Planungsmethoden für die Mobilkommunikation: Funknetzplanung unter realen physikalischen Ausbreitungsbedingungen

313 Pages·1998·26.382 MB·German

by  Dr. -Ing. Norbert Geng, Professor Dr.-Ing. Werner Wiesbeck (auth.)

N. Geng . W. Wiesbeck
Planungsmethoden fur die Mobilkommunikation
SSpprriinnggeerr--VVeerrllaagg BBeerrlliinn HHeeiiddeellbbeerrgg GGmmbbHH
NN.. GGeenngg·· WW.. WWiieessbbeecckk
PPllaannuunnggssmmeetthhooddeenn
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FFuunnkknneettzzppllaannuunngg
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AAuussbbrreeiittuunnggssbbeeddiinngguunnggeenn 11 NNoorrbbeerrtt GGeenngg ;; WW.. WWiieessbbeecckk --BBeerrlliinn;; HHeeiiddeellbbeerrgg ;; NNeeww YYoorrkk;; BBaarrcceelloonnaa ;;
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DDOOII 1100..11000077//997788--33--664422--5588998800--55
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SSPPIINN:: 1100668877664422 6622//33002200 --55 44 33 22 11 00--GGeeddrruucckktt aauuff ssăăuurreeffrreeiieemm PPaappiieerr
Vorwort
Der Mobilkommunikation kommt in jiingerer Zeit stetig wachsende Bedeutung zu.
Die Planung zellularer Mobilfunknetze erfordert dabei verlliBliche Werkzeuge. Fiir
diesen Zweck werden zahlreiche Softwarepakete kommerziell angeboten. Die oft
mals einfache Benutzung dieser Programme birgt jedoch die Gefahr in sich, daB den
Ergebnissen blind vertraut wird. Deren korrekte Interpretation ist aber nur dann
moglich, wenn der Benutzer grundlegende Kenntnisse beziiglich der Fragestellung
selbst und der zu deren Losung verwendeten Verfahren besitzt. Dies gilt in ver
stiirktem MaBe flir jene, die neue Berechnungsmethoden entwickeln oder bekannte
Verfahren erweitem wollen. Der vorliegende Text versucht, diese grundlegenden
Kenntnisse flir einige der wesentlichen Teilaufgaben bei der Netzplanung zu verrnit
teln, ohne dabei Anspruch auf Vollstandigkeit zu erheben.
Das Buch entspricht in wei ten Teilen der Vorlesung ,,Planungsmethoden flir die
mobile Funkkommunikation" am Institut fiir Hochstfrequenztechnik und Elektronik
der Universitat Karlsruhe, die flir Studenten der Elektrotechnik im Hauptdiplom an
geboten wird. Sie solI Studenten die Moglichkeit geben, sich bereits wamend des
Studiums solide Grundlagen auf dem Gebiet der mobilen Funkkommunikation zu
erarbeiten. Das Buch wendet sich aber ebenso an Ingenieure in der Praxis, die sich
in die Materie einarbeiten oder ihre Kenntnisse vertiefen mochten. Vorausgesetzt
werden grundlegende Kenntnisse der Mathematik, Elektrodynamik, Nachrichten
technik und Systemtheorie, wie sie im Vordiplom und in den ersten Semestem des
Hauptdiploms im Fachgebiet Elektrotechnik oder auch der Physik verrnittelt werden.
Es gibt zwar eine Vielzahl ausgezeichneter Biicher zu den systemtheoretischen
und nachrichtentechnischen Aspekten der Mobilkommunikation; eine detaillierte und
konsistente Beschreibung des Einflusses des eigentlichen Funkkanals zwischen den
Antennentoren findet sich darin jedoch nicht und wird vielfach auch unterschatzt.
