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

Подождите немного. Документ загружается.

Формула (2.46) говорит о том, что появление второго пути распростране-

ния, отличного от пути распространения по линии прямой видимости, оказыва-

ет серьезное влияние на мощность принимаемого сигнала, функционально за-

висящего от расстояния до передающей антенны.

Для двулучевого распространения принимаемая мощность обратно про-

порциональна четвертой степени расстояния!

Т. о. в логарифмическом масштабе уменьшение мощности составляет 40

дБ на десять единиц расстояния, в то время как при однолучевом распростра-

нении сигнала в свободном пространстве это уменьшение составляет 20 дБ.

Двулучевое распространение – это исключительно теоретический случай,

который позволяет понять влияние многолучевого распространения на свойст-

ва канала передачи данных. В реальных системах количество путей намного

больше и зависит от особенностей окружающей среды.

Мощность сигнала, принимаемого на расстоянии r от передающей антен-

ны, часто описывают выражением

   















rPrP

(2.47)

где  – показатель степени, зависящий от условий распространения сигна-

ла и варьируемый от 2 до 5,5.

2.4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СООТНОШЕНИЯ В ТИПОВЫХ

РАДИОКАНАЛАХ НАЗЕМНОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ

Рассмотрим пример, когда на некоторой площади зоны обслужива-

ния(в пространстве) работает управляемая группа (ансамбль) мобильных

станций MS, обслуживаемых одной базовой станцией BS – ретранслято-

ром.

Типовое организационное построение такой группы может соответст-

вовать соте или сайту мобильной радиосистемы – рис. 2.9.

Радиосвязь в группе может организовываться по принципу «каждый

с каждым» (радионаправления) или «один со многими» (радиосети).

В первом случае формируются радионаправления через базовую

станцию с любыми мобильными станциями, или мобильной станции и с

абонентами сети PSTN. Для этого базовая станция выделяет рабочие час-

тоты f

прд

и f

пр

для формирования направлений радиосвязи между абонен-

тами.

Во втором случае базовая станция выделяет пару рабочих частот для

рабочего ансамбля станций, на которых осуществляется радиосвязь вызы-

вающего абонента с группой вызываемых абонентов. При этом частота

передачи может заниматься

каждой мобильной станцией

попеременно. После передачи

информации передатчик вызы-

вающей станции должен вы-

ключаться. Подобный режим

работы характерен для органи-

зации радиосети. Расстояние

радиосвязи r между MS и BS в

процессе перемещения посто-

янно изменяется. Моменты ус-

тановления радиосвязи в груп-

пе при работе системы могут

считаться случайными и неза-

висимыми событиями.

В процессе работы на вхо-

дах радиоприемных устройств

MS присутствуют не только

полезные сигналы, но и сигна-

лы мешающих источников из-

лучения – помехи. Следовательно, радиосвязь между BS и любой MS в

случайный момент времени будет обеспечена в случае, если энергия по-

лезных сигналов в местах приема будет превышать энергию помех. Т. о.,

условие связности в ансамбле MS может быть записано в виде следующе-

го энергетического соотношения [8]:



















iRi

tPtP

пп

св

(2.48)

где P

– мощность полезного сигнала на входе приемника i-ой MS;

пi

– мощность помехи на входе приемника i-ой MS; t

св

– время ведения

радиосвязи; t

– время воздействия помехи; n – количество групп мешаю-

щих источников излучения; 

– коэффициент превышения энергии по-

лезного сигнала над суммарной энергией помех.

Поскольку время воздействия помех в канале учитывается только в

периоды установления и ведения связи t

св

= t

, то в условии (2.48) время

можно упустить, не нарушая строгости неравенства.

Рассмотрим каждую из частей неравенства (2.48).

Рис. 2.9. Обеспечение связности в группе

мобильных станций

Левая часть представляет мощность полезного сигнала в точке прие-

ма, образованную передатчиком мобильной системы, удаленным от i-го

приемника на расстояние r. Используя формулу (2.28), выражение мощно-

сти сигнала на входе i-го приемника P

может быть записано в следую-

щем виде:

jij

rπ

GGP

прдпр







(2.49)

где где P

Σj

– излучаемая мощность j-го передатчика; G

прi

, G

прдj

– коэффи-

циенты усиления i-го приемника и передающей антенны j-го передатчика;



– общий коэффициент потерь и замираний сигнала i-ой трассы радио-

связи; r

– расстояние между i-ой и j-ой радиостанциями.

