Печаткин А.В. Системы мобильной связи (часть 1) Принципы организации, функционирования и частотного планирования систем мобильной связи

Подождите немного. Документ загружается.

3) воздействие взаимных помех, создаваемых радиостанциями мо-

бильной системы связи, при одновременной работе в ограниченном объе-

ме пространства;

4) воздействие сосредоточенных помех других связных излучающих

систем, работающих в ближней зоне электромагнитного взаимодействия

(радиорелейные, радиолокационные, телевизионные станции), а также не

связных излучающих объектов (рентгеновское оборудование, сварочные

аппараты и т. п.).

Характерные особенности радиолиний обязательно должны учиты-

ваться при проектировании мобильных систем радиосвязи, а также при

анализе физических процессов, протекающих в каналах этих систем.

2.1. РАСПРОСТРАНЕНИЕ СИГНАЛА В СВОБОДНОМ

ПРОСТРАНСТВЕ

Передача сигнала в системе радиосвязи основана на преобразовании

генерируемого передатчиком электрического сигнала в электромагнитные

волны, распространении волн в пространстве и обратном преобразовании

в электрические сигналы на стороне приема. Свойства канала подвижной

связи зависят от множества факторов, в первую очередь от параметров ис-

пользуемых антенн, свойств физической среды, в которой распространяют-

ся радиоволны, особенностей электронных цепей, участвующих в передаче

и приеме сигнала, а также от скоростей перемещения подвижных станций.

Чтобы упростить рассмотрение свойств канала подвижной связи, целесо-

образно ввести основные термины, касающиеся антенн, и разобрать иде-

альный случай – распространение сигнала в свободном пространстве.

В теории антенн рассматривается теоретический случай, когда антен-

на излучает сигнал мощностью Р



(Ватт) одинаково во всех направлениях.

Такая антенна называется изотропной. Это идеальное устройство, которое

практически невозможно реализовать. Однако оно служит эталоном для

других типов антенн. Если вокруг изотропной антенны нарисовать сферу

радиуса r, то во всех точках поверхности этой сферы электромагнитное

поле, индуцируемое антенной, будет одинаково. Реальные антенны фоку-

сируют излучаемую энергию в определенных направлениях, поэтому на

практике нормированная характеристика излучающей антенны описыва-

ется следующим выражением [2]:

max

),(E

),(F





 ,

(2.3)

где E(φ,θ) – напряженность поля в точке Р сферы с координатами, опреде-

ляемыми углами  и ; E

max

– максимальное значение напряженности поля

на поверхности сферы.

Изотропная антенна расположена в на-

чале координат. Её нормированная харак-

теристика представляет собой идеальную

сферу – рис. 2.1. Легко заметить, что нор-

мированная характеристика не зависит от

радиуса r сферы. Термин плотность [по-

тока] энергии (ППЭ) тесно связан с норми-

рованной характеристикой. Это энергия, из-

лучаемая в заданном направлении в едини-

цу телесного угла

. Обе характеристики ан-

тенны связаны выражением:

max

),(FU),(U  ,

(2.4)

где U

max

– максимальная ППЭ.

Суммарная мощность Р



, излучаемая антенной, представляется в виде

интеграла по телесному углу, т. е.

mean

4 Ud),(UP 







;

(2.5)









sin

(2.6)

Излучаемая мощность может быть выражена в виде произведения

средней ППЭ U

mean

и величины полного телесного угла, которая равна 4.

Средняя плотность излучения может быть интерпретирована как плот-

ность потока энергии изотропной антенны, которая излучает ту же самую

суммарную мощность Р



, что и заданная антенна. Отношение плотности

потока энергии U(,) к средней ППЭ называется коэффициентом направ-

ленного действия антенны. Его максимальное значение называется направ-

ленностью антенны D и описывается выражением

















max

mean

max

d),(U

D .

(2.7)

Телесный угол измеряется в стерадианах. Полный телесный угол равен 4 стерадиан.





Рис. 2.1. Нормированная

характеристика изотропной

антенны

Термин направленность означает, что плотность излучения в направ-

лении максимального излучения в D раз больше, чем плотность излучения

изотропной антенны той же суммарной мощности, что и данная антенна.