Hauptziel dieses Buches ist es, diese Liicke zu flillen und fundierte Kenntnisse flir
die Beschreibung und Berechnung der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in
Funksystemen zu verrnitteln. Da sich die Charakterisierung des Funkkanals, im Ge
gensatz zu systemspezifischen Aspekten, flir verschiedene Funksysteme nicht oder
nur wenig unterscheidet, lassen sich die erorterten Grundlagen und Verfahren auf
nahezu beliebige Funksysteme anwenden, sind also nicht auf Mobilfunksysteme be
schrankt. Ein GroBteil des Buches diirfte daher auch flir all jene interessant sein, die
sich mit der Planung von z.B. Rundfunknetzen oder Richtfunkstrecken beschafti
gen. A.uBerst hilfreich war bei der Erstellung des Textes, daB sich das Institut flir
Hochstfrequenztechnik und Elektronik der Universitat Karlsruhe seit etlichen Jahren
im Rahmen der Forschung mit dieser Thematik beschaftigt. Es war daher moglich,
aktuelle Entwicklungen und neuartige Verfahren in das Gesamtkonzept des Buches
VI Vorwort
einzubeziehen und die dargestellten Grundlagen und Verfahren an zahlreichen, ftir
die Praxis relevanten Beispielen zu veranschaulichen.
Kapitel I dient einer EinfUhrung in die Thematik der Planung eines Funknetzes,
insbesondere eines zellularen Mobilfunknetzes. Der Schwerpunkt dieses Kapitels
liegt auf der Motivation fiir die in den weiteren Kapiteln behandelten Fragestellungen
sowie deren Einordnung in den globalen Zusammenhang. Die physikalischen
Grundlagen zur Analyse der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen werden im
Kapitel 2 vorgestellt. Hierzu gehOrt eine iiuBerst kompakte und allgemeingiiltige
Charakterisierung von Sende- und Empfangsantenne. Diese triigt wesentlich zu der
in diesem Kapitel vorgestellten, in sich konsistenten Beschreibung des gesarnten
Mehrwege-Ausbreitungskanals bei. Die Ausbreitungsmechanismen Freiraumaus
breitung, Reflexion, Streuung und Beugung, welche in dem fUr die Mobilkommuni
kation primiir verwendeten Frequenzbereich zwischen 30MHz und lOGHz relevant
sind, und die wesentlichen Verfahren zu deren Analyse werden besonders ausfUhr
lich erHiutert. Die Darstellung beschrankt sich dabei nicht nur auf die Berechnungs
verfahren selbst, sondern liefert immer wieder anschauliche Beispiele, die das Ver
standnis ftir die Wellenausbreitung vertiefen soIlen. Die Charakterisierung der sy
stemtheoretischen Eigenschaften des zeitvarianten und frequenzselektiven Funkka
nals durch z.B. Dopplerspektrum oder Impulsantwort ist Inhalt von Kapitel 3. Diese
wird bei der Konzeption von System und Systemkomponenten benotigt, urn z.B.
Aussagen tiber die gewtinschten Eigenschaften adaptiver Entzerrer zu gewinnen.
Eine exemplarische Zusarnmenstellung der zur Zeit in der Netzplanung primiir einge
setzten WellenausbreitungsmodeIle und die Beschreibung neuerer und leistungsfahi
gerer Werkzeuge, wie z.B. strahlenoptische Modelle oder ein beispielhaft ausge
wlihltes feldtheoretisches Verfahren, folgt in Kapitel4. Das abschlieBende Kapitel 5
zur Frequenz- und Kapazitiitsplanung wurde aufgenommen, obwohl dort die Ana
lyse des Funkkanals zwischen den Antennentoren eine zwar maBgebliche, nicht je
doch die entscheidende Rolle spielt. Es erschien angebracht, zurnindest die Grundla
gen zur Netzplanung (Frequenz-, Kapazitiitsplanung) in den Text einzubeziehen, da
die in den Kapiteln 2 und 4 beschriebenen Verfahren insbesondere bier ihren Einsatz
finden.
An dieser Stelle sei all jenen herzlich gedankt, die zum Entstehen dieses Buches
durch Beitriige, Kritik und VerbesserungsvorschUige beigetragen haben. Zu nennen
sind die Mitarbeiter des Instituts fUr Hochstfrequenztechnik und Elektronik der Uni
versitiit Karlsruhe, aber auch die Studenten der Vorlesung. Neben vielen anderen sei
besonders den Herren Dipl.-Ing. Dirk Didascalou, Dipl.-Ing. Martin Dottling und
Dipl.-Phys. Jtirgen Geng fUr die zeitaufwendige und kritische Durchsicht des Manu
skriptes gedankt. Ebenso zu danken ist den im Text und den Bildunterschriften ge
nannten Firmen und Institutionen, denen wir viele der fUr die Praxis relevanten Bei
spiele verdanken, sowie dem Springer-Verlag fUr die Moglichkeit zur BuchverOf
fentlichung.
