CC BY
9Влияние факторов окружающей среды на системы связи
пятого поколения
Н.С. Мальцева, Д.С. Бондаренко, А.В. Осовский, Д.В. Кутузов, В.С. Шардакова Астраханский государственный технический университет, г. Астрахань, Россия
Аннотация. В настоящее время в России и во всем мире происходит внедрение нового, пятого поколения систем сотовой связи, развитие которого приведет к росту пропускной способности сетей операторов сотовой связи, внедрению новых, инновационных услуг, новому взгляду на применение мобильной связи в целом. В России связь пятого поколения организована путем перехода в свободный частотный ресурс (4400-4990 МГц и 24,25-29,5 ГГц). Но волны данного диапазона очень подвержены влиянию окружающей среды, что необходимо учитывать при проектировании систем связи 5G. В статье рассмотрены причины затухания сигналов миллиметрового диапазона частот: затухание при распространении в свободном пространстве; при распространении в газах атмосферы; потери энергии при распространении в дождь, туман, при сильной влажности; замирания сигналов; затухание при распространении через листву и стволы деревьев; ослабление сигналов при прохождении через плотные препятствия, например, стены зданий.
Ключевые слова: системы сотовой связи, распространение радиовлн, отражение радиоволн, атмосфера, затухание, ослабление сигнала, миллимитровые волны.
Введение
В настоящее время в России и во всем мире происходит внедрение нового, пятого поколения систем сотовой связи, развитие которого приведет к росту пропускной способности сетей операторов, внедрению новых, инновационных услуг, новому взгляду на применение мобильной связи в целом.
Для использования частотного диапазона стандарта связи пятого поколения используется общий интервал не занятых частот в диапазоне от 71 до 95 ГГЦ, он превышает 12 ГГц и позволяет использовать широкополосные системы передачи без негативного влияния других радиосистем.
Анализируя формулу Шеннона для пропускной способности канала связи, можно сделать вывод, что увеличение пропускной способности возможно либо за счет расширения полосы используемых частот, либо за счет увеличения мощности передаваемого сигнала:
Р
С = А/ 1ов2(1 + Р)
* , (1) где: А/ - полоса частот, Рс - средняя мощность сигнала, N - средняя мощность шума.
Увеличение мощности передаваемого сигнала связано с рядом проблем, поэтому акутальной является задача исследования возможности расширения полосы частот канала связи. Передачу информации поколения 5G, возможно реализовать в миллиметровом диапазоне (ММД) частот. Диапазон миллиметровых волн достаточно хорошо изучен, но используется не полностью, что объясняется как сильным затуханием ММВ при распространении, так и не готовностью оборудования, работающего в данном диапазоне.
Технология 5G это перспективное поколение стандартов сотовой связи, применяемых во всех
крупных странах. Для данного стандарта во всем мире выделен частотный диапазон СВЧ (3,4 -3,8 ГГц). В России он используется Министерством обороны и «Роскосмосом», поэтому гражданская связь пятого поколения будет организована путем перехода в свободный частотный ресурс (4,4 - 4,9 ГГц). Но миллиметровый диапазон очень подвержен влиянию окружающей среды, зависит от скорости перемещения абонента, ослабляется в твердых материалах (стены зданий) и вблизи подстилающей поверхности.
1. Постановка задачи
При проектировании сетей сотовой связи стандарта пятого поколения важным является понимание основ распространения сигнала ММВ в атмосфере, в условиях сильного дождя или повышенной влажности, вблизи подстилающей поверхности, через листву деревьев и в твердых материалах. В работе рассмотрены результаты теоретических исследований по данной тематике.
В статье поставлена задача изучения влияние факторов окружающей среды на распространение сигнала миллиметрового диапазона.
