CC BY
20
This article describes a neuron both in a biological context and in the context of an artificial neural network. In the context of a neural network, a neuron is the most fundamental unit of processing. This is also called a perceptron. The neural network is based on how the human brain works. The layers of the neural network are described.
Key words: neural networks, artificial neural networks, neuron.
Panarin Vladimir Mikhailovich, doctor of technical sciences, professor, head of department, panarin-tsu@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Grishakov Kirill Vladimirovich, candidate of technical sciences, assistant, gri-shakoff.kirill@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Maslova Anna Aleksandrovna, doctor of technical sciences, professor, anna_zuykova@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Grishakova Olga Vladimirovna, postgraduate, olya.grischakova@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State
University,
Arkhipov Alexander Viktorovich, postgraduate, aav@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 654.022
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-2-443-449 ОСОБЕННОСТИ РАДИОКАНАЛОВ В СИСТЕМАХ СВЯЗИ С ПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ
И.В. Наседкин, В.В. Ерыгин, Н.Н. Зайкин, Е.В. Фатьянова
В статье представлена особенности радиоканалов при организации связи с подвижными объектами. Представлены несколько вариантов связи с подвижными объектами.
Ключевые слова: подвижная связь, многолучевость, замирание сигналов.
В системах радиосвязи с подвижными объектами (ССПО) общие потери при распространении сигналов между передающими и приемными пунктами определяются: потерями, обусловленными распространением в свободном пространстве, и потерями, определяющимися рельефом местности и морфо-инфраструктурой рассматриваемого района.
При этом среди характерных особенностей радиоканала в ССПО можно выделить следующие: среду распространения радиоволн следует рассматривать как среду с неоднородными параметрами, для которой характерны различные явления: отражение, рассеяние, поглощение излучаемой энергии радиосигналов. Эти явления обуславливают эффект многолучевого распространения радиоволн, приходящих на приемную антенну, причем различные пути сменяют друг друга во времени и пространстве. При этом наблюдается так называемое «расширение задержки» дискретных элементов радиосигнала;
для радиоканала характерно наличие быстрых флуктуаций параметров радиосигналов, вызванных частотно-временной дисперсией передаточной функции канала связи, являющейся следствием многолучевого распространения радиоволн при многочисленном отражении от предметов, окружающих пункт приема. В частности, флуктуации начальной фазы сигнала в пункте приема определяются изменением местоположения, и при движении объекта являются функцией времени. Быстрые флуктуации для узкополосного сигнала, подверженного частотно-селективным замираниям, имеют интереференционный характер (так называемый быстрый фединг);
наблюдаются сравнительно медленные флуктуации усредненных на интервале стационарности быстрых изменений параметров сигнала, определяемые изменением степени затенения трассы распространения радиоволн рельефом местности, растительностью и местными предметами; медленные флуктуации, имеющие общий характер, определяют изменение уровня сигнала в точке приема и являются по своей физической природе, в отличии от быстрых, дифракционными;
глубоким замираниям амплитуды соответствуют скачки фазы сигнала и соответствующие им всплески (близкие к дельта-функции) случайной частоты, являющейся производной от случайной фазы. Это обстоятельство позволяет охарактеризовать радиоканал в ССПО как частотно-селективный;
наличие случайных задержек отраженных копий сигнала, приходящих в точку приема, приводит к появлению временной селективности радиосигнала и вызванных ею гладких флуктуаций амплитуды суммарного сигнала в точке приема;
при движении подвижного объекта (ПО) изменяется его удаление от базовой станции (БС), что приводит к медленному изменению среднего уровня сигнала в точке приема. Медленными являются изменения рефракции атмосферы на трассе распространения радиоволн, приводящие к столь же медленным флуктуациям медианного уровня сигнала в точке приема, которые можно объяснить изменением интегрального затенения трассы рельефом местности;
скорость (частота) всех вышеуказанных типов флуктуаций существенно зависит от скорости перемещения ПО на местности;
чем больше пересеченность местности, тем большее влияние она оказывает на процесс распространения сигналов и тем больше изменения уровня принимаемого сигнала как на ПО, так и на базовой станции. Влияние этих факторов особенно усиливается тем, что высоты подъема приемных антенн на ПО обычно невелики;
при движении объекта вследствие доплеровского эффекта наблюдается случайная частотная модуляция, характеристики спектра которой определяются скоростью движения объекта, а также направлением его перемещения.
