ЗВ и мобильная связь 2010. Запорізький національний технічний університет
 Скачать 37.31 Mb.
|
|
Модель COST 231 – Hata (Mogensen) Могенсен с соавторами совместно с европейской ассоциацией EVRO-COST предложили новую версию метода Hata, верную для частот от 1,5 ГГц до 2 ГГц. Стандартная формула для расчета средних потерь мощности в условиях города.  , (дБ),где Gms= 0 дБ постоянная для городов средних и крупных размеров с умеренной растительностью ; Gms = 3 дБ для столичных центров. Допустимые границы параметров: fc : 1500 – 2000 МГц ; hbs : 30 – 200 м ; высота мобильной антенны; hms: 1 – 10 м ; высота базовой станции; r : 1 – 20 км . Эта формула позволяет рассчитать широкий класс радиоканалов связи с учетом конкретных условий распространения радиоволн (частота несущей, высота подвеса приемной и передающей антенн, окружающего пространства и сильно зависит от практического опыта специалиста). Модели Hata и модель COST 231 – Hata можно использовать при hbs >30 м, но можно и на более низких высотах при условии, что соседние строения ниже антенны. Не подходит эта модель для оценки затухания сигнала, если r < 1 км. В этом случае затухание сильно зависит от топографии местности, в которой происходит распространение. Нельзя использовать на улицах с высокими строениями (по так называемым уличным каньонам). Модель COST 231 - Walfish-Ikegami Эта модель может применяться в случаях, когда антенна базовой станции расположена как выше, так и ниже линии уровня крыш городской застройки. В совокупность эмпирических факторов, учтенных расчетной формулой входят: 1)высоты антенн базовой и подвижной станций; 2)ширина улиц; 3) расстояние между зданиями; 4)высота зданий; 5)ориентация улиц относительно направления распространения сигнала. Эта формула в общем состоит из трех составляющих: - потерь на расстоянии в свободном пространстве L0; - потерь на дифракцию и рассеяния волн на крышах зданий Lrts , благодаря которым сигнал попадает на подвижную станцию, движущихся вдоль улицы; - потери, вызванные многократной дифракцией от ряда зданий Lms ; Суммарные потери рассчитываются по формуле:  ,где Lrts – roof – top – to - street diffraction and scatter; Lms - multiscreen diffraction loss. Расшифровка этих величин приведена в литературе [16]. Данная модель используется Международными телекоммуникационным союзом (ITU) в качестве стандартной модели для универсальной системы подвижной связи третьего поколения IMT – 2000. Её можно применять следующих диапазонах параметров: 800 МГц ≤ f ≤ 2000 МГц; 4 ≤ hbs ≤ 50 м; 1 ≤ hms ≤ 3 м; 0,02 км ≤ r ≤ 5км. Модель Hata / Davidson / Epstein – Peterson Diffraction Это специализированная модель, основанная на Hata – модели. В данной модели для расширения частотного диапазона, диапазона расстояний и диапазона высот базовой станции Davidson (Motorola) использовал графические методы для экстраполяции кривых к частотам от 30 до 1500 МГц, диапазона расстояний до 300 км и антенн базовой станции от 30 до 1000 м. После определения потерь на трассе по модели Hata, используется следующие уравнения, для корректировки потерь на трассе: - если r>20 км , то  , (дБ);- если r>64,36 км, то  , (дБ);-если r>300 км, то  , (дБ).После того, как эти исправления сделаны, выполняются следующие заключительные корректировки  Если r>40,2 км, то  , (дБ),где LHata – потери, определяемые по модели Hata; LH-D – потери на трассе с расширением Davidsona к методу Hata; hbseff – висота базовой станции в км. Модель Free space + RMD (Модели распространения радиоволн для расчета затухания на трассе. Модель Epstein-Peterson Diffraction – метод множественных потерь по причине дифракции на препятствиях) В данной модели при вычислении потерь на трассе можно учесть естественные препятствия на местности, застройку и деревья. Эта модель наиболее подходит для анализа прохождения радиоволн в микроволновом диапазоне для систем типа MMDS, где используются стандарные приемные станции с направленными антенами. MMDS (Multichannel Multipoint Distribution System) – это распределительные системы эфирного вещания от 2,0 до 3,0 ГГц для многоканальной передачи видео и цифровой информации через центральную передающую станцию к абонентским приемным устройствам в пределах прямой видимости. RMD (Reflection plus Multiple Diffraction loss) – означает отражение плюс множественные дифракционные потери. В случае прямой видимости, когда нет препятствий, которые бы блокировали прямой луч, затухание определяется путем векторного сложения отраженного луча от земли с прямым лучем. На трассах где имеются рельефные препятствия достаточно высокие (Н=0,6 Rф1), RMD метод включает дополнительные потери в диапазоне от 0 до 6 дБ в зависимости от степени закрытия первой зоны Френеля (при затухании 6 дБ прямой луч уже «царапает» препятствие). В загоризонтные или закрытой препятствиями местности, затухания на трассе вычисляются с помощью подхода Эпштейна – Петерсона путем объединения дифракционных потерь над десятью стоящими одно за одним рельефными препятствиями. Потери вычисляются отдельно для каждого препятствия, при этом для каждого последующего препятствия, выступающего в роли «приемника» , предыдущее препятствие является «передатчиком». Оценка вклада отражения при определении затухания на трассе Коэффициент отражения определяется в этой модели для случаев если приемник и передатчик находятся на линии прямой видимости. Разработана программа для нахождения точки отражения на трассе, в которой угол падения равен углу отражения( первый закон Снелиуса) рис.(). Обычно таких точек нет на трассе, по этому программа допускает некоторую угловую погрешность. Если точки отражения на трассе нет, то вклада отраженного луча в мощность на входе приемника не 0допускается. Если точка отражения найдена, то вычисляется коэффициент отражения для горизонтальной и вертикальной поляризации.  , ( )  , ( )Рисунок где  - комплексная диэлектрическая проницаемость земли;Комплексные коэффициенты  и  рассчитываются для гладкой поверхности. Они вычисляются для нахождения амплитуды и фазы отраженного луча, которые потом складывается векторно с прямым лучом для определения напряженности электрического поля Е в точке приема  ,где  - интерференционный множитель ослабления.Определение потерь из-за дифракции на трассе (принцип Эпштейна – Петерсона) Дифракционные потери вычисляются, принимая во внимание отдельно стоящие препятствия на пути, которые могут быть смоделированы как изолированные округленные препятствия. Затем потери от каждого изолированного препятствия объединяются, используя принцип Эпштейна – Петерсона. Общие дифракционные потери A(ν,ρ) в дБ – это сумма трех частей  Уравнения для вычисления:  ; , для  ; , для  ; , для  ; ,где ρ – это коэффициент кривизны препятствия, ν – это угол склонения трассы радиосвязи над препятствием. Коэффициент ρ определяется по формуле:  где R – это радиус скругления препятствия в км, ƒ – частота в МГц, r – это длина пути от передатчика (или предыдущего препятствия ) до приемника (или следующего препятствия), r1 – это расстояние от передатчика (или предыдущего препятствия ) до текущего препятствия, r2 – это расстояние от текущего препятствия до приемника (или следующего препятствия) рис.2. Когда радиус R равен нулю, препятствие – это режущая кромка и  .( рис.2 , пунктирная линия «- - -» - случай дифракция на режущей кромке).  Рисунок 1 Рисунок 2 Параметр ν определяется по формуле  , где α – это угол места от передатчика (или предыдущего препятствия) на преемник (или на следующее препятствие) рис 1.; β – это угол места от приемника (или следующего препятствия) на передатчик. Потери из-за препятствия на местности При определенном типе помех добавляется соответствующий коэффициент ослабления при вычислении напряженности поля и уровня принимаемой мощности. При вычислении потерь этот коэффициент учитывает ослабление сгнала из-за строений и лесопосадок вокруг места приема. Типы помех: 1) если тип помехи «None» (помеха отсутствует, или «никакая помеха»), то никакие дополнительные потери из-за строений или лесопосадок не вносятся; 2) если помеха типа «Urban» (центр города), то дополнительное затухание рассчитывается по формуле  , дБ,где ƒ – частота в МГц, r – в км. Выражение для опредления взято из журнала «Radio Propagation in urban Report C.78-144, Anita Longley» 3) если помеха пригород (Suburban), то дополнительное затухание уменьшится на 12 дБ  , (дБ);4)если помеха плотная листва (Dense foliage), дополнительное затухание вычисляется по формуле  , (дБ).Эта формула была получена для наиболие широкого представления (систематизации) данных извлеченных из различных опубликованных статей по теме ослабления сигнала из-за деревьев, леса и кустарников. 5)если помеха редкая листва (Sparse foliage), то потери уменьшатся на 6 дБ относительно плотной листвы ( четвертый тип помехи). Эти потери приблизительны, так как получены статистическим путем и не гарантирует точное вычисление. Распространение радиоволн внутри зданий и помещений Проблеме распространения внутри зданий и помещений уделяется большое внимание. Это связано с возданием локальных информационных сетей, также обеспечение надёжной радиосвязью сотрудников предприятий с целью оперативного управления и обеспечения безопасности. Наличие внутри зданий стен, перегородок, мебели, радиоэлектронной аппаратуры и других объектов создаёт сложную среду распространения радиоволн. Основными эффектами, наблюдаемыми в такой среде являются:
Эти эффекты создают сложную интерференционную структуру электромагнитного поля, которая сильно изменяется при перемещении людей и других объектов. Модели, используемые для описания условий распространения радиоволн внутри зданий Прием сигналов от удаленного внешнего источника внутри здания можно прогнозировать только в самых общих чертах . Помимо условий распространения радиоволн от передатчика к приемнику, определяемых высотой расположения пунктов, плотностью 1 характером застройки, на уровень сигнала существенным образом влияет конструкция здания и материал, а также положение приемника внутри здания. Учет вещ этих обстоятельств практически не возможен, так как внутри одного и того же помещения возможны такие расположения приемной аппаратуры, при которых прием может быть как хорошим, так и плохим, а иногда и совсем отсутствовать. Сложный интерференционный характер поля внутри помещения порождает резкие перепады в уровне принимаемого сигнала, превышающие зачастую 20 дБ, даже при небольшом перемещении приемника. Изменение частоты сигнала приводит к перераспределению полей, так что приемлемое ранее расположение аппаратуры может оказаться совершенно неудачным. Результаты измерений, приведенные в различных работах, трудно сопоставимы и могут казаться противоречивыми, если не учитывать крайнюю чувствительность пространственной интерференционной картины поля внутри помещения к изменению каких-либо условий передачи или приема сигнала. Ослабление сигнала при прохождении внутрь зданий (сравнение уровня сигнала внутри здания с уровнем сигнала вне его на той же высоте) определялось Райсом на частотах 35 и 150 МГц. По оценкам "потери проникновения" составляют в среднем 22-24 дБ при среднеквадратическом отклонении 12-14 дБ. Отмечается также, что изменения, превышающие 20 дБ, иной раз наблюдаются при разнесении точек всего на несколько шагов. В целом же пространственные флуктуации сигнала в пределах одного этажа подчиняются логарифмически нормальному распределению. Наибольшее ослабление сигнала наблюдалось на первом этаже. Измерения, выполненные Шеффердом в Вашингтоне на частотах 150, 450 и 900 МГц, указывают на почти линейную зависимость среднего уровня сигнала внутри здания от высоты расположения приемного пункта. Сравнивается средний уровень сигнала внутри здания последовательно на разных этажах с амплитудой сигнала на улице вблизи здания на высотах 1-1,5 м над поверхностью земли. На первом этаже сигнал внутри здания был ослаблен на 35 дБ на частоте 150 МГц. При поднятии приемного устройства внутри здания ослабление в среднем уменьшалось до 8 дБ на четырнадцатом этаже. На частотах 450 и 900 МГц соответствующие значения были близки и равнялись 28 дБ на первом и 0 дБ на четырнадцатом этажах. Высотная зависимость ослабления внутри здания существенно зависит от высоты и плотности застройки. Измерения, выполненные Дьюрантом в Чикаго и Шаумбурге, где антенна базовой станции устанавливалась на высоте примерно 50 м над поверхностью земли на открытом месте (большей частью присутствовал прямой сигнал в точке приема на улице), подтвердили на частоте 900 МГц близкую к линейной высотную зависимость ослабления внутри здания (25 дБ на первом и 0 дБ на двенадцатом этажах) относительно уровня сигнала, зарегистрированного вблизи здания на улице. В то же время измерения в Манхеттене, где высота поднятия антенны была около 180 м (но в окрестности базовой станции в пределах полумили было много высотных зданий, создававших затенения в направлении на приемник, дают меньшее значение высотного градиента ослабления: 22 дБ на первом и 6 дБ на двадцатом этажах. Отмечается, что высота приемного пункта была еще недостаточна для выхода из тени, создаваемой окружающими зданиями. Здания в Манхеттене были 20- 80-этажные, в Чикаго - 8-16-этажные. "Потери проникновения" внутрь здания во всех случаях составляли от 10 до 30 дБ, но, как правило, на нижних этажах были больше (18-30 дБ). Распределение амплитуды сигнала было близким к логарифмически нормальному. Эксперименты по определению затухания УКВ внутри зданий описаны также в книге [39]. Для измерений выбирались здания с известным уровнем напряженности поля снаружи на уровне 1,5 м от земли. Измерения в помещениях с помощью приемника-анализатора позволили получить значительную выборку затуханий поля УКВ, проникающего в помещения здания, каждое значение которой определялось как  (4.7)где  - медианный уровень напряженности поля снаружи здания уровне 1,5 м от земли,  - медианный уровень напряженности поля внутри помещений зданий на уровне 1 м от пола.Статистическую обработку выборок затуханий проводили для каждого вида помещений (первых и цокольных этажей, подвальных помещений) отдельно по классической схеме: полученные  результатов по оценке затуханий для каждого типа помещений зданий группировали в  интервалов  и определяли их среднюю величину  , число отсчетов в каждом 1-м интервале и его относительную величину (частность)  . Далее определяли плотность частности  .На рис 4.12 представлены соответствующие гистограммы. Из приведенных графиков видно, что порядки величин "потерь проникновения" вполне соответствуют данным зарубежных авторов. Четко прослеживается также тенденция уменьшения относительного затухания при подъеме на более высокие этажи. Во всех экспериментальных работах отмечается относительно слабая зависимость "потерь проникновения" от частоты сигнала для частот выше 30 МГц. К настоящему времени нет удовлетворительных методов расчета среднего ослабления поля при проникновении его внутрь здания. Обращение к многослойным диэлектрическим структурам не порождает каких-либо надежд. Подгонка квадратичной формулы Введенского путем введения в нее эмпирических коэффициентов также не представляется перспективной, поскольку не может быть физически разумно истолкована. Естественно предположить, что в среднем высотная зависимость поля внутри здания должна соответствовать высотной зависимости поля вне здания, отличаясь от нее на некоторый коэффициент. Это подтверждается качественным сопоставлением высотной зависимости в описанных работах с высотной зависимостью медианного значения напряженности поля в городе, установленной в общих чертах экспериментально . 1. Большинство моделей для расчёта радиотрасс внутри зданий основано на формуле распространения радиоволн в свободном пространстве  ,где  - мощность передатчика; - расстояние между передатчиком и приёмникомОднако, наличие стен, пола, предметов, людей и других объектов приводит к применению некоторых эмпирических моделей, основанных на многочисленных экспериментах. Для таких трасс потери определяются выражением  ,где - расстояние между передатчиком и приёмником; - расстояние прямой видимости; - потери при распространении радиоволн на трассе прямой видимости длиной r0.В некоторых моделях n – постоянная величина и является функцией расстояния между приёмником и передатчиком. Он показывает с какой скоростью возрастают потери передачи от расстояния: В интервале расстояний - до r = 10 м n = 2, - 10 м < r < 20 м n = 3, - 20 м < r < 40 м n = 6, - r > 40 м n = 12. Важно правильно выбрать подходящее расстояние r0для исследования условий распространения. В сотовой связи с большими зонами действия обычно используется расстояние 1 км, в микросотовых системах много меньше – 100 м. Это расстояние должно соответствовать дальней зоне антенны для исключения эффектов ближнего поля. Увеличение значения n с ростом расстояния связано с увеличением числа стен, отделяющих приёмную и передающую антенны. Показатель n зависит от конкретных параметров среды распространения. Значения n для различных сред приведены в табл. 3.1. Таблица 3.1
Таблица 3.2
2. Явление реверберации Если передающая антенна расположена внутри комнаты, то независимо от её положения многократное отражение радиоволн от стен, пола, потолка, мебели и других объектов приводит к увеличению мощности принимаемого сигнала по сравнению со свободным пространством. Это напоминает явление реверберации, хорошо изученное в акустике. Реверберация – остаточный звук, при выключенном источнике за счёт переотражений. Формула расчёта основных потерь имеет вид:  , где R – коэффициент реверберации (коэффициент отражения)  ,где S – площадь поглощающей поверхности;  – средний коэффициент поглощения поверхности.Значение потерь сильно зависит от – коэффициента поглощения строительных материалов и покрытий (табл. 3.2).Таблица 3.2
В некоторых работах приведены результаты экспериментальных исследований электромагнитных свойств некоторых строительных конструкций (стен, перегородок и т.п.), а также свойства однородных строительных материалов – см. табл. в диапазонах волн 2 – 7 ГГц (табл. 1, 2). При расчёте характеристик сигналов внутри зданий и помещений используются различные модификации лучевых методов, которые позволяют учитывать отражение радиоволн от стен, потолка, пола, местных предметов, дифракцию волн на дверях, окнах и другие явления, сопутствующие распространению радиоволн. Таблица 1. Результаты измерений коэффициентов прохождения и отражения для различных материалов на двух частотах 2,3 ГГц и 5,25 ГГц.
Таблица 2. Относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс потерь при f = 2 – 7 ГГц
Метод параболического уравнения (по расчёту радиотрасс пролегающих в сильнопересечённой местности) Donohue D.I., Kutter I.R. Propagation modeling over terrain using the parabolic wave equation. IEEE Trans. Antennas Propagat. 2000, vol. 42 No.2, pp 200 – 277. Модели, позволяющие учесть дифракцию радиоволн на нескольких препятствиях – это модели Биллингтона, Эйнштейна – Петерсона и др. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||