Propagarea semnalelor prin mediul radio

Propagarea semnalelor prin mediul radio

            In mediul radio exista numeroase cauze care provoaca alterarea semnalului la parcurgerea drumului intre sursa si destinatie. Efectul diversilor factori de mediu asupra calitatii semnalului receptionat presupune, pentru un studiu detaliat, un aparat matematic relativ pretentios, pe care nu-1 vom prezenta. Ne propunem sa evidentiem principalii factori ce influenteaza propagarea semnalelor in mediul radio, punctand, acolo unde nu este prea complicat, dependentele teoretice ale diferitilor parametri ai semnalului receptionat de diversi parametri de mediu. In sistemele mobile de telecomunicatii, una din problemele esentiale o constituie fenomenele aparute ca urmare a propagarii semnalelor in mediu liber. Astfel, semnalul receptionat de un mobil (sau statie de baza) cuprinde o componenta datorata propagari i directe intre emitator si receptor, precum si o suma de componente provenite din reflexii, refractii proprii topologiei mediului (cladiri, sol, vegetatie etc.). Retinem ca in marea majoritate a situatiilor nu ex

ista o cale directa de receptie, de unde si suprapunerea peste semnalul emis a unor componente datorate reflexiilor.

            O prima clasificare distinge trei categorii de distorsiuni in mediu radio:

- distorsiuni de frecventa (efectul Doppler datorat miscarii mobilelor);

- distorsiuni de amplitudine (cauzate de ceea ce literatura de specialitate numeste fading Rayleigh);

- distorsiuni de faza (are loc dispersia timpilor de propagare cauzata de propagarea pe cai multiple).

            O alta clasificare a factorilor ce afecteaza calitatea semnalului transmis pe mediul radio identifica printre acestia:

            a) distanta emitator-receptor - la propagarea semnalului prin mediu radio, acesta este ate-nuat proportional cu inversul patratului distantei emitator-receptor.

           

            Intre puterea emisa, cea receptionata si distanta emitator-receptor exista relatia:

   (1.1)

unde: P_R = puterea receptionata; P_T = puterea transmisa; G_T G_R= castigurile la transmisie/receptie;

d = distanta emitator-receptor; l = c/f(f= frecventa semnalului, l - lungimea de unda a semnalului).

              Din (1.1) se obtine imediat:

   (1.2)

            Relatia (1.2) arata clar ca pentru aceeasi parametri  si , raportul este proportional cu 1/, de unde se poate deduce ca, prin cresterea frecventei de lucru a sistemului, va scadea atenuarea datorata propagarii in mediul radio. Acesta este unul din motivele pentru care noile sisteme mobile sunt proiectate sa lucreze intr-o gama de frecvente cat mai ridicata;

            b) Reflexiile datorate unor suprafete precum apa, solul etc. In acest caz, semnalul receptio-nat va avea cel putin doua componente: o componenta directa si o componenta obtinuta prin reflexie. In general, a doua componenta nu este in faza cu prima, ceea ce conduce la distorsiuni ale semnalului receptionat.

            Un model foarte simplu de studiu al acestui tip de reflexii este prezentat in figura 2.

Fig. 2. Modelul simplificat de calcul al efectului reflexiilor la propagarea prin mediu radio

            In ([WY93]) se demonstreaza ca:   (1.3)

            Pentru  rad, din (1.3), cu aproximarea sin x » x, cos x » 1, pentru x «1 se obtine

   (1.4)

            Relatia (1.4) descrie influenta parametrilor h si d asupra raportului atunci cand se iau in calcul reflexiile. Se observa imediat dependenta raportului de 1/d⁴, comparativ cu dependenta de l/d², in cazul in care nu se considera si reflexiile. Aceasta ne arata ca, in cazul considerarii efectului dat de reflexii, pe distante mari, atenuarea semnalului devine mult mai pronuntata;

           

            c) Absorbtiile atmosferice: datorate oxigenului, apei din atmosfera etc.;

            d) Efecte de umbrire: in calea semnalului intre statia de baza si mobil, respectiv intre mobil si statia de baza, pot exista obstacole ca vegetatie, cladiri etc., obstacole ce vor produce o atenuare suplimentara a semnalului;

                        e) Difractii multiple: datorate denivelarilor de teren.