Потери энергии сигнала при распространении для подвижной связи в основном зависят от рельефа местности и наличия различных рассеятелей радиоволн на трассе распространения. Многообразие видов рельефа, структур местности, а также расположенных на ней объектов, рассеивающих радиоволны, приводит к различным характеристикам распространения, обусловленным явлениями зеркального отражения, диффузного отражения и дифракции.
3еркальное отражение. Возникает, когда радиоволна падает на гладкую поверхность, разделяющую две различные среды, а линейные размеры поверхности превышают длину волны излучаемого сигнала.
Принципы, присущие этому типу отражения, аналогичны свойствам зеркала создавать мнимое изображение, описываемое законом Снелла.
Диффузное отражение. Возникает, когда радиоволна падает на грубо-шероховатую поверхность, неровности которой соизмеримы с длиной волны излучаемого сигнала. В отличие от прямого отражения, описываемого законом Снелла, при диффузном отражении энергия сигнала рассеивается, что приводит к распространению отраженной волны в различных направлениях. Для анализа свойств диффузного отражения можно использовать принцип Гюйгенса. В целом интенсивность диффузного отражения радиоволн меньше, чем зеркального отражения, что связано с рассеянием энергии радиоволны при ее распространении над неровной поверхностью. При рассмотрении условий, определяющих качество подвижной связи, необходимо оценивать отражающие свойства местности, расположенной между ПО и базовой станцией.
Для подвижной связи условия прямой видимости считаются выполненными при наличии прямого и диффузного отражения (последнее обуславливается рассеянием энергии вдоль трассы распространения). В том случае, когда наблюдается также дифракция радиоволн вследствие неровностей рельефа местности, затеняющих путь их распространения, условия прямой видимости уже не выполняются. В этом отношении определение прямой видимости для подвижной связи отличается от аналогичного определения в радиосвязи, использующей тропосферное рассеяние.
Дифракция. Возникает в том случае, когда распространению радиоволн препятствуют характерные особенности местности между передающей и приемной антеннами. Ослабление сигнала будет различным в зависимости от того, находится ли препятствие на пути распространения и пересекает линию прямой видимости или лишь приближается к ней. На практике не всегда возможно выделить для базовой станции наиболее высокую точку на трассе распространения. На холмистой местности, даже при хорошем расположении базовой станции, часто возникает ситуация, когда ПО уходит из зоны прямой видимости.
Различные ситуации, анализируемые для предсказания значения потерь распространения безусловно полезны для понимания явлений многолучевого распространения при подвижной связи. Однако количество возможных ситуаций настолько велико, что точное математическое решение этой задачи является слишком сложным для практического использования. Альтернативным подходом, который можно рекомендовать для получения приемлемого решения, является совместное использование методов аналитического и статистического анализа. Основное требование при этом - получить данные измерений, из которых можно было бы извлечь надежные статистические результаты. После анализа последних можно сделать определенные аналитические заключения, основанные на теории распространения электромагнитных волн. Этот метод предсказания значения потерь распространения является действенным средством, позволяющим получить результаты, более близкие к реальным, чем те, которые можно получить, используя аналитический или статистический методы в отдельности. Данные, измеренные и записанные в нескольких точках вдоль выбранных трасс распространения радиоволн, используются для вычисления потерь распространения в пределах всей данной территории.
Многолучевые замирания наиболее присущи связи с ПО, поэтому на них сосредоточено основное внимание разработчиков подобных систем. Для оценки условий распространения в системах подвижной связи необходимо, в первую очередь, определить свойства передаваемого сигнала S0(t), который может быть представлен в виде одной из комплексных форм:
So(t) = аое( (ш°+фо)) (1)
Sо(t) = ао^ ( и^+фо), (2)
где ао - амплитуда и фо - фаза сигнала (ао и фо считаются постоянными); юо=2л/ - несущая частота. Соотношения (1) - (2) используются при анализе сигнала, передаваемого базовой станцией.
Комплексная форма записи во многих случаях намного удобнее, чем тригонометрическая. Важно отметить, что мощность сигнала несущей частоты определяется действительной частью S0(f), и соответственно равна Яе[ S0(t)].
Явления многолучевых замираний следует рассматривать применительно к частным ситуациям
[1,2]:
ПО стоит среди близко расположенных неподвижных рассеятелей;
ПО стоит на месте, а движутся близлежащие рассеятели;
ПО и окружающие рассеятели находятся в движении.
В первой ситуации все отраженные рассеиваемые лучи, приходящие на антенну ПО, могут быть (теоретически) определены. Принимаемый сигнал на неподвижном объекте состоит из N - лучей и может быть представлен в виде
N
S(t) = Е -10, (3)
i=1
где аг - коэффициент ослабления, соответствующий г-му лучу, который, в общем случае, может быть комплексной величиной.
