Greencom. Förstudie Arbetspaket 3. Innehållsförteckning. Omid Sotoudeh, Sören Karlsson ReQuTech AB. ReQuTech AB Page 1

Transkript

1 Greencom Omid Sotoudeh, Sören Karlsson ReQuTech AB Förstudie Arbetspaket 3 Innehållsförteckning. Inledning.... Bakgrund Implementerat system Litteraturstudie: Skogsmiljö och path-loss modeller Beräkning av sträckdämpning och modellering av skogsmiljön för 450 MHz Mobite systemet Antenntyp i det framtagna systemet Diskussion om antenntyper Implementering av diversitet Sammanfattning samt framtida arbete Referenser... 3 ReQuTech AB Page

2 . Inledning Denna rapport är en förstudie för Del 3 inom Greencom projektet. Del 3 behandlar nya antennlösningar för Mobite-systemet som är tillämpbara för skogsmaskiner. Då input från tidigare studier inte har varit klara vid starten av denna studie har arbetet gått parallellt med Del och Del.. Bakgrund Mobite-systemet [] är implementerat vid frekvensen 80 MHz. Systemet har fungerat väl för skogsbruk och man har även haft tillgång till en larmsändare som används när personer går ur skogsmaskinerna. För att effektivisera skogsbruket finns önskemål att gå över till ett nyare system som tillåter högre datahastighet. För att finna ett mer sofistikerat system än det tidigare 80 MHz systemet har en mobil enhet med CDMA på 450 MHz bandet med diversitet testats. Önskemålet är att förbättra täckningen som inte är i nivå med det tidigare 80 MHz systemet. Kunderna är glada för den högre datahastigheten som CDMA medger och de möjligheter för effektivisering detta innebär. Den antennprototyp som framtagits av Smarteq är optimerad för tålighet i skogsmiljö. Vidare har man prioriterat vertikal polarisation så att enheten även ska fungera som en vanlig station utanför skogen. Enligt Smarteq är antennen en S-typsantenn. Denna antenntyp används även för CDMA 450 systemet med diversitet på mottagarsidan. Vi ska här diskutera att kopplingen mellan huvudantenn (den antennen som både sändaren och mottagaren använder och mottagarens diversitetsantennen (en etra mottagarantenn som i vissa lägen ger tillskott till mottagaren som sitter i mobilen måste vara liten för att diversitetsvinsten ska vara tillräcklig hög. Enligt [] gör träden att horisontell polarisation fungerar bäst i skogen. Vidare att för 450 MHz är den horisontella polarisationen ca 4 db bättre än den vertikala mätt genom en skog på 00 m. Vi har däremot funnit i litteraturstudien här nedan att en tydlig preferens för de två polarisationsfallen är svårt att fastställa. Detta då vågen propagerar olika samt att polarisationsvridningen av vågen är olika för olika skogsmiljöer. Därför är en mätning av den svenska skogen för det framtagna systemet att föredra. Vi har även nedan föreslagit en behandlingsmetod av mätdata. En enkel jämförelse kan göras mellan systemens line-of-site sträckdämpning i frirymd för att kunna få en förståelse för skillnaderna mellan systemen. Skillnaden i frekvens mellan 80 MHz och 450 MHz ger en skillnad i sträckdämpning på ca db till 80 MHz fördel. Detta beräknas genom Friis formel Lp(dB= log0 F+0log0d (Lp = Sträckdämpning (Path loss, F= Frekvens i GHz, db = Decibel, d = Avstånd i kilometer. Skillnaden i mobilernas uteffekt mellan Mobite 80 MHz (+43 dbm och CDMA 450 (+4 dbm ger en ReQuTech AB Page

3 skillnad på 9 db på mobilens sändarsida. Mottagarkänsligheten för Mobite och CDMA är likvärdig på mobilsidan. Sammantaget ger detta att länkbudgeten är 3 db bättre för Mobite 80 MHz systemet i jämförelse med CDMA 450 MHz. Ice.Nets CDMA basstation sänder med 0 W (43 dbm och har en feeder till antennen som har en dämpning på,5 db och basstationens mottagarkänslighet är -06 dbm men tappar också,5 db på grund av feederns dämpning. Ice.Net terminal finns i två varianter en utan diversitet och en med diversitet uteffekten från sändaren är på 30 mw (5 dbm och mottagaren/ mottagarna ( i diversitetsfallet är det två mottagare har en känslighet på -04 dbm. Obalansen gör att nedlänk kan sända men upplänk kan inte svara i vissa lägen. Diversitetsalgoritmen fungerar på samma sätt för 450 MHz systemet som för 800 MHz och 900 MHz systemen, [3]. Kunderna kan ha köpt terminal utan diversitet eller terminal med diversitet. Diversitet bör ge kunderna bättre nedlänk men det är osäkert om det ger någon fördel då nedlänken redan är 6 db starkare än upplänk. Slutsatsen är att mobilens upplänk har lägre effekt än basens nedlänk och obalansen är 6 db. ReQuTech AB Page 3

