Применение различных моделей распространения радиоволн на дифракционных трассах для расчета сетей поездной радиосвязи Текст научной статьи по специальности «Математика»

УДК 621.396.9

Д. Н. Роенков, Г. О. Коренной

ПРИМЕНЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ МОДЕЛЕЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН НА ДИФРАКЦИОННЫХ ТРАССАХ ДЛЯ РАСчЕТА СЕТЕЙ ПОЕЗДНОЙ РАДИОСВЯЗИ

Рассмотрен механизм учета рельефа местности, используемый в действующих «Правилах организации и расчета сетей поездной радиосвязи ОАО РЖД». Показаны его недостатки. Проанализированы современные модели учета дифракционных потерь, представленные в рекомендациях Международного союза электросвязи. Описаны возможные варианты представления реального рельефа местности с помощью расчетных моделей, даны критерии выбора той или иной модели. Предложено совершенствование методологии расчета каналов поездной радиосвязи с использованием международных рекомендаций.

технологическая железнодорожная радиосвязь, поездная радиосвязь, модель радиоканала, модель распространения радиоволн, дифракционные трассы, дифракционные потери.

Введение

Оценка дифракционных потерь на радиотрассе является одной из важнейших задач, возникающих при проектировании сетей поездной радиосвязи (ПРС).

Используемый в действующих Правилах организации и расчета сетей поездной радиосвязи механизм учета влияния рельефа местности на распространение сигнала не отвечает в полной мере существующим требованиям по точности и достоверности результатов расчетов.

Альтернативой данному механизму могут послужить модели, предложенные в соответствующих Рекомендациях Международного союза электросвязи (МСЭ).

1 Механизм учета рельефа местности, приведенный в Правилах ПРС

Данный механизм подразумевает подразделение по характеру профиля местности всех трасс ПРС на пять типов. Каждому типу соответствует определенное значение коэффициента сложности трассы Кст, которое может колебаться в пределах от 1 до 5. Для более точного определения типа трассы

138

по ее характеристикам введены условно понятия нулевого (Кст = 0) и шестого (Кст = 6) типов трассы.

Трасса типа 1 (равнинная, Кст = 1) характеризуется невысокими холмами с глубиной закрытия трассы до 10 м и колебаниями уровня земной поверхности Ah не более 15 м.

Трасса типа 2 (среднепересеченная, Кст = 2) имеет колебания уровня не более 50 м. Она встречается в большинстве районов европейской части России.

Трасса типа 3 (легкая горная, Кст = 3) является промежуточной между холмистой и сложной горной.

Трасса типа 4 (сложная горная, Кст = 4) является типичной для горной местности. Ее профиль характеризуется резкими колебаниями. Глубина закрытия трассы может достигать 60 м.

Трасса типа 5 (горная повышенной сложности, Кст =5) имеет очень сложный профиль. Глубина закрытия трассы достигает 100 м и более.

Трассы, занимающие промежуточное положение между приведенными выше типами, характеризуются коэффициентами Кст, равными 1,5; 2,5; 3,5; 4,5.

Кроме того, на выбор типа трассы влияет общая протяженность закрытия трассы, расстояния до препятствия от передатчика и приемника. Как правило, при определении типа трассы по разным показателям могут получаться разные результаты. Поэтому окончательно тип трассы рассчитывается как среднее значение из нескольких типов, определенных в отдельности по каждому из критериев.

От коэффициента Кс т зависят численные значения двух дополнительных коэффициентов: коэффициента ат, дБ, учитывающего условия распространения радиоволн на конкретной трассе радиосвязи, и коэффициента К дБ, который учитывает медленные колебания напряженности поля вследствие изменения рельефа местности. При расчете значение уровня сигнала в точке приема увеличивается или уменьшается на величину этих коэффициентов [1].

Данный подход к учету влияния рельефа местности на распространение радиоволн обладает несколькими недостатками. Во-первых, не реализована зависимость дифракционных потерь от частоты сигнала. Во-вторых, тип трассы является неким усредненным показателем, не отображающим реального профиля местности, в то время как характер распространения сигнала в начале и в конце профиля может значительно различаться.

2 Метод Буллинггона

В [2] предложен дифракционный метод Буллингтона для учета влияния рельефа местности на распространение радиоволн. Ниже приведено краткое описание этого метода.

