15.07.19 Расчет дальности радиосвязи 25 (25)

5. Распространение радиоволн в условиях города

Определение параметров и выбор модели распространения радиоволн в мобильных системах радиосвязи, предположения о структуре радиополя являются одним из основных факторов, определяющих выбор способа модуляции, мощности передатчика, структуры приемника и т.п. Так, например, в системах связи третьего поколения только исходя из требований максимального уменьшения влияния многолучевого распространения радиоволн на качество радиосвязи принято решение о существенном усложнении структуры приемного тракта. В приемниках CDMA фактически используется многоканальный прием (RAKE приемник) с адаптивным выбором рабочего канала приема. В сети связи TETRA для выбора наилучшего из нескольких принимаемых сигналов в условиях сложной структуры поля используется так называемая система diversity. Эта система заключается в одновременном приеме сигналов на две антенны двумя параллельными приемниками.

Условия распространения могут варьироваться от простейшей ситуации однолучевого распространения радиоволны от приемника к передатчику в условиях прямой видимости до многолучевого распространения при многократных отражениях от искусственных сооружений и складок местности в условиях доплеровского изменения частоты при движении объекта или препятствий. В отличие от проводных линий связи, радиоканал является принципиально статистической системой, чьи свойства определяются только с некоторой вероятностью. Результаты расчета параметров канала в значительной степени зависят от выбранной модели, каждая из которых отражает лишь отдельные, выделенные свойства распространения радиоволн.

Нет единого подхода, нет единой общепринятой модели. Есть рекомендации различных национальных и международных организаций, в значительной степени не совпадающих между собой. Сложность выбора модели распространения радиоволн и структуры поля усугубляется трудностями практического определения реальных параметров модели и сравнения качества работы систем связи, основанных на различных моделях радиополя. Измерения параметров модели, как уже отмечалось выше, может быть только вероятностным и требует огромного числа испытаний в самых различных условиях: времени года и суток, крупного города или небольшого населенного пункта, типа подстилающей поверхности, складок местности и т.п. При сравнении по критерию качества работы радиосетей следует учитывать, что аппаратура, построенная исходя из выбранной модели радиоканала, может существенно различаться между собой как функционально, так и по реализованным параметрам. Поэтому результаты лучшей или худшей работы мобильной системы связи всегда могут быть отнесены как к правильно выбранной модели радиоканала, так и к недостаточно хорошо реализованной аппаратуре.

Так, например, разработчики американской CDMA системы связи IS-95 используют когерентный приемник в мобильной радиостанции и некогерентный приемник в базовой станции. Свое решение они оправдывают тем, что базовая радиостанция всегда может послать параллельно с информационным сигналом мощный синхросигнал для уверенной работы когерентного детектора персональной радиостанции. Энергетически ограниченная персональная радиостанция не может этого сделать, поэтому когерентный приемник базовой станции будет работать неустойчиво из-за флуктуаций параметров канала распространения радиоволн. В то же время европейские радиоинженеры, разработчики системы связи CDMA-2000 верят в возможность реализации когерентного приемника и в базовой радиостанции, что и зафиксировано в стандарте радиосвязи. Трудно представить себе эксперимент, который мог бы показать преимущество или недостатки каждого их выбранных вариантов функциональной схемы системы связи.

Совершенно отдельной проблемой, возникшей за последнее время в связи с развитием персональной сотовой связи, является распространение радиоволн в здании и прием сигналов от внешнего передатчика в здании. В настоящее время не существует даже принципиального общепринятого подхода к расчету распространения радиоволн в здании. Все известные формулы и рекомендации являются исключительно эмпирическими, прямым обобщением экспериментальных данных. Экспериментаторы, проводившие измерения напряженности поля в здании, утверждают, что результат измерения междуэтажного затухания зависит просто от количества открытых дверей на этаже.

1. Методы анализа распространения радиоволн

Строгий расчет распределения электромагнитного поля в пространстве производится в предположении однородного и изотропного пространства, в котором распределены некоторые препятствия, отражающие и поглощающие. На основе законов дифракции, рассеяния и отражения в принципе можно получить картину распределения поля вокруг излучателя. Другими словами, теоретически возможен точный электродинамический расчет распределения поля в свободном пространстве с учетом реального расположения препятствий на строго определенных местах относительно приемника и передатчика.

Очевидно, что из-за непостоянного расположения абонентов в мобильной сети, непостоянного расположения препятствий (движение транспорта) и огромного числа фиксированных препятствий сложной формы (зданий), точный расчет распределения поля практически невозможен. Возникающие при этом трудности описания реального расположения препятствий и объем вычислений далеко превосходят все существующие технические возможности. Поэтому подобная методика может использоваться только в исключительных, простейших случаях. Например, при расчете теневой зоны за очень большим зданием при точно известном расположении приемопередатчика базовой станции.

Реальный метод расчета дальности радиосвязи предполагает использование модели «большого расстояния» (large scale model). Согласно этой модели, электромагнитное поле описывается теми же самыми уравнениями. что и для свободного пространства, но среда распространения характеризуется некоторыми усредненными параметрами, отличными от параметров свободного пространства. Предполагается, например, что среда распространения вследствие большого количества препятствий имеет другой коэффициент затухания, отличный от коэффициента затухания в свободном пространстве. Или повышенный шумовой фон эквивалентно соответствует дополнительному затуханию поля и т.д. При этом предполагается, что электромагнитное поле имеет точно такую же структуру, как и в свободном пространстве, а именно: стационарное, монотонное и гладкое. Стационарность означает неизменность структуры поля во времени. Монотонность означает, что поле непрерывно убывает с увеличением расстояния от приемника до передатчика. Гладкость означает, что небольшие изменения расстояния также соответствуют и небольшим изменениям напряженности поля.

