CC BY
29А.М. Пинигин, М.Г. Кокорич
ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН В СЕТЯХ РАДИОСВЯЗИ СВЧ - ДИАПАЗОНА
В статье рассматриваются тенденции развития сетей подвижной радиосвязи и радиодоступа, модели распространения радиоволн УВЧ и СВЧ диапазонов. Предложено программное обеспечение для расчета моделей сетей радиосвязи, разработанное автором для обеспечения учебного процесса в технических вузах, в частности на кафедре ЦТРВ и СРС СибГУТИ.
Ключевые слова: Радиосвязь, радиоволны, распространение радиоволн, модели распространения, СВЧ - диапазон, программное обеспечение, бюджет радиолинии.
Тенденции развития сетей подвижной радиосвязи и радиодоступа в наши дни заключаются в расширении перечня предоставляемых услуг, возрастающего количества интернет-сервисов и ресурсов, что возможно только за счёт повышения скорости передачи в радиоканале.
Это достигается как при помощи применения спектрально эффективных методов передачи, так и путём перехода в более высокие области частотного диапазона, где есть свободный частотный ресурс и возможна реализация широкополосного доступа в интернет по радиоканалу. Данную тенденцию можно проследить на основе стандарта IEEE 802.11, который от изначальных частот в области 2,4 ГГц перешёл в область 5 ГГц, увеличив число доступных радиоканалов и их ширину.
Аналогичным образом, с введением новых стандартов и технологий, для сотовой связи пятого поколения (5G) распределён частотный ресурс в области СВЧ, в отличие от предыдущих сетей 3G и 4G. Основной частотный диапазон для пятого поколения во всем мире - это диапазон 3,4 - 3,8 ГГц, но в России в этом диапазоне частот организована связь Министерства обороны и «Роскосмос», по этой причине гражданская связь пятого поколения будет развернута в диапазоне 4,4 - 4,8 ГГц.
В СВЧ-диапазоне на распространение радиоволн влияет множество факторов, следовательно, в моделях расчета сетей радиосвязи, предназначенных для расчетов сетей в СВЧ-диапазоне, должны учитываться все параметры, влияющие на характеристику радиоволн.
Внедрение сетей связи второго, третьего, четвертого поколений показало, что существует множество моделей для расчета сетей радиосвязи, которые позволяют оценить распространение радиоволн.
Первой моделью распространения радиоволн принято считать модель Ёсихисы Окамуры, разработанную в 1960 году. Его модель основана на результатах экспериментальных исследований, что позволяет предсказывать среднее значение затухания радиосигнала на относительно большом расстоянии между передающей и приемной антеннами (более 1 км). Согласно модели Окамуры среднее затухание в дБ определяется как: [1]
L = LPS+A(f,d)-H(ht)-H(hr)-C (1)
где Lfs - затухание в свободном пространстве;
A(f,d) - затухание в городе относительно затухания в свободном пространстве при высоте антенны передатчика H(ht) = 200 м и высоте приемной антенны H(hr) = 3 м;
C - фактор затухания для различных типов местности.
© А.М. Пинигин, М.Г. Кокорич, 2022.
ю_Е——-^Тт-Н-
юв 2(ю ш яю шш тот
Частота {, МГц
Рис. 1. Зависимость затухания в городе относительно затухания в свободном пространстве от частоты сигнала и расстояния при ^ = 200 м, Кг = 3 м
20'_I-L-I
ш ш ж т
Частота, МГц
Рис. 2. Зависимость фактора затухания С от частоты сигнала и типа местности
Модель Ёсихисы Окамуры основана на графическом представлении экспериментальных данных, полученных при измерениях уровней радиосигнала в г. Токио. Очевидно, что такая модель неудобна для вычислений с помощью ЭВМ. Для удобства ее реализации Хата предложил эмпирическую модель описания графической информации, представленной Окамурой. [1]
Модель Хаты описывает среднее затухание радиосигнала в городских условиях как: [3]
ТТ = 69,55 + 26,161д[ - 13,821дкь - Акг + (44,9 - 6,551дкь)1дй (2)
где f = 150 - 1500 МГц - частота радиосигнала; ^ = 30 - 200 м - высота передающей антенны; Кг =1 - 10 м - высота приемной антенны; d = 1 - 20 км - расстояние между антеннами;
Акг - поправочный коэффициент для высоты антенны подвижного объекта, зависящий от типа местности. [3]
Модель Хаты применима только до частоты 1500 МГц, из-за необходимости расширения частотного диапазона появилась модель С08Т231- Хата, основанная на модели Хаты. Эта модель применима для
диапазона частот 1500 - 2000 МГц. Модель COST231-Xara не подходит для оценки затухания сигнала при расстояниях между подвижной и базовой станциями менее 1 км. [4]
Все приведенные выше модели предназначены для расчета сетей радиосвязи в ВЧ - диапазоне, для расчета параметров сетей радиосвязи в СВЧ - диапазоне существует модель Эрцега - Гринштейна, применяемая рабочей группой IEEE 802.16. Помимо работы с радиосигналами в СВЧ - диапазоне, модель Эрцега - Гринштейна позволяет учесть большое количество факторов, влияющих на распространение радиосигнала. С учетом некоторого минимального расстояния do уровень потерь рассчитывается по формуле [2]:
L = 20log10(4nd0X) + 10Ylog10 Q + s + ALf + Mh (3)
где d - расстояние от БС до АС ( d > d0 , d0 = 100 м);
X - длина волны, м;
s - уровень затенения сигнала, дБ;
ALf - поправочный коэффициент для частоты, дБ;
ALh - поправочный коэффициент для высоты антенны АС, зависящий от типа местности, дБ;
у = а — bhb + c/hb, где hb - высота антенны БС.
Постоянные a, b, c и уровень затенения сигнала S зависят от ландшафта местности (таблица 1).
Таблица 1
Параметры, зависящие от типа местности_
Параметр А В С
a 4,6 4,0 3,6
b 0,0075 0,0065 0,0050
c 12,6 17,1 20,0
S, дБ 10,6 9,6 8,2
Использование формул и таблиц для инженерных расчётов требует времени и обращения к справочникам, поэтому повсеместно используется специализированное программное обеспечение, позволяющие ускорить получение результатов расчёта с использованием моделей распространения радиоволн.
Авторами было разработано программное обеспечение для ведения учебного процесса в технических вузах, в частности на кафедре цифрового телевидения, радиовещания и систем радиосвязи СибГУТИ.
Была применена модель Эрцега - Гринштейна, позволяющая охватить большой диапазон частот УВЧ и СВЧ диапазона, учесть множество факторов, влияющих на распространение радиосигнала. Так же разработанное программное обеспечение позволяет не только оценивать распространение радиоволн, но и решать различные инженерные и учебные задачи, такие как: расчет бюджета радиолинии и расчет запаса на замирания радиосигнала. Полученные данные могут применяться при выборе оборудования, знание необходимых параметров позволит точно подобрать оборудование, а не использовать оборудование с «запасом» по основным техническим характеристикам, что приводит к его удорожанию, следовательно, данные, которые можно получить с помощью нашего программного обеспечения, позволят снизить экономические затраты на приобретении оборудования при проектировании сетей радиосвязи.
Рабочее окно программного обеспечения «Расчет энергетических параметров сетей радиосвязи» разбито на три сегмента: бюджет радиолинии, запас на замирания, потери энергии сигнала при распространении. Рабочее окно состоит из полей для ввода требуемых параметров и полей для вывода результата расчетов.
Рис. 3. Рабочее окно ПО «Расчет энергетических параметров сетей радиосвязи»
Первый сегмент рабочего окна программного обеспечения «Расчет энергетических параметров сетей радиосвязи» - «Бюджет радиолинии». В данном сегменте рассчитывается бюджет радиолинии. Для этого предусмотрены следующие поля ввода параметров:
1.Уровень мощности передатчика, дБм;
2.Потери в фидере передатчика, дБ;
3.Коэффициент усиления передающей антенны, дБи;
4.Потери в фидере приемника, дБ;
5.Коэффициент усиления приемной антенны, дБи»; 6.Чувствительность приемника, дБм; 7.Поправочный коэффициент типа застройки:
• Сельская местность
• Пригород
• Городской район
• Плотная городская застройка
Второй сегмент рабочего окна программного обеспечения «Расчет энергетических параметров сетей радиосвязи» - «Запас на замирания». В данном сегменте рассчитывается запас на замирания. Для этого предусмотрены следующие поля ввода параметров:
1. Длина радиолинии, км;
2.Холмистость местности, м;
3.Требуемая надежность связи.
Третий сегмент рабочего окна программного обеспечения «Расчет энергетических параметров сетей радиосвязи» - «Потери энергии сигнала при распространении». В данном сегменте рассчитываются потери энергии сигнала при распространении. Для этого предусмотрены следующие поля ввода параметров:
1. Длина радиолинии, м; 2.Частота, МГц;
3.Высота подвеса антенны передатчика, м;
4.Высота подвеса антенны приемника, м;
5.Тип местности
• А - холмистая местность, умеренный лес
• В - равнина с редкими холмами
• С - равнина, редкий лес
Все расчеты производятся по формулам и по логике записанным в коде программного обеспечения, для работы с программным обеспечением не требуется особых навыков либо знания моделей расчета.
Работа выполнена в интересах Сибирского государственного университета телекоммуникаций и информатики (СибГУТИ) для использования на кафедре ЦТРВ и СРС в учебном процессе.
Библиографический список:
1А.В. Абилов. Распространение радиоволн в сетях подвижной связи: теоретический материал и задачи для практических занятий, 2001 - 24 с.
2.В. Н. Дмитриев, И. Г. Шалаев. Особенности расчета параметров сети Mobile WiMAX, Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер. управление, вычисл. техн. информ., 2010, №2.
3.В.И. Попов, В.А. Скундунов, А.С. Васильев. Mathematical models and algorithms of radio wave propagation in cellular mobile communication networks. Riga Technical University, Riga, Latvia, 2016.
4.http://www.techelements.ru/eletovs-885-l.htmlTech_Elements/Радиоэлектро-ника и телекоммуникации.
ПИНИГИН АЛЕКСЕЙ МАКСИМОВИЧ - магистрант, Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, Россия.
КОКОРИЧ МАРИНА ГЕННАДЬЕВНА - кандидат технических наук, доцент, Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, Россия.
