Ausbreitung elektromagnetischer Wellen. Gütter/Rechnernetzpraxis 1

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1 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen Gütter/Rechnernetzpraxis 1

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

3 Elektromagnetische Wellen [2] Ausbreitung in der Athmosphäre Ionosphäre Raumwelle Bodenwelle Sendeantenne Empfangsantenne Erdboden Gütter/Rechnernetzpraxis 3

4 Elektromagnetische Wellen [3] Wellenlänge Band Eigenschaften, wellenlängenabhängig km 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 10 1 mm EHF extremely high frequency um Infrarotstrahlung immer lichtähnlichere Eigenschaften steigende Bedeutung der Raum- gegenüber der Bodenwelle ab UHF Ausbreitung strahlenförmig, Schatten bei Hindernissen in der Größenordnung der Wellenlänge und kleiner (im EHF sogar Regen, Nebel, ) Überhorizontverbindung durch Beugung, Streuung und Reflexion Störungen durch Resonanzen mit Molekülen (Wasserdampf, ) Gütter/Rechnernetzpraxis 4

5 Effekte bei Funkausbreitung Gütter/Rechnernetzpraxis 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 Gütter/Rechnernetzpraxis 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 Gütter/Rechnernetzpraxis 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 Gütter/Rechnernetzpraxis 8

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

10 Ray Launching (RL) Sender emittiert n gleichmäßig über verteilte sog. Zentralstrahlen, die jeweils ein Bündel von Einzelstrahlen repräsentieren und eine Strahlenröhre mit einem Öffnungswinkel /n darstellen Algorithmus Startwinkel einstellen Zyklus: Berechnen Strahlverlauf und zugehörige Dämpfung Winkelerhöhung Abbruch nach Berechnung aller Strahlen Signalstärke am Empfänger wird berechnet durch Addition der Signalstärken der den Empfangspunkt berührenden Strahlröhren 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 Gütter/Rechnernetzpraxis 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). Gütter/Rechnernetzpraxis 11

12 isotroper Kugelstrahler Kugeloberfläche 4πR 2 Antennenapertur (wirksame Empfangsfläche) 2 λ A = 4π Freiraumdämpfung (free space path loss) für Leistungsdichte F PT = = 4π R P R π λ 4* π * R = λ 2 Gütter/Rechnernetzpraxis 12

13 Richtfaktor und Antennengewinn Richtantennnen strahlen die Energie ungleichmäßig ab typische Richtantenne (Yagi) für WLAN IEEE Hauptkeule Rückwärtskeule Nebenkeulen Richtfaktor Gewinn [dbi] = Sendeleistung im Verhältnis zum Kugelstrahler = 10 * lg (Richtfaktor) Gütter/Rechnernetzpraxis 13

14 EIRP (Effective Isotropic Radiated Power) Reglementierung der Sendeleistungen erforderlich Begrenzung der Sendereichweite Strahlenschutz Reglementiert wird nicht die Leistung der Antenne sondern die Leistung in der stärksten Abstrahlungsrichtung. Sendeleistung EIRP [ dbm] = 10lg + mw Gewinn dbi z.b. λ/2-dipol mit Gewinn = 2,15 dbi Begrenzung EIRP = 20 dbm (100 mw) max. Sendeleistung = 17,85 dbm Gütter/Rechnernetzpraxis 14

15 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 Gütter/Rechnernetzpraxis 15

16 Link budget Leistungsbilanz auf dem Weg vom Sender zum Empfänger G T G R L T L R Transmitter Receiver P T P TI P RI P R P T P TI gesendete Leistung abgestrahlte Leistung aufgenommene Leistung empfangene Leistung L P RI L T G T G R L R L P R Verlust Sendeleitung, Gewinn Sendeantenne Gewinn Empfangsantenne Verlust Empfangsleitung, Pfadverlust L PT L T + L GT - L + L GR L R = L PR Berechnung der Leistungsbilanz durch Addition der Logarithmen der Verluste/Gewinne Maßeinheit: db Gütter/Rechnernetzpraxis 16

17 Pfadverlust (path loss) L db = 10 lg ( / ) P TI P RI 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 L FS db = 10*lg 2 4πR λ = 32, lg f Mhz + 20lg R km Gütter/Rechnernetzpraxis 17

