CC BY
54
Особенности оценки электромагнитной совместимости РЭС сетей иМТБ и РЭС со сканирующей диаграммой направленности антенн
В СТАТЬЕ ОПИСАН ПОДХОД К СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКЕ ЭМС БАЗОВЫХ СТАНЦИЙ СЕТИ UMTS И РЭС СО СКАНИРУЮЩИМИ ДИАГРАММАМИ НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕНН. В КАЧЕСТВЕ ТАКИХ РЭС РАССМАТРИВАЮТСЯ РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СТАНЦИИ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ. ОСОБЕННОСТЬ ДАННОГО ПОДХОДА СОСТОИТ В ТОМ, ЧТО НА ЭТАПЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОЦЕНКИ ЭМС ДЛЯ ПЛАНИРУЕМЫХ СЕТЕЙ UMTS ДОСТАТОЧНО ПРОИЗВЕСТИ СТАТИСТИЧЕСКУЮ ОЦЕНКУ УРОВНЯ СУММАРНОЙ ПОМЕХИ НА ВХОДЕ РЛС ОТ СОВОКУПНОСТИ БАЗОВЫХ СТАНЦИЙ СЕТИ UMTS, ПОПАДАЮЩИХ В ОБЛАСТЬ УЗКОЙ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ АНТЕННЫ РЛС. ПРЕДЛОЖЕННЫЙ ПОДХОД ПОЗВОЛЯЕТ СУЩЕСТВЕННО УПРОСТИТЬ РАСЧЕТЫ ПРИ ОЦЕНКЕ ЭМС. В СТАТЬЕ ПРИВЕДЕНЫ РЕЗУЛЬТАТЫ СТАТИСТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ, ДАНЫ НЕКОТОРЫЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРАКТИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ОПИСАННОГО ПОДХОДА
Скрынников В.Г.,
старший научный сотрудник,
ОАО "Мобильные ТелеСистемы", Руководитель Рабочей группы по ЭМС отделения
"Информационные и телекоммуникационные технологии" РАЕН
Введение
Одной из важных процедур при строительстве сотовых сетей связи является обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) РЭС этих сетей с другими радиоэлектронными средствами. В силу исторически сложившегося распределения радиочастотного спектра эта процедура в России постоянно является проблемной. Кроме того, по ряду причин значимость этой процедуры сильно возрастает при строительстве сетей 3G с кодовым разделением каналов. Во-первых, потенциальная помеха от таких сетей представляет собой суммарную мощность, излучаемую всеми РЭС сети на одной частоте. Во-вторых, в полосах радиочастот в диапазоне 2 ГГц, выделенных для сетей UMTS в России, работает значительное количество разнообразных радиоэлектронных средств различного назначения. Сложность электромагнитной обстановки сдерживает строительство коммерческих сетей UMTS на большей части территории страны. В этой ситуации возникает необходимость более детальной и быстрой оценки условий совместного использования РЭС, а также прогнозирования возможных изменений условий электромагнитной совместимости при расширении коммерческих сетей UMTS в дальнейшем.
В статье предложен подход к оценке усло-
вий электромагнитной совместимости базовых станций сети UMTS и РЭС со сканирующей диаграммой направленности антенн, которые составляют значительную долю потенциально несовместимых радиосредств, работающих в диапазоне радиочастот 2 ГГц. Именно этот вид РЭС выбран в силу своей специфики. Эта специфика в отличие от других РЭС состоит в том, что из-за сканирования узкой диаграммы направленности антенны обеспечивается четкое пространственное деление сети на отдельные фрагменты. Как следствие этого, потенциальная помеха от сети UMTS составляет некоторую долю от излучаемой всеми базовыми станциями суммарной мощности. Под РЭС со сканирующей диаграммой направленности антенн подразумеваются радиоэлектронные средства с адаптивными ФАР у которых сравнительно узкая диаграмма направленности сканирует в направлении подвижного источника полезного сигнала, и РЛС различного назначения. Далее в статье такие радиоэлектронные средства названы просто РЭС.
