напрямую зависит от интенсивности использования связи. Помимо вышеперечисленного спутники способны использовать часть L-диапазона несоприкасающихся лучей, удваивая, таким образом, пропускную способность спутника. Предстартовый вес каждого спутника составил 2066 кг. ЭИИМ каждого спутника составляет 48 ДбВт, где ЭИИМ (эффективная изотропная излучаемая мощность) означает, какую энергию может сконцентрировать спутник в обслуживаемой области.

10. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ А

В системах сотовой связи на человека воздействуют два источника излучения электромагнитных волн: антенны базовых станций и антенна собственного радиотелефона. Мощность излучения антенн базовых обычно не превышает 50 Вт. При этом используются направленные антенн, формируя достаточно узкий луч в угломестном направлении. В азимутальной плоскости угол зависит от того, какая антенна секторная или ненаправленная применяется. Зная излучаемую мощность и коэффициент усиления антенны (обычно порядка 10 дБ), можно рассчитать плотность потока мощности в направлении максимального излучения. Если известна форма диаграммы направленности антенны, не составляет сложности определить уровень излучения в любом направлении.

Антенны базовых станций не излучают постоянную мощность 24 часа в сутки, а имеют переменный график излучения определяемый загрузкой, то есть наличием владельцев сотовых телефонов в зоне обслуживания конкретной базовой станции и их желанием воспользоваться телефоном для разговора. Для станций, расположенных в различных районах города, график загрузки различный. В ночные часы загрузка базовых станций практически равна нулю, т. е. станции в основном "молчат".

Исследования электромагнитной обстановки на территории, прилегающей к БС, были проведены специалистами разных стран, в том числе Швеции, Венгрии и России. По результатам измерений в Москве можно констатировать, что в 100% случаев электромагнитная обстановка в помещениях зданий, на которых установлены антенны базовых станций, не отличались от фоновой в соответствующем диапазоне частот для данного района. На прилегающей территории в 91% случаев зафиксированный уровень электромагнитного поля был в 10 раз меньше ПДУ, установленного для радиотехнических объектов в Москве. Максимально зафиксированное при измерениях значение было в 2 раза меньше установленного ПДУ, это было зафиксировано вблизи здания на котором установлено сразу три станции разных стандартов. По санитарным нормам в диапазоне 300 МГц – 300 ГГц плотность потока мощности в местах проживания населения не должна превышать 10 мкВт/См2.

138

Таким образом, исходя из последних научных исследований, можно с уверенностью говорить, что базовые станции сотовой связи при правильной установке не опасны для здоровья населения.

С точки зрения увеличения числа пользователей сетью связи целесообразно уменьшать размер сот. Появились микросотовые системы связи с размером ячейки несколько сотен метров. Все больше говорят о пикосотовых системах. Кроме увеличения числа абонентов эти способы формирования сот позволяют существенно уменьшить уровень излучения как со стороны базовых станций, так и со стороны радиотелефонов.

Существенно ближе к пользователю находится сотовый телефон. Уровень излучения сотового телефона зависит от его стандарта. Аналоговые телефоны излучают мощность больше цифровых. Телефон стандарта GSM в момент включения излучает максимальную мощность (до 1 Вт). Однако установочный период составляет секунды. После тестирования радиоканала аппаратура базовой станции даст команду на изменение уровня излучаемой мощности в зависимости от удаленности абонента.

Аппарат стандарта CDMA еще до включения передатчика оценивает уровень излучения базовой станции, рассчитывает необходимую мощность излучения и только после этого включает передатчик.

Главным элементом излучения сотового телефона является его антенна. Они выполняются либо в виде штыревой антенны, либо в виде полосковой антенны. Вторая имеет некоторые преимущества с точки зрения воздействия на голову человека, так как корпус аппарата выполняет экранирующую роль.

При анализе локального воздействия источника электромагнитного излучения на человека целесообразно анализировать величину удельного коэффициента поглощении SAR (от английского Specific Absorption Ratio), который учитывает не только интенсивность электрического поля Е, но и характеристики материала слоев модели.

По геометрическим параметрам голова это квази-сферическое тело радиусом около 100 мм, с удельной плотностью вещества около 1000 кг/м3 . Тело имеет слоистую структуру и насчитывает шесть основных слоёв: кожный покров, жировая прослойка, костная часть, твёрдая мозговая оболочка (dura), спинно-церебральная жидкость (csf), мозг. Каждый слой характеризуется собственными основными электрофизическими характеристиками: диэлектрической проницаемостью ( εR ) и удельной проводимостью ( σ , См/м), которые су-

щественно зависят от используемой частоты электромагнитных волн

(Табл. 10.1).

139

Таблица 10.1 Электродинамические параметры ткани головы человека

Наиболее опасной областью головы, с этой точки зрения, является прослойка цереброспинальной жидкости (SCF), обладающее высокими значениями

εR и σ.

На рис. 10.1 приведены графики, характеризующие распределение SAR по слоям описанной выше шестислойной модели головы человека для наиболее распространенных частотных диапазонов подвижных средств связи: 450 МГц

(NMT), 900 МГц (GSM) и 1800 МГц(GSM).

