Ραδιοκάλυψη σε κυψελωτά συστήματα κινητών επικοινωνιών με χρήση ηλεκτρομαγνητικών μεθόδων διάδοσης

Abstract

The subject of this thesis is the study, modeling and simulation of the radio-propagation in various wireless and mobile communications systems. In the beginning, an extensive study of all the propagation mechanisms of electromagnetic waves (EW), in the high frequency area, is presented, which is based on appropriate asymptotic methods of calculation. Then a radiocoverage simulation program in typical outdoor microcellular environments is developed. The extensive research during last years in this area of communications is the result of imperative necessity for efficient prediction tools that can provide accurate results both for the distribution of the electromagnetic power and its statistical variation in the entire coverage scene. These computing applications are essential for the estimation of the signal level sufficiency for satisfactory services of the required telecommunication connection as well as for the reduction of unwanted interpolations appeared at neighbouring cells operating at the same frequency. First, reference is made to the main characteristics and operation principles of the most widely used empirical and deterministic methods, previously published in the literature. For each proposed method we underline its approximations and the circumstances under which it can provide accurate results. Emphasis is given on the concepts of Physical Optics and the Physical Theory of Diffraction as they are applied to the proposed model for the calculation of the scattered and diffracted fields in the far-field area. Since in typical urban environments, the scattered near or Fresnel zone field occupies a large percentage of the study area, a new calculation method in the near and Fresnel zone field area is described. This methodology is based on the exact calculation of the terms introduced by the well- known theory of Physical Optics, using numerical integration methods. The calculation of the near-field terms’ contribution along with comparisons of the final results with already published data (either simulated or experimental) validate the importance of the inclusion of the near field components in the total received power. Furthermore, the algorithm of the simulation program for the two-dimensional (2-D) case is described analytically. This 2-D approach of the real three-dimensional (3-D) problem of urban electromagnetic (EM) wave propagation appears to be reasonably accurate in the case where both the transmitter and the receiver are well above the ground level and below the rooftop level. Emphasis is given on the geometrical and electrical modeling of the radio channel and the proposed shadowing algorithm. Moreover, the contribution of each propagation mechanism and the influence of the electromagnetic parameters of the emitted field to the total received power are examined. The produced radiocoverage diagrams are given in the form of distribution of power density, electric field strength and path loss factor and they are compared with the corresponding results based on different electromagnetic methods and published measurements. This comparison proves the efficiency and accuracy of the proposed simulation procedure. Since one of the most important problems of such simulation programs is the computing time, mainly due to the time-consuming routines of numerical integration in our model, a new acceleration method for the calculation of the scattered fields is introduced. This technique, called ‘Near to Far Field Transformation’ method, is based on the division of the scatterer into small cells. The incorporation of this method into the simulation code, by replacing the numerical integration functions, decreases drastically the simulation time and at the same time yields even more accurate results. In addition, we examined, for completeness, all the well-known far field diffraction methods, as well as their accuracy in the illuminated and shadow regions and their discontinuities at the transition boundaries. Finally, a new method for the calculation of the diffracted field in the near and Fresnel-zone field areas is introduced, which is based on the three-dimensional (3-D) Physical Theory of Diffraction and the division of the diffracted edges into an appropriate number of smaller segments.