Modelle zur Ausbreitung elektromagnetischer Wellen. Gütter/Rechnernetzpraxis

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1 Modelle zur Ausbreitung elektromagnetischer Wellen 1

2 Elektromagnetische Wellen [1] Frequenzbereich Wellenlängenbereich Hz 30 km 300 µm Ausbreitung mit Lichtgeschwindigkeit cvakuum = km/s Zusammenhang c=λ*f λ : Wellenlänge, f: Frequenz Erzeugung durch offene Schwingkreise (Antennen) 2

3 Elektromagnetische Wellen [2] Ausbreitung in der Athmosphäre Re fl ek lie rte W ell e Ionosphäre Raumwelle Bodenwelle Sendeantenne R n xio e l f e Empfangsantenne Erdboden 3

4 Elektromagnetische Wellen [3] Wellenlänge km Band Eigenschaften, wellenlängenabhängig VLF very low frequency mit 10 1 km LF low frequency kürzerer Wellenlänge (höherer Frequenz) m MF medium frequency m HF high frequency 10 1 m VHF very high frequency cm UHF ultra high frequency 10 1 cm SHF super high frequency Schatten bei Hindernissen in der Größenordnung der Wellenlänge und kleiner (im EHF sogar Regen, Nebel, ) 10 1 mm EHF extremely high frequency Überhorizontverbindung durch Beugung, Streuung und Reflexion Infrarotstrahlung Störungen durch Resonanzen mit Molekülen (Wasserdampf, ) um immer lichtähnlichere Eigenschaften steigende Bedeutung der Raum- gegenüber der Bodenwelle ab UHF Ausbreitung strahlenförmig, 4

5 Effekte bei Funkausbreitung 5

6 Radio wave propagation models Berechnung der Ausbreitungseigenschaften elektromagnetischer Wellen als Funktion der Frequenz des Abstandes zwischen Sender und Empfänger geometrischer Rahmenbedingungen elektromagnetischer Störeinflüsse konstruktiver Eigenschaften, z.b. Sendeleistung, Antennenformen, Schwerpunkt: Berechnung des Pfadverlustes (Dämpfung der Leistungsdichte auf dem Weg Sender Empfänger) Zielstellung Unterstützung der Entwicklung neuer Funktechnologien Unterstützung der Planung von Funknetzen Vorhersage für Versorgungsbereiche mit akzeptabler Empfangsqualität Optimierung der Senderstandorte, Sendeleistungen und Frequenzbereiche 6

7 Modellierung Genauigkeit Exakte Berechnungen auf Basis der Maxwellschen Gleichungen extrem schwierig für nichttriviale Modelle (Rechenaufwand) Veränderungen der Umgebung haben u.u. erheblichen Einfluß, (z.b. Errichtung eines Gebäudes in einer Stadt Funkschatten) deshalb Rechenergebnisse nur temporär gültig Sinnvolles Vorgehen: Math. Modell gegenüber Realität vereinfachen Validierung der Modelle durch Messungen bei typischen Einsatzfällen Sicherheitsreserven einplanen Klassifizierung der Modelle empirisch deterministisch semiempirisch erfahrungsbasiert, ohne Berücksichtigung der Umgebung, Modelle einfach und ungenau aufwendige, relativ genaue Methoden mit Umweltberücksichtigung feldtheoretische bzw. strahlenoptische Modelle Mischform, Umweltberücksichtigung in vereinfachter Form 7

8 Deterministische Modelle theorie-basiert, u.u. sehr rechenaufwendig feldtheoretische Modelle Lösung elektromagnetischer Gleichungen (extrem schwierig) strahlenoptische Modelle Berechnung von optischen Strahlen -Verläufen vom Sender zum Empfänger und der zugehörigen Energieverluste (Standardmethode) Berücksichtigung von gegebener Geometrie, Reflexionen, Brechungen, falls f < 10 GHz auch von Strahlenbeugungen (empirische Modelle berücksichtigen nur Dämpfungen) Vorteile höhere Genauigkeit als empirische Modelle, insbesondere realistischere Ergebnisse für hohe Frequenzen geringerer Rechenaufwand als feldtheoretische Modelle 2 Ansätze Ray Tracing und Ray Launching 8

