Planungsmethoden für die Mobilkommunikation: Funknetzplanung unter realen physikalischen Ausbreitungsbedingungen

ISBN-13: 9783540647782 / Niemiecki / Twarda / 1998 / 303 str.

Norbert Geng;Werner Wiesbeck

Opis

Die mobile Funkkommunikation ist einer der Wachstumsmarkte unserer Zeit. Fur die Planung zellularer Mobilfunknetze werden dabei verlasstliche Werkzeuge benotigt, deren Benutzung und Weiterentwicklung nur bei Kenntnis aller Grundlagen und der verwendeten Losungsverfahren erfolgreich sein kann. Der vorliegende Text versucht, diese grundlegenden Kenntnisse fur einige der wesentlichen Teilaufgaben in der Funknetzplanung zu vermitteln. In der Vielzahl ausgezeichneter Bucher zu den primar nachrichtentechnischen Aspekten des Mobilfunks wird der Beschreibung und Analyse des Funkkanals zwischen den Antennentoren ein vergleichsweise geringer Rahmen beigemessen. Ziel des vorliegenden Buches ist es, diese Lucke zu fullen. Da sich die Charakterisierung des Funkkanals fur verschiedene Funksysteme nicht oder nur wenig unterscheidet, lassen sich die meisten der erorterten Grundlagen und Verfahren auch auf andere Funksysteme, wie z.B. Rundfunk oder Richtfunk, anwenden."

