1.4 Особливості розповсюдження радіохвиль укх діапазону

Під час сеансу радіозв'язку з мобільними об'єктами умови поширення радіохвиль безупинно змінюються, виникають завмирання сигналу, які можуть погіршувати якість зв’язку зменшується середній рівень сигналу, що приймається. Так, при поширенні радіохвиль (ПРХ) у вільному просторі потужність сигналу на вході приймача Рпр пов’язана з потужністю передавача (Рпер), коефіцієнтами підсилення передавача (Gпер) і приймача (Gпр) співвідношенням

, (4.1)

де характеризує рівень послаблення сигналу, а має назву “коефіцієнт послаблення”. Для ПРХ значення визначається співвідношенням

, (4.2)

де λ – довжина хвилі (її значення в метрах визначається, як функція частоти в МГц формулою );

R – відстань від передавача до приймача.

Надане співвідношення (4.1) є основним рівнянням передачі для вільного простору.

В каналах мобільного зв’язку потужність сигналу, що приймається, декілька менша, тому що при розповсюдженні радіохвиль УКХ діапазону на трасах мобільного зв’язку коефіцієнт послаблення , тому що

коефіцієнт послаблення у даному випадку визначається співвідношенням

,

де k>2 і може приймати значення в інтервалі практично від 2-х до 5-ти. При розрахунках енергетичних характеристик використовують значення k=4.

Однак частіше замість співвідношення (4.2) використовують емпіричні формули Окамури-Хата. Співвідношення для визначення втрат (коефіцієнта послаблення) на трасі розповсюдження радіохвиль в міському середовищі має вигляд:

W_{д Б} = 69,55 + 26,16 lg f – 13,82 lg h_БС - A(h_АС) + (45-6,55lg h_БС) lg R, (4.3)

де f_C – частота несучої в МГц (150≤ f_C ≤1500 МГц);

h_БС – висота антени базової радіостанції (30≤ h_БС ≤300 м);

h_АС – висота антени абонентської радіостанції (1≤ h_АС ≤10 м);

A(h_AC) – корегуючий коефіцієнт для висоти антени абонентської станції.

Формула (4.3) адаптована для місцевого і приміського середовищ і відкритого простору.

Для невеликих і середніх міст значення корегуючого коефіцієнта A(h_AC) обчислюється по формулі:

A(h_АС)_дБ = (1,1lg f - 0,7) h_АС – (1,56 lg f – 0,8), дБ . (4.4)

Для великих міст значення A(h_АС) розраховується за формулою:

A(h_АС)_дБ = 8,29 [lg (1,54 h_АС)]² – 1,1 дБ, для f < 300 МГц; (4.5)

A(h_АС)_дБ = 3,2 [lg (11,75 h_АС)]² - 4,97 дБ, для f > 300 МГц. (4.6)

Співвідношення для визначення втрат при розповсюдженні радіохвиль на трасі у приміському середовищі має вигляд:

W_{дБ (передмістя)} = W_{дБ (місто)} – 2 [lg(f/28)]² – 5,4. (4.7)

Втрати у відкритому просторі визначаються співвідношенням

W_{дБ (вільн. впрост.)} =W _{дБ (місто)} – 4,78 lg(f)² – 18,733 (lg f) – 40,98. (4.8)

По точності прогнозування втрат при розповсюдженні радіохвиль (РРХ )модель Окамури-Хата вважається однією із кращих.

Приклад. Визначити втрати на трасі при РРХ в місті середнього розміру, якщо МГц, м, м, км.

По формулі (4.4) визначаємо ,після чого по формулі (4.3) визначаємо :

дБ;

1.5 Класифікація систем мобільного радіозв'язку загального користування

СМРЗ розділяють на такі категорії:

- транкінгові (професійні) системи мобільного зв'язку (ТСЗ);

- стільникові системи зв'язку (ССЗ);

- системи персонального радіовиклику (СПРВ).

Транкінговими (ТСЗ) називають такі системи, які здатні забезпечувати безпосередній (рис.4.1) або опосередкований (рис.4.2) радіозв'язок. Технологія транкінгового зв’язку орієнтована на використання переважно в інтересах відомств (пожежних команд, швидкої допомоги, служб безпеки й охорони громадського порядку й т.д.), установ, комерційних структур. Ці системи більш оперативні і мають ряд властивостей з інформаційної безпеки. Тому їх називають ще професійними системами радіозв'язку. В зоні обслуговування може бути одна базова станція (однозонова ТСЗ), або декілька базових станцій (багатозонова ТСЗ). Радіуси зон зв’язку можуть досягати 50…70км. Базові станції зазвичай з'єднані між собою й кожна з них має вихід на ТМЗК.

Стільникові СМРЗ свою назва одержали виходячи із принципу організації зв'язку, відповідно до якого територія обслуговування ділиться на зони у формі правильних шестикутників (стільників). Розміри стільників можуть бути в межах від десятків метрів (пікосоти) до декілька кілометрів у залежності від прогнозованої інтенсивності радіообміну в тому чи іншому стільнику. Ці системи також відкриті для абонентів ТМЗК й інших мереж зв'язку.

