SPECIFIČNOSTI PRENOSA SIGNALA MOBILNIM RADIO KANALOM
Komunikaciono okruženje
Radio signal koji se emituje između fiksne bazne stanice i mobilnog terminala prostire se po mehanizmu koji zavisi od talasne dužine prostirućeg signala i okruženja u kome se komunikacija dešava. Kako se prenos signala odvija u specifičnom ambijentu, koji podrazumijeva prisustvo velikog broja najrazličitijih prepreka, od kojih neke mogu biti pokretne, u najvećem broju slučajeva signal se prostire po više putanja (Slika 1). Putanja prostiranja radio signala može da varira od linije direktne vidljivosti (LOS – line-of-sight) između predajnika i prijemnika, do indirektnog slučaja u kome je prenosni put ozbiljno ometan mnogobrojnim preprekama kakve su uzvišenja, zgrade, kuće, drveće i drugi objekti (NLOS – non-line-of-sight). Dodatno, i brzina kretanja ima uticaja na nivo signala koji se postiže na mjestu prijema u situaciji kad se mobilni terminal kreće u prostoru.
Za razliku od prenosa signala posredstvom žičanih medijuma (bakarne parice, koaksijalni kablovi, optička vlakna i sl), kod kojih je komunikacioni kanal stacionaran i predvidljiv, radio kanali su izuzetno slučajne prirode i kao takvi predstavljaju poseban izazov za sve vrste analiza.
Slika 1 Komunikacioniono okruženje u mobilim komunikacijama
Mehanizni prostiranja talasa
Mehanizmi koji stoje iza prostiranja (propagacije) elektromagnetnih talasa u mobilnom radio kanalu su različiti, ali tri osnovna se mogu pripisati refleksiji, difrakciji i rasijanju.
Refleksija se dešava kada emitovani radio talas naiđe na prepreku čije su dimenzije značajno veće u poređenju sa talasnom dužinom emitovanog talasa. Signal se tipično reflektuje od površine Zemlje ili od zidova građevinskih objekata.
Difrakcija nastaje kada emitovani radio talas naiđe na ivicu prepreke koja se nalazi na putanji prostiranja signala. Ovim mehanizmom radio signal mijenja pravac čineći mogućim prijem i iza prepreke, odnosno u situacijama kada je linija direktne vidljivosti (LOS) između predajnika i prijemnika blokirana. Na visokim frekvencijama, difrakcija, kao i refleksija, zavisi od geometrijskih karakteristika prepreke, kao i od amplitude, faze i polarizacije emitovanog talasa u tački difrakcije.
Rasijanje se dešava kada se radio signal prostire kroz sredinu koja sadrži nehomogenosti čije su dimenzije male u poređenju sa talasnom dužinom emitovanog talasa, i kada je koncentracija nehomogenosti u jedinici zapremine velika. Rasijani talasi se prostiru u svim pravcima, a rasijanje se obično dešava na grubim površinama ili objektima vrlo malih dimenzija.
Gubici usljed propagacije
Gubici snage signala usled propagacije uzrokovani su u najvećoj mjeri opštom topografijom terena. Uopšteno govoreći, snaga signala emitovanog sa bazne stanice opada sa rastojanjem. Usljed prostiranja iznad Zemlje dolazi do interakcije emitovanog elektromagnetnog talasa i Zemlje, pri čemu djelimično provodna Zemlja apsorbuje dio energije talasa. Mala visina antene mobilnog terminala, obično blizu Zemlje, dodatno povećava nivo gubitaka, dok nepravilnosti terena izazivaju disipaciju snage koja se prostire po kanalu, čime se smanjuje nivo snage primljenog signala u mobilnom terminalu, kao i u baznoj stanici za slučaj prenosa signala od mobilnog terminala ka baznoj stanici. Gubici tog tipa, zajedno sa neizbježnim gubicima u slobodnom prostoru (free space loss) čine ukupne gubitke usled propagacije (prostiranja).
Feding
Većina mobilnih radio sistema funkcioniše u urbanim sredinama gdje ne postoji direktna linija vidljivosti između predajnika i prijemnika i gdje prisustvo visokih zgrada izaziva ozbiljne gubitke snage prenošenog signala usljed difrakcije. Takođe, zbog višestrukih refleksija od objekata različitih dimenzija formiraju se elektromagnetni talasi koji se prenose odvojenim putanjama različitih dužina. Interakcija između ovih talasa dovodi do varijacija amplitude prenošenog signala na svakoj pojedinačnoj mikro-lokaciji, dok se istovremeno snaga radio talasa smanjuje kako se rastojanje između predajnika i prijemnika povećava. Sve te pojave se jednim imenom nazivaju feding. Efekat fedinga u sebi sadrži dvije komponente (Slika 2).
