ΕΞΑΣΘΕΝΗΣΗ ΑΠΟ ΒΛΑΣΤΗΣΗ. ΣΤΗ ΖΩΝΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ 30 MHz ΕΩΣ 60 GHz.

Transcript

1 ΕΞΑΣΘΕΝΗΣΗ ΑΠΟ ΒΛΑΣΤΗΣΗ ΣΤΗ ΖΩΝΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ 30 MHz ΕΩΣ 60 GHz. Εισαγωγή Έχει παρατηρηθεί, ότι η εξασθένηση των ραδιοκυµάτων και µικροκυµάτων, που προκύπτει από βλάστηση, µπορεί σε ορισµένες περιπτώσεις να είναι σηµαντική. Ωστόσο, το ευρύ φάσµα συνθηκών χλωρίδας και τύπων φυλλώµατος καθιστά δύσκολη την ανάπτυξη µιας γενικής διαδικασίας πρόβλεψης. Επιπλέον, υπάρχει έλλειψη κατάλληλων πειραµατικών στοιχείων, που ενδεχοµένως θα µπορούσαν να χρησιµοποιηθούν στη σύνθεση τέτοιων µοντέλων. Τα µοντέλα που θα περιγραφούν στα επόµενα ισχύουν για συγκεκριµένες ζώνες συχνοτήτων και για διάφορους τύπους γεωµετρίας της διαδροµής. 2 Επίγεια ραδιοζεύξη µε ένα τερµατικό σε δασώδη περιοχή Έστω επίγεια ραδιοζεύξη, ένα τερµατικό της οποίας βρίσκεται σε δασώδη περιοχή ή σε περιοχή πυκνής βλάστησης. Η επιπρόσθετη απώλεια µπορεί να υπολογιστεί από τον ειδικό ρυθµό εξασθένησης (db/m), που οφείλεται κυρίως στην διασπορά εκτός της διαδροµής του ραδιοκύµατος και µετριέται σε µια πολύ βραχεία διαδροµή, και τη µέγιστη συνολική πρόσθετη εξασθένηση, η οποία οφείλεται σε ύπαρξη βλάστησης στην διαδροµή του ραδιοκύµατος (db), όπως περιορίζεται από την επίδραση άλλων µηχανισµών, συµπεριλαµβανοµένης της διάδοσης κυµάτων επιφανείας στην κορυφή της βλάστησης και της προς τα εµπρός διασποράς τους στην βλάστηση. Στο σχήµα ο ποµπός ευρίσκεται εκτός της δασώδους περιοχής και ο δέκτης βρίσκεται σε ορισµένη απόσταση, d, µέσα σ αυτήν. Η επιπρόσθετη εξασθένηση, A ev, λόγω της παρουσίας της βλάστησης, θα δίδεται από τη σχέση: A ev = A m [ exp ( d / A m ) ] () ITU 833.3

2 2 όπου: d : γ : A m : το µήκος της ραδιοζεύξης στη δασώδη έκταση (m) η ειδική εξασθένηση για πολύ µικρές διαδροµές σε βλάστηση (db/m) η µέγιστη εξασθένηση για δεδοµένο τύπο τερµατικού, που βρίσκεται µέσα σε συγκεκριµένου τύπου βλάστησης και σε συγκεκριµένο βάθος σ αυτήν(db). ΣΧΗ ΜΑ Αντιπροσωπευτική διαδροµή ραδιοσήµατος σε δασώδη έκταση Tx Rx d γ Πρόσθετη απώλεια A ev (db) Απόσταση σε δασώδη έκταση,d A m Η επιπρόσθετη εξασθένηση, A ev, εν προκειµένω θα προστίθεται στις συνολικές απώλειες οι οποίες θα προκύπτουν από όλους τους υπόλοιπους µηχανισµούς και όχι απλώς στις απώλειες ελευθέρου χώρου. Έτσι, και εφόσον η γεωµετρία της διαδροµής στο Σχήµα είναι τέτοια, που να µην εξασφαλίζεται απόλυτα ελεύθερη απόσταση Fresnel από το έδαφος, η εξασθένηση A ev προκύπτει ως µια επιπρόσθετη εξασθένηση, η οποία υπερτίθεται στις υπόλοιπες απώλειες π.χ. ελεύθερου χώρου, ατµοσφαιρικών αερίων κλπ. Παρατηρείται, ότι η τιµή A m είναι ισοδύναµη µε την εκ περιθλάσεως απώλεια, που προκύπτει στην περίπτωση κατά τη οποία κάποιο τερµατικό παρεµποδίζεται από κάποια µορφή κοντινού εµποδίου. Η τιµή γ db/m της επιπρόσθετης, λόγω βλάστησης,

