CDMA 이동통신 공학 CH2. 전파 전파 (Radio Propagation)

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1 CDMA 이동통신 공학 CH2. 전파 전파 (Radio Propagation)

2 Contents 링크분석 (Link Analysis) 전파손실 (Propagation Loss) 전파음영 (Shadowing)
페이딩 (Fading) 다중경로 지연확산 14 Sep 2006

3 링크분석 (1/2) C/N (Carrier-to-noise ratio) 링크 방정식 반송파 전력 대 잡음 전력비
통신 시스템의 성능을 나타내는 지수 채널상에서 잡음 전력에 비하여 신호전력이 얼마나 큰가를 나타내는 파라미터 링크 방정식 C/N 계산을 위한 수식 : ERP : 송신 안테나로부터 유효방사 전력 Lp : 채널에서의 전파손실, 설계자에 의해 제어 불가능 Gr : 수신 안테나의 이득 N : 잡음 전력 ERP = PtLcGt Pt : 송신기 전력증폭기 출력단의 전력 Lc : 전력증폭기와 송신 안테나 사이의 케이블 손실 Gt : 송신 안테나 이득 14 Sep 2006

4 링크분석 (2/2) C/I (Carrier-to-interference ratio) N=kTW 반송파 전력 대 간섭 전력비
k : 볼쯔만 상수 (1.38×10-23 W/Hz/K) T : 수신단의 잡음 온도 W : 시스템의 대역폭 C/I (Carrier-to-interference ratio) 반송파 전력 대 간섭 전력비 분모가 열 잡음 전력뿐만 아니라, 다른 간섭원으로 부터의 간섭 전력도 포함 14 Sep 2006

5 전파손실 (1/5) 전파손실 신호가 송신기로부터 수신기까지 전송되면서 받게 되는 모든 손실 경로손실 예측 모델 자유공간 모델
Lee 모델 Hata 모델 송신기와 수신기 사이에 장애물이 존재하지 않고 가시선(LOS : Line Of Sight)을 따라서 전파가 전파되는 모델 자유공간에서 전파가 전송될 때 전파의 전력을 기준으로 모델링 자유공간을 통해 전송되는 위성 및 우주 통신 시스템에 이용 자유공간 상에서의 경로손실  곡선의 기울기 : -20 dB/decade [d : 송수신기 사이의 거리 / : 신호의 파장] [f : 수신 주파수] 14 Sep 2006

6 전파손실 (2/5) Lee 모델 전파가 자유공간을 통해 직접 전파되지 않고 빌딩, 나무, 언덕 등으로 인해 회절과 반사를 반복하여 수신점에 도달하는 경우 경로 손실이 발생하는 모델 종류 지역-지역 경로손실 예측 모델 : 특정 지형에 관계없이 일반적인 평탄한 지형에서의 전파경로에 대한 손실 점-점 경로손실 예측 모델 : 지역-지역 경로손실 예측 모델을 보정 육상의 Macro cell에 적용 간이식  곡선의 기울기 : dB/decade [d : 기지국과 이동국 사이의 거리 / h : 기지국 안테나 높이] 14 Sep 2006

7 전파손실 (3/5) Hata 모델 전파가 자유공간을 통해 직접 전파되지 않고 빌딩, 나무, 언덕 등으로 인해 회절과 반사를 반복하여 수신점에 도달하는 경우 경로 손실이 발생하는 모델 도심지역 전파 경로 손실 표준화 공식을 제공, 다른 환경으로의 응용이 가능하도록 수정 공식을 도입 육상의 Macro cell / 도시환경의 Macro Cell에 적용 수식  곡선의 기울기 : -[ log(hb)] dB/decade 파라메타 종류 a(hm) 도심지역 : a(hm)=[1.1log(f)-0.7]hm-[1.56log(f)-0.8] 밀집지역 : a(hm)=3.2[log(11.75hm)]2-4.97 [f : 반송주파수 / hb : 기지국 안테나 높이(30~200m) hm : 이동국 안테나 높이 (1~10m) / d : 기지국과 이동국 사이의 거리 (1~20km) 14 Sep 2006

8 전파손실 (4/5) K1 K2 K0 도시지역 : K0=0 밀집지역 : K0=3
150MHz ≤ f ≤ 1000MHz : K1=69.55 1500MHz ≤ f ≤ 2000MHz : K1=46.3 K2 150MHz ≤ f ≤ 1000MHz : K1=26.16 1500MHz ≤ f ≤ 2000MHz : K1=33.9 전파모델 비교 전파모델의 일반 방정식 Lp = -L0 - rlog(d) [r : 기울기] 기울기 : 신호전력이 거리에 따라 얼마나 심하게 감소하는지는 보여주는 계수 기지국 안테나 높이 : 30m 자유공간 모델 : -20 dB/decade Lee 모델 : dB/decade Hata 모델 : dB/decade 14 Sep 2006

9 전파손실 (5/5) 전파예측 모델의 거리에 따른 경호손실 비교 안테나 높이 : 30m 송신 주파수 : 881.5 MHz
Hata 모델의 안테나 높이 : 1.5m 14 Sep 2006

10 Fading (페이딩) (1/6) 개념 수신되는 전파가 지나온 매질의 변화에 따라 그 수신전파의 강도가 급격하게 변동되는 현상
분류 대규모 페이딩 (Large scale fading) 경로손실 (Path Loss) 송수신측간의 거리와 사용 주파수에 따라 기본적으로 발생하는 손실 이동국은 기지국에서 멀어짐에 따라 평균 수신 전력이 감소 느린 페이딩 (Slow Fading) 수신전력의 감소 주기는 반송파의 수 파장 동안 발생 평균전력과 표준편차를 갖는 대수-정규분포로 모델링 페이딩 (Fading) 대규모 페이딩 소규모 페이딩 경로손실 음영손실 다중경로 도플러 현상 14 Sep 2006

11 Fading (페이딩) (2/6) 음영손실 (Shadow Loss)
비교적 긴 범위의 전파경로상에서 건물, 언덕, 나무 등과 같은 장애물에 의해 신호의 평균 레벨이 변화하는 손실 느린 페이딩 (Slow Fading) 수신 전력의 감소 주기는 여러 파장 동안 발생하는 평균 동안 발생 대수-정규 확률분포로 모델링 <음영손실의 도식화> 14 Sep 2006

12 Fading (페이딩) (3/6) 소규모 페이딩 (Small scale fading)
다중경로 페이딩 (Multipath Fading) 수신측에 이르는 여러 전파경로로 인해 생기는 왜곡 현상 서로 다른 경로를 통한 후 수신된 신호 : 도착하는 시간이 다소 차이가 있으며 각각의 크기 및 위상이 차이 <다중경로 페이딩의 도식화> 14 Sep 2006

13 Fading (페이딩) (4/6) 도플러 (Doppler) 현상에 의한 페이딩
이동체가 수신측으로 빠르게 이동하거나, 반대로 멀어지면서 생기는 수신전파의 신호 대역폭 변화 반사파들은 다른 시간, 다른 크기, 다른 위상으로 수신 수신된 신호 : 신호가 이동국의 이동방향과 평행하게 전송 도플러 주파수 천이 : <도플러 현상> [N : 반사파 개수 / Rn : 반사경로의 크기/ f : 반송 주파수 / fD,n : 각 반사파의 주파수 천이] [v : 이동체의 속도] 14 Sep 2006

14 Fading (페이딩) (5/6) 확률밀도함수 : 수신된 신호의 동상성분과 직교위상 성분에 의한 표현식 동상성분 :
직교위상 성분 : 신호의 포락선 :  레일리(Rayleigh) 분포를 가짐 확률밀도함수 : 기지국이 일정한 포락선을 갖는 무 변조된 반송파를 전송  레일리 분포에 따른 포락선 변화 포락선의 변화에 따른 점유 대역폭은 이동국이 움직일 때 발생하는 최대 도플러 주파수 천이에 의해 결정 14 Sep 2006

15 <반송 주파수-페이드 사이의 간격>
Fading (페이딩) (6/6) 기지국에서 전송한 전자장이 서로 합쳐져서 주위에 정재파 형성  이동국이 이 영역을 이동함에 따라, 수신 신호의 진폭이 주기적으로 작아지는 페이드가 발생 수신기가 이 영역을 이동 : 수신된 크기와 위상의 변화율은 반송 주파수와 수신기의 이동속도에 영향을 받음 정재파 패턴은 크기가 동일 위상차가 180인 두 개의 신호를 합할 때 발생 <반송 주파수-페이드 사이의 간격> 14 Sep 2006

16 다중경로 지연 확산 (1/5) 다중경로 송신기에서 발생한 신호가 수신기에 직·간접적으로 도달할 때 발생
직접 경로와 반사 경로 사이의 경로차로 인해 수신기에 도착하는 시간이 차이 남 (a) 4-산란인 경우 (b) N-산란인 경우 - 송신측 : 하나의 delta 함수 송신 - 수신측 : 수신전력 감소하여 하나 의 부드러운 펄스 발생  Pulse Delay spread  Frequency Delay spread <다중경로 지연 개념> 14 Sep 2006

17 다중경로 지연 확산 (2/5) Time domain : Small : 심볼간 간섭 무시 가능
Large : 심볼간 over-lapping 발생 (Intersymbol Interference : ISI) 14 Sep 2006

18 다중경로 지연 확산 (3/5) Frequency domain :
Small : flat fading  상관대역폭(Bc) > 신호대역폭(Bd) : 신호대역폭 내에서 페이지 특성 변하지 않음 Large : frequency-selective fading  상관대역폭(Bc) < 신호대역폭(Bd) : 신호대역폭 내에서 페이지 특성 변함 간단한 모델 동일한 크기 A를 갖는 두 개의 다중경로가 존재 그 중 하나의 다중경로는 다른 것과 비교하여 만큼 지연 14 Sep 2006

19 다중경로 지연 확산 (4/5) 시간차가 인 두 개의 다중경로 성분 수신된 신호 : r(t)의 스펙트럼 : 14 Sep 2006

20 다중경로 지연 확산 (5/5) H(f) :  원래 신호 AS(f)를 변형시킨 채널의 전달함수
주파수 선택적 페이딩은 전달함수의 크기가 영으로 되는 것을 보면 명확히 알 수 있는데, 이는 다중경로 지연 때문에 발생된 것 14 Sep 2006