4 3. Implementerat system 3.. Litteraturstudie: Skogsmiljö och path-loss modeller För att bättre förstå hur skogsmiljön påverkar den elektromagnetiska dämpningen vid olika frekvenser och även för olika polarisationer har vi gjort en litteraturstudie som redovisas nedan. Det är självklart att utbredning av elektromagnetiska fält i skogsmiljö inte följer den standard path-loss modell som ofta används i fria rymden och som vi har använt ovan. Skogen utgör en stark dämpning av fälten. Denna dämpning beror på höjden av sändare och mottagare över marken och dämpningsfaktorn avtar ofta logaritmisk med höjden. Utöver detta blir fälten stark depolariserade pga. multipla reflektioner. Reflektionerna sker till största del mot trädkroppen då deras dimensioner ofta utgör en del av våglängden. Detta medför att utnyttjande av både vertikal- och horisontal-polarisation kan ge en ökad vinst. Däremot kan man intuitivt inse att trädtopparna och lövverket ofta inte påverkar reflektionerna då dessa är alldeles för små i förhållande till våglängden. Lövverket kan då karakteriseras som en homogen massa som fältet tränger igenom. Författarna i [4] har gjort en studie för skogsmiljöer för frekvenser upptill 00 MHz, där även vågreflektioner mot jonosfären har tagits med i beräkningarna. Dessa reflektioner ger endast en bidragande faktor vid låga frekvenser. Det har också visats här att dämpningen kan reduceras genom att öka höjden för mottagar- eller sändarantennen. Figur visar den indelning av utbredningsmodellen som föreslås. Denna modell har vidare används flitigt inom litteraturen och varit grunden till mer avancerade modeller för högre frekvenser. Vi kommer här nedan att diskutera dessa modeller. Figur : Uppdelning av utbredningsmodellen i skog, luft, samt, jonosfären [4]. Införandet av jonosfären används främst för frekvenser upptill 00 MHz, då reflektionerna mot jonosfären kan ha en bidragande faktor. ReQuTech AB Page 4

5 Vidare diskuteras här att den utbredande vågen kan indelas i tre faktorer, Figur, dessa består av: den våg som propagerar längs marken i skogen; den våg som propagerar längs trädkronorna som även kallas lateralvåg, samt den våg som infaller in mot mottagaren genom reflektion mot jonosfären. Av dessa tre faktorer påstås den laterala vågen ge det största bidraget. Den direkta vågen avtar eponentiellt pga dämpningen i skogen. Vidare har studien visat att den våg som reflekteras i jonosfären har visat sig ha lägre effekt än den laterala vågen. Däremot kan den jonosfärreflekterande vågen få starkare bidrag än den laterala vågen vid längre avstånd, t e avstånd över 00 km. Figur : Indelning av utbredningskanalen i tre fältbidrag: fält reflekterade i jonosfären, fält som utbreder sig längs lövverket; samt fältet i skogen. Genom att anta den förenklade modellen i Figur där jorden antas ligga i, kan en indelning av fältbidragen göras som ger en enkel och ändå eperimentellt verifierad modell. De fält som finns i skogen ges av en GO (Geometrical Optics modell som indelar fälten i ett direkt line-of-site bidrag samt ett bidrag som kommer från reflektion mellan skog och luft övergången, Figur. Detta fält ges av, (3. Där k0 är vågnumret i luft r är gångväg för vågorna, samt f är funktioner som beskriver geometrin. De fält som finns i luften ovanför skogspartiet kan förenklas till en enkel reflektion mot jonosfären. Då kan fältet i punkten R i Figur pga reflektioner mot jonosfären ges av, ReQuTech AB Page 5

6 (3. Där H står för avståndet till jonosfären samt θi för vinkeln mellan infallande vågen och normalen till skogen, Ai står för en förlustfaktor pga absorption i jonosfären. Den laterala vågen representerar en diffraktionsterm för övergången från skog till luft. Denna term visar sig vara den dominerande faktorn för det totala fältet. Den laterala fältstrålen (eng. ray genereras från källan i skogen mot övergången från skog till luft med vinkeln θc enligt Figur. Sedan propagerar fältet längs trädtopparna och leds genom diffraktion ned mot mottagaren i R med samma vinkel. Den laterala vågen kan uttryckas med ekv. (-(4 i [4]. Denna våg avtar med /d där d är avståndet mellan sändare och mottagare. Då både den laterala samt luftvågen går i ett förlustfritt medium inses direkt att bidraget från del av vågen som utbreder sig i skogen blir mycket litet i förhållande till transmissionen genom luft. Vidare visas i [4] att den laterala vågen är dominant för frekvenser över 0 MHz. Även i [5] har en homogeniserad modell av skogen byggts upp. Denna modell håller endast för frekvenser upptill 00 MHz då våglängden är tillräckligt lång för att kunna karakterisera skogen som ett homogent dielektriskt medium. Genom detta antagande har transmissionen och beteendet av vågen vid en övergång från frifältsförhållande till skogsmiljö studerats. Författarna i [6] studerar kanalmodeller i skogsmiljön för frekvenser från HF-UHF. Detta görs genom numeriska modeller som bygger på moment-metods (MoM simulering för att karakterisera effekten från stammen i kombination med ett antal förenklingar för att kunna simulera skogsmiljön med MoM. Man har t.e. antagit att trädkronan kan simuleras som en homogen massa då våglängden är långt längre än löven och trädgrenarnas dimensioner. Utöver detta liknar modellen väldigt mycket den från förra referensen utöver det faktum att reflektioner mot jonosfären kan bortses ifrån vid dessa frekvenser. Figur 3, [6] visar hur modellen är uppbyggd genom att kombinera även högre ordningens laterala vågor som kommer till genom multipla reflektioner mellan träden i skogen. I denna modell beräknas det totala mottagna fältet genom alla bidrag från både de laterala samt de inbördes reflektionerna mellan träden i skogen. Där bidragen från träden beräknas med MoM genom att beräkna de strömmar som induceras på de dielektriska cylindrar som utgör stammarna i denna modell. Vidare ser vi även i figuren nedan att effekten från reflektioner mot marken tas med i beräkningarna då speglingsteori har använts. ReQuTech AB Page 6