9 Ray Launching vs. Ray Tracing ray launching ray tracing von einem Quellpunkt werden in alle Richtungen (isotrop) die Strahlenverläufe und die (evtl.) resultierende Empfangsenergie berechnet vom Empfangspunkt werden rückwärts die möglichen Strahlenverläufe zum Sender ermittelt und danach die Energieverluste berechnet 9

10 Ray Launching (RL) Sender emittiert n gleichmäßig über 3600 verteilte sog. Zentralstrahlen, die jeweils ein Bündel von Einzelstrahlen repräsentieren und eine Strahlenröhre mit einem Öffnungswinkel 3600/n darstellen Algorithmus Startwinkel einstellen Zyklus: Berechnen Strahlverlauf und zugehörige Dämpfung Signalstärke am Empfänger wird durch Addition der Signalstärken der den Empfangspunkt berührenden Strahlröhren berechnet Winkelerhöhung Abbruch nach Berechnung aller Strahlen bei kleinen Winkelinkrementen Genauigkeit, aber auch Rechenaufwand hoch Verwerfen von Strahlen, die unter Signalstärke-Schwellwert fallen Verwerfen von Strahlen, die das betrachtete (Teil-)Gebiet verlassen Begrenzung der Interaktionsanzahl (Reflexionen, ) Beispiele für RL Modelle: 2D Urban Pico Model und CORLA 10

11 Ray Tracing (RT) Ähnlich Berechnungsverfahren für Lichtverteilung in Computergrafik Algorithmus Für jeden interessierenden Empfangspunkt werden alle möglichen Strahlenpfade zur Strahlenquelle ermittelt. Dabei werden Reflexionen, Streuung, berücksichtigt. Danach erfolgt für jeden ermittelten Strahlenpfad vom Sender ausgehend die Berechnung der Signaldämpfung. Die Signalstärke am Empfänger wird durch Addition der Signalstärken der den Empfangspunkt berührenden Strahlen berechnet. liefert hochauflösende Prognose der Empfangsfeldstärke, hohe Rechenzeit. --> Begrenzung der Interaktionsanzahl (Reflexionen, ) pro Strahl. z.b. Verwerfen Strahlen mit mehr als 10 Interaktionen Beispiele für RT-Modelle: Diffracting Screens Model 3D Urban Micro Model (AWE Communications). 11

12 isotroper Kugelstrahler Kugeloberfläche 4πR2 Antennenapertur (wirksame Empfangsfläche) λ2 A= 4π Freiraumdämpfung (free space path loss) für Leistungsdichte F= PT 4π = 4π R 2 2 PR λ 4 *π * R = λ 2 12

13 Richtfaktor und Antennengewinn Richtantennnen strahlen die Energie ungleichmäßig ab Hauptkeule typische Richtantenne (Yagi) für WLAN IEEE Rückwärtskeule Nebenkeulen Richtfaktor = Sendeleistung im Verhältnis zum Kugelstrahler Gewinn = Wirkungsgrad * Richtfaktor 13

14 Empfangsfeldstärke Received Signal Strength Indicator (RSSI) PR = PT GT GR (λ / 4π R )2 PR PT GT GR λ R Leistung Empfänger Leistung Sender Gewinn Sendeantenne Gewinn Empfangsantenne Wellenlänge Distanz Sender-Empfänger 14