Рис. 10.1. Распределение SAR по слоям модели со стороны антенны

140

Как видно из рисунка, для всех диапазонов частот, наибольшее значение SAR наблюдается в области первого слоя структуры (кожный покров). Кроме того, с увеличением рабочей частоты можно отметить уменьшение уровня как SAR, так и напряженности электрического поля для внутренних слоев структуры.

11. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Автор надеется, что полученная читателем информация позволит ему получить достаточные знания о функционировании сетей связи. Любознательные смогут найти дополнительные сведения в учебной, технической и научной литературе, в Интернет.

Системы сотой связи развиваются постоянно. Появляются новые возможности, снижается электромагнитное воздействие на человека. Нас ждет третье поколение средств связи, за ним четвертое. Прогресс продолжается.

12.РЕШЕНИЕ УПРАЖНЕНИЙ

1.Дано: Общая полоса частот Bt =33 МГц;

Полоса одного канала BC = 25 кГц,

Решение.

Общее число доступных каналов

m = 3300025 =1320 каналов.

Для N = 4 Число каналов в ячейке m = 13204 = 330 ,

для N = 7 Число каналов в ячейке m =13207 =188,5, следовательно можно

использовать часть ячеек с 188 каналами, часть с 189. Для N =12 Число каналов в ячейке m =132012 =110 .

Если полоса частот 500 кГц выделена под каналы управления, то их число mc = 50025 = 20.

Таким образом для кластера N = 4 будем иметь по 5 каналов управления на ячейку. Каналов трафика останется 325.

Для кластера N = 7 будет по 3 канала управления и по 185 канала трафика. В двух ячейках будет по 2 канала управления и по 186 каналов трафика.

141

Для кластера N =12 будет по 2 канала управления и по 108 каналов трафика. В одной ячейке будет 1 канал управления и 109 каналов трафика.

2. Дано: Наибольший размер антенны D=1 м; Рабочая частота fc=900 МГц.

Решение:

Таким образом, опорное расстояние может быть d 0 =100 м или, например, 10 м.

Напомним, что d0 должно быть меньше расстояния d между передатчиком и приемником.

3. Дано: Излученная мощность Pt=50 Вт; Несущая частота fc=900 МГц.

Решение:

a) с использованием формулы (7.8) излученная мощность

Pt (дБмВт) =10 lg(Pt[Вт]1 мВт) =10 lg 50 103 = 47,0 дБмВт;

б) Pt (дБВт) =10 lg(Pt[Вт]1Вт) =10 lg50 =17,0дБВт ;

в) принятая мощность по формуле (7.1):

Pr = PtGtGrλ2 = 50 1 1 (1/3)2 =3,5 10-6 Вт. (4π)2d2 (4π)2 (100)2

По формуле (8) принятая мощность:

Pr (d)[дБмВт] =10lg(Pr (Вт) 103) =10lg3,5 10−3 =-24,5 дБмВт;

142

Решение:

a) из формулы (7.4) принятая на расстоянии 10 км мощность:

Pr (d) = 7 10−10 Вт.

б) из формулы(7.11) амплитуда электрического поля:

в) из формулы(7.13) напряжение на входе приемника:

5.Решение:

Подставляя θi = 00 в формулу (7.20):

Это упражнение показывает, что при углах падения, близких к скользящим, поверхность земли может моделироваться идеальным проводником, который обеспечивает модуль коэффициента отражения, равный 1, независимо от поляризации поля и свойств подстилающей поверхности.

6. Решение:

Угол Брюстера может быть найден после подстановки значения диэлектрической проницаемости εr в формулу (7.22):

143

Таким образом, для εr=4 угол Брюстера равен 26,560.

7. Дано: Расстояние между передатчиком и приемником d = 5 км; Напряженность поля на расстоянии 1 км 10-3 В/м; Рабочая частота fc = 900 МГц.

Решение:

=−122,66 дБВт= −92,66 дБмВт.

8.Дано: Длина волны 1/3 м; Расстояние d1 = 1 км, d2 = 1 км.

Решение:

a) h=25 м. Из формулы (7.37) дифракционный параметр

Из рис. 7.10 дифракционные потери равны 22 дБ.

144

Из формулы аппроксимации (7.41г): дифракционные потери 21,7 дБ. Разность хода прямого и отраженного луча из (7.35):

6 дБ. С использованием аппроксимационной формулы (7.41в) дифракционные потери равны 6 дБ. Для h = 0 разность хода ∆ = 0. Перекрывается середина 1-й зоны Френеля;

в) h = -25 м. Из (7.37) ν = -2,74. Из рис.7.10 дифракционные потери равны 1 дБ. Из формулы аппроксимации (7.41а) дифракционные потери равны 0 дБ. Препятствие лежит ниже трех зон Френеля, следовательно, потери незначительны и ими можно пренебречь.

9. Решение:

Минимальная квадратичная ошибка может быть найдена следующим обра-

i - принятая мощность на расстоянии di. Пусть €i будет оценка зом. Пусть P P

мощности при использовании закона (d d0 )n ослабления радиолинии по (7.49а). Сумма квадратичных ошибок между измерением и расчетом:

145

Сумма квадратичных ошибок:

Взяв производную по n из предыдущего выражения, получим dJ(n)dn =654,306n - 2887,8.

Приравнивая это уравнение нулю, получим n = 4,4;

J(n) =(0 + 0)2+(-20 -13,32)2+(-35 + 44)2+ (-70 + 64,988)2= 150,622,

σ2 = 1504,622 = 37,66 .

Таким образом, σ = 6,14 дБ;

в) вычислим принимаемую мощность на расстоянии 2 км:

К полученному значению можно добавить возможное изменение этой величины с учетом Гауссового закона распределения вероятностей для учета случайных изменений величины принимаемой мощности;

г) вероятность того, что принятый сигнал на расстоянии 2 км будет больше -70 дБмВт, определяется из формулы

146

Из графиков Okumura (рис.7.13, 7.14) Ama (900 МГц, 50 км) = 43 дБ и GAREA = 9 дБ.

Из (7.53) общие средние потери в радиоканале:

L50 (dB)=LF +Ama (f,d)-G(hte )-G(hre )-GAREA = =125,5 + 43 - (-6) - 10,46 - 9 = 155,04 дБ.

Рэф = Pt Gt =103 1= 103 Вт.

Рэф (дБ) = 10 lg Рэф = 30 дБВт = 60 дБмВт.

Средняя принятая мощность:

Pr (d) = EIPR(дБмВт) − L50 (дБ) + G r (дБ) = =60 дБмВт - 155,04 дБ+ 0 дБ = 95,04 дБмВт.

11.Решение:

Для n=4. Пусть в кластере 7 ячеек. Тогда из (8.4) Q= DR =4,583. В соответ-

ствии с (8.3) отношение сигнала к интерференционной помехе

S = 1 (4,583)4 = 73,5 =18,66 дБ. N0 6

Поскольку полученное значение оказалось больше заданного (15 дБ), 7 ячеечные кластеры использовать можно.

Для n =3. Пусть в кластере 7 ячеек. Тогда из (8.4) Q = DR = 4,583. В соот-

ветствии с (8.3) отношение сигнала к интерференционной помехе

S = 1 (4,583)3 =16,04 =12,05 дБ. N0 6

Полученное значение меньше заданного. 7 ячеечные кластеры использовать нельзя.

147

С учетом (4.1) следующий по порядку кластер будет состоять из 12 сот –

Следовательно, 12 ячеечный кластер использовать можно.

12. Решение:

Интермодуляционные частоты:

(2n+1)f1-2nf2 , (2n+2)f1-(2n+1)f2 , (2n+1)f2 -2nf1, (2n+2)f2 -(2n+1)f1 , ….

Частота f1 =1930 МГц, частота f2 =1932 Мгц. Решаем методом подстановки для n =0, 1, 2, 3

Полоса рабочих частот радиоканала лежит в полосе 1920 – 1940 МГц. Зеленым цветом отмечены интермодуляционные частоты, не попадающие в полосу рабочих частот канала связи.

13. Решение:

Воспользуемся формулой (8.7).

14. Решение:

Воспользуемся формулой (8.11)

m = 820025 кГцМГц =1000 пользователей.

148

15. Решение:

Время передачи одного бита обратно пропорционально скорости передачи.

Длительность слота равно произведению длительности одного бита на число эквивалентных битов в слоте. Число эквивалентных битов определяется как сумма передаваемых битов и числа битов, соответствующих длительности защитного интервала.

б) TS =156,25Tb = 0,577 мс.

Длительность одного кадра равно произведению числа слотов в кадре на длительность одного слота.

с) Tf =8TS = 4,615 мс.

В полноскоростном режиме мобильная станция включается один раз за кадр на время одного слота.

г) между двумя включениями 4,615 мс.

Замечание. В полускоростном режиме интервал между включениями увеличивается в два раза.

16. Решение:

Число битов в рабочем временном интервале bS = 6 + 26 + 2 (57 +1) +8,25 =156,25.

Число битов в кадре (8.9) bf =8bS =1250 .

Число битов, не несущих информации (8.8) b0 =8 6 +8 26 +8 8,25 =322.

Эффективность TDMA кадра (8.10)

17. Решение:

В качестве эталонного выберем четвертый стандарт, имеющий полосу рабочих частот Bc =6,25 кГц. С учетом того, что соотношение сигнал/шум задано

в дБ, используем операцию логарифмирования выражения (8.22).

149

18. Решение:

Считаем, что уровень шумов, воздействующих на системы связи, одинаков. Мощность шума для TDMA системы в 3 раза больше, т.к. полоса рабочих частот равна 30 кГц по сравнению с 10 кГц FDMA системы.

PN′ =3PN .

Уровень сигнала FDMA системы (8.13) S=EcR=Ec 10 103 .

Уровень сигнала TDMA системы с учетом, что энергия одного бита EC в обеих системах одинакова

Таким образом, в данном примере для заданных систем связи оказалось, что обе системы имеют одинаковую спектральную эффективность.

150