Правая часть неравенства представляет суммарную мощность элек-

тромагнитных излучений, создаваемых различными группами источников

помех. Для мобильных систем радиосвязи характерны три группы ме-

шающих источников излучений.

Первую группу составляют источники излучения своего ансамбля ра-

диосредств, работающих на ограниченной площади. Несмотря на то, что

радиостанции работают на различных частотах передачи и приема, в ре-

зультате внеполосных излучений передатчиков, наличия побочных кана-

лов приема приемников и повторения рабочих частот, возникают мешаю-

щие уровни излучений, суммарная мощность которых воздействует на

приемники системы. Эта мощность классифицируется как мощность вза-

имных помех Р

ПВЗ





ikk

rπ

λGGP

прпрдΣ

ПВЗ

(2.50)

где P

Σk

– излучаемая мощность k-го передатчика; G

прi

, G

прдi

– коэффициен-

ты усиления i-го приемника и передающей антенны k-го передатчика;



– общий коэффициент потерь и замираний сигнала ik-ой трассы радио-

связи; r

– расстояние между i-ой и k-ой радиостанциями; L – количество

мешающих радиостанций.

Т. о., мощность Р

ПВЗ

является суммарной мощностью помех по ан-

самблю радиостанций своей системы, работающих на передачу.

Вторую группу помех составляют излучения источников других сис-

тем радиосвязи, а также не связных излучателей электромагнитного поля.

Эти помехи классифицируются как внешние помехи, мощность которых

ПВН

определяется выражением [8]:

вн

прЭФ

ПВН

900







EGF

(2.51)

где E

вн

–

квадрат напряженности электромагнитного поля, создаваемого

воздействием внешних помех; F

эф

– эффективная полоса частот сигнала

помех;  – коэффициент несовпадения полосы частот тракта приема мо-

бильной станции с полосой частот помехи; G

пр

– коэффициент усиления

приемной антенны.

Третью группу помех определяют внутриканальные помехи, основу

которых составляют внутренние шумы трактов приема и антенны. Любой

радиоприемный тракт может быть представлено последовательностью

пассивных и активных четырехполюсников, каждый из которых имеет

собственные шумы. Общие шумовые свойства приемного тракта, характе-

ризующие его чувствительность, определяются коэффициентом шума N

и коэффициентом передачи по мощности К

. Мощность шума, действую-

щая на входе приемного тракта, определяется также внешними и внутрен-

ними шумами антенны. Внешние шумы антенны обусловлены шумами

космоса, атмосферы и земли. Величина внешних шумов определяется от-

носительной шумовой температурой антенны:

0атмкосм

T)D()TT(D

прпр





 ,

(2.52)

где D

пр

– коэффициент направленности антенны приемника; Т

= 290К –

абсолютная шумовая температура антенны; T

косм

и T

атм

– соответственно

температуры излучения антенны в космосе и в атмосфере.

Внутренне шумы антенны определяются ее шумовыми свойствами:

эф0ш

ВН

FkTP





(2.53)

где k = 1,3810

– постоянная Больцмана; F

эф

– эффективная шумовая

полоса тракта приема.

Таким образом, мощность шума на входе приемного тракта с учетом

шумов антенны и собственных шумов тракта приема, приведенных к его

входу, определяется как





)N(KtFkTP

шАэф0ш









(2.54)

Выражение (2.54) показывает, что мощность Р

зависит от вида мо-

дулирующего сигнала. Наибольшая мощность шумов характерна для при-

емных трактов с широкой полосой частот F

эф

, например, для трактов с

угловой модуляцией. С учетом изложенного, условие связности (2.48) ме-

жду станциями в мобильной системе связи может быть записано в сле-

дующем виде:



































ЭФ0

вн

прЭФ

9001616

FnkT

EGF

ikk

iji

(2.55)

где  = G

пр

G

прд

; n = t

+ К

– 1);  – коэффициент несовпадения по-

лос частот помехи и тракта приема; L – количество мешающих станций

системы.