15 Link budget Leistungsbilanz auf dem Weg vom Sender zum Empfänger GT GR LT LR Transmitter PT Receiver PTI PRI PR L PT PTI PRI PR gesendete Leistung abgestrahlte Leistung aufgenommene Leistung empfangene Leistung LT GT GR LR L Verlust Sendeleitung, Gewinn Sendeantenne Gewinn Empfangsantenne Verlust Empfangsleitung, Pfadverlust PT LT + GT - L + GR LR = PR Berechnung der Leistungsbilanz durch Addition der Logarithmen der Verluste/Gewinne Maßeinheit: db 15

16 Pfadverlust (path loss) L = 10 lg( PTI / PRI ) db Signaldämpfung (attenuation), wegen Ausbreitung im Raum (space propagation) Freiraumdämpfung, Wechselwirkung mit Luftmolekülen, Wasser, Streuung (scattering) Reflexion (reflexion) und Brechung (refraction) Beugung (diffraction) Pfadverlust für Freiraumdämpfung 2 LFS 4π R f R = 10 * lg = 32, lg + 20 lg db λ Mhz km 16

17 Antennentechnik isotroper Kugelstrahler, Punktstrahler, nur von theoretischem Interesse lineare Antennen, z.b. λ/2-dipol Flächenantennen, z.b. Reflektorantennen Omnidirektionale Antennen Öffnungswinkel von 360 auf der horizontalen Ebene (horizontaler Rundstrahler) Sendekeule auf vertikaler Ebene gestaucht, beispielsweise auf 80. horizontale Reichweitensteigerung, Antennengewinn meist 2 5 db Patch Antennen horizontaler und vertikaler Öffnungswinkel von 80 bis 65 Reichweitensteigerung bis zu 100%, Antennengewinn meist 4 10 db Yagi Antennen Parabolantennen Richtfunk Antennen hoher Gewinn, Richtfunkstrecken mit hoher Reichweite 17

18 Elektromagnetische Wellen Dämpfung durch Atmosphäre Wasser gleiche Resonanzfrequenz wie WLAN 2,4 GHz??? Zimmerpflanzen Zitat: 18

19 Elektromagnetische Wellen Dämpfung in Luft durch Resonanz Druck 1 bar, 293 0K, Sauerstoff, Wasserdampfdichte (7,5 g/m3) Zitat: Prof.Dr. Wendel, fh-oow 19

20 Elektromagnetische Wellen Dämpfung durch Regen Zitat: Prof.Dr. Wendel, fh-oow 20

21 Funk-Ausbreitungsmodelle: Algorithmenklassifizierung Funk-Ausbreitungsmodelle Empirisch Semi-empirisch Strahlen-optisch FreiraumDämpfung Multi Wall Lineare Dämpfung COST 231 WI Feld-theoretisch Ray Tracing Ray Launching Dominant Path Prediction COST 231 HATA Enhanced Multi Wall 21

22 Plane Earth Modell deterministisches Ausbreitungsmodell mit Berücksichtigung der Erdoberflächenreflexion Sendeantenne S1 hb S2 Empfangsantenne hm R Strahl S1 breitet sich aus mit Freiraumdämpfung Strahl S2 stärker gedämpft, wegen Reflexionsverlust und längerem Weg Energiedichte darf nicht einfach addiert werden! Interferenz wegen Zeitverschiebung, u.u. sogar (fast) Auslöschung bei Verschiebung um λ/2 22

23 Plane Earth Modell - Pfadverlust bei f=900 MHz, hm= 1,5m, hb= 30m genäherter Pfadverlust [db] ~ 1/R4-50 Umkehrpunkt bei R = 4 hm * hb / λ Interferenzbereich Entfernung [m] Pfadverlust für hm, hb << R LPEL R h h = 40 lg 20 lg m 20 lg b db m m m 23

24 Plane Earth Modell Praxistauglichkeit Faustregel: Verdopplung der Antennenhöhe Verdoppelung der Entfernung Messungen: Energiedichte fällt ab mit p ~ 1/Rx mit x= dB Gewinn 12dB Verlust bei plane earth Modell x=4 in Stadtgebieten geringer, z.b x = 3,2 L = 32lg(R/m) + Grund: Bodenbeschaffenheit reduktiert Einfluß der reflektierten Welle Plane Earth Modell nach Egli mit Korrektur für Frequenzeinfluß LPEL f R h h = 40 lg + 20 lg 20 lg m 20 lg b db m 40 Mhz m m Beurteilung der Relevanz der Modelle ist sehr schwierig 24