Spis treści

1 Einleitung.- 1.1 Die Komponenten eines Funkübertragungssystems.- 1.2 Einige Anmerkungen zu Mobilkommunikations-Standards.- 1.2.1 Mehrfachzugriffsverfahren.- 1.2.2 Duplexverfahren.- 1.2.3 Funkruf, Datenfunk und Bündelfunk.- 1.2.4 Schnurlose Telefone.- 1.2.5 Zellulare Mobilfunksysteme.- 1.3 Teilaufgaben bei der Planung eines zellularen Funknetzes.- 1.3.1 Berechnung der Funkfelddämpfung.- 1.3.2 Breitbandige Charakterisierung des Funkkanals.- 1.3.3 Frequenz- und Kapazitätsplanung.- 1.3.4 Die Netzplanung am Beispiel des Mobilfunks.- 2 Grundlagen für die Modellierung der Wellenausbreitung.- 2.1 Einige elektrodynamische Grundlagen.- 2.1.1 Maxwell-Gleichungen und Grenzbedingungen.- 2.1.2 Wellengleichungen und ebene Wellen.- 2.1.3 Poynting-Vektor und Leistungsdichte.- 2.2 Vollständige Beschreibung von Antennen im Fernfeld.- 2.2.1 Komplexe vektorielle Fernfeld-Richtcharakteristik.- 2.2.2 Gewinn und Antennenwirkfläche.- 2.2.3 Fernfeld einer Sendeantenne.- 2.2.4 Verfügbare Empfangsleistung und Leerlaufspannung.- 2.3 Einige Anmerkungen zur Pegelrechnung.- 2.3.1 Relative Pegel.- 2.3.2 Absolute Pegel.- 2.3.3 Umrechnung von Pegelangaben.- 2.4 Freiraumausbreitung.- 2.5 Reflexion und Transmission.- 2.5.1 Reflexion und Transmission bei ebenen Grenzflächen.- 2.5.1.1 Ebene Grenzfläche zwischen zwei Medien.- 2.5.1.2 Mehrfach planar geschichtete Medien.- 2.5.2 Bodenreflexion und Zweistrahltheorie.- 2.5.2.1 Verallgemeinerte Zweistrahltheorie.- 2.5.2.2 Zweistrahltheorie in Standardform.- 2.5.2.3 Entfernungsabhängigkeit und Breakpunkt.- 2.5.2.4 Materialparameter typischer Böden.- 2.6 Streuung.- 2.6.1 Streumatrix und Radarstreuquerschnitt.- 2.6.1.1 Komplexe polarimetrische Streumatrix.- 2.6.1.2 Polarimetrischer Radarstreuquerschnitt.- 2.6.1.3 Leistungsbilanz für einzelnen Streuprozeß.- 2.6.2 Streuung an punktförmigen Zielen.- 2.6.2.1 Radarstreuquerschnitt für Kugel.- 2.6.2.2 Radarstreuquerschnitt für langen Zylinder.- 2.6.3 Streuung an rauhen Oberflächen.- 2.6.3.1 Kenngrößen statistisch rauher Oberflächen.- 2.6.3.2 Rayleigh- und Fraunhofer-Rauhigkeitskriterium.- 2.6.3.3 Modifizierte Fresnel-Reflexionsfaktoren.- 2.6.3.4 Analytische Berechnungsverfahren.- 2.6.4 Volumenstreuung.- 2.6.4.1 Die Radiative Transfer Theory.- 2.6.4.2 Abschätzung der Vegetationsdämpfung.- 2.7 Beugung.- 2.7.1 Beugung an absorbierenden Halbebenen.- 2.7.1.1 Beugung an einer absorbierenden Halbebene.- 2.7.1.2 Beugung an mehreren Halbebenen.- 2.7.2 Die geometrische Beugungstheorie.- 2.7.2.1 Geometrische Optik und Fermat’ sches Prinzip.- 2.7.2.2 Freiraumausbreitung in der geometrischen Optik.- 2.7.2.3 Reflexion in der geometrischen Optik.- 2.7.2.4 UTD-Lösung für den metallischen Keil.- 2.7.2.5 UTD-Lösung für andere kanonische Objekte.- 2.7.2.6 UTD-Beugungskoeffizienten zweiter Ordnung.- 2.7.2.7 UTD-Beugung an mehreren Hindernissen.- 2.8 Brechung in der inhomogenen Troposphäre.- 2.8.1 Brechungsgesetz für geschichtete Medien.- 2.8.2 Transformationen zur Vereinfachung der Beschreibung.- 2.8.2.1 Effektiver Erdradius und k-Faktor-Modell.- 2.8.2.2 Transformation auf eine ebene Erde.- 2.8.3 Strahlensuche in der inhomogenen Troposphäre.- 2.9 Weitere Ausbreitungsphänomene.- 2.9.1 Bodenwelle.- 2.9.2 Der Einfluß der Ionosphäre.- 2.9.3 Resonanzabsorption und Niederschlagsdämpfung.- 2.9.4 Depolarisation durch Niederschlag.- 2.9.5 Troposcatter und Szintillation.- 2.10 Mehrwegeausbreitung.- 2.10.1 Allgemeine Beschreibung eines Übertragungsweges.- 2.10.2 Empfangsfeldstärke bei Mehrwegeausbreitung.- 2.10.3 Verfügbare Empfangsleistung bei Mehrwegeausbreitung.- 2.10.4 Einige Anmerkungen zu räumlichen Interferenzmustern.- 2.11 Isotrope Funkfelddämpfung und Leistungsbilanz.- 2.11.1 Theoretisch ermittelte isotrope Funkfelddämpfung.- 2.11.2 Praktisch ermittelte isotrope Funkfelddämpfung.- 2.11.3 Leistungsbilanz.- 2.12 Visualisierung der Mehrwegeausbreitung.- 2.12.1 Durch Troposphäre und Gelände beeinflußte Ausbreitung.- 2.12.2 Frequenzabhängige Ausbreitung über hügeligem Gelände.- 2.12.3 Einige Beispiele dreidimensionaler Mehrwegeausbreitung.- 3 Der zeitvariante und frequenzselektive Funkkanal.- 3.1 Einige systemtheoretische Grundlagen.- 3.1.1 Impulsantwort und Systemfunktion.- 3.1.2 Bandpaßsignal und äquivalentes Tiefpaßsignal.