Особенности распространения радиоволн.

3.5.  Особенности распространения радиоволн

Как было отмечено выше, в стандарте GSM используются дециметровые волны (900 МГц (к = 0,333 м), 1800 МГц (к = 0,167 м), 1900 МГц (к = 0,158 м)).

 
Следует отметить, что метровые (VHF), дециметровые и сантиметровые (UHF) электромагнитные волны от ионизированных слоев атмосферы практически не отражаются и в них не рассеиваются и, поэтому, как ионосферные волны распространяться не могут. Волны этих диапазонов распространяются в основном в виде земных волн (дифракция таких волн выражена слабо) на небольшие расстояния, а на большие — за счет тропосферного рассеяния на неоднородностях и, в меньшей степени, за счет направленного действия тропосферных волноводов.
 
Радиоволны дециметрового диапазона почти не преломляются в ионизированных слоях атмосферы и свободно пронизывают их, то есть распространяются как прямые волны и поэтому находят применение в космической связи; практически не испытывают молекулярного поглощения, поглощения в гидрометеорах (дождь, снег), то есть в земных условиях дециметровые волны могут распространяться лишь прямолинейно в пределах прямой видимости.
 
Распространяясь в пределах прямой видимости, электромагнитные волны в системах сотовой мобильной связи испытывают многочисленные отражения от окружающих объектов и поглощения в них. Картина многолучевого распространения, показанная на рис. 3.12, свидетельствует о суперпозиции в точке приема MS нескольких, точнее множества сигналов, пришедших по различным путям и имеющим различные амплитуды, фазы, времена распространения, плоскости поляризации и пр.
 
Результирующий сигнал в точке приема ввиду этого резко меняется и может быть как выше среднего (медианного) уровня, так и ниже, причем замирания сигнала, образующиеся при взаимной компенсации сигналов вследствие неблагоприятного сочетания их амплитуд и фаз, могут быть достаточно глубокими. Искажения результирующего сигнала имеют место в том случае, когда более или менее синфазные составляющие сигналов с соизмеримы­ми амплитудами имеют настолько отличные разности хода, что символы одного сигнала на­кладываются на соседние символы другого, при этом возникает межсимволъная интерфе­ренция.
Многолучевое распространение радиоволн

Рис. 3.12. Многолучевое распространение радиоволн

 

Как показано на рис. 3.13, зависимость напряженности поля от расстояния между BTS и MS имеет убывающий характер, при этом напряженность поля имеет как быстрые, так и медленные замирания относительно среднего (медианного) значения, то есть среднее значение подвержено затуханию, а мгновенные значения — замираниям.
 
В частном случае для изотропных передающей и приемной антенн BTS и MS отношение мощности в точке приема PR к мощности в точке передачи Рг (при отсутствии помех) можно записать в виде:

Pr /Рт= (V4itrf = (с / 4n-rf)2        (3.60)

где с = 3-10 м/с — скорость электромагнитных волн в вакууме, /— рабочая частота, г — расстояние между BTS и MS. При/= 900 МГц, г = 10 км: Pr/Pt = (2,6-10-6)2,
 
Pr/Pt дБ ~ -50 дБ.
 
Таким образом, величина затухания обратно пропорциональна квадрату частоты сигнала и квадрату расстояния между BTS и MS.
 
В случае направленных антенн необходимо учесть коэффициенты усиления передающей и приемной антенн, что приводит к следующей формуле:
 
PR/PT= GtGr (Wnfrf)                  (3.61)
 
где GT и Gr — коэффициенты усиления передающей и приемной антенн.
 
Колебания уровней (замирания) принимаемого сигнала имеют две составляющие — быструю и медленную.
 Зависимость напряженности электромагнитного поля от расстояния между BTS и MS
Быстрые замирания, являющиеся прямым следствием многолучевого распространения радиоволн, часто называют релеевскими, так как они описываются релеевскими законами распределения. Замирания из-за многолучевости обусловлены сигналами, отраженными от внешних объектов. В результате этого в точке приема возникают условия:
 
- несколько однотипных сигналов, сдвинутых по фазе, складываются так, что результирующий сигнал ослабляется;
- при одинаковом уровне основного и отраженных сигналов, но их противофазности, результирующий сигнал близок к нулю, что вызывает прерывание связи.
 
