CC BY
307
УДК 621. 326
АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ
РАДИОВОЛН В МИНИСОТОВЫХ СЕТЯХ
Медведев Павел Александрович, соискатель, pmedvedev@list.ru,
ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», г. Москва
Features of distribution of radio-waves in minicellular networks at placing of base stations (БС) inside out of a building are considered.
Рассмотрены особенности распространения радиоволн в минисотовых сетях при размещении базовых станций (БС) внутри вне здания.
Keywords: distribution of radio-waves, multipath, minicellular networks
Ключевые слова: распространение радиоволн, многолучевость, минисотовые сети
Используемые в радиосвязи дециметровые радиоволны слабо огибают препятствия, т.е. распространяются в основном по прямой, но испытывают многочисленные отражения от окружающих объектов и подстилающей поверхности [1-3]. Одним из следствий такого многолучевого распространения является более быстрое, чем в свободном пространстве, убывание интенсивности принимаемого сигнала с расстоянием. Другое следствие - замирания и искажения результирующего сигнала.
Область существенных отражений ограничивается обычно сравнительно небольшим участком в окрестности подвижной станции - порядка нескольких сотен длин волн, т.е. порядка нескольких десятков или сотен метров. При движении подвижной станции эта область перемещается вместе с ней таким образом, что подвижная станция все время остается вблизи центра области.
Трасса распространения изменяется как при перемещениях подвижной станции, так и при движении окружающих предметов или окружающей среды. Даже малейшее, самое медленное перемещение приводит к изменению во времени условий многолучевого распространения и, как следствие, к изменению параметров принимаемого сигнала.
Распространение радиоволн в подобных условиях характеризуется тремя, частично самостоятельными эффектами: замирания из-за многолучевости распространения, затенение (или экранирование) и потери при распространении. Замирания из-за многолучевости описываются через замирания огибающей (независящие от частоты изменения амплитуды), доплеровское рассеяние (селективный во времени, случайный
фазовый шум) и временное рассеяние (изменяющиеся во времени длины трасс распространения отраженных сигналов вызывают изменения самих сигналов).
При сложении двух сигналов, прошедших по разным путям и имеющих в точке приема в общем случае различные фазы, результирующий сигнал может быть как несколько выше среднего уровня, так и заметно ниже [4]. При этом провалы или замирания сигнала, образующиеся при взаимной компенсации сигналов вследствие неблагоприятного сочетания их фаз и амплитуд, могут быть достаточно глубокими. Искажения результирующего сигнала имеет место в том случае, когда более или менее синфазные составляющие сигналы с соизмеримыми амплитудами настолько отличаются по разности хода, что символы одного сигнала «налезают» на соседние символы другого.
Типовая модель сухопутной системы подвижной радиосвязи или линии передачи сотовой системы, включают в себя высокоподнятую антенну (или несколько антенн) базовой станции и относительно короткий участок распространения по линии прямой видимости (LOS). Присутствуют также множество трасс с переотражением (т.е. непрямой видимости - NLOS) и одна или несколько подвижных антенн, установленных в приемопередатчике подвижной или носимой радиостанции. В большинстве случаев имеет место неполный участок распространения радиоволн в пределах прямой видимости между антенной базовой станции, или точкой доступа, и антеннами подвижных радиостанций из-за естественных и искусственных препятствий. При таких условиях трасса радиопередачи, или радиолиния, может моделироваться как случайным образом изменяющаяся трасса распространения. Во многих случаях может существовать более одного пути распространения радиоволн, и эта ситуация называется многолучевым распространением. Трасса распространения изменяется при перемещениях подвижного объекта, базового оборудования или движения окружающих предметов и среды [5, 6].
Даже малейшее, самое медленное перемещение приводит к изменению во времени условий многолучевого распространения и, как следствие, к изменению параметров принимаемого сигнала. Предположим, например, что абонент находится на стоянке вблизи оживленной скоростной автострады. Хотя абонент относительно неподвижен, часть окружающей среды движется со скоростью 30-100 км/час. Автомобили на автостраде становятся «отражателями» радиосигналов.
Если во время передачи или приема этот абонент также движется (например, со скоростью 30 км/час), то параметры случайным образом отраженных сигналов изменяются с большей скоростью. Скорость изменения уровня сигнала часто описывается доплеровским рассеянием.
Распространение радиоволн в подобных условиях характеризуется тремя, частично самостоятельными эффектами, известными как замирания из-за многолучевости распространения, затенение (или экранирование) и потери при распространении. Замирания из-за многолучевости описываются через замирания огибающей (независящие от частоты изменения амплитуды), доплеровское рассеяние (селективный во времени, случайный фазовый шум) и временное рассеяние (изменяющиеся во времени длины трасс распространения отраженных сигналов вызывают временные изменения самих сигналов). Временное рассеяние приводит к появлению частотно-селективных замираний.
В диапазоне 1880-1900 МГц высоко поднятая антенна на передачу и прием обычно больше длины волны X, поэтому весь путь распространения земной волны делят на три зоны: освещенную, полутени и тени.