3 3 απώλειας, εξαρτάται από το είδος και την πυκνότητα της βλάστησης. Στο σχήµα 2 παρατίθενται προσεγγιστικές τιµές της γ συναρτήσει της συχνότητας. Η τιµή A m (db) της µέγιστης εξασθένησης, όπως αυτή περιορίζεται λόγω διασποράς από το κύµα επιφανείας, εξαρτάται από το είδος και την πυκνότητα της βλάστησης, καθώς επίσης και από το διάγραµµα ακτινοβολίας της κεραίας και το ύψος της βλάστησης. Το σχήµα 2 παρουσιάζει τυπικές µετρηµένες τιµές της ειδικής εξασθένησης στο φάσµα συχνοτήτων από 30 MHz µέχρι περίπου 30 GHz σε δασώδη έκταση. Στη ζώνη κάτω από GHz, υπάρχει η τάση τα κατακόρυφα πολωµένα σήµατα να υφίστανται µεγαλύτερη εξασθένηση από τα οριζοντίως πολωµένα, γεγονός που πιθανώς οφείλεται στην διασπορά λόγω των κορµών των δένδρων. ΣΧΗΜΑ 2 Ειδική εξασθένηση λόγω δασώδους έκτασης 0 Ειδική εξασθένηση (db/m) V H MHz 00 MHz GHz 0 GHz 00 GHz V: κατακόρυφη πόλωση H: οριζόντια πόλωση Συχνότητα Βεβαίως, η εξασθένηση λόγω βλάστησης ποικίλλει σηµαντικά και εξαιτίας της ακανόνιστης φύσης του µέσου και της πληθώρας των ειδών της βλάστησης, της πυκνότητάς της και της περιεκτικότητας των φυτών σε νερό. Οι τιµές που παρουσιάζονται στο σχήµα 2 θα πρέπει να θεωρούνται ενδεικτικές.

4 4 Σε περιοχές συχνοτήτων της τάξεως του GHz, η ειδική εξασθένηση που οφείλεται σε δέντρα µε φύλλωµα φαίνεται να είναι περίπου κατά 20% µεγαλύτερη (db/m), από ότι σε δένδρα χωρίς φύλλωµα. Η εξασθένηση µπορεί επίσης να ποικίλλει και ανάλογα µε τη κίνηση των φυλλωµάτων από τον αέρα. Οι τιµές που ελήφθησαν από µετρήσεις στο φάσµα συχνοτήτων MHz, σε πάρκο µε τροπικά δένδρα στην πόλη Rio de Janeiro (Βραζιλία) δείχνουν µία εξάρτηση συχνοτήτων A m : A m = 0.8 f (2) όπου f είναι η συχνότητα (MHz). Το µέσο ύψος των δένδρων ήταν 5 m και το ύψος της κεραίας λήψης ήταν 2.4 m. 3 Μεµονωµένο βλαστικό εµπόδιο 3. Συχνότητες µέχρι 3 GHz Η εξίσωση () δεν ισχύει στην περίπτωση διαδροµής ραδιοκύµατος που εµποδίζεται από ένα και µόνο βλαστικό εµπόδιο, όταν αµφότερα τα τερµατικά βρίσκονται εκτός της βλάστησης, όπως για παράδειγµα σε µια διαδροµή που διέρχεται κάτω από ένα µόνο δένδρο. Στα VHF και UHF, όπου η ειδική εξασθένηση λαµβάνει σχετικά χαµηλές τιµές, και συγκεκριµένα στα σηµεία όπου τα ραδιοκύµατα εµφανίζουν µικρές διαδροµές µέσα σε βλάστηση, µπορεί να χρησιµοποιηθεί προσεγγιστικά η ειδική εξασθένηση από τη σχέση: όπου: A et = d γ (3) d : γ : A et το µήκος της διαδροµής κάτω από το δένδρο (m) ειδική εξασθένηση για πολύ µικρές διαδροµές σε βλάστηση (db/m) η χαµηλότερη πρόσθετη εξασθένηση για άλλες διαδροµές (db).