Long-term (large-scale) feding koji predstavlja spore fluktuacije snage primljenog signala oko srednjeg nivoa koje su uočljive na rastojanju od nekoliko kilometara. Ovi efekti su dominantno uslovljeni konfiguracijom terena na kome se talas prostire, kao i činjenicom da i prostiranje radio talasa u teorijski slobodnom prostoru podrazumijeva određeno slabljenje. Ovaj vid fedinda se u literaturi se često označava i kao shadowing.
Short-term (small-scale) feding koji predstavlja brze fluktuacije snage primljenog signala koje su uočljive na rastojanju od nekoliko metara. Navedeni efekat je posljedica činjenice da primljemi signal predstavlja sumu više reflektovanih komponenti koje dolaze od istog izvora, iz različitih pravaca i sa različitim kašnjenjem u odnosu na direktnu komponentu. Kako ove komponente imaju slučajne amplitude i faze dolazi do njihovog superponiranja na mjestu prijema, pa su mogući nagli padovi amplitude primljenog signala od čak 30-40 dB ispod srednje vrijednosti. Ovaj vid fedinga se u literaturi često označava i kao multipath feding. Pored opisanog efekta, zbog multipath propagacije dolazi i do širenja prenošenog impulsa u vremenu (delay spread), što može dovesti do dodatne degradacije kvaliteta komunikacije.
Slika 2 Long-term i short-term feding
Osim varijacija snage signala, u slučaju mobilnosti mobilnog terminala i/ili prepreka, komponente signala su izložene Doppler-ovom efektu. Posljedica Doppler-ovog efekta je pomjeraj frekvencije, koji zavisi od brzine i pravca kretanja mobilnog terminala i/ili prepreke.
Uticaj multipath fedinga je jače izražen na silaznoj vezi (downlink), dok se komunikacija na uzlaznoj vezi (uplink) odvija sa manje prisutnim pojavama refleksije i rasijanja.
Predikcija snage signala na mjestu prijema
Kako je prethodno objašnjeno, radio signal emitovan sa fiksne bazne stanice tokom prostiranja do lokacije mobilnog terminala je izložen nizu promjena, koje su posljedica okruženja u kome se komunikacija dešava. Kao rezultat toga predikcija gubitaka usljed prostiranja, odnosno predikcija nivoa snage primljenog signala, predstavlja složen problem koji nije moguće definisati nekim opštim analitičkim modelom. Pored više poznatih pristupa i razvijenih metoda za predikciju još nijedan nije generalno prihvaćen, kao jedinstven i pouzdan u svim uslovima.
Svi metodi predikcije se mogu podijeliti u tri grupe: statistički, deterministički i kombinovani. Deterministički se zasnivaju na fizičkim zakonima prostiranja talasa. Statistički su izvedeni na osnovu mjerenja u različitim tipovima okruženja. Kombinovani metodi se u osnovi zasnivaju na teorijskim zakonima, ali se razmatraju i mnogi statistički parametri koji uzimaju u obzir tip terena, zakrivljenje Zemlje, efekte atmosfere, uticaj zgrada, drveća i slično. Generalno se može reći da se statistički metodi više koriste. To prije svega zbog stohastičke prirode procesa vezanih za uspostavljanje i održavanja veze, kao i zbog činjenice da se složeni uslovi prostiranja u mobilnom radio kanalu vrlo teško mogu deterministički opisati.
Agencija procjenu stepena pokrivenosti signalom mobilnih mreža sprovodi po metodu definisanom najnovijom verzijom Preporuke ITU-R P.1812 "A path-specific propagation prediction method for point-to-area terrestrial services in the frequency range 30 MHz to 6 GHz " korišćenjem profesionalnog softverskog alata HTZ Communications proizvodača ATDI iz Francuske, a kao osnovu za predikciju koristi se digitalni model terena (DTM) Crne Gore rezolucije 50x50m sa odgovarajućim morfološkim klaterom.
Budući da se radi o posrednom modelovanju distribucije prijemog polja na mjestu prijema, uz veliki broj aproksimacija i primjenu generalizovanih parametara, predikcija snage primljenog signala ima ograničenu tačnost. Stoga se i dobijeni rezultati trebaju tumačiti imajući u vidu tu činjenicu.