- 3.1.3 Autokorrelation und Theorem von Wiener-Khintchine.- 3.2 Übertragungsfunktion und Impulsantwort des Funkkanals.- 3.2.1 Zeitvariante Übertragungsfunktion des Funkkanals.- 3.2.1.1 Allgemeiner Fall der Mehrwegeausbreitung.- 3.2.1.2 Spezialfall der Zweiwegeausbreitung.- 3.2.1.3 Einfluß der endlichen Kanalbandbreite.- 3.2.2 Zeitvariante Impulsantwort des Funkkanals.- 3.2.2.1 Antwort für nicht dispersive Einzelsignale.- 3.2.2.2 Antwort für unendlich große Kanalbandbreite.- 3.3 Verteilungsfunktion für den Betrag der Empfangsspannung.- 3.3.1 Schneller Mehrwegeschwund.- 3.3.1.1 Mehrwegeschwund und Rice-Verteilung.- 3.3.1.2 Mehrwegeschwund und Gauß-Verteilung.- 3.3.1.3 Mehrwegeschwund und Rayleigh-Verteilung.- 3.3.1.4 Rice-, Rayleigh- oder Gauß-Fading.- 3.3.2 Langsamer Schwund und Log-Normal-Verteilung.- 3.4 Kenngrößen für die Frequenzselektivität des Funkkanals.- 3.4.1 Frequenz-AKF und Korrelationsbandbreite.- 3.4.2 Power Delay Profile und Impulsverbreiterung.- 3.4.3 Zusammenhang zwischen Korrelationsbandbreite und Impulsverbreiterung.- 3.4.4 Flachschwund und frequenzselektiver Schwund.- 3.4.5 Die Kenngrößen IBLAD und IBPD.- 3.5 Kenngrößen für die Zeitvarianz des Funkkanals.- 3.5.1 Zeitliche AKF und Kohärenzzeit.- 3.5.2 Dopplerspektrum und Dopplerverbreiterung.- 3.5.3 Zusammenhang zwischen Kohärenzzeit und Dopplerverbreiterung.- 3.5.4 Langsamer Schwund und schneller Mehrwegeschwund.- 3.5.5 Dopplerspektrum für den Mobilfunkkanal.- 3.6 Dualität von Frequenzselektivität und Zeitvarianz.- 4 Wellenausbreitungsmodelle.- 4.1 Modelle für ländliche Umgebung bzw. Makro-Zellen.- 4.1.1 Empirische und semi-empirische Ausbreitungsmodelle.- 4.1.1.1 CCIR-Modell.- 4.1.1.2 Okumura-Hata-Modell.- 4.1.1.3 COST-Hata-Modell.- 4.1.1.4 Einfache Beugungsmodelle.- 4.1.1.5 Semi-empirische Ausbreitungsmodelle.- 4.1.2 Strahlenoptische Ausbreitungsmodelle.- 4.1.2.1 Suche der relevanten Ausbreitungspfade.- 4.1.2.2 Schmalbandige Analyse.- 4.1.2.3 Breitbandige Analyse.- 4.1.3 Feldtheoretische Modellierung am Beispiel der PEM.- 4.1.3.1 Parabolisch approximierte Wellengleichung.- 4.1.3.2 Lösung mit Split-Step-Algorithmus.- 4.1.3.3 Lösung mit Finite-Differenzen-Algorithmus.- 4.1.3.4 Ermittlung der Startfeldverteilung.- 4.1.3.5 Einige exemplarische Berechnungsergebnisse.- 4.2 Modelle für urbane Umgebung bzw. Mikro-Zellen.- 4.2.1 Empirische und semi-empirische Ausbreitungsmodelle.- 4.2.1.1 Log-distance Path-loss Modell.- 4.2.1.2 COST-Walfisch-Ikegami-Modell.- 4.2.2 Strahlenoptische Ausbreitungsmodelle.- 4.3 Modelle für Gebäudeinnenbereiche bzw. Piko-Zellen.- 4.3.1 Empirische und semi-empirische Ausbreitungsmodelle.- 4.3.2 Strahlenoptische Ausbreitungsmodelle.- 5 Frequenz- und Kapazitätsplanung.- 5.1 Das zellulare Konzept.- 5.2 Interferenzen und Maßnahmen zu deren Reduzierung.- 5.2.1 Gleichkanal- und Nachbarkanal-Interferenzen.- 5.2.2 Frequenzwiederholung.- 5.2.3 Idealisierte hexagonale Frequenzwiederholmuster.- 5.2.4 Maßnahmen zur Verminderung der Interferenzen.- 5.3 Systemkapazität und Maßnahmen zu deren Erhöhung.- 5.3.1 Verkehr pro Teilnehmer.- 5.3.2 Kapazität pro Zelle.- 5.3.3 Kapazität pro Fläche.- 5.3.4 Maximale Zahl von Teilnehmernpro Fläche.- 5.3.5 Zusätzliche Überlegungen zu FDMA/TDMA.- 5.3.6 Maßnahmen zur Erhöhung der Systemkapazität.- 5.4 Die Funknetzplanung als Optimierungsproblem.

Blurb

Die mobile Funkkommunikation ist einer der Wachstumsmärkte unserer Zeit. Für die Planung zellularer Mobilfunknetze werden dabei verläßtliche Werkzeuge benötigt, deren Benutzung und Weiterentwicklung nur bei Kenntnis aller Grundlagen und der verwendeten Lösungsverfahren erfolgreich sein kann. Der vorliegende Text versucht, diese grundlegenden Kenntnisse für einige der wesentlichen Teilaufgaben in der Funknetzplanung zu vermitteln. In der Vielzahl ausgezeichneter Bücher zu den primär nachrichtentechnischen Aspekten des Mobilfunks wird der Beschreibung und Analyse des Funkkanals zwischen den Antennentoren ein vergleichsweise geringer Rahmen beigemessen. ziel des vorliegenden Buches ist es, diese Lücke zu füllen. Da sich die Charakterisierung des Funkkanals für verschiedene Funksysteme nicht oder nur wenig unterscheidet, lassen sich die meisten der erörterten Grundlagen und Verfahren auch auf andere Funksysteme, wie z.B. Rundfunk oder Richtfunk, anwenden.