25 Einteilung in Sendeversorgungsgebiete Interferenzen bei Mehrwegeausbreitung und beim Senden mehrerer Stationen auf gleicher Frequenz Einteilung in Sendegebiete (Zellen) mit gleicher Sendefrequenz Frequenzplanung Nachbarzellen mit unterschiedlichen Frequenzen Begrenzung der Sendeleistung auf Versorgungsgebiet (plus Sicherheitsreserve in Nachbarzellen) Bezeichnung Gebiet Antennenposition Picozelle innerhalb von Gebäuden bis ca. 100 m mittlere Etagenhöhe Mikrozelle außerhalb von Gebäuden 20 1km unter mittlerer Dachhöhe Kleinzelle Häuseransammlung 0,5 3km mittlere Gebäudehöhe Makrozelle Häuseransammlung 1 30 km über höchstem Gebäude global Weltraum 25

26 Okumura-Hata Modell [1] empirisches Modell zur Berechnung des Pfadverlustes in Makrozellen Frequenzbereich Sendeantennenhöhe Empfangsantennenhöhe Abstand Sender-Empfänger Messungen Tokio, MHz m 1 10 m 1 10 km Pfadverlust [dbm] Abstand [m] Meßwerteanpassung an verschiedene Vorhersagebereiche rural open area rural quasi open area suburban area urban area offene Gebiete, keine Bäume und Gebäude leichte Bebauung mittlere Bebauung starke Bebauung 26

27 Okumura-Hata Modell [2] hm h0 hb R dm f Höhe Empfängerantenne [m] typische Gebäudehöhe [m] Höhe Sendeantenne [m] Abstand Antenne - Empfänger [km] Abstand Empfänger Gebäude [m] Sendefrequenz [MHz] hb h0 hm R dm 27

28 Okumura-Hata Modell [3] Formelanpassung je nach Bereichstyp urban area LdB = A + B*log10 R E suburban area LdB = A + B*log10 R C open arealdb = A + B*log10 R D A = 69, ,16 log10 f 13,82 log10 hb B = 44,9 6,55 log10 hb C = 2 * ( log10 (f /28 ))2 + 5,4 D = 4,78 * (log10 f)2 + 18,33 log10 f + 40,94 E = 3,2 * (log10 (11,7554 hm))2 4,97 für große Städte, f >= 300MHz = 8,29 * (log10 (1,54 hm))2 1,1 für große Städte, f < 300MHz = (1,1 log10 f 0,7 )*hm (1,56 log10 f 0,8 ) für mittlere bis kleine Städte 28

29 COST 231-Hata Modell 1999 Erweiterung des Okumura-Hata Modells für mittlere bis kleine Städte für Frequenzbereich Mhz LdB = F + B*log10 R E + G mit F = 46,3 + 33,9 log10 f 13,82 log10 hb G= 0 db mittlere Städte und suburbane Bereiche 3 db Großstädte Genauigkeit der empirischen Ausbreitungsmodelle Okumura-Hata und COST 231-Hata Normal Fehler 5 7 db Sonderfälle Fehler 15 db und mehr 29

30 Ikegami Modell [1] deterministisches Modell zur Berechnung des Pfadverlustes in Kleinzellen d hba se hroof hm w Berücksichtigung Gebäudehöhen, Straßenbreiten Antennenhöhen und Abstand Abschattungen 2 Strahlwege Einfachbeugung und reflexion Einfallwinkel φ 30

