ЭМС

101

Таким образом, метод координационных колец позволяет решить задачу оптимального планирования предающих сетей радиосвязи с учетом всех ограничений действующей сети. В настоящее время разработаны эффективные алгоритмы и программы, позволяющие автоматизировать решение этой задачи.

Глава 11. Методы частотного планирования сетей сухопутной подвижной связи

11.1. Планирование сетей с помощью модели Окамура-Хата

При планировании системы радиосвязи с подвижными объектами возникает необходимость в определении зоны обслуживания базовой станции (БС), в которой будет обеспечена связь с заданным качеством и надежностью. Также важным является определение минимально допустимого расстояния между БС, которые используют одни и те же частотные каналы, при котором уровень допустимых помех не будет превышать некоторого допустимого значения.

Для расчета зон обслуживания БС и минимально допустимого расстояния между ними необходимо учитывать следующие параметры:

-мощности передатчиков БС и абонентских станций (АС);

-параметры антенно-фидерного тракта приемо-передающей аппаратуры;

-уровень внешних шумов на входе приемника и его чувствительность;

-статистические закономерности распространения радиоволн в условиях пересеченной местности и городской застройки;

-параметры радиоканала связи (характер местности, степень урбанизации и т.д.);

-электрические параметры применяемой аппаратуры (рабочая частота, тип модуляции, ширина полосы пропускания приемника и т.д.);

- системные параметры систем связи с подвижными объектами (ССПО) (наличие интермодуляционных помех, интенсивность телефонной нагрузки, характер повторного использования частоты и т.д.).

102

Рассмотренные параметры определяются стандартами ССПО, которые используются операторами систем подвижной связи в России. Кроме того, необходимо учитывать условия распространения радиоволн в городе и пригородах. В ССПО связь осуществляется между стационарной БС и подвижным абонентским терминалом, при этом параметры линии связи (или канала связи) непрерывно изменяются. Поэтому при описании поведения сигналов, распространяющихся в городских пригородных условиях, пользуются статистическими методами. Расчет среднего уровня потерь осуществляется на основании аналитически-эмпирической модели Окамура-Хата. В этом случае местность представляется как квазиплоская. Рельеф местности и здания вызывают экранирование и дифракцию сигнала, что приводит к изменениям его уровня относительно некоторого среднего значения (медленные замирания), которые подчиняются логнормальному закону (или гауссовскому закону – в дБ). Здания и холмы, располагающиеся вблизи точки приема вызывают явление многолучевого распространения, в результате чего происходят так называемые быстрые замирания уровня сигнала, которые подчиняются закону распределения Релея.

Модель Окамура-Хата является аналитически-эмпирической, т.к. в ней используются аналитические выражения, полученные в результате аппроксимации эмпирических кривых. Она позволяет получать достаточно точные значения медианных потерь на сухопутных трассах при следующих ограничениях:

-частота сигнала от 100 до 1500 МГц;

-дальность связи от 1 до 1000 км;??

-высота подъема антенны БС от 30 до 200 м;

-высота подъема антенны АС от 1 до 10 м.

В модели применяется следующая классификация типов местности:

-крупные города с большим числом высоких зданий и оживленным движением автотранспорта;

-небольшие и средние города с плотной застройкой и с отдельными высокими зданиями и интенсивным дорожным движением;

103

-пригород со строениями дачного типа а также подсобными строениями (склады, хранилища и т.п.) и умеренным движением автотранспорта;

-сельская (открытая местность) в виде незастроенной земли с небольшими далеко отстоящими друг от друга группами невысоких строений.

В соответствии с этой моделью затухание сигнала (в дБ) T ?? при распространении в городских районах определяется формулой:

– поправочный коэффициент, используемый при высоте антенны АС, отличной от эталонной (равной 1,5 м), который определяется следующими выражениями:

В выражениях (11.4) и (11.5) величина L определяется формулой (11.1).

Размеры зоны покрытия БС будут определяться дальностью связи между АС и БС, которая получается в результате решения следующего уравнения:

Где: РПРД – мощность передатчика, Вт;

104

αПРД – погонное затухание в фидере ПРД, дБ/м;

ℓФ ПРД - длина фидера антенны ПРД;

ВД ПРД – потери в дуплексере ПРД, дБ;

ВК – потери в комбайнере (устройстве сложения), дБ;

GПРД – коэффициент усиления передающей антенны БС в направлении связи, дБ;

ВТ – дополнительные потери сигнала при работе с портативной АС, дБ (для большинства типов АС ВТ = 3 дБ);

ВЭ – дополнительные потери сигнала при приеме на АС, находящуюся в здании или автомобиле (ВЭ = 8 дБ для автомобиля и ВЭ = 15 дБ для здания).

Основным условием обеспечения связи будет необходимость превышения уровня мощности полезного сигнала на входе приемной антенны минимально необходимого уровня мощности (РПС МИН), определяемого по формуле:

(11.7)

где РПРМ – чувствительность приемника, дБВт;

αПРД – погонное затухание в фидере ПРМ, дБ/м;

ℓФ ПРД - длина фидера антенны ПРМ;

ВД ПРМ – потери в дуплексном фильтре ПРМ;

GПРМ – коэффициент усиления приемной антенны АС в направлении связи,

дБ;

КМШУ – коэффициент усиления антенного тракта приема, дБ;

RПРМ – входное сопротивления приемника, Ом.

В системах сухопутной подвижной связи для повышения вероятности обеспечения связи создается дополнительный запас уровня мощности сигнала на входе приемной антенны РПС доп, определяемый выражением:

105

где kТР – коэффициент логнормального закона, обеспечивающий требуемую надежность связи t (0 ≤ t ≤ 1), определяемый из решения уравнения:

k

S(kTP ) = 21π ∫TP exp(t2 / 2)dt , (11.9)

−∞

Некоторые значения kтр и S(kтр) приведены в таблице 10.1.

σ – обобщенное значение стандартного отклонения сигнала по месту и по времени, определяемое из формулы:

σd – стандартное отклонение сигнала по месту, зависящее от степени неровности местности Δh. Степень неровности местности определяется исходя из профиля местности в направлении связи как разность между высотами h(90%) и h(10%) местности на трассе, превышаемые в 90% и 10% точек профиля соответственно. Параметр Δh может быть ориентировочно определен из таблицы 11.2.

Для расстояний свыше 10 км и для диапазона частот 300…3000 МГц стандартное отклонение сигнала по месту (σd) определяется по формуле:

106

Для расстояний меньше 10 км и для диапазона частот 300…3000 МГц стандартное отклонение сигнала по месту (σd) определяется по формуле:

Стандартное отклонение сигнала по времени σt зависит от дальности связи и при дальности, меньшей 100 км определяется по формуле:

Таким образом, для того, чтобы мощность полезного сигнала на входе приемной антенны РПС , определяемая по (11.6), превышала бы с заданной вероятностью минимальную мощность этого сигнала РПС мин , определяемую по (11.7), необходимо выполнение условия:

11.2. Частотное планирование сетей сотовой подвижной связи

Определение размерности кластера

Сотовые сети сухопутной подвижной связи строят на основе частотнотерриториальных планов. При этом обслуживаемую территорию разделяют на зоны обслуживания БС. Сама БС располагается в центре такой зоны. Если на БС используется антенна с круговой в горизонтальной плоскости ДН, то граница зоны обслуживания БС также будет окружностью. В такой модели границы трех соседних зон пересекаются в одной точке. Соединив точки пересечения, получают границы зоны обслуживания БС в виде шестиугольника, называемого сотой (см. рис. 1).

107

Rз 600

Rо

Рис. 11.1 Структура сотовой сети.

Во избежание взаимных помех соседние БС должны работать на разных частотах. При этом несколько соседних сот образуют так называемый кластер, количество сот в кластере называется его размерностью. При шестиугольной соте наиболее удобна размерность кластера N = 7. В этом случае возможны разные частоты в одной центральной и шести примыкающих к ней сотах (см. рис. 11.1). Все частотные каналы системы делят между БС одного кластера, при этом каждой БС присваивается группа каналов. Например, если в системе используется всего Nf = 119 частотных каналов и кластер с размерностью 7, то группа частотных каналов, приходящихся на одну соту, содержит число частот:

Частотно-территориальный план составляют так, чтобы уровень взаимных помех не превышал бы допустимых значений для данного стандарта, что позволяет многократно использовать кластер на данной территории и, следовательно, более эффективно использовать выделенный диапазон частот. Кроме того, для повышения эффективности использования выделенного диапазона частот в сотовых системах подвижной связи на базовых станциях используют секторные антенны с шириной ДН в горизонтальной плоскости 60, 90 или 120 градусов.

108

11.3 Частотно-территориальное планирование сотовой сети подвижной связи

Для разработки частотно-территориального плана сотовой сети подвижной связи в качестве исходных данных используют следующие параметры:

-полоса частот, выделенная для передачи сигналов БС в данном городе;

-полоса частот, занимаемая одним частотным каналом сети;

-число абонентов, которые одновременно могут использовать один частотный канал (для стандарта GSM оно равно восьми);

-число абонентов, которое должна обслуживать сотовая сеть в данном

городе;

-активность одного абонента в час наибольшей нагрузки и другие параметры.

Для составления полного частотного плана сети сотовой подвижной связи вначале предварительно определяют параметры этого плана:

-размерность кластера;

-число М секторов обслуживания в одной соте (М = 1 при круговой ДН антенны БС в горизонтальной плоскости, М = 3 при ширине ДН антенны БС в горизонтальной плоскости, равной 120 градусов и М = 6 при ширине ДН антенны БС в горизонтальной плоскости, равной 60 градусов);

-количество БС, которые необходимо установить на территории города;

-радиус одной соты;

-уровень мощности передатчика БС;

-высоту подвеса антенны БС (высота расположения антенны АС принимается равной 1,5 м).

Кроме того, при составлении полного частотного плана необходимо, зная число частотных каналов, приходящихся на каждую БС и конфигурацию кластера, используемого для построения сотовой сети, определить конкретные номиналы частот, которые выделяются для работы всех БС одного кластера. При этом необходимо свести к минимуму помехи между сотами, в которых применяются

109

соседние частотные каналы, а также интермодуляционные помехи между частотными каналами, задействованными в одном секторе соты.

11.4. Оценка эффективности использования РЧС в сетях радиосвязи и телерадиовещания

Одним из важнейших вопросов, возникающих при организации любой радиослужбы в отведенной для ее работы полосе частот, является следующий: какая минимальная полоса частот требуется для покрытия региона сетью примыкающих зон обслуживания, в каждой из которых должно быть организовано заданное число частотных каналов? Для ответа на этот вопрос исходными данными являются технические характеристики применяемого приемопередающего оборудования, метод модуляции и требования к качеству воспроизведения информации. Кроме того, важно знать и потенциальный предел сокращения полосы частот за счет применения оптимальных методов передачи и приема сигналов с идеальными характеристиками приемопередающего оборудования. Эту предельно минимальную полосу частот (Fопт) можно определить на основе общей теории передачи информации. Зная ее и полосу частот используемого сигнала (Fc), можно определить эффективность использования РЧС данной системой радиосвязи или телерадиовещания:

позиционная система с амплитудно-фазовой модуляцией (16 АФМ). Из цифровых методов передачи ИКМ-М-ФМ наилучшей для рассматриваемых условий является система с М = 8. При невысоких требованиях к качеству приема сообщений наиболее близкой к оптимальным РЭС будет система с АМ-ОБП. Однако эффективность использования спектра такой системой заметно падает при повышении требований к качеству приема сообщений, особенно если учитывать нестабильность частоты реального передатчика.

110

Заключение

В данном учебном пособии в сжатом виде приведены основные исходные положения теории ЭМС радиоэлектронных средств как одного из важнейших научно-технических направлений развития телекоммуникаций. В качестве примеров реализации этой теории и подготовки читателя к практической деятельности в области ЭМС РЭС в готовом виде приведены данные о проектировании сетей радиосвязи различных видов. Для успешной деятельности такого рода необходимы и знания в области дисциплины “Управление использованием радиочастотного спектра”.

Учебное пособие по этой дисциплине будет написано отдельно.