Karlsruhe, im Mai 1998 Norbert Geng und Werner Wiesbeck
Inhaltsverzeichnis
Einleitung
1. 1 Die Komponenten eines Funkiibertragungssystems ................... 1
1.2 Einige Anmerkungen zu Mobilkommunikations-Standards ........... 3
1.2.1 Mehrfachzugriffsverfahren...................................... 3
1.2.2 Duplexverfahren.................................................. 5
1.2.3 Funkruf, Datenfunk und Biindelfunk .......................... 6
1.2.4 Schnurlose Telefone .............................................. 7
1.2.5 Zellulare Mobilfunksysteme ..................................... 8
1.3 Teilaufgaben bei der Planung eines zellularen Funknetzes ............ 11
1.3. 1 Berechnung der Funkfelddampfung ............................ 11
1.3.2 Breitbandige Charakterisierung des Funkkanals .............. 15
1.3.3 Frequenz-und Kapazitatsplanung............................... 16
1.3.4 Die Netzplanung am Beispiel des Mobilfunks ................. 16
2 Grundlagen fOr die Modellierung der Wellenausbreitung 21
2. 1 Einige elektrodynarnische Grundlagen .................................. 22
2.1.1 Maxwell-Gleichungen und Grenzbedingungen ............... 22
2.1. 2 Wellengleichungen und ebene Wellen .......................... 24
2.1. 3 Poynting-Vektor und Leistungsdichte .......................... 26
2.2 Vollstandige Beschreibung von Antennen im Femfeld ................ 27
2.2.1 Komplexe vektorielle Femfeld-Richtcharakteristik ........... 28
2.2.2 Gewinn und Antennenwirkflache ........................ ....... 29
2.2.3 Femfeld einer Sendeantenne .......... ........................ ... 32
2.2.4 Verfiigbare Empfangsleistung und Leerlaufspannung ........ 33
2.3 Einige Anmerkungen zur Pegelrechnung ........ . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 34
2.3.1 Relative Pegel ..................................................... 34
2.3.2 Absolute Pegel ........... ......................................... 35
2.3.3 Umrechnung von Pegelangaben ................................ 36
2.4 Freiraumausbreitung...... ........................... ...................... 38
2.5 Reflexion und Transmission.............................................. 40
2.5.1 Reflexion und Transmission bei ebenen Grenzflachen ....... 40
2.5. 1.1 Ebene Grenzflache zwischen zwei Medien ......... 41
2.5.1.2 Mehrfach planar geschichtete Medien ............... 51
VIII Inhaltsverzeichnis
2.5.2 Bodenreflexion und Zweistrahltheorie ......................... 55
2.5.2.1 Verallgemeinerte Zweistrahltheorie .................. 55
2.5.2.2 Zweistrahltheorie in Standardform .................. 59
2.5.2.3 Entfemungsabhangigkeit und Breakpunkt .......... 62
2.5.2.4 Materialparameter typischer Boden.................. 63
2.6 Streuung..................................................................... 64
2.6.1 Streumatrix und Radarstreuquerschnitt ........................ 65
2.6.1.1 Komplexe polarimetrische Streumatrix ............. 67
2.6.1.2 Polarimetrischer Radarstreuquerschnitt ............. 68
2.6.1.3 Leistungsbilanz fUr einzelnen StreuprozeB ......... 69
2.6.2 Streuung an punktfOrmigen Zielen ............................. 70
2.6.2.1 Radarstreuquerschnitt fUr Kugel..................... 70
2.6.2.2 Radarstreuquerschnitt fUrlangen Z y linder ......... 71
2.6.3 Streuung an rauhen Oberflachen ................................ 72
2.6.3.1 KenngroBen statistisch rauher Oberflachen ........ 74
2.6.3.2 Rayleigh-und Fraunhofer-Rauhigkeitskriterium .. 75
2.6.3.3 Modifizierte Fresnel-Reflexionsfaktoren ........... 76
2.6.3.4 Analytische Berechnungsverfahren ................. 77
2.6.4 Volumenstreuung................................................. 83
2.6.4.1 Die Radiative Transfer Theory....................... 83
2.6.4.2 Abschatzung der Vegetationsdampfung ............ 85