31 Ikegami Modell [2] w hroof hm hbase d f φ Straßenbreite [m] typische Gebäudehöhe [m] Höhe Empfängerantenne [m] Höhe Sendeantenne [m] Abstand Antenne - Empfänger [km] Sendefrequenz [MHz] Horizontaler Einfallwinkel Lr Reflexionsverlust??? d??? 0.25 L 3 f h0 hm w ( ) = 10 lg + 10 lg sin φ + 20 lg 10 lg 10 lg ,8 db Lr Mhz m m Das Ikekami-Modell unterschätzt den Pfadverlust bei hohen Distanzen und den Frequenzeinfluß empirische Ergänzungen erforderlich 31

32 COST 231-Walfisch-Ikegami Modell [1] semiempirisches Modell zur Berechnung des Pfadverlustes in Kleinzellen 2 Teilmodelle Sichtverbindung keine Sichtverbindung LOS NLOS (line of sight) (non line of sight) Pfadverlust für LOS LLOS = 42,6 + 26*lg d/km + 20lg f /MHz d 32

33 COST 231-Walfisch-Ikegami Modell [2] Pfadverlust für NLOS hroof b typische Gebäudehöhe [m] Gebäudeabstand w Straßenbreite [m], etwa b/2 hm hbase d f φ Höhe Empfängerantenne [m] Höhe Sendeantenne [m] Abstand Antenne - Empfänger [km] Sendefrequenz [MHz] Horizontaler Einfallwinkel m 1 3m 4 50 m 0,02 5 km MHz φ d hbase hroof hm b w 33

34 COST 231-Walfisch-Ikegami Modell [3] NLOS (non line of sight) LNLOS = LFS + Lrts (wr, f, hm, Φ ) + LMSD ( hbase, hbase, d, f, b ) free space loss roof-to-street loss multi diffraction loss LFS = 32, log10 d + 20 log10 f Lrts = -8,8 + 10log10 f + 20log10 ( hm) 10 log10 w + Lori street orientation function hm = hroof hm Lori = ,35 Φ 0 <= Φ < 35 2,5 + 0,075 ( Φ 35 ) 35 <= Φ < 55 4,0 0,114 ( Φ 55 ) 55 <= Φ < 90 34

35 COST 231-Walfish-Ikegami Modell [4] LMSD = Lbsh + ka + kd log10 d + kf log10 f 9 log10 b hbase = hbase hroof Lbsh = ka = -18 log10 ( 1 + hbase ) hbase > hroof 0 hbase <= hroof 54 hbase > hroof hbase d >= 0,5 km, hbase <= hroof hbase *2 d kd = d < 0,5 km, hbase <= hroof 18 hbase > hroof hbase / hroof hbase <= hroof 0,7 ( f / ) kf = ( f / ) medium sized city metropolitan center 35

36 Dual Slope Modell empirisches Modell zur Berechnung des Pfadverlustes in Mikrozellen Einfaches Pfadverlustmodell mit 2 Steigungen n1 bzw. n2 und einem Umkehrpunkt Rb L= 10n1 lg R + L1 R <= Rb 10n2 lg ( R/ Rb ) + 10n1 lg rb + L1 R > Rb oft genähert in der Form L = L1 + 10n1 lg R + 10 ( n2 n1) lg (1 + R/Rb) L1 Rb n1 = 2 und n2 = 4 Referenz-Pfadverlust für R = 1m, meist ca. 100 m oft große empirische Abweichungen z.b. 20 db 36

37 Two Ray Modell deterministisches Modell zur Berechnung des Pfadverlustes in Mikrozellen für LOS (line of sight) Modell ähnelt dem plane earth Modell, aber Strahlenwege nicht annähernd gleich Sendeantenne R1 R2 hb Empfangsantenne hm 2 e jkr1 e jkr2 4π L= + R r1 r1 λ 2 R = Fresnel reflection coefficient 37