Диапазон изменений уровня сигнала при быстрых замираниях может достигать 40 дБ, из которых — приблизительно 10 дБ — это превышение над средним уровнем и 30 дБ — провалы ниже среднего уровня, причем глубокие провалы встречаются реже, чем менее глубокие. При неподвижной мобильной станции MS интенсивность принимаемого сигнала практически не меняется. При движении MS периодичность флуктуаций в пространстве составляет около полуволны V2, то есть порядка 16,5 см (на частоте 900 МГц).
 
Период флуктуаций зависит от скорости перемещения MS, например, при скорости V = 50 км/час период флуктуаций Тф -10 мс, а при V = 100 км/ч — Тф~ 5 мс.
 
Частота замираний глубиной (30... 10) дБ при скорости V-50 км/ч составляет 5...50 провалов в секунду, соответственно, а средняя длительность замираний ниже уровня (30... 10) дБ при скорости V = 50 км/ч — порядка (0,2.. .2) мс.
 
Медленные замирания обусловлены эффектом тени, который вызывается различными препятствиями (здания, лесные массивы, горы и т.п), нарушающими прямую видимость между BTS и MS. Медленные замирания подчиняются логарифмически нормальному закону распределения. Интенсивность медленных замираний не превышает (5... 10) дБ, а их периодичность соответствует перемещению MS на десятки метров. Фактически медленные замирания представляют собой изменения среднего уровня сигнала при перемещении MS, на ко-торые накладываются быстрые замирания, вследствие многолучевости.
 
Для борьбы с быстрыми замираниями в стандарте GSM используют скачки по частоте, то есть расширение спектра, при этом для уменьшения межсимвольных искажений применяются эквалайзеры — адаптивные фильтры. Для борьбы с последствиями многолучевого распространения, а именно для устранения ошибок, обусловленными как замиранием сигналов, так и межсимвольной интерференцией, используется помехоустойчивое канальное кодирование: блочное и сверточное кодирование, а также перемежениё.
 
Рассмотрим особенности распространения дециметровых волн и расчет полей в точках приема при известных параметрах излучения и расстояния между передатчиком и приемником для случая сотовой сети.

Распространение радиоволн в свободном пространстве в пределах прямой видимости (однолучевая модель распространения)

Постановка задачи. Пусть в свободном пространстве, заполненном однородной непоглощающей средой (|яг = 1, ег = 1, а = 0), помещен изотропный (omni, всенаправленный) излучатель (например, электрический диполь), для которого диаграмма направленности F(cp) = 1. Пусть мощность излучения изотропного излучателя Рг. Ставится задача: определить напряженность электрического поля в произвольной точке приема М.
 
Решение задачи.
 
1. Определим плотность потока мощности (интенсивность излучения) на расстоянии г от изотропного излучателя в виде:
п = Pi/S = Pi/4nr2. (3.62)
 
2. Учитывая, что в точке М вектор Умова-Пойнтинга определится в виде П= E2J2Z0 = Pl/4nr2, (3.63) где Ет — амплитуда напряженности электрического поля, Z0= 120л — волновое сопротивление среды
 
3. Найдем величину амплитуды напряженности электрического поля Ет в виде: Ет = (60Р 01/2/г, (3.64) то есть данная формула определяет величину амплитуды напряженности электрического поля в точке приема, которая в данном случае зависит от мощности излучения передающей изотропной антенны Рг и расстояния г, до точки приема.
 
Усложним задачу, допустив, что заменим изотропную передающую антенну на направленную, то есть плотность потока мощности определим в виде:
 
П = P,G,/4ro-2, (3.65)
 
где G\ = r\\Di — коэффициент усиления передающей антенны, г]! и Gi — КПД и КНД направленной антенны.
 
Тогда выражение (3.64) запишется в виде:
 
Ет = (60PxGx)mlr. (3.66)
 
На практике часто используют другой вид формулы (3.66):
 
Ет = 245(PiG1)1/2/r, (3.67)
 
где Pi(kBt), г (км), Ет (мВ/м).
 
Итак, полученные выражения позволяют провести оценочные расчеты амплитуды напряженности в точке приема Ет(г) для одного электромагнитного луча (для случая, когда определяется Ет в направлении максимума излучения).

В произвольном направлении:

 
адф)=£л-де,ф), (3.68)
 
где F(Q,ф) — диаграмма направленности передающей антенны.
 
Для того, чтобы рассчитать мощность на выходе приемной антенны для данного случая, необходимо учесть, что приемная антенна направленная и имеет эффективную апертуру:
 
Аэ 2 = С2Х2/4л, (3.69)
 
где G2 — коэффициент усиления приемной антенны.
 
