7.6.6. Проведение расчетов потерь передачи при различных механизмах распространения мешающего радиосигнала в условиях ясного неба

Модели распространения МС в условиях ясного неба

В следующих подразделах описывается способ расчета основных потерь передачи МС, L_b, (дБ), не превышаемых в течение требуемого ежегодного процента времени p.

-- Распространение в пределах прямой видимости (включая краткосрочные эффекты)

Для загоризонтных трасс и трасс в пределах прямой видимости должны быть рассчитаны следующие значения:

Основные потери передачи из-за распространения в свободном пространстве и ослабления в атмосферных газах:

L_bfsg   92,5  20 log f  20 log d  A_g + Esp дБ, (7.28)

где:

A_g : общее поглощение в атмосферных газах (дБ):

дБ, (7.29)

где:

_o, _w(ρ): значения погонного ослабления в сухом воздухе и в парах

воды, соответственно, которые определяются с помощью уравнений,

приведенных в Рекомендации МСЭ-R P.676;

ρ -- плотность паров воды:

г/м³; (7.29a)

ω часть трассы, проходящая над водой

Поправки, учитывающие эффекты многолучевости и фокусировки, при

процентах времени p и ₀:

E_sp = 2,6 [1  exp(0,1 {d_lt + d_lr})] log (p/50) дБ (7.30a)

E_s = 2,6 [1  exp(0,1 {d_lt + d_lr})] log (₀/50) дБ. (7.30б)

Основные потери передачи, не превышаемые в течение процента времени,

p%, из-за распространения на трассах прямой видимости:

L_b0p = L_bfsg + E_sp дБ, (7.31)

Основные потери передачи, не превышаемые в течение процента времени,

₀%, из-за распространения на трассах прямой видимости:

L_b0 = L_bfsg + E_s дБ, (7.32)

-- Распространение за счет дифракции

Изменчивость во времени величины дополнительных потерь,

вызванных механизмом дифракции, обусловлена изменениями

вертикального градиента объемной атмосферной рефракции радиоволн.

С помощью модели явления дифракции рассчитываются следующие

параметры, требуемые для дальнейших расчетов в п. 4.6:

Ldp: дифракционные потери, не превышаемые для p% времени;

Lbd50: медианные значения основных потерь передачи, связанных с

дифракцией; они рассчитываются с использованием медианного значения

эквивалентного радиуса Земли, ae, полученного из уравнения (6a).

Lbd: основные потери передачи, связанные с дифракцией, не превышенные для p% времени.

Используемый метод расчета дифракционных потерь пригоден для всех

типов трасс, включая трассы над морем, над материковой частью суши и над

прибрежной частью суши вне зависимости от того, является ли поверхность

Земли гладкой либо неровной. Ввиду высокой сложности , характерной для

большинства расчетов дифракционных ситуаций, соответствующая

расчетная методика из [21] приведена отдельно в Приложении …??

На рисунке 7.7 также показана кривая, основанная на уравнении (2)?? и обозначенная как A_d. Эта кривая, которая, строго говоря, справедлива для потерь, превышающих 15 дБ, в интересах проектировщиков линий связи была экстраполирована для значений потерь до 6 дБ.

Рис. 7.7. Зависимость дифракционных потерь от нормированного просвета

-- Распространение за счет тропосферного рассеяния

.При слабых МС (когда потери передачи велики и не превышаются лишь в течение малых процентов времени) бывает трудно отделить истинный режим тропосферного рассеяния от других, второстепенных явлений, которые оказывают аналогичное воздействие на распространение радиоволн. Поэтому модель "тропосферного рассеяния", принятая в настоящей Рекомендации, является эмпирическим обобщением концепции тропосферного рассеяния, охватывающим также эти второстепенные явления распространения. Она позволяет осуществлять непрерывное прогнозирование основных потерь передачи в диапазоне изменения процентов времени p от 0,001% до 50%, связывая таким образом модели волновода и отражения от слоя при малых процентах времени с истинным "режимом рассеяния", соответствующим слабым остаточным полям, превышаемым в течение наибольшего процента времени. Описываемая модель тропосферного рассеяния разработана для прогнозирования помех и не предназначена для расчета условий распространения при процентах времени выше 50% (т.е. при относительно высоких уровнях радиосигнала).