В реальной антенне излучаемая мощность представляет собой только

часть подаваемой на ее вход мощности Р

input

. Часть мощности рассеивается

и преобразуется в тепло. Таким образом, антенна характеризуется энерге-

тической эффективностью

input



 .

(2.8)

Для учета рассеяния мощности вводится термин коэффициент усиле-

ния антенны. Он определяется выражением

input







max

(2.9)

Коэффициент усиления антенны обычно применяется при определе-

нии эквивалентной изотропно излучаемой мощности (ЭИИМ, англ. Effec-

tive Isotropic Radiated Power – EIRP), описываемой произведением



input

Эквивалентная изотропная излучаемая мощность определяется как

мощность, которую необходимо подать на изотропную антенну для того,

чтобы получить в точке приема точно такое же поле, которое будет полу-

чено в ней при помощи антенны с коэффициентом усиления G, на вход

которой подана мощность P

input

. Геометрически это иллюстрирует

рис. 2.2.

В качестве другого типа эталон-

ной антенны используется полувол-

новой симметричный вибратор.

Если сравнить мощность сигнала

от антенны с коэффициентом усиле-

ния G с таковой от полуволнового

вибратора, то можно определить так

называемую эквивалентную излучае-

мую мощность (ЭИМ, англ. Effective

Radiated Power).

Коэффициент усиления полувол-

нового вибратора относительно изо-

В отечественной литературе – коэффициент полезного действия.

Антенна

max

Рис. 2.2. Геометрическое

представление эквивалентной

изотропной излучаемой мощности

тропной антенны равен 1,64, что соответствует 2,15 дБ. Поэтому эквива-

лентная излучаемая мощность заданной антенны будет на 2,15 дБ меньше,

чем ее эквивалентная изотропная излучаемая мощность [2].

В зависимости от принятого типа эталонной антенны, единицы из-

мерения коэффициента усиления антенны обозначаются дБи – для изо-

тропной антенны или дБд – для полуволнового вибратора.

На основании изложенного выше в большинстве случаев переход от

коэффициента усиления антенны к коэффициенту направленности осуще-

ствляется достаточно просто – путем увеличения первого параметра в 1,64

раза или на 2,15 дБ (по мощности) – табл. 2.1 [9].

Таблица 2.1

Параметры некоторых антенн систем мобильной связи

Тип антенны Внешний вид

Коэф-нт

направлен-

ности, дБ

Коэф-нт

усиления,

дБ

Разница,

дБ

Сопротивле-

ние излуче-

нию, Ом

Изотропная

антенна

0 –2,15 0 0

Электрический

короткий вибратор

(L</5)

1,76 –0,39 2,15

197















Вибратор Герца

1,76 –0,39 2,15

790















Полуволновый

вибратор

2,15 0 2,15 73,2

Волновый

вибратор

3,82 1,67 2,15 199,2

Удлиненный

(сдвоенный

цеппелин)

5,18 3 2,18 98

Турникетная

антенна

–0,86 –3 2,14 326,6

Электрическая

короткая

вертикальная

антенна (h<=/10)

4,77 2,62 2,15

395















Электрическая

короткая верти-

кальная антенна с

концевой емкостью

4,77 2,62 2,15

1579















Четвертьволновая

вертикальная

антенна

5,16 3 2,16 36,6

/2



5/4

/2



Окончание таблицы 2.1

Тип антенны Внешний вид

Коэф-нт

направлен-

ности, дБ

Коэф-нт

усиления,

дБ

Разница,

дБ

Сопротивле-

ние излуче-

нию, Ом

Полуволновая

вертикальная ан-

тенна

6,83 4,68 2,15 99,6

Вертикальная

антенна (h=5/8 )

8,19 6 2,19 49

Малая рамочная

антенна

с площадью S

и периметром << 

1,76 –0,39 2,15

31171















Кольцо

(окружность = )

3,49 1,34 2,15 133

Квадратный

элемент

с периметром 

3,14 0,99 2,15 117

Delta-Loop

(равносторонний

треугольник)