38 Wall and Floor Factor Modell empirisches Modell zur Berechnung des Pfadverlustes in Gebäuden (Pikozellen) Einfaches Pfadverlustmodell berücksichtigt entlang einer geraden Linie Freiraumdämpfung plus Dämpfung an Wänden und Geschoßdecken keine Berücksichtigung von Reflexionen, Beugungen, Streuungen, z.b. Strahldämpfung an 1, 2 oder 3 Wänden L= L1 + 20lg R + nf af + nw aw af aw L1 Dämpfung pro Geschoß Dämpfung pro Wand Referenzpfadverlust für R = 1m 38

39 Multi Wall Model LMWM = L0 + 10γ log d + LMWM d L0 γ M Li M i= 1 Li Multi Wall Dämpfung [db] Entfernung zwischen Sender und Empfänger [m] Referenzdämpfung in 1m Entfernung [db] Verlustfaktor Anzahl der Wände zw. Sender und Empfänger Verlust durch i-te Wand Vorteile der Wall-Modelle + Lineare Komplexität O(N) + Akzeptable Genauigkeit + geeignet auch für kombinierte (indoor + outdoor) Szenarien 39

40 ITU-R - Wall and Floor Factor Modell Ähnlicher Ansatz Floor-Verluste werden berücksichtigt Wandverluste werden implizit berücksichtigt (Anpassungen der Parameter) LT = 20log10 (fc /MHz) + 10n lg (R/m) + Lf ( nf ) 28 40

41 Wall and floor factor models ITU-R models cont. 41

42 COST 231 LOS-Modell [1] Semi-empirisches Modell zur Berechnung des Pfadverlustes in Gebäuden (Pikozellen) Pfadverlust LT = LF + Le + Lg (1-cos θ)2 + max(l1, L2) ri θ re LF Le Lg Li α nw Freiraumdämpfung für gesamte Strahllänge (ri + re) Pfadverlust durch Außenwand bei senkrechtem Einfall ( θ = 0 ) Pfadverlust durch Außenwand bei streifendem Einfall ( θ = 90 ) Pfadverlust durch Innenwände Dämpfung für hindernisfreien hausinternen Weg Anzahl der passierten Innenwände L1= nwli L2 = α(ri 2)(1-cos θ )2 42

43 COST231 - LOS [2] Parameter Material Dämpfung ca. Le bzw. Li [db/m] Holzwand 4 Beton mit nichtmetallischen Fenstern 7 Beton Lg [db] 20 α [db/m] 0,6 43

44 Erweitertes Multi Wall Model Multi Wall Model mit Sekundärstrahl Erweiterung des MWM um eine Reflexion Berücksichtigung von Streuungen (Scattering, statisch implementiert) Erhöhte Genauigkeit 44

45 Dominant Path Prediction Model (DPP) Entwickelt durch Universität Stuttgart und AWE Communications GmbH Beobachtung: 95% der empfangenen Energie wird über durchschnittlich 3 Ausbreitungswege übertragen dominante Strahlen Suche nach dominanten Interaktionen mit der Umwelt Indoor: Reflexionen Outdoor: Diffraktionen Ergebnisse ähnlich zu anderen strahlenoptischen Modellen, der erforderliche Rechenaufwand ist deutlich geringer 45

46 Dominant Path Prediction Model (DPP) Allgemeines Vorgehen (Outdoor) 1. Schritt: Berechnung des Corner Tree (Gebäude-Ecken) Bestimmung konvexer Ecken Sender ist Wurzel des Baumes Alle Ecken mit Sichtverbindung (LOS) zum Sender bilden erste Ebene des Baumes 2. Ebene wird durch Ecken mit Sichtverbindung zu Ecken der 1. Ebene gebildet, Empfänger ist Blatt des Baumes Äste vom Sender zum Empfänger beschreiben dominante Pfade 2. Schritt: Berechnung d. Dämpfung I.d.R. existieren mehrere Pfade Pfad mit geringster Dämpfung ist relevant 46