Именно этот подход лежит в основе всех методиках расчета дальности радиосвязи. Все модели «большого расстояния» отличаются друг от друга только способом введения коэффициентов коррекции в формулы распространения поля в свободном пространстве. Сколько-либо серьезного теоретического обоснования того или иного способа введения дополнительных коэффициентов не существует. Все они опираются на экспериментальные данные распространения поля в реальных условиях, измеренные на различных частотах, в различных условиях, в разное время суток и т.д.

Результат расчета по методикам «усредненной» среды распространения радиосигнала – это вероятностное значение напряженности поля на некотором удалении от излучателя.

Например, расчет может показать, что при заданном расстоянии L между приемником и передатчиком напряженность поля Е достигается с вероятностью Р1 % в Р2 % сеансов связи. В другом случае расчет позывает, что заданная напряженность поля Е с вероятность Р1% в Р2% сеансов связи достигается при расстоянии L от излучателя. В диапазоне УКВ, где часто дальность связи определяется горизонтом прямой видимости передатчика и приемника, рассчитывается необходимая мощность передатчика, которая на предельной дальности обеспечит напряженность поля с вероятностью Р1% в Р2 % сеансов связи.

Расчет усредненного поля в приближении «большого расстояния» применяется при проектировании сетей связи. т.е. для расчета необходимого количества базовых радиоцентров, определения зоны действия передатчика и зон взаимного перекрытия соседних передатчиков, теневых зон, необходимой мощности передатчиков и т.д.

Однако для расчета оптимальной структуры приемника и выбора методов модуляции, оптимальных алгоритмов кодирования сигналов и обработки принятых сигналов необходимо знать конкретную структуру электромагнитного поля в точке приема. Речь не идет о величине поля в данной точке или дальности радиосвязи. Проблема состоит именно в описании свойств, определении характеристик электромагнитного поля в зоне заведомо уверенного приема. Например: насколько большими могут быть изменения величины поля при перемещении приемника или подвижных препятствий, какой величины могут быть приходящие копии сигнала при многолучевом распространении, какова минимальная и максимальная задержка прихода копий сигнала и т.д.

Электромагнитное поле принципиально рассматривается как нестационарное, немонотонное и негладкое. Неоднородность поля определяется интерференционной структурой, которая является следствием взаимодействия множества переотраженных копий передаваемого сигнала. Вполне возможно возрастание поля при увеличении расстояния до излучателя или резкие изменения поля на небольших расстояниях. Нестационарность распределения поля обусловлена перемещением абонента (т.е. передатчика и приемника), а также перемещением препятствий (транспорта).

Модели поля, в которых рассматривается нестационарная интерференционная структура поля в локальной точке приема, называются моделями "малого расстояния" (little scale model).

Результат расчетов по моделям «малого расстояния» - это закон распределения ошибок, вносимых радиоканалом, уровень флуктуации параметров принимаемого сигнала в результате одновременного приема нескольких копий сигнала, глубина амплитудного затухания сигнала, его частотная дисперсия и т.д.

2. Расчет дальности радиосвязи в модели «большого расстояния»

Ситуация распространения радиоволн в свободном пространстве совершенно не характерна для мобильных систем связи. Реально формулы распространения радиоволн для свободного пространства могут использоваться лишь для грубой оценки дальности радиосвязи при расположении передатчика транкинговой системы на высокой мачте. Мощность в точке приема на заданном расстоянии от передатчика определяется в наиболее распространенной модели Фриза следующим образом:

5.1

Формула Фриза предсказывает уменьшение принимаемой мощности со скоростью 20 дБ/декаду.

Очевидно, что формула Фриза имеет хоть какой-то смысл только в том случае, если можно сопоставить параметр потерь распространения L реальным усредненным условия распространения радиоволн в конкретных условиях: городе, пригороде, ровной или холмистой местности и т.п. Поэтому на практике формула 5.1 преобразуется в полуэмпирическую формулу для расчета дальности радиосвязи, которая интегральный параметр L определяет через некоторые экспериментально определенные коэффициенты, отражающие наиболее существенные факторы, влияющие на дальность радиосвязи. А именно: тип поверхности, над которой происходит распространение радиоволн (городская застройка, сельская, водная поверхность и т.п.), шумы эфира в точке приема, высоты поднятия антенн, диаграммы направленности антенн, быстрые и медленные замирания и т.п.

Практически используются две методики расчета вероятностной дальности радиосвязи: на основании рекомендаций МККР (Международный Консультативный Комитет по радиосвязи) и рекомендаций EURОCOST (Европейское Объединение для Научных и Технических Исследований)

Обе методики разработаны для расчета дальности радиосвязи транкинговых систем, которые характеризуются относительно большой дальностью (несколько десятков километров) и относительно большой высотой подъема передающих антенна, расположенных на высотных домах, триангуляционных вышках и т.п. . Для расчет дальности связи в микросотах (и тем более пикосотах) эти методики применимы уже с большими оговорками, т.к. предположение о «средней» равномерности поля плохо оправдывается на расстояниях в несколько сот метров. Тем более методики не применимы для расчета затухания поля в зданиях.