82069 - ELECTROMAGNETIC PROPAGATION FOR WIRELESS SYSTEMS M

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.

Contenuti

Parte I – Fondamenti di Elettromagnetismo (30 ore circa)

Equazioni di Maxwell

Rappresentazione complessa di campi sinusoidali. Polarizzazione di campi sinusoidali.

Equazioni di Maxwell nel dominio del tempo e della frequenza, condizioni al contorno.

Onde elettromagnetiche

Il concetto di onda e la radiazione elettromagnetica.

Risoluzione delle equazioni di Maxwell in mezzo omogeneo: potenziali vettori, campo generato da una sorgente puntiforme e da una sorgente estesa. Condizioni di campo lontano e onde sferiche uniformi. Attenuazione dell’onda elettromagnetica, velocità di propagazione della fase.

Onde piane: vettore d’onda, onde omogenee, dissociate ed evanescenti.

Onda progressiva e onda riflessa, concetto di onda stazionaria.

Comunicazioni wireless in campo vicino.

Risonanza elettromagnetica.

Teoremi dell’elettromagnetismo

Teorema di Poyinting, teorema di equivalenza e teorema delle immagini.

Interazioni Elettromagnetiche

Riflessione e rifrazione: legge della riflessione e coefficienti di Fresnel per interfacce dielettriche piane. Riflessione e trasmissione nei metalli. Diffrazione: principio di Huygens e teorema di Kirchhoff, coefficiente di Fresnel per la diffrazione da singolo knife-edge.

Teoria Geometrica della Propagazione

Cenni storici, definizione di raggio ottico. Equazioni delle onde in mezzo disomogeneo. Equazione dell’iconale e del trasporto. Equazione dei raggi e traiettorie. Esempi: mezzo a stratificazione planare e sferica. Fattore di divergenza. Espressione generale del campo elettromagnetico lungo un raggio. Ottica Geometrica: raggi riflessi e rifratti. Teoria Geometrica della Diffrazione: cono di Keller e coefficienti di diffrazione

Parte II – Propagazione nei Sistemi Wireless (60 ore circa)

Propagazione troposferica/ionosferica per collegamenti terrestri a grande distanza

Traiettorie dei raggi nella troposfera: refrattività, gradiente verticale di refrattività e curvatura dei raggi nella troposfera. Indice troposferico ed atmosfera sub-standard, standard e super-standard. Orizzonte radio e raggio terrestre equivalente.

Definizione e proprietà della ionosfera. Indice di rifrazione della ionosfera e raggi ionosferici. Onda di cielo e massima frequenza utilizzabile per il ritorno a terra dell’onda.

Attenuazione delle onde elettromagnetiche nell’atmosfera

Composizione dell’atmosfera, effetto Joule e fenomeni di assorbimento. Attenuazione specifica di ossigeno e vapor d’acqua, stima dell’attenuazione atmosferica per collegamenti orizzontali e obliqui. Attenuazione da pioggia e intensità delle precipitazioni. Calcolo statistico dell’attenuazione specifica da pioggia.

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. Attenuazione e distorsione (e interferenza), fading piatto e selettivo.

Effetti ambientali sulla propagazione elettromagnetica. Esempi: effetti atmosferici, propagazione troposferica, impatto del terreno sul radiocollegamento (modello a 2 raggi).

Proprietà di dispersione del canale radio: delay spread/banda di coerenza, Doppler spread/tempo di coerenza, angle spread.

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. Fattore di attenuazione, descrizione statistica del fading lento e rapido. Modelli di propagazione a banda stretta (formula di Okumura-Hata, modello di Epstein-Peterson, …). Margine di fading raggio di copertura.

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

Canale WSSUS per la determinazione dei parametri a larga banda (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.

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

S.J. Orfanidis, Electromagnetic Waves and Antennas, free download at: http://eceweb1.rutgers.edu/~orfanidi/ewa/

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

E. Björnson, J. Hoydis L. Sanguinetti, Massive MIMO Networks: Spectral, Energy, and Hardware Efficiency, free download at: https://massivemimobook.com/wp/free-pdf/

Metodi didattici

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

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

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

A seconda dell’evoluzione della pandemia da Covid19, la prova scritta può consistere in:

• un esercizio a risposta aperta da svolgersi nel tempo di 1h circa e relativo ad uno qualunque degli argomenti del corso (non appena l’emergenza sarà cessata e la didattica tornerà pienamente in presenza).
• un quiz a risposta multipla da svolgersi nel tempo di circa 45 minuti e relativo agli argomenti del corso (finché l’emergenza sarà in atto e la didattica gestita prevalentemente da remoto)

In ogni caso, durante la prova scritta è ammesso l’uso di libri, appunti, calcolatrici mentre la navigazione sul web e l’accesso ai social networks durante l’esame sono espressamente vietate

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L’esito della prova scritta deve risultare sufficiente (ovvero pari ad 18/30 per l’esercizio) per consentire l’accesso alla prova orale.

La discussione orale (della durata di 15/20 min. circa) mira a valutare la comprensione dei concetti fondamentali espressi durante il corso.

La prova scritta e la discussione orale devono essere entro la stessa sessione d’esame.

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