Vergleich der städtischen Ausbreitung in Helsinki, Finnland

Eine der leistungsfähigsten Funktionen von Wireless InSite® ist die Möglichkeit, modernste Modelle und Analysemethoden auf ein breites Spektrum von Ausbreitungsproblemen anzuwenden. Dieses Beispiel zeigt die Verwendung des "Urban Canyon"-Modells, um Ausbreitungsvorhersagen in einer mikrozellularen Umgebung in einem Abschnitt von Helsinki, Finnland, zu machen. Die Simulation wird mit den Messungen und Analysen aus dem kürzlich erschienenen Artikel "Fast Two-Dimensional Diffraction Modeling for Site Specific Propagation Prediction in Urban Microcellular Environments" von W. Zhang, IEEE Transactions on Vehicular Technology, März 2000 [1] verglichen. Das in [1] untersuchte Versorgungsgebiet sowie dieses Beispiel sind in Abbildung 1 dargestellt. Es befindet sich in der Nähe eines Gebiets in Helsinki, das als "Senatsplatz" in Position E bekannt ist.

Um die Ausbreitungseigenschaften dieses Teils von Helsinki zu simulieren, beginnt der Benutzer mit dem Zeichnen jedes Gebäudegrundrisses mit dem "Stadt-Editor" in der Benutzeroberfläche von Wireless InSite (siehe Abbildung 2) oder mit dem Import eines DXF-Modells der Stadt. Die Verwendung des Stadteditors ist ein einfaches Verfahren, bei dem man auf die Grenzen jedes Gebäudes klickt und dabei auf den Maßstab und die Gebäudedetails achtet. Für die Modellierung der städtischen Ausbreitung mit dem "Urban Canyon"-Modell müssen keine Gebäudehöheninformationen gespeichert werden; alle Gebäude werden viel höher als die Sender- oder Empfängerstandorte betrachtet, so dass eine einheitliche Gebäudehöhe von z. B. 50 Metern möglich ist. Nachdem das Gebäude eingegeben wurde, kann WI sowohl 2d als auch 3d in orthographischen und perspektivischen Ansichten der Stadt rendern. Abbildung 3 ist eine orthografische 3d-Ansicht des zu modellierenden Ausschnitts von Helsinki.

Ohne spezifische Kenntnisse über die Materialparameter eines bestimmten Gebäudes kann ein einziges Material für die gesamte Stadt verwendet werden, z. B. Ziegel oder Beton. Für diese Analyse wurde ein einheitliches Baumaterial aus Beton mit einer Dielektrizitätskonstante von 5 verwendet, wie dies in [1] geschehen ist. Mit detaillierteren Informationen können jedem Gebäude unterschiedliche Materialparameter für jede seiner Flächen zugewiesen werden, z. B. Glas, Stahl usw. Bei den schraffierten Bereichen in Abbildung 1 handelt es sich vermutlich um Treppen. Zu Beginn dieser Analyse wurden diese entfernt, da sie nicht der Anforderung des Urban-Canyon-Modells entsprechen, wonach die vertikalen Flächen viel höher als die Sender- oder Empfängerstandorte sein müssen. Aus [1] geht nicht hervor, wie diese Bereiche modelliert wurden. Um die Auswirkung der Treppen zu bestimmen, können Simulationen mit und ohne dieses Merkmal durchgeführt werden.

Sobald die Stadt definiert ist, wird ein Gelände an die betreffende Region angepasst, für das ebenfalls Materialparameter festgelegt werden. Für diese Analyse wurde ein dielektrischer Halbraum mit der Dielektrizitätskonstante 25 für das Terrain verwendet. Das Hinzufügen des Geländes erfolgt durch Rechtsklick in der Feature-Liste, dann New->Feature->Terrain. Das Gelände kann automatisch an die anderen Features (in diesem Fall die Stadt) angepasst werden oder nach bestimmten Regionen, wie Land und Wasser, festgelegt werden. Das Ändern der Materialparameter des Geländes erfolgt über das in Abbildung 4 dargestellte Dialogfeld.

Danach sieht die Empfängerliste wie in Abbildung 6 dargestellt aus. Die Sender werden auf ähnliche Weise platziert. Abbildung 7 zeigt die in der Stadt platzierten Empfängerrouten einschließlich des Senders am Punkt BS und des Geländes. Sobald die Sender und Empfänger definiert sind, kann jedem von ihnen eine Antenne zugeordnet werden. Für diese Studie wurden ähnliche Antennen wie in der Arbeit von Zhang [1] verwendet. Für die Sender wird eine engstrahlende Richtantenne und für jeden Empfängerpunkt ein Monopol verwendet. Da die Analyse in einer 2D-Ebene durchgeführt wird, kann auch eine vertikal polarisierte Rundstrahlantenne für den Empfang verwendet werden.

