SMZ / Методичка радиоканал

2

УДК

Методические указания для выполнения лабораторной работы «Изучение особенностей расчета параметров радиоканала в системах мобильной связи» по дисциплине «Системы мобильной связи» / Сост. М.Б. Проценко, Д.Ю. Бухан. – Одесса: Изд-во ОНАС им. А.С. Попова, 2010. – 24 с.

Целью методических указаний является помощь студентам при изучении параметров радиоканала и моделей распространения радиоволн, исследования их в рамках лабораторного практикума, представление основных этапов проведения лабораторной работы и особенностей оформления результатов исследования в отчетном протоколе.

Методические рекомендации предназначены для студентов дневной и заочной формы обучения направления «Телекоммуникации».

Методические указания рассмотрены и утверждены на заседании кафедры технической электродинамики и систем радиосвязи

(протокол № ____ от « » ____________ 20 г.)

Рецензент:

1. Общие требования к выполнению лабораторной работы

Содержание выполняемой работы должно быть предварительно изучено с привлечением теоретического материала из лекционного курса, соответствующей литературы.

Лабораторная работа выполняется бригадами в составе 2-3 студентов, каждый из которых выполняет свое индивидуальное задание.

О т ч е т составляется каждым студентом и защищается в индивидуальном порядке.

Исходные данные для выполнения заданий исследований выбираются каждым студентом индивидуально в соответствии с предпоследней (m) и последней (n) цифрами номера зачетной книжки согласно исходным данным, приведенным в Приложении А.

4

2. Лабораторная работа

«Изучение особенностей расчета параметров радиоканала в системах мобильной связи»

2.1 Цель работы

Ц е л ь ю лабораторной работы является углубление теоретических знаний и овладение расчетными методиками анализа характеристик радиоканала в системах сотовой связи.

2.2 Ключевые положения

Определения

ДСТУ 3254-95 «Радіозв’язок. Терміни та визначення» содержит следующее определение радиоканала:

Радиоканал – совокупность радиотехнических средств вместе с радиолинией, которые служат для передачи сообщений от отправителя к получателю.

Радиолиния – совокупность передающей, приемной антенн и среды распространения радиоволн.

Рекомендация ITU-R V.573-4 «Radiocommunication Vocabulary» опре-

деляет радиоканал с точки зрения занимаемой полосы частот:

Радиоканал – часть радиочастотного спектра, предназначенного для излучения, и определяется заданными границами или центральной частотой и соответствующей шириной полосы частот или другими эквивалентными признаками.

Место радиоканала в системе мобильной связи

Радиоканал является неотъемлемым и критически важным компонентом любой системы беспроводной связи. Характеристики радиоканала как среды распространения радиоволн зависят от длины последних, т.е. от занимаемого системой диапазона частот. Выбор частотного диапазона является одним из наиболее ответственных этапов системного проектирования и должен учитывать целый ряд факторов технического, экономического и организационного плана:

–возможность выделения необходимого числа частотных каналов;

–условия распространения радиоволн на трассе;

–проницаемость зданий и сооружений;

5

–интенсивность помех естественного и искусственного происхождения в данном участке спектра;

–электромагнитная совместимость с другими системами, работающими на близких частотах;

–возможность построения абонентской аппаратуры с требуемыми экономическими, эргономическими и эксплуатационными характеристиками и т.д.

Энергетические соотношения в радиолиниях систем мобильной связи являются одними из важнейших характеристик. Системы мобильной связи отличаются значительным многообразием характеристик каналов и условий распространения радиосигналов, что требует применения соответствующих моделей, способов описания изменений энергии полезного сигнала при передаче информации и мешающих сигналов (помех, шума, других полезных сигналов).

Классификация радиоканалов (по признакам, важным для расчета энергетических показателей) для систем мобильной связи приведена на рис.1.

Рисунок 1 – Классификация радиоканалов систем мобильной связи

В общей системе связи радиоканал выполняет следующие функции:

–генерация рабочих частот в выделенной части спектра (стабильные кварцевые генераторы и синтезаторы частоты обеспечивают высокочастотные сигналы для модулятора передатчика и гетеродина приемника);

–модуляция и демодуляция высокочастотного сигнала;

6

–обеспечение энергетического потенциала радиолинии (необходимая мощность передатчика, чувствительность приемника, соотношение сигнал/шум на входе детектора обеспечиваются усилителем мощности в передатчике, малошумящим усилителем и фильтрами приемника);

–обеспечение требований по электромагнитной совместимости (высокочастотные и полосовые фильтры передатчика и приемника обеспечивают совместную работу в эфире с другими радиосредствами).

Процессы, происходящие при распространении радиоволн

Путь радиоволны от передатчика к приемнику в системах мобильной связи крайне разнообразен: от их прямой видимости до сильно закрытого препятствиями, домами, деревьями пути. В отличие от проводной связи, где параметры постоянны, в беспроводной связи радиоканалы имеют случайные параметры, часто сложно анализируемые. Моделирование радиолинии - наиболее сложная задача проектирования радиосистем. Оно в основном выполняется статистически с использованием данных экспериментов, выполненных порой именно для такой же или аналогичной системы.