139

Трасса задается профилем, состоящим из набора высот местности для заданного числа промежуточных точек.

Общие потери из-за дифракции для всей трассы вычисляются по формуле:

Ld = Ldba + max {Ldsph — Ldbs ,0} , (1)

где Ldba - потери из-за дифракции, рассчитываемые по методу Буллингтона для реального профиля трассы; Ldsph - дифракционные потери из-за сферичности Земли; Ldbs - потери из-за дифракции, рассчитываемые по методу Буллингтона для гладкого профиля трассы.

Потери из-за сферичности Земли

L

'dsph

1 - h / h

req

L

dft-

(2)

где h - просвет трассы; heq - просвет трассы, при котором дифракционные потери равны нулю; L - первый член ряда, описывающего дифракционные потери из-за сферичности Земли; Lfft зависит от электрических характеристик поверхности Земли, частоты и поляризации сигнала, геометрических параметров трассы (эффективных высот передающей и приемной антенн, расстояний между этими антеннами).

Для определения дифракционных потерь для реального профиля вводится безразмерный параметр v, определяемый для каждой промежуточной точки профиля. Суть данного метода заключается в том, что к этому параметру сводятся все существенные для распространения сигнала геометрические характеристики профиля местности. Кроме того, v учитывает зависимость величины влияния рельефа местности на распространение сигнала от его частоты. Затем, после определения множества значений, рассчитывается промежуточное затухание Ldbka для максимального v:

Ldbka J ( V max ),

где функция J (v) определяется следующим образом:

J(v) = 6,9 + 20log ^(v-0,1)2 +1 + v — 0,1

(3)

если v > -0,78; (4)

J(v) — 0 - в других случаях. (5)

После этого рассчитываются дифракционные потери для реального профиля в соответствии с формулой:

Ldba = Ldbka + \_1 exp ( Ldbkal6)] (10 + 0,2d). (6)

140

Потери для гладкого профиля рассчитываются подобным образом. Сначала рассчитывается параметр v. Потом аналогично Ldbka по формуле (3) определяется промежуточное значение Ldbks. После этого потери для гладкого профиля определяются по формуле:

Ldbs = Ldbks + [l - exp (-Ldbksl6)] (l0 + 0,2d). (7)

Эта модель является универсальной. Она дает надежные результаты для всех видов трассы, открытых или закрытых, неровных или гладких, как проходящих над морем или крупными водоемами, так и полностью сухопутных. Кроме того, данный метод можно использовать, когда нет априорной информации о характере распространения сигнала на трассе или о возможных препятствиях на местности. Это типичный случай, когда компьютерная программа, используемая для расчетов, выбирает из базы данных высоты наземных точек на полностью автоматической основе, т. е. проверка параметров трассы на месте отсутствует.

3 Изолированные препятствия

На многих трассах распространения радиоволн встречаются одно или несколько отдельных препятствий, поэтому целесообразно оценить потери, вызванные этими препятствиями. Чтобы осуществить расчеты, необходимо идеализировать их форму, предположив, что они являются либо клиновидными пренебрежимо малой толщины, либо объемными гладкими объектами с хорошо обозначенным радиусом кривизны в вершине. Соответствующие модели предложены в [3].

3.1 Одиночное препятствие

На рисунке 1 представлены возможные идеализации формы препятствия. Для каждого идеализированного препятствия вычисляется параметр v. Затем по формуле (4) определяется функция J(v). В случае, соответствующем рисунку 1, а, б, потери будут равны ее значению. В случае, соответствующем рисунку 1, в, необходимо учесть дополнительные потери, обусловленные кривизной препятствия.

3.2 Двойные изолированные препятствия

Этот метод состоит в применении теории дифракции над одиночным клиновидным препятствием последовательно к двум препятствиям, когда вершина первого препятствия действует как источник для дифракции над вторым

141

а)

б)

Рис. 1. Идеализированная форма препятствия

препятствием (рис. 2). На первой дифракционной трассе, определяемой расстояниями а, b и высотой h создаются потери L (дБ). На второй дифракционной трассе, определяемой расстояниями b, с и высотой h потери составляют L2 (дБ). L и L2 вычисляются по формулам одиночного клиновидного препятствия. Поправочный член Lc (дБ) должен быть добавлен для учета разноса b между кромками препятствий. Lc можно вычислить по следующей формуле:

L

10 log

(а + b) (b + с) b (а + b + с)

(8)

142

Рис. 2. Два основных препятствия

Приведенная формула справедлива, когда каждая из величин L1 и L2 превышает 15 дБ. Тогда полные дифракционные потери определяются:

L = L + L2 + Lc. (9)

Указанный выше метод целесообразно использовать, в частности, когда эти две кромки приводят к схожим потерям.

