exist two phenomena: LOS and multipath
K - Rician parameter of fading
Rayleigh
Bad condition – only multipath phenomena exists
K―›0
Slow Fading -
Gauss
Good Conditions - – only LOS or diffraction exists
K―›∞
כאשר אנו דנים במערכות תקשורת אלחוטיות, אנו דנים במקרה בו לא קיים מסלול רדיו עם LOS המשדר והמקלט, ובשל מכשולים טבעיים ומלאכותיים מתקיימות תופעות של שבירה פיזור ועקיפה.
אך – כאשר האות במקלט נמדד, נצפתה תופעה נוספת – עוצמת האות נחלשת גם בקו של הLOS.
לכן – מתייחסים לדעיכה בעוצמת האות כשתי תופעות נפרדות ובלתי תלויות, דעיכה איטית ודעיכה מהירה.
דעיכה מהירה – מתייחסת למקרים בהם יש מרכיב multipath, והכוונה למקרה שבו רוחב הפס של האות קטן מרוחב הפס של דופלר, והזמן הקוהרנטי של הערוץ גדול מהזמן הקוהרנטי של דופלר- המשמעות היא שהשפעת ההטיה של דופלר מורגשת.
בדעיכה מהירה – אנחנו מחלקים לשני מקרים – rician, המקרה הכללי בו יש גם מרכיב של LOS וגם multipath, וממנו גוזרים את פרמטר K שנדבר עליו בהמשך.
Reighly – תנאים גרועים, אין מרכיב LOS, וישנו רק מרכיב multipath- הפרמטר K שואף ל-0
בדעיכה איטית – מכייון שרוחב הפס גדול שזה של דופלר, התנאים טובים – ומרכיב הmutipath , אינו קיים – כאן K שואף לאינסוף.
Communication characteristic analysis of data signals propagating through troposphere layer
Tuesday, May 15, 2018 5 5

6. Empiric model of atmospheric turbulence phenomena description
Troposphere
Turbulence K
Scintillation index
Ricean parameter of fading
Atmospheric turbulence
Refractive Index Structure Parameter
Physical properties of the troposphere
טרופוספרה :
T – טמפרטורה הנמדדת בקלווין,p – לחץ , הנמדד בברים, p – צפיפות.כל הפרמטרים הנ"ל משתנים באופן משמעותי עם הגובה, עונות השנה, שינוי קוו הרוחב, ומזג האוויר במיוחד.
טורבולנציה אטמוספרית הוא מבנה כאוטי אשר נוצר משינויים רנדומאליים בטמפרטורה ובחוזק וכיוון הרוח בתווך ההתפשטות, אשר גורם לתנודות במקדם השבירה.
פרמטר מקדם השבירות של הטורבולנציה - מתאר את הכוח או החוזק של הטורבולנציה.ליד הקרקע ערכיו יותר קטנים וגודלים עם הגובה.
סנסילציה: (פרמטר של האות)
גל אשר עובר דרך מדיום רנדומאלי שכזה – יעבור שינווים תכופים בעוצמת הקרינה שלו – לשינויים שלו קוראים סנסילציות
והן נמדדות באופן הבא...כאשר I הוא מידת הקרינה הממוצעת לאורך זמן
כאשר מקדם הסנסילציה הוא פחות מאחד – ניתן להגדיר אותו לפי שונות רייטוב:
כאן Cn הוא הפרמטר המתאר את האנוים בערוץ, K הוא מספר הגל, ו x הוא אורך נתיב ההתפשטות בין המשדר והמקלט K:
פרמטר K מתאר את תופעת הדעיכה בnultipath אשר מתרחשת בתקשורת לווין-קרקע אשר עוברת בטרופוספרה.
החלק הקוהרנטי מתאר את המרכיב של האות אשר מגיע מ LOS, והחלק השני הוא סה"כ עוצמת האות המתקבלת במקלט.
Communication characteristic analysis of data signals propagating through troposphere layer
Tuesday, May 15, 2018 6 6

7. Main Goal
Analysis of the quality and communication characteristics of a radio signal, propagating through the troposphere layer, as a function of the channel natural phenomena influences and the K-Factor parameter.
ניתוח איכות התקשורת ומאפייני אות רדיו אלקטרומגנטי העובר דרך שכבת הטרופוספרה, כפונקציה של השפעות התופעות הפיסיות בתווך ופרמטר הדעיכה של רייס.
Communication characteristic analysis of data signals propagating through troposphere layer
Tuesday, May 15, 2018