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί η μελέτη, μοντελοποίηση σε φυσικό επίπεδο και προσομοίωση της ραδιοδιάδοσης σε συστήματα ασυρμάτων και κινητών επικοινωνιών. Για την ανάλυση αυτή πραγματοποιείται αρχικά εκτενής μελέτη των μηχανισμών διάδοσης ηλεκτρομαγνητικών (Η/Μ) κυμάτων στην περιοχή των υψηλών συχνοτήτων με χρήση κατάλληλων ασυμπτωτικών μεθόδων υπολογισμού. Στη συνέχεια υλοποιείται πρόγραμμα προσομοίωσης της ραδιοκάλυψης σε τυπικά μικροκυψελωτά περιβάλλοντα εξωτερικών χώρων. Οι εκτεταμένες ερευνητικές προσπάθειες των τελευταίων ετών στον τομέα αυτό πηγάζουν από την επιτακτική ανάγκη ύπαρξης αποτελεσματικών υπολογιστικών εργαλείων πρόβλεψης τόσο της κατανομής της μέσης ηλεκτρομαγνητικής ισχύος, όσο και της στατιστικής συμπεριφοράς της, ώστε να μπορούν να εκτιμηθούν η επάρκεια της στάθμης ισχύος για την εξυπηρέτηση της ζητούμενης ζεύξης, καθώς και οι παρεμβολές που προκαλούνται σε ζεύξεις γειτονικών κυψελών που λειτουργούν στην ίδια συχνότητα. Αρχικά περιγράφονται συνοπτικά τα κύρια χαρακτηριστικά και οι αρχές λειτουργίας των εμπειρικών και θεωρητικών μεθόδων πρόβλεψης της διάδοσης σήματος στις ασύρματες ζεύξεις μικρής απόστασης και στα ασύρματα τοπικά δίκτυα που έχουν προταθεί κατά καιρούς στη διεθνή βιβλιογραφία. Για κάθε μεθοδολογία υπογραμμίζονται οι προσεγγίσεις και οι προϋποθέσεις αποτελεσματικής εφαρμογής της. Έμφαση δίνεται στις αρχές της Φυσικής Οπτικής (Physical Optics - PO) και της Φυσικής Θεωρίας της Περίθλασης (Physical Theory of Diffraction - PTD), που είναι και οι μεθοδολογίες που ακολουθούνται στο υπό ανάπτυξη μοντέλο ραδιοκάλυψης για τον υπολογισμό των σκεδαζόμενων και περιθλώμενων πεδίων στην περιοχή του μακρινού πεδίου. Ωστόσο, επειδή σε ένα τυπικό αστικό περιβάλλον λόγω των μεγάλων διαστάσεων των τοίχων των κτιρίων και των διάφορων άλλων εμποδίων που συνθέτουν το περιβάλλον διάδοσης, το σκεδαζόμενο πεδίο πρώτης και ανώτερης τάξης δεν ικανοποιεί τις συνθήκες μακρινού πεδίου στο μεγαλύτερο μέρος της περιοχής κάλυψης, προτείνεται μία μέθοδος υπολογισμού του πεδίου σκέδασης στην περιοχή του κοντινού πεδίου και της ζώνης Fresnel. Η μεθοδολογία αυτή στηρίζεται στον ακριβή υπολογισμό των όρων που εισάγει η θεωρία της Φυσικής Οπτικής με χρήση αριθμητικών μεθόδων ολοκλήρωσης. Ο υπολογισμός της συμβολής των όρων του κοντινού πεδίου και η σύγκριση με άλλες μεθόδους και πειραματικά αποτελέσματα, επιβεβαιώνουν τη σημαντικότητα ενσωμάτωσης της προτεινόμενης μεθόδου στον υπολογισμό του πεδίου λήψης, ιδιαίτερα κοντά στις ηλεκτρικά μεγάλες επιφάνειες των σκεδαστών, όπου δεν ισχύουν οι συνθήκες του μακρινού πεδίου. Στη συνέχεια περιγράφεται ο αλγόριθμος προσομοίωσης για την περίπτωση του δισδιάστατου προβλήματος, μια πρώτη ικανοποιητική προσέγγιση του πραγματικού τρισδιάστατου προβλήματος, με την προϋπόθεση ο σταθμός βάσης του μικροκυψελωτού συστήματος και ο δέκτης να βρίσκονται στο ίδιο περίπου ύψος και αρκετά χαμηλότερα από το επίπεδο οροφής των κτιρίων. Ιδιαίτερη αναφορά γίνεται στη μοντελοποίηση των γεωμετρικών και ηλεκτρικών παραμέτρων του περιβάλλοντος ραδιοδιάδοσης και στον προτεινόμενο αλγόριθμο εύρεσης των περιοχών σκίασης από πρωτογενείς και δευτερογενείς πηγές εκπομπής. Επιπροσθέτως, αξιολογείται η συμβολή των επιμέρους μηχανισμών διάδοσης στο συνολικά λαμβανόμενο πεδίο και εξετάζεται η επίδραση των ηλεκτρομαγνητικών παραμέτρων του πεδίου εκπομπής. Τα παραγόμενα διαγράμματα ραδιοκάλυψης δίνονται στη μορφή του πλάτους του λαμβανόμενου πεδίου, της πυκνότητας ισχύος και των απωλειών διαδρομής και συγκρίνονται με αντίστοιχα αποτελέσματα άλλων δημοσιευμένων προγραμμάτων ραδιοκάλυψης και πειραματικών μετρήσεων. Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα των προγραμμάτων προσομοίωσης της ραδιοκάλυψης σε σύνθετα αστικά περιβάλλοντα, είναι οι μεγάλοι χρόνοι υπολογισμού. Στο προτεινόμενο μοντέλο, η κύρια αιτία αύξησης του χρόνου προσομοίωσης είναι οι χρονοβόρες διαδικασίες της αριθμητικής ολοκλήρωσης. Για την επιτάχυνση της διαδικασίας, εισάγεται μία τεχνική υπολογισμού του σκεδαζόμενου πεδίου, η οποία βασίζεται στη διαίρεση του σκεδαστή σε μικρές κυψέλες (‘Near to Far Field Transformation’ method). H ενσωμάτωση της τεχνικής αυτής στο πρόγραμμα προσομοίωσης, βελτιώνει δραστικά τους χρόνους υπολογισμού, παρέχοντας μάλιστα επιπλέον βελτίωση στην ακρίβεια των αποτελεσμάτων. Ολοκληρώνοντας τη μελέτη των μηχανισμών διάδοσης για τις ανάγκες του προβλήματος της ραδιοκάλυψης, μελετώνται αναλυτικά όλες οι γνωστές μέθοδοι υπολογισμού του (μακρινού) πεδίου περίθλασης και εξετάζονται διεξοδικά η ακρίβεια τους στις φωτιζόμενες και σκιαζόμενες περιοχές, καθώς και τα προβλήματα ασυνεχειών στις περιοχές μετάβασης. Τέλος, εισάγεται μία μέθοδος υπολογισμού του πεδίου περίθλασης στις περιοχές του κοντινού πεδίου και της ζώνης Fresnel, που βασίζεται στην τρισδιάστατη Φυσική Θεωρία της Περίθλασης και στην υπέρθεση των συνεισφορών (κατάλληλα επιλεγμένου αριθμού) μικρότερων τομέων, στους οποίους διακριτοποιείται η περιθλώσα ακμή.