Confronto tra sistemi Radio (microonde) e Ottici (infrarossi)

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Ugo Zamboni
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1 Confronto tra sistemi Radio (microonde) e Ottici (infrarossi) Gianfranco Verbana i2vgo Stella Renon 1 settembre 2001

2 Introduzione Un sistema Wireless è caratterizzato da : Potenza trasmessa Divergenza beam dell antenna TX Conoscenza mezzo trasmissivo Potenza fornita al ricevitore dall area equivalente dell antenna RX. Rapporto segnale rumore della demodulazione scelta.

3 Sistema Wireless Punto-Punto Angolo Beam Area eff. Mezzo Trasmissivo F Mod TX PTx Prx/Noise(dB) Rx DEM Eb/No Prx(dBm) Photodiodo DEM F

4 Spazio libero Il mezzo e caratterizzato dai parametri : Lo spazio vuoto e omogeneo,normale e isotropo. L impedenza caratteristica è : 9 ε = costante dielettrica F/m (10 / 36π ) 7 µ = Permeabilità magnetica H/m (10 4π ) σ = Conduttività magnetica S/m (0) µ 0 = 120π = 377ohms ε 0 La densità di potenza a distanza, d, e uguale: 2 E p= εr = ( W 120π / m 2 ) L area efficace di un antenna rappresenta la quantità di potenza Prx consegnata al ricevitore e sottratta alla densità di potenza del fronte d onda in arrivo: L area efficace e inferiore all area geometrica. Si definisce efficienza dell antenna : Le parabole a microonde sono antenne riflessive e si ottiene un efficienza di 0,5-0,65. Le antenne ottiche possono essere rifrattive o riflessive e si ottiene un efficienza di 0,1-0,75 Prx. = ( m p A eff = 2 A η= A ) geo eff =

5 Antenne L attenuazione del link nel vuoto e la direttività d antenna (Corrisponde al guadagno se non vi fossero perdite ) sono indipendenti dal valore della frequenza. L attenuazione è causata dalla impossibilità pratica di avere un antenna con area sufficientemente grande per poter raccogliere tutta la potenza trasmessa. Per motivi di comodità di calcolo nel settore radio si preferisce dare la direttività (guadagno) d antenna dipendente dalla frequenza G ( db ) = 10 log( π η ( D c f ) , 2 ( θ θ 3dB ) 2 ) Per motivi non fisici ma solo per semplicità di calcolo l attenuazione nel vuoto diventa funzione della frequenza (anche se non è vero): Atten.(dB) = 92, log( d (km) f (Ghz))

Due modi diversi per ottenere lo stesso risultato G(dB) 160,0 150,0 Attenuaz ione G(dB) Att(dB) 140,0 130,0 120,0 110,0 0 20 40 60 80 100 fre

6 Due modi diversi per ottenere lo stesso risultato G(dB) 160,0 150,0 Attenuaz ione G(dB) Att(dB) 140,0 130,0 120,0 110, fre quenza (Ghz) Mod TX PTX(dBm) PRX(dBm) Rx DEM 2Mb/s Eb/No(dB) 2Mb/s Laser Att( db) = 10Log Aeff ASpot = 20log Deff Dspot = Photodiodo DEM On-off Dspot

7 Guadagni antenne La massima direttività di un collegamento Radio è un grado che corrispondente ad un guadagno di 47dBi ( la curvatura del raggio è sensibile alla umidità e alla pressione dell aria.) Il grafico mostra il diametro reale di un antenna riflessiva vs frequenza. In ottico con lentine di 20mm e focali di 10 cm, si possono ottenere direttività di 0,1. Valori che corrispondono a guadagni di 67dBi. metri Diametro antenna Vs frequenza angolo beam 1,G=47dB,eff 0,55. 0, =17,45mR Ghz Spot size 17,45 metri 1,75metri 1km

8 Attenuazione in atmosfera

9 Superficie Terrestre Azione riflettente Ambiente reale Radio da 0,1 a 90 GHz Atmosfera Intercettazione dei raggi diretti tra punti non in visibiltà Generazione dei raggi riflessi che provengono all antenna Rx Azione rifrangente che incurva i raggi Superamento di alcuni ostacoli alla visibilità ottica alterazione della situazione di interferenza tra raggi diretti e raggi riflessi dal suolo. Generazione condotti e/o cammini multipli Azione diffondente troposferica Generazione di raggi diffusi che pervengono dall atmosfera Azione Assorbente Attenuazione delle onde minori di 1 cm (precipitazioni e gas)

10 Ambiente reale/radio: effetti 1 Variazione dell indice troposferico K Fading piatto 2 Diffrazione da ostacolo: Fading piatto 3 Riflessione sul suolo terrestre: Fading piatto e selettivo 4 Cammini multipli Fading piatto e selettivo 5 Precipitazioni atmosferiche Fading piatto 6 Assorbimenti da Gas Fading piatto

11 Attenuazione da pioggia 30 Attenuazione per pioggia Vs Frequenza db/km V pol. 60mm/h V pol. 35mm/h V pol. 25mm/h GHz

12 Mezzo trasmissivo Infrarossi Vedi relazione Sistemi ottici 2 Convention 2000 di I2VGO Attenuation vs visibility Attenuation (db/km) nm 850 nm visibility (m)

