T. Kurner

Concepts and results for 3D digital terrain-based wave propagation models: an overview

Mobile communication links are severely influenced by propagation effects. Wave propagation in the VHF/UHF frequency range over natural and man-made terrain is strongly dependent on topography and morphography. Propagation modeling is based on a ray-optical approach. Wave interactions, like diffraction and scattering, over the propagation path are described by the uniform theory of diffraction (UTD) and physical optics (PO). Propagation models for rural and urban areas are presented for 2-D and 3-D ray tracing. Near-range models apply to the corresponding areas in forest and urban sites. The field-strength delay spectrum describes ray contributions with deterministic amplitudes but statistical phases are used to derive time-and frequency-domain channel characteristics. Comparisons between measured and predicted data are presented. >

Prediction of outdoor and outdoor-to-indoor coverage in urban areas at 1.8 GHz

A run-time efficient three-dimensional radio propagation prediction model is presented. The model allows mobile network operators to predict the outdoor and the outdoor-to-indoor coverage in dense urban areas using one general prediction model. It integrates almost all relevant propagation phenomena in dense urban areas with an accuracy comparable to the results of dedicated prediction models. The required high resolution building data is stored in vector as well as raster format. Depending on the terrain processing task, the format resulting in the shorter run-time is employed. A huge amount of measurements from the Global System for Mobile Communications 1800 network of E-Plus have been used to derive the heuristics and empirical correction factors included in the model. It is shown that the prediction accuracy can be improved significantly by considering vegetation effects and multipath propagation. Measurements justify multipath propagation only up to a distance of measurements from the base stations (BSs) in an dense urban environment. This is another source of significant run-time savings. Consequently, the prediction time of large areas decreases dramatically by neglecting multipath effects at these distances. A semiempirical building penetration extension is used to derive indoor predictions for each floor based on outdoor predictions at ground-level combined with a height gain model. An additional deterministic component is incorporated in case the BS and (parts of) the building are in line of sight. Preliminary tests show a sufficient match between the measurements and the outdoor as well as the outdoor-to-indoor predictions.

Modellierung der Wellenausbreitung in urbanem Gelände

An efficient planning method for radio communication systems requires a well known wave propagation in the considered area. Thus a new ray-optical model for the UHF wave propagation in urban areas is developed at the Institut für Höchstfrequenztechnik und Elektronik (University of Karlsruhe). This 3D model provides a polarimetric and complex fieldstrength prediction. Additionally it gives the possibility to characterise a radio channel based on a statistical analysis of multipath signals. A comparison between measurements and model predicted pathless in a real urban area is given. Furthermore the possibilities of additional information extraction are discussed. Für die Dokumentation: Urbanes Wellenausbreitungsmodell / Mehrwegeausbreitung / Polarimetrische Feldstärkevorhersage / Zellulare Mobilfunknetze

The influence of land usage on UHF wave propagation in the receiver near range

Scattering, diffraction, and attenuation of UHF wave propagation in the receiver near range (RNR) may cause significant additional path loss. Wave-propagation models for rural areas consider mainly the influence of topography and often ignore the effects due to land usage in the vicinity of mobile receivers. In some models, this path loss is accounted for either by empirical corrections or by additional knife edges. In this paper, new ray optical approaches for the calculation of the additional path loss for receiver sites within forested and suburban environments are presented. Typical macro situations are defined to describe the RNR. For urban areas, the additional path loss is determined by means of the uniform theory of diffraction (UTD), whereas in forested areas, a lateral wave-propagation approach is used. The resulting RNR model is tested in an operating global system for mobile communication (GSM) network. The results show good agreement with both wide- and narrow-band measurements.

Verification of deterministic wave propagation models for rural and urban areas

A detailed comparison of measurements and field-strength predictions in the UHF frequency range gained from 3D wave propagation models for both rural and urban areas is presented. Specifically, the authors investigated the performance of novel UTD (uniform theory of diffraction) models in both typical rural and urban areas concerning microcell and macrocell transmitter networks. The necessity of high-quality morphological and topographical data and the importance of 3D propagation analysis was demonstrated. However, even with a lower resolution of the database, good agreement in prediction of mean field strength level and probability density function is shown. The consideration of multipath propagation as well as a more accurate description of diffraction and refraction effects leads to better predictions compared with results gained from empirical or semi-empirical models.<<ETX>>

A UTD Wave Propagation Model For Microcell Planning Purposes

The system planning methods for the new services in individual communication (mobile radio, PCN) require coverage prediction mainly in urban areas. Characteristic for the wave propagation in these areas are multipath effects due to multiple reflection and diffraction between buildings. Since the mutual coupling between surface elements (building walls) is more significant in urban areas than in natural terrain, an approach as given by Lebherz et al in [1-3], neglecting mutual coupling effects between surface elements, is not sufficient. Thus a new UTD propagation model for urban areas has been developed. The propagation model is described, results are given and compared with measured data.

