SMZ / Методичка радиоканал
.pdf
|
|
|
|
11 |
|
|
|
|
|
Eд |
30Pпер D |
|
||
|
|
F , |
(10) |
|
|
|
|||
|
|
r |
|
|
где r – путь, проходимый волной от пункта передачи до пункта приема; Pпер – мощность передатчика;
D – коэффициент направленного действия антенны передатчика.
Рисунок 3 – Двухлучевая модель распространеня в микросотовой си-
стеме
Для двухлучевой модели распространения (рис. 3) множитель ослабления имеет следующий вид:
|
|
|
4 h |
h |
|
|
|
F |
1 2 2 cos |
АС |
БС |
, |
(11) |
||
r |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
||
где ej – комплексный коэффициент отражения.
На рис. 4 показан пример зависимости множителя ослабления от расстояния в случае высоко поднятой антенны при определенном коэффициенте отражения.
Рисунок 4 – Зависимость множителя ослабления F от расстояния до пункта приема
12
Из рис. 4 видно, что вблизи передатчика зависимость множителя ослабления от расстояния имеет импульсный характер, а далее плавно убывающий.
При рассмотрении линий связи в большинстве практических случаев полагают, что их параметры либо не изменяются во времени, либо изменяются весьма незначительно. В таких случаях множитель ослабления F является фиксированной величиной. Это, конечно, известная идеализация реальных условий распространения. Подобные условия в первом приближении выполняются в диапазонах сверхдлинных и длинных волн и в космических системах связи.
Многолучевое распространение радиоволн
Для систем мобильной связи типичным является многолучевое распространение радиоволн, вследствие наличия отражений от различного рода препятствий (рис. 5). При распространении в городских условиях отражения наблюдаются от кромок крыш, зданий, подстилающей поверхности и т.д. При расположении АС внутри помещений на антенну могут приходить волны, отраженные от внутренних стен помещения. При расположении БС и АС внутри помещения отражения наблюдаются как от стен, так и от расположенных внутри предметов.
Рисунок 5 – Модель многолучевого распространения радиоволн: а) внешнее расположение АС; б) внутреннее расположение АС;
в) внутреннее расположение БС и АС
13
В общем случае модель канала при многолучевом распространении может быть задана в виде
N |
|
y(t) Ki E t pi n t П t , |
(12) |
i 1
где y(t) – сигнал на входе приемного устройства;
Ki K ej – комплексный коэффициент передачи для i-го луча распро-
странения;
E(t) – сигнал на выходе передатчика; n(t) – гауссовский шум;
(t) – помехи;
pi – время распространения сигнала в i-м луче:
pi dci ,
где di – длина i-го луча; с – скорость света.
Комплексный коэффициент передачи K зависит от коэффициентов отражения от зданий, стен, предметов и т.д.
Наличие нескольких копий сигнала создает ситуацию, когда возможны замирания и межсимвольная интерференция (рис. 6).
Рисунок 6 – Временные диаграммы многолучевого распространения
14
Замирания – это колебания уровня сигнала на входе приемника, связанные с изменениями факторов внешней среды и условий распространения радиоволн.
Наличие замираний вынуждает вводить специальные определения для характеристики среднего уровня принимаемого сигнала и степени отклонения мгновенных значений уровня от среднего значения. Наиболее распространенным является выражение среднего уровня в медианных значениях напряженности поля. Под медианным уровнем напряженности поля понимают уровень, превышаемый мгновенными значениями в 50% времени наблюдения. Количество пересечений мгновенными значениями медианного уровня в единицу времени характеризует частоту и период замираний. Глубину замираний обычно оценивают как разность (Е0,1 – Е0,9), где Е0,1 – уровень превышаемый мгновенными значениями напряженности поля в 10% времени наблюдения, а
Е0,9 – в 90% времени.
Глубокие замирания (ниже порога чувствительности приемника) приводят к искажениям или потере полезного сигнала.
Межсимвольная интерференция вызвана наложением соседних символов из-за временной дисперсии сигналов, приходящих по разным лучам.
