Model Propagasi Pada Free Space Model propagasi ruang bebas

1

Model Propagasi Pada Free Space
Model propagasi ruang bebas digunakan untuk memprediksi
kekuatan sinyal yang diterima ketika pemancar dan penerima memiliki
kejernihan, jalur line-of-sight terhalang antara mereka. Sistem komunikasi
satelit dan microwave line-of-sight link radio biasanya menjalani propagasi
ruang bebas. Seperti kebanyakan model propagasi radio gelombang skala
besar, model ruang bebas memprediksi bahwa meluruh daya terima
sebagai fungsi dari jarak T-R separation naik beberapa pangkat (yaitu
fungsi kuasa hukum). Kekuatan ruang bebas yang diterima oleh antena
penerima yang dipisahkan dari antena pemancar memancar dengan jarak
d, diberikan oleh Friis free space equation,
dimana Pt adalah daya yang ditransmisikan, Pr (d) adalah daya yang
diterima yang merupakan fungsi dari T-R separation, adalah gain antena
pemancar, Gr adalah gain antena penerima, d adalah jarak T-R separation
dalam meter, L adalah sistem faktor kerugian tidak berhubungan dengan
2
propagasi (L >
1), dan λ adalah panjang gelombang dalam meter.
Keuntungan dari antena berkaitan dengan aperture efektif, Ae, oleh
Aperture Efektif Ae berkaitan dengan ukuran fisik antena, dan λ
berhubungan dengan frekuensi pembawa oleh
dimana f adalah frekuensi carrier dalam Hertz, ωc adalah frekuensi
pembawa dalam radian per detik, dan c adalah kecepatan cahaya yang
diberikan dalam meter / s. Nilai-nilai untuk Pt dan Pr harus dinyatakan dalam
satuan yang sama, dan Gt dan Gr yang berdimensi kuantitas. Kerugian lainlain L (L> 1) biasanya karena redaman saluran transmisi, kerugian filter,
dan kerugian antena dalam sistem komunikasi. Sebuah nilai L = I
menunjukkan tidak ada kerugian dalam sistem perangkat keras.
Persamaan ruang bebas Friis dari (3.1) menunjukkan bahwa daya
yang diterima jatuh dengan kuadrat jarak T-R separation. Ini berarti bahwa
menerima power meluruh dengan jarak pada tingkat 20 dB / dekade.
Radiator isotropik adalah antena yang ideal yang memancarkan
daya dengan satuan gain merata di semua arah, dan sering digunakan
untuk referensi keuntungan antena dalam sistem nirkabel. The effective
isotropic radiated power (EIRP) didefinisikan sebagai
dan mewakili maksimum radiasi daya yang tersedia dari pemancar
ke arah gain antena maksimal, dibandingkan dengan radiator isotropik.
Dalam prakteknya, effective radiated power (ERP) digunakan
sebagai pengganti EIRP untuk menunjukkan maksimum daya radiasi
3
dibandingkan dengan antena dipole setengah gelombang (bukan antena
isotropik), Karena antena dipole memiliki gain 1,64 (2,15 dB di atas sebuah
isotrope), ERP akan 2.15 dB lebih kecil dari EIRP untuk sistem transmisi
yang sama. Dalam prakteknya, keuntungan antena diberikan dalam satuan
dBi (dB gain sehubungan dengan sumber isotropik) atau dBd (dB gain
sehubungan dengan setengah-gelombang dipol) [Stu81].
Path loss, yang merupakan pelemahan sinyal sebagai jumlah positif
diukur dalam dB, didefinisikan sebagai perbedaan (dalam dB) antara daya
yang ditransmisikan efektif dan daya yang diterima, dan mungkin atau
mungkin tidak termasuk efek dari keuntungan antena. Model Path loss
untuk ruang bebas ketika keuntungan antena disertakan diberikan oleh
Ketika keuntungan antena dikecualikan, antena diasumsikan
memiliki gain, dan path loss diberikan oleh
The Friis free space model hanya memprediksikan yang valid untuk
untuk nilai d yang berada di medan jauh dari 'antena pemancar. Medan
jauh, atau wilayah Fraunhofer, dari antena pemancar didefinisikan sebagai
daerah di luar kajian penyebaran polutan jarak df, yang terkait dengan
dimensi linier terbesar dari antena pemancar aperture dan panjang
gelombang pembawa. Fraunhofer jarak diberikan oleh
4
di mana D adalah dimensi linier fisik terbesar dari antena. Selain itu,
berada di daerah medan jauh, df harus memenuhi
Dan
Selain itu, jelas bahwa persamaan (3.1) tidak berlaku untuk d = 0.