47 Übersicht Ausbreitungsmodelle Model/Algorithm Description Model and parameters Category Complexity Free Space (FS) Supported networks All, i/o E, no consideration of obstacles M=M(d,F,L), L=a/RF² P O(N) Link Budget (LB) All, i/o Determines signal power and data rates P O(N) Multi Wall Model (MWM) WLAN, i COST Walfish-Ikegami Model WiMAX, o M=M(PRx, PTx, L), DR=DR(PRx) SE, regards for attenuation by walls (material and M=M(d,f,Material,SL) thickness) SE, regards for mean building heights and building M=M(d,f,b,w,HTx, HRx,hr,a,S) separation F=0.8-2GHz, d<5km LOS visualization All, i/o RO, regards for walls and buildings P, in part D O(N) Extended Site Finder Algorithm (ESFA) All, i/o AP/BS placement on the basis of signal power, M=M(PRx,Geometry, Nap) greedy heuristics (add/drop) DR=DR(PRx) P O(N²) LOS Site Finder (LOS SF) WiMAX, o P, V O(N) Digital Height Map Model + Clearance/Downtilt (DHM) WiMAX, o P O(N) Multi Color Ink Spot Algorithm (MCISA) WLAN, i RO, AP/BS placement on the basis of LOS M=M(d,PRx,DR) coverage RO, calculates the heights of sender and receiver M=M(f,d(x,y),HTx, downtilt) on the basis of digital height maps, regards the 1st Fresnel zone E; Regards for room layout, number of users; M=M(Nap, d, DR, Nuser) calculates data rates and signal power V, FM O(Nuser Nap) Ray Tracing (RT) All, i/o M=M(d) P, in part D O(N) P, D O(N) RO, regards environment using single rays; M=M(d, f, tree, material) P, D O(exp(N)) high complexity (NP-hard) Ray Launching -RL All, i/o RO, regards environment using ray bundles; M=M(d, f, tree, material) P, D O(exp(N)) high complexity (NP-hard) Dominant Path Prediction (DPP) WiMAX, o RO; regards for buildings and multiple M=M(d,f,tree) P, D < O(exp(N)) interactions; considers 2-3 most important rays reduced complexity compared to RT/RL methods i indoor, o outdoor, d distance between sender and receiver, f frequency, SL cutting length ray-to-wall, b distance between buildings, w width of the street, HTx transmitter height, HRx receiver height, hr building height, a cutting angle ray-to-roof edge, S city type, tree tree representation of dominant paths, Tx transmitter, Rx receiver, PTx transmitter power, PRx receiver power, R cell radius, Nap number of access points, Nuser number of users, k number of cells in the cluster, N general wireless node quantity, D diffraction, P propagation of EM waves, E empirical, SE semi empirical, FM frequency management, RO ray optical, L user load distribution, V visualization 47

48 Adaptiver Modellauswahl-Algorithmus Individual models are not suitable for all scenarios Automatic selection reasonable Model Properties Okumura Hata Entfernung: 20 km Frequenz: up to 1 GHz Walfish Ikegami Entfernung: 5 km Frequenz: 0,8 2 GHz Urban Pico (AWE RL) Entfernung: 100 m Frequenz: 600 MHz 60 GHz Urban Micro (AWE RT) Entfernung: 2 km Frequenz: 300 MHz 3 GHz Parabolic Equation Method (AWE) Entfernung: 2000 km Frequenz: 300 KHz 30 GHz 48

49 Adaptiver Modellauswahl-Algorithmus Estimation of the most suitable model for a given scenario Input parameters: Frequency, Geometry/Geography, Topology, Heights, Sources of interference, User Areas Output of significance parameters Stochastic estimation based on boundary values 49

50 Adaptiver Modellauswahl-Algorithmus Bewertung der Modelle basierend auf einem Entscheidungsbaum Betrachtet werden Eigenschaften des Szenarios sowie der genutzten Funkstandards Z.B.: Wandkonstellation, Höhenunterschiede, Empfangsbereiche, Abschattungseffekte, Homogenität des Szenarios, verwendete Frequenzbänder Gewichtungswerte für die Bewertung können nur empirisch bestimmt werden 50

51 Adaptiver Modellauswahl-Algorithmus 51

52 Software zur Planung drahtloser Netzwerke Ekahau Site Survey ( Unterstützung für Site surveys, Berechnungen mittels Ausbreitungsmodell; Visualisieurung und Auswertung der Ergebnisse Funkabdeckung kann halbautomatisch mittels Laptop gemessen werden RF3D WiFi Planner ( WLAN Modellierung mittels Ausbreitungsmodell; Visualisierung und Auswertung der Ergebnisse Wimap 4G ( WiMAX Planungswerkzeug Verschiedene Ausbreitungsmodelle CANDY Site Finder ( Verschiedene Ausbretungsmodelle für WLAN und WiMAX Unterstützt Geometrie-Import aus IFCXML Geeignet für Indoor- und Outdoor-Szenarien 52

53 Ekahau Site Survey 53

54 Wimap 4G ITU-R P Model 54

55 CANDY Site Finder 1. Geometrie-Beschreibung aus IFCXML importieren 2. Umwandlung in NDML 3. Automatischer Vorschlag für Platzierung von Access Points 4. Analyse der Funkabdeckung mittels Ausbreitungsmodellen und verschiedenen Visualisierungsmöglichkeiten 5. Optimierung der Access Point Anordnung 55

56 References [1] S. Saunders, Antennas and Propagation for Wireless Communication Systems, Wiley, 2000, 409 p. [2] R. Vaughan, J. Bach Andersen, Channels, Propagation and Antennas for Mobile Communications, IEE, 2003, 753 p. [3] H. Bertoni, Radio Propagation for Modern Wireless Systems, Prentice Hall, 2000, 258 p. [4] K. Siwiak, Radiowave Propagation and Antennas for Personal Communications, Artech House, 1998, 418 p. [5] COST231, final report, [6] W. Backman, Error Correction on Predicted Signal levels in Mobile Communications, master thesis, [7] J. Rissanen, Dynamic resource reallocation in cellular networks, master thesis, [8] A. Medeisis, A.Kajackas, On the Use of the Universal Okumura-Hata Propagation Prediction Model in Rural Areas, IEEE Vehicular Technology Conference Proceeding, Vol. 3, May 2000, pp

57 Literatur Tanenbaum, A.S.: Computernetzwerke; Prentice Hall, Upper Saddle River, 1998 Lipinski, K.: Lexikon der Datenkommunikation; MITP-Verlag GmbH, Bonn, 1998 Comer, E.D.: Internetworking with TCP/IP; Precentice Hall, 1988 Schiller, J.: Mobilkommunikation, Techniken für das allgegenwärtige Internet; Addison-Wesley, 2000 Kraiss, K.F., Schmitt, M.: Praktikum Multimedia-Techniken, WS 87/98; RWTH, 1997 Cossier, D.: Electron Commerce; Microsoft Corp,

58 Effekte bei Funkausbreitung Material 2,4 GHz Dämpfung [db] 5 GHz Dämpfung [db] Leichtbeton (11,5 cm) Lehmziegel (11,5 cm) Kalksandsteinziegel (24 cm) 9,5 23 Stahlbeton (16 cm) Ton-Dachziegel (1,3 cm)

59 COST231 - LOS [2] Parameter Material Dämpfung ca. Le bzw. Li [db/m] Holzwand 4 Beton mit nichtmetallischen Fenstern 7 Beton Lg [db] 20 α [db/m] 0,6 Material 2,4 GHz Dämpfung [db] 5 GHz Dämpfung [db] Leichtbeton (11,5 cm) Lehmziegel (11,5 cm) Kalksandsteinziegel (24 cm) 9,5 23 Stahlbeton (16 cm) Ton-Dachziegel (1,3 cm)