8. Optical Model of Channel
Model Algorithm Block Scheme
בהתבסס על התופעות שתוארו בטרופוספרה, אשר מדידתם וביטויים הינם ניסיונית, אנו נראה כעת מודל אשר בעזרתו ניתן לחזות מראש את איכות אות הרדיו המתפשט דרך ערוץ לוויני בעל אפקט דעיכה, ולחשב פרמטרים מרכזיים של האות.
חישוב הפרמטרים הללו מתאפשר הודות למעבר מהצגת פרמטרים המאפיינים את הערוץ במונחים אופטיים ואנרגטיים, כדוגמת עוצמת האות, לאפיון והצגה של פרמטרים של האות במונחי (בתלות) ביחס אות לרעש.
הפרדת הערוץ הלוויני לתת ערוץ אטמוספרי ותת ערוץ קרקעי, גורמים לכך שמדידת פרמטרים של האות נעשית בתת ערוץ האטמוספרי בעזרת נתונים אמפיריים המתבססים על ניסויים ושערוכים, ובתת ערוץ הקרקעי לפי מודלים לחישוב עוצמת האות לאור הניחות הנגרם לו ובשל תנאי הקרקע, המבנים והמכשולים בתכסית כדה"א.
בעזרת המודל, ניתן לחשב את איכות ערוץ התקשורת לפי מידול מתמטי בהתבסס על התנאים הפיסיים בטרופוספרה.
** פרמטר הדעיכה של רייס – הסבר
Channel Capacity
Spectral Efficiency
Bit error rate

9. Information Data Stream Main Parameters
Channel Capacity
Mathematical description as function of K parameter
Maximal data stream rate in bits per second.
Classical approach:
Gaussian noise (additive) spectral density.
spectral density of multiplicative noise, additional source noise for dynamic satellite communication channels.
Channel Capacity:
קיבולת ערוץ:
קצב שידור הביטים המקסימאלי על גבי הערוץ.
לפי הגישה הראשונה, המתבססת על נוסחת שנון, הנוסחה לקיבולת ערוץ עם רעש לבן גאוסי אדיטיבי. במקרה זה רק הרעש הגאסוי נלקח בחשבון, עם צפיפות N0 ורוחב פס Bw.
ערוץ תקשורת קרקעי-לוויני הינו ערוץ multipath, עם דעיכה מהירה הנגרמים כתוצאה מאפקטי דופלר המתחרשים בשל מהירות תנועה גבוהה של הגופים והמכשולים בטרופוספרה.
לכן, יש להציג גישה מורחבת יותר, כך שתוכל להציג את קצב השידור המקסימלי, בה נלקח בחשבון בנוסף לרעש הגאסוי, קיים מקור רעש נוסף, הנקרא רעש מולטיפקטיבי.
הנוסחה המורחבת תקפה במקרים בהם רכיש ה-LOS גדול מרכיב ה-NLOS, כך שפרמטר K, המאפיין את תופעת הדעיכה, גדול מ-1.
אם נציב בביטוי לקיבולת את הביטוי לפרמטר הדעיכה של רייס, כיחס בין הרכיב הקוהרנטי לבין הרכיב הא-קוהרנטי, או, יחס אות לרעש multi, נוכל לקבל את הביטוי הבא, המייצג את קיבולת הערוץ, כפונקציה של פרמטר K, ויחס אות לרעש אדיטיבי.
Communication characteristic analysis of data signals propagating through troposphere layer
Tuesday, May 15, 2018 9 9

10. Information Data Stream Main Parameters
Spectral Efficiency
Maximum rate of information data stream normalized on the constant bandwidth, measured in bits/sec/Hz.
Spectral Efficiency:
Mathematical description as function of K parameter
Communication characteristic analysis of data signals propagating through troposphere layer
Tuesday, May 15, 2018 10 10

11. Information Data Stream Main Parameters
bit error rate (BER)
Mathematical description as function of K parameter
The rate of bit error inside the propagation link.
For BER in the percentage of bits that have errors relative to the total number of bits received at the receiver, classical approach is used:
הביטוי הכללי להצגת BER, כאשר p פונקציית צפיפות ההסתברות, PDF, לפי שלושה מקרים. התפלגויות הערוץ מתארות את הביטוי המתמטי של הדעיכה בערוץ, דרך הפרמטר K (פרמטר הדעיכה של רייס).
התפלגות רייס הינה המקרה הכללי, כאשר הפרמטר K מייצג את הדעיכה הנגרמת מהתפשטות multipath, בערוץ קרקעי – לוויני multipath.
כאשר K שואף ל-0, כלומר תנאי קו ראיה קשים מאד, ההתפלגות שנקבל תהיה ריילי, וכאשר K שואך לאינסוף, במצב של LOS כמעט מלא, ההתפלגות הינה גאוסית. בשני המקרים הללו, נעשה שימוש בביטוי הכללי של BER ולא בנוסחה שיא פונקציה של K.
Communication characteristic analysis of data signals propagating through troposphere layer
Tuesday, May 15, 2018 11 11