18 Elektromagnetische Wellen Dämpfungseinflüsse Pfadverlust = Pfadverlust-Freiraum (Vakuum) + athmosphärische Dämpfung (Wasser, Sauerstoff, ) + Polarisationsdämpfung (Polarisationsebenenänderung) + Ausrichtungsdämpfung (evtl. falsche Antennenausrichtung) - Antennengewinn + (Hindernisse) Praktische Berechnung des Pfadverlustes im Freiraum L/dB = 32, lg (f/mhz) + 20 lg (R/km) Abschätzung der des atmosphärischen Dämpfung (Wasser, Sauerstoff, ) + bei mäßigem Regen bei 2,4 GHz ca. 0,01 db/km ( + 0,003 db/km ) bei 10,5 GHz ca. 0,02 db/km ( + 0,3 db/km ) bei 22 GHz Problemzone wegen Resonanzfrequenz H 2 0 Gütter/Rechnernetzpraxis 18

19 ITU-R Modell für Dämpfung in Luft Gütter/Rechnernetzpraxis 19

20 Dämpfung durch Regen Alain DELRIEU: Meeting for World Radiocommunication Conference 2007, Bangkok Dämpfung [db/km] f/ghz Gütter/Rechnernetzpraxis 20

21 Dämpfungseinflüsse/Beispiel Beispiel: Berechnung des Pfadverlustes Luftausbreitung, starker Regen Frequenz 10 GHz Reichweite 5 km Pfadverlust durch Freiraumdämpfung 126,4 db = 32, *lg(10000) + 20*lg(5) Pfadverlust durch atmosphärische Dämpfung und starken Regen 25,1 db = 5km*0,02dB/km + 5km*5dB/km L 150dB Gütter/Rechnernetzpraxis 21

22 Fresnelzone Große Sendeentfernungen Streuungseffekte Ausbildung von Fresnelzonen (Ellipsoide) in 1. Fresnelzone Konzentration der Hauptsendeenergie Durchdringung problematisch (Erdkrümmung berücksichtigen!) evtl. höhere Antennen erforderlich Durchdringung 2. Zone unproblematisch (evtl. sogar Verstärkung für 1. Zone) d b b = 0,5* λ *d hmin = b + 2 d 8* R Wellenlänge Erdradius Gütter/Rechnernetzpraxis 22

23 Funk-Ausbreitungsmodelle: Algorithmenklassifizierung Funk-Ausbreitungsmodelle Empirisch Semi-empirisch Strahlen-optisch Feld-theoretisch Freiraum- Dämpfung COST 231 HATA Multi Wall COST 231 WI Enhanced Multi Wall Ray Tracing Ray Launching Dominant Path Prediction Gütter/Rechnernetzpraxis 23

24 Plane Earth Modell deterministisches Ausbreitungsmodell mit Berücksichtigung der Erdoberflächenreflexion S1 h b S2 Sendeantenne Empfangsantenne h m d 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 Gütter/Rechnernetzpraxis 24

25 Plane Earth Modell - Pfadverlust bei f=900 MHz, h m = 1,5m, h b = 30m genäherter Pfadverlust [db] -50 ~ 1/d 4 Umkehrpunkt bei R = 4 h m * h b / λ Interferenzbereich Entfernung [m] Pfadverlust für h m, h b << R L db PEL = 40lg d m hm 20lg m hb 20lg m Gütter/Rechnernetzpraxis 25

26 Plane Earth Modell Praxistauglichkeit Faustregel: Verdopplung der Antennenhöhe 6dB Gewinn Verdoppelung der Entfernung 12dB Verlust Messungen: Energiedichte fällt ab mit p ~ 1/d x mit x= bei plane earth Modell x = 4 in Stadtgebieten geringer, z.b x = 3,2 L = 32lg(d/m) + Grund: Bodenbeschaffenheit reduktiert Einfluß der reflektierten Welle Plane Earth Modell nach Egli mit Korrektur für Frequenzeinfluß L db PEL = 40lg d m + 20lg 40 f Mhz hm 20lg m hb 20lg m Beurteilung der Relevanz der Modelle ist sehr schwierig Gütter/Rechnernetzpraxis 26

27 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 Gütter/Rechnernetzpraxis 27

28 Okumura-Hata Modell [1] empirisches Modell zur Berechnung des Pfadverlustes in Makrozellen Frequenzbereich Sendeantennenhöhe Empfangsantennenhöhe Abstand Sender-Empfänger MHz m 1 10 m 1 20 km Messungen Tokio, 1968 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 Gütter/Rechnernetzpraxis 28