2. Обзор известных технических
РЕШЕНИЙ
Особенности внедрения сетей пятого поколения обсуждаются учёными, проектировщиками, инженерами уже несколько лет. Авторы статьи [1] еще в июньском номере 2016 года прогнозируют, что в 2017 году около 67 млн. автомобилей будут пользоваться сервисами 5G. На три миллиона самоуправляемых автомобилей приходится три миллиона человек, которые ими управляют. Как известно, данная технология позволит повысить скорость отклика до уровня
5G, что сделает ее наиболее подходящей для широкополосного потокового медиаконтента, передачи диагностической информации сервисному центру, а также использования в системах межмашинного взаимодействия. А авторы [2] предложили свое видение перспектив развития сетей 5G. Существует правило десяти лет: первое поколение появилось на 1981, второе в 1992, третье в 2001, четвертое в 2010 году. Сроки перенесли на 2022 год. Из данной статьи [3] можно узнать о новом методе с использованием нескольких компактных антенных измерительных диапазонов (CATR) отражателя для одновременного выполнения нескольких угловых измерений для устройств 5G, способных создавать пучок в миллиметровом диапазоне частот. Подобные исследования были опубликованы также и в [2], где была представлена разработка гибридной приемопередающей системы формирования луча миллиметровой волны (HBF) для связи 5 G и миллиметровой волны с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO).
Усовершенствованная приёмо-передающая система, разработанная для работы на частоте 28 ГГц в режиме дуплекса с временным разделением и полосой пропускания сигнала 500 МГЦ. В работе [5] говорится о перспективах сетей мобильной связи 5G на территории России, которые выражаются в увеличении количества пользователей, пользующихся услугами высокоскоростной передачи данных по радиочастотному каналу, а также снижении стоимости оказываемых услуг, связанных с высокоскоростной передачей данных по радиочастотному каналу. Обзор литературы показывает, что внедрение и перспективы развития сетей пятого поколения признаны исследовательским сообществом. Однако, ни одно из исследований, не может дать точного прогноза развития событий, так как не решена проблема зависимости от погодных условий и точной юстировки антенн при использовании сетей 5G, работающих в миллиметровом диапазоне частот.
3. Влияние замираний на сигнал ММД
На условия распространения волн ММД почти не влияет смена времени суток и сезонов года, но существуют другие причины, не позволяющие активно использовать волны этого диапазона для повсеместной передачи информации. Одна из таких причин - замирания сигнала. Под замираниями понимают изменения уровня сигнала во времени.
Выделяют две разновидности замираний: быстрые и медленные. Медленные замирания напрямую зависят от метеоусловий, быстрые -вызваны движением абонентов.
Медленные замирания возникают вследствие изменения условий распространения сигнала (например повышение влажности воздуха, изменение свойств подстилающей поверхности после дождя, сильные дожди, муссоны). Подобные процессы происходят относительно редко и долго, поэтому медленные замирания в ММД можно характеризовать, как не систематические перемены медианного значения принимаемого сигнала. Математически описать процесс медленных замираний можно с помощью логарифмически-нормального закона распределения вероятностей.
В реальных системах медленные замирания сигнала ММД могут достигать единиц децибел, при этом их отрицательное влияние на передаваемый сигнал будет ощущаться только при длительных сеансах связи. Тем не менее, при проектировании оборудования связи, работающего в данном диапазоне, необходимо учитывать потери энергии на медленные замирания сигнала.
Быстрые замирания в ММД объясняются многолучевым характером распространения сигнала. Частота и глубина замираний, масштабы пространственной и частотной корреляций существенно изменяются даже в течение относительно коротких интервалов времени, в связи с этим уровень сигнала носит случайный характер, быстрые замирания являются не стационарным процессом.
Сигнал на антенне приемника создается вследствие интерференции радиоволн, прибывающих различными путями
распространения. Любая приходящая волна характеризуется собственной амплитудой, периодом распространения, фазовым сдвигом при отражении и доплеровским сдвигом частоты. При изменении обстоятельств распространения, качеств отражателей, углов падения на подстилающую поверхность, положения приемника и отражателей изменяются параметры интерферирующих сигналов, и, соответственно, изменяется фаза и амплитуда суммарного сигнала.
Нестационарность процесса быстрых замираний прослеживается, в том числе и если абонент недвижен или движется медленно, а если он двигается быстро, то замирания проявляются в больше степени.
В зависимости от быстроты передвижения абонента свойства радиоканала изменяются и, по аналогии с концепцией радиорелейной связи [69], можно определить кратковременные интервалы, на которых свойства канала изменяются незначительно, то есть определить интервалы локальной стационарности замираний.
