Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы и сети связи с подвижными объектами. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Тамбовский государственный технический университет»
В.Л. УДОВИКИН
СИСТЕМЫ И СЕТИ СВЯЗИ
С ПОДВИЖНЫМИ
ОБЪЕКТАМИ
Утверждено Ученым советом университета в качестве учебного пособия
для магистрантов, обучающихся по направлениям
210200 «Проектирование и технология электронных средств»,
211000 «Конструирование и технология электронных средств»,
210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»
Тамбов
♦ Издательство ФГБОУ ВПО «ТГТУ» ♦
2012
1
УДК 621.396(075.8)
Á884.1я73
ББК
У313
Рецензенты:
Доктор технических наук, профессор,
профессор кафедры «Радиотехника» ФГБОУ ВПО «ТГТУ»
С.Н. Данилов
Кандидат технических наук,
главный конструктор проекта ТНИИР «ЭФИР»
А.В. Воспитанюк
Удовикин, В.Л.
У313 Системы и сети связи с подвижными объектами [Электронный
ресурс] : учебное пособие / В.Л. Удовикин. – Тамбов : Изд
-во
ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2012. – 80 с.
Рассмотрены основные положения и принципы расчета линии радиосвязи, входящей в состав сотовых сухопутных подвижных систем электросвязи, даны рекомендации по методике выполнения и оформления курсового
проекта.
Предназначено для магистрантов, обучающихся по направлениям
210200 «Проектирование и технология электронных средств», 211000 «Конструирование и технология электронных средств», 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»,
учебных заведений инфокоммуникационных специальностей.
а также для студентов высших
УДК 621.396
ББК 32.88
© Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Тамбовский государственный технический
университет» (ФГБОУ ВПО «ТГТУ»), 2012
2
ВВЕДЕНИЕ
Система подвижной радиосвязи (СПР) предназначена для обеспечения связи базовых станций (БС) и мобильных станций (МС) путем организации линий радиосвязи между ними – системы радиоинтерфейсов.
Линии радиосвязи, входящие в состав сотовых систем связи с подвижными объектами (ССПО) и спутниковых систем связи, обычно работают в диапазонах ультравысоких частот и сверхвысоких
частот и, соответственно, в диапазонах дециметровых и сантиметровых волн. Параметры радиоканала, определенные при распространении радиоволн в свободном пространстве, не могут быть полностью использованы для расчета
радиолиний, так как не учитывают специфику СПР, определяемую, прежде всего, особенностями рельефа местности и городской застройки в зоне
действия СПР. Поэтому
расчет осуществляется с применением моделей
предсказания уровня принимаемого радиосигнала, учитывающих параметры рельефа (высоту препятствий, их форму и взаимное расположение,
наклон местности, характер жилой застройки, физические особенности
поверхности и т.п.).
Студент при выполнении данного курсового проекта должен решить
следующие задачи:
1. Провести энергетический расчет уровня радиосигнала в точке
приема для
случая высокоподнятых антенн (детерминированный метод).
2. Обосновать выбор моделей для прогнозирования уровня радио-
сигнала и на основе выбранной модели произвести расчет уровня радиосигнала в точке приема.
3. Выбрать модель кластера и рассчитать параметры частотно-
территориального плана (отношения сигнал-интерференция и сигналшум, радиус зоны покрытия).
4. Описать состав оборудования
базовой станции и используемых
антенн.
Графическая часть курсового проекта должна отражать структурную
схему оборудования базовой станции с вариантом размещения используемых антенн и частотно-территориальный план ССПО с указанием рассчитанных параметров. В пояснительную записку необходимо включить:
− титульный лист и задание на курсовой проект;
− аннотацию;
− введение (назначение ССПО
, формулировка задач проектирова-
ния с привязкой их к исходным данным, определенным в задании);
− основное содержание, отражающее результаты проектирования;
− заключение с выводами о полноте выполнения задания;
− список литературы;
− приложения (в случае их необходимости);
− ведомость курсового проекта.