Alasannya untuk ini, model propagasi skala besar menggunakan jarak
dekat di, d0, dikenal sebagai titik referensi yang diterima kekuasaan. Daya
yang diterima, Pr (d), pada jarak tertentu d > d0, mungkin berhubungan
dengan Pr di d0. Nilai Pr (d0)dapat diprediksi dari persamaan (3.1), atau
dapat diukur dalam lingkungan radio dengan mengambil daya yang diterima
rata-rata di banyak titik terletak di dekat di jarak radial d0 dari pemancar.
Jarak referensi harus dipilih sedemikian rupa sehingga terletak di daerah
medan jauh, yaitu, d0 > df, dan d0 dipilih lebih kecil daripada jarak praktis
digunakan dalam sistem komunikasi mobile. Jadi, dengan menggunakan
persamaan (3.1), daya yang diterima di ruang bebas pada jarak lebih besar
dari d0 diberikan oleh
Dalam sistem radio bergerak, tidak jarang untuk menemukan yang
mungkin berubah dengan banyak pesanan besarnya atas area jangkauan
khas beberapa kilometer persegi. Karena rentang dinamis yang besar dari
tingkat daya yang diterima, sering dBm atau dBW unit digunakan untuk
mengekspresikan tingkat daya yang diterima. Persamaan (3.8) dapat
dinyatakan dalam satuan dBm atau dBW dengan hanya mengambil
logaritma dari kedua sisi dan mengalikannya dengan 10. Misalnya, jika
dalam satuan dBm, daya yang diterima diberikan oleh
5
mana Pr (d0) dalam satuan watt
Referensi jarak d0 untuk sistem praktis menggunakan antena gain
rendah 1-2 GHz di wilayah biasanya dipilih untuk menjadi 1 m di lingkungan
indoor dan 100 m atau 1 km di lingkungan luar, sehingga pembilang dalam
persamaan (3.8) dan (3.9) merupakan kelipatan dari 10. Hal ini membuat
perhitungan path loss mudah dalam satuan dB.

Persamaan Level Daya Terima
The free space path loss model bagian 3.2 adalah berasal dari
prinsip prinsip. Hal ini dapat dibuktikan bahwa setiap struktur memancar
menghasilkan listrik dan medan magnet [Gri87], [Kra5O]. Pertimbangkan
radiator kecil linier dengan panjang L, yang ditempatkan bertepatan dengan
sumbu z dan memiliki pusat pada titik asal, seperti yang ditunjukkan pada
Gambar 3.2.
6
Jika arus mengalir melalui antena, hal itu dapat meluncurkan listrik
dan magnetic pada bidang-bidang yang dapat dinyatakan sebagai
dengan Eϕ = Hr = Hθ = 0. Dalam persamaan di atas, 1 /d mewakili
komponen medan radiasi, 1 / d2 merupakan komponen bidang induksi, dan
1 /d3 merupakan komponen medan elektrostatik. Sebagai persamaan
seenfrom (3.10) ke (3.12). bidang elektrostatik dan induktif kerusakan jauh
lebih cepat dengan jarak dari bidang radiasi. Pada daerah jauh dari
pemancar (daerah medan jauh), bidang elektrostatik dan induktif menjadi
diabaikan
hanya
radiasi
komponen
bidang
Eθ
and
Hϕ
perlu
dipertimbangkan.
Dalam ruang bebas, kekuatan kerapatan fluks Pd (dalam W/m2)
diberikan oleh
dimana Rfs adalah impedansi intrinsik ruang bebas yang diberikan
oleh η = 120π Ω (3770Ω). Dengan demikian, kerapatan fluks daya
dimana | E | mewakili besarnya bagian yang memancar dari medan
listrik di medan jauh. Gambar 3.3a menggambarkan bagaimana kerapatan
fluks daya menyebar dalam ruang bebas dari sumber titik isotropik. Pd dapat
dianggap sebagai EIRP dibagi dengan luas permukaan bola dengan radius
7
d. Daya yang diterima pada jarak d, Pr (d), diberikan oleh kekuatan
kerapatan fluks aperture efektif dari antena penerima, dan dapat
berhubungan dengan medan listrik dengan menggunakan persamaan (3.1),
(3.2), (3.13), dan (3.14).
