چکیده

در این مقاله به بررسی نتایج شبیه سازی و مدلهای کانال ۶۰ گیگاهرتز پرداخته میشود. یک مدل چند پرتوی از طریق فرآیند شبیه سازی پیشنهاد و بررسی شده است. انتشار در یک محیط خاص را میتوان با استفاده از ۴ تا ۵ پرتو بدون تقلیل دقت و صحت نتایج توصیف نمود. از مدل لگاریتم مسافت توان دریافتی نرمالیزه شده به منظور تناسب سازی داده های شبیه سازی شده برای حالت خط دید مستقیم استفاده شده است. نتایج نشان میدهد که مقادیر مطلوب توان نرمالیزه شده در حالتی که فرستنده و گیرنده در ارتفاع یکسان و یا با اختلاف ارتفاع کم از همدیگر قرار داشته باشند حاصل میشود. میزان ریشه متوسط مربع پهن شدگی تأخیر نیز با تغییر مسافت از ۰/۴۶ تا ۳/۳۸ نانوثانیه تغییر مینماید. تحلیل این نتایج میتواند برای پیاده سازی سیستم ۶۰ گیگاهرتز در محیط داخلی مفید باشد.

کلیدواژهها: ۶۰ گیگاهرتز، ارتباطات رادیویی داخلی، پهن شدگی تأخیر، توان دریافتی نرمالیزه شده

مقدمه

طیف فرکانسی موج میلیمتری پهن باند حدود ۶۰ گیگاهرتز، برای شبکه های داخلی بی سیم با نرخ داده بالا، از آنجا که پهنای باند بزرگ ۵۹) ۵ تا ( ۶۴ گیگاهرتز در دسترس است از اهمیت ویژه ای برخوردار میباشد [۱]، .[۲] باند فرکانسی مذکور برای سیستمهای بیسیم پهن باند نسل آینده در محیط داخلی و محیطهای با برد کوتاه خارجی مطرح شده است. دو نمونه از سیستمهای تحت آزمایش عبارتند از شبکه های بی سیم داخلی که بر ارتباطات کامپیوتری متمرکز گردیده و سیستمهای پهن باند سیار[۳] ۱ که با تمرکز بر سیستمهای سلولی، پویایی کامل را برای کاربران خود فراهم مینمایند.

در فرکانسهای موج میلیمتری، مدل سازی انتشار، سوای از مدلهای تجربی، بر اساس پدیده نور هندسی و با استفاده از نظریه ردیابی پرتو نیز میتواند تحقق یابد. در ناحیه ۶۰ گیگاهرتز، پدیده پراش را میتوان نادیده گرفته و مجموع پرتو مستقیم و پرتوهای انعکاس یافته برای توصیف رفتار کانال انتشار با دقت بالا کافی میباشند ۴]، .[۵

در این مقاله، مدل پرتو چندگانه به منظور توصیف انتشار سیگنال ۶۰ گیگاهرتز در محیط داخلی ارائه شده است. اعتبار این مدل از طریق فرآیند شبیه سازی باند باریک و پهن باند کانال تایید گردیده است. مکانیسمهای انتشار به صورت تحلیلی توضیح داده شده و پارامترهای کانال مانند متوسط مربع پهن شدگی تأخیر محاسبه شده است.

۱ Mobile Broadband Systems (MBSs)

مدلسازی انتشار

محیط شبیه سازی همان طور که در شکل ۱ نشـان داده شـده، یـک راهروی طویل با ابعاد است. علاوه بر این، در شکل ۱ تمام ویژگیهای مصالح و نیز هندسه انتشار و موقعیتهای پایانه ارائه شده است. ابتدا و انتهـای راهـرو فضـاهای بـاز (فضـاهای بسیار بزرگ) بوده و در محاسبات در نظر گرفته نشده است.

