Определения радиуса зоны обслуживания базовой станции стандарта gsm-900
Для
определения радиуса зоны обслуживания
базовой станции стандарта GSM
применяется модель Окамуры. Данная
модель основана на экспериментальных
результатах, полученных Окамурой. Суть
ее заключается в следующем: сначала
определяется ослабление сигнала при
распространении для квазигладкой
поверхности (трасса протяженностью
несколько километров, на которой средняя
высота неровностей не превышает 20 м). В
модели Окамуры приняты базовые значения
высоты абонентских станций (АС)
,
и эффективные высоты антенн базовых
станций (БС) 
м,
причем последняя определяется над
средним уровнем квазигладкой поверхности.
В этом случае уровень мощности сигнала
на выходе приемной антенны
,
дБВт
определяется по формуле (для случая
городской застройки)[14]:
, (4.25)
где 
-
уровень мощности сигнала в точке приема
при распространении в свободном
пространстве, дБВТ, определяемый по
следующей формуле:
, (4.26)
где 
-
уровень мощности передатчика, дБВт;
-
коэффициент усиления приемной антенны,
дБ;
-
коэффициент
усиления передающей антенны, дБ;
-
длина волны, м;
-
расстояние между БС и АС, м.
-
дополнительное ослабление сигнала в
городе (медианное значение), определенное
для квазигладкого городского района
при базовых высотах антенн БС и АС, дБ,
значение которого определяется, исходя
из графика на рисунке 4.2;
-
коэффициент «высота-усиление антенны
БС», учитывающий отличие значения высоты
антенны БС от 200 м; определяется из
выражения[14]:
; (4.27)
-
коэффициент «высота-усиление антенны
АС», учитывающий влияние реальной высоты
антенны АС, который рассчитывается по
формуле:
,при
м, (4.28)
Рисунок
4.2 – Зависимость среднего значения
от
частоты и расстояния между БС и АС
Далее,
путем введения поправочных коэффициентов,
рассчитывается ожидаемый уровень
медианной мощности сигнала с учетом
характера местности
,дБВт:
(4.29)
где
-
поправочный коэффициент для пригородной
зоны и открытой местности, зависит от
частоты сигнала и определяется по
графикам рисунка 4.3;
-
поправочный коэффициент для учета
степени пересеченности местности.
Зависит от перепада высот и определяется
по графику рисунка 4.4.
Рисунок 4.3 – Зависимость поправочного коэффициента для случая пригородной зоны
Напряженность
поля на входе приемной антенны
рассчитывается с учетом собственных
шумов приемника мобильного абонента.
Кроме того, необходимо учитывать быстрые
и медленные замирания путем добавления
к пороговому значению напряженности
поля
,
В/м, запаса по напряженности поля М,В/м,
который определяется по формуле:
, (4.30)
где z
- нормированное действующее значение
напряженности поля в точке приема.
Определяется из таблицы 4.2 для заданной
вероятности
%:
-
общее стандартное отклонение сигнала,
определяемое как сумма стандартных
отклонений от среднего уровня в условиях
быстрых и медленных замираний[14]:
, (4.31)
где
- стандартное отклонение сигнала в
условиях быстрых замираний,дБ;
-
стандартное
отклонение сигнала в условиях медленных
замираний, дБ;
Рисунок 4.4 – Зависимость поправочного коэффициента от перепада высот
Таблица 4.2 – Нормированные действующие значения напряженности поля
S,% |
0.5 |
0.6 |
0.7 |
0.8 |
0.9 |
0.95 |
0.99 |
Z |
0 |
0.253 |
0.524 |
0.842 |
1.282 |
1.645 |
2.326 |
Следовательно, чтобы связь была устойчива, необходимо выполнять условие:
. (4.32)
В
качестве антенн базовых станций в
основном используются панельные антенны.
Основным элементом таких антенн является
блок (панель), представляющий собой
металлический кожух квадратного сечения,
на каждой стороне которого размещены
два симметричных полуволновых вибратора.
С целью увеличения коэффициента
направленного действия (КНД) панели
монтируются на антенной мачте друг над
другом на одинаковом расстоянии
.
Число панелей на практике выбирается
от 2 до 8. Металлический кожух играет
роль апериодического рефлектора и,
кроме того, служит элементом крепления
симметричных вибраторов. Питание антенны
осуществляется по коаксиальному кабелю.
Вибраторы на антенне размещаются на
расстоянии
от
экрана.
Если предположить, что все симметричные вибраторы панельной антенны возбуждаются синфазно, то диаграмму направленности данной антенны в горизонтальном направлении можно рассчитать с помощью следующего выражения:
В горизонтальной плоскости:
,
(4.33)
где 
(4.34)
(4.35)
(4.36)
где 
-
постоянная распространения, м-1;
-
расстояние между симметричным вибратором
и металлическим кожухом (рефлектором),
обычно принимается равным
,м;
-
ширина квадратного металлического
кожуха (
),м;
-
расстояние между вибраторами панели
(
),м.
Результаты расчетов для секторной антенны с шириной диаграммы направленности в горизонтальной плоскости на уровне -3 дБ равной 120° сведем в таблицу 4.3.
Таблица 4.3 – Результаты расчетов диаграммы направленности антенны БС в горизонтальной плоскости
|
0 |
20 |
40 |
60 |
80 |
100 |
120 |
|
1 |
0.703 |
0.472 |
0.829 |
0.983 |
0.602 |
0.734 |
Для любой антенны справедливо соотношение:
, (4.37)
где 
-
коэффициент усиления в максимуме
излучения, дБ;
-
коэффициент полезного действия (КПД)
антенны, обычно принимается равным
0.95;
-
коэффициент направленного действия
антенны, дБ.
Тогда
. (4.38)
В качестве БС воспользуемся базовой приемопередающей станцией для стандарта GSM, работающая в диапазоне частот 900 МГц, разработанной фирмой ALKATEL. В качестве абонентской станции возьмем оборудование NOKIA-210. Их технические характеристики приведены в таблице 4.5.
Таблица 4.5 – Технические параметры аппаратуры БС и АС
Параметры |
Значения характеристик станций |
|
базовой |
абонентской |
|
Реальная чувствительность приемника, дБВт |
-104 |
-100 |
Максимальный коэффициент усиления, дБи |
16.5 |
0 |
Мощность передатчика, Вт |
30 |
0.25 |
Излучаемая мощность, дБм |
52.57 |
24 |
Защитное отношение сигнал/помеха в совмещенном канале, дБ |
9 |
|
Высота антенн над землей, м |
30 |
1.5 |
Определение радиуса зоны обслуживания при передаче сигнала от БС к АС (полоса частот: 935-960 МГц)
Для определения радиуса зоны обслуживания базовой станции воспользуемся методом Окамуры – формулы (4.25) - (4.30).
Для того чтобы связь базовой станции и подвижных абонентов была устойчивой, необходимо выполнение условия[17]:
. (4.39)
Запас
по мощности составляет
=28,52
дБм.
С учетом значения пороговой чувствительности (таблица 4.2) определим уровень сигнала на входе приемника:
,
дБм. (4.40)
Перепишем формулу (4.29) с учетом всех введенных коэффициентов:
, (4.41)
Так как в данную формулу входят величины, зависящие от расстояния между БС и АС, то предельные значения расстояния, при которых выполняется условие (4.40) и будут определять границы зоны обслуживания с заданной вероятностью приема S.
По формулам (4.27) и (4.28) определим поправочные коэффициенты, учитывающие реальную высоту антенн БС и АС:
дБ,
дБ.
Дополнительное
ослабление сигнала в городе для
квазигладкого городского района при
базовых высотах антенн БС и АС
определим для выбранного радиуса зоны
обслуживания по графикам рисунка 4.2,
поправочные коэффициенты
при 
МГц и
при 
м
определяются по графикам рисунков 4.3 и
4.4;
Длина волны определяется по формуле:
м.
Задаваясь различными радиусами зоны обслуживания, добьемся выполнения условия (4.41), результаты расчетов сведем в таблицу 4.6
Пусть
км,
тогда
,
Таким образом условие (4.40) выполняется.
Определим радиус зоны обслуживания при передаче сигнала от АС к БС (полоса частот: 890-915 МГц)
При расчете радиуса зоны обслуживания при передаче сигнала от АС к БС будем использовать те же значения, что и при расчете радиуса на направлении от БС к АС. Это даст возможность определить, входит ли зона обслуживания АС в зону обслуживания БС.
Поправочный
коэффициент
определим
при 
МГц
и
при
м
по
графикам рисунков 4.3 и 4.4;
Длина волны определяется по формуле:
м.
Запас по мощности составляет в данном случае =24,52 дБм[10].
Тогда выражение (4.29) примет вид:
, (4.42)
Пусть 
км
.
Как видно, условие (4.42) выполняется. Все остальные расчеты проведем в среде MathCAD, а результаты расчета сведем в таблицу 4.6.
Таблица 4.6 – Результаты расчетов радиуса зоны обслуживания
Θ,град |
Радиус зоны обслуживания, км |
Коэффициент
|
Ослабление |
Мощность сигнала на входе приемника, дБм |
на направлении БС→АС |
||||
0 |
25.015 |
11.5 |
34.81 |
-71.48 |
20 |
26.01 |
36 |
-71.479 |
|
40 |
29.05 |
36.77 |
-71.479 |
|
60 |
26.1 |
35.25 |
-71.479 |
|
80 |
25.16 |
34.83 |
-71.48 |
|
100 |
26.56 |
36.49 |
-71.481 |
|
120 |
26.34 |
35.701 |
-71.479 |
|
на направлении АС→БС |
||||
0 |
7.5 |
11.3 |
28.75 |
-75.472 |
20 |
8.8 |
28.9 |
-75.481 |
|
40 |
9.8 |
29.695 |
-75.48 |
|
60 |
8.29 |
28.697 |
-75.479 |
|
80 |
8.08 |
28.18 |
-75.479 |
|
100 |
9.12 |
29.26 |
-75.481 |
|
120 |
8.65 |
28.86 |
-75.481 |
|