Задание на проектирование представлено в виде вариантов исходных
данных, задаваемых
преподавателем.
3
(
)
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ССПО
Для описания сотовых ССПО используется терминология, принятая
в рекомендациях Международного Союза Электросвязи МСЭ-Р. Для связи базовых станций (БС) и мобильных станций (МС) организуется радиоинтерфейс. Для обозначения системы радиоинтерфейсов введен термин
«система подвижной радиосвязи» (СПР). Как правило, СПР используют
радиоволны диапазона № 9 по международной классификации, отражаемой фрагментом
классификационной табл. 1.
Радиоволны этих диапазонов имеют два механизма распространения:
− земная волна – распространяется в пределах прямой видимости
(радиогоризонта) вдоль поверхности земли;
− тропосферная радиоволна – распространяется на сотни километ-
ров за счет рассеяния энергии в тропосфере.
Земная поверхность может влиять на распространение земной волны
следующим образом:
− может появляться отраженная волна;
− неровности рельефа могут экранировать поле прямой волны;
− кривизна земной поверхности и неровности рельефа ограничива-
ют расстояние прямой видимости R
– дальность радиогоризонта Rрг.
пв
Дальность радиогоризонта зависит от высоты расположения (подвеса)
антенн. Как правило, высота антенны БС (h
метров, высота антенны МС (h
) – несколько метров. Для инженерных рас-
2
) составляет десятки – сотни
1
четов дальность радиогоризонта может быть определена выражением
R
= Rрг ≈ 3,57
пв
hh + , (1)
21
где дальность Rрг выражена в километрах, а высоты h1 и h2 – в метрах.
В городских условиях здания практически исключают возможность
прямой видимости между антеннами БС и МС, и мощность принятого
сигнала оказывается значительно ниже, чем в свободном пространстве.
Например, в среднем, дополнительное ослабление в городе на частоте
f = 900 МГц составляет 20…30 дБ при протяженности трассы 1…10 км.
1. Радиоволны, используемые в СПР
Диапазон радиочастот Диапазон радиоволн
№
8
9
4
название,
обозначение
Очень высокие,
ОВЧ
Ультравысокие,
УВЧ
границы,
МГц
границы,
дм
название,
обозначение
30…300 100…10 Метровые, МВ
300…3000 10…1
Дециметровые,
ДМВ
Это ослабление вызвано в основном отражением и рассеянием энергии
сигнала на крупных строениях. Принимаемый сигнал имеет многолучевую структуру и подвержен глубоким замираниям.
Известны два основных метода для учета влияния рельефа местности
на трассе распространения сигнала между БС и МС на уровень сигнала в
точке приема: детерминированный и статистический (рис. 1).
Первый
метод позволяет рассчитать ослабление сигнала на трассах с
конкретным профилем местности и применяется для линии связи по схеме «от точки к точке», например, для радиорелейных линий (РРЛ). В этом
случае значение мощности сигнала в точке приема, которое превышается
в течение 50% времени наблюдения (например, месяца), называется медианным.
Второй метод
часто применяют для СПР, где БС должна обеспечить
связь на территории соты по схеме «от точки к зоне» или «от зоны к зоне», при этом параметры рельефа (высота препятствий, их форма и взаимное расположение, наклон местности и т.п.) считаются случайными
величинами. Рельеф местности в соте оценивают параметрами, усреднен
ными на участках трассы протяженностью 5…10 км. Выбор энергетических параметров радиоинтерфейса должен обеспечить уверенный прием в
зоне обслуживания БС. В точках, расположенных на границах соты, уровень принимаемого сигнала будет различаться из-за неодинакового влияния застройки и рельефа местности. Поэтому в СПР определяют усредненную медианную мощность сигнала (УММС)
путем усреднения по
двум параметрам: по времени и по местоположению (по числу точек
приема). УММС – это такое значение, которое превышается в течение
50% времени месяца и в 50% точек приема, находящихся на данном расстоянии от передающей станции.