7 Figur 3: Kanalmodell uppbyggd av de laterala vågorna i kombination med effekten från multipla reflektioner mellan träden, [6]. Man finner också att kanalen beskriver en Ricean-fädad miljö för olika skogsparametrar och även ett brett spektrum av frekvenser. Rayleigh-fädad kanalmodell används som standard för att studera en flervägsmiljö (eng. multi-path för karakterisering av kommunikationssystem. Författarna argumenterar att anledningen till att en Ricean-fädad modell fungerar bäst för skogen beror på lateralavågorna som skapar ett direkt line-of-site bidrag till Rayleighfädningen och resulterar i Ricean-modellen. Vidare diskuteras effekten av diversitet samt olika diversitetsalgoritmer i [6]. Diversitet studeras genom att placera 3 horisontella dipolantenner med inbördes avstånden.5λ samt km från sändaren. Tre olika typer diversitetsalgoritmer studeras, Selection Combining, Equal Gain Combining, samt, maimum Ratio Combining. Slutsatsen är att de olika diversitetsalgoritmerna i detta fall inte skiljer sig nämnvärt i diversitetsvinst. Vidare ses att diversitetsvinsten i detta fall för % i CDF kurvan motsvara ungefär en vinst i storleksordningen 5 db. ReQuTech AB Page 7

8 Figur 4: Den kommulativa fördelningsfunktionen för fädning i ett diversitetssystem beskrivet här ovan, [6]. SD selection, EG Equal Gain, samt MR Maimum Ratio kombineringsalgoritmer för diversitetssytemet. Ch står för den enkla dipolantennen i skogen. Författarna i [7] har använt sig av i grunden samma typ av modell för att studera skogsmiljön vid även högre frekvenser. I deras modell inkluderas den direkta-, mulipelreflekterade-, samt laterala vågen. Den laterala vågen visas ge ett stort bidrag vid transmission över längre avstånd. Skillnaden mellan denna modell och den från [4], [5] och [6] är att i denna modell har skogen även delats in i två områden i höjdled, ett område som består av trädstammarna, samt ett område som består av trädkronorna, Figur 5. På detta vis kan den diffraktion som sker i övergången från trädstammarna till trädkronorna tas med i beräkningarna. Vidare har transmissionen beräknats för olika frekvenser och distanser. Figur 6 visar förlusterna för de olika fältbidragen vid 500 MHz som funktion av avståndet mellan sändare-mottagare. Det laterala fältet ger ett starkt bidrag och är nästan helt dominerande vid avstånd över ungefär km. De direkta fälten avtar eponentiellt och påverkar vid kortare avstånd. De laterala vågorna visas vara helt dominerande vid frekvenser över 00 MHz. ReQuTech AB Page 8

9 Figur 5: Kanalmodell uppbyggd av fyra olika an-isotropa lager: transmission genom luften; trädkronorna; trädstammarna; samt jorden, [7]. Figur 6: Beräknad transmissionsförlust för en skog vid 500 MHz, [7]. I [8] har ultra-bredbandiga markstationer för operation från UHF till L bands frekvenser (300 MHz till 300 MHz använts för att studera dämpningen i olika skogsmiljöer. Det visas här att dämpningen i skogen i genomsnitt ökar med ökad frekvens. Olika träslag påverkar självklart också dämpningen. Eempelvis visas en ändring av dämpningen vid 800 MHz från 0. db/m till 0.3 db/m för olika träslag vid 5 graders infallsvinkel. Där infallsvinkeln är vinkeln ReQuTech AB Page 9