F=0 BPSK = 1000KHZ 4QAM= 500KHZ 16QAM=250KHZ Rx a(t) D Q aˆ ( t) aˆ ( t) = a( t) = 0

13 Il filtro di Rumore è il cuore di tutto il sistema. No è funzione della banda. Banda limite =1/2 Symbol rate. Ricezione Radio Processi Gaussiani Tamb. F=0 BPSK = 1000KHZ 4QAM= 500KHZ 16QAM=250KHZ Rx a(t) D Q aˆ ( t) aˆ ( t) = a( t) = 0 errori Al diminuire di Prx diminuisce il rapporto Eb/No Ck(t) y 1Volt Tempo z Eb/No=17 0 Volt -1 Volt x to Pe = 1 2 erfc E N b 0

14 Il photodiodo è il cuore di tutto il sistema E un convertitore fotoni/elettroni.. Ricezione Ottico Processi di Poisson Diodo F=0 Amplific. a(t) D Q aˆ ( t) aˆ ( t) = a( t) = 0 errori Al diminuire di Prx (ottico) cala la corrente uscita diodo, quindi diminuisce l energia per bit, Eb. (Light) 1Volt 1 Volt y Ck(t) 1 0,5Volt (Dark) 0 Volt x 0 Pe 1 = e 2 Λ Λ = E b hν =

15 Confronto limiti Termici e Quantici B= 1 Hz T=1sec Limite assoluto,potenza minima,termico e quantico per Psoglia@B.E.R.= 1x10-6, Cifra di rumore ricevitori radio e ottico =0dB dbm GHz 10GHz 100GHz 1THz 10THz 100THz Frequenza portante Processi gaussiani Processi di Poisson KtB(1Hz) 13 fotoni "1sec" h hν Λ N 0 = KTB (1Hz ) ( 300 Ghz ) Plim ite = = hνν Tbit (1 sec) kt e 1

16 Valori reali di Potenza minima di ricevitori Radio e Ottico dbm Potenza minima ingresso 1x10-6 Vs demodulazioni incoerenti,uncoded. Link terrestre,cifra di rumore equivalente ricevitore F =10dB 1GHz 10GHz 100GHz1THz 10THz Frequenza portante 100THz 1000THz KTB 2Mb/s Prx,PSK,2Mb/s Prx,OOK,800nm,2Mb/s Limite quantico 2Mb/s Prx,OOK,1550nm,2Mb/s Prx,OOK,2Mb/s

17 LIMITI Potenza ricevuta,nei scenari gaussiani Limite potenza ricevuta.link terrestre Bit/rate = ,0 BPSK OOK Banda (Mhz) 1,5 1,0 0,5 0,0 Limite di Shannon Pr(dBm) Per un collegamento terrestre. QPSK,4QAM 16QAM 256QAM 1024QAM

18 Confronto lunghezza Link radio ottico a pari potenza Trasmessa. Utilizzando le equazioni di visibilità ( vedi Sistemi ottici 2 Convention 2000-I2VGO ) di un sistema ottico: Bit rate 2Mb/s, a 850 nm, avente una Ptx di -2dBm, ed una Prx di soglia di -62 dbm, si e tracciato l andamento della distanza verso visibilità. Utilizzando le equazioni d attenuazione verso precipitazioni ( presentati in questa relazione di un sistema radio 90Ghz Bit rate 2Mb/s, avente una Ptx di -2dBm,ed una Prx di soglia di -82 dbm, si è tracciato l andamento della distanza verso intensità di pioggia.

19 Prx ottico vs distanza e visibilità dbm Km Prx ingresso ricev itore ottico 850nm. In TX Laser "Vcsel" 0dBm (perdita lentina 2dB.) Pout -2dBm, 5 mr In RX diametro apertura effettiva 10cm. 0.2Km 0.5Km Ps=-62dBm, 5 1Km Distanza Km) Visibilità=6Km 2Mb/s

20 PTx,-2dBm Bit rate 2Mb/s PRX soglia OOk,4QAM dbm Potenza ingresso ricevitore radio(90ghz) Verso distanza ed intensità di pioggia 90mm/h Esempio Radio BPSK/QPSK 4QAM 60mm/h Distanza (Km) 20mm/h 1mm/h 10mm/h OOK

21 Conclusioni sistema wireless per reti WAN Per frequenze maggiori di 60 GHz non è richiesta nessuna licenza. Evitando le frequenze con attenuazione dovuta all ossigeno ( 70-90Ghz) è possibile con potenze limitate realizzare Link di 4-5 km come i sistemi ottici. Il problema principale per la radio è la pioggia. Per zone ad alta piovosità, a pari potenza e disponibilità la massima distanza diventa 1-3 km. Per i sistemo ottici il problema principale è la visibilità, per zone dove prevale la nebbia, a pari potenza e disponibilità, la massima distanza diventa km. Da queste considerazioni brevettai un sistema Radio a 64 GHz più Ottico a 200 THz. In caso di pioggia si attiva il link ottico e in caso di nebbia si attiva il link radio.

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