29 Okumura-Hata Modell [2] h m h b d f Höhe Empfängerantenne [m] Höhe Sendeantenne [m] Abstand Antenne - Empfänger [km] Sendefrequenz [MHz] h b h m d Gütter/Rechnernetzpraxis 29

30 Okumura-Hata Modell [3] Formelanpassung je nach Bereichstyp urban area suburban area open area L db = A + B*log 10 d E L db = A + B*log 10 d C L db = A + B*log 10 d D A = 69, ,16 log 10 f 13,82 log 10 h b B = 44,9 6,55 log 10 h b C = 2 * ( log 10 (f /28 )) 2 + 5,4 D = 4,78 * (log 10 f) ,33 log 10 f + 40,94 E = 3,2 * (log 10 (11,7554 h m )) 2 4,97 für große Städte, f >= 300MHz = 8,29 * (log 10 (1,54 h m )) 2 1,1 für große Städte, f < 300MHz = (1,1 log 10 f 0,7 )*h m (1,56 log10 f 0,8 ) für mittlere bis kleine Städte Gütter/Rechnernetzpraxis 30

31 COST 231-Hata Modell 1999 Erweiterung des Okumura-Hata Modells für mittlere bis kleine Städte für Frequenzbereich Mhz mit L db = F + B*log 10 d E + G F = 46,3 + 33,9 log 10 f 13,82 log 10 h b 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 Gütter/Rechnernetzpraxis 31

32 Ikegami Modell [1] deterministisches Modell zur Berechnung des Pfadverlustes in Kleinzellen h Base h m Berücksichtigung w Straßenbreiten Antennenhöhen Abschattungen 2 Strahlwege (Einfachbeugung und reflexion) Einfallwinkel φ Gütter/Rechnernetzpraxis 32

33 Ikegami Modell [2] w h m h Base f φ Straßenbreite [m] Höhe Empfängerantenne [m] Höhe Sendeantenne [m] Sendefrequenz [MHz] Horizontaler Einfallwinkel L r Reflexionsverlust 0.25 L db f h h w 3 = 10lg + 10lg + 2 Mhz m m Lr Base m ( sinφ) + 20lg 10lg 10lg 1 5, 8 Das Ikekami-Modell unterschätzt den Pfadverlust bei hohen Distanzen und den Frequenzeinfluß empirische Ergänzungen erforderlich Gütter/Rechnernetzpraxis 33

34 COST 231-Walfisch-Ikegami Modell [1] semiempirisches Modell zur Berechnung des Pfadverlustes in Kleinzellen 2 Teilmodelle Sichtverbindung LOS (line of sight) keine Sichtverbindung NLOS (non line of sight) Pfadverlust für LOS L LOS db = 42,6 + 26lg d km + 20lg f MHz d Gütter/Rechnernetzpraxis 34

35 COST 231-Walfisch-Ikegami Modell [2] Pfadverlust für NLOS h Roof typische Gebäudehöhe [m] b Gebäudeabstand m w Straßenbreite [m], etwa b/2 h m Höhe Empfängerantenne [m] 1 3 m h Base Höhe Sendeantenne [m] 4 50 m d Abstand Antenne - Empfänger [km] 0,02 5 km f Sendefrequenz [MHz] MHz φ Horizontaler Einfallwinkel φ d h Base h Roof b h m w Gütter/Rechnernetzpraxis 35

36 COST 231-Walfisch-Ikegami Modell [3] NLOS (non line of sight) L NLOS = L FS + L rts (w, f, h Roof, h m, Φ ) + L MSD (h Roof, h Base, d, f, b ) L FS db free space loss = 32, lg d km + roof-to-street loss 20lg f MHz multi diffraction loss Lrts db f + MHz h Roof m = 8,8 + 10lg 20lg 10lg m h w + L m ori street orientation function ,35 Φ 0 <= Φ < 35 L ori = 2,5 + 0,075 ( Φ 35 ) 35 <= Φ < 55 4,0 0,114 ( Φ 55 ) 55 <= Φ < 90 Gütter/Rechnernetzpraxis 36