Основные потери передачи за счет тропосферного рассеяния, L_bs  (дБ), не превышаемые в течение любого процента времени p, меньшего 50%, равны:

дБ, (7.33)

где:

L_f: частотно зависимые потери:

L_f   25 log f –2,5 [log ( f / 2)]² дБ; (7.34)

L_c: поправка по отношению к потерям за счет связи с окружающей средой (дБ):

дБ; (7.35)

N₀: преломляющая способность поверхности на уровне моря в середине трассы, определяемый с помощью рисунка 6? ?;

A_g: поглощение в газах, определяемое с помощью уравнения (9) в предположении, что   3 г/м³ по всей длине трассы.

-- Волноводное распространение/отражение от атмосферных слоев

Прогноз основных потерь передачи, L_ba (дБ), возникающих в периоды аномальных условий распространения радиоволн (волноводное распространение и отражение от слоев атмосферы), основан на использовании следующей функции:

L_ba   A_f   A_d ( p)  A_g дБ, (7.36)

где:

A_f: сумма потерь (за исключением потерь из-за отражения от местных предметов) за счет фиксированной связи между антеннами и аномальных структур распространения, возникающих в атмосфере:

A_f = 102,45 + 20 log f + 20 log(d_lt + d_lr) + A_lf + A_st + A_sr + A_ct + A_cr дБ; (7.37)

A_lf - эмпирическая частотная поправка на величину потерь, учитывающая увеличение ослабления с длиной волны при волноводном распространении:

A_lf (f) = 45,375 – 137,0 · f + 92,5 · f ²      дБ, если f < 0,5 ГГц (7.37а)

A_lf (f) = 0,0 дБ в других случаях.

A_st, A_sr: дифракционные потери за счет экранирования местностью для станций, создающей и испытывающей помехи, соответственно:

(7.38)

где: ; (7.38a)

A_ct, A_cr: поправки для станции, создающей и испытывающей помехи,

соответственно, учитывающие механизм распространения волн по пространстенным

волноводам, возникающим над поверхностью моря:

дБ для w³ 0,75 (7.39) d_ct,cr £ d_lt,lr

d_ct,cr £ 5 км,

дБ для всех остальных случаев. (7.39a)

A_d(p): потери, возникающие в аномальных условиях распространения и зависящие от процента времени p и углового расстояния :

A_d (p)  _d ·   A ( p) дБ, (7.40)

где _d: погонное ослабление:

_d  5  10 ^–5 a_e f ^1/3 дБ/мрад; (7.41)

: угловое расстояние (в случае необходимости скорректированное (с

помощью уравнения (7.42a)), учитывающее применение модели экранирования

местностью в уравнении (7.38)):

(7.42)

(7.42a)

A(p): зависимость от процента времени (кумулятивное распределение):

(7.43)

(7.43a)

  ₀ · ₂ · ₃ %; (7.44)

₂: поправка на геометрию трассы:

. (7.45)

Значение ₂ не должно быть больше 1. (почему ?)

, (7.45a)

где:   3,5;

: определяется с помощью уравнения (3a), а значение  не должно быть ниже, чем –3,4:

_3: поправка на неровность земной поверхности:

(7.46)

d_i  min (d – d_lt – d_lr, 40) км; (7.46a)

A_g: общее поглощение в атмосферных газах, определяемое с помощью уравнений (9) и (9a).Оставшиеся члены описаны в таблицах 1 и 2 и Дополнении 2. ??

