Чикрин Д.Е. Сети и системы телекоммуникаций. Сети и системы телекоммуникаций
 Скачать 5.32 Mb.
|
|
) =-73 дБВт=-43 дБмВт. 5.1.2 Децибелы и сопутствующие вычисления Здесь мы впервые упомянули термин (и единицу измерения) деци- бел 7 (дБ, dB)) и производные от него - дБВт и дБмВт. Данная единица измерения используется при измерении отношения двух произвольных ве- личины в логарифмической шкале - когда такое отношение невозможно наглядно представить в шкале линейной. Измерение в децибелах чаще 6 Чувствительность приемника - минимальный уровень сигнала, воспринимаемый прием- ником в указанном канале связи при стационарном (не меняющемся с течением времени) уровне шумов и помех. 7 Децибел - одна десятая бела - редко используемой логарифмической единицы измерений, названной в честь Александра Грэхема Белла. Децибел не является официальной единицей, включенной в систему СИ, но по решению Генеральной конференции по мерам и весам до- пускается его применение без ограничений совместно с СИ. Децибелы широко применяются в любых областях техники, где требуется измерение величин, меняющихся в широком диа- пазоне - в радиотехнике, оптике, акустике. Именно в децибелах принято измерять динами- ческий диапазон любой величины. 59 всего используется для упрощения вычислений и сокращения нотации - разница в мощности двух сигналов на каждые 10 дБ соответствует разни- це еще в 10 раз; на 3 дБ - в 2 раза; на 6 дБ - в 4 раза и т.д. Так, сигнал, обла- дающий мощностью в 42 децибел-Вт превосходит в 2·10·10·10·10 = 20000 раз сигнал мощностью в 1 Вт, т.е. обладает мощностью в 20 кВт; напро- тив, сигнал мощностью в -160 дБВт в 10 −16 меньше по мощности, чем 1 Вт, т.е. обладает мощностью в 0.1 фемтоВатта. Это интересно: В большинстве случае в радиотехнической лите- ратуре и описаниях устройств используется англоязычный термин dBm 8 Формула преобразования из дБВт в dBm следующая: M дБВт=M+30 дБмВт. 5.1.3 Модель свободного распространения и ВЧ- сигналы Согласно показанной выше модели свободного распространения при возрастании частоты сигнала в N раз полезная дальность связи падает в N 2 . Однако в современных системах связи используются исключительно высокочастотные сигналы. В чем же преимущества и причины использо- вания высокочастотных сигналов перед низкочастотных? Основных, фун- даментальных причин - три; вторичных имеется множество. Итак, это: • Дефицит радиоресурса, связанный с огромным количеством радио- систем, используемых в мире. Полоса радиочастот ниже 1 ГГц пре- дельно жестко регламентирована с дискретностью до нескольких кГц подзаконными актами во всех странах мира. • Требования к скорости передачи информации. Из теории инфор- мации известно, что реальная пропускная способность 1 Гц полосы частот не превышает 2-4 бит. Таким образом, для передачи потоков хотя бы в несколько Мегабит-с одновременно несколькими источни- ками 9 необходимо осуществлять вещание на высоких частотах. • Требования к размерам антенны - так называемый эффективный 10 размер антенны должен быть сопоставим с длиной волны. Таким об- разом, для обеспечения эффективного приема сигналов с частотами 8 dBm или дБмВт - то, насколько децибел заданное значение мощности более одного мил- ливатта. 9 Типичный случай современных АССиПД, например, сетей сотовой связи 3-го поколения. 10 участок антенны, эффективно воспринимающий энергию радиоволн. 60 в единицы МГц длины антенн должны составлять величины поряд- ка единиц и даже десятков метров. Напротив, сигналы гигагерцовых диапазонов позволяют обходиться миниатюрными антеннами в пе- чатном исполнении, что приводит к возможности миниатюризации аппаратуры связи. 5.2 Зоны распространения радиоволн Как уже говорилось выше, кроме необходимого требования на пря- мую видимость, для свободного распространения радиоволн присутству- ют дополнительные условия. Одним из которых является работа радиоси- стемы в так называемой дальней зоне распространения. Поясним данный и смежные ему термины. 5.2.1 Структура ближней и дальней зон распростра- нения Электромагнитная волна (электромагнитное поле) существенно ме- няет свои свойства при различном удалении от источника излучения. Так, в непосредственной близости (в так называемой ближней зоне) от источ- ника на свойства электромагнитной волны оказывает влияние сам источ- ник излучения (рисунок ниже). Рис. 5.2: Ближняя зона распространения радиоволн При этом, как видим, сама ближняя зона имеет две области - на- ходящуюся максимально близко к излучающей апертуре 11 - так назы- ваемая реактивная - неизлучающая зона. При работе в данной зоне приемник является как бы продолжением антенно-фидерного тракта пе- редатчика, оказывает непосредственное влияние на передающий тракт и 11 Апертура - раскрыв антенной системы. 61 непоправимо повреждает сигнал (внося в него недопустимые нелинейные амплитудные и фазовые искажения - так называемую реактивную со- ставляющую ), не позволяя принять его ни самому себе, ни другим при- емным устройствам. Граница реактивной зоны может быть вычислена по следующей формуле для антенн с маленькой эффективной длиной: r < λ 2 ∗ pi (5.3) Рис. 5.3: Размеры ближней зоны для антенн с маленькой эффективной длиной И по несколько другой формуле для антенн с существенным значе- нием эффективной длины: r < 0.62 · r D 3 λ , (5.4) Рис. 5.4: Размеры ближней зоны для антенн с большой эффективной длиной где D - эффективная длина антенны (м.). Данная граница для сиг- налов диапазона в несколько ГГц соответствует расстояниям в несколько десятков сантиметров. 62 Вторая, излучающая область ближней зоны называется зоной Фре- неля 12 , обладающую двумя основными свойствами: • Законы распространения в области Френеля схожи с распростране- нием оптической волны 13 • Электромагнитное поле в области Френеля обладают интересным свойством - при своем нахождении в области Френеля любой прием- ник забирает очень большую часть общей мощности радиоволны. 14 Граница области Френеля обычно определяется на расстоянии нескольких метров по следующей формуле: r < 2 · D 2 λ (5.5) , но ее характерные эффекты обычно распространяются, хотя и с существенно меньшей интенсивностью, и далее, вплоть до расстояния в 10-20 длин ЭМ 15 волны. Данная переходная область так и называется - переходной зоной распространения радиоволн или средней зоной распро- странения Зона, находящаяся после области Френеля, называется дальней зо- ной распространения радиоволн или зоной Фраунгофера. Дальняя зо- на распространения является основной для рассмотрения эффектов рас- пространения радиоволн и основной зоной для работы терминального и базового оборудования произвольных АССиПД. Мощность сигнала, рас- пространяющегося в прямой видимости в зоне Фраунгофера в общем слу- чае подчиняется 5.1 модели распространения в свободном пространстве. Сама же электромагнитная волна имеет так называемый сферический фронт распространения, что показано на следующем рисунке: 12 Более корректно называть данную область - областью или регионом Френеля, чтобы не путать с зонами Френеля, рассматриваемыми ниже. 13 И, таким образом, существенно подвержены эффектам диффракции и интерференции, аналогичных случаю оптических волн. 14 К сожалению, причины столь интересного эффекта находятся далеко за пределами ма- териала рассматриваемого курса лекций. Для получения более подробной информации чита- телю требуется обратиться за специализированной литературой по АФУ и распространению радиоволн, например [] из списка литературы. 15 ЭМ-электромагнитной 63 Рис. 5.5: Сферический фронт ЭМ-волны в дальней зоне распространения 5.2.2 Зоны Френеля как дополнительные условия к LOS К сожалению, к выполнению условия LOS, кроме прямой видимости и необходимости работать в дальней зоне, налагается еще одно допол- нительное условие - минимизация препятствий в так называемой первой зоне Френеля радиотракта Что же такое зона Френеля для используемого радиотракта? Дело в том, что при возникновении препятствий на пути фронта волны, он дохо- дит до приемника с амплитудными и фазовыми искажениями, что суще- ственно искажает форму ЭМ-сигнала и может уменьшить его мощность в случае прихода на приемную сторону сигналов в противофазе. Зоны Фре- неля как в оптике, так и в радиотехнике показывают влияние эффекта дифракции 16 и представляют собой набор концентрических эллипсоидов, вытянутых вдоль пути распространения (рис. ниже). 16 Эффект преломления фронта волны из-за наличия препятствия на пути распростране- ния 64 Рис. 5.6: Внешний вид зон Френеля вдоль пути распространения ЭМ-волн Радиус n-й зоны Френеля на произвольном участке пути распростра- нения определяется по следующей формуле: F n = r nλd 1 d 2 d 1 + d 2 , (5.6) где F n - радиус n-й зоны Френеля (м.); d 1 , d 2 - расстояния от обеих концов радиолинии. Итак, последним условием соблюдения признака LOS является усло- вие отсутствия препятствий в 60% от первой зоны Френеля (данный объем называется также минимальной зоной Френеля с условием максимизации ее радиуса посередине тракта: r f 1 = 8.657 r D f , (5.7) где 2 · D - длина радиотракта, км; f - частота, ГГц. 65 Лекция 6 Механизмы и модели распространения радиоволн Очень часто в реальных условиях, например, при работе АССиПД в условиях городской местности, не выполняется одно или несколько из условий распространения радиоволн в свободном пространстве (LOS). В этом случае для оценки мощности на приемной стороне и условий распро- странения рассматриваются модели и механизмы распространения радио- волн вне условий прямой видимости - модели и механизмы NLOS 1 6.1 Основные механизмы распространения радиоволн в NLOS При распространении радиоволн СВЧ 2 , в основном использующихся на сегодняшний день в гражданских АССиПД следует отметить четыре основных механизма распространения в среде с препятствиями: отраже- ние, дифракцию, рассеивание и поглощение. 6.1.1 Отражение радиоволн Отражение радиоволн от объектов происходит, когда на пути рас- пространения волны находится объект, чьи физические размеры значи- тельно выше длины волны. Радиоволны могут отражаться от скал, зда- ний, больших стеклянных окон, стен и т.д. Так, отражение является основ- 1 NLOS - non-line of sight - вне зоны прямой видимости 2 В общем виде под волнами СВЧ (сверхвысоких частот) понимаются радиоволны с ча- стотой не ниже 100 МГц и плоть до оптического диапазона (сотни ГГц). 66 ной причиной так называемого эффекта многолучевого распространения 3 в современных АССиПД. Именно практически из-за полного отсутствия эффектов отражения ДВ и КВ-волны 4 передаются на огромные рассто- яния и могут быть приняты даже на противоположной стороне земного шара 5 . Пример эффекта отражения приведен на рис. ниже. Рис. 6.1: Отражение радиоволн от объектов на пути распространения 6.1.2 Дифракция радиоволн Механизм дифракции радиоволн, также как и отражения, схож с од- ноименным оптическим механизмом распространения. Дифракция радио- волны - это изменение направления распространения волны, происходя- щее в случае попадания электромагнитной волны на кромку объекта, на- пример, кромку крыши здания. Однако, в отличие от оптических волн, для случая СВЧ-сигналов дифракция меняет не только направление рас- пространения, но и амплитуду, фазу и поляризацию волны в точке ди- фракции. Необходимо заметить, что при очень высоких частотах сигналов (де- сятки Ггц) эффект дифракции начинает встречаться все реже - данное обстоятельство объясняется тем, что электромагнитная волна на таких частотах начинает вести себя скорее как поток частиц, а не как волна. Именно механизм дифракции позволяет принимать сигналы не в преде- лах прямой видимости (в т.н. зоне полутени 6 ); более того, в ряде случаев, вызывает перераспределение энергии волны и может привести к некото- рому усилению радиосигнала за препятствием. 3 Когда сигнал приходит на оконечное устройство не одной волной, а несколькими, с раз- личных направлений и с различными временными задержками. 4 Длинные волны (0,3-3 Мгц); короткие волны - (3-30 МГц). 5 Данные типы волн также называются поверхностными благодаря способностью огибать особенности рельефа. 6 Зона тени - зона приема существенно ослабленного радиосигнала или отсутствия приема сигнала. Зона радиотени - зона, находящаяся за препятствием и прием в которой возможен вследствие основных механизмов распространения радиоволн по траекториям NLOS. 67 Рис. 6.2: Дифракция радиоволн на кромках объектов Чем выше частота волны, тем хуже прием в области радиотени. 6.1.3 Эффект рассеивания Рассеивание радиоволн происходит в том случае, когда в среде рас- пространения электромагнитной волны находится много мелких (по срав- нению с длиной волны) элементарных объектов - пылинок . Таким обра- зом, эффект рассеивания, в основном, происходит в иррегулярных струк- турах, находящихся на пути распространения волны - облаках, листве деревьев; вносят свой вклад в рассеивание электромагнитных волн фо- нарные столбы и дорожные знаки 7 Рис. 6.3: Эффект электромагнитного рассеивания на иррегулярных структурах Электромагнитное рассеивание - один из наиболее пагубных меха- низмов распространения радиоволн в NLOS. 6.1.4 Механизм поглощения радиоволн При попадании радиоволн внутрь слабоструктурированного объек- та, происходит поглощение радиоволн, связанных с хаотичным распро- странением и взаимной компенсацией отдельных участков ЭМ-волны при распространении внутри данного объекта. Одним из наиболее показательных примеров является поглощение радиоволн рассеянными в воздухе частицами воды (водной взвесью). При- мер характеристик поглощения радиоволны водной взвесью в зависимо- сти от частоты сигналы приведены на следующем рисунке. 7 Данный эффект связан с слишком малым размером поперечного сечения данных объ- ектов для обеспечения эффекта отражения и отсутствием углов для срабатывания эффекта дифракции. 68 Рис. 6.4: Эффект поглощения радиоволн водной взвесью 6.2 Модели распространения радиоволн в NLOS Совокупность действия основных механизмов распространения ра- диоволн в условиях NLOS приводит к тому, что мощность принимаемо- го абонентским устройством сигнала является сложным вероятностным процессом, зависящим от множества параметров. В свою очередь, для по- строения систем АССиПД требуется достаточно точный расчет дальности радиосвязи, планирование радиосети и определение реальных характери- стик принимаемого сигнала. В результате, в современных АССиПД реаль- ный расчет распределения электромагнитного поля в NLOS осуществля- ется на базе двух принципиально отличающихся классов моделей - круп- ного масштаба 8 и малого масштаба 9 . Общая классификация моделей рас- пространения приведена на следующем рисунке. 8 Анг. - large scale model. 9 Анг. - little scale model. 69 Рис. 6.5: Классификация типовых моделей распространения радиоволн 6.2.1 Основные положения расчета дальности связи В качестве основы для аналитических расчетов дальности радиосвя- зи используются основные документы МККР 10 Рекомендация 370 и Отчет 239 , а также разработанная на их основе Методика определе- ния ожидаемой дальности УКВ-радиосвязи с подвижными объектами , предназначенная изначально для расчета систем связи с аналоговыми сиг- налами. В основе данной методики лежат следующие положения: • Величину зоны радиосвязи системы связи с подвижными объектами рассчитывают, исходя из минимального соотношения сигнал-шум на выходе приемника, при которой обеспечивается заданная разборчи- вость речи (для систем с цифровыми сигналами данное понятие заменяется на уверенность приема 11 ). • Все расчеты по Методике имеют вероятностный характер; при этом для общих задач частотно-территориального планирования 12 10 Международный консультативный комитет по радиосвязи; англ. - ITU-R - International Telecommunication Union-Radio. 11 Уверенность приема На уровне в K% означает, что с вероятностью, не ниже K% (на протяжении не менее K% времени) обеспечивается устойчивый прием сигнала (мощность сигнала на приемной стороне выше чувствительности приемника для заданных условий свя- зи). 12 Расчета основной зоны покрытия и распределения кластеров и отдельных базовых стан- 70 используются рассмотренные далее модели распространения; при проектировании пикосотовых сетей и определения покрытия отдельного объекта - модели замирания 13 совместно с моделями распространения. В моделях распространения рассматривается влияние на электро- магнитное поле макроэффектов, обусловленных препятствиями большого размера (по сравнению с длиной волны). Согласно данному типу моде- лей, ЭМ поле в крупном масштабе остается таким же, как и в свободном пространстве, а именно стационарным, монотонным и гладким. Стаци- онарность означает неизменность структуры поля во времени; монотон- ность - непрерывное убывание величины поля с увеличением расстояния от приемника до передатчика; гладкость - соответствие малых изменений расстояния малым изменениям напряженности поля. Все модели распространения формулируются исходя из достиже- ния уверенности приема на уровне в 50% , т.е. определяют матема- тическое ожидание уровня мощности сигнала на заданном состоянии 6.2.2 Модель Ли Одна из наиболее простых моделей распространения крупного мас- штаба была предложена Вильямом Ли 14 . Указанная модель позволяет с минимальным количеством вычислений определить среднее значение мощности, измеренной на расстоянии d от передающей станции согласно следующей формуле: P rec (d) = P 0 d d 0 −γ f f 0 −n F 0 (6.1) или в логарифмическом представлении: P rec (d) dB = P 0,dB − γ lg d d 0 − n lg f f 0 + F 0,dB ; F 0 = |