Ραδιοκάλυψη σε κυψελωτά συστήματα κινητών επικοινωνιών με χρήση ηλεκτρομαγνητικών μεθόδων διάδοσης
Authors: Παπκέλης Ευστράτιος 
Published: August 2021

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί η μελέτη, μοντελοποίηση σε φυσικό επίπεδο και προσομοίωση της ραδιοδιάδοσης σε συστήματα ασυρμάτων και κινητών επικοινωνιών. Για την ανάλυση αυτή πραγματοποιείται αρχικά εκτενής μελέτη των μηχανισμών διάδοσης ηλεκτρομαγνητικών (Η/Μ) κυμάτων στην περιοχή των υψηλών συχνοτήτων με χρήση κατάλληλων ασυμπτωτικών μεθόδων υπολογισμού. Στη συνέχεια υλοποιείται πρόγραμμα προσομοίωσης της ραδιοκάλυψης σε τυπικά μικροκυψελωτά περιβάλλοντα εξωτερικών χώρων. Οι εκτεταμένες ερευνητικές προσπάθειες των τελευταίων ετών στον τομέα αυτό πηγάζουν από την επιτακτική ανάγκη ύπαρξης αποτελεσματικών υπολογιστικών εργαλείων πρόβλεψης τόσο της κατανομής της μέσης ηλεκτρομαγνητικής ισχύος, όσο και της στατιστικής συμπεριφοράς της, ώστε να μπορούν να εκτιμηθούν η επάρκεια της στάθμης ισχύος για την εξυπηρέτηση της ζητούμενης ζεύξης, καθώς και οι παρεμβολές που προκαλούνται σε ζεύξεις γειτονικών κυψελών που λειτουργούν στην ίδια συχνότητα. Αρχικά περιγράφονται συνοπτικά τα κύρια χαρακτηριστικά και οι αρχές λειτουργίας των εμπειρικών και θεωρητικών μεθόδων πρόβλεψης της διάδοσης σήματος στις ασύρματες ζεύξεις μικρής απόστασης και στα ασύρματα τοπικά δίκτυα που έχουν προταθεί κατά καιρούς στη διεθνή βιβλιογραφία. Για κάθε μεθοδολογία υπογραμμίζονται οι προσεγγίσεις και οι προϋποθέσεις αποτελεσματικής εφαρμογής της. Έμφαση δίνεται στις αρχές της Φυσικής Οπτικής (Physical Optics - PO) και της Φυσικής Θεωρίας της Περίθλασης (Physical Theory of Diffraction - PTD), που είναι και οι μεθοδολογίες που ακολουθούνται στο υπό ανάπτυξη μοντέλο ραδιοκάλυψης για τον υπολογισμό των σκεδαζόμενων και περιθλώμενων πεδίων στην περιοχή του μακρινού πεδίου. Ωστόσο, επειδή σε ένα τυπικό αστικό περιβάλλον λόγω των μεγάλων διαστάσεων των τοίχων των κτιρίων και των διάφορων άλλων εμποδίων που συνθέτουν το περιβάλλον διάδοσης, το σκεδαζόμενο πεδίο πρώτης και ανώτερης τάξης δεν ικανοποιεί τις συνθήκες μακρινού πεδίου στο μεγαλύτερο μέρος της περιοχής κάλυψης, προτείνεται μία μέθοδος υπολογισμού του πεδίου σκέδασης στην περιοχή του κοντινού πεδίου και της ζώνης Fresnel. Η μεθοδολογία αυτή στηρίζεται στον ακριβή υπολογισμό των όρων που εισάγει η θεωρία της Φυσικής Οπτικής με χρήση αριθμητικών μεθόδων ολοκλήρωσης. Ο υπολογισμός της συμβολής των όρων του κοντινού πεδίου και η σύγκριση με άλλες μεθόδους και πειραματικά αποτελέσματα, επιβεβαιώνουν τη