-- Дополнительные потери за счет отражения от местных предметов

Общие положения

Вследствие дополнительных дифракционных потерь мешающих сигналов, обусловленных их беспорядочными отражениями от местных предметов (зданий, растительности и т. д.), окружающих приемные антенны на стороне приема и передающие – на стороне передачи, можно cущественно улучшить ЭМО. Описываемая ниже процедура позволяет учесть такие потери на одном или обоих концах трассы в ситуациях, когда имеется полная информация относительно среды, окружающей антенны.

Максимальные дополнительные потери составляют 20 дБ на частотах выше 0,9 ГГц, постепенно уменьшаясь на более низких частотах до 5 дБ на частоте 0,1 ГГц. Если же существуют сомнения относительно точности такой информации, то названные дополнительные потери не следует учитывать. (20дБ пустячок?). Дополнительные потери за счет отражения от местных предметов более выражены в городских районах с традиционными городскими центрами, состоящими преимущественно из невысоких и относительно связанных между собой комплексов зданий. Для районов с высотными постройками, состоящими из отдельных высотных зданий, отделенных друг от друга открытым пространством, эти потери обычно менее значительные. Потери за счет отражения от местных предметов для станций, создающих помехи и испытывающих эти помехи, обозначены, соответственно, A_ht (дБ) и A_hr (дБ). Рассматриваемые возможные дополнительные потери уровня МС зависят от высот подвеса антенн в обеих точках трассы и моделируются в виде функции выигрыша за счет этой высоты. Для ряда типов местных отражающих предметов определены соответствующие значения их номинальных высот.

В настоящей Рекомендации поправка применяется для всех прогнозов в условиях ясного неба, т. е. для всех режимов распространения и всех процентов времени.

-- Категории местных отражающих предметов

В таблице 4 описаны категории местных отражающих предметов (или земного покрова), определенные в Рекомендации МСЭ-R P.1058, для которых применима поправка на выигрыш за счет высоты подвеса антенны. Номинальная высота местных отражающих предметов, h_a (м), и их расстояние от антенны, d_k (км), считаются "усредненными" величинами, наиболее представительными параметрами для отражателей данного типа. Вместе с тем, модель поправок является консервативной ввиду неточности сведений относительно действительной высоты, что типично для конкретных ситуаций. Если параметры отражающего предмета известны точнее, ими можно непосредственно заменять значения, приведенные в таблице 4. Приведенные в таблице 4 номинальные значения высот и расстояний приблизительно равны характеристической высоте H_c и ширине промежутка G_c, определенным в Рекомендации МСЭR P.1058.

-- Модель выигрыша за счет высоты подвеса антенны

Дополнительные потери МС вследствие влияния местных отражающих предметов описываются выражением:

дБ, (7.47)

где:

F fc 0,25 0,3751tanh7,5f −0,5 (7.47a)

где:

d_k: расстояние (км) от номинального местоположения отражающего предмета до антенны (см. рисунок 3);

h: высота антенны (м) над местным уровнем земли;

h_a: номинальная высота отражающего предмета (м) над местным уровнем земли.

ТАБЛИЦА 4

Номинальные высоты отражающих предметов и их расстояния до антенны

Категория отражающих предметов (земной поверхности)	Номинальная высота, ha (м)	Номинальное расстояние, dk (км)
	4	0,1
Центральная часть деревни	5	0,07
Лиственные деревья (беспорядочно расположенные) Лиственные деревья (правильно расположенные) Смешанный лес	15	0,05
Хвойные деревья (беспорядочно расположенные) Хвойные деревья (правильно расположенные)	20	0,05
Тропический лес	20	0,03
Пригороды	9	0,025
Густонаселенный пригород	12	0,02
Город	20	0,02
Густонаселенный город	25	0,02
Городской район с высотными постройками	35	0,02
Промышленная зона	20	0,05

Дополнительные потери за счет экранирования местными отражающими предметами (земным покровом) не должны заявляться для категорий, отсутствующих в таблице 4.