Signal characteristics of the VHF/UHF propagation channel

The authors present methods for calculating the signal characteristics of the VHF/UHF propagation channel considering multipath effects. The multipath signals are derived from a wave propagation model which takes into account diffraction effects as well as scattering from rough surfaces in a 3D terrain. It is shown that parameters which allow an assessment of the coverage and link performance can be determined from the field strength-delay-spectrum.<<ETX>>

Influence of the receiver near range in urban and forested areas in land mobile radio systems

Network planning in mobile communications requires a realistic description of the propagation phenomena. Common wave propagation models for rural areas consider mainly the influence of topography. However, shadowing effects of the morphography in the vicinity of the mobile cause additional path loss. Usually this path loss is accounted for either by empirical corrections or by additional knife edges. In this paper new ray optical approaches for the calculation of the additional path loss for mobile locations within forested or urban environments are presented. For these situations typical macro situations are defined. In the case of urban environments the additional path loss is determined by means of the Uniform Theory of Diffraction whereas in forested areas a lateral wave propagation approach is used. The model is applied to an existing GSM-network. The results achieved by this model show good agreement with both wideband and narrowband measurements.<<ETX>>

Einfluss der Mehrwegeausbreitung auf die Bitfehlerrate

Conventional wave propagation models for transmitter networks predict fieldstrcngth levels only. Wideband wave propagation models however, include algorithms to characterize the radio channel. For digital radio systems the BER of the unprotected radio channel is an important parameter. In the approach presented in this paper, the influence of multipath propagation on different digital modulation schemes is investigated. The calculations arc based on a 3D wave propagation model, which yields a Fieldstrength-Delay-Spcctrum (FDS). The FDS is defined by amplitudes and delays of all incident waves, from which information about intersymbol interference due to multipath propagation is derived. Two algorithms to derive the BER from the FDS for both linear and non-linear digital modulation schemes are presented. The emphasis is on GMSK and PSK-modulation schemes, which are used in digital mobile radio systems (DCS 1800, GSM, DECT) as well as in digital audio broadcast systems (DAB). An analysis of the performance of the different modulation schemes in difficult terrain is shown. Für die Dokumentat ion: Bitfehlerrate / Mehrwegeausbreitung/ Feldstärkeprädiktion / Kanalimpulsantwort 1. Einleitung Betrag und Laufzeit, das sogenannte Feldstärke-VerzögeDie steigende Zahl von digitalen Funksystemen erforrungs-Spektrum (FVS). dert neue Methoden der Sendernetzplanung und FunkkaDas FVS beinhaltet Informationen über die zu erwarnalcharakterisierung. Während bei herkömmlichen analotende Intersymbolinterferenz digitaler Funksysteme. Die gen Systemen hauptsächlich die reine FeldstärkeprädikBeurteilung der Empfangsqualität bei einem digitalen tion für Planungsaufgaben herangezogen wird, tritt bei Funksystem wird üblicherweise durch die Angabe der den digitalen Übertragungsverfahren die Bitfehlerrate in Bitfehlerrate (bit error rate — BER) vorgenommen. Im den Vordergrund, die zu einem merklichen Teil von der allgemeinen ist die Bitfehlerrate am Empfängerausgang Mehrwegeausbreitung infolge von Reflexionen und Streuabhängig vom Signal-Rausch-Abstand am Empfängereinungen in natürlichem Gelände beeinflußt wird. Um die gang, dem verwendeten Modulationsverfahren, der KaBitfehlerrate für eine Versorgungsprognose abschätzen zu nalcodierung, der Empfängerstruktur und der Intersymkönnen, ist es notwendig, das Ausbreitungsverhalten elekbolinterfercnz aufgrund auftretender