Модели
прогнозирования уровня радио-
сигнала в точке приема
с учетом рельефа местности
-
Детерминированные
расчет уровня радиосигнала для
конкретного профиля трассы
(«от точки к точке»)
Рис. 1. Классификация моделей описания трассы
Статистические
параметры рельефа случайны и
усредняются на определенных
участках трассы
(«от зоны к зоне»)
5
2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ЛИНИИ СВЯЗИ
ПРИ ПОДНЯТЫХ АНТЕННАХ
Параметры радиоканала, определенные при распространении радиоволн в свободном пространстве, могут быть использованы для расчета радиолинии при высокоподнятых антеннах. Последнее имеет место,
когда для передающей и приемной антенны соответственно выполняется
условия:
h
>>
λ; h2 >> λ, (2)
1
где h1, h2 – высоты антенн; λ – рабочая длина волны.
На таких трассах уровень мощности сигнала на входе приемника (в
дБ) определяется соотношением
p
= p0 (f, R) + v(t), (3)
c вх
где p
(f, R) – уровень мощности сигнала в точке приема при распростра-
0
нении в свободном пространстве:
где R – протяженность трассы; p
p0 (f, R) = pп + g1 + g2 – (асв + а1 + а
– уровень мощности передатчика; g
п
g2 – коэффициенты усиления передающей и приемной антенны соответст-
венно, выраженные в децибелах;
ного пространства;
приемной антенн:
а
, а2 – транспортные потери в фидерах передающей и
1
асв = 10lg(4πR/λ)
а
1,2
= αL
; (5)
ф 1,2
где α = 0,05…0,1 дБ/м – погонный коэффициент потерь в фидере; L
длина фидера;
λ = с/f – рабочая длина волны (λ
= 300 / f
[м]
), (4)
2
2
– ослабление свобод-
); v(t) – мно-
[МГц]
1
–
ф
житель ослабления поля свободного пространства.
Множитель ослабления
v(t) позволяет учесть влияние земной по-
верхности и тропосферы на поле в точке приема. Для его расчета строят
профиль пролета (рис. 1), характеризуемый следующими параметрами:
1) наносят линию прямой видимости АВ;
2) определяют самую высокую точку профиля С и ее координату d
3) находят
просвет Н
– расстояние от самой высокой точки профи-
С
;
С
ля до линии прямой видимости. Пунктиром на рис. 2 нанесена линия земной поверхности.
Величина просвета
Н
зависит как от рельефа местности, так и от со-
С
стояния тропосферы. Влияние тропосферы проявляется по следующим
причинам:
− слоистые неоднородности тропосферы могут создавать отражен-
ную волну;
− изменения диэлектрической проницаемости тропосферы по высо-
те может вызывать искривление (рефракцию) траектории прямой волны;
6
,
Рис. 2. Профиль пролета
− на частотах выше 10 ГГц энергия сигнала гидрометеоры погло-
щается и рассеивается
гидрометеорами.
Изменение просвета на трассе под воздействием атмосферной реф-
ракции связано с прохождением радиоволны по траектории
1 и оценива-
ется величиной приращения
ΔH(q) = – 0,25R
где
k = R
диэлектрической проницаемости
С учетом атмосферной рефракции просвет равен
– относительная координата точки С; q = dε / dh – градиент
С/Rрг
ε воздуха (q ≈ –10×10
H(g) = HC + ΔH(q). (7)
2
gk(1 – k), (6)
рг
–8 м–1
).
Градиент диэлектрической проницаемости q – величина случайная и
имеет гауссовское распределение. Численные значения величин среднего
значения
g и стандартного отклонении σ
для различных климатических
q
районов мира приведены в справочной литературе.
Для классификации видов трасс используют относительный просвет
где H0 – радиус первой полузоны Френеля:
р(q) = H(q) / H
H
= [R
λk(1 – k) / 3]
0
рг
. (8)
0
0,5
. (9)
По величине относительного просвета р(g) различают следующие
виды трасс:
• закрытые при р(q) < 0;
• полуоткрытые при 0 < р(q) < 1;
• открытые при р(q) > 1.
