6. Распространение радиоволн в условиях города

Определение параметров и выбор модели распространения радиоволн в мобильных системах радиосвязи, предположения о структуре радиополя являются одним из основных факторов, определяющих выбор способа модуляции, мощности передатчика, структуры приемника и т.п. Так, например, в системе связи с кодовым разделением каналов, основываясь только на многолучевой модели распространения радиоволн в городских условиях, принято решение о существенном усложнении структуры приемного тракта. В приемниках CDMA используется многоканальный прием (RAKE приемник) с адаптивным выбором рабочего канала приема. В транкинговой сети связи TETRA для выбора наилучшего из нескольких принимаемых сигналов в условиях сложной структуры поля используется так называемая система diversity, принцип работы которой заключается в одновременном приеме сигналов на две антенны двумя параллельными приемниками.

Условия распространения радиоволн в мобильной радиосвязи могут варьироваться от простейшей ситуации однолучевого распространения радиоволны от приемника к передатчику в условиях прямой видимости до многолучевого распространения при многократных отражениях от искусственных сооружений и складок местности в условиях доплеровского изменения частоты при движении объекта или препятствий. В отличие от проводных линий связи радиоканал является принципиально статистической системой, свойства которой определяются только с некоторой вероятностью. Результаты расчета параметров радиоканала в значительной

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

степени зависят от выбранной модели, каждая из которых отражает лишь отдельные, выделенные свойства распространения радиоволн. Не существует единой общепринятой модели расчета поля в городских условиях. Рекомендации различных национальных и международных организаций в значительной степени не совпадают между собой. Сложность выбора модели распространения радиоволн и структуры поля усугубляется трудностями практического определения реальных параметров модели и сравнения качества работы систем связи, основанных на различных моделях радиополя. Измерение параметров модели может быть только вероятностным и требует огромного числа испытаний в самых различных условиях (время года и суток, крупный город или небольшой населенный пункт, вид подстилающей поверхности, складки местности и т.п.). При сравнении различных моделей структуры электромагнитного поля по критерию качества работы радиосетей следует учитывать, что радиоаппаратура, построенная исходя из выбранной модели, может существенно различаться как функционально, так и по реализованным параметрам. Поэтому результаты лучшей или худшей работы мобильной системы связи всегда могут быть отнесены как к правильно выбранной модели радиоканала, так и к недостаточно хорошо реализованной аппаратуре.

Так, например, разработчики американской CDMA системы связи IS-95 используют когерентный приемник в мобильной радиостанции и некогерентный приемник в базовой станции. Свое решение они оправдывают тем, что базовая радиостанция всегда может послать параллельно с информационным сигналом мощный синхросигнал для уверенной работы когерентного детектора персональной

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

радиостанции. Энергетически ограниченная персональная радиостанция не может этого сделать, поэтому когерентный приемник базовой станции будет работать неустойчиво изза флуктуаций параметров канала распространения радиоволн. В то же время европейские радиоинженеры, разработчики системы связи W-CDMA, допускают возможность реализации когерентного приемника и в базовой радиостанции, что зафиксировано в стандарте радиосвязи. Трудно представить себе эксперимент, который мог бы однозначно показать преимущество или недостатки каждого из выбранного варианта функциональной схемы системы связи.

Отдельной проблемой, возникшей в последнее время в связи с развитием персональной сотовой связи, является распространение радиоволн. До сих пор не разработан даже принципиальный общепринятый подход к расчету распространения радиоволн в здании. Все известные формулы и рекомендации носят исключительно эмпирический характер и являются прямым обобщением экспериментальных данных. Экспериментаторы, проводившие измерения напряженности поля в здании, утверждают, что результат измерения междуэтажного затухания зависит просто от количества открытых дверей на этаже.

6.1. Методы анализа распространения радиоволн

Строгий расчет распределения электромагнитного поля производится в предположении однородного и изотропного пространства, в котором распределены некоторые препятствия, отражающие и поглощающие. На основе законов дифракции, рассеяния и отражения в принципе

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

можно получить картину распределения поля вокруг излучателя. Другими словами, теоретически возможен точный электродинамический расчет распределения поля в свободном пространстве с учетом реального расположения препятствий на строго определенных местах относительно приемника и передатчика. Очевидно, что из-за непостоянного расположения абонентов в мобильной сети, непостоянного расположения препятствий (движение транспорта) и огромного числа фиксированных препятствий сложной формы (зданий) точный расчет распределения поля практически невозможен. Возникающие при этом трудности описания реального расположения препятствий и объем вычислений далеко превосходят все существующие технические возможности. Поэтому подобная методика может использоваться только в исключительных, простейших случаях. Например, при расчете теневой зоны за очень большим зданием при точно известном расположении приемопередатчика базовой станции.