Механизм распространения радиоволн (РРВ) в системах связи различен, но в основном может быть представлен отражением, дифракцией и рассеянием. Большинство сотовых систем работают в городах, где нет прямой видимости антенн передатчика и приемника, а наличие высоких зданий вызывает большие дифракционные потери. Благодаря многократным переотражениям от различных объектов, радиоволны проходят различный путь. Интерференция этих волн вызывает сильное изменение уровня сигнала от положения абонента.

Отражение имеет место при падении волны на объекты с размерами много больше длины волны. Наблюдаются, например, отражения от земли, стен зданий и т.п. Некоторые слои атмосферы также обладают способностью отражать электромагнитные волны определенных диапазонов. В первую очередь это относится к ионосфере, имеющей значительную проводимость, сильно ионизированным метеорным следам, и в меньшей степени – к неоднородностям тропосферы.

Дифракция – явление огибания радиоволнами препятствий, встречающихся па пути их распространения. Объясняется возникновением вторичных волн при падении радиоволны на препятствие с острыми кромками. Когда протяженность радиолинии и высота расположения антенн таковы, что область, существенная при распространении радиоволн (первая зона Френеля) частично или полностью перекрывается препятствием, то незакрытая часть первой зоны Френеля или последующих зон создают излучение не только в направлении первоначального движения волны, но и за препятствием. Таким образом, дифракцией обусловлено наличие поля за препятствиями

7

в зоне геометрической тени. На высоких частотах дифракция, как и отражение, существенно зависит от геометрии объекта, а также амплитуды, фазы и поляризации поля.

Рассеяние имеет место при распространении волны в среде с мелкими объектами (меньше длины волны).

Рефракцией называется искривление траектории радиоволны при распространении ее в неоднородной среде.

МОДЕЛИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН

Для анализа возможностей разворачивания той или иной системы связи, в процессе проектирования требуется знание энергетических параметров радиолиний. Расчет этих характеристик выполняется на основании какойлибо модели распространения радиоволн.

Распространение радиоволн в свободном пространстве

Модель распространения волн в свободном пространстве используется для расчета принятого сигнала в условиях, когда передающая и приемная антенны находятся на открытой незатененной препятствиями радиолинии. Эта модель применяется для анализа радиоканалов связи через спутники и для наземных радиолиний, работающих в диапазоне сверхвысоких частот. Мощность, принятая приемной антенной с коэффициентом усиления Gпр, которая излучается антенной передатчика мощностью Pпер c коэффициентом усиления Gпер на длине волны λ на расстоянии d в открытом неограниченном пространстве, рассчитывается по формуле, называемой первым уравнением передачи:

В случае использования апертурной антенны, ее коэффициент усиления может быть определен следующим образом:

где Sэф – эффективная площадь поверхности антенны, м2.

Эффективная площадь несколько меньше площади апертуры антенны, вследствие неравномерности амплитудного распределения токов в апертуре. Отношение эффективной площади к площади апертуры называется коэффициентом использования поверхности антенны, типичное значение которого для однозеркальных антенн составляет 0,5…0,7.

9

дБм (децибелах по отношению к одному милливатту) или дБВт (децибелах по отношению к одному ватту).

Переход к уровням мощности и обратно осуществляется по формулам:

В логарифмическом виде первое уравнение передачи может быть записано в виде следующей инженерной формулы:

где мощность передатчика подставляется в дБВт или дБм, коэффициенты усиления антенн – в дБ, расстояние d – в километрах, рабочая частота f – в МГц.

Для расчета трасс с прямой видимостью в системах мобильной связи применяют методики, разработанные для других фиксированных служб, в частности для радиорелейных линий. На рис. 2 показана модель, учитывающая особенности распространения радиоволн при наличии клиновидного препятствия.

Рисунок 2 – Модель прямой видимости

Для приемлемого качества приема сигналов необходимо, чтобы над препятствием проходила линия прямой видимости с запасом по высоте не менее 0,6r1, где r1 – радиус первой зоны Френеля.

10

Радиус n-й зоны Френеля может быть рассчитан исходя из соотноше-

ния:

a b R1 R2 n2 .

Если выполняется rn R1 и rn R2 , то

r n R1R2 , (8)

где n – номер зоны Френеля;

rn – радиус n-й зоны Френеля.

Ослабление, вызываемое препятствием, оценивают следующим обра-

hп – величина просвета (расстояние от линии прямой видимости до препятствия).

Двухлучевая модель РРВ. Понятие множителя ослабления

Процесс распространения радиоволн над поверхностью Земли неразрывно связан с явлением поглощения энергия волны и со всякого рода потерями энергии. При распространении земных волн энергия, во-первых, теряется из-за проникновения радиоволн в толщу Земли, а также вследствие дифракционных потерь энергии, так как лишь небольшая доля энергии волны огибает выпуклость земного шара. При распространении тропосферных волн основной поток энергии волны проходит сквозь тропосферу и лишь небольшая доля его рассеивается тропосферой, образуя полезный поток энергии. Ионосферные волны претерпевают потери при проникновении сквозь полупроводящие ионизированные слои атмосферы.

Ослабление поля радиоволны при распространении в реальных условиях по сравнению с ослаблением, которое наблюдалось бы при распространении в свободном пространстве, принято характеризовать множителем или функцией ослабления F. Если тем или иным способом определен множитель ослабления, то напряженность поля в точке приема вычисляется по формуле: