Влияние лесных массивов на распространение радиоволн.

3.7. Влияние лесных массивов на распространение радиоволн. 

Существует большое количество факторов, влияющих на распространение радиоволн сквозь деревья и над ними: зависимость от густоты кроны (лето-зима), различия высоты деревьев, влажности, размеров листьев, расположения деревьев, их породы и т.д.; зависимость от диапазона радиоволн и связанного с этим влияния ветвей, стволов, листьев на ослабление и рассеяние радиоволн.

 
Возможность сопоставительной оценки экспериментальных данных между собой и с теоретическими результатами по распространению радиоволн различных диапазонов в лесных массивах чрезвычайно сложны ввиду того, что многие эксперименты проводились без должного эталонирования как по характеристикам измерительной аппаратуры, так и по параметрам лесных массивов, а математические модели распространения достаточно громоздки.
 
Рассмотрим влияние лесных массивов на условия распространения радиоволн дециметрового диапазона, используемого в системах сотовой мобильной связи.
 

> Что такое интерференция описание, примеры.
 

Как известно, при проектировании сотовой системы мобильной связи возникает проблема равномерного радиопокрытия территорий, которые могут включать значительные площади, покрытые лесной растительностью [3.13]. В связи с этим необходимо иметь достаточно точную информацию о влиянии лесов на условия распространения радиосигналов дециметрового диапазона между BTS и MS.
 
Как показано в работах [3.9, 3.25], главными причинами изменения электромагнитного поля, распространяющегося сквозь лесной массив, в точке приема являются:
 
- процессы затухания за счет потерь энергии в стволах, ветвях, листьях и пр.;
- процессы дифракции на элементах структуры деревьев, что приводит к флуктуациям амплитуды и фазы радиосигнала, к изменению его спектра при ветровых нагрузках надеревья;
- результирующее электромагнитное поле в точке приема представляет собой интерференционное поле, составляющими которого являются:
 
рассеянные после дифракции компоненты поля;
возникающие дополнительные (например, ортогональные) составляющие электромагнитного поля, приводящие к кросс-поляризации принимаемого сигнала;
отражение поля от подстилающей поверхности леса, приводящее к дополнительным флуктуациям радиосигнала;
изменение плотности лесных массивов с изменением времени года, приводящее к изменению удельного коэффициента затухания;
изменение влажности леса с изменением погодных условий;
изменение положения элементов деревьев в зависимости от ветровой нагрузки, приводящие к флуктуациям поля;
изменение положения мобильной станции MS относительно BTS и лесного массива и др.

Изменение спектра радиосигнала при распространении в лесном массиве при ветровых нагрузках.
 
При ветровых нагрузках на лесные массивы стволы, ветви и листья деревьев совершают сложные пространственные колебания под действием изменяющегося во времени воздушного давления.

Распределение воздушного потока вдоль длины лесного массива имеет следующие особенности (рис. 3.31).

Изменение спектра радиосигнала при распространении в лесном массиве при ветровых нагрузках.
Рис. 3.31. Распределение воздушного потока вдоль длины лесного массива: область / — опушка леса (передняя кромка леса); область II — область основного ветрового потока и диффузии внутри леса; область III — тыльная кромка леса
При скорости набегания воздушного потока U0 на лесной массив поток воздуха начинает обтекать кромку леса, поднимаясь к кронам деревьев, и на расстоянии (50...80) м от кромки скорость ветра возрастает, далее движение воздушного потока над кронами деревьев (при малом сопротивлении) как бы расщепляется, при этом часть этого потока диффундирует внутрь лесного массива. Как показали эксперименты, скорость потока внутри леса имеет порядок Г//~ 1 м/с, а над лесом — может достигать 10...20 и более метров в секунду. На тыльной кромке стороне леса происходит срыв линий тока воздушного потока и вихре-образование.
 
Поток воздуха внутри леса, ввиду значительного аэродинамического сопротивления, имеет скорость Uf ~ (0,02...0,03)^уже на расстоянии 200...250 м от передней кромки леса, но может, как отмечалось выше, достигать 1 м/с.
 
Срыв линий тока воздушного потока происходит примерно на расстоянии Lm ~15h/ (при hf = 20 м Ьш~ = 300 м).
 
При сквозном распространении радиоволны колебания элементов леса приводят к изменению коэффициента затухания а и фазового коэффициента (3 с применением эффективной диэлектрической проницаемости, а значит амплитуды и фазы радиосигнала в точки приема.
 
В результате воздействия ветра на лес происходит изменение спектра радиосигнала, распространяющегося в лесу. К доплеровским частотам, возникающим при движении мобильных станций относительно BTS, добавляются низкочастотные составляющие, возникающие вследствие действия ветра на элементы леса.
 
Автором не обнаружены работы, в которых бы были описаны эксперименты по влиянию ветровых нагрузок на изменения спектров радиосигналов, распространяющихся между BTS и MS в системах сотовой мобильной связи.
 