2.7 Beugung......... ................ ............................................ 86
2.7.1 Beugung an absorbierenden Halbebenen ...................... 89
2.7.1.1 Beugung an einer absorbierenden Halbebene ...... 89
2.7.1.2 Beugung an mehreren Halbebenen ..... ..... ........ 98
2.7.2 Die geometrische Beugungstheorie ............................. 102
2.7.2.1 Geometrische Optik und Fermat' sches Prinzip . . . . . 103
2.7.2.2 Freiraumausbreitung in der geometrischen Optik .. 104
2.7.2.3 Reflexion in der geometrischen Optik ............... 106
2.7.2.4 UTD-Losung fUr den metallischen Keil ............ 108
2.7.2.5 UTD-Losung fUr andere kanonische Objekte ...... 119
2.7.2.6 UTD-Beugungskoeffizienten zweiter Ordnung .... 119
2.7.2.7 UTD-Beugung an mehreren Hindemissen ......... 120
2.8 Brechung in der inhomogenen Troposphiire ............................ 121
2.8.1 Brechungsgesetz fUr geschichtete Medien ..................... 122
2.8.2 Transformationen zur Vereinfachung der Beschreibung ..... 124
2.8.2.1 Effektiver Erdradius und k-Faktor-Modell ......... 124
2.8.2.2 Transformation auf eine ebene Erde ................. 128
2.8.3 Strahlensuche in der inhomogenen Troposphiire.. ... ......... 131
2.9 Weitere Ausbreitungsphanomene ........................................ 134
2.9.1 Bodenwelle........................................................ 135
2.9.2 Der EinfluB der Ionosphiire ............. .......... .......... ..... 137
2.9.3 Resonanzabsorption und Niederschlagsdampfung ........... 138
2.9.4 Depolarisation durch Niederschlag ............................. 141
2.9.5 Troposcatter und Szintillation ................................... 141
Inhaltsverzeichnis IX
2.10 Mehrwegeausbreitung ..................................................... 142
2.10.1 Allgemeine Beschreibung eines Ubertragungsweges ......... 143
2.10.2 Empfangsfeldstiirke bei Mehrwegeausbreitung ............... 146
2.10.3 Verftigbare Empfangsleistung bei Mehrwegeausbreitung ... 148
2.10.4 Einige Anmerkungen zu raumlichen Interferenzmustem .... 149
2.11 Isotrope Funkfelddampfung und Leistungsbilanz ..................... 150
2.11.1 Theoretisch ermittelte isotrope Funkfelddampfung ........... 150
2.11.2 Praktisch ermittelte isotrope Funkfelddampfung .............. 151
2.11.3 Leistungsbilanz ................................................... 152
2.12 Visualisierung der Mehrwegeausbreitung .............................. 153
2.12.1 Durch Troposphiire und Geliinde beeinfluBte Ausbreitung .. 154
2.12.2 Frequenzabhiingige Ausbreitung tiber htigeligem Geliinde.. 155
2.12.3 Einige Beispiele dreidimensionaler Mehrwegeausbreitung .. 158
3 Der zeitvariante und frequenzselektive Funkkanal 161
3. 1 Einige systemtheoretische Grundlagen .................................. 162
3.1.1 Impulsantwort und Systemfunktion ............................ 162
3.1.2 BandpaBsignal und aquivalentes TiefpaBsignal ............... 163
3.1.3 Autokorrelation und Theorem von Wiener-Khintchine ...... 166
3.2 Ubertragungsfunktion und Impulsantwort des Funkkanals ........... 167
3.2.1 Zeitvariante Ubertragungsfunktion des Funkkanals .......... 168
3.2.1.1 Allgemeiner Fall der Mehrwegeausbreitung ........ 169
3.2.1.2 Spezialfall der Zweiwegeausbreitung ............... 170
3 .2. 1.3 EinfluB der endlichen Kanalbandbreite ............. 171
3.2.2 Zeitvariante Impulsantwort des Funkkanals ................... 173
3.2.2.1 Antwort fUr nicht dispersive Einzelsignale ......... 173
3.2.2.2 Antwort flir unendlich groBe Kanalbandbreite ..... 174
3.3 Verteilungsfunktion flir den Betrag der Empfangsspannung ......... 176
3.3.1 Schneller Mehrwegeschwund ................................... 178
3.3.1.1 Mehrwegeschwund und Rice-Verteilung ........... 180