σημαντικότητα ενσωμάτωσης της προτεινόμενης μεθόδου στον υπολογισμό του πεδίου λήψης, ιδιαίτερα κοντά στις ηλεκτρικά μεγάλες επιφάνειες των σκεδαστών, όπου δεν ισχύουν οι συνθήκες του μακρινού πεδίου. Στη συνέχεια περιγράφεται ο αλγόριθμος προσομοίωσης για την περίπτωση του δισδιάστατου προβλήματος, μια πρώτη ικανοποιητική προσέγγιση του πραγματικού τρισδιάστατου προβλήματος, με την προϋπόθεση ο σταθμός βάσης του μικροκυψελωτού συστήματος και ο δέκτης να βρίσκονται στο ίδιο περίπου ύψος και αρκετά χαμηλότερα από το επίπεδο οροφής των κτιρίων. Ιδιαίτερη αναφορά γίνεται στη μοντελοποίηση των γεωμετρικών και ηλεκτρικών παραμέτρων του περιβάλλοντος ραδιοδιάδοσης και στον προτεινόμενο αλγόριθμο εύρεσης των περιοχών σκίασης από πρωτογενείς και δευτερογενείς πηγές εκπομπής. Επιπροσθέτως, αξιολογείται η συμβολή των επιμέρους μηχανισμών διάδοσης στο συνολικά λαμβανόμενο πεδίο και εξετάζεται η επίδραση των ηλεκτρομαγνητικών παραμέτρων του πεδίου εκπομπής. Τα παραγόμενα διαγράμματα ραδιοκάλυψης δίνονται στη μορφή του πλάτους του λαμβανόμενου πεδίου, της πυκνότητας ισχύος και των απωλειών διαδρομής και συγκρίνονται με αντίστοιχα αποτελέσματα άλλων δημοσιευμένων προγραμμάτων ραδιοκάλυψης και πειραματικών μετρήσεων. Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα των προγραμμάτων προσομοίωσης της ραδιοκάλυψης σε σύνθετα αστικά περιβάλλοντα, είναι οι μεγάλοι χρόνοι υπολογισμού. Στο προτεινόμενο μοντέλο, η κύρια αιτία αύξησης του χρόνου προσομοίωσης είναι οι χρονοβόρες διαδικασίες της αριθμητικής ολοκλήρωσης. Για την επιτάχυνση της διαδικασίας, εισάγεται μία τεχνική υπολογισμού του σκεδαζόμενου πεδίου, η οποία βασίζεται στη διαίρεση του σκεδαστή σε μικρές κυψέλες (‘Near to Far Field Transformation’ method). H ενσωμάτωση της τεχνικής αυτής στο πρόγραμμα προσομοίωσης, βελτιώνει δραστικά τους χρόνους υπολογισμού, παρέχοντας μάλιστα επιπλέον βελτίωση στην ακρίβεια των αποτελεσμάτων. Ολοκληρώνοντας τη μελέτη των μηχανισμών διάδοσης για τις ανάγκες του προβλήματος της ραδιοκάλυψης, μελετώνται αναλυτικά όλες οι γνωστές μέθοδοι υπολογισμού του (μακρινού) πεδίου περίθλασης και εξετάζονται διεξοδικά η ακρίβεια τους στις φωτιζόμενες και σκιαζόμενες περιοχές, καθώς και τα προβλήματα ασυνεχειών στις περιοχές μετάβασης. Τέλος, εισάγεται μία μέθοδος υπολογισμού του πεδίου περίθλασης στις περιοχές του κοντινού πεδίου και της ζώνης Fresnel, που βασίζεται στην τρισδιάστατη Φυσική Θεωρία της Περίθλασης και στην υπέρθεση των συνεισφορών (κατάλληλα επιλεγμένου αριθμού) μικρότερων τομέων, στους οποίους διακριτοποιείται η περιθλώσα ακμή.