Суть подхода
При вращении антенны РЭС количество БС NA, попадающих в область S2 вращающейся диаграммы направленности (ДН), зависит от ширины этой ДН, удаления от РЭС, плотности
размещения БС в сети UMTS и подчиняется распределению Пуассона (рис.1)
Яд» P( Nд) =
(1)
Параметр X в выражении (1) представляет собой среднее число БС на площади $2 для плотно упакованной структуры сети и равен
_^2_ _ tg (ф/2)[ R 2max - R 2min] kr2 kr2
где k= 1,95 — коэффициент для расчета площади 3-секторной гексагональной соты, r — радиус соты [4].
В таблице приведены размеры площади S2, в область которой попадают базовые станции сети UMTS при вращении диаграммы направленности РЭС, в зависимости от удаления этого РЭС от границ сети.
Предположив, что сеть UMTS имеет плотно упакованную гексагональную структуру, следует ожидать, что по мере удаления от РЭС число БС в пределах площади S2 должно расти. Это обстоятельство необходимо учитывать при расчетах и моделировании, а именно, необходимо знать расстояние между РЭС и равноудаленными группами БС, а также количество БС в каждой из этих групп. Разобьем площадь S2 на
условные слои, как показано на рис. 2.
Если шаг слоя Д выбрать равномерным и равным диаметру соты, т.е. Д = 2 г, то количество базовых станций N&i в '-й группе (слое) и
их удаление R' будут определяться следующими выражениями
Nu_ 4tg(^/2)3^ + i + 1),
к Д
Ri _ R min+— (1 + 2 i) i 2
i _ 0,..., i max _ 0,
[-
-1].
(2)
(3)
Площадь S2, км2
В качестве примера на рис. 3 приведены результаты расчета по формулам (2) и (3) при различной ширине диаграммы направленности антенны РЭС (2°, 4°, 6°и10°) для Кт|п = 70 км, ^тах = 90 км, г = 1,5 км и к = 1,95 (3-секторная сота). Эти результаты показывают, что при выбранных условиях количество БС в слоях зависит в значительной степени от ширины сканирующей диаграммы направленности антенны РЭС и при узкой диаграмме направленности мало зависит от удаления базовых станций.
Знание количества БС в области $2 сканирующей диаграммы направленности антенны
КМ 30 40 50 60 70 80 90 100 110
20 8,7 21 36,6 57,8 78,5 104,7 134,4 167,6 204,2
30 - 12,3 27,9 47,1 69,8 96 125,7 158,9 195,5
40 - 24,4 34,8 57,5 83,7 113,4 146,6 183,2
50 - - - 19,2 41,9 68,1 97,8 131 167,6
60 - - - - 22,7 48,9 78,6 111,8 148,4
70 - - - - - 26,2 55,9 89,1 125,7
80 - - - - - - 29,7 62,9 99,5
90 - - - - - - - 33,2 69,8
100 - - - - - - - - 36,6
Д
Рис. 3. Количество БС в условных слоях при разной ширине ДН антенны РЭС
РЭС, которые условно распределены по равноудаленным группам, и удаления каждой из этих групп от РЭС дает возможность оценить степень помехового воздействия сети ІІМТБ на это РЭС.
Расчет энергетики на входе приемника РЭС
Требования по защищенности от помех у разных типов РЭС, как правило, различны, поэтому в рамках рассматриваемой задачи зададимся достаточностью определения для оценки ЭМС лишь уровня помех на входе приемника РЭС. Как было показано ранее [1], мощность помехи от Ыд базовых станций сети ІІМТБ может быть представлена в виде суммы мощностей каждой из этих БС. Эта суммарная мощность помехи складывается из мощностей излучения БС в /тах слоях, в каждом из которых находится базовых станций.
_ тах V Рак(Л^^°бс к(0) °рэс Р.г - Ь Ь ^№0 '
І-0 к-1 >
При этом мощность помехи на входе приемника РЭС от каждой к-й БС зависит от мощности излучения к-го передатчика помех Р^час-тотных характеристик передатчика БС (маски спектра сигнала) а^Л/), разноса по частоте Л/ коэффициентов усиления антенн к-го передатчика БС СТХк(9) и приемника РЭС б^б), зависящих от углов 0 и ф, которые определяют взаимное направление на рассматриваемые РЭС, а также потерь ¡.(К.) на трассе распространения сигнала к-го передатчика помех, удаленного от РЭС на расстояние ^
В свою очередь, мощность излучения Рк отдельной БС имеет сложный характер, зависит от целого ряда факторов и описана в [2]. С учетом [2] уровень суммарной помехи Рп
де приемника РЭС будет выражаться как
і
max
N
P,
max А1'
* - Е Е
1=0 k=1
Mk
a(Af>■'gec k(в>°рэсф>
L(Ri >
x
x(
P.