Выражение (2.55) является развернутым уравнением ij-ой радиолинии

мобильной системы радиосвязи. Составляющие уравнения представляют

значения мощностей сигналов и помех в полосе частот тракта приема (пе-

редачи) мобильной системы. Левая часть уравнения представляет полез-

ный потенциал радиолинии (мощность, приходящаяся на 1 Гц полосы

частот), правая часть – потенциал мешающих источников излучений (по-

мех) в месте приема [8].

Присутствие в левой и правой частях уравнения коэффициентов ,

определяющих колебания энергетических потенциалов, показывает, что

условие связности мобильных станций может быть выполнено, если ко-

эффициент



не будет снижаться меньше определенного порогового зна-

чения 

пор

. Таким образом, коэффициент 

может трактоваться как энер-

гетический параметр, определяющий связность радиолинии, т. е. как па-

раметр связности. Параметр связности 

позволяет оценивать надеж-

ность радиосвязи как вероятность связи с требуемым качеством в течение

заданного времени работы радиолинии (сеанса связи):

нс

пор

)(P  ;

(2.56)







отснсР

ttТ ,

(2.57)

где t

нс

– время текущего сеанса связи; T

– общее время работы системы

связи; Σt

нс

, Σt

отс

– отрезки времени наличия и отсутствия связи.

При снижении параметра 

ниже порогового уровня в процессе веде-

ния связи в мобильной системе предусматривается автоматический пере-

ход на другой канал, в котором выполняется условие 

 

пор

. Это обу-

славливает необходимость использования группы нескольких свободно-

доступных каналов (рабочих частот). Автоматический переход радиостан-

ций мобильной системы на свободные частоты при увеличении уровней

помех для сохранения заданного качества радиосвязи называется частот-

ной адаптацией или, иначе, СКИП-коммутацией.

2.5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОТЕРЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ

СИГНАЛА

Модель распространения радиоволн в мобильных системах радиосвя-

зи, способ отображения реальных условий распространения в выбранной

модели, предположения о структуре радиополя являются основными фак-

торами, определяющими выбор типа модуляции, мощности передатчика,

структуры приемника, расчета качества радиопокрытия.

Как уже отмечалось выше, условия распространения радиоволн в мо-

бильной радиосвязи могут варьироваться от простейшей ситуации однолуче-

вого распространения радиоволн между приемником и передатчиком в усло-

виях прямой видимости до многолучевого распространения при многократ-

ных отражениях от искусственных сооружений и складок местности в усло-

виях доплеровского изменения частоты при движении объекта или препятст-

вий. В отличие от проводных линий связи радиоканал является стати-

стической системой, свойства которой определяются только с некоторой ве-

роятностью. Результаты расчета параметров радиоканала в значительной

степени зависят от выбранной модели канала. Модели, основанные на одних

и тех же принципах, различаются способом отображения реальной ситуации.

Не существует единой общепринятой модели расчета радиополя в городских

условиях. Рекомендации различных национальных и международных орга-

низаций в значительной степени отличаются друг от друга. Сложность выбо-

ра адекватной модели распространения радиоволн и структуры поля усугуб-

ляется трудностями практического определения параметров модели и срав-

нения качества работы систем связи, основанных на различных моделях ра-

диополя. Измерение параметров модели может быть только вероятностным и

требует проведения огромного числа испытаний в самых различных услови-

ях (время года и суток, крупный город или небольшой населенный пункт,

вид подстилающей поверхности, складки местности и т. д.). При сравнении

различных моделей структуры электромагнитного поля по критерию качест-

ва работы радиосетей следует учитывать, что радиоаппаратура, построенная

исходя из выбранной модели, может существенно различаться как функцио-

нально, так и по реализованным параметрам. Поэтому результаты лучшей

или худшей работы мобильной системы связи всегда могут быть отнесены

как к выбранной модели радиоканала, так и к реализованной аппаратуре.

Отдельной проблемой, возникшей в последнее время в связи с развити-

ем персональной сотовой связи, является распространение радиоволн в зда-

ниях. До сих пор не разработан даже в принципе подход к расчету распро-

странения радиоволн в здании. Все известные формулы и рекомендации но-

сят исключительно эмпирический характер и являются прямым обобщением

экспериментальных данных. Экспериментаторы, проводившие измерения

напряженности поля в здании, утверждают, что результат измерения затуха-

ния поля при распространении между этажами зависит просто от количества

открытых дверей на этаже.

Целью анализа распространения радиоволн является расчет дальности

радиосвязи и определение реальных характеристик принимаемого сигнала.