5 5 Ο περιορισµός µιας µέγιστης τιµής A et είναι αναγκαίος δεδοµένου ότι, εάν η ειδική εξασθένηση είναι πολύ υψηλή, θα υπάρχει µια διαδροµή µε µικρότερη απώλεια γύρω από την περιοχή της βλάστησης. Μια προσεγγιστική τιµή της ελάχιστης εξασθένησης, που αφορά τις υπόλοιπες διαδροµές, µπορεί να υπολογιστεί µε την προσέγγιση ενός θόλου κάτω από το δένδρο, το οποίο θεωρείται ως ένα λεπτό, περιορισµένου πλάτους παραπέτασµα περίθλασης, χρησιµοποιώντας την µέθοδο που αναφέρεται στην ITU-R P.526. Σε γενικές γραµµές βέβαια, η εξίσωση τείνει να υπερεκτιµά την επιπρόσθετη απώλεια λόγω της βλάστησης συνεπώς είναι κατάλληλη για την κατά προσέγγιση εκτίµηση της επιπρόσθετης απώλειας. Από την άλλη µεριά εφόσον η εξίσωση χρησιµοποιηθεί για κάποιο µη επιθυµητό σήµα, πιθανότατα θα υποεκτιµήσει σηµαντικά την προκύπτουσα παρεµβολή. 3.2 Συχνότητες άνω των 5 GHz Η εξασθένηση που οφείλεται σε βλάστησης παίζει σηµαντικό ρόλο σε ασύρµατα ευρυζωνικά συστήµατα. Τα συστήµατα αυτά λειτουργούν συνήθως σε µορφή αστροειδούς δικτύου, τα οποία διαθέτουν hub ή σταθµό βάσης στο κατάλληλο σηµείο, και εξυπηρετούν µεµονωµένους χρήστες µε κεραίες οροφής. Σε πολλές περιπτώσεις τα σήµατα θα υποστούν την εξασθένηση από τη βλάστηση που βρίσκεται κοντά στην κεραία του χρήστη. Για λόγους απλοποίησης, η κεραία του hub θα αναφέρεται ως ποµπός και η κεραία του χρήστη ως δέκτης. Για συχνότητες υψηλότερες από 5 GHz, έχει αναπτυχθεί ένα εµπειρικό µοντέλο διάδοσης µέσω βλάστησης που προβλέπει την επιπρόσθετη απώλεια λόγω της παρουσίας κάποιου όγκου φυλλωµάτων. Στην πράξη τα µικροκύµατα θα ενισχυθούν λόγω της διάδοσης διαµέσου της βλάστησης και της περίθλασης γύρω από αυτή. Το σήµα από περίθλαση µπορεί να υπολογιστεί µε την χρήση της µεθόδου που παρουσιάζεται στην Σύσταση ITU-R P.526. Η επίδραση αυτών των δύο µηχανισµών διάδοσης θα περιορίσει τη συνολική απώλεια λόγω βλάστησης. Το µοντέλο προέκυψε από βάση δεδοµένων µε δεδοµένα µετρήσεων στο φάσµα συχνοτήτων GHz και λαµβάνει υπόψη και τη γεωµετρία του χώρου, υπό την έννοια του «φωτισµού» της βλάστησης από τις κεραίες, που ορίζεται

6 6 από την ελάχιστη περιοχή φωτισµού, A min. Η επιπρόσθετη εξασθένηση για βάθος βλάστησης d (m) δίδεται από την εξίσωση: ( R0 R ) A scat = R + d k exp d k (4) Εδώ, η αρχική κλίση είναι: R = af 0 (5) και η τελική κλίση είναι: b R = (6) c f όπου f είναι η συχνότητα (GHz). Η τιµή εξασθένησης, στην οποία η συνιστώσα του λαµβανόµενου πεδίου λόγω διασποράς φθάνει στην ίδια τάξη µεγέθους µε τη συνιστώσα λόγω συνολικής εξασθενήσεως που βρίσκεται σε συµφωνία φάσης: ( { }) A k = k A min 0 0 log0 0 exp exp R f f A0 (7) και οι παράµετροι a, b, c, k 0, R f και A 0 δίδονται στον Πίνακα. ΠΙΝΑΚΑΣ Παράµετρος Με φύλλωµα Χωρίς φύλλωµα A B C k R f A A min, είναι η ελάχιστη περιοχή φωτισµού, που ορίζεται ως το γινόµενο του ελάχιστου πλάτους της βλάστησης φωτισµού, min(w,w 2,w v ) επί το ελάχιστο ύψος, min(h,h 2,h v ), που αντιστοιχεί στην µικρότερη από τις δύο περιοχές