37 COST 231-Walfish-Ikegami Modell [4] L db MSD = L bsh + k a + k d lg d km + k f lg f MHz 9lg b m L bsh = -18 lg (1 + h Base h Roof ) h Base > h Roof 0 h Base <= h Roof h in [m] f in [MHz] 54 h Base > h Roof k a = (h Base h Roof ) d >= 0,5 km, h Base <= h Roof 54 1,6* d* (h Base h Roof ) d < 0,5 km, h Base <= h Roof k d = k f = h Base > h Roof *h Base / h Roof h Base <= h Roof 0,7 ( f / ) medium sized city 1.5 ( f / ) metropolitan center Gütter/Rechnernetzpraxis 37

38 Dual Slope Modell empirisches Modell zur Berechnung des Pfadverlustes in Mikrozellen Einfaches Pfadverlustmodell mit 2 Steigungen n 1 bzw. n 2 und einem Umkehrpunkt d b L = 10n 1 lg d + L 1 10n 2 lg ( d / d b ) + 10n 1 lg d b + L 1 d <= d b d > d b oft genähert in der Form L = L n 1 lg d + 10 ( n 2 n 1 ) lg (1 + d / d b ) L 1 Referenz-Pfadverlust für d = 1m, z.b. 20 db d b meist ca. 100 m n 1 = 2 und n 2 = 4 oft große empirische Abweichungen Gütter/Rechnernetzpraxis 38

39 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 R 1 h b R 2 Sendeantenne Empfangsantenne h m L 2 4π = λ e r jkr R e r jkr R = Fresnel reflection coefficient Gütter/Rechnernetzpraxis 39

40 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= L lg d + n f a f + n w a w a f a w L 1 Dämpfung pro Geschoß Dämpfung pro Wand Referenzpfadverlust für d = 1m Gütter/Rechnernetzpraxis 40

41 Multi Wall Model semiempirisches Modell zur Berechnung des Pfadverlustes in Gebäuden (Pikozellen) L = L0 + 10γ logd + MWM L i i= 1 M L MWM d L 0 γ M L i 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 Gütter/Rechnernetzpraxis 41

42 ITU-R - Wall and Floor Factor Modell Ähnlicher Ansatz Floor-Verluste werden berücksichtigt Wandverluste werden implizit berücksichtigt (Anpassungen der Parameter) L T = 20log 10 (f c /MHz) + 10n lg (d/m) + L f ( n f ) 28 Gütter/Rechnernetzpraxis 42

43 Wall and floor factor models ITU-R models cont. Gütter/Rechnernetzpraxis 43

44 COST 231 LOS-Modell [1] Semi-empirisches Modell zur Berechnung des Pfadverlustes in Gebäuden (Pikozellen) Pfadverlust L T = L F + L e + L g (1-cos θ) 2 + max(l 1, L 2 ) r i θ r e L F Freiraumdämpfung für gesamte Strahllänge (r i + r e ) L e Pfadverlust durch Außenwand bei senkrechtem Einfall ( θ = 0 ) L g Pfadverlust durch Außenwand bei streifendem Einfall ( θ = 90 ) L i Pfadverlust durch Innenwände α Dämpfung für hindernisfreien hausinternen Weg Anzahl der passierten Innenwände n w L 1 = n w L i L 2 = α(r i 2)(1-cos θ ) 2 Gütter/Rechnernetzpraxis 44

45 COST231 - LOS [2] Parameter Material Dämpfung ca. L e bzw. L i [db/m] Holzwand 4 Beton mit nichtmetallischen 7 Fenstern Beton L g [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) 3 8 Gütter/Rechnernetzpraxis 45

46 Erweitertes Multi Wall Modell genaueres Modell mit Berücksichtigung von Streuungen (statisch implementiert) und Einfach-Reflexionen Gütter/Rechnernetzpraxis 46

47 Dominant Path Prediction Model (DPP) entwickelt durch Universität Stuttgart und AWE Communications GmbH Beobachtung: 95% der Empfangsenergie wird über nur 3 Ausbreitungswege übertragen dominante Strahlen Ergebnisse bei geringerem Rechenaufwand vergleichbar mit anderen strahlenoptischen Modellen Gütter/Rechnernetzpraxis 47