В работе [3.21] исследуются изменения спектров монохроматических радиосигналов при отражении от лесных массивов, элементы которых колеблются под действием ветра, при малых углах скольжения (0 < 5...6°), при этом для усредненной зависимости энергетического спектра S(F) от частоты (в диапазоне от 0 до 100 Гц) характерны следующие области (рис. 3.32):
 
S(Fs< 10 Гц) (-10) дБ — описывается гауссовым законом (то есть распределение скоростей движения близко к нормальному);
 
S(Fs> 10 Гц) — форма S(Fs) может быть описана степенным законом S(Fs) ~1/FS4, причем степенной закон изменения S(Fs) сохраняется вплоть до частоты Fs ^ 200 Гц.
Усредненная зависимость энергетического спектра S(F) от частоты

Рис. 3.32. Усредненная зависимость энергетического спектра S(F) от частоты


Зависимость ширины спектров (характеризующих изменение Fs при изменении скорости ветра Uw) в зависимости от Uw представлена на рис. 3.33 [3.21], из которого следует, что основной вклад в формирование спектра отраженного сигнала вносят ветви и вершины деревьев, так как график FS(UW) построен как зависимость ширины спектра при определенном значении дисперсии и функции корреляции для заданной скорости ветра Uw.
 
Как отмечается в работе [3.21], при отражении радиосигналов от колеблющихся элементов леса наблюдалась существенная деполяризация сигналов, слабая корреляция между элементами матрицы обратного рассеяния, то есть элементарные отражатели, формирующие отраженный радиосигнал, имеют размеры малые или соизмеримые с длиной волны.
 
Зависимость доплеровской частоты от скорости ветровой нагрузки на лесной массивис.

Рис. 3.33. Зависимость доплеровской частоты от скорости ветровой нагрузки на лесной массивис. 


Таким образом, в системах сотовой мобильной связи, в которых используется дециметровый диапазон волн, необходимо учитывать, что в лесном массиве с ветровой нагрузкой в спектре принимаемого радиосигнала могут появиться низкочастотные составляющие, которые могут вызвать искажения при демодуляции.
 
Таким образом, прохождение радиоволн сквозь лесные массивы сопровождается, как это следует из предыдущего рассмотрения, не только интегральным затуханием энергии волны, но и изменением плоскости поляризации, результирующей амплитуды и фазы волны в точке приема, изменением ее спектра, при этом все эти явления также меняются в зависимости от времени года, погодных условий, расположения BTS и MS, высоты антенны BTS и т.п.
 
Полученные результаты доказывают сильное влияние лесных массивов на затухание радиоволн, вызывая кросс-поляризацию, изменение спектра принимаемых сигналов (так называемое «уширение полосы частот») при ветровых нагрузках и пр. Эти результаты составляют основу для получения фундаментального физического представления о том, как протекают процессы поглощения радиоволн дециметрового диапазона в лесных массивах, и могут быть использованы при проектировании сотовых систем мобильной связи (по разделу — радиопокрытие территории).
 
Так как для стандарта GSM сотовой мобильной связи используются волны на частотах 900, 1800 и 1900 МГц, попытаемся обобщить экспериментальные данные по влиянию лесных массивов при сквозном распространении радиоволн этих диапазонов.
 
Мак Патри и Форд [3.21] исследовали коэффициент ослабления при распространении радиоволн через толщу леса глубиной L ~ 85 м (лес — лиственный, время — летнее, дере-вья полностью покрыты листьями) на частоте/= 1200 МГц для вертикальной поляризации радиоволн и получили значения погонного коэффициента затухания для вертикально поляризованной волны порядка ав ~ 0,35 дБ/м, а для горизонтально поляризованной — аг ~ ОД дБ/м, при этом с ростом частоты растет затухание:
 
- /= 1200 МГц а ~ (0,25-0,35) дБ/м;
 
- /= 3260 МГц а ~ (0,4-0,5) дБ/м.
 
Эксперименты, проведенные по оценке фактора кроссполяризации (равного отношению амплитуды напряженности электрического поля вертикально поляризованной волны к горизонтально поляризованной XPD = Emv/Emh), показали, что на частотах 900, 1000 МГц величина XPD изменяется в пределах -10 < XPD < 0 дБ, при изменении высот деревьев от
 
3 до 16 м и изменении длины радиолуча от 150 до 1000 м.
 
Деполяризация радиоволн в лесах проявляется в зависимости от отношения высоты приемной антенны мобильной станции к длине волны так как Emv резко ослабляется (наводятся токи в вертикальных стволах деревьев), a Emh — менее ослаблена, поэтому фактор кроссполяризации XPD < 0 дБ.
 
В диапазоне частот от 500 МГц до 3000 МГц и для расстояний, превышающих более чем в 5 раз высоту деревьев, экспериментальные результаты достаточно хорошо согласуются с теоретическими расчетами для модели дифракции на идеальном остром клине в предположении, что расстояние и высоты выбраны одними и теми же.
 
Таким образом, лесные массивы на частотах, используемых в стандарте GSM, оказывают следующее влияние на условие распространения радиоволн:
 
- величина эффективного коэффициента погонного затухания достаточно велика и лежит в пределах а (800...2000 МГц) « (от 0,2 до 0,4) дБ/м;
 
- распространение радиоволн всегда сопровождается кроссполяризацией при факторе кроссполяризации, лежащем в пределах: XPD « от 0 до (-10) дБ;
 
- проявляется резкое изменение эффективного рабочего затухания в зависимости от высоты расположения приемной антенны и ее ориентации в пространстве и др.

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