مدل پرتو چندگانه، حالت جامع مدل دو پرتو ۶]، [۷ برای بـیش از دو مؤلفه انعکاس یافته است. مؤلفه های انعکاس یافته بازتاب پرتوهـا را از یک سطح تخت نمایش مـی دهنـد. انعکـاس هـای مرتبـه بـالا بـه خصوص در باند فرکانسی ۶۰ گیگاهرتز در محاسبه توان متوسط ناچیز بوده و در نظر گرفته نمیشوند. چنانچه هندسه محیطی (طول، عرض، ارتفاع) که سیگنال در آن انتشـار مـی یابـد و ضـرایب بازتـاب سـطح مشخص باشند، امکان محاسبه اتلاف انتشار وجود دارد. این اتلاف بـا محاسبه مجموع پرتو تک انعکاس یافته به دست میآید:
(۱) × ( )
|) ∑ (|

که در رابطه بالا فاصله افقی میـان فرسـتنده و گیرنـده، طـول
مسیر مؤلفه مستقیم و طول مسیر پرتو تک بازتاب است. علاوه بر
این، ضریب انعکاس پرتو تک بازتـاب و نهایتـاً

اختلاف فاز بین پرتو مستقیم و و پرتو تک بازتاب است.

۱

× فسا واحد

مجموعه مقالههای دومین همایش ملی فناوریهای نوین در مهندسی برق و کامپیوتر ۳ مهر ۱۳۹۳، دانشگاه آزاد اسلامی واحد فسا،

ELECCOMP2014

شکل : ۱ محیط شبیه سازی، هندسه انتشار و ویژگیهای دی الکتریک مصالح [۸]

برای شبیه سازی انتشار سیگنال در فرکانس ۶۰ گیگاهرتز، مدل پرتو چندگانه داده شده در معادله (۱) برای محیط خاصـی کـه در شـکل ۱ نشان داده شده استفاده میشود. سیگنال دریافتی ( ) برابر خواهد بود با:
(۲) × ( )
( )

که ( ) در رابطه (۱) داده شده است. در رابطه اول از چهار پرتو تک بازتاب ( ) و مؤلفه پرتو مستقیم استفاده شده است.

در باند فرکانسی ۶۰ گیگاهرتز جهت انجام شبیه سازی میبایست موارد زیر را در نظر گرفت :

• پدیده پراش از آنجا که در فرکانس ۶۰ گیگاهرتز قابل اغماض بوده و توان انکسار یافته تأثیری بر توان دریافتی ندارد در محاسبات لحاظ نمیگردد.

• پرتوهای انعکاس یافته با مرتبه بالا از آنجا که اثرشان بر کل توان دریافتی ناچیز است در محاسبات وارد نمیشوند. نشان داده خواهد شده که مجموع ۵ پرتو میتوانند انتشار سیگنال در محیط خاص را با دقت بالا توصیف نمایند.

• تلفات انتشار جوی، از آنجا که در محیطهای داخلی
تضعیف بسیار کوچک است ( ) در
محاسبات منظور نمی گردد.

• الگوهای تابش آنتن در صفحات افقی و عمودی برای فرستنده و گیرنده با تعیین زاویه برخورد هر یک از پرتوها
( ) و ( ) به حساب می آید.

در معادلات مورد نیاز، ضریب انعکاس ثابت دی الکتریک مختلط برابر است با :[۶]

(۳)

در رابطه (۳)، ثابت دی الکتریک نسبی سطح بازتـابی، ضـریب هدایت سطح بر حسب زیمنس بر متر و طول موج میباشد. مقـادیر
و در شکل ۱ داده شده است ۹]، .[۱۰

در این شبیه سازی از سیستم انتقالی آنتن شیپوری با تـوان فرسـتنده ۱۰ دســی بــل متــر، بهــره فرســتنده و گیرنــده و نیــز

æ استفاده شده است.

به منظور انجام شبیه سازی، موقعیت اولیه فرستنده در ابتـدای راهـرو قرار گرفته و گیرنده بـا فاصـله ابتـدایی ۱ متـر از فرسـتنده قـرار داده میشود و در هر ( ) ۰/۰۰۱۲۵ متر تا انتهای راهرو نمونه بـرداری از محیط صورت میگیرد.

نتایج شبیه سازی

در طول روند شبیه سازی، پلاریزاسیون بـه صـورت عمـودی در نظـر گرفته شده است. از این رو، برای پرتوهای منعکس شده از دیوارهـای عمودی از ضریب انعکاس عمودی ( )، در حالی که برای پرتوهای بازتاب یافته از سطوح سقف و کف از ضـریب انعکـاس مـوازی ( ) استفاده شده است. در شکل ۲ ضریب بازتاب به عنوان تابعی از زاویـه برخورد پرتو با سطح نشان داده شده است.

توان دریافتی به عنوان تابعی از مسافت و نیز تـوان سـیگنال دریافـت شده مربوط به پرتوهای مختلف انعکاس یافتـه در حـالتی کـه ارتفـاع فرستنده ۱/۹ بالاتر از سطح زمین بوده و با توجه به مؤلفه مستقیم، به عنوان تابعی از فاصله در شکل ۳ نشان داده شده است.

۲

× فسا واحد

مجموعه مقالههای دومین همایش ملی فناوریهای نوین در مهندسی برق و کامپیوتر ۳ مهر ۱۳۹۳، دانشگاه آزاد اسلامی واحد فسا،

ELECCOMP2014

(الف) پلاریزاسیون افقی (الف) توان دریافتی به عنوان تابعی از مسافت

(ب) پلاریزاسیون عمودی شکل :۲ میزان ضرایب انعکاس برای محیط شبیه سازی

در شکل ۳ (الف) مشاهده شده است کـه تـوان دریـافتی بـا افـزایش مسافت با نرخ تنزل می یابد. این نرخ به تعداد بازتاب ها که بـر روی سیگنال مجموع و نیز دامنه شان با توجه به مؤلفـه مسـتقیم اثـر میگذارند بستگی دارد. با استفاده از تناسب سازی در حداقل میـانگین مربعات خطا خواهیم داشت کـه همـان طـور کـه انتظـار میرود بر هدایت موج در امتداد راهـرو تـأثیر مـیگـذارد. بـا مشـاهده اَشکال ۳ (الف) و (ب) مشاهده می گردد که در ۸ متر اول، تنها مؤلفـه

مستقیم بر روی سیگنال مجموع تأثیر گذاشته، در حالی که انعکاس از سقف بعد از ۸ متر تا انتهای راهرو شروع به اثر میگذارد. بازتاب ناشی از سقف به دلیل آنکه فرستنده نزدیک به سقف اسـت بـه طـور قابـل توجهی تأثیر گذار میباشد. علاوه بر ایـن، مصـالح سـقف (آلومینیـوم) یک سطح منعکس کننده کامل است ( ).

به منظور محاسبه توان دریافتی نرمالیزه شده، از مدل لگاریتم مسافت که در زیر بیان گردیده استفاده میشود :[۱۱]

(ب) میدان دریافتی نرمالیزه شده پرتوهای بازتابی

شکل :۳ میزان توان دریافتی و نرمالیزه به عنوان تابعی از مسافت

که در رابطه (۴)، مقدار توان دریافتی نرمالیزه شده در فاصله
مرجع ، نمای اتلاف و متغیر تصادفی گاوسی با
متوسط صفر و انحراف استاندارد است.

شکل ۴ توان های دریافتی نرمالیزه شبیه سازی شـده و منحنـیهـای منطبق یافته را برای محیط بـا خـط دیـد مسـتقیم بـر روی لگـاریتم مسافت بین فرستنده و گیرنده به تصویر میکشد (به جدول ۱ مراجعه شود). همانطور که مشاهده میگردد، افزایش اختلاف ارتفاع آنتن های فرستنده و گیرنده سبب کـاهش بهـره پرتـو مسـتقیم میـان آنـتن هـا میگردد.

زمانیکه فرستنده و گیرنده در ارتفاع یکسانی قرار دارند، نمـای اتـلاف مسیر با توجه به اثرگذاری بالای بازتاب هـا در محـیط، کوچـک تـر از مقدار فضای آزاد است. هنگامی که ایـن دو در ارتفـاع یکسـانی قـرار ندارند نماها حتی کوچک تر نیز میشوند. علاوه بر این، در حـالتی کـه فرستنده در ارتفاع ۲/۴ متر قرار دارد، نمای اتلاف توان آن کوچک تـر از حالت ۱/۹ متر است.

( ) ( ) (۴)