Быстрые или интерференционные замирания возникают из-за перемены взаимных амплитудных и фазовых соотношений сигналов,
пришедших по различным маршрутам распространения.
Физиологическим фактором быстрых замираний считается радиоинтерференция в приемной антенне множества волн со случайными амплитудами и произвольными фазами, приходящих к приемнику по различным маршрутам распространения от передатчика. Эти пути распространения включают как короткий прямой путь, при существующей радиовидимости между передатчиком и приемником, так и несколько наиболее длительных путей за счет отражения распространяющегося сигнала от подстилающей поверхности и от местных объектов. При движении мобильных абонентов средняя частота замираний может составлять единицы герц. Этот факт приводит к пакетам ошибок в передаваемом сообщении и значительно влияет на достоверность и качество передачи.
4. Распространение миллиметровых
ВОЛН В АТМОСФЕРЕ
Так же вклад в ослабление сигнала ММД при распространении вносит затухание в свободном пространстве при распространении сигнала на большие расстояния. Затухание в свободном пространстве зависит от рабочей частоты систем связи и расстояния между абонентами.
Изменчивость воздушного слоя в зависимости от погодных условий, а также турбулентность воздуха обусловлены влиянием меняющихся с погодой параметров подстилающей поверхности и турбидности воздуха. В зависимости от того, как сильно ослабляется сигнал ММД в атмосфере, различают резонансное и не резонансное затухание сигнала. Резонансное затухание возникает вследствие прохождения сигнала через молекулы кислорода и воды (например, в дождь или туман). С этим связано то обстоятельство, что по законам квантовой теории каждый объект может поглощать только определенный, свойственный ему набор квантов энергии или группы частот. Наибольшую концентрацию в ММД имеют молекулы кислорода и молекулы воды. Эти вопросы были исследованы во многих научных трудах [6 -12].
Проведя анализ, можно сделать вывод, что интенсивное поглощение происходит в диапазоне волн 2,5 мм и 5 мм - для кислорода и в диапазоне волн 1,8 мм и 13,6 мм - для водяного пара. Исследование показало отсутствие сильного поглощения миллиметровых радиоволн в углекислом газе и озоне, а также в метане.
С учетом рассеяния сигналов во время полета над северным полюсом, влияние на условия распространения сигнала ММД времен года будет проявляться только в том, что на трассе в районе северного полюса уровень сигнала в летние месяцы выше, нежели в зимние [6]. Здесь
нужно учесть, что в средних широтах сезонные изменения среднего показателя сигнала достигают 10 - 12 дБ (это необходимо учитывать при расчете радиолиний ММД).
Так как средний размер капель дождя сопоставим с длиной волны миллиметрового диапазона, возникает зависимость
распространения сигнала в дождь или густой туман. В [12] приводятся зависимости для расчета затухания сигнала от интенсивности дождя. Интенсивность при этом измеряется в мм/ч. Легкий дождь имеет интенсивность 2.5 мм/ч и вносит затухание в 1дБ/км. Интенсивность проливного ливня принимается равной 150 мм/ч и вносит затухание в десятки децибел, что ведёт к сильным искажениям передаваемого сигнала.
Но дожди такой интенсивности встречаются лишь в некоторых регионах. Тем не менее, при проектировании систем связи пятого поколения необходимо учитывать эти зависимости и планировать возможность вызова экстренной службы при возникновении непогоды и прерываниях в передаче сигнала связи.
В обзорах [10, 11] подробно рассмотрены особенности распространения сигналов ММД при дожде. Затухание связано с не сферичной формой падающих капель дождя, а также наличием направления предпочтительной ориентации осей симметрии таких капель [10, 11].
Из практики применения радиоэлектронной аппаратуры сантиметровых диапазонов следует отметить, что поглощением ММД в атмосфере дыма и пыли можно пренебречь, поскольку размер пылевых частиц значительно меньше 1 миллиметра и их отражающая поверхность мала.