Реальный метод расчета дальности радиосвязи предполагает использование модели "большого расстояния" (large scale model). Согласно этой модели электромагнитное поле описывается теми же уравнениями, что и для свободного пространства, но среда распространения характеризуется некоторыми усредненными параметрами, отличными от параметров свободного пространства. Предполагается, например, что среда распространения имеет другой коэффициент затухания, отличный от коэффициента затухания в свободном пространстве, вследствие большого количества препятствий и складок местности. При этом предполагается, что электромагнитное поле имеет точно такую же структуру, как и в свободном пространстве, а именно: стационарное, монотонное и гладкое.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Стационарность означает неизменность структуры поля во времени, монотонность - непрерывное убывание величины поля с увеличением расстояния от приемника до передатчика, гладкость - соответствие малых изменений расстояния малым изменениям напряженности поля.

Именно этот подход лежит в основе всех методик расчета дальности радиосвязи. Все модели "большого расстояния" отличаются друг от друга только способом введения коэффициентов коррекции в формулы распространения поля в свободном пространстве. Сколько-нибудь серьезного теоретического обоснования того или иного способа введения дополнительных коэффициентов не существует. Все варианты определения поправочных коэффициентов так или иначе опираются на экспериментальные данные о величине и типе затухания при распространении радиоволн в среде с препятствиями, измеренные на различных частотах, в различных условиях, в разное время суток и т.д. Принято подразделять затухания, вносимые средой с нерегулярными и непостоянными свойствами, на медленные и быстрые. Медленные затухания зависят от макроструктуры области распространения радиоволн. В основном параметры медленного затухания определяются относительно небольшой скоростью движения абонента или движением препятствий с малым угловым перемещением. При этом всегда предполагается, что имеется значительный по величине основной сигнал, амплитуды всех прочих копий сигнала достаточно малы. Принято медленные замирания описывать нормальным логарифмическим законом распределения вероятности величины мгновенных значений огибающей принимаемого сигнала:

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

где a, σ - параметры распределения; x > 0 - значение

огибающей сигнала.

При расчете дальности радиосвязи медленные замирания характеризуются коэффициентами, зависящими от характера подстилающей поверхности: средняя высота зданий, средняя глубина складок местности, плотность застройки и т.п. Практически величина поправки на медленные замирания будет определять процент территории, на которой в радиусе действия сети связи гарантируется успешная радиосвязь.

Быстрые замирания определяются прежде всего взаимодействием нескольких копий сигнала в точке приема. Изменение фаз копий сигнала, существующих в точке приема, значительно зависит даже от относительно небольших изменений параметров среды распространения. Это совершенно очевидно, так как типичные длины волн в городской связи измеряются десятками сантиметров, такой же величины перемещенияабонента или препятствий будет влиять на фазу приходящих копий сигнала. Если все приходящие копии сигнала примерно одинаковы по величине, то распределение вероятности мгновенных значений огибающей сигнала описывается законом Рэлея:

p(x) = σx2 exp{− 2xσ22 }.

Наличие быстрых замираний определяется нестационарностью распределения препятствий в области действия сети связи. Величина поправки на быстрые замирания зависит от плотности и скорости потока препятствий и возможной скорости движения самого абонента. Практически величина поправки на быстрые замирания будет определять процент успешных сеансов связи в радиусе действия сети связи.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Результат расчета по методикам "усредненной" среды распространения радиосигнала - это вероятностное значение напряженности поля на некотором удалении от излучателя. Например, расчет может показать, что заданная напряженность поля Е достигается на расстоянии S от передатчика в Р1% пунктов связи и в Р2% сеансов связи. В диапазоне УКВ, где часто дальность связи определяется горизонтом прямой видимости передатчика и приемника, рассчитывается необходимая мощность передатчика, которая на предельной дальности Smax обеспечит

напряженность поля с вероятностью Р1% в Р2 % сеансов связи. Расчет усредненного поля в приближении "большого расстояния" применяется при проектировании сетей связи, т.е. для расчета необходимого количества базовых радиоцентров, определения зоны действия передатчика, зон взаимного перекрытия соседних передатчиков, теневых зон, необходимой мощности передатчиков и т.д.

Однако для расчета оптимальной структуры приемника и выбора методов модуляции, оптимальных алгоритмов кодирования сигналов и обработки принятых сигналов необходимо знать конкретную структуру электромагнитного поля в точке приема. Речь не идет о величине поля в данной точке или дальности радиосвязи. Проблема состоит именно в описании свойств, определении характеристик электромагнитного поля в зоне уверенного приема. Например, насколько большими могут быть изменения величины поля при перемещении приемника или подвижных препятствий, какой величины могут быть приходящие копии сигнала при многолучевом распространении, какова минимальная и максимальная задержка прихода копий сигнала и т.д. При таком подходе электромагнитное поле принципиально рассматривается как

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com