Проведем следующие расчеты:
 
- найдем мощность электромагнитного поля в точке приема в виде: Р2 = П'ЛЭ2 = (P1G1/4kt2)(G2X2/4k) = PlGlG2 Х2/(4лг)2; (3.70)
- учитывая затухание в фидере приемной антенны, определим мощность на входе приемника в виде: pr = Р2е~а<’ = [Pfifii^1 /(4лг)2]е"а<’, (3.71) где а и £ — коэффициент затухания и длина фидерной линии.
 
Таким образом, величины Е2 и Рг в точке приема определяются мощностью излучения передающей антенны Рь направленными свойствами передающей и приемной антенн (Gx и G2), расстоянием между передатчиком и приемником, рабочей длиной волны, а также параметрами фидера.
 
Если электромагнитные волны распространяются в диэлектрической среде с диэлектрической проницаемостью гг (но в среде без потерь), то величина волнового сопротивления равна
 
Zb = 120л/(ег)ш (3.72)
 
и величины Е2 и Рг будут зависеть от диэлектрических свойств среды распространения (то есть от диэлектрической проницаемости гг среды).

Распространение радиоволн в среде с неизменяющимися параметрами.

 
Усложним задачу: пусть радиоволны распространяются в среде, которая характеризуется функцией ослабления W(t) = const.
 
Если величина W определена теоретически или экспериментально, то для однолучевой модели амплитуда электрического поля и мощность сигнала на входе приемника запишутся: Ет = 245[(PlGi)m/r]W, (3.73)
 
Р2 = [PiG1G27,2/(4nr)2]W2. (3.74)
 
Часто пользуются формулой для Р2, записанной в децибелах:
 
Р2 = Рыб + Gi + G2 + 20lgXi - 201g(4jtri) + W&. (3.75)
 
При Xi = АДо, Т\ = г/го, ко = го = /м, Р\ и Р2 записываются в дБ относительно: Р0= 1 Вт или 1 мВт (РдБ = 101g Р/Ро).
 
Рассмотрим простейший численный пример.
 
Определим мощность на входе приемника при следующих условиях: мощность передатчика Р\т= Ю Вт, ослабление фидера передатчика — антенна: е"а/»0,8, коэфициенты усиления передающей и приемной антенн G\ = G2 - 1,64, рабочая длина волны X = 33,3 см, расстояние между BTS и MS г - 10 км, множитель ослабления W» -20 дБ, ослабление фидера приемной антенны: е_а/« 0,8.

 
Численный расчет. Определим мощность Рщ выраженную в ваттах (3.71) и в децибелах (3.72):
 
P2R = [Pfi&k, /(4лг)2]И'2е~аф,,ф'е~аф2'ф2 = 1,2Ю“10Вт, то есть Pw = -129,2 дБм.
 
Если чувствительность приемника /’min 1(Г12 Вт (то есть Рщ = -130 дБм), то условия приема будут с трудом обеспечены, так как уровень сигнала близок к чувствительности и ниже допустимого запаса по мощности (^ (3...6) дБ).
 
Определим напряженность поля в точке приема при указанных выше условиях и при учете, что действующая длина приемной антенны hg**6 см, ее диаграмма направленности F2(0) = sin0 (при этом луч приходит при 0 = 30°), а чувствительность приемника Vmin=0,l мкВ.
 
Численный расчет. Воспользуемся формулами (3.54) и (3.73):
 
У2 = hg-Em2(F2(e)/J2) = hg[6QP\Gi)ll2/r]W-F(£i)-е“°’5(аф|,ф| +аф2'ф2> (1Д/2 ) = 106 10 6 В,
 
то есть V2 = 106 мкВ » У min = 0,1 мкВ, то есть условия приема обеспечены.
 
Таким образом, рассмотренные выше примеры позволяют на практике проводить оценки условий устойчивой мобильной радиосвязи для однолучевой модели, когда пренебрегают отражением от земли, влиянием строений, лесных массивов и пр.

Двухлучевая модель распространения радиоволн дециметрового диапазона.

На рис. 3.14 показаны условия прямолинейного распространения электромагнитных волн дециметрового диапазона.
Тропосфера

Прямолинейное распространение радиоволн

 Рис. 3.14. Прямолинейное распространение радиоволн
­

При этом дальность прямой видимости г0 определяется по формуле г0 = к$, R3) ([hi]112 + [h2\m), км (3.74)
 
где hi и h2 — высоты передающей и приемной антенн (выраженные в метрах), &(§, R3) — коэффициент, зависящий от условий атмосферной рефракции (то есть от изменений траектории распространения за счет изменения коэффициента преломления атмосферы) и от ра­диуса земли R3.
тории распространения за счет изменения коэффициента преломления атмосферы) и от радиуса земли R3.
 