12. Rician Parameter of Fading versus Scintillation Index
Analysis Results
Rician Parameter of Fading versus Scintillation Index
ניתוח היחס בין פרמטר ה- Scintillation index לבין פרמטר הדעיכה של רייס, מאפשר למידה ישירה אודות הקשר בין התופעות הפיסיות בערוץ לבין סוג הדעיכה שמתקבל בערוץ.
ניתן לראות שככל שהשפעות הערוץ גדולות יותר, והתופעות בעלות השפעה רחבה יותר, הערך של פרמטר K קטן.
Communication characteristic analysis of data signals propagating through troposphere layer
Tuesday, May 15, 2018

13. Analysis Results (cont.)
Channel Capacity versus Parameter K
Spectral Efficiency versus Parameter K
באיור ניתן לראות את השינוי בקיבולת הערוף כפונקציה של הפרמטר K. בגרף מובאות שלוש עקומות, עבור שלושה ערכים של יחס האות לרעש (רעש אדיטיבי בלבד).
כצפוי, קיבולת הערוץ שואפת לגבול מסוים, המאפיין את הקצב המקסימאלי של ביטים בערוץ, עבור רוחב פס מוגדר.
נתון נוסף העולה מהגרף, הוא שככל שיחס האות לרעש גדול יותר, כך שהשפעת הרעש פחותה יותר, קיבולת הערוץ גדלה.
נשים לב שעבור ערכי K גדולים מאד, כאשר הערוץ מתפלג לפי פילוג גאוסי, כמעט ואין שינוי בערך של הקיבולת. השינויים המשמעותיים מתרחשים עבור ערכי K קטנים.
בהשוואה לגרף הקודם נראה שעבור ערכי K קטנים, הערוץ מתפלג לפי התפלגות ריילי, המתארת את היחס בין הרכיב הקוהרנטי לרכיב הא-קוהרנטי בעוצמת האות.
Communication characteristic analysis of data signals propagating through troposphere layer
Tuesday, May 15, 2018

14. Analysis Results (cont.)
BER by channel distribution versus SNR 3 4 1 2
ניתוח היחס בין פרמטר ה – BER לבין יחס אות לרעש, עבור טווחים שונים של K, המתאימים להתפלגויות שונות של האות:
כאשר K הוא בטווח האופייני להתפלגות Rician , נראה שככל שה-SNR גדל, אחוזי השגיאה ביחס של ביו/שנ'/הר' קטנים.
כאשר פרמטר הדעיכה גדל, כל קטן אחוז השגיאה.
כאשר K הוא בטווח האופייני להתפלגות Gauos , ושואף לאינסוף ניתן לראות שהשינוי באחוז השגיאה ביחס לרעש הינו מתון יותר, ובעל ערך התחלתי קטן מאשר בהתפלגות רייס. 5 1 2 3 4 5
Communication characteristic analysis of data signals propagating through troposphere layer
Tuesday, May 15, 2018

15. Analysis Results (cont.)
Rician channel distribution BER versus Parameter K
ניתוח היחס בין פרמטר ה – BER לבין פרמטר K, עבור יחסי אות לרעש שונים, כאשר K הוא בטווח האופייני להתפלגות Rician , ניתן לראות שככל ש K גדול יותר, אחוזי השגיאה קטנים בערוץ.
בנוסף, הגרף מתאר שלושה מצבים שונים רעש בגל הנושא את אות המידע. כפי שניתן לצפות, ככל שיחס האות לרעש גדל, כך גם אחוזי השגיאה קטנים. ניתן לשים לב- כבר באיור הזה, ויותר בבירור בגרף בהמשך, שהפערים מצטמצמים ככל שהיחס אות לרעש גדל.
Communication characteristic analysis of data signals propagating through troposphere layer
Tuesday, May 15, 2018

16. Future Work
The same computations should be perform for MIMO system consisting multiple input and multiple output antennas.
Take into account effects of hydrometeors.
Compare results with experimental data obtained during the recent decade.
אותם חישובים צריכים להעשות ב MIMO
צריך להחשיב גם השפעות הידרומטאורים
השוואת התוצאות שקיבלתנו מול תוצאות שנמדדו בחלל בעשור האחרון
Communication characteristic analysis of data signals propagating through troposphere layer
Tuesday, May 15, 2018