Общее время распространения для г-го луча
XI = 1ср + Ах (4)
где Ах - некоторая дополнительная относительная задержка для г-го луча, которая может быть как положительной, так и отрицательной по отношению к среднему значению задержки, а среднее значение х равное хср определяется по формуле
N
1 N
хср = NЕ х (5)
-1 1 г = 1
Таким образом, принимаемый сигнал с учетом (1) можно представить в виде
1ср)с' (6)
5(0 = х(р - т
и имеет огибающую вида;
х(0 = а0 а^-^о^ (7)
где ао - постоянная величина, как было определено ранее, а вся правая часть выражения (7) отображает многолучевый процесс.
Из выражения (7) видно, что огибающая принимаемого сигнала S(t), остается неизменной, пока объект остается неподвижным относительно окружающих предметов, на которые происходит рассеяние радиоволн.
Во второй ситуации, в которой ПО неподвижен, а перемещаются окружающие близко расположенные предметы, временные задержки х и коэффициенты ослабления для каждого г-го пути существенно различны в каждый момент времени. При этих условиях принимаемый сигнал может быть представлен в виде
S (t) = х (t) е1 (2ж/^+фо),
где
х(t) = ао Е (t)е -2я/°х'(t)
г = 1
Пусть действительная и мнимая составляющие сигнала имеют запись:
N
Я =Е а, (t) cos[ 2я/0т1 (t)] .
(8) (9)
г=1 N
s = Е а1 (t)яп[ 2ж/0г1 (t)]
г=1
Тогда сигнал в точке приема будет иметь вид:
S а) = а о{ Я - jS } = А а) е
где амплитуда и фаза огибающей сигнала S(t) находятся из выражений:
А (t) = а
(10)
(11) (12)
(13)
) = агсЩ (%) (14)
Поскольку в данном случае фактически невозможно выделить каждый луч отраженной волны, то для анализа зависящих от времени амплитуды (13) и фазы (14), необходимо использовать аналитические методы, справедливые лишь для определенных ситуаций. В частности, во время движения объектов могут возникнуть крайние ситуации на трассе распространения радиоволн, а именно:
отсутствие рассеятелей;
наличие одного рассеятеля;
наличие многих рассеятелей.
Предположим далее, что ПО движется в положительном направлении оси x со скоростью V и принимаемый сигнал приходит под некоторым углом к плоскости, в которой лежит ось х. Тогда принимаемый сигнал представляется как
S(t) = a0ei Oot+0o-mcos0) (15)
где ß = 2n/X, а X - длина волны.
В выражении для принимаемого сигнала следует учесть появление дополнительного сдвига частоты, обусловленного движением ПО и появлением эффекта Доплера. Доплеровская частота [3]
fd = fm COS © (16)
где fm = V/X - максимальная доплеровская частота.
Доплеровская частота может быть как положительной, так и отрицательной, в зависимости от значения угла
Для правильного понимания многолучевых явлений необходимо уяснить сущность стоячих волн применительно к радиосигналам. Если радиосигнал приходит с одного направления и отражается от некоторого препятствия в обратном направлении, то результирующий принимаемый сигнал на ПО, движущемся со скоростью V, при предположении, что угол прихода сигнала © =0, описывается выражением
S(t) = a0ei(Wot+j°~ßvt) —a0ej(w°t+j°~ßvt~w0t) =
=-j2a0sm(ßVt - w0t/2)e'^w°t+'°-w°t/2'> (17)
где x - время, необходимое волне для достижения препятствия и отражения.
Огибающая сигнала (17) представляет собой как бы результирующую стоячую волну, что может быть интерпретировано, как простое явление замирания. Когда ßVt = nn + +(ra0[x / 2]), наблюдается замирание сигнала до нулевой амплитуды (или - ж дБ). При применении операции квадратичного детектирования сигнала, описываемого соотношением (17), огибающая возводится в квадрат:
х 2(t) = 4a 2osin2 (ßßVt-¿>0x) = 2a02[1-cos2 (ßVt-®0x)] (18)
В результате, частота замирании определяется из соотношения 2V/X, как следует из (18). Следовательно, можно показать, что одинаковые доплеровские частоты, принятые антенной ПО и прошедшие через различные детекторы, могут дать в результате различные частоты замирании на выходе этих детекторов. В частности, частота замираний при использовании квадратичного детектирования всегда равна удвоенной частоте замираний, получаемой после линейного детектирования (18).
В третьем случае, когда движутся как приемная станция, так и многочисленные отражающие и рассеивающее сигнал объекты, результирующий сигнал представляет собой сумму всех рассеянных волн с различными углами привода ©i, зависящую от текущего положения окружающих объектов, и от того, имеется ли прямое прохождение сигнала на приемник. Эту сложную ситуацию в математическом виде можно представить следующим образом:
Ж j(w0t+j0 -ßVtc°sQi+Qi) j(w0t+j0 )
S(t)= X a0aie 0 = At^te 0 (19)
i=1
где амплитуда огибающей сигнала
а фаза огибающей сигнала
N 2 N
4=J(ao Z aicom) +(ao Z a-siny) (20)
у =1 =1
N
Z ai sin w
g i=1 i (21) w i = arctg N-
Z ai cos w
i=1
Как уже указывалось выше, причиной замираний сигналов является многолучевость распространения радиоволн и воздействие рельефа местности и местных строений. Изменение напряженности поля принимаемого сигнала можно классифицировать как медленные замирания m(t) и быстрые замирания r0(t). Изменение напряженности поля принимаемого сигнала описывается выражениями:
-во времени
г (t) = m (t) r0( t)
(22)
- по пространству
r (x) = m (x) r0 (x)
(23)
Необходимо отметить, что явления многолучевых замираний значительно усиливаются при
увеличении частоты связи. Замирания сигнала в городских условиях могут составлять 4о и более дБ, причем пересечение уровня о дБ происходит почти на каждой полуволне. Столь сильные замирания приводят к значительному снижению качества передачи информации по радиоканалам ССПО. В связи с этим существуют ограничения на диапазон частот, применяемый в ССПО. В ряде источников отмечается, что использование частот выше 1о Ггц в подвижной связи нежелательно.
Локальное среднее значение медленных замираний сигнала тср(х) в точке х можно определить по формуле:
Анализ показывает, что основной причиной медленных замираний сигнала т(х) является рель-
еф местности и застройка района между БС и ПО, которые как правило классифицируют. Рельеф местности обычно классифицируется на:
I. свободное пространство;
II. плоскую местность;
III. холмистую местность;
IV. гористую местность.
Застройка района между БС И ПО классифицируется на: сельский район; пригородный район; городской район.
В заключении необходимо отметить, что на изменение величины напряженности поля сигнала,
принимаемого ПО, могут оказывать влияние различные погодные условия. Погодные условия могут быть причиной очень медленных замираний. Например, тяжелый осенний туман или сильно охлажденный зимний воздух могут приводить к атмосферной рефракции радиоволн. При определенных условиях связи атмосферная рефракция не вносит сильных изменений в уровень сигнала. В некоторых источниках отмечается, что если высота антенны БС не превышает 91 метра над землей и расстояние связи не более 23 км атмосферной рефракцией можно пренебречь. Тем не менее, на трассах свыше 32 км могут наблюдаться частотно-селективные замирания сигнала, возникающие в результате суммирования в антенне ПО прямой и рефракционной волн. Очевидно, что все отмеченные выше явления должны учитываться при проектировании систем подвижной связи, в частности на этапе их частотно-территориального планирования.
1. Маковеева М.М., Шинаков Ю.С. Системы связи с подвижными объектами. М.: Радио и связь. 2оо2. 44о с.
2. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение: Пер. с англ. М.: Издательский дом "Вильямс", 2оо3, 1Ш4 с.
3. Кологривов В.Н. Эффект Доплера в классической физике. М.: МФТИ, 2о12. 32 с.
Наседкин Игорь Вячеславович, преподаватель, nasedkin_iv@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного,
Ерыгин Вадим Викторович, преподаватель, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного,
Зайкин Николай Николаевич, преподаватель, zaykin53@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С. М. Буденного,
Фатьянова Елена Валентиновна, преподаватель, _fatlen77@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного
(24)
Список литературы
FEATURES OF RADIO CHANNELS IN COMMUNICA TION SYSTEMS WITH MOBILE OBJECTS
I.V. Nasedkin, V.V. Erigin, N.N. Zaikin, E.V. Fatyanova
The article presents the features of radio channels in the organization of communication with mobile objects. Several variants of communication with mobile objects are presented.
Key words: mobile communication, multipath, signal fading.
Nasedkin Igor Vyacheslavovich, lecturer, nasedkin_iv@mail.ru, Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny,
Erigin Vadim Viktorovich, teacher, Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny,
Zaikin Nikolay Nikolaevich, lecturer, zaykin53@mail.ru, Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny,
Fatyanova Elena Valentinovna, lecturer, _ fatlen77@mail.ru, Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny
