Progettazione di Sistemi Wireles

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1 Progettazione di Sistemi Wireles Corso da 9 crediti Docente: G.A. CASULA UNIVERSITA DEGLI STUDI DI CAGLIARI DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA ELETTRICA ED ELETTRONICA 1

2 Obiettivi del Corso Il corso, rivolto a studenti dei corsi di Laurea Magistrale in Ingegneria delle Telecomunicazioni ed in Ingegneria Elettronica, si propone di fornire allo studente le principali tecniche di pianificazione di un sistema di telecomunicazioni, in particolare per sistemi di comunicazione cellulare in ambito urbano. Il corso presuppone una buona conoscenza degli argomenti del corso di Campi Elettromagnetici, che verranno brevemente integrati durante il corso al fine di completare la preparazione di base necessaria alle applicazioni. 2

3 Obiettivi del Corso Nella prima parte del corso, verranno studiate le principali tecniche di analisi e sintesi di antenne per telecomunicazioni, in particolare nella banda delle frequenze video e delle microonde. In seguito, verranno descritte le principali tecniche empiriche di pianificazione e i meccanismi fisici della propagazione in ambito urbano, e saranno inoltre esposti i limiti di legge relativi alla esposizione alle onde elettromagnetiche sia degli utenti che degli operatori addetti alla manutenzione degli impianti. 3

4 Obiettivi del Corso Le esercitazioni saranno svolte con l'ausilio di programmi di simulazione e di CAD. In particolare si intende far sviluppare piccoli progetti di pianificazione di copertura utilizzando i già citati programmi di simulazione. L'esame sara' costituito dalla discussione dei progetti e da un colloquio orale. 4

5 Programma del Corso o Fondamenti: Campo di una distribuzione di correnti, potenziali vettore elettrico e magnetico, campo lontano; Polarizzazione, rapporto assiale, componenti copolari e crosspolari; Teoria dei Raggi e Ottica Geometrica; Collegamenti fra antenne. o Caratteristiche della propagazione urbana: Fast fading e slow fading; Dipendenza dalla distanza; Propagazione per raggi; Volume efficace di un raggio; Ellissoide di Fresnel; Modelli a due e sei raggi. 5

6 Programma del Corso o Antenne filiformi: Distribuzione di corrente, equazioni di Pocklington e di Hallén; Antenne corte. o Allineamenti: Fattore di allineamento, array uniformi, array superdirettivi; Rappresentazioni analitiche del fattore d'array, serie di Fourier, polinomio di Schelkunoff; Distribuzioni tipiche di array a fascio sottile; Array ad elementi parassiti, antenne Yagi; Antenne Log-periodiche stituito dalla discussione dei progetti e da un colloquio orale. 6

7 Programma del Corso o Antenne stampate: Modello a linee di Trasmissione; Modello a cavita'; Tecniche di alimentazione. o Ottica fisica, teoria geometrica della diffrazione; Antenne a riflettore o Misure sulle Antenne: Misura del guadagno e del diagramma di irradiazione; Trasformazioni campo vicinocampo lontano. 7

8 Programma del Corso o Modello di Hokumura-Hata; Propagazione nelle micorcelle; Correlazione del fading veloce; Diversita' o o o Trasmissione di impulsi; Valutazione del Link Budget: Radio Link Budget Margini di Fading e di interferenza; Capacita' e copertura nell'umts Antenne per telefonia cellulare 8

9 Programma del Corso o Modelli di propagazione: Diffrazione o Diffrazione da uno schermo - GTD; Campo nella zona di transizione - UTD o Diffrazione di onde piane e sferiche; Diffrazione multipla o Propagazione orizzontale sui tetti; Attenuazione tettoterminale mobile 9

10 Programma del Corso o Attraversamento di pareti; Propagazione indoor o Compatibilita' elettromagnetica: Riferimenti normativi sulla esposizione elettromagnetica o Volume di rispetto; Misure dei campi EM diffusi nell'ambiente 10

11 Programma del Corso Esercitazioni o o Utilizzo di strumenti CAD per la analisi di antenne Utilizzo di strumenti CAD per la valutazione dei livelli di copertura 11

12 Programma del Corso Testi di riferimento: o R. E. Collin: Antennas and radiowave propagation, McGraw- Hill (student edition) o H. L. Bertoni, Radio Propagation for Modern Wireless Systems, Prentice Hall, 2000 o Dispense del corso scaricabili dal sito ( 12