-- Способ применения

Метод использования поправки на выигрыш за счет высоты, A_ht или A_hr (дБ) – см. рисунок 3.

К основной процедуре прогнозирования следует добавить следующие шаги:

Шаг 1:  если тип отражающих предметов известен или о нем можно сделать уверенное предположение, то для расчета основных потерь передачи следует использовать основную процедуру прогнозирования, выбрав из таблицы 4 номинальную высоту h_a, соответствующую типу отражателя. Длина трассы должна быть равна d – d_k (км). Однако если d  d_k, то незначительную поправку d_k в выражении для длины трассы можно смело опустить.

Шаг 2:  когда имеется препятствие, экранирующее местоположение станции и способное обеспечить защиту терминала от помех, поправка должна быть включена в основные расчеты, но потери за счет экранирования (A_st или A_sr (дБ)) следует вычислять, используя высоту h_a при расстоянии d_s, а не h при расстоянии d_L, что имело бы место в других случаях.

Шаг 3:  после окончания основной процедуры следует добавить поправку на выигрыш за счет высоты, полученную с помощью уравнения (47), как указано в уравнении (54).

Шаг 4:  если информация об отражающем предмете отсутствует, основные расчеты следует производить, используя расстояния d или d_L (в зависимости от ситуации) и высоту h.

При необходимости поправку на выигрыш за счет высоты отражающего предмета следует учитывать для обоих концов трассы. Если необходимо ввести и поправку на выигрыш за счет высоты участка суши и поправку на связь через волновод, расположенный над морем (A_ct или A_cr (дБ)), (т. е. антенна расположена вблизи

Отметим,что если d ненамного больше d_k, то эта модель неприменима. К результатам вышеизложенных расчетов для всех трасс следует применять процедуру прогноза уровня МС, приведенную в Приложении 8.

-- Прогнозирование помех за счет рассеяния в гидрометеорах

В отличие от предыдущих рассмотренных выше методов прогнозирования в условиях ясного неба описываемая далее методика прогнозирования помех за счет рассеяния в гидрометеорах требует знания диаграмм направленности передающей антенны мешающего РЭС и приемной антенны рецептора помехи. Теоретическое рассмотрение вопроса о расчете уровня МС за счет рассеяния в гидрометеорах весьма сложное и громоздкое. В достаточно компактном и доступном виде оно дано в разделе 2.4.7. [1-2]. Дополнительным достоинством этого изложения является наличие примера расчета с приведенным решением. Рассмотрим кратко сущность этого явления.

Математическая модель этого вида распространения МС основана на следующих ниже основных положениях:

Предполагается, что рассеяние мешающего радиосигнала происходит в пределах так называемого объема рассеяния -- зоны, образуемой пересечением основных “лучей” диаграмм направленности антенн передающей станции (источника МС) и приемной станции (рецептора помехи) в пределах дождевой ячейки (см. рис.7.8.) – дать из Рек! Под дождевой ячейкой подразумевается вертикальный цилиндр определенной высоты (”высоты дождя”) и диаметра dc , внутри которого идет дождь постоянной интенсивности R мм/час с соответственно постоянной отражаемостью и рассеивающей способностью.

Высота дождя hr является, разумеется, случайной величиной со специфическим распределением вероятности относительно среднего значения, которое зависит от географической широты местности и от высоты замерзания воды (нулевой изотермы) hо, известной для конкретной территории Земли . Выше высоты дождя отражаемость линейно уменьшается. Считается, что ослабление уровня радиосигнала происходит ниже высоты дождя как внутри, так и снаружи дождевой ячейки, причем зависимость ослабления радиосигнала от интенсивности дождя внутри ячейки известна. Диаметр ячейки dc зависит от интенсивности дождя мм/час следующим образом:

dc = 3,3 , км (7.48)

Вертикальную ось дождевой ячейки размещают в точке пересечения осей главных лепестков диаграмм направленности антенн взаимодейтсвующих станций.