Природу замираний поясним на примере двухлучевого канала. Сигнал на выходе такого канала может быть представлен в виде
y(t) K Ee |
j t |
K |
Ee |
j t p |
. |
(13) |
|
|
|||||
1 |
|
2 |
|
|
|
|
Если коэффициенты преобразования сигналов в лучах К1 |
и К2 равны, |
|||||
то наблюдается наихудшая ситуация, так как приходящие в точку приема сигналы имеют одинаковую амплитуду и разность фаз. Выражение (12) можно переписать следующим образом:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
K2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y(t) K1Eej t 1 |
|
|
|
|
|
ej |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
K1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где 2 1 p – разность фаз; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
K2 |
|
|
e j |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
K3 |
1 |
|
|
|
|
|
– коэффициент ослабления/усиления за счет зами- |
||||||||||
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
K1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
раний.
В общем случае, при внешнем расположении антенн БС и АС (макроячейки) энергетические характеристики сигнала зависят от трех факторов: потерь при распространении, медленных замираний и быстрых замираний (рис. 7). При наличии отражения, т.е. при непрямой видимости потери распространения определяются как при пассивной ретрансляции сигналов и могут быть заданы выражением:
|
|
|
|
|
|
|
|
15 |
|
|
4 R |
|
2 |
|
R |
|
|
|
|
|
|
|||||
LNLos |
|
0 |
|
|
|
|
, |
(14) |
|
|
R0 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
где R0 – расстояние от передатчика до препятствия; R – расстояние от препятствия до приемника;
= 2…5 – значение постоянного коэффициента затухания при распространении без прямой видимости, зависящее от окружающей обстановки. Коэффициент определяют по экспериментальным данным.
Рисунок 7 – Зависимость энергетических характеристик от различных факторов: а) потери на распространение; б) медленные замирания; в) быстрые замирания; г) результирующий сигнал.
16
2.3 Ключевые вопросы
Вопросы для допуска к лабораторной работе:
1.Что такое радиоканал? Какие его основные составляющие?
2.По каким признакам классифицируют радиоканалы в системах мобильной связи?
3.От чего зависит дальность связи в системах сотовой связи?
4.Запишите первое уравнение передачи и поясните смысл входящих в него элементов.
5.Как перевести мощность, выраженную в дБм, в ватты?
6.Как перевести мощность, выраженную в ваттах, в дБм?
Вопросы к защите лабораторной работы:
1.Какие факторы оказывают основное влияние на распространение радиоволн в системах мобильной связи?
2.Что такое множитель ослабления?
3.Что такое интерференция (рефракция, дифракция)?
4.Что такое замирания?
5.Как определяют глубину замираний (частоту замираний)?
6.От чего зависит глубина замираний?
7.Что такое медианное значение напряженности поля?
2.4Домашнее задание
1.Изучить теоретические положения (ключевые положения), используя методические рекомендации, конспект лекций и рекомендованную литературу.
2.Подготовить ответы на ключевые вопросы (вопросы для допуска к лабораторной работе).
3.Рассчитать зависимость максимальной дальности связи от мощности передатчика при следующих исходных данных:
– мощность передатчика изменяется от –10 до +10 дБм;
– чувствительность приемника: –107 дБВт;
– рабочая частота: 953 МГц;
– коэффициент усиления передающей антенны G1 и коэффициент усиления приемной антенны G2 выбираются из таблицы А.1 Приложения А;
– максимальная глубина замираний Fз выбирается из таблицы А.2 Приложения А.
17
По результатам расчетов заполнить таблицу:
P1, дБм P1, мВт Rmax, км
Используя данные таблицы, построить график зависимости максимальной дальности связи от мощности передатчика.
4.Подготовить макет отчета (образец титульного листа приведен в Приложении Б).
5.Изучить описание алгоритма и структуру программного макета.
2.5Лабораторное задание
1.Ввести в программу ADIsimSRD Design Studio исходные данные из домашнего задания и проверить правильность сделанного расчета.
2.С помощью программы рассчитать зависимость максимальной дальности связи от мощности передатчика при определенной модели РРВ (задается преподавателем). По результатам расчетов заполнить таблицу:
Модель РРВ – «___________________________________»
(название модели) |
|
P1, дБм P1, мВт |
Rmax, км |
-10
Используя данные таблицы, построить график зависимости максимальной дальности связи от мощности передатчика в той же системе координат, что и график из домашнего задания.