Классический подход к расчету распределения электромагнитного поля в

присутствии отражающих и поглощающих объектов заключается в расчете

напряженности поля в однородном изотропном пространстве на основе зако-

нов отражения, дифракции и рассеяния. Однако специфические условия го-

рода исключают возможность непосредственного применения такой методи-

ки. Непостоянство расположения приемников и передатчиков в мобильной

сети радиосвязи, перемещение приемников, передатчиков и препятствий, ог-

ромное количество фиксированных препятствий сложной формы делают не-

возможным точный расчет распределения радиополя. Возникающие при та-

ких расчетах трудности описания реального расположения и передвижения

препятствий, требуемый объем вычислений далеко превосходят все суще-

ствующие технические возможности. Поэтому точный расчет распределения

поля используется только в исключительных, простейших случаях, например

при расчете теневой зоны за очень большим зданием при точно известном

расположении передатчика базовой станции. Реальный расчет распределения

электромагнитного поля осуществляется на основе двух моделей [1]:

 «большого расстояния» (large scale model);

 «малого расстояния» (little scale model).

В модели «большого расстояния» рассматривается влияние на электро-

магнитное поле макроэффектов, обусловленных препятствиями большого

размера (по сравнению с длиной волны). Согласно этой модели электромаг-

нитное поле в городских условиях описывается теми же самыми уравнения-

ми, что и для свободного пространства, но с иными параметрами распро-

странения, а также некоторой вероятностью отклонения реальных значений

распределения радиополя от расчетных. Предполагается, что наличие пре-

пятствий “в среднем” не влияет на структуру электромагнитного поля, кото-

рое остается таким же, как и в свободном пространстве, а именно ста-

ционарным, монотонным и гладким. Стационарность означает неизмен-

ность структуры поля во времени, монотонность – непрерывное убывание

величины поля с увеличением расстояния от приемника до передатчика,

гладкость – соответствие малых изменений расстояния малым изменениям

напряженности поля.

Вместе с тем совершенно очевидно, что параметры распространения ра-

диоволн в городе отличаются от параметров распространения в свободном

пространстве. Напряженность электромагнитного поля в городских условиях

уменьшается с расстоянием значительно быстрее, чем вторая степень рас-

стояния, из-за рассеяния электромагнитных волн на многочисленных препят-

ствиях. В результате взаимодействия с препятствиями только некоторая

часть мощности передатчика дойдет до приемника, остальная часть либо бу-

дет поглощена препятствием, либо отразится под произвольным углом и

пройдет мимо приемника. Кроме того, уменьшающаяся «в среднем» напря-

женность поля реально испытывает флуктуации, вызванные экранирующим

действием отдельных зданий, сооружений и складок местности. Распределе-

ние теневых и освещенных областей в сложной, нерегулярной городской за-

стройке и пересеченной местности с большой долей достоверности можно

считать случайным. В результате напряженность поля в каждой точке про-

странства лишь с некоторой вероятностью равна средней, реально испыты-

вая случайные флуктуации около среднего значения, монотонно уменьшаю-

щегося по мере удаления от передатчика. Принято говорить, что флуктуации

напряженности поля вызывают медленные замирания сигнала на антенне

приемника. Практически глубина медленных замираний, зависящая от вели-

чины дисперсии случайного распределения напряженности поля, определяет

процент территории, на которой гарантируется величина сигнала, обеспечи-

вающая нормальную работу радиостанции.

Модель «большого расстояния» лежит в основе всех методик расчета

дальности радиосвязи, отличающихся друг от друга только способом введе-

ния коэффициентов коррекции, отражающих реальные условия распростра-

нения, в формулы распространения поля в свободном пространстве. Сколь-

ко-нибудь серьезного теоретического обоснования того или иного способа

введения дополнительных коэффициентов не существует. Все варианты оп-

ределения поправочных коэффициентов к скорости уменьшения поля с рас-

стоянием, а также дисперсии случайного отклонения напряженности поля от

среднего значения опираются на экспериментальные данные, полученные в

различных городах, на разных частотах, в различных географических усло-

виях, в разное время суток и т. д. Результатом расчета по модели «большого

расстояния» является вероятное значение напряженности поля на некотором

расстоянии от излучателя. Расчет усредненного поля в приближении «боль-

шого расстояния» применяется при проектировании сетей связи, для оптими-

зации расположения и величины мощности базовых передатчиков путем оп-

ределения размеров зоны уверенного приема, зон взаимного перекрытия пе-

редатчиков, теневых и освещенных зон и т. д.