10 mellan marken och den infallande vågen. Dämpningen ökar också med infallsvinkeln mellan sändare och mottagare. Detta då mängden material i vågens väg ökar med infallsvinkeln. Utöver detta finner man också att en transmission från vertikal polariserad sändare till vertikal polariserad mottagare påverkas främst av mängden massa i transmissionsvägen. Detta innebär att ju mer tätbevuen skogen är desto högre blir dämpning. För horisontell polarisation är inte träslag eller infallsvinkeln den stora styrande faktorn för dämpningen. För detta fall styrs sträckdämpningen snarare av hur tätt lövverket är. Forskarna i [9] har genomfört en studie för att ta fram en utbredningsmodell för frekvenserna 50, 400, 900 och 900 MHz i den typiskt danska skogen. Detta har gjorts med TETRA (Terrestrial Trunked Radio systemet som tillämpning. TETRA är en standard för digital kommunikation för Private Mobile Radio (PMR. Denna standard erbjuder tjänster för grupper som arbetar i stränga miljöer som t e skog, bergstrakter och även på sjön. Man föreslår här en utbredningsmodell som ges av, P r r e K * GtGr (3.3 d 4r r Där d, K och alfa är funktioner av parametrar som frekvens och antennhöjder, samt G är antennvinsten. Funktionen kan därför användas för kurvanpassning till en serie mätningar för att kunna bygga upp en modell av dämpningen i skogen, detta genom att först beräkna fram de okända konstanterna genom kurvanpassningen. I [0] redovisas vidare att skillnaden mellan vertikala och horisontella fallet i de flesta fall inte är nämnvärt. Skillnaden i sträckdämpning ges ofta av typen skog och andra faktorer såsom infallsvinkel av vågen. ReQuTech AB Page 0

11 3.. Beräkning av sträckdämpning och modellering av skogsmiljön för 450 MHz Innan lämpligt antennsystem kan föreslås för denna tillämpning, bör vi ha en klar förståelse för den miljö som systemet ska utvecklas för. En mätning av skogsmiljön för att ha en klar förståelse för dämpningen i skogen som funktion av avstånd mellan sändare och mottagare, samt polarisationsvridning och diversitetsvinst kan vara lämpligt. Standard log-normal skuggningsmodell beskrivs här nedan. Log-normal modellen ger medelvärdet av sträckdämpningen som d PL (3.4 d PLd 0 0nlog d0 Där d är avståndet mellan sändare och mottagare, d 0 är referensavståndet, samt n är sträckdämpningseponenten. Sträckdämpningen anges i db. Genom att använda logaritmlagarna kan detta skrivas om som (3.5, där medelvärdet av mottagen effekt i dbm ges av P r d r d (3.5 0 d P d nlog C C logd Från ett givet mätdata kan vi då enkelt beräkna C 3 och C 4 genom att minimera medelkvadratsfelet mellan uppmätt och beräknat data i (3.5. Mottagen effekt ges då genom att implementera log-normala skuggningsmodellen. Mottagen effekt ges då av, (3.6 Pr d Pr d Där är Gaussisk stokastisk fördelning (db med medelvärdet noll. Denna funktion har standardavvikelsen (även db som ges av std P r P (3.7 (, measured r, estimated ReQuTech AB Page

12 3.3. Mobite systemet Mobite är ett avancerat system för mobil dataöverföring. I Sverige används frekvenser på 80 MHz bandet. Räckvidden är upp till km och merparten av Sveriges yta är täckt. Tekniken bakom Mobite togs fram av Ericsson och bygger på paketöverföringsteknik där datapaket skickas och tas emot löpande när kunden är i rörelse. Är kundens terminal avslagen mottar kunden paketet när terminalen slås på igen. Mobite är en öppen standard som lätt kan anpassas till kunders kommunikationsbehov. Systemet med Mobite har felrättningsteknik, redundans och leveransbekräftelse vilket gör det funktionssäkert. Användare av Mobite är bland annat skogsnäringen, tai och servicenäringar. Produkter för trådlös avläsning av drickaautomat, larm, nödsändare, med flera, finns framtaget och fungerar tillförlitligt med Mobite. Mobite kan ses som ett första steg att få ut datatrafik till skogsnäringen och nå ända ut i skogen. ICE.NET;s system kommer som steg två med högre dataöverföringshastighet till skogsnäringen och personal jobbande i skogsmaskiner ut i skogen. ReQuTech AB Page

13 3.4. Antenntyp i det framtagna systemet Tidigare antenner som används på skogsfordon är vanligtvis kvartsvågsantenner, men de har ofta placerats på olämpliga ställen, t.e. vid stolpar. Jordplanet som krävs finns ofta inte för antennen, loberna är inte jämt rundstrålande och loberna tiltar olika mycket runt fordonet. Smarteq;s antennlösning är en puckantenn, fysiskt liknande en större hockey puck. Pucken innehåller en S-antenn. Projektet har ännu inte fått någon information om den implementerade antennen, däremot har vi funnit referenser till en s.k. "S-shaped dipole antenna" i litteraturen []. I denna artikel har författarna skapat en dipolantenn som är formad som ett S. Denna antenn kopplar därför både till den horisontella samt den vertikala polarisationen av vågen. Detta innebär att antennen får en elliptisk polarisation, dvs. att korspolarisationen är betydligt högre än för en standard linjärpolariserad dipolantenn. I framtiden hoppas man kunna kombinera denna antenn med antenner för mobiltelefoni samt GPS. Då samtliga prototyper är ute på fältprov finns det inga tillgängliga för tester just nu. Figur 7: S dipolen []. ReQuTech AB Page 3