13 Modalità d esame Prima di sostenere l'esame orale del corso, e' necessario presentare alcuni progetti di antenne, la cui valutazione fara' parte del risultato dell' esame. In particolare occorre presentare almeno un progetto relativo ad antenne filiformi e almeno un progetto relativo ad antenne stampate. Nella pagina relativa ai progetti, sono riportati alcuni esempi di progetti con soluzione, ed i possibili progetti che lo studente deve svolgere: ( 13

14 Modalità d esame I progetti sono divisi in due gruppi (Antenne Filiformi e Antenne Stampate), e per ogni progetto e' riportato un indice di complessita'. Lo studente puo' scegliere di realizzare uno qualsiasi dei progetti proposti fra quelli relativi alle Antenne Filiformi, ed uno qualsiasi dei progetti proposti fra quelli relativi alle Antenne Stampate. 14

15 Di seguito alcune slides che mostrano, prevalentemente tramite immagini, i principali argomenti trattati in questo corso. In particolare, nell ordine con cui sono presentati: Principali tipi di Antenne utilizzate nelle telecomunicazioni Sistemi radiomobili, sistema UMTS e copertura del territorio Inquinamento Elettromagnetico, protezione della popolazione dalle emissioni intenzionali e relative procedure di misura 15

16 Dipolo a mezza lunghezza d onda Il dipolo a mezza lunghezza d onda (o dipolo a /2) è il tipo più semplice di antenna. E impiegato in UHF e VHF ed è utilizzato come dispositivo di confronto per determinare il guadagno di un antenna. Tale antenna è mostrata in figura. 16

17 Sottosistemi di Misura: Antenne ALTRI TIPI DI ANTENNE (Di impiego meno comune): DIPOLI ACCORDATI (Dipoli a mezz'onda) Il dipolo a mezz'onda è un'antenna che risponde in una banda ristretta, centrata intorno alla frequenza a cui la sua lunghezza h è pari a: h = c/2f, dove c= m/sec Poiché si tratta di un'antenna "accordata", ne occorre uno per ciascuna delle frequenze a cui si deve fare la misura Esistono realizzazioni con bracci "telescopici", la cui lunghezza può (e deve) essere adattata (secondo la formula precedente) per rispondere alla frequenza del segnale da misurare; L'altezza efficace del dipolo a mezz'onda vale: h e =2h/, dove h indica la lunghezza del dipolo. 17

18 Antenne a larga banda per misure selettive Antenna log-periodica L antenna log periodica presenta un discreto guadagno (6 12 db) ed una larghezza di banda pari ad un ordine di grandezza (tipicamente, 200 MHz-2 GHz) 18

19 Antenna log-periodica Antenna log-periodica 19

20 Sottosistemi di Misura: Antenne ALTRI TIPI DI ANTENNE (Di impiego meno comune): TROMBE A GUADAGNO STANDARD Si tratta di strutture compatte, indicate per misure nella banda delle microonde, ed in particolare nella gamma delle SHF (3 30 GHz); questa viene coperta con trombette che hanno dimensioni sempre più piccole al crescere della frequenza. Il costruttore fornisce solitamente l'area efficace A e o il guadagno G, dai quali si può ricavare il fattore d'antenna K, con le formule riportate nelle pagine precedenti. Come accade per molte antenne ad apertura, l'area efficace è pari ad una frazione (fra 0.5 e 0.9) dell'area geometrica della bocca. 20

21 Antenne a larga banda per misure selettive Antenne standard 4. LogPeriodic antenna: gamma da 100 MHz a 3 GHz 5. Double-ridged Waveguide horn: gamma da 1GHz a 40GHz 6. ConicalLog Spiral: gamma da 200 MHz a 10 GHz 21

22 Antenne a schiera 22

23 Antenne a schiera 23

24 Antenne a schiera 24

25 Antenne a schiera 25

26 Antenne a schiera

27 Antenne a schiera

28 Antenne a schiera

29 Antenna per telefonia cellulare Le antenne per telefonia mobile installate nelle stazioni radio base possono essere costituite da schiere di dipoli; siottienecosìil diagramma di radiazione riportato in figura. 29

30 Antenna per telefonia cellulare Per ottenere diagrammi di radiazioni con angoli di apertura più ampi (ossia per allargare il diagramma di irradiazione complessivo) è possibile utilizzare più antenne,per esempio con la configurazione riportata in figura. 30

31 Antenna per telefonia cellulare Una stazione radio base GSM è tipicamente dotata di tre antenne di cui una trasmittente e due riceventi per ciascun settore da ricoprire L antenna trasmittente è montata più in alto e in posizione mediana al fine di evitare interferenze con le antenne riceventi. La disposizione è mostrata in figura. 31