Системи персонального радіовиклику (СПРВ) - пейджингові системи зазвичай забезпечують однобічну передачу інформаційних сигналів або сигналів виклику абонентам пейджингової мережі на відстань до 40…60км від передавача. Існують пейджингові системи, які мають можливість підтверджувати факт прийому сигнала абонентом.

2 Загальні принципи побудови стільникових систем зв’язку

4.2.1 Територіальне планування систем стільникового зв’язку

При плануванні ССЗ територія, що передбачена для обслуговування, розділяється на невеликі (радіусом 2...5 км) зони обслуговування у формі правильних шестикутників (рис.4.2). Кожну зону обслуговує своя БС. Кожна БС забезпечує зв'язок по радіоканалах з багатьма АС, які перебувають у зоні її обслуговування. Всі БС з'єднані лініями зв'язку із центральною станцією (ЦС), що забезпечує управління всією системою та з'єднання АС з будь-яким абонентом ТМЗК або з АС іншого рухомого об’єкта.

Рисунок 4.2 - Принцип організації стільникового зв'язку

У процесі пересування абонентська станція «естафетно» передається від однієї БС до іншої з автоматичним перемиканням по командах ЦС на підхожий дозволений частотний канал.

Для забезпечення дуплексного зв'язку стільниковій системі виділяється два піддіапазона частоти шириною F_сс кожний. Якщо смуга частотного каналу F_k, то загальна кількість каналів у системі (кількість несучих) n_{k cc} визначається співвідношенням n_{k cc}= F_cc/ F_k. Ці канали розподіляються між "N" базовими станціями. Група з "N" осередків, базові станції які використовують весь виділений системі діапазон частот (всі виділені системі частотні канали) і працюють на різних частотних каналах, називається кластером розмірності "N". Розмірність кластера "N" часто називають частотним параметром, тому що він визначає мінімальну кількість каналів у стільниковій системі зв’язку при числі каналів на кожної БС, рівним одиниці.

Територіальне планування має на меті розділити територію на зони обслуговування з урахування повторного використання частотних каналів. Для роботи СМРЗ і припустимого на абонентську станцію сигналів БС, що розміщенні в сусідніх кластерах.

Поділити територію на зони обслуговування можливо одним зі способів: статистичним або детермінованим.

Розглянемо статистичний спосіб. Припустимо, що дві АС А и В віддалені одна від одної на відстань D (рис. 4.3). Припустимо, що БС розташовані в центрах зон обслуговування й мають всенаправленні приймально-передаючі антени.

Середня потужність корисного сигналу, що надходить до АС в точці Е від станції А, обернено пропорційна радіусу зони R у ступені K (параметр загасання, рівний 2 при поширенні радіохвиль у вільному просторі), тобто

.

Рисунок 4.3 - До розрахунку середньої потужності взаємних перешкод від базових станцій, що працюють на однакових частотах

Середня потужність сигналу,що надходить до АС у точці Е, прийнятого від базової станції В,обернено пропорційна відстані D-R у ступені K, тобто

.

Очевидно, що цей сигнал для АС у точці Е перешкодою.

Якщо БС А и В ведуть передачу на одній і тій же частоті, то відношення середньої потужності сигналу до середньої потужності взаємних перешкод у точці Е визначається співвідношенням

. (4.9)

Якщо крім станції В у околиці станції А на відстані D від БС А замість однієї розташовані М базових станцій і всі прийняті від них у точці Е сигнали статистично незалежні, то справедливо співвідношення

. (4.10)

Розглянемо ситуацію,яка зображена на рис.4.4, коли БС розташовані ланцюжком для обслуговування території типу автостради (лінійна структура).

У цьому разі загальна кількість частотних каналів системи розділена між БС-1, БС-2, БС-3 і БС-4. Ланцюжок з базових станцій може повторюватися, зберігаючи захисні відстані D між БС із однаковими частотними каналами.

З наведеного на рис. 4.3 видно, що кількість базових станцій з різними частотними каналами (частотний параметр N) і захисна відстань D визначаються співвідношеннями

, . (4.11)

З урахуванням того, що , а значення М для лінійної структури не перевищує 2, співвідношення (10) буде мати вигляд

. (4.12)

При довільній конфігурації території, що обслуговується, її поділ можливий між зонами обслуговування різної форми - трикутної, квадратної й у вигляді правильних шестикутників. Найчастіше використовуються зони у вигляді правильних шестикутників. Така форма є кращою апроксимацією кругової зони обслуговування.

Визначимо співвідношення, що визначає залежність захисної відстані D між базовими станціями сусідніх кластерів зі стільниками радіуса R, що працюють на однакових частотах. При цьому варто враховувати, що сусідні БС одного і того ж кластера повинні працювати на різних частотах. На рис. 4.4 зображений варіант можливого розміщення однієї (БС-1') і інших сусідніх

Очевидно, що . Якщо прийняти за одиницю виміру в косокутній системі координат , легко переконатися у тому, що

, (на рис. 2.3 ),

.базових станцій, що працюють на однакових частотах із БС-1.