2,82 0,67 2,15 106

2.2. ЗАТУХАНИЕ, ДИФРАКЦИЯ И ОТРАЖЕНИЕ

РАДИОВОЛН ПРИ РАБОТЕ УСТРОЙСТВ НАЗЕМНОЙ

МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ

При распространении радиоволн в свободном пространстве ампли-

тудное значение напряженности электрического поля сигнала Е

св

на рас-

стоянии r от передающей антенны определяется выражением [8]:

),(F

E 





 прд

св

(2.10)

где P

– мощность, излучаемая радиопередающим устройством; G

прд

– ко-

эффициент усиления передающей антенны; F(φ,θ) – характеристика на-

правленности антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Выражение (3) показывает, что напряженность поля сигнала в месте

приема уменьшается обратно пропорционально расстоянию связи r вслед-

ствие так называемых «потерь передачи» в свободном пространстве.

При распространении радиоволн в тропосфере потери напряженности

поля будут определяться тангенсом угла потерь:



тр

tg 







(2.11)

где σ

тр

, ε

тр

– соответственно удельная проводимость и диэлектрическая

проницаемость тропосферы; 

– длина волны.

Дисперсионные свойства приземного слоя тропосферы (до высоты

h  8 км) определяются ее газовым составом, температурой, давлением и

влажностью. «Нормальная тропосфера» с параметрами Т = 288К,

p = 0,1013 кПа и влажностью 60 % для диапазона УКВ является диэлек-

триком (tg >> 1), в котором радиоволны распространяются практически

без потерь. Однако реальная тропосфера не является однородной по сво-

ему составу. В приземном слое тропосферы имеются водяные пары (ту-

ман, дождь) или взвешенные частицы (дым, пыль). Это обуславливает

уменьшение напряженности поля из-за тепловых потерь на движение мо-

лекул газа. Величина поглощения оценивается коэффициентом потерь в

зоне неоднородности 

зн



 ,

(2.12)

где 

зн

– коэффициент ослабления напряженности электромагнитного поля

в зоне неоднородности;  – постоянная затухания напряженности поля;

зн

– протяженность зоны неоднородности.

С увеличением протяженности зоны неоднородности r

зн

поглощение

энергии радиосигнала увеличивается. Особенно ощутимы потери для

спектров УВЧ и СВЧ – рис. 2.3.

Однако воздействие тропосферы на распространение радиоволн не

является основным. Более существенное влияние оказывает подстилаю-

щая поверхность трассы радиосвязи (земля). Почва земли включает сухой

грунт и водные растворы солей, которые определяют существенные раз-

бросы таких дисперсионных параметров как ε

– диэлектрической прони-

цаемости и σ

– удельной проводимости земли. Вследствие этого на трассе

радиосвязи могут проявляться эффекты отражения и поглощения радио-

волн [8].

Условия распространения радиоволн определяются тангенсом угла

потерь в земле:

tg 





 .

(2.13)

Рис. 2.3. Влияние неоднородности среды на распространения радиоволн

При tg > 1 преобладающим оказывается ток проводимости и земля

проявляет свойства отражения радиоволн, в то время как при tg < 1 в

подстилающей поверхности трассы радиосвязи преобладающим оказыва-

ется ток смещения. Часть энергии электромагнитного поля сигнала затра-

чивается на движение молекул (тепловые потери).

При низко поднятых антеннах поглощение энергии электромагнитно-

го поля в земле увеличивается. Коэффициент тепловых потерь в земле (на

поверхности) 

определяется коэффициентом Ван дер Поля:





(2.14)







tg)1(

)tg1(2

(2.15)

При высоко поднятых антеннах передатчика h

прд

и приемника h

пр

по-

тери на поверхности оцениваются коэффициентом Введенского:





;

(2.16)







прпрд

4 hh

(2.17)



, см



зн

-2

-3

-4

0,5 1 2 3 4 5

сильный

дождь

умеренный

дождь

слабый

дождь

водяные

пары

С учетом влияния неоднородной среды распространения радиоволн и

подстилающей поверхности (земли) выражение амплитудного значения

напряженности поля сигнала в месте приема принимает вид:

),(F





знз

прд

(2.18)

Из-за влияния коэффициентов 

, 

зн

напряженность поля сигнала в

месте приема по мере распространения радиоволн существенно снижает-

ся. Реально трассы радиосвязи мобильных систем имеют участки подсти-

лающей поверхности с различными значениями ε

, σ

. Однако вследствие

сравнительно небольших дальностей мобильной радиосвязи значения па-

раметров могут браться усредненными. Обычно в расчетах берутся зна-

чения ε

и σ

, соответствующие параметрам «влажной почвы:



(15...30), σ



(0,1...0,01) См/м. Т о., подстилающая поверхность трасс

мобильной радиосвязи для диапазона ОВЧ является полупроводником, а

для диапазона СВЧ приближается к диэлектрику.

