CC BY
467
УДК 621.391
ОЦЕНКА ЗОНЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ДОСТУПНОСТИ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ
В.А. Козьмин, А.В. Муратов, В.А. Сладких
Рассматривается методика оценки зоны электромагнитной доступности системы телекоммуникаций в соответствии с моделью Эгли для сети стационарных станций радиоконтроля. Приведен анализ основных факторов, влияющих на размеры зоны электромагнитной доступности. Приведены результаты моделирования для узкополосных и широкополосных сигналов сотовых сетей
Ключевые слова: зона электромагнитной доступности, радиопеленгатор, модель Эгли
В настоящее время в России наблюдается интенсивное развитие телекоммуникационных систем: цифрового телевидения, спутниковых систем связи, сотовых систем мобильной радиосвязи, систем передачи данных и т.д. Вместе с развитием систем телекоммуникаций происходит развитие систем радиоконтроля (РК), поскольку в реальной жизни даже санкционированное применение радиоэлектронных средств не всегда гарантирует достижение запланированных результатов ввиду сложностей учета всех особенностей радиоэлектронного оборудования и возможных взаимных влияний [1].
Справиться с возрастающим потоком все более сложных задач радиоконтроля можно только путем использования современных технологий автоматизации радиоконтроля. В автоматизированной системе РК обычно используются станции РК трёх видов:
■ стационарные (фиксированные) станции;
■ подвижные (мобильные) станции;
■ портативные (носимые) станции.
Стационарные станции являются центральным элементом системы и, как правило, предназначены для работы в крупных населенных пунктах или городах. В своей рабочей зоне стационарные станции позволяют проводить все измерения без ограничений на площадь под рабочие места, неподходящие условия для установки антенн или ограниченное электропитание. Как правило, в пределах одного крупного населенного пункта разворачивается несколько стационарных станций. Для определения координат источников любая точка контролируемой территории должна находиться в зоне действия, по
Козьмин Владимир Алексеевич - ВГТУ, канд. техн. наук, профессор, ЗАО «ИРКОС», директор по научной работе, e-mail: [email protected]
Муратов Александр Васильевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 7 (473) 243-77-30 Сладких Владимир Александрович - ВГТУ, аспирант, e-mail: [email protected]
крайней мере, двух пеленгаторных или измери-тельно-пеленгаторных станций. При таком подходе количество станций и стоимость системы может значительно вырасти. Поэтому обычно стационарные станции дополняются мобильными и портативными станциями.
Основными задачами системы радиоконтроля являются постоянная или периодическая проверка загрузки эфира в широком диапазоне частот, обнаружение и анализ новых излучений, выявление несанкционированных источников и специально организованных каналов утечки информации, пеленгование и определение местоположения стационарных и мобильных источников радиоизлучения на местности [2]. Для выполнения данных функций система радиоконтроля должна обеспечивать возможность охвата значительных территорий. Реализация данного условия осложняется тем, что современные системы телекоммуникаций в основном эксплуатируются в верхней части УКВ-диапазона и нижней части СВЧ-диапазона (0,1-4 ГГц), а значит, в своем большинстве являются источниками радиоизлучений малой мощности. Это обстоятельство существенно ограничивает размеры зон электромагнитной доступности стационарных средств радиоконтроля.
Для организации эффективного взаимодействия стационарных, мобильных и портативных станций радиоконтроля необходимо иметь по возможности точное представление о зоне электромагнитной доступности стационарных средств, которые являются постоянно действующим звеном в автоматизированной системе.
Целью данной работы является анализ основных факторов, влияющих на размеры зоны электромагнитной доступности телекоммуникационных систем для непрерывного осуществления радиоконтроля стационарными средствами.
Расчет необходимого количества радиопеленгаторов в сети радиоконтроля, а также выбор
их взаимного расположения производится на основе зоны электромагнитной видимости для одного радиопеленгатора, которая зависит от ряда факторов:
■ рельефа местности, характера подстилающей поверхности, застройки и растительности;
■ чувствительности приемников радиопеленгаторов;
■ высоты подъема антенных устройств над поверхностью земли;
■ характеристик источников излучений.
От характера рельефа местности на трассе
распространения радиоволн зависит величина их ослабления. В настоящее время существует ряд математических моделей, дающих возможность рассчитать усредненное значение ослабления радиосигнала в зависимости от различных параметров, характеризующих конкретную местность. Например, модели распространения радиоволн Окамура-Хата, Эгли, Хата-Дэвидсона или других авторов [3,4]. Эти модели позволяют производить приближенные расчеты затухания по трассе распространения с точностью от 7 до 15 дБ. Следует отметить, что возможно проведение более точных расчетов, но они основаны на использовании электронных цифровых карт, содержащих информацию о рельефе местности, подстилающей поверхности, застройке и растительности.
Примем, что в нашем случае область действия радиопеленгаторов это слабо пересеченная местность с холмами, средняя высота которых не превышает 10-15 метров. В этом случае в качестве модели распространения радиоволн, обеспечивающей оценку зоны электромагнитной доступности, допустимо выбрать модель Эгли [5]. Общее ослабление на трассе согласно этой модели определяется формулой:
А = 117+ 401о8 + 20108 Р - 20\о%(ИтИк), (1)
где А - ослабление (дБ), Бт11е8 - расстояние в милях (1 609 м), Б - частота (МГц), Нт - высота подвеса антенны передатчика в футах (0,3048 м), Н - высота подвеса приемной антенны в футах.
Ослабление в свободном пространстве:
Afs = 32.27 + 20logF - 20logD,
miles
(2)
Ослабление за вычетом потерь в свободном пространстве составляет:
Аои=А-арз = 8473+2010^ - 2°\о%нтНк). (3)
Напряженность поля Е, вольтах на метр излучающего РЭС в свободном пространстве с изотропной антенной и мощностью Р, Вт на расстоянии Б, м, определяется выражением [2]:
30P
D
(4)
Переведя (4) в логарифмическую форму, используя метрические единицы для высот подъема антенн и расстояния, получим формулу для оценки напряженности поля на расстоянии Б:
201о8Е = 201о8Ерз - АЕоы = 101о§30+
101о8 Р - 20108 Ц - 84.73 - 201о8 Ц + (5)
201081609+ 201о8(ИтИй) - 401о80.3048.
Таким образом, при заданной напряженности в точке приема Е из последнего выражения можно определить дальность действия одного радиопеленгатора:
D
= 10[0.5 ■ log(HH )+0.25 ■ logP-0.5 ■ logE+0.37] (6)
Здесь дальность и высота подъема антенн определяются в метрах, мощность пеленгуемого ИРИ в ваттах, Е - напряженность поля в точке приема (чувствительность пеленгатора) в вольтах на метр.
Из выражения (6) видно, что зона действия радиопеленгатора обратно пропорционально квадратному корню от его чувствительности. Кроме того, дальность действия радиопеленгатора прямо пропорциональна корню четвертой степени от мощности излучения пеленгуемого ИРИ и прямо пропорциональна корню квадратному от высоты подъема его приемной антенны.
Чувствительность радиопеленгаторов определяется чувствительностью его приемных трактов, конструкцией антенной системы и алгоритмом вычисления пеленга. Чувствительность зависит также и от ширины полосы пропускания радиоприемных трактов. Если шумы в канале приема имеют равномерный спектр, то чувствительность пеленгатора будет обратно пропорциональна корню квадратному из полосы пропускания [7]. Современные пеленгаторы в полосе пропускания приемника 9 кГц обеспечивают чувствительность [6]:
■ 1 мкВ/м в диапазоне 100-800 МГц,
■ 5 мкВ/м в диапазоне 25-100 МГц, 8002000 МГц,
■ 10 мкВ/м в диапазоне 2000-3000 МГц.
На рис. 1 показаны зависимости дальности
действия радиопеленгатора от высоты подъема приемной антенны, построенные по формуле (6).