Persamaan (3.15) berkaitan medan listrik (dengan satuan V / m)
terhadap daya yang diterima (dengan satuan watt), dan identik dengan
persamaan (3.1) dengan L = 1. Berguna untuk hubungan dengan tingkat
daya yang diterima untuk tegangan input penerima, serta E-field yang
diinduksi pada antena penerima. Jika antena penerima dimodelkan sebagai
beban resistif cocok dengan penerima, maka antena penerima akan
menginduksi tegangan rms ke penerima yang setengah dari tegangan
rangkaian terbuka pada antena. Jadi, jika V adalah tegangan rms pada
masukan dari penerima (diukur dengan voltmeter impedansi tinggi), dan
8
Rant adalah resistansi dari penerima yang sesuai, daya yang diterima
diberikan oleh
Melalui persamaan (3.14) ke (3.16), adalah mungkin untuk
menghubungkan daya yang diterima untuk menerima E-field atau
rangkaian tegangan terbuka NNS pada terminal antena penerima. Gambar
3.3b menggambarkan model rangkaian ekivalen. Catatan : Vant = V ketika
tidak ada beban.

Tiga Mekanisme Dasar Propagasi: Reflection, Difraction,
Scattering
Refleksi, difraksi, dan hamburan adalah tiga mekanisme propagasi
dasar yang berdampak dalam propagasi sistem komunikasi mobile.
Mekanisme ini secara singkat dijelaskan di bagian ini, dan model propagasi
yang menggambarkan mekanisme ini dibahas kemudian dalam bab ini.
Daya yang diterima (atau timbal balik, path loss nya) umumnya parameter
yang paling penting diprediksi oleh model propagasi skala besar
berdasarkan fisika refleksi, hamburan, dan difraksi. Small-scale fading dan
multipath propagasi (dibahas dalam Bab 4) juga dapat dijelaskan oleh fisika
tiga mekanisme propagasi dasar ini.
Reflection terjadi ketika gelombang elektromagnetik yang merambat,
menumbuk pada obyek yang memiliki dimensi yang sangat besar bila
dibandingkan dengan panjang gelombang dari gelombang merambat.
Refleksi terjadi dari permukaan bumi dan dari bangunan dan dinding.
Difraction terjadi ketika jalur radio antara pemancar dan penerima
terhalang oleh permukaan yang memiliki penyimpangan tajam (tepi).
Gelombang sekunder yang dihasilkan dari permukaan menghalangi hadir
seluruh ruang dan bahkan di belakang penghalang, sehingga menimbulkan
9
pembengkokan gelombang menyiasati kendala, bahkan ketika line-of-sight
path tidak ada antara pemancar dan penerima. Pada frekuensi tinggi,
difraksi, seperti refleksi, tergantung pada geometri objek, serta amplitudo,
fase, dan polarisasi dari gelombang datang pada titik difraksi.
Scattering terjadi ketika media melalui gelombang yang terdiri dari
objek dengan dimensi yang kecil dibandingkan dengan panjang
gelombang, dan di mana jumlah hambatan per satuan volume adalah
besar. Gelombang tersebar diproduksi oleh permukaan kasar, bendabenda kecil, atau penyimpangan lainnya dalam saluran. Dalam prakteknya,
dedaunan, rambu jalan, dan lampu posting menginduksi hamburan dalam
sistem komunikasi mobile.
1. Reflection
Ketika gelombang radio merambat dalam satu media menumbuk
pada media lain yang memiliki sifat listrik yang berbeda, gelombang
sebagian dipantulkan dan sebagian ditransmisikan. Jika gelombang bidang
adalah insiden pada dielektrik sempurna, sebagian energi ditransmisikan
ke dalam medium kedua dan bagian dari energi yang dipantulkan kembali
ke medium pertama, dan tidak ada kehilangan energi dalam penyerapan.
Jika media kedua adalah konduktor yang sempurna, maka semua energi
datang dipantulkan kembali ke medium pertama tanpa kehilangan energi.
Intensitas
medan
listrik
dari
gelombang
yang
dipantulkan
dan
ditransmisikan mungkin berhubungan dengan gelombang insiden di media
asal melalui koefisien refleksi Fresnel (F). Koefisien refleksi adalah fungsi
dari 'sifat material, dan umumnya tergantung pada polarisasi gelombang,
sudut insiden, dan frekuensi gelombang merambat.