ш AT
L(dk,j >
Е “
j=1 1 ^DLk, j GEC k, j' gPC k, j
—Gp-;—+ Pkj>
( v‘j
(5)
Выражение (5) содержит следующие переменные [2]: Мк —количество пользовательских каналов в к-ой базовой станции, обеспечивающихся в некоторый момент времени; Рш Ат — мощность шума в приемнике абонентского терминала (АТ); к і—коэффициент загрузки сети в і-м нисходящем канале; № — потери на
трассе распространения сигнала между БС и АТ в і-м пользовательском канале; d,—расстояние между ними; Сбс , — коэффициент усиления антенны к-ой БС в направлении на АТ в |-м пользовательском канале; д рС кі — коэффициент регулирования мощности излучения в |-м пользовательском канале к-й БС; Ор, — коэффициент энергетического выигрыша за счет расширения спектра сигнала в |-м пользовательском канале к-й БС; требуемое отношение сигнал/шум на входе приемника АТ в |-м поль-
зовательском канале к-й БС; — активность абонентов в /-м пользовательском канале к-й БС; рк,! — коэффициент ортогональности сигнала (кодов разделения) в /-м пользовательском канале к-й БС. В реальных условиях многие из перечисленных параметров носят случайный характер или являются просто переменными.
При предварительной оценке ЭМС необходимо рассматривать как случайные, следующие параметры в выражении (5):
• количество базовых станций, попадающих в область вращающейся диаграммы направленности РЭС (Ыд);
• взаимное удаление БС сети иМТ$ и РЭС (К (.);
• взаимное относительное направление на РЭС (в БС,к(0), вРЭС(ф));
• количество активных пользователей или пользовательских каналов в отдельной БС сети
иМТ$ (М);
• взаимное удаление РЭС в сети иМТ$ (№ /
• динамическая регулировка мощности передатчика БС (дг^ /
Перечисленные параметры обуславливают случайный характер суммарной помехи на входе приемника РЭС и по своей природе являются независимыми случайными величинами. Задавшись характером их распределения, можно оценить среднестатистическое значение уровня суммарной помехи на входе РЭС
... - 1max MW
M{p„ } =Е Е x
1=0 k =-ak(AT) ■ M{g^c k(0) }■ М{'рэСФ) }
X M{l(Ri)} X
MiMkK M{l№„ >}
Е -
x(—
Vrnt.j M{gpc i,j}
-+Pt, j > (6)
(—>k , ■ vt
V У/С,j k, j
В выражении (6) символ М{ } означает математическое ожидание параметра, заключенного в фигурные скобки.
Указанное усреднение суммарной мощности помехи может быть легко произведено на статистических моделях, позволяющих задавать конкретный закон распределения соответствующих случайных параметров. Ниже приводятся результаты моделирования на статистической модели SEAMCAT (Spectrum Engineering Advanced Monte Carlo Analysis Tool, v. 2.1) [3].
Результаты статистического моделирования
Для получения статистических оценок влияния базовых станций сети иМТ$ на РЭС моделировалась ситуация, показанная на рис. 4. Следует особо отметить, что приведенные результаты статистического моделирования не являются строго реальными в силу того, что в качестве некоторых исходных параметров РЭС были выбраны условные параметры. Эти результаты главным образом иллюстрируют применение рассматриваемого подхода к оценке ЭМС.
Результаты статистического моделирования, приведенные на рис. 5, соответствуют случаю, когда излучение всех указанных на рис. 4 базовых станций сети иМТ$ осуществляется в секторе 180°, направленном в сторону РЭС. Уровни полезного сигнала и внутренних шумов, показанные на рис. 5, относятся к одному из типов реальных РЭС. При таком жестком сценарии, когда все антенны БС сети иМТ$ направлены в сторону РЭС, требуется значительный территориальный разнос (отмечен на рис. 5 зеленым фоном). При этом влияние по боковым лепесткам диаграммы направленности (ДН) антенны РЭС практически отсутствует.