3.3.1.2 Mehrwegeschwund und GauB-Verteilung .......... 181
3.3.1.3 Mehrwegeschwund und Rayleigh-Verteilung ...... 181
3.3.1.4 Rice-, Rayleigh- oder GauB-Fading ................. 183
3.3.2 Langsamer Schwund und Log-Normal-Verteilung . .......... 184
3.4 Kenngr6Ben fUr die Frequenzselektivitat des Funkkanals ............. 186
3.4.1 Frequenz-AKF und Korrelationsbandbreite ................... 187
3.4.2 Power Delay Profile und Impulsverbreiterung ................ 188
3.4.3 Zusammenhang zwischen Korrelationsbandbreite und
Impulsverbreiterung .............................................. 190
3.4.4 Flachschwund und frequenzselektiver Schwund ............. 190
3.4.5 Die Kenngr6Ben IBLAD und IBPD............................. 192
3.5 Kenngr6Ben ftir die Zeitvarianz des Funkkanals ....................... 194
3.5.1 Zeitliche AKF und Kohiirenzzeit ............................... 195
3.5.2 Dopplerspektrum und Dopplerverbreiterung .................. 196
X Inhaltsverzeichnis
3.5.3 Zusammenhang zwischen Koharenzzeit und
Dopplerverbreiterung ............................................. 198
3.5.4 Langsamer Schwund und schneller Mehrwegeschwund .... 198
3.5.5 Dopplerspektrum filr den Mobilfunkkanal .................... 200
3.6 Dualitat von Frequenzselektivillit und Zeitvarianz ..................... 204
4 Wellenausbreitungsmodelle
4.1 Modelle fUr landliche Umgebung bzw. Makro-Zellen ................ 209
4.1.1 Empirische und semi-empirische Ausbreitungsmodelle ..... 210
4.1.1.1 CCIR-Modell .......................................... 211
4.1.1.2 Okumura-Hata-Modell ............................... 216
4.1.1.3 COST-Hata-Modell ................................... 218
4.1. 1. 4 Einfache Beugungsmodelle ........ .. .. .. .. .. .. .. .. .. 219
4.1.1.5 Semi-empirische Ausbreitungsmodelle ............. 225
4.1.2 Strahlenoptische Ausbreitungsmodelle ......................... 225
4.1.2.1 Suche der relevanten Ausbreitungspfade ........... 226
4.1.2.2 Schmalbandige Analyse .............................. 228
4.1.2.3 Breitbandige Analyse ................................. 230
4.1.3 Feldtheoretische Modellierung am Beispiel der PEM ... . . . . . . 231
4.1.3.1 Parabolisch approximierte Wellengleichung ....... 232
4.1.3.2 Lasung mit Spiit-Step-Algorithmus ................. 236
4.1.3.3 Lasung mit Finite-Differenzen-Algorithmus ...... 239
4.1. 3.4 Ermittlung der Startfeldverteilung ................... 241
4.1.3.5 Einige exemplarische Berechnungsergebnisse ..... 242
4.2 Modelle filr urbane Umgebung bzw. Mikro-Zellen ................... 246
4.2.1 Empirische und semi-empirische Ausbreitungsmodelle ..... 247
4.2.1.1 Log-distance Path-loss Modell....................... 247
4.2.1.2 COST-Walfisch-Ikegarni-Modell ................... 248
4.2.2 Strahlenoptische Ausbreitungsmodelle ........................ 251
4.3 Modelle filr Gebaudeinnenbereiche bzw. Piko-Zellen ................ 256
4.3.1 Empirische und semi-empirische Ausbreitungsmodelle ...... 256
4.3.2 Strahlenoptische Ausbreitungsmodelle ........................ 257
5 Frequenz-und Kapazitiitsplanung 263
5 .1 Das zellulare Konzept ..................................................... 264
5.2 Interferenzen und MaBnahmen zu deren Reduzierung ................. 266
5.2.1 Gleichkanal-und Nachbarkanal-Interferenzen ................ 266
5.2.2 Frequenzwiederholung ................................ ........... 267
5.2.3 Idealisierte hexagonale Frequenzwiederholmuster ........... 268
5.2.4 MaBnahmen zur Verminderung der Interferenzen ............ 272
5.3 Systernkapazillit und MaBnahmen zu deren Erhahung . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
5.3.1 VerkehrproTeilnehmer .......................................... 277
5.3.2 Kapazitat pro Zelle................................................ 278