Secara umum, gelombang elektromagnetik terpolarisasi, yang
berarti mereka memiliki komponen medan listrik seketika dalam arah
orthogonal dalam ruang. Gelombang terpolarisasi dapat secara matematis
direpresentasikan sebagai jumlah dari dua komponen spasial orthogonal,
seperti komponen sirkuler terpolarisasi vertikal dan horisontal, atau kiri atau
10
kanan. Untuk polarisasi, superposisi dapat digunakan untuk menghitung
bidang tercermin dari refleksi permukaan.
2. Diffraction
Difraksi memungkinkan sinyal radio untuk menyebarkan sekitar
permukaan lengkung bumi, di luar cakrawala, dan untuk menyebarkan
belakang penghalang. Meskipun kekuatan medan yang diterima menurun
dengan cepat sebagai penerima bergerak lebih dalam terhalang (gelap)
wilayah, bidang difraksi masih ada dan sering memiliki kekuatan yang
cukup untuk menghasilkan sinyal berguna.
Fenomena difraksi dapat dijelaskan dengan prinsip Huygen, yang
menyatakan bahwa semua titik pada muka gelombang dapat dianggap
sebagai sumber titik untuk produksi wavelet sekunder, dan bahwa wavelet
ini 'bergabung untuk menghasilkan muka gelombang baru dalam arah
propagasi. Difraksi disebabkan oleh penyebaran wavelet sekunder menjadi
daerah gelap. Bidang kekuatan gelombang difraksi di daerah gelap adalah
jumlah vektor dari komponen medan listrik dari semua wavelet sekunder
dalam ruang di sekitar penghalang.
3. Scattering
Sinyal yang diterima sebenarnya dalam lingkungan radio bergerak
sering lebih kuat dari apa yang diperkirakan oleh refleksi dan difraksi model
sendiri. Hal ini karena ketika gelombang radio impinges pada permukaan
yang kasar, energi yang dipantulkan tersebar (menyebar) ke segala arah
karena hamburan. Objek seperti tiang lampu dan pohon cenderung energi
tersebar ke segala arah, sehingga memberikan energi radio tambahan pada
penerima.
Permukaan datar yang memiliki dimensi yang jauh lebih besar dari
panjang gelombang dapat dimodelkan sebagai permukaan reflektif.
Namun, kekasaran permukaan seperti itu sering menyebabkan efek
11
propagasi berbeda dari refleksi specular dijelaskan sebelumnya dalam bab
ini. Kekasaran permukaan sering diuji dengan menggunakan kriteria
Rayleigh yang mendefinisikan ketinggian kritis dari tonjolan permukaan
untuk sudut tertentu kejadian θi, yang diberikan oleh
Permukaan dianggap halus jika minimal untuk tonjolan maksimum h
adalah kurang dari hc, dan dianggap kasar jika tonjolan lebih besar dari hc.
Untuk permukaan kasar, permukaan datar koefisien refleksi perlu dikalikan
dengan faktor kerugian hamburan, ρs, untuk menjelaskan scattering loss
factor. Ament [Ame53] mengasumsikan bahwa ketinggian h permukaan
adalah Gaussian yang didistribusikan secara variabel acak dengan ratarata lokal dan ρs ditemukan diberikan oleh
dimana σh adalah standar deviasi dari tinggi permukaan tentang
tinggi permukaan rata-rata . The scattering loss factor yang diperoleh Ament
telah dimodifikasi oleh Boithias [Boi87] untuk memberikan kesepakatan
yang lebih baik dengan hasil yang terukur, dan diberikan dalam (3.63)
dimana Io adalah fungsi Bessel jenis pertama dan orde nol.
Refleksi E-fields untuk h> hc dapat diselesaikan untuk permukaan kasar
menggunakan koefisien refleksi dimodifikasi diberikan sebagai
12
Gambar
3.16A
dan
Gambar
3.16b
menggambarkan
hasil
eksperimen ditemukan oleh Landron dkk [Lan96]. Diukur dengan data
koefisien refleksi ditampilkan untuk menyetujui dengan baik dengan
koefisien refleksi modifikasi dari persamaan (3.64) dan (3.65) untuk dinding
eksterior besar yang terbuat dari batu kapur yang kasar.