В случае, когда одна из кромок препятствий оказывает преобладающее влияние (рис. 3), первая дифракционная трасса определяется расстояниями а, b + с и высотой Н Вторая дифракционная трасса определяется расстояниями b, с и высотой h'

М

Рис. 3. Основное и второстепенное препятствия

Для учета расстояния разнесения между двумя кромками препятствий, а также их высот необходимо вычесть поправочный член Тс (дБ). Величина Тс (дБ) может быть определена по следующей формуле:

г \

12 — 20logio 2

1 а

\ п)

V2 р р;

(10)

143

при

p =

q =

2 (a + b + c) X (b + c)a

2 (a + b + c) X (a + b)c

1/2

1/2

H2;

tan a =

b(a + b + c)

ac

1/2

Тогда общие дифракционные потери определяются по формуле:

L = L + L2-Tc. (11)

Этот метод применим и в случае закругленных препятствий.

3.3 Несколько изолированных препятствий

При рассмотрении дифракции над пересеченной местностью, которая создает одно или несколько препятствий при распространении в пределах прямой видимости, можно применить метод, предполагающий, что каждое препятствие представляет собой цилиндр, радиус которого равен радиусу кривизны на вершине препятствия.

Профиль местности должен быть представлен в виде ряда выборок высот земной поверхности над уровнем моря, причем первая и последняя из них являются высотами передатчика и приемника.

Первым шагом является проведение анализа профиля по методу «натянутой веревки» (рис. 4). Данный шаг позволяет определить точки элементов

«Натянутая веревка»

144

профиля, которых будет касаться «веревка», натянутая над профилем от передатчика к приемнику. Причем для последовательных элементов профиля с расстояниями разнесения не более 250 м любая группа точек «веревки» должна рассматриваться в качестве одного препятствия.

Общие дифракционные потери представляют собой сумму трех членов:

- суммы потерь за счет дифракции над цилиндрами;

- суммы дифракционных потерь на субтрассе между цилиндрами (а также между цилиндрами и соседними терминалами);

- поправочного коэффициента, учитывающего потери на рассеяние за счет дифракции над последовательно расположенными цилиндрами.

Заключение

Традиционный механизм учета влияния рельефа местности на распространение полезного сигнала, используемый при расчете сетей поездной радиосвязи, является приблизительным. Более того, при расчете сетей ПРС, организуемых в разных частотных диапазонах, недостаточно лишь общей методики.

Для повышения точности прогнозирования радиопокрытия на трассах технологической железнодорожной радиосвязи необходим набор моделей дифракционных потерь, которые позволяли бы оценивать дифракцию на радиотрассах различного вида, моделей, из которых можно было бы с учетом реального профиля местности выбрать наиболее подходящий механизм учета дифракции и которые позволяли бы проводить расчеты в широком частотном диапазоне и с высокой точностью. Для решения данной задачи в работе предлагается использовать методологический аппарат учета рельефа местности, рекомендованный МСЭ, в методике расчета сетей поездной радиосвязи диапазона 160 МГц.

Библиографический список

1. Правила организации и расчета сетей поездной радиосвязи открытого акционерного общества «Российские железные дороги». № ХЗ-7970, утв. 26.08.2004. - С. 79-88.

2. ITU-R Р.2001. A general purpose wide-range terrestrial propagation model in the frequency range 30 MHz to 50 GHz. - 02.2012 - URL: http://www.itu.int/rec/R-REC-P.2001-0-201202-I/en (дата обращения 5.04.2012).

3. ITU-R Р.526. Propagation by diffraction. - 02.2012 - URL: http://www.itu.int/rec/ R-REC-P.526-12-201202-I/en (дата обращения 5.04.2012).

© Роенков Д. Н., Коренной Г. О., 2012

145