82069 - ELECTROMAGNETIC PROPAGATION FOR WIRELESS SYSTEMS M

Scheda insegnamento

Anno Accademico 2018/2019

Conoscenze e abilità da conseguire

Mastery in engineering electromagnetic topics related to wave propagation. Knowledge of the main properties of radio propagation in real environment, expertise on path-loss models, multipath propagation modeling and radio channel wideband characterization. General comprehension of MIMO systems, diversity and spatial multiplexing techniques. Awareness of the main coverage and planning strategies for cellular radio, broadcasting and wireless systems. Assessment of wireless systems efficiency.

Programma/Contenuti

Parte I – Fondamenti di Elettromagnetismo

Equazioni di Maxwell

Sistemi di coordinate ed operatori vettoriali. Equazioni di Maxwell in forma integrale e differenziale. Relazioni costitutive dei materiali, condizioni al contorno. Rappresentazione complessa di campi sinusoidali. Equazioni di Maxwell in regime armonico. Potenziale Vettore. Campo generato da un punto, una superficie e da un volume. Onde sferiche.

Principali proprietà del campo elettromagnetico

Polarizzazione del campo elettromagntico. Teorema di Poynting e bilancio energetico. Conduttori perfetti e correnti superficiali. Teorema di equivalenza e principio delle immagini.

Onde piane

Onde piane in mezzi con e senza perdite. Densità di potenza ed impedenza d’onda. Riflessione e trasmissione di onde piane.

Propagazione in mezzi omogenei

Espressione del campo come integrale di onde piane, concetto di frequenza spaziale. Relazine fra campo lontano e campo di sorgente. Campo vicino e campo lontano. Fenomeni di diffrazione. Veddore di radiazione e campo lontano. Onde sferiche, grandezze caratteristiche della radiazione.

Elementi di propagazione guidata

Scomposizione delle equazioni di Maxwell in componenti trasversali e longitudinali. Concetto di modo e di frequenza di taglio. Esempi introduttivi: slab dielettrico e guida metallica a piani paralleli.

Teoria Geometrica della Propagazione

Dalle equazioni di Maxwell alle equazioni dell’Ottica Geometrica. Descrizione a raggi della propagazione radio. Traiettorie dei raggi e propagazione del campo elettromagnetico lungo i raggi.

 

Parte II – Propagazione nei Sistemi Wireless

Propagazione libera in ambiente reale

Dalla propagazione ideale (formula di Friis) a quella reale: il fading e le sue cause (ostruzione del collegamento e cammini multipli). Dipendenza delle prestazioni di un sistema radio digitale dalle condizioni di propagazione.

Introduzione agli effetti ambientali. Esempio: impatto del terreno sul radiocollegamento, effetti atmosferici. Propagazione troposferica e ionosferica.

Caratterizzazione del canale radiomobile in tempo, spazio e frequenza.

Analisi a banda stretta della distribuzione di campo e.m.: termine dominante, fading lento e fading rapido. Formula di Okumura-Hata e modelli di shadowing. Copertura di una cella singola.

Effetto dei cammini multipli e funzioni di input/output del canale radiomobile.

Formule per il calcolo dell'attenuazione nei sistemi d'area: modelli di propagazione a banda stretta.

Caratterizzazione della propagazione a banda larga (Delay Spread, Angle Spread, ecc.) e modelli di propagazione a banda larga (modelli a raggi).

Sistemi multi-antenna

Soluzioni MIMO per la mitigazione del fading e/o per l’incremento della capacità di canale: diversità spaziale, beamforming e spatial multiplexing.

Introduzione ai sistemi cellulari

Sistemi cellulari e riuso delle risorse. Hand-over. Introduzione alle tecniche di accesso multiplo: TDMA, FDMA, CDMA e SDMA. Cenno al Multi-User MIMO: Zero-forcing e Geometric Beamforming.

Testi/Bibliografia

Lucidi e dispense del corso.

D.A. McNamara. C.W.I Pistorius, J.A.G. Malherbe, Introduction to the uniform geometrical theory of diffraction, Artech House, 1990.

H. L. Bertoni, Radio Propagation for Modern Wireless Systems, Prentice Hall, 2000

N. Costa, S. Haykin, Multiple-Input Multiple Output Channel Models – Theory and Practice, Wiley& Sons, 2010

Metodi didattici

Il corso comporta lezioni frontali ed esercitazioni in aula e a casa.

Modalità di verifica dell'apprendimento

L'esame è articolato in una prova scritta ed in una successiva discussione orale.

La prova scritta è a sua volta articolata in due parti:

(i) un test a risposta multipla inerente agli argomenti di teoria generale dell’elettromagnetismo, della durata di 30 minuti circa durante i quali non è consentita la consultazione di appunti o altro materiale di supporto;

(ii) un esercizio a risposta aperta da svolgersi nel tempo di 1h circa ed relativoad uno qualunque degli argomenti inerenti alla propagazione wireless nei radiocollegamenti e sistemi radiomobili. E’ammesso l’uso di libri, appunti, calcolatrici ma non di supporti informatici.

L’esito di entrambe le prove scritte deve risultare sufficiente (ovvero pari ad almeno 6/10 per il test, 18/30 per l’esercizio) per consentire l’accesso alla prova orale.

La discussione orale (della durata di 15 min. circa) mira a valutare la comprensione dei concetti fondamentali espressi durante il corso.

La prova scritta e la discussione orale devono essere sostenute preferibilmente entro la stessa sessione d’esame ed in ogni caso la validità dei risultati della prova scritta è limitata all’anno accademico in corso.

Il voto finale espresso in trentesimi risulta dalla valutazione complessiva di scritto e orale.

Strumenti a supporto della didattica

Lavagna, PC, video proiettore.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Franco Fuschini

Consulta il sito web di Giovanni Tartarini