Рис. 4.4 - Варіант можливого розміщення однієї (БС-1') і сусідніх базових станцій, що працюють на однакових частотах із БС-1.

Підставимо значення й у співвідношення для , тоді одержимо .

Таким чином

. (4.13)

Параметр визначає розмірність кластера, тому що при використанні на БС-1 круговий ДНА навколо її можуть розміщатися на видаленні шість БС, що працюють на тих же частотах. Величина може приймати значення з ряду чисел, які визначаються співвідношенням , де i,j =0,1, 2, 3... Наприклад, змінюючи i та j можна одержати значення =3(i=1,j=1); =4(i=0, j=2); =7 (i=1, j=2); =12 (i=2, j=2); =13 (i=1, j=3) і т.д.

При складанні територіального плану необхідно "покрити" територію шестикутними стільниками, а потім у стільниках кожного з кластерів розмістити базові станції, кількість яких дорівнює розмірністі кластера N. Приймемо, наприклад, величину N, що дорівнює 7. Таким чином, маємо групу із 7 БС, що працюють на різних частотах. Розмістимо їх так, як наведено на рис. 2.5, і запишемо номера БС від 1 до 7. Для планування розміщення БС, які повторно використовують частоти БС1... БС7, необхідно використовувати співвідношення . Для N=7, i=2, j=1, (або i=1, j=2. При цьому правило розміщення БС не змінюється).

Для знаходження осередку з "повторною" БС-1 (БС із аналогічними номерами) необхідно "пройти" перпендикулярно стороні шестикутного осередку БС-1 i осередків (у прикладі i=2), а потім під кутом 60° "пройти" j осередків (у прикладі j =2) і записати номер БС-1 (рис.4.5) Застосовуючи це правило, можна записати номера інших осередків, БС яких повторно використовують частотні канали. Після визначення осередків для всіх БС, що використовують ті ж канали, що й БС-1, що у даному випадку перебуває в центрі кластера розмірністю N=7, взаємне положення інших БС-2,БС3 ... БС-7 легко визначається.

Рисунок 4.5 – Принцип визначення стільників з частотами, що повторно використовуються

Для будь-якого припустимого значення N зазначене правило поділу території обслуговування на стільники з урахуванням повторного використання частот при правильному зображенні кластера забезпечує заповнення осередків номерами БС без пропусків і накладень. Пропуски (наявність осередків без номера) або накладення(два різних номери в одному осередку) виникають у випадку неправильного зображення форми кластера.

На рис. 4.6 наведені варіанти кластерів з розмірностями С=4 (i=2, j=0) і С=9 (i=3, j=0) і зазначені стільники з повторюваними частотами.

Розмірність кластерів сучасних ССЗ різна, але найбільше часто використовуються кластери розмірністю з ряду чисел 3, 4, 7, 9,12 й 21.

Рисунок 4.6 – Варіанти кластерів з розмірністю 4 й 9

На рис.4.7 зображено варіант кластеру розмірністю С=7 з розміщенням базових станцій у центрі стільників, базові станції мають секторні діаграми спрямованості антен (ДСА) з кутами кожного з секторів φ=120°.

Рисунок 4.7 – Кластер розмірністю N =7,базові станції з секторними ДСА розміщені у центрах стільників

Крім розміщення БС у центрах стільників, при цьому ДСА можуть бути круговими (φ=360^о) або секторними (φ=120^о й 60^о), використовуються інші варіанти розміщення БС:

- у кутах, що чергуються, шестикутних стільників;

- у кутах, загальних для кожної трійки стільників (стільникових ґрат).

Розміщення в кутах шестикутних стільників базових станцій із секторними

ДСА (φ=120^о) представлене на рис. 4.8.

Рисунок 4.8 – Кластер розмірністю N =7,базові станції з секторними ДСА розміщені у кутах стільників

При використанні “стільникових ґрат” базові станції із секторними ДНА (φ=120^о) розміщаються в загальних кутах трьох сусідніх стільників, тому одна БС обслуговує 3 стільники.При використанні “стільникових ґрат” можливі значення параметра C можуть бути 9, 12 й 21 (запис у вигляді 3/9, 4/12 й 7/21 указує на використання “стільникових ґрат”). На рис. 4.9 зображен кластер розмірністю N=3/ 9.

Рисунок 4.9 - Кластер з “стільникових ґрат” розмірністю С=3/9

Перевага такого варіанта розміщення БС - його економічність (менша кількість БС, а відповідно й ліній зв'язку між БС і ЦС, менші витрати на розміщення БС).

Недоліки: зниження надійності зв'язку у порівнянні з розміщенням БС у центрі й у кутах стільників ,що чергуються, більш висока ймовірність “мертвих зон”.