Mehrwegesignale, tromagnetischer Wellen in der realen Umgebung sowie die Aus dem Blickwinkd der Sendernetzplanung ist die Auswirkungen auf das Systemverhalten möglichst wirkKenntnis der ßrutto-Bitfehlerrate von besonderem Interlichkeitsgetreu zu modellieren. Dies fuhrt zu einer engen esse Dies jst die Bitfehlerrate ohne Berücksichtigung eines Verflechtung der hochfrequenztechmsch-physikalischen eventuellen Gewinns durch Entzerrer oder spezielle CoAspekte mit den nachnchtentechnischen Aspekten des dierungsmaßnahmen. Eine derartige Definition ist auch in Funkubertragungssystems. Der vorliegende Aufsatz beder GSM-Empfehlung 05.05 [5] zu finden, in der die schreibt ein Verfahren mit dem die Bitfehlerrate des minimale Bitfehlerrate des ungeschützten Kanals für die ungeschützten Kanals basierend auf einem dreidimensioBeurteilung eines störungsfreien Empfangs herangezogen nalen Wellenausbreitungsmodell [1-4] bestimmt werden wjrd kann. Das 3D-Wellenausbreitungsmodell liefert die im natürlichen Gelände auftretenden Mehrwegesignale nach Zunächst sei ein digitales Funksystem unter Vernachlässigung von Codierung und Entzerrung betrachtet. Hier ist bei einem von Echosignalen freien, idealen Übertra* Institut für Höchstfrcquenztechnik und Elektronik, Universität Karlsruhe gUngSSyStem die Bitfehlerrate des Systems abhängig VOIIl FREQUENZ 48(1994)11-12 Einfluß der Mehrwegeausbreitung auf die Bitfehlerrate 271 Signal-Rausch-Abstand, dem verwendeten Modulationsverfahren und der Empfangerstruktur. Für viele Modulationsverfahren existieren in diesem Fall analytische Lösungen zur Bestimmung der jeweiligen Bitfehlerrate [6]. Dabei könnte durch Erhöhung der Signalleistung eine beliebig kleine Bitfehlerrate erreicht werden. Treten jedoch Intersymbolinterferenzen infolge von Mehrwegeausbreitung auf, so wird die Bitfehlerrate nicht mehr allein durch Rauschen bestimmt. Vielmehr ist die minimal erreichbare Bitfehlerrate allein vom Modulationsverfahren und den Mehrwegesignalen abhängig. Diese minimal erreichbare Bitfehlerrate wird üblicherweise in der Literatur als „irreducible error-floor (IEF) bezeichnet [7]· Die in realen Systemen verwendeten Codes und Entzerrungsstrukturen führen immer zu einer Reduzierung der BER. Somit führt die Betrachtung eines auf diese Weise idealisierten Funksystems zu einer Worst-Case-Abschätzung. Bislang werden in der Literatur [8, 9, 10] bei solchen Untersuchungen ganz spezielle Ausbreitungssituationen, wie z.B. das Vorliegen von Rayleigh-Fading, vorausgesetzt, für die dann analytische Lösungen angegeben werden. In diesem Aufsatz wird nun ein neuartiges Verfahren beschrieben, mit dem die Bitfehlerrate des ungeschützten Kanals unter Berücksichtigung beliebiger Feldstärke-Verzögerungs-Spektren und des Rauschens berechnet werden kann. Der Aufsatz zeigt im Abschnitt 2 eine kurze Beschreibung des Wellenausbreitungsmodells. Nach der Beschreibung der wesentlichen Eigenschaften digitaler Modulationsverfahren in Abschnitts erfolgt in Abschnitt4 die Beschreibung der Algorithmen zur Bitfehlerratenbestimmung. 2. Modellierung der Ausbreitungssituation Die für die strahlenoptische Beschreibung der Wellenausbreitung entwickelten IHE-Modelle [1-4] basieren auf der verallgemeinerten Beugungstheorie (engl. Uniform Theory of Diffraction) und einer modifizierten Form der Kirchhoff-Methode der physikalischen Optik. In diesen Modellen erfolgt eine dreidimensionale Modellierung der Wellenausbreitung. Dabei werden Einfachstreuprozesse berücksichtigt. Jedes auftretende Mehrwegesignal wird durch eine Teilwelle mit den Parametern — Amplitude £„ — Phase , aufgrund von Reflexion, Streuung oder Beugung, — Zeitverzögerung , (bezogen auf die kürzeste Laufzeit), — Einfallwinkel af (Azimuth, ,· (Elevation) und — Polarisationszustand bestimmt, mit denen eine vollständige systemtheoretische Beschreibung des Funkübertragungssystems möglich ist. Das Wellenausbreitungsmodell liefert deterministische Werte für die Einfallswinkel {, , und Zeitverzögerungen ;. Die Amplituden £; werden, soweit es sich um gestreute Anteile handelt, über den Erwartungswert des bistatischen Radarstreuquerschnitts berechnet [11], sind also statistisch variierende Größen. Ebenso sind die Phasen ipt nur statistisch beschreibbar. Für deren statistisches Verhalten sind zwei Effekte verantwortlich. Zunächst ist der Streuprozeß selbst statistischer Natur. Ferner ist die Pixelgröße der verwendeten Geländedatenbank ein Vielfaches der Wellenlänge, so daß auf diese Weise eine weitere Unsicherheit bei der Bestimmung der Phasen hinzukommt. Allge34 = 01 32=10 * RettkT Bild 1: Signal Vektordiagramm bei der 4-PSK-Modulation, Entscheidungsgebict R2 dunkel unterlegt mein können die Phasen durch eine über den Winkelbereich definierte Rechteckverteilung approximiert werden. Für viele praktische Problemstellungen kann mit einer im ganzen Winkelbereich [0,2 ] gleichverteilten Phase gerechnet werden. Da die durch die statistische Variation der , verursachten Änderungen wesentlich stärker sind als die Schwankungen aufgrund der statistisch verteilten Amplituden, wird im folgenden der Erwartungswert des gestreuten Feldes als determinierter Wert für die Amplituden £,angenommen. 3. Eigenschaften digitaler Modulationsverfahren Um digitale Datensignale drahtlos übertragen zu können, ist eine Umsetzung in eine höhere Frequenzlage durch Modulation einer Trägerschwingung erforderlich. Da die Digitalsignale zwischen festen Parameterwerten schwanken, spricht man in diesem Fall auch häufig von Tastung [12]. Dabei wird der sinusförmige Träger in seinen Parametern Amplitude, Phase oder Frequenz von den zu übertragenden Datensignalen beeinflußt. In Analogie zu den analogen Modulationsverfahren gibt es auch hier prinzipiell drei Möglichkeiten der Tastung: — Amplitudentastung (Amplitude Shift Keying, ASK), — Phasenumtastung (Phase Shift Keying, PSK), — Frequenzumtastung (Frequency Shift Keying, FSK). Die gesendeten Signalwerte bk werden dabei durch Codierung aus dem binären Datenstrom ak {0,1} gewonnen. Abhängig vom verwendeten Modulationsverfahren werden mehrere binäre Werte ak zu einem Sendesymbol zusammengefaßt. Die komplexen Signalwerte bk können als Signalvektor interpretiert und in einem Signalvektordiagramm dargestellt werden [6]. Bild l zeigt die Lage der vier Signalvektoren im Signalvektordiagramm für die 4PSK-Modulation sowie die zu den Sendesymbolen bk gehörenden Binärdaten ak. Die Zuordnung der Binärdaten ak zu den Sendesymbolen bk erfolgt hier im Sinne des Gray-Codes. 3.1 Lineare digitale Modulationsverfahren In der Praxis treten häufig auch Modulationsverfahren auf, die sowohl eine Phasenals auch eine Amplitudentastung verwenden. Man spricht in diesem Fall von ASK/ PSK-Verfahren. Ein Spezialfall dieser ASK/PSK-Verfahren stellt die Quadraturamplitudenmodulation (QAM) dar. Alle Verfahren, die eine ASK oder PSK enthalten, werden in der Literatur [13-15] als lineare digitale Modulationsverfahren bezeichnet Bei diesen Verfahren kann 272 Einfluß der Mehnvegeausbreitung auf die Bitfehlerrate FREQUENZ 48(1994)11-12 man die komplexe Einhüllende b(t) des modulierten Signals als Linearkombination der mit den Symbolen bk gewichteten Rechteckgrundimpulse x0(i) darstellen [16]: (D £(0= bkx0(t-kT) -co

A new wave propagation model for urban and suburban macro cellular coverage prediction

A novel nonempirical microwave propagation model (called URBAN-MACRO) for urban and suburban macro cellular mobile radio is presented. The urban built-up structure is represented by building classes, which contain the corresponding terrain structure parameters. A virtual terrain profile vector of the vertical transmitter/receiver plane is derived using built-up parameters. Based on a deterministic, ray optical approach, the path loss can be calculated for transmitter locations both above and below building heights. A first comparison of predicted results with measurements, which shows a good agreement, is presented. Micro and macro cell area coverage predictions, computed in a reasonable time, are shown.<<ETX>>