48 DPP 2 Etappen: Berechnung Corner Tree / Dämpfung dominante Strahlen bilden sich durch Reflexion (Indoor) bzw. Beugung (Outdoor) Weg: Direktweg (LOS) bzw. über konkave Ecken Aufbau Corner Tree Bestimmung konvexer Ecken Sender bildet Wurzel des Baumes Ecken mit Sichtverbindung zum Sender bilden 1. Baumebene 2. Ebene: Ecken mit Sichtverbindung zu Ecken der 1. Ebene 3. Ebene: Empfänger ist Blatt des Baumes Äste vom Sender zum Empfänger beschreiben dominante Pfade Berechnung der Dämpfungen entlang der Pfade des Corner Tree Berücksichtigung von (max.) 3 Pfaden mit geringster Dämpfung Gütter/Rechnernetzpraxis 48

49 DPP indoor Aufbau des Corner Tree 3 E S S Layer Layer E Layer 3 E E 2 Layer 4 E E Gütter/Rechnernetzpraxis 49

50 DPP outdoor Berechnung der Empfangsstärken Gütter/Rechnernetzpraxis 50

51 Übersicht Ausbreitungsmodelle Model/Algorithm Supported Description Model and parameters Category Complexity networks Free Space (FS) 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 M=M(PRx, PTx, L), P O(N) DR=DR(PRx) Multi Wall Model (MWM) WLAN, i SE, regards for attenuation by walls (material and M=M(d,f,Material,SL) P, in part D O(N) thickness) COST Walfish-Ikegami Model WiMAX, o SE, regards for mean building heights and building separation M=M(d,f,b,w,HTx, HRx,hr,a,S) F=0.8-2GHz, d<5km P, D O(N) LOS visualization All, i/o RO, regards for walls and buildings M=M(d) P, in part D O(N) Extended Site Finder Algorithm (ESFA) All, i/o AP/BS placement on the basis of signal power, greedy heuristics (add/drop) M=M(PRx,Geometry, Nap) DR=DR(PRx) LOS Site Finder (LOS SF) WiMAX, o RO, AP/BS placement on the basis of LOS M=M(d,PRx,DR) P, V O(N) coverage Digital Height Map Model WiMAX, o RO, calculates the heights of sender and receiver M=M(f,d(x,y),HTx, downtilt) P O(N) + Clearance/Downtilt (DHM) on the basis of digital height maps, regards the 1st Fresnel zone Multi Color Ink Spot Algorithm (MCISA) WLAN, i E; Regards for room layout, number of users; calculates data rates and signal power M=M(Nap, d, DR, Nuser) V, FM O(Nuser Nap) Ray Tracing (RT) All, i/o 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; high complexity (NP-hard) M=M(d, f, tree, material) P, D O(exp(N)) 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 P O(N²) Gütter/Rechnernetzpraxis 51

52 Modellauswahl Modelle ausreichend genau nur für bestimmte Frequenz und Entfernungsbereiche Modell Urban Pico (AWE RL) Urban Micro (AWE RT) Walfish Ikegami Okumura Hata Parabolic Equation Method (AWE) Eigenschaften Entfernung: 100 m Frequenz: 600 MHz 60 GHz Entfernung: 2 km Frequenz: 300 MHz 3 GHz Entfernung: 5 km Frequenz: 0,8 2 GHz Entfernung: 20 km Frequenz: up to 1 GHz Entfernung: 2000 km Frequenz: 300 KHz 30 GHz Gütter/Rechnernetzpraxis 52

53 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 Gütter/Rechnernetzpraxis 53

54 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 Gütter/Rechnernetzpraxis 54

55 Adaptiver Modellauswahl-Algorithmus Gütter/Rechnernetzpraxis 55

56 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 Ausbreitungsmodell CANDY Site Finder ( Verschiedene Ausbretungsmodelle für WLAN und WiMAX Unterstützt Geometrie-Import aus IFCXML Geeignet für Indoor- und Outdoor-Szenarien Gütter/Rechnernetzpraxis 56

57 Ekahau Site Survey Gütter/Rechnernetzpraxis 57

58 Wimap 4G ITU R P Model Gütter/Rechnernetzpraxis 58

59 CANDY Site Finder Geometrie Beschreibung aus IFCXML importieren Umwandlung in Netzbeschreibungssprache NDML Automatischer Vorschlag für Platzierung von Access Points Analyse der Funkabdeckung mittels Ausbreitungsmodellen und verschiedenen Visualisierungsmöglichkeiten Optimierung der Access Point Anordnung Gütter/Rechnernetzpraxis 59