Рассматриваемый механизм распространения МС ообычно используют при расчете ЭМС наземных станций радиорелейных систем и ЗС спутниковых систем.

Последовательность расчета потерь распространения МС из-за рассеяния дождем такова пояснена примером расчета, приведенным на стр. 214[1-2].

В заключение этой главы приведем широко используемый на практике метод расчета основных потерь при распространении радиосигналов с помощью модели Окамура-Хата (О.Х.), имея в виду расчет ослабления мешающих сигналов.

Существует много математических моделей и методов¸позволяющих производить расчет основных потерь при распространении радиосигналов для различных условий. Применительно к сетям сухопутной подвижной связи и ряду беспроводных сетей других видов общепризнанным методом расчета усредненного уровня потерь на трассах распространения радиоволн в городах, пригородах и сельской местности является использование аналитически-эмпирической модели Окамура-Хата [Рек.МСЭ-R,СерияМ, ч.1-5. Подвижные службы и службы радиоопределения]. Женева, 1997, 447c.] Cправедливость этой модели подтверждена многократно. В этой модели местность представляется как квазиплоская. Рельеф местности и здания, расположенные на прямой, соединяющей БС и АС, вызывают экранирование и дифракцию передаваемого БС сигнала. Из-за движения АС это приводит к изменениям уровня принимаемого АС относительно некоторого среднего значения (медленные замирания), которые подчиняются логнормальному закону (или гауссовскому закону, где аргумент выражен в дБ). Здания, холмы и другие объекты, особенно располагающиеся относительно близко от точки приема, вызывают явление многолучевого распространения (в точку приема помимо прямой волны от БС поступает также множество отраженных от объектов волн), в результате чего происходят так называемые быстрые замирания уровня сигнала, которые обычно подчиняются закону распределения Релея. В итоге происходят быстрые случайные колебания уровня сигнала относительно медленно изменяющегося уровня сигнала (медленных замираний) – cм. Рис. 13-Пр. 3.

Модель Окамура-Хата является аналитически-эмпирической, т.к. в ней используются аналитические выражения, полученные в результате аппроксимации эмпирических кривых. Она позволяет получать достаточно точные значения медианных потерь на сухопутных трассах при следующих ограничениях:

- частота сигнала от 100 до 1500 МГц;

- дальность связи от 1 до 100 км;

- высота подъема антенны БС от 30 до 200 м;

- высота подъема антенны АС от 1 до 10 м.

В модели применяется следующая классификация типов местности:

- крупные города с большим числом высоких зданий и оживленным движением автотранспорта;

- небольшие и средние города с плотной застройкой и с отдельными высокими зданиями и интенсивным дорожным движением;

- пригород со строениями дачного типа а также подсобными строениями (склады, хранилища и т.п.) и умеренным движением автотранспорта;

- сельская (открытая местность) в виде незастроенной земли с небольшими далеко отстоящими друг от друга группами невысоких строений.

В соответствии с этой моделью затухание сигнала (в дБ) при распространении в городских районах определяется формулой:

, дБ, (О.Х.1)

где f – рабочая частота, МГц; h_БС и h_АС – высоты подъема антенн БС и АС, соответственно м; R – дальность связи, км; а(h_АС) – поправочный коэффициент, используемый при высоте антенны АС, отличной от эталонной (равной 1,5 м), который определяется следующими выражениями:

для города средних размеров:

; (О.Х.2)

для крупного города:

. (О.Х.3)

В соответствии с этой моделью затухание сигнала (в дБ) при распространении в пригородных районах определяется формулой:

, дБ, (О.Х.4)

а при распространении в сельской местности:

, дБ. (О.Х.5)

В выражениях (12.4) и (12.5) величина L определяется формулой (О.Х.1).