            Efectele enumerate anterior produc o asa numita atenuare (fading) pe arii largi a semnalelor in mediul radio. Aceasta are ca rezultat o valoare medie a semnalului receptionat (medie spatiala efectuata pe un interval de cateva zeci de lungimi de unda a semnalului), sau altfel spus, valoarea semnalului receptionat se mediaza in spatiu pe o distanta de cateva zeci de lungimi de unda, mai mica decat cea a semnalului emis. Dintre factorii care produc atenuare locala (adica pe lungimi spatiale de cateva lungimi de unda ale semnalului) amintim:

            f)  Caile multiple de propagare;

            g) Viteza mobilului: fadin

g datorat efectului Doppler. Acest efect se manifesta printr-o deviatie a frecventei semnalului receptionat fata de semnalul emis, data de relatia:

   (1.5)

unde: v = viteza mobilului; f = frecventa semnalului; c = viteza luminii; a = unghiul intre directia emitator-receptor si directia de deplasare a mobilului.

            In figura 3 se prezinta schematic parametrii ce caracterizeaza fadingul datorat efectului Doppler.

Fig. 3. Parametrii caracteristici fading-ului datorat efectului Doppler

            h) Inexistenta unei cai directe de propagare mobil « statie de baza- fading Rayleigh.

            In concluzie, atenuarile pe arii largi sunt observabile pe o raza de cateva zeci de lungimi de unda in jurul mobilului, pe cand atenuarea locala este observabila in zona unde este localizat mobilul (implicit ea se va modifica la deplasarea mobilului).

                      1. Modelul teoretic simplificat al atenuarii canalului radio

Se poate aproxima atenuarea canalului radio printr-un model format din trei componente:

   (1.6)                                              unde:

       = atenuare datorata distantei emitator-receptor (atenuare introdusa de mediul radio);

       = atenuarea datorata efectului de mascare (nu exista o cale directa de propagare intre emitator si receptor);

       = atenuare datorata propagarii pe trasee multiple.

            Raportul este dat de relatia:    (1.7)

unde: f = frecventa semnalului; r = distanta emitator-receptor; a,b = constante.

 este un factor constant in timp, dar depinde de distanta emitator-receptor si de banda de frecventa in care functioneaza sistemul. Uzual aI[2, 4] si b = 2. A2 si A3 se pot modela probabilistic (A2 dupa o lege logaritmica si A3 dupa o lege Rayleigh).

                   2. Interferente pe canale radio

            Alaturi de cauzele ce produc alterarea semnalului radio la receptie, mai apar si interferentele (suprapunerile) semnalului util cu alte semnale radio. Interferentele pe canalele radio se pot clasifica in mai multe categorii:

- interferente independente de sistemul mobil - sunt cauzate de zgomotul termic si zgomotul extern (de exemplu zgomote parazite urbane si industriale);

- interferente de canal identic (co-channel). Sunt interferente care apar datorita faptului ca doi utilizatori mobili, situati in puncte diferite ale sistemului emit pe o aceeasi frecventa;

-interferente de canal adiacent (adiacent channel). Sunt interferente care apar atunci cand utilizatori diferiti utilizeaza intr-o aceeasi arie geografica, canale radio adiacente in spectru.

            Se poate scrie :

P_R=P_T+interferente+zgomot de fond ;     P_R= C+I+NW

            unde:

N = valoarea medie a componentei de zgomot; W = banda de frecvente a componentei de zgomot; P_R = puterea receptionata; P_r = puterea transmisa; I = nivelul interferentelor.

            In sistemele mobile, pentru evaluarea claritatii semnalului si a nivelului semnalelor perturbatoare se foloseste ca referinta raportul C/I.