На открытых трассах для расчета радиоканала, как правило, приме-
двухлучевую модель. В таком случае поле в точке приема определя-
няют
7
ется интерференцией двух лучей (рис. 1): прямого и отраженного от точки
С (2). Множитель ослабления при р(q) ≥ 1 (открытые трассы) опреде-
ляется интерференционной формулой
V(t) = {1+ Ф
2
– 2Фсоs[р2(q)π / 3]}
0,5
= 10
0,05 v(t)
, (10)
где Ф – модуль коэффициента отражения радиоволн от земной поверхности.
При случайном изменении диэлектрической проницаемости земной
поверхности множитель ослабления может принимать максимальное зна-
V
чение
фазе, и минимальное значение
= (1 + Ф), когда прямая и отраженная волны складываются в
max
V
= (1 – Ф) при р(q) = (6n)
min
0,5
, n = 1, 2, 3...,
когда эти волны противофазны. При этом возникают быстрые замирания
сигнала, которые называются
интерференционными. При отражении от
гладкой плоской поверхности модуль коэффициента отражения Ф → 1.
Неровная поверхность в зоне формирования отраженного луча (например,
лес) определяет диффузный характер отражения, т.е. Ф ≈ 0, и отраженный
от земной поверхности луч практически отсутствует. Однако при этом
луч, отраженный от слоистых неоднородностей тропосферы, может вызы-
интерференционные замирания.
вать
При увеличении градиента диэлектрической проницаемости просвет
на трассе уменьшается, и трасса может стать полуоткрытой и даже закры-
g < 0). Препятствие экранирует поле основной волны. Множитель
той (
ослабления уменьшается. Возникают рефракционные замирания из-за
экранирующего действия препятствия. Это медленные замирания.
8
3. МОДЕЛИ ПРЕДСКАЗАНИЯ УРОВНЯ СИГНАЛА
Рельеф местности существенно влияет на уровень сигнала. Существует ряд моделей для прогнозирования уровня радиосигнала в СПР (рис. 3).
Рис. 3. Статистические модели прогнозирования сигнала
3.1. МОДЕЛЬ ОКАМУРЫ
3.1.1. РАСЧЕТ УММС ДЛЯ «КВАЗИГЛАДКОЙ» МЕСТНОСТИ
Модель Окамуры разработана на основании оригинальных экспериментальных исследований автора. В модели Окамуры используется понятие «квазигладкой» местности – территории протяженностью в несколько
9
километров, на которой средняя высота неровностей не превышает 20 м и
приняты базовые значения высоты антенны МС
*
200
высоты антенны БС
=h
2
м, причем последняя определяется над
*
3
=h м и эффективной
1
уровнем квазигладкой поверхности.
Для такой модели уровень УММС определяется соотношением
p
= р
c вх
(R) = р0 (f, R) – аМ (f, R) + H1 (h1, R) + H2 (h2, f), (11)
М
где р0 (f, R) – уровень мощности сигнала в точке приема при распростра-
нении в свободном пространстве – рассчитывается в соответствии с (4);
а
(ƒ, R) – дополнительное ослабление сигнала в городе (медианное зна-
М
чение), определенное для квазигладкого городского района при базовых
высотах антенн БС и МС (рис. 4);
H
(h1,
R) – коэффициент «высота–уси-
1
ление антенны БС», учитывающий, что высота антенны БС может отли-
H
чаться от значения 200м;
(h2, ƒ) – коэффициент «высота–усиление ан-
2
тенны МС», учитывающий влияние реальной высоты антенны МС.
Все дополнительные величины в (11) Окамура получил экспериментально, и они представлены в виде графиков на рис. 4 – 6.
Экспериментально установлено (рис. 5), что влияние высоты антенны БС
зависит от расстояния между МС и БС и практически не зависит от частоты
в диапазоне 200…2000 МГц. На рис. 5 номера кривых соответствуют
трассам различной протяженности.
Рис. 4. Медианное ослабление сигнала на городских трассах протяженностью R
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]