Результаты, представленные на рис. 6, получены для случая, когда излучение БС сети иМТ$ осуществляется в секторе 180°, противоположном направлению на РЭС. При этом требуемый территориальный разнос значительно сокращается. Но при малом разносе начинает появляться влияние по боковому лепестку ДН антенны РЭС из-за большого количества БС в боковом лепестке (50 БС). Дальнейшее сокращение требуемого территориального разноса достигается при меньшем количестве БС (20 БС) в боковом лепестке и ограничениях по мощности излучения, показанных на рис. 6.
На рис. 7 приведены полученные зависимости суммарного уровня помехового сигнала на входе приемника РЭС от одинакового количества БС, попадающих как в главный, так и в боковые лепестки диаграммы направленности антенны РЭС при разных удалениях. Указанные на рисунке цифры показывают значение требуемой ограниченной мощности излучения БС в сети иМТ$.
Эти результаты позволяют оценить необходимый территориальный разнос и требуемые ограничения мощности излучения базовых станций сети иМТ$ при различной плотности их размещения. Так, при трех базовых станциях в главном и боковом лепестках ДН антенны РЭС требуемое минимальное удаление БС без введения ограничений
Рис. 4. Сценарий для статистического моделирования
Уровень си| na.ni БС иМТС на входе ИРМ РЭС, лБм
к
-95
-100
-105
•110
•115
•120
-125
•130
•135
-140
•145
-150
ГЛРЭС
—— БЛРЭС
-•— Суммарн.
- 1 Уровень внутр. шумов ^—Уровень полезн.
50
60 70 80
Удаление (К», км
Рис 5. Среднестатистическая оценка суммарной помехи на входе приемника РЭС при излучении всех БС иМТ$ в сторону РЭС
Рис. 6. Среднестатистическая оценка суммарной помехи на входе приемника РЭС при излучении всех БС иМТБ в противоположную сторону от РЭС
Рис. 7. Среднестатистическая оценка суммарной помехи на входе приемника РЭС при различном количестве БС UMTS
по мощности их излучения составляет 10 км, аналогично для 7 БС —15 км.
Практическая реализация предложенного подхода
В статье главный акцент сделан на статистическую оценку ЭМС сетей UMTS и радиолокационных станций на этапе предварительного планирования сети. При оценке условий электромагнитной совместимости реальных сетей UMTS на этапе проведения экспертизы на ЭМС некоторые параметры, входящие в выра-
жение (6), переходят в разряд детерминированных параметров. К таким параметрам следует отнести:
• количество базовых станций, попадающих в область вращающейся диаграммы направленности РЭС (Ыд);
• взаимное удаление БС сети UMTS и РЭС
R);
• взаимное относительное направление на РЭС (G БС,к (0), ЭРЭС(ф)).
Эти параметры в качестве исходных данных для статистического моделирования содер-
Рис. 8. Алгоритм реализации предложенного подхода
жатся в проектах частотно-территориальных планов (ЧТП). С помощью специально составленных несложных программ можно легко осуществлять их отбор из массива ЧТП. Алгоритм, реализующий описанный подход, показан на рис. 8.
При удалении РЭС менее, чем на 30 км, аналогично вычисляется помеховый сигнал по боковому лепестку ДН антенны РЭС (шаги 2-6).
Выводы
Рассмотренный подход может значительно упростить (как по объему, так и по временным затратам) процедуру оценки условий совместного использования радиоэлектронных средств сетей UMTS и радиолокационных станций различного назначения при проведении экспертизы на ЭМС, а также может позволить делать прогноз по возможному изменению установленных условий ЭМС при дальнейшем наращивании сетей UMTS.
Литература
1. Скрынников В.Г. Оценка условий ЭМС при учете особенностей радиоинтерфейса UMTS. — T-Comm, 'Телекоммуникации и транспорт". — №2, 2008.
2. Скрынников В.Г. Предварительная оценка параметров сети UMTS/HSDPA — Электросвязь. — №3, 2008.
3. Скрынников В.Г. SEAMCAT — эффективное средство для оценки ЭМС в сетях связи. — Мобильные Телекоммуникации, апрель 2006.
4. Ch. Chevallier, Ch. Bninner, A Garavaglia, Kenn P. Murray, Kenneth R. Baker. WCDMA (UMTS). Deployment Handbook. Planning and Optimization. — Wiley, 2006.