Dann wird das Untersuchungsgebiet hinzugefügt, um die Stadt vollständig zu umschließen. Zunächst wird die Berechnung mit dem Strahlenschußmodell Urban Canyon mit 4 Reflexionen, 2 Beugungen und vollständiger Korrelation durchgeführt. Die Eigenschaften der anderen Berechnungsparameter sind alle über das Hauptfenster von Wireless InSite verfügbar, indem Sie die entsprechende Registerkarte auswählen und mit der rechten Maustaste auf das Element klicken. Für den ersten Durchlauf sind alle Empfänger im Projekt aktiv oder in Gebrauch. Zur detaillierten Untersuchung einer bestimmten Straße oder eines Teilgebiets können die Empfänger, die sich außerhalb des Bereichs von besonderem Interesse befinden, inaktiv geschaltet werden, um die Laufzeit zu verkürzen. Ausführen einer Simulation: Das Projekt ist nun bereit, Berechnungen für die in Abbildung 7 dargestellten Sender- und Empfängerstandorte durchzuführen. Nachdem Sie alle Dateien unter einem geeigneten Dateinamen gespeichert haben, klicken Sie mit der rechten Maustaste auf Projekt>Ausführen>Neu, um das Berechnungsprogramm zu starten. Sobald die Berechnung abgeschlossen ist, können Vergleiche mit den in [1] gefundenen Ergebnissen angestellt werden. Der Pfadverlust oder die empfangene Leistung kann für jede der definierten Empfängerrouten in Abhängigkeit von der Entfernung oder der Empfängeranzahl aufgetragen werden. Die Route entlang der Straße AOB ist in Abbildung 9 und für die Straße KDC in Abbildung 10 dargestellt. Die Analyse kann für mehrere Frequenzen in einem einzigen Durchgang durchgeführt werden. Die Vorhersage des Pfadverlustes entlang der LMN bei 1,8 GHz ist in Abbildung 11 dargestellt.

Die Ergebnisse von Wireless InSite können die kleinräumigen Überblendungen der Messungen nicht wiedergeben, da die Standorte und Formen der Gebäude nicht genau bekannt sind. Angesichts dessen ist die Übereinstimmung recht gut. Wenn genauere Gebäudedaten zur Verfügung stünden, könnten Empfängerrouten mit Empfängern im Abstand von etwa 50 cm platziert und die korrelierten komplexen elektrischen Felder gespeichert werden (eine verfügbare Option durch Klicken auf Erweitert im Dialogfeld Empfängereigenschaften).

Eine weitere Fehlerquelle sowohl für die Zhang-Berechnungen als auch für Wireless Insite ist, dass die Messungen bei einem gewissen Verkehrsaufkommen auf den Straßen durchgeführt wurden. Die Auswirkungen von Bussen, Lastwagen und Autos sind in den Berechnungen nicht enthalten, haben aber einen messbaren und dynamischen Einfluss auf die Ausbreitung. Am deutlichsten ist dies wahrscheinlich in der Nähe der Kreuzungen M, O und D, wo die Sichtverbindung bei fehlendem Verkehr dominieren sollte. Die Unterschätzung des Pfadverlustes an diesen Orten sowohl in der Analyse von Zhang als auch in der von Wireless InSite ist teilweise auf das Fehlen von Autoverkehr zurückzuführen. Einige metallische Strukturen (die den Verkehr simulieren) können in den Pfad gelegt werden, um die Auswirkungen auf die Genauigkeit zu sehen. Dies ist in Abbildung 12 dargestellt. Die Analyse wird mit den neuen Hindernissen erneut durchgeführt und in Abbildung 13 mit dem Ergebnis ohne Verkehr verglichen. Es ist klar, dass ein Teil der Unterschätzung des LOS-Pfadverlustes auf das Fehlen von Verkehr zurückzuführen sein könnte.

Abbildung 12: Die rechteckigen blauen Strukturen werden hinzugefügt, um den Verkehr in der Nähe der Kreuzung an der AOB zu simulieren

Um die Auswirkung der Stufen um DEF in Abbildung 1 (Kreuzschraffur) zu analysieren, kann das Modell mit und ohne Unterstruktur, die die Stufen definiert, ausgeführt werden. Einzelne Durchläufe können durchgeführt werden, um den Bereich der Straße BC zu untersuchen. Die einzelnen Strahlengänge können betrachtet werden, um einen Einblick in die Ausbreitungsmechanismen in einem bestimmten Gebiet zu erhalten. Die Strahlenganganalyse ohne Stufen ist in Abbildung 14 und mit Stufen in Abbildung 15 dargestellt.

Dies war ein Beispiel dafür, wie Wireless Insite für die Vorhersage und Planung in städtischen mikrozellularen Umgebungen eingesetzt werden kann und die Fähigkeit, modernste Analysemethoden zu nutzen, um den Erfolg des ersten Durchgangs zu gewährleisten. Um ähnliche Ergebnisse zu erzielen, dauert die Berechnung auf einer 1-GHz-Pentium-4-Workstation in der Regel nur wenige Minuten.

Referenzen

1. "Fast Two-Dimensional Diffraction Modeling for Site Specific Propagation Prediction in Urban Microcellular Environments" von W. Zhang, IEEE Transactions on Vehicular Technology, März 2000.