14 4. Diskussion om antenntyper För att bättre kunna studera lämplig antennkonstruktion för skogsmaskinerna, börjar vi med att studera möjliga lösningar med hjälp av enkla monopol- och dipolantenner. Elektriskt ledande objekt i närheten av en antenn påverkar både dess strålningsdiagram och även dess verkningsgrad. Det enklast fallet är då antennen placeras i närheten av ett jordplan. Den energi som träffas av jordplanet reflekteras och bidraget från den reflekterade energi påverkar de resulterande antennegenskaperna. Elektriska och magnetiska källors spegling över elektriska och magnetiska jordplan ger en pedagogisk beskrivning för att förstå antennegenskaperna när dessa placeras över jordplan. Strålningsfunktionerna för enkla vertikala och horisontella elektriska samt magnetiska dipoler över oändligt jordplan kan beräknas genom speglingsteori, [], [3]. En ideal dipolantenn har en strömfördelning som ges approimativt av en sinus-funktion med nollor längst ut i ändarna av antennen. Om antennens längd ökas över en våglängd (λ erhålls flera lober i fjärrfältet. Dipolens direktivitet ligger någonstans mellan.64 för l = λ/ upp till ungefär.4 för l = λ. En möjlig antennlösning i detta projekt är en antenn med ett omni-direktionellt strålningsdiagram med maima i samma plan som jordplanet, samt med endast noll i normalen till jordplanet. Detta erhålls av en vertikal dipol eller en kvartsvågsmonopol. Den vertikala dipolens höjd över jordplanet får då hållas under en kvartsvåg för att endast erhålla en nolla i strålningsdiagrammet (och detta i normalen till jordplanet. Om dipolens höjd över jordplanet ökas utöver detta λ/4, erhålls flera oönskade nollor i diagrammet. Dessa egenskaper beskrivs vidare i t e [] och [3]. λ/4 monopolen är då i detta avseende det bättre alternativet, då den är mer kompakt och har en direktivitet som är 3 db högre än en λ/ dipol vid oändliga jordplan. Direktiviteten för λ/4 monopolen styrs av jordplanets storlek. Läget på skogsfordonen är ofta sådana att man hittar tillräckligt bra jordplan för att få ut hela den teoretiska antennvinsten. Däremot täcker vi endast vertikalpolarisation med dessa lösningar. Om även den horisontella polarisationen ska utnyttjas, bör även en horisontal-polariseradantenn implementeras. En horisontell dipol är en möjlig enkel lösning. En horisontell dipol som placeras över ett jordplan får nollor längs aeln samt även längs hela horisontalplanet. Det kan då enkelt beräknas att strålningsdiagrammet för vertikala och horisontella dipoler påverkas av höjden över jordplanet. Placeringen av dipoler över ett jordplan bör optimeras i ett simuleringsprogram för att få in effekten av osymmetriska och ändliga jordplan. Vi har här nedan använt CST MicroWave Studio [4] för att titta på strålningsdiagrammet för en vertikal monopol och en horisontell dipol över ett jordplan med dimensionerna.5.5 m. Dipolen placeras här 0 cm över jordplanet och får ett strålningsdiagram med maima i normalen till jordplanet men även med väldigt bra täckning av det övre halvplanet. Monopolen placeras i mitten av jordplanet precis under dipolen. Monopolen har teoretiskt horisontalpolariserad omnidirektionell strålningsfunktion med maima i ungefär 45 grader från normalen till jordplanet. Vi kan däremot se att monopolens diagram är något förvrängd pga det ändliga jordplanet. Monopolen och dipolens inbördes koppling är i denna kombination etremt lågt. ReQuTech AB Page 4

15 Vertikal λ/4 monopolen vid 450 MHz över ett.5.5 m jordplan. Horisontell λ/ dipol vid 450 MHz, placerad med höjden 0cm över ett.5.5 m jordplan. Figur 8: Kombinationen av en monopol och dipol placerad 0 cm över ett jordplanet. 5. Implementering av diversitet Hittills har vi studerat utbredningsmodeller samt standard antennlösningar för skogsmiljöer. Det är viktigt att kunna karakterisera transmissionsmiljön för ett kommunikationssystem för att kunna diskutera förbättringar och möjlig vinst genom implementering av diversitet. Transmissionen mellan två antenner i skogsmiljö består av bidrag från dels line-of-sight (LOS samt bidrag från en stokastisk radiokanal skapad av miljön där systemet används. Skuggning (eng. shadowing samt fädning är de vanligaste orsakerna till reducerad signalkvalitet. Signalkvaliteten minskar med avståndet i en standard storskalig fädningsmodell, samt, med en påliggande småskalig fädning. Denna småskaliga fädning skapas av en flervägsmiljö (eng. muli-path som innebär att flera reflektioner skapas av objekt i vägen för LOS vågen. Dessa reflektioner bidrar till att flera versioner av den sända signalen mottas i mottagaren vid olika tider. ReQuTech AB Page 5

16 Signal Strengh Level(dB 0 Receiver speed = 0km/h fading dips Elapsed Time(ms Figur 9: Typisk variation av signalnivå i en fädad kanal. Summan av den våg som mottas består således av konstruktiv och destruktiv interferenssummering av de olika versioner som propagerar i miljön. En typisk sådan mottagen signal över tid ser vi i figuren ovan. Fädningsdipparna är markerade för tydlighets skull. Antenndiversitet implementeras för att förbättra signalkvaliteten vid tiden där den mottagna signalen hamnar i en dipp. Vid implementering av diversitet utnyttjas flera versioner av signalen för att skapa redundans i systemet. Om en signal hamnar i en dipp används andra versioner av signalen som med största sannolikhet har högre signalstyrka. Hur valet mellan dessa signalgrenar görs (eng. Branch bestäms genom den diversitetsarkitektur som utnyttjas. De vanligaste och enklaste typerna är Selection Combining (SC och Switch Combining (SWC. För SC används den starkaste grenen. För SWC används grenen med högst momentan signal till brus förhållande (SNR. Detta val av bästa gren samt byte görs då grenens SNR understiger ett visst fördefinierat värde. Andra algoritmer är Maimal Ratio Combining (MRC där alla grenarna viktas på ett optimalt sätt för att ge bästa kombinerad SNR. En version av detta är Equal Gain Combing (EGC där grenarna viktas lika och kombineras. Dessa två är de mest sofistikerade och de mest komplicera, men också de mest kostsamma algoritmerna. ReQuTech AB Page 6

17 Cumulative Probability Flera typer av antenndiversitet har föreslagits i litteraturen. Denna indelning av diversitetsbidragen är däremot endast ett pedagogiskt sätt att skapa förståelse för diversitet. Det är viktigt att inse att dessa bidrag ofta bör kombineras i det verkliga fallet för att ge den optimala prestanda som efterfrågas. Antenndiversitet kan indelas i: Polarisationsdiversitetet, där olika polarisationer används för att skapa de olika grenarna. De antenner som används ska då helst skapa två ortogonala polarisationer. Den diversitetsvinst man får i detta system är då också en funktion av hur bra korspolarisationsprestanda dessa antenner har. I det enkla fallet kan två dipoler, en horisontell och en vertikal, placeras på samma plats och då använda både det vertikala och horisontella kanalerna. Rymddiversitet, detta skapas genom att antennerna placeras på olika platser i ett diversitetssystem. Avståndet mellan dessa antenner är då viktigt för att de mottagna grenarna ska vara okorrelerade. Antenndiagramsdiversitet, denna typ av diversitet är en generalisering av polarisationsdiversitet och innebär att flera olika antenntyper med olika antenndiagram utnyttjas. För att kunna karakterisera ett system används termen diversitetsvinst (eng. diversity gain, DG. Denna vinst definieras som skillnaden mellan den kommulativa fördelningsfunktionen (CDF för diversitets-systemet och CDF för ett referenssystem. Detta vid en viss CDF nivå, ofta används nivån %. Inom litteraturen finns också flera olika definitioner på diversitetsvinst (diversity gain [5], [6]. Apparent diversity gain, definieras då referensen är den starkaste av signalnivåerna, effective diversity gain, då referensen är en antenn med 00% strålningsverkningsgrad, samt, actual diversity gain, då referensen är originalantennen i dess verkliga miljö (t e jordplan etc M=,Rayleigh reference M= 0 - Diversity Gain M= Relative SNR level(db Figur 0: Fördelningsfunktionen som funktion av relativ signal till brusförhållande för M kanals Selection Combining diversitet. M=4 M=6 M=0 ReQuTech AB Page 7

18 Korrelationskoefficienten mellan signaler från två antenner beräknas som en normerad kopplingsfunktion mellan fjärrfältsfunktionerna för antennerna [6]: 4 G total 4 G G total * total G d * total 4 G d total G * total d (5. Där G total G total är fjärrfältsfunktionerna för varje antenn. Absolutbeloppet av korrelationskoefficienten kan också beräknas genom S-matrisen för våra två antenner genom, S S S S e (5. ( ( S S ( ( S S * * e (5.3 Ekv. (5. kan användas för att optimera ett diversitetssystem genom att göra snabba beräkningar och karakterisering av diversitetsvinsten. Detta kan göras genom att beräkna korrelationskoefficienten enligt (5. för det enkla friarums-fallet där de inkommande fälten antas ha uniform slupmässig fördelning, d.v.s. en isotrop miljö. Enligt diskussionen ovan inses att detta inte representerar en skogsmiljö. Enligt ovan inses det att fälten för transmission i skogen representeras bäst genom de direkta samt laterala vågorna. Däremot kan denna formel användas för att optimera diversitetsvinst. Det görs under antagandet att en optimal diversitetsprestanda i den isotropa miljön, även presterar med maimal antenndiversitetsvinst i den verkliga skogsmiljön. ReQuTech AB Page 8

19 ReQuTech AB Page Correlation Coefficient Diversity Gain(dB Figur : Förhållandet mellan apparent diversity gain samt korrelationskoefficient i fallet för selection combining. Diversitetsvinsten beräknas genom den komplea korrelationskoefficienten. Den kommulativa fördelningsfunktionen för att det momentana SNR är lägre än värdet beräknas genom [7], ] (, ( ( [ ep( (, ( ( ep( Pr( Q Q ] ( [ ]I ( ep [ (, ( ( ep( (, ( ( ep( 0 Q Q Där, är medel SNR för antennerna och, samt, är den komplea korrelationskoefficienten. Q står för Q-funktionen samt I 0 för Bessel-funktionen av ordningen 0. En ökad diversitetsvinsten DG nås genom att minska korrelationen mellan signalerna.

20 Detta görs enligt diskussionen ovan genom att minska kopplingen mellan de antenner som används i systemet. Vi måste dock ha en förståelse för hur mycket diversitetsvinst vi kan få för en viss minskning av kopplingen. Detta då det i vissa fall kan visas vara väldigt svårt att reducera kopplingen mellan antenner något nämnvärt utöver det som redan har kunnat genomföras. Dessutom försämras även verkningsgraden när antennerna placeras närmare varandra. Antennimpedansen ändras och matchningen av antennerna försämras allt eftersom de placeras nära varandra, vilket leder till en reducering av strålningsverkningsgraden. Det kan då argumenteras att matchningen kan optimeras för en viss antennplacering så att vi strålar ut så mycket effekt som möjligt. Däremot är det viktigt att inse att direktiviteten samt antennernas strålningsdiagram då fortfarande kommer att vara ändrad. För att få optimal diversitetsvinst måste kopplingen mellan huvudantennen och diversitetsantennen minimeras. I Figur har korrelationskoefficienten beräknats [8] för två dipoler som är placerade parallellt och ortogonalt mot varandra. I det parallella fallet ses här nedan att låg korrelationskoefficient och därmed en hög diversitetsvinst kan uppnås redan då avståndet mellan dipolerna är i storleksordningen en halv våglängd. För det ortogonala fallet kan det visas att hög diversitetsvinst uppnås oberoende av avståndet mellan dipolerna. Detta beror på att dipolerna kopplar väldigt lite till varandra. Figur : Absolutbeloppet av korrelationskoefficienten samt S-matrisen för två parallella halvvågsdipoler som funktion av deras avstånd i våglängd [8]. ReQuTech AB Page 0

21 6. Sammanfattning samt framtida arbete I denna rapport har vi genomfört en litteraturstudie inom den forskning som genomförts inom modeller för sträckdämpning i olika skogsmiljöer. Det har visats både empiriskt och teoretiskt att kanalen i en skogsmiljö beskrivs i huvudsak av en så kallad lateral våg. Den laterala vågen leds längs trädtopparna. Det förslagna antennsystemet har ännu inte testats i skogsmiljön, och divesitetsvinsten har ännu inte karakteriserats med avseende på antennplacering eller antennpolarisation. De studier som tidigare har genomförts i litteraturstudien visar ingen tydlig tendens för valet av antennpolarisation. Vi har vidare funnit i litteraturstudien att ett tydligt val mellan de två polarisationsfallen är svårt att göra. Detta då polarisationsvridningen av vågen är olika för olika skogsmiljöer. Vi har även föreslagit en behandlingsmetod av mätdata. Det kan diskuteras att det därför kanske är av fördel att även i detta projekt genomföra en mätkampanj i våra skogar samt att finna en modell för denna skogsmiljö. Det som återstår att beakta i arbetet är S-typantennens verkningsgrad och direktivitet, samt om det är möjligt att använda två S-antenner för att få diversitetsvinst. Vidare har vi diskuterat diversitet samt hur diversitetsvinst kan beräknas genom mätningar. Följande arbetspunkter är viktiga att genomföra för att kunna fortsätta detta arbete: Elektromagnetiska simuleringar av enkla dipol- och monopol antenner placerade över en riktig skogsmaskinshytt. En kombination av horisontell dipol med en kvartvågsmonopol, som förslaget ovan kan enkelt realiseras. Dessa antenner är enkla att tillverka samt ger relativt hög antennvinst. Dessa antenner kan ha högre antennvinst i detta system då den laterala vågen står för huvuddelen av transmissionen. Vidare bör denna enkla antennkonstruktion jämföras med den framtagna S-antennen. Metod och programvara i [9]-[9] användas för att studera optimal antennkonfiguration med avseende på diversitetsvinst. Enlig [5]-[7] leds vi till slutsatsen att diversitet bör implementeras för detta system genom att utnyttja både den vertikala och den horisontella polarisationen. Detta då transmission genom skogen har visats genomgå en stark de-polarisation. Det är också känt att basstationen i detta system sänder med en polarisation som är riktad i ±45º planen. Därmed är det viktigt att kunna utnyttja både vertikal- och horisontal polarisationerna i ett diversitetssystem för att få maimal gain. Antenndiversitet: ett sätt att uppnå denna polarisationsdiversitet är att utnyttja två typer av antenner. En kvartsvågsmonopol (vertikal polarisation samt en horisontell dipol skulle kunna placeras på hytten. Genom att implementera en horisontell dipol kan fält infallande ovanifrån samt vinklar runt normalen till marken mottas. Dessa fält representerar infall från den laterala fältkomponenten. De laterala fältkomponenterna anses ha dominant bidrag vid transmission över långa avstånd i skogsmiljöer. Skogsmiljön samt den laterala vågen kan också implementeras i simuleringsverktyget MPA i [9]-[9]. Detta kan bli ett väldigt användbart verktyg för optimering av antenner för skogsmiljön. ReQuTech AB Page

22 Vid användande av direktiva antenner fås en bättre antennförstärkning men huvudloben måste då styras av ett system. Då fordonen rör sig kontinuerligt verkar lösningen med direktiva antenner inte vara någon realistisk kandidat för förbättring av antennlösning för skogsfordon. Diversitet är redan implementerat i den framtagna radiolösningen. För att få ut det mesta av antennsystemet måste vi veta vilken diversitetsalgoritm som är implementerad. Anders Andersson Ice.net håller på att ta fram svar på denna fråga. ReQuTech AB Page

23 7. Referenser []. J. Robert, P. E. Fraser, The Mobite Terminal Specification, Reprinted from Communications July 99 and August 99. []. Perant AB, Den första boken om digital radio, [3]. Roy Davis, Parag Agashe Walid Hamdy, Etienne Chaponniere, Mobile Receive Diversity in CDMA000 Simulation and Field Test Results, Qualcomm inc.: [4]. T. Tamir, On radio-wave propagation in forest environments ; Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, Volume 5, Issue 6, Nov 967 Page(s: [5]. Tamir, T.;Radio wave propagation along mied paths in forest environments, Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, Volume 5, Issue 4, Jul 977 Page(s: [6]. Sarabandi, K.; Il-Suek Koh; A complete physics-based channel parameter simulation for wave propagation in a forest environment, Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, Volume 49, Issue, Feb 00 Page(s:60 7. [7]. Le-Wei Li; Jin-Hou Koh; Tat-Soon Yeo; Mook-Seng Leong; Pang-Shyan Kooi; Analysis of radiowave propagation in a four-layered anisotropic forest environment, Geoscience and Remote Sensing, IEEE Transactions on, Volume 37, Issue 4, July 999 Page(s: [8]. D. R. Sheen, Member, IEEE, N. P. Malinas, D. W. Kletzli, Jr., T. B. Lewis, and Juan F. Roman, Foliage Transmission Measurements Using a Ground-Based Ultrawide Band ( MHz SAR System, IEEE transactions on geoscience and remote sensing, Volume 3, no. I, January 994. [9]. Kovacs, I.Z.; Eggers, P.C.F.; Olesen, K., Radio channel characterisation for forest environments in the VHF and UHF frequency bands, Vehicular Technology Conference, 999. VTC Fall. IEEE VTS 50 th, Volume 3, Date: 999, Pages: [0]. W. J. Vogel, G. H. Hagn, Effects of Trees on Slant Propagation Paths,ISART '99 Boulder, Sept. 8-0, 999. []. H. Elkamchouchi; M., Abu Nasr, The S-shaped dipole antenna, Microwave and Millimeter Wave Technology, 004. ICMMT 4th International Conference on, Proceedings Date: 8- Aug. 004, P 9. []. C. A. Balanis, Antenna Theory, Harper and Row, publishing,new York 98, ISBN [3]. P.-S. Kildal, Foundations of antennas - a unified approach, Studentlitteratur, 000. [4]. CST Microwave Studio, [5]. K. Rosengren, Characterization of Terminal Antennas for Diversity and MIMO Systems by Theory, Simulations and Measurements in Reverberation Chamber, Ph.D. thesis, Chalmers University of Technology, 005. ReQuTech AB Page 3

24 [6]. P-S. Kildal, K. Rosengren, "Electromagnetic Analysis of Effective and Apparent Diversity Gain of Two Parallel Dipoles", IEEE antennas and wireless Propagation Letters, Volume, 003. [7]. M. Schwartz, W. R. Bennett, S. Stein, "Communication System and Techniques", New York, McGraw-Hill, 965. [8]. K. Fijimoto, J. R. James, "Mobile Antenna System Handbook", Artech House, 000. [9]. J. Carlsson, K. Karlsson, Analysis and optimization of multi-port antennas by using circuit simulation and embedded element patterns from full-wave simulation, Antennas and Propagation Society International Symposium, 008. AP-S 008. IEEE 5- July 008 Page(s: 4. [0]. K. Karlsson, Embedded Element Patterns in Combination with Circuit Simulations for Multi- Port Antenna Analysis, PhD thesis, Department of Signals and Systems Antenna group, Chalmers University of Technology, Sweden, Oct., 009. ISBN ReQuTech AB Page 4