Основу классической теории распространения радиоволн составляют

три эффекта: отражение, рассеяние, дифракция. Все они в усредненном,

вероятностном представлении учитываются в эмпирических коэффи-

циентах расчетных формул.

Явление дифракции – огибание радиоволнами крупных экранирую-

щих объектов – объясняется на основании принципа Гюйгенса, согласно

которому любая точка фронта распространения волны может рассматри-

ваться как источник вторичных радиоволн, которые, в свою очередь, рас-

пространяются во всех возможных направлениях. Дифракция позволяет

УКВ-радиосигналам распространяться за горизонт и определяет структуру

поля за препятствием. Благодаря дифракционным эффектам можно с неко-

торой вероятностью осуществлять связь на УКВ за горизонтом вне пря-

мой видимости передатчика и приемника. Однако реального, практическо-

го значения это не имеет. Современные методики построения сетей связи

направлены, прежде всего, на обеспечение уверенной радиосвязи в любой

точке зоны покрытия. Это предполагает получение избыточно высокого

уровня передаваемой мощности всюду в зоне покрытия, поэтому воз-

можность неустойчивой загоризонтной радиосвязи в УКВ-диапазоне не

используется [1].

Рельеф местности оказывает существенное влияние на потери напря-

женности поля радиосигналов в месте приема. Поскольку антенны радио-

станций находятся в непосредственной близости от земли, то на трассах

радиосвязи неминуемо появляются крупномасштабные объекты, которые

экранируют приемные антенны от передающих, затрудняя или полностью

исключая условия прямой видимости. Чем больше пересеченность мест-

ности, тем большее влияние она оказывает на условия прямой видимости

станций. Для уточненного расчета зон радиотени от больших протяжен-

ных объектов используются известные из теории дифракции формулы зон

Френеля.

Ослабление поля сигнала при этом зависит не только от величины

просвета трассы радиосвязи, но и от расстояний до экранирующего объек-

та – рис. 2.4.

Рис. 2.4. Экранирование мобильной станции на трассе радиосвязи

Параметры трассы радиосвязи h

, r

(геометрия препятствия),

а также длина волны  определяют значение обобщенного параметра по-

терь d.

Обобщенный параметр d (дифракционный параметр) определяет раз-

меры той части пространства между радиостанциями А и В, в которой

распространяется основная доля энергии электромагнитного поля, назы-

ваемой областью существенной для распространения радиоволн. Если ве-

личина экрана не будет превышать радиус R первой зоны Френеля

(рис. 2.4 б), то напряженность поля сигнала в месте приема будет

практически соответствовать напряженности поля на открытой трассе.

Если же величина экрана будет больше радиуса первой зоны Френеля, то,

несмотря на формально закрытую трассу, ослабление напряженности поля

экран

а)

б)

ря на формально закрытую трассу, ослабление напряженности поля сиг-

нала будет определяться дифракционным параметром d.

Числовое значение параметра d можно определить с помощью угла

между направлением от передатчика к вершине препятствия и направле-

нием от приемника к вершине препятствия  (рис. 2.5) по следующей фор-

муле:

)rλ(r





(2.19)

где r

– расстояния от приемника и передатчика до препятствия;



– угол между направлением от передатчика к вершине препятствия и

направлением от приемника к вершине препятствия.

Рис. 2.5. Расчет дифракционного поля за препятствием

Наличие поля за протяженными препятствиями в условиях города яв-

ляется существенным фактором и не может игнорироваться. Реально на-

пряженность поля за препятствиями, типичными для городской застройки

(длинные и высокие здания, туннели, дворы внутри микрорайонов), впол-

не достаточна для нормального приема радиосигнала, и это должно учиты-

ваться при определении количества и местоположения базовых радиостан-

ций [1].