Рис. 1. Зависимость дальности действия радиопеленгатора от высоты приемной антенны для различных мощностей пеленгуемого ИРИ при чувствительности радиопеленгатора Е = 1
мкВ/м (слева) и Е = 5 мкВ/м (справа)
.^25 Вт
>^Г0Вт
у"'
40-
35-
зо-
25-
•?
а 20-
15-
ю-
5-
о-
50 Вт
20 Вт^
П Вт
-^5Вт
30
Hr,M
30
Hr,M
Рис. 2. Зависимость дальности действия радиопеленгатора от высоты приемной антенны для различных мощностей базовых станций сигналов СБМА-2000 при чувствительности радиопеленгатора Е = 1 мкВ/м (слева) и 0БМ-900 при чувствительности пеленгатора Е = 5 мкВ/м
(справа)
Данные зависимости соответствуют узкополосным сигналам, полоса которых примерно равна полосе пропускания приемника 9 кГц. При построении графиков мощность пеленгуемого ИРИ составляла 0.1 Вт, 0.5 Вт, 1 Вт, 2 Вт, 4 Вт, а высота подъема его антенны была равна 1,5 м. Чувствительность пеленгатора в точке приема задавалась равной 1 мкВ/м и 5 мкВ/м.
Зависимости на рис.1 позволяют произвести выбор расстояния Б между пеленгаторами. В частности, при использовании радиопеленгатора с чувствительностью 1 мкВ/м с приемной антенной, установленной на высоту 25 м, для пеленгования радиостанции мощностью 1 Вт расстояние между пеленгаторами может быть около 14 км.
На рис. 2 приведены аналогичные зависимости дальности действия радиопеленгатора от высоты подъема приемной антенны, построенные для широкополосных сигналов. Для учета зависимости чувствительности пеленгатора от частоты были выбраны два вида широкополосных сигналов: сигнал стандарта СБМА-2000 с полосой 1.23 МГц, работающий на частоте 466 МГц, и сигнал стандарта 0БМ-900 с полосой
канала 200 кГц, работающий на частоте 900 МГц. Как правило, абонентские устройства для данных сетей имеют невысокую мощность и соответственно малый радиус действия, поэтому их пеленгование и местоопределение без использования мобильных и портативных станций в составе сети радиоконтроля практически невозможно. Базовые станции данных систем имеют высокую мощность, располагаются на высотных зданиях, а потому должны находиться в зоне электромагнитной доступности системы из стационарных радиопеленгаторов. При построении зависимостей мощность базовых станций стандарта CDMA была равна 2, 5, 10, 25 Вт, мощность базовых станций стандарта GSM-900 5, 10, 20, 50 Вт. Высота антенны передатчика полагалась равной 15 м. Полоса пропускания пеленгаторов была равна полосе частот анализируемых сигналов. Чувствительность пеленгатора задавалась равной 1 мкВ/м для CDMA-2000 и 5 мкВ/м для GSM-900 в соответствии с рабочими диапазонами частот. При этом учитывалось, что чувствительность пеленгатора в широкой полосе ухудшается пропорционально корню квадратному из полосы пропускания приемника.
Рис. 3. Оценка зон электромагнитной доступности различных по мощности узкополосных сигналов для сети радиоконтроля из трех (слева) и пяти (справа) стационарных станций
Рис. 4. Оценка зон электромагнитной доступности различных по мощности сигналов СБМА-2000 для сети радиоконтроля из трех (слева) и пяти (справа) стационарных станций
Из рис. 2 видно, что за счет высокой мощности излучения и высоты подъема антенны передатчика базовые станции сотовых сетей связи находятся в области электромагнитной доступности стационарной сети радиопеленгаторов. При одних и тех же параметрах передатчика дальность действия радиопеленгатора значительно выше для узкополосных систем, что связано с ухудшением чувствительности пеленгатора при работе в широкой полосе. В частности, для пеленгования узкополосного сигнала с высотой антенны передатчика 1,5 м на расстоянии 20 км, его мощность должна быть равна 4 Вт (при высоте приемной антенны 25 м и чувствительности пеленгатора 1 мкВ/м). Для сигнала базовой станции СБМА-2000 той же мощности требуется высота антенны передатчика в 10 раз больше.
Перейдем к построению зоны электромагнитной доступности системы из нескольких распределенных на местности пеленгаторов. Для этого рассчитаем дальность действия каждого пеленгатора при заданных параметрах передатчика и приемника, а затем объединим полученные для каждого пеленгатора области электромагнитной доступности, чтобы каждая точка соответствовала области доступности по меньшей мере двух станций радиоконтроля.
Используя данную методику, проведем расчет зон электромагнитной доступности для системы из трех и пяти радиопеленгаторов (рис. 3, 4). Расчет производился для узкополосного сигнала и широкополосного сигнала базовой станции СБМА-2000. Напряженность поля в точке приема задавалась равной 2 мкВ/м. Высота
Р. Вт p: Вт
Рис. 5. Семейство кривых, показывающих выигрыш в площади зоны обнаружения (слева) и место-определения (справа) источников излучений различной мощности при разной чувствительности
пеленгаторов
антенны приемника - 30 м. Точки расположения пеленгаторов на рисунках показаны в виде квадратов. Зоны электромагнитной доступности, соответствующие различным мощностям источника излучения, изображены в виде изолиний.
Как и следовало ожидать, зона электромагнитной доступности растет при увеличении количества станций РК. На рис. 5 приведены графики, показывающие выигрыш в площади зоны электромагнитной доступности, которое дает использование сети из пяти станций по сравнению с сетью из трех станций.
Рисунок 5 показывает, что выигрыш в размерах зон электромагнитной доступности особенно заметен при пеленговании и местоопре-делении источников малой мощности. В частности, для указанного на рис. 3 взаимного расположения радиопеленгаторов при мощности узкополосного источника излучения до 200 мВт и чувствительности пеленгатора 10 мкВ/м использование пяти радиопеленгаторов позволяет увеличить площадь зоны в 4.5 раза.
Описанная в данной работе модель Эгли позволяет проводить простую оценку размера
Воронежский государственный технический университет ЗАО «ИРКОС», г. Москва
зоны электромагнитной доступности телекоммуникационных систем для непрерывного осуществления радиоконтроля стационарными средствами.
Литература
1. Справочник по управлению использованием спектра на национальном уровне. МСЭ 2005. Женева.
2005. - 329 с.
2. Рембовский А.М., Ашихмин А.В., Козьмин В.А. Радиомониторинг: задачи, методы, средства/ Под редакцией А.М. Рембовского.- М: Горячая линия - Телеком.
2006.
3. Okamura, J. et. al., Field Streingh and its Variability in VHF and UHF Land Mobile Radio Servies, Rev. Inst. Elec. Eng., 1968, vol. 16, no. 9-10, pp. 825-873.
4. Куликов А. Н., Лавренков Ю. В., Пономарев Г. А., Сильвинский С. В. Ослабление и рассеяние ультракоротких радиоволн в городах и пригородных зонах // Итоги науки и техники. Сер. Радиотехника. М.: ВИНТИ. 1991. Т. 42.
5. Egli, John J.: Radio Propagation Above 40MC Over Irregular Terrain, Proceedings of the IRE, Vol. 45, Oct. 1957, pp. 1383-1391.
6. Каталог ИРКОС. 2010. Технические средства радиомониторинга. М.: ЗАО ИРКОС, 75 с.
7. Вартанесян В.А. Радиоэлектронная разведка.
- М.: Воениздат, 1975.
ESTIMATION OF ELECTROMAGNETIC AVAILABILITY ZONE FOR TELECOMMUNICATION SYSTEMS
V.A. Kozniin, A.V. Muratov, V.A. Sladkih
The method of estimation of electromagnetic availability zone for telecommunication systems if considered. The method corresponds to Egli model and is intended for stationary radio control stations network. The major factors influencing on size of electromagnetic availability zone are analysed. Results of modelling for narrow-band and wideband signals of cellular networks are shown
Key words: electromagnetic availability zone, radio direction finder, Egli model