5. Распространение ММД над ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
В системах пятого поколения абонентские станции могут быть как стационарные, носимые (например, абонентами), так и устанавливаемые на транспортных средствах. Сигнал от мобильных станций, устанавливаемых на транспортных средствах, и носимых абонентами, распространяется в непосредственной близости к подстилающей поверхности, что связано с рядом особенностей. Постилающая поверхность характеризуется наличием неоднородностей, размер которых сопоставим с длиной волны в системах связи.
В связи с этим, на приемную антенну будет приходить как сам сигнал, так и множество отражённых от неровностей подстилающей поверхности волн с разными фазами и амплитудами.
6. ПОГЛОЩЕНИЕ МИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛН ПРЕПЯТСТВИЯМИ
В отличие от низкочастотных волн, которые легко проникают сквозь лесные массивы и стены
домов (в том числе и через бетон), миллиметровые волны не проходят через большинство видов твердых материалов, затухая в них. При прохождении через лес, в нем происходит значительное поглощение миллиметровых волн в листве и стволах деревьев. В соответствии с этим и опираясь на многолетние экспериментальные исследования, проводившиеся в разных странах, МСЭ разработал рекомендации МСЭ- Я Р.833-5 в которых приведены сведения, необходимые для расчета трасс связи между участками леса. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что лесные массивы ослабляют сигналы ММД и даже влияют на поляризацию. Кроме того, если лесные массивы будут достаточно обширны, сигнал станет слабее и его поляризация значительно уменьшится. Также в рекомендациях МСЭ есть формулы для расчета проходящей через растительную и рассеянную составляющую, а также методики расчета сигнала дифрагирующего над верхней частью растительного массива или его краем. В рекомендациях также говорится, что лесные массивы не просто ослабляют сигнал ММД, но и вызывают замирание сигнала. Было замечено то обстоятельство, что деревья в лиственных лесах имеют более сильное затухание сигнала по сравнению с сосновыми.
Было выявлено, что, когда линия связи проходит сквозь растительность, амплитуда принимаемых сигналов увеличивается при движении растительности. Это перемещение происходит из-за ветра, и измерения на частотах 38и 42 ГГц показали, что в этом случае между частотой амплитудной флуктуации и скоростью ветра имеется сильная корреляция.
Обычное отклонение при сильном ветре в среднем составляет около трети от средней величины потерь. Из Таблицы 1 видно, как менялась динамика замирания сигнала ММД в растительности.
Таблица 1
Динамика замирания сигнала ММД в
растительности.
Коэффициент ослабления ММВ в материалах
bM, дБ
Материал Толщина, Частота, ГГц
см
Стекло 0,5 5,9 3,1 3,6
Гипсокартон 2,4 6,1 - 6,0
Дерево 0,8 6,1 3,5 -
ДСП 1,7 - 0,6 -
Штукатурка 1,6 - 2,9 -
Кирпич 9 - 178 -
Бетон 11 16,3 175 -
Однако сигнал ММД проходит через окна и деревянные двери. Тогда внутри помещений можно применять иные способы передачи
сигнала - беспроводные технологии, такие как фемтосоты (дополнительные ретрансляторы) и репиторы миллиметрового диапазона частот или же технологии, подобные Wi-Fi.
Выводы
Были проанализированы особенности внедрения стандарта сотовой связи пятого поколения на территории России. Для данного стандарта во всем мире выделен частотный диапазон СВЧ (3,4-3,8 ГГц). Но в нашей стране данный диапазон частот занят другими службами, поэтому для гражданской связи предлагается к использованию свободный частотный ресурс (4,4-4,9 ГГц), который очень подвержен влиянию окружающей среды, зависит от скорости перемещения абонентов, ослабляется в твердых материалах (стены зданий) и вблизи подстилающей поверхности.
Так же рассмотрены причины, вызывающие замирания сигнала связи пятого поколения.
Для компенсации отрицательного влияния свойств окружающей среды на параметры распространения сигнала ММД можно применять, например, фазированные антенные решётки. Особенностью этих решёток должен быть большой коэффициент усиления. Также для повышения пропускной способности и эффективности сети 5G возможно применение технологии MIMO (множественный ввод-вывод). Так же проводятся исследования по применению технологии разнесенного приема и помехоустойчивого кодирования при передаче информации.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Тихвинский, В.О. 5G WORLD SUMMIT - 2014: Курс прежний - ОТ 4G К 5G// T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2014. Т. 8. №№ 7. С. 95-96.