В освещенной зоне поле имеет интерференционную структуру за счет сложения прямой и отраженной от земли волн. Для практических расчетов необходимо учесть электрическую неоднородность тропосферы. Электрическая неоднородность тропосферы, проявляющаяся в рефракции радиоволн, влияет на все параметры, от которых зависит поле в освещенной зоне.
В пределах существенной области для отражения поверхность земли достаточно ровная и плоская, модуль коэффициента отражения «1 и коэффициент расходимости «1. Если рассматривать большие расстояния интерференционная структура поля перестает существовать и величина поля уменьшается пропорционально квадрату расстояния. Заметим, что чем больше расстояние, тем полнее взаимная компенсация прямой и отраженной волны в точке приема, что и вызывает сравнительно быстрое убывание поля.
Поверхность земли никогда не бывает идеально гладкой, даже равнинная местность покрыта большим числом хаотически расположенных неровностей. В зависимости от их размеров, электрических свойств, количества, а также от длины распространяющейся волны, элементы рельефа оказывают различное влияние на поле в точке приема. Рассмотрим сначала влияние мелких неровностей, которые придают земной поверхности свойство так называемых шероховатой поверхности. Поверхность считается шероховатой, если выполняется известный из курса физики критерий Рэлея дh > Х(8БтД), где дh - средняя высота неровностей в пределах существенной области для отражения; Д -угол возвышения траектории отраженной волны.
Крупные элементы рельефа местности в виде, например, гор или долин, холмов и оврагов, строений разнообразных по размерам, форме и местоположению на трассе,
неровности земной поверхности, существенно влияют на условия распространения земной волны. Чем меньше длина волны, тем это влияние выражается более резко.
Рассмотрим случай, когда на пути распространения земной волны, имеется одиночное препятствие, даже при небольшом расстоянии между пунктом передачи и приема. Препятствие закрывает прямую видимость, и точка приема оказывается в зоне тени. Затенение точки приема препятствием приводит, как правило, к значительному ослаблению сигнала. Однако, в некоторых случаях, как показывают эксперименты, напряженность в точке приема может в несколько раз превышать значения напряженности поля в отсутствие препятствия. Этот эффект называют эффектом усиления за счет препятствия. При удачном стечении обстоятельств, напряженность поля за препятствием может превышать значения поля в свободном пространстве. Если учесть, что в реальности напряженность поля в точке приема обычно меньше напряженности поля в свободном пространстве, то выигрыш в усилении за счет препятствия по сравнению с полем в его отсутствие получается еще больше и может достигать десятки дБ.
Условия приема сигналов в диапазоне 1880-1900 МГц существенно зависит от расположения приемной антенны относительно окружающих ее предметов. В городских условиях такими предметами являются здания, деревья, заводские трубы и т.п. Близко расположенные здания могут, в зависимости от их расположения, оказаться затеняющими препятствиями или источниками местных отраженных волн.
Затеняющее действие отдельного препятствия приводит к тому, что поле за препятствием появляется в результате двух процессов: дифракции и проникновения через препятствия (дифракция в рассматриваемом диапазоне волн протекает с очень большими потерями). Проникновение через препятствие типа стен зданий также сопровождается большими потерями за счет поглощения. Измерения показывают, что напряженность поля за отдельно стоящим кирпичным зданием на 20-30 дБ ниже, чем перед ним, а за железобетонным строением уровень сигнала падает на 30-40 дБ. В целом внутри городской застройки имеются многочисленные теневые зоны, где сигнал значительно ослаблен.
На поле в точке приема влияют не только рассмотренные факторы, но и многие другие. В частности, установлено, что уровень сигнала существенно зависит от расположения улиц в городе, который оказывает канализирующее действие на распространяющиеся волны. Вдоль радиально расположенных улиц относительно
базовой станции, уровень сигнала на 10-20 дБ выше, чем в перпендикулярных направлениях.
Некоторое влияние оказывают также сопровождающие распространение радиоволн таких частот, такие как затухание в атмосферных газах и осадках, изменение поляризации волн за счет эффекта Фарадея и осадков случайной флуктуации амплитуды и фазы принимаемого поля, вариациям углов прихода, ограничению полосы частот, передаваемой без искажений.
При распространении радиоволн в земной атмосфере, происходят дополнительно к потерям в свободном пространстве, ослабление поля за счет поляризации в газах. Различают резонансное и нерезонансное поглощения. Нерезонансное поглощение вызывается затратой энергии воздействующего поля на преодоление сил трения между молекулами, возникающими при вынужденном колебательном движении молекул под действием поля. Резонансное поглощение связано с тем, что по законам квантовой механики каждая молекула того или иного вещества может поглощаться (или излучать) только свои собственные наборы квантов энергии или соответствующие им наборы (спектры) частот. В диапазоне 1880-1900 МГц поглощение невелико, и составляет примерно 0,1 дБ/км.
Различные атмосферные образования в виде конденсированных водяных паров -дождя, тумана, облаков, града, снега, который состоит из отдельных частиц - капель, льдинок являются причиной ослабления напряженности поля радиоволн. Ослабление вызывается, во-первых, нерезонансным поглощением в частицах, во-вторых, рассеяние энергии на частицах.
Ослабление может также происходить за счет отражения от резко очерченной полосы осадков. Тепловые потери в ионосфере обусловлены ее конечной проводимостью. Из этого следует, что удельная проводимость ионосферы в первом приближении обратно пропорциональна квадрату частоты и существенна на частотах f < 100 МГц.
Для минисотовой системы связи необходимо различать две модели распространения. Первая модель - это модель распространения при размещении БС внутри здания. Вторая модель - модель распространения при размещении БС вне здания. При размещении БС внутри здания (рис. 1) типовая модель распространения
включает в себя относительно короткий участок прямой видимости, наличие множества близко расположенных препятствий.
Рис. 1. Модель распространения радиоволн при размещении БС внутри здания
Множество препятствий обуславливает и наличие множества путей распространения радиоволн. Абонент при этом может находиться как внутри здания, так и за его пределами. При работе с БС, находящейся внутри здания, абонентские радиоблоки (АРБ) вне здания принимает существенно ослабленные радиоволны, за счет стен здания. Напряженность волн зависит от числа стен, которые проходит волна при распространении. На АРБ могут приходить отраженные волны, прошедшие через стены.
При размещении БС вне здания на крыше или стене другого здания типовая модель распространения (рис. 2) включает в себя высокоподнятую антенну БС и относительно длинный участок прямой видимости.
Имеют место также трассы непрямой видимости за счет переотражения радиоволн от препятствий. Количество отраженных лучей меньше, чем при нахождении абонента в здании. Абонент может находиться вне здания или внутри другого здания. Волна, проникая внутрь здания, испытывает существенные потери.
Рис. 2. Модель распространения радиоволн при размещении БС на здании
Волна, прошедшая внутрь другого здания, как правило, это основная волна, распространяющаяся на довольно длинном участке с прямой видимостью. Отраженные волны значительно ослаблены. Имеют место волны, прошедшие через препятствие (обычно это другое здание), и волны, отраженные от препятствия.
Считается, что абонент минисотовых систем связи мало подвижен и условия распространения в процессе разговора изменяются незначительно. При этом изменение частоты за счет доплеровского эффекта также мало и его можно не учитывать.
Известно, что когда число падающих плоских волн со случайным направлением прихода достаточно велико и при этом среди них отсутствует доминирующая составляющая трассы прямой видимости, огибающая принятого флуктуирующего сигнала имеет релеевское распределение.
При распространении волн внутри здания на АРБ приходят множество волн с примерно одинаковой мощностью и с незначительной разницей во времени задержки. При этом может появиться эффект временного рассеяния, проявляющийся в наличии частотно селективных замираний [7-9].
Для модели вне здания, часто справедливо то, что существует прямая волна доминирующая по мощности по сравнению с отраженными волнами.
В результате наличия множество препятствий на пути распространения, границы ячеек систем сотовой связи имеют вид неправильных кривых, зависящих от условий распространения и затухания радиоволн, т.е. от рельефа местности, характера и плотности растительности и застройки и тому подобных факторов [10].
Более того, границы ячеек вообще не являются четко определенными, т.к. рубеж передачи обслуживания подвижной станции из одной ячейки в соседнюю может в некоторых пределах смещаться с изменением условий распространения радиоволн и в зависимости от направления движения подвижной станции. Точно так же и положение базовой станции лишь приближенно совпадает с центром ячейки, который к тому же не так просто определить однозначно, если ячейка имеет неправильную форму.
Таким образом, прогнозирование зон покрытия внутри и вне зданий как основной элемент территориального планирования радиосетей минисотовой структуры является одной из важнейших проблем для операторов сетей беспроводного доступа. Г лавная причина этого заключается в неравномерном затухании сигнала при проникновении в здания и многочисленных рассеивающих препятствиях внутри него, что обусловлено сильной пространственной неоднородностью среды распространения радиоволн.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кук К.И. Антенны в DECT - системах // Электросвязь. 1999. № 4. С. 65-69.
2. Рыбаченков В.В. Выбор площадок под строительство базовых станций сотовых сетей радиосвязей // Мобильные системы. 2000. С. 23-26.
3. Маковеева М.М. Сигналы и помехи в системах подвижной радиосвязи: Учебное пособие / МТУСИ. М., 1999. 35 с.
4. Пестряков В. Б., Белоцкий А. К., Сердюков П. Н., Журавлев. В. И. Дискретные сигналы с непрерывной фазой: теория и практика // Зарубежная радиоэлектроника. 1998. № 4.
5. Овчинников А.М. Открытые стандарты цифровой транкинговой радиосвязи. М., 2000. 221 с.
6. Баутин О.О. Диалоговая система для проектирования телеком-муникационных сетей. М.: ВЦ РАН, 1997. 64 с.
7. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. М.: Радио и связь,
1989. 656 с.
8. Тихонов В.И., Харисов В.Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем. М.: Радио и связь, 1991. 608 с.
9. Фенберг Е.Л. Распространение радиоволн вдоль земной поверхности. М., 1999. 76 с.
10. Ерохин Г. А. Антенно-фидерные устройства. М.: Радио и связь, 1996. 213 с.