3.С помощью программы рассчитать зависимость множителя ослабления от расстояния для заданной модели распространения радиоволн. По результатам расчетов заполнить таблицу:
Модель РРВ – «___________________________________»
(название модели)
|
Потери при РРВ, дБ |
|
|
R, км |
в свободном |
при использовании |
F, дБ |
|
пространстве |
модели РРВ |
|
|
|
|
|
Используя данные таблицы, построить график полученной зависимости множителя ослабления от расстояния.
18
2.6 Описание алгоритма и структуры программного комплекса
Макет лабораторной работы «Изучение особенностей расчета параметров радиоканала в системах мобильной связи» представляет собой модель, созданную в среде автоматизированного проектирования ADIsimSRD Design Studio. Эта среда создана фирмой Analog Devices для разработки и анализа устройств радиосвязи малого радиуса действия на основе оборудования серии
ADF70xx.
Программа ADIsimSRD Design Studio обладает следующими возможно-
стями:
–автоматическая разработка ФАПЧ с требуемыми характеристиками;
–точная симуляция спектра, включая эффекты модуляции и фазового шума;
–автоматическое определение многих регулируемых параметров;
–симуляция ФАПЧ, с учетом фазовых шумов и переходных процессов;
–симуляция модуляции, включая анализ сигнальных созвездий для
FSK;
–помощь в разработке автоматической синхронизации;
–расчет потребления мощности и времени работы батареи;
–расчет радиолиний.
На рис. 8 показано главное окно программы ADIsimSRD Design Studio и указаны его основные элементы:
1 – панели инструментов;
2 – область настройки параметров модели;
3 – область задач и результатов моделирования.
1
3
2
Рисунок 8 – Главное окно программы ADIsim SRD Design Studio
19
Алгоритм работы с программой состоит в следующем.
1.Запустить программу ADIsimSRD Design Studio на персональном компьютере, установленном на рабочем месте (включение персонального компьютера и запуск программы осуществляет преподаватель).
2.Открыть файл «GSM radio channel.srd» (местонахождение файла указывает преподаватель).
3.Для исследования зависимости максимальной дальности связи от мощности передатчика необходимо на листе Tasks в области задач и результатов расчетов выбрать ссылку «Link Analysis». После перехода по ссылке появляется два листа – Task Notes и Link. На листе Task Notes подробно поясняется (на английском языке) назначение элементов управления, необходимых для расчета радиолинии. На листе Link изображена структурная схема радиолинии и приведены ее основные параметры (рис. 9).
Основные параметры радиолинии
Максимальная 
дальность связи
Рисунок 9 – Общий вид листа Link
4. Перед началом работы необходимо убедиться в том, что параметры схемы, установленные в области настройки параметров модели, соответствуют необходимым для выполнения лабораторной работы.
Всекции Design Settings – параметры приемопередатчика (рис. 10, а).
Всекции Single Frequency Simulations – значение рабочей частоты (рис.
10, б).
В секции Worksheets – параметры расчета радиолинии (рис. 10, в).
20
Рабочая 
частота
б)
Мощность
передатчика
Режим
расчета
|
Модель |
|
РРВ |
|
Глубина |
в) |
замираний |
|
|
а) |
|
Рисунок 10 – Установка параметров модели
5.Изменяя мощность передатчика (рис. 10, а), получаем различные значения максимальной дальности связи (рис. 9).
6.Определить значение множителя ослабления на трассе можно следующим образом. Переключив режим расчета с «Range» на «Link Margin» (рис. 10, в), изменять расстояние (Range), и для каждого значения расстояния определять потери при РРВ (Path Loss в области результатов моделирования). Определив величины потерь в свободном пространстве и при использовании заданной модели РРВ, находим множитель ослабления как разность между этими значениями.
2.7 Содержание отчета
Отчет по лабораторной работе (см. Приложение Б) должен содержать:
1.Титульный лист установленного образца.
2.Цель работы.
3.Задание на домашние исследования и их результаты.
4.Задание на лабораторные исследования.
5.Результаты лабораторных исследований.
6.Выводы.
В ы в о д ы по работе должны включать как констатируемую часть, отражающую основные полученные результаты, так и аналитическую, в которой проводится сравнительный анализ данных теоретического и экспериментального исследований, а также объяснение полученных результатов.