[2] Олейникова А.В., Нуртай М.Д., Шманов Н.М. Перспективы развития связи 5G// Современные материалы, техника и технологии. 2015. №№ 2 (2). С. 233-235.
[3] Corbett Rowell, Benoit Derat, Adrian Cardalda-Garcia. Multiple CATR Reflector System for Multiple Angles of Arrival Measurements of 5G Millimeter Wave Devices // IEEE Access - 2019. - 12 p.
[4] Hidayat Ullah, Farooq A. Tahir. A High Gain and Wideband Narrow-Beam Antenna for 5G Millimeter-Wave Applications // IEEE Access -2019. - 12p.
[5] Мельник, С.В. 5G - Работа над ошибками предыдущих поколений //Вестник связи. 2014. № 7. С. 29-30.
[6] Белоцерковский Г.Б. Миллиметровые волны // М.: Госэнергоиздат. - 1959. - 82 c
[7] Telnov, M. Evsyukov, K. Kovalenko. Prospects for the development of modern cellular communications // Bulletin of science and education No. 4(40), 2018, Volume 1.
[8] Smirnov, R., Kotin A. The problem of shredding of roots and tubers // 2015, pp. 1-19.
[9] Pinigin, M. Kokorich. Factors determining the spread radio waves in microwave radio networks// Bulletin of the Magistracy, 2022, № 2-1 pp. 36-40.
[10] Загорин, Г.К, Соколов, А.В. Поляризационные эффекты при распространении миллиметровых радиоволн в осадках // Тез. лекций и докл. II Всес. школы-симпозиума по распространению миллиметровых и субмиллиметровых волн в атмосфере (под ред. проф. А.В.Соколова). -Фрунзе, "Илим", 1986, с. 157-167.
[11] Загорин Г.К., Кутуза Б.Г. Особенности переноса поляризованного теплового СВЧ излучения в облаках и осадках // Радиотехника, 1998, вып. 10, с. 21-31.
[12] ITU-R P.838-3 Specific Model for Rain for Use in Prediction Methods, 2005
Наталия Сергеевна Мальцева - кандидат технических наук, заместитель директора по учебно-методической работе института Информационных технологий и коммуникаций Астраханского государственного технического университета, г. Астрахань, ул.Татищева, 16. Email: maltsevans@mail.ru
Дарья Сергеевна
Бондаренко - Ассистент кафедры «Связь», Астраханского государственного технического университета, г. Астрахань, ул.Татищева, 16. E-mail:
d.s.bondar03@vandex.ru
Алексей Викторович Осовский - кандидат технических наук, доцент кафедры «Связь» института Информационных технологий и коммуникаций Астраханского государственного технического университета, г. Астрахань, ул. Татищева, 16. Email:
a osovskiv@mail.ru
Денис Валерьевич Кутузов - кандидат технических наук, доцент кафедры «Связь» института Информационных технологий и коммуникаций Астраханского государственного технического университета, г. Астрахань, ул. Татищева, 16.
Email: d kutuzov@mail.ru
Валерия Сергеевна Шардакова - магистр направления «Инфоком-муникационные технологии и системы связи», Астраханского государственного технического университета, г. Астрахань, ул. Татищева, 16.
Email: insur-avto@mail.ru
Статья поступила 18.11.2022.
Influence of Environmental Factors on Fifth Generation Communication Systems
N.C. Maltseva, D.S. Bondarenko, A.V. Osovsky, D.V. Kutuzov, V.S. Shardakova Astrakhan State Technical University, Astrakhan, Russia
Abstract. Currently, in Russia and around the world, a new, fifth generation of cellular communication systems is being introduced, the development of which will lead to an increase in the bandwidth of cellular operators' networks, the introduction of new, innovative services, and a new look at the use of mobile communications in general. In Russia, fifth-generation communications are organized by switching to a free frequency resource (4400-4990 MHz and 24.25-29.5 GHz). But the waves in this range are very susceptible to environmental influences, which must be taken into account when designing 5G communication systems. The article considers the causes of attenuation of signals in the millimeter frequency range: attenuation during propagation in free space; when propagating in atmospheric gases; energy loss during propagation in rain, fog, with strong humidity; signal fading; attenuation during propagation through foliage and tree trunks; attenuation of signals when passing through dense obstacles, such as the walls of buildings.
Key words: cellular communication systems, radio wave propagation, radio wave reflection, atmosphere, attenuation, signal attenuation, millimeter waves.
References
[1] Tikhvinskiy, V.O. 5G WORLD SUMMIT - 2014: Kurs prezhniy - OT 4G K 5G// T-Comm: Telekommunikatsii i transport. 2014. T. 8. № 7. S. 9596.
[2] Oleynikova A.V., Nurtay M.D., Shmanov N.M. Perspektivy razvitiya svyazi 5G// Sovremennyye materialy, tekhnika i tekhnologii. 2015. № 2 (2). S. 233-235.
[3] Corbett Rowell, Benoit Derat, Adrian Cardalda-Garcia. Multiple CATR Reflector System for Multiple Angles of Arrival Measurements of 5G Millimeter Wave Devices // IEEE Access - 2019. - 12 p.
[4] Hidayat Ullah, Farooq A. Tahir. A High Gain and Wideband Narrow-Beam Antenna for 5G Millimeter-Wave Applications // IEEE Access -2019. - 12p.
[5] Mel'nik, S.V. 5G - Rabota nad oshibkami predydushchikh pokoleniy //Vestnik svyazi. 2014. № 7. S. 29-30.
[6] Belotserkovskiy G.B. Millimetrovyye volny // M.: Gosenergoizdat. - 1959. - 82 c
[7] Telnov, M. Evsyukov, K. Kovalenko. Prospects for the development of modern cellular communications // Bulletin of science and education No. 4(40), 2018, Volume 1.
[8] Smirnov, R., Kotin A. The problem of shredding of roots and tubers // 2015, pp. 1-19.
[9] Pinigin, M. Kokorich. Factors determining the spread radio waves in microwave radio networks// Bulletin of the Magistracy, 2022, № 2-1 pp. 36-40.
[10] Zagorin, G.K, Sokolov, A.V. Polyarizatsionnyye effekty pri rasprostranenii millimetrovykh radiovoln v osadkakh // Tez. lektsiy i dokl. II Vses. shkoly-simpoziuma po rasprostraneniyu millimetrovykh i submillimetrovykh voln v atmosfere (pod red. prof. A.V. Sokolova). - Frunze, "Ilim", 1986, s. 157-167.
[11] Zagorin G.K., Kutuza B.G. Osobennosti perenosa polyarizovannogo teplovogo SVCH izlucheniya v oblakakh i osadkakh // Radiotekhnika, 1998, vyp. 10, s. 21-31.
[12] ITU-R P.838-3 Specific Model for Rain for Use in Prediction Methods, 2005
Natalia Maltseva -
Candidate of Technical Sciences, Deputy Director for Educational and Methodological Work of the Institute of Information Technologies and Communications of the Astrakhan State Technical University, Astrakhan, Tatishcheva, 16. Email: maltsevans@mail.ru
Daria Bondarenko is
Assistant of the department "Communication", Astrakhan State Technical University, Astrakhan, Tati-shchev St., 16. E-mail:
d.s.bondar03@yandex.ru
Aleksey Osovskiy - Ph.D. Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Communications Department of the Institute of Information Technologies and Communications of the Astrakhan State Technical University, Astrakhan, Tatishcheva St., 16.
Email:
a osovskiy@mail.ru
Denis Kutuzov -
Candidate of Technical Sciences, Associate
Professor of the Communications Department of the Institute of Information
Technologies and
Communications of the Astrakhan State Technical University, Astrakhan, Tatishcheva St., 16. Email: d kutuzov@mail.ru
Valeria Shardakova -master of the direction "In-focommunication technologies and communication systems", Astrakhan State Technical University, Astrakhan, Tatishcheva street, 16.
Email: insur-avto@mail.ru
The paper has been received on 18/11/2022