Если рефракция отсутствует или пренебрежительно мала, то величина к(R3) = 3,57. При нормальной атмосферной рефракции, когда луч изгибается к поверхности земли, дальность прямой видимости увеличивается и величина к(^, R3) = 4,12. Для увеличения дальности распространения дециметрового диапазона волн обычно передающие антенны поднимают на определенную высоту, например, для антенн базовых станций BTS — hi = 20... 100 м, для телевизионных антенн — hi- 40...400 м, для антенн радиорелейных линий связи — hi = (20...80) м. Высоты поднятия приемных антенн колеблются в широких пределах (от 2 до 80 м). В системах мобильной связи высота поднятия приемных антенн лежит в пределах от 1 м до 3 м.
 
Для определения напряженности поля в точке приема при заданных мощности излучения передающей антенны Pi, ее коэффициента усиления Gb высоты поднятия hi и расстояния г до точки приема исходят из следующих допущений: на рис. 3.15 показаны два луча, которые распространяются от передающей антенны к приемной: а) первый луч — прямого распространения; б) второй луч возникает за счет отражения от земли (из множества образованных лучей у2 = Yi).
 Двухлучевое распространение радиоволн

Рис. 3.15. Двухлучевое распространение радиоволн

Таким образом, в точке приема оказываются только два луча, которые приходят в нее с различными амплитудами и фазами. В этом и состоит идея двухлучевой модели распространения радиоволн. В зависимости от соотношения расстояния г и расстояния прямой видимости г0 = 3,57 ([hi]1/2 + [Ьг]1/2), где hi и h2 выражены в м, а г0 в км, возможны следующие формулы для определения напряженности поля в точке приема, за счет интерференции двух лучей:
 
а) в общем случае амплитудное значение результирующей напряженности электрического поля определится по формуле (рис. 3.15):
 

Ет = 245^PikbtG' Ji + R2 +2Rcos(<t> + — Ar), мВ/м,

где R — модуль коэффициента отражения электромагнитных волн заданного диапазона от земли; ф — угол потери фазы при отражении; А г — разность хода лучей: прямого 1 и отраженного 2 (Дг = [(АС + СВ) - АВ]), (Pi в кВт, г в км, X и Дг в м).
 
Таким образом, по сравнению с однолучевой моделью, амплитудное значение напряженности электрического поля зависит от множителя ослабления:
    (3.75)
который, в свою очередь, зависит от модуля коэффициента отражения R, угла потери фазы ф при отражении и разности хода лучей А г. Для определения R и ф необходимо знать угол скольжения у, вид поляризации электромагнитной волны и электрические постоянные (диэлектрическая проницаемость и электропроводность) отражающей поверхности.
 
Приближенное выражение для А г определяется по формуле:
 
А г = Imhxh^r, (3.76)
 
где т — коэффициент, зависящий от отношения высоты приемной антенны (или точки приема) над землей h2 и высоты поднятия передающей антенны hi (при hi > h2), а также параметра
 
q = r/(2R-h1)ia, (3.77)
 
при этом коэффициент mQi^hi, q) определяется из графиков рис. 3.16
 
Основы сотовой связи стандарта GSM
Основы сотовой связи стандарта GSM
Основы сотовой связи стандарта GSM
Основы сотовой связи стандарта GSM


Основы сотовой связи стандарта GSM. 
       1. ВВЕДЕНИЕ В СТАНДАРТ GSМ.
       2. ОРГАНИЗАЦИЯ СОТОВОЙ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSМ.
       3. АНТЕННЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ.

                3.1. Общие положения.
                3.2. Антенны в системах сотовой мобильной связи. 
                3.3. Антенны мобильных станций.
                3.4. Особенности антенных систем базовых станций.
                3.5. Особенности распространения радиоволн.
                3.6. Параметры систем радиосвязи.
                3.7. Влияние лесных массивов на распространение радиоволн.

       4. МОБИЛЬНЫЕ СТАНЦИИ
       5. БАЗОВЫЕ СТАНЦИИ.
       6. ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СИСТЕМ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM.
       7. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ.
       8. УСЛУГИ, ФРОД И БЕЗОПАСНОСТЬ В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ.
       9. УПРАВЛЕНИЕ СЕТЯМИ СВЯЗИ В СТАНДАРТЕ GSM.
      10. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ.
 
 

 
   
Стол заказов: (067)194-45-55 | Киев