Модель «малого расстояния» отражает интерференционную структуру

электромагнитного поля, возникающую вследствие взаимодействия коге-

рентных волн, излученных передатчиком. Суммарная величина электромаг-

нитного поля в каждой точке пространства определяется амплитудами и фа-

зами нескольких когерентных волн, которые за счет многократных отраже-

ний прошли путь различной длины от передатчика до данной точки приема.

Очевидно, что на значительном расстоянии от передатчика амплитуды и фа-

зы волн статистически независимы и в результате получается интерференци-

онная картина поля в виде случайного чередования максимумов (сложение в

фазе) и минимумов (сложение в противофазе) поля. Поскольку расстояние

между минимумами и максимумами в интерференционной картине поля

равно четверти длины волны, то и существенные изменения величины на-

пряженности поля также происходят на очень малых расстояниях, порядка

нескольких сантиметров в диапазоне УКВ.

Очевидно, что структура поля на малых расстояниях является не глад-

кой, не монотонной и не стационарной. Увеличение или уменьшение напря-

женности поля не связано с расстоянием до передатчика, так как определяет-

ся случайным состоянием радиоканала (взаимным расположением и пере-

движением приемника, передатчика и препятствий) в текущий момент вре-

мени. В результате возможны очень сильные изменения величины электро-

магнитного поля на небольших расстояниях и в короткие промежутки вре-

мени. С точки зрения теории сигналов нестационарная интерференционная

структура поля соответствует приему нескольких копий одного и того же

сигнала. Идеальный сигнал передатчика достигает приемника несколькими

путями различной длины, что и приводит к появлению в приемнике не-

скольких копий сигнала, каждая из которых имеет собственное время рас-

пространения. Накладывающиеся друг на друга копии сигнала вызывают ис-

кажение формы принимаемого сигнала, которые характеризуются как быст-

рые замирания величины принимаемого сигнала на антенне приемника. Ве-

личина быстрых замираний принимаемого сигнала определяется мгновен-

ным состоянием многолучевого канала распространения, т. е. перемещением

передатчика, приемника и препятствий между ними, а также скоростью этих

перемещений. Практически величина поправки на быстрые замирания опре-

деляет процент времени, в течение которого величина напряженности поля

превышает заданную величину.

Расчеты по модели «малого расстояния» позволяют определить реаль-

ную структуру и статистические характеристики сигнала в локальной облас-

ти пространства (точке приема), который отличается от идеального сигнала

на выходе передатчика вследствие многолучевого распространения радио-

волн и перемещения приемника, передатчика и препятствий между ними.

Основой расчета дальности радиосвязи по модели «большого расстоя-

ния» является формула для распространения радиоволн в свободном про-

странстве с соответствующими поправочными коэффициентами [1].

В соответствии с ней мощность сигнала в точке приема на заданном рас-

стоянии от передатчика в логарифмическом виде равна

















lg10

LP)d(P ,

(2.58)

где P(d) – мощность сигнала на расстоянии d от передатчика, дБм; P



– мощ-

ность передатчика, дБм; L

– коэффициент потери мощности от выхода

передатчика до точки в эфире, находящейся в непосредственной близости d

от антенны передатчика, дБ;  – коэффициент затухания радиоволн при рас-

пространении в городской среде.

Коэффициент потери мощности L

устанавливает соотношение между

активной мощностью передатчика, измеренной на эквиваленте нагрузки, и

мощностью излученного сигнала в непосредственный близости от антенны

передатчика. Этот коэффициент включает все параметры антенно-фидерного

тракта передатчика и параметры антенны, а именно: коэффициент передачи

высокочастотного фидера, коэффициенты передачи устройств согласования

и защиты, кпд и коэффициент направленного действия антенны. Коэффици-

ент затухания радиоволн  = (2…5) определяет величину потерь при распро-

странении радиоволн в городских условиях. Превышение величины этого

коэффициента над теоретическим значением  = 2 для свободного простран-

ства отражает величину дополнительных потерь вследствие поглощения и

отражения радиоволн естественными и искусственными препятствиями. На

величину  влияют плотность городской застройки, преобладающий тип зда-