7 7 στόχευσης της κεραίας, στα δύο µέτωπα εµπρός και πίσω από την περιοχή βλάστησης. Τα ανωτέρω ύψη και πλάτη προσδιορίζονται από τα εύρη δέσµης 3 db των κεραιών εκποµπής και το φυσικό πλάτος, w v, και ύψος της βλάστησης, h v, όπως φαίνονονται στο Σχήµα 3, όπου η βλάστηση λαµβάνεται ως ένα ορθογώνιο τρισδιάστατο εµπόδιο. Εάν η κεραία εκποµπής έχει εύρη δέσµης φ T και θ T, και η κεραία λήψης φ R και θ R τότε η ελάχιστη περιοχή φωτισµού ορίζεται ως εξής: A A min min = min = min 2r ( h, h, h ) min( w, w, w ) 2 v ϕ tan T 2, 2r 2 2 ϕ tan 2 R v, h v min 2r θ tan T 2, 2r 2 θ tan R 2, w v (8) ΣΧΗ ΜΑ 3 Γεωµετρία για τον προσδιορισµό της ελάχιστης περιοχής φωτισµού βλάστησης Α min (βλ. εξίσωση (8)) w 2 Tx r h 2 r 2 Rx h h v w w v d Στην πράξη, r >>r 2 και το εύρος δέσµης του δέκτη, B rx, αναµένεται να είναι µόνο λίγες µοίρες. Υπό τις συνθήκες αυτές, δεν θα απαιτηθούν τα µέρη της εξίσωσης (8) τα οποία περιέχουν το r. Η επιπρόσθετη απώλεια από περίθλαση για διπλές µονωµένες ακµές A difw λόγω περίθλασης γύρω από τις πλευρές της βλάστησης και A difh λόγω περίθλασης επάνω από την κορυφή της βλάστησης υπολογίζεται σύµφωνα µε την Σύσταση ITU-R P.526. Η επιπρόσθετη απώλεια εξαιτίας της βλάστησης A στα επόµενα θα δίδεται ως η ελάχιστη τιµή A difw, A difh και A scat.

8 8 Το σχήµα 4 δείχνει ένα παράδειγµα του µοντέλου για τις δύο περιπτώσεις ελάχιστης περιοχής φωτισµού (0.5 m 2 και 2.0 m 2 ) και τρεις συχνότητες 5, 0 και 40 GHz για βλάστηση µε φύλλωµα και χωρίς φύλλωµα. 4 Αποπόλωση Προηγούµενες µετρήσεις στα 38 GHz υποδεικνύουν, ότι η αποπόλωση εξαιτίας της βλάστησης µπορεί να είναι έντονη. Το εκπεµπόµενο δηλαδή σήµα κάθετης προς την εκπεµπόµενη πόλωση µπορεί να είναι παρόµοιας τάξης µε το σήµα σύµφωνης πόλωσης που περνά από την βλάστηση. Ωστόσο, σε βλάστηση µε µεγαλύτερο βάθος η εξασθένηση θα προκύψει τόσο ισχυρή ώστε η συνολική ισχύς λήψεως να προκύπτει κάτω από το δυναµικό εύρος λήψης του δέκτη.

9 9 ΣΧΗ ΜΑ 4 Εξασθένηση για περιοχές φωτισµού 0.5m 2 και 2m 2 α) σε φύλλωµα, β) χωρίς φύλλωµα* 60 0 GHz GHz Εξασθένηση (db) GHz Βάθος βλάστησης (m) a) 5 GHz GHz Εξασθένηση (db) GHz Βάθος βλάστησης (m)(m) b) 5 GHz, GHz, 2 2 m 5 GHz, 2 m 2 40 GHz, GHz, m 40 GHz, 2 2 m * Το µοντέλο δεικνύει την πρόσθετη απώλεια λό γω της παρουσίας κάποιους όγκου φυλλωµάτων, την οποία θα υποστεί το διερχόµενο σήµα. Στην πράξη, το σήµα πέρα από τα ανωτέρω φυλλώµατα θα ενισχυθεί λό γω της διάδοσης διαµέσου της βλάστησης και της περίθλασης γύρω από αυτή. Η κυρίαρχη µορφή αυτών των δύο µηχανισµών διάδοσης θα περιορίσουν στη συ νέχεια την συ νολική απώλεια λό γω βλάστησης.