Распространение радиоволн в помещении. Модели распространения радиоволн. Отражение от поверхности идеального проводника
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
По профессиональному модулю ПМ01
Междисциплинарный курс: МДК 01.01. Технология монтажа систем мобильной связи
Тема: «Проектирование сети сотовой связи с равномерным распределением абонентов в заданной зоне»
Специальность: 210705 Средства связи с подвижными объектами
Выполнил студент(ка) группы 3ССПО9-5(у): ___________
Проверил преподаватель: Ручко В.М. ___________
Москва 2015 г.
ГБПОУ КОЛЛЕДЖ СВЯЗИ №54
Согласовано
Председатель модульной
комиссии
Н.Г.Лобанова
«____»_______2015 г
На курсовое проектирование по профессиональному модулю ПМ 01
Междисциплинарный курс : МДК 01.01 Технология монтажа систем мобильной связи
Специальность: 210705, Средства связи с подвижными объектами
Студенту гр. 3ССПО9-5(у): __________________________
Тема: «Проектирование сети сотовой связи с равномерным распределением абонентов в заданной зоне»
Вариант:_____
Спроектировать сети сотовой связи с равномерным распределением абонентов в заданной зоне при следующих исходных данных:
1.Тип территории в зоне обслуживания__________________________
2.Испрользуемый стандарт сотовой связи________________________
3.Число абонентов зоне обслуживания (М сети, тыс. чел.)____________
4.Плошадь зоны обслуживания (S сети, км 2)________________________
5.Вероятность отказа абоненту в предоставлении канала в час наибольшей нагрузки(ЧНН) p от к.=0.02
6.Допустимый трафик в соте в соответствие с числом каналов A сот____
7.Средний трафик одного абонента в ЧНН, А 1 =0,015-0,025Эрл.
При выполнении курсовой работы:
1.Произвести оптимальный выбор частотных каналов
3.Найти максимальное удаление в соте абонентской станции от базовой станции
4.Определить мощность передатчика базовой станции
8.Нарисовать трассу прохождения сигнала от БС к АС
9.Нарисовать конфигурацию сети (по вариантам)
Преподаватель Ручко В.М.
Введение………………………………………………………… 4
1.Выбор частотных каналов…………………………………..
2.Расчет числа сот в сети………………………………………
3.Расчет удаления АС от БС………………………………….
4.Расчет баланса мощностей………………………………….
5.Расчет потерь на трассе…………………………………….
6.Расчет электропитания базовой станции………………….
7.Рассчет надежности сети сотовой связи…………………..
8.Литература……………………………………………………
Приложение 1…………………………………………………..
Трасса прохождения сигнала от БС к АС
Приложение 2………………………………………………….
Модель Эрланга В (система с отказами)
Приложение 3…………………………………………………..
Конфигурация сети
Введение
Проектирование – один из наиболее сложных и ответственных этапов развертывания систем сотовой связи (ССС), поскольку он должен обеспечить возможно более близкое к оптимальному построение сети по критерию эффективность-стоимость. При проектировании необходимо определить места установки БС и распределить имеющиеся частотные каналы между ячейками (составить территориально-частотный план в соответствии с принципом повторного использования частот) таким образом, чтобы обеспечить обслуживание сотовой связью заданной территории с требуемым качеством при минимальном числе БС, т.е. при минимальной стоимости инфраструктуры сети. Фактически эта задача очень сложна. С одной стороны чрезмерно частая расстановка БС невыгодна. Так как влечет за собой неоправданные затраты. С другой стороны, слишком редкое расположение БС может привести к появлению необслуживаемых участков территории, что недоступно. Задача дополнительно осложняется трудностью аналитической оценки характеристики расположения сигналов и расчета напряженности поля, а также необходимостью учета неравномерности трафика в пределах обслуживаемой территории.
В проектируемой сети обязательно производиться экспериментальные измерения характеристик электромагнитного поля, и по результатам измерений схема сети также корректируется. Необходимый объем экспериментальных измерений, и частота их повторения определяется на основании опыта проектировщиков. Окончательно качество проекта оценивается уже на этапе эксплуатации сети, где также неизбежны его корректировка и доработка, особенно в самом начале работы, когда производятся настройка и оптимизация сети. Этот этап работы фактически оказывается наиболее трудоемким. Доработки проекта требуются по мере развития и совершенствования сети, для повышения ее качества.
Качество услуг, предоставляемых ССС, во многом определяется характеристиками ее подсистемы БС. В процессе планирования сети БС решаются следующие задачи: обеспечения радиопокрытия территории, на которой должны предоставляться услуги связи; построение сети, емкости которой будет достаточно для обслуживания создаваемого абонентами трафика с допустимым уровнем перегрузок; оптимизация решения указанных выше задач (с использованием минимального числа сетевых подсистем и элементов) на протяжении всего цикла сети.
Без решения перечисленных задач нельзя обеспечить высокое качество предоставляемых услуг. Согласно определению Международного