Размеры зоны покрытия БС будут определяться дальностью связи между АС и БС, которая получается в результате решения следующего уравнения:

(О.Х.6)

Где: Р_ПРД – мощность передатчика, Вт;

α_ПРД – погонное затухание в фидере ПРД, дБ/м;

ℓ_{Ф ПРД} - длина фидера антенны ПРД;

В_{Д ПРД} – потери в дуплексере ПРД, дБ;

В_К – потери в комбайнере (устройстве сложения), дБ;

G_ПРД – коэффициент усиления передающей антенны БС в направлении связи, дБ;

В_Т – дополнительные потери сигнала при работе с портативной АС, дБ (для большинства типов АС В_Т = 3 дБ);

В_Э – дополнительные потери сигнала при приеме на АС, находящуюся в здании или автомобиле (В_Э = 8 дБ для автомобиля и В_Э = 15 дБ для здания).

Основным условием обеспечения связи будет превышение уровнем мощности полезного сигнала на входе приемной антенны минимально необходимого значения (Р_{ПС МИН}), определяемого по формуле:

дБ (О.Х.7)

где Р_ПРМ – чувствительность приемника, дБВт;

α_ПРД – погонное затухание в фидере ПРМ, дБ/м;

ℓ_{Ф ПРД} - длина фидера антенны ПРМ;

В_{Д ПРМ} – потери в дуплексном фильтре ПРМ;

G_ПРМ – коэффициент усиления приемной антенны АС в направлении связи, дБ;

К_МШУ – коэффициент усиления антенного тракта приема, дБ;

R_ПРМ – входное сопротивления приемника, Ом.

В системах сухопутной подвижной связи для повышения вероятности обеспечения связи создается дополнительный запас уровня мощности сигнала на входе приемной антенны Р_{ПС доп}, определяемый выражением:

, дБ (О.Х.8)

где k_ТР – коэффициент логнормального закона, обеспечивающий требуемую надежность связи t (0 ≤ t ≤ 1), определяемый из решения уравнения:

, (О.Х.9)

Некоторые значения k_тр и S(k_тр) приведены в таблице О.Х.Пр. 3.

Таблица О.Х.1

S(kтр)	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	0,95	0,99
kтр	0	0,253	0,524	0,842	1,282	1,645	2,326

σ – обобщенное значение стандартного отклонения сигнала по месту и по времени, определяемое из формулы:

, (О.Х.10)

σ_d – стандартное отклонение сигнала по месту, зависящее от степени неровности местности Δh. Степень неровности местности определяется исходя из профиля местности в направлении связи как разность между высотами h(10%) и h(90%) местности на трассе, превышаемые в 10% и 90% точек профиля соответственно. Параметр Δh может быть ориентировочно определен из таблицы О.Х.5.

Таблица О.Х.5.

Тип местности	Значение параметра Δh, м
Равнинная или водная поверхность	0…25
Равнинно- холмистая (среднепересеченная)	25…75
Холмистая (сильнопересеченная)	75…150
Гористая	150…400
Очень высокие горы	Более 400

Для расстояний свыше 10 км и для диапазона частот 300…3000 МГц стандартное отклонение сигнала по месту (σ_d) определяется по формуле:

, дБ. (О.Х.11)

Для расстояний меньше 10 км и для диапазона частот 300…3000 МГц стандартное отклонение сигнала по месту (σ_d) определяется по формуле:

, дБ. (О.Х.12)

Стандартное отклонение сигнала по времени σ_t зависит от дальности связи и при дальности, меньшей 100 км определяется по формуле:

, дБ. (О.Х.13)

Таким образом, для того, чтобы мощность полезного сигнала на входе приемной антенны Р_ПС, определяемая по (О.Х.6), превышала бы с заданной вероятностью минимальную мощность этого сигнала Р_{ПС мин} , определяемую по (О.Х.7), необходимо выполнение условия:

, дБ. (О.Х.14)

***