32 Antenna per telefonia cellulare In una stazione radio base per trasmettere il segnale in tutte le direzioni (e coprire quindi un angolo pari a 360 ) si possono disporre tre terne di antenne ciascuna su un lato di un triangolo equilatero, come mostrato in figura. 32

33 Antenna per telefonia cellulare Infine per ricevere il segnale sia in polarizzazione orizzontale che verticale si possono utilizzare antenne con dipoli disposti sia orizzontalmente che verticalmente (antenne riceventi con doppia polarizzazione), come riportato in figura. 33

34 Antenna per telefonia cellulare 34

35 Antenna per telefonia cellulare 35

36 Antenna per telefonia cellulare 36

37 Sistemi Radiomobili Valutazione della distanza tra stazioni radiobase Regime di limitazione da interferenza 37

38 Sistemi Radiomobili Suddivisione cellulare del territorio: schema ad interferenza controllata Cluster con sette frequenze: f 1, f 2, f 3, f 4, f 5, f 6, f 7. 38

39 Copertura del Territorio Suddivisione cellulare del territorio CLUSTER 3 CLUSTER Mappa territorio CLUSTER 7 Mappa territorio CLUSTER 9 Mappa territorio Mappa territorio 39

40 Copertura del Territorio Suddivisione cellulare del territorio: ri-assegnazione delle frequenze D: Distanza di riuso delle frequenze R: Raggio di ogni cella f 1 La frequenza f i, utilizzata nella cella i-esima di un certo cluster, può essere riutilizzata soltanto nella corrispondente cella i-esima dei cluster adiacenti, o comunque in celle di altri cluster poste ad una distanza non inferiore a D (vedi ad es. la frequenza f 1 in figura) 40

41 Sistemi Radiomobili Problematiche delle reti radiomobili Perdite per diffrazione dovute ad ostacoli presenti nel cammino di propagazione 41

42 Sistemi Radiomobili Fenomeno dei cammini multipli 42

43 Sistema UMTS Generalità La forma di CDMA più diffusa è quella basata su segnali Spread Spectrum La separazione tra gli utenti è ottenuta assegnando a ciascuno, con una operazione di moltiplicazione, un codice (operazione di Spreading) In ricezione in condizioni ideali l operazione duale (Despreading) annulla l effetto delle interferenze mutue e consente di estrarre il segnale desiderato 43

44 Sistema UMTS Generalità Flusso dati di sorgente a bit rate B r Codice di Spreading a chip rate C r Segnale a banda larga (chip rate C r ) SISTEMA UMTS: Lo standard fissa la chip rate Cr = 3.84 Mchip/sec 44

45 Sistema UMTS Copertura e capacità Controllo di potenza Limite massimo alla potenza trasmissibile dal terminale mobile Le dimensioni della cella variano al variare del numero di utenti attivi in essa: CELL BREATHING 2 utenti attivi nella cella 3 utenti attivi nella cella R C2 < R C1 1, P MAX 1, P MAX 45

46 Copertura del Territorio Copertura macrocellulare L antenna è installata al di sopra della massima altezza degli edifici circostanti. Raggio della cella: 1 10 Km Potenza trasmessa: 8 14 Watt 46

47 Copertura del Territorio Copertura small-cell L antenna è installata alla stessa altezza del tetto degli edifici circostanti. Raggio della cella: 300 m 3 Km Potenza trasmessa: 8 Watt 47

48 Copertura del Territorio Copertura microcellulare L antenna è installata al di sotto del tetto degli edifici. Raggio della cella: m Potenza trasmessa: Watt 48

49 Copertura del Territorio Accesso multiplo CDMA Attualmente è possibile implementare la separazione dei canali in base alla correlazione per una grande varietà di forme d onda. Quando la separazione dei canali richiede la correlazione completa, l accesso multiplo si dice a divisione di codice (CDMA). La forma di CDMA più diffusa è basata su segnali a spread spectrum 49

50 Inquinamento Elettromagnetico

51 Inquinamento Elettromagnetico

52 Inquinamento Elettromagnetico

53 Inquinamento Elettromagnetico

54 Inquinamento Elettromagnetico 54

55 Procedura di misura a larga banda Strumenti per misure a larga banda Particolare dello strumento EMR300 della Wandel -Goltermann Connessione al PC via cavo ottico. Lo strumento EMR300 posizionato sul treppiede dielettrico 55

56 Procedura di misura a larga banda Strumenti per misure a larga banda Uno strumento molto diffuso per misure a larga banda: modello 8053 della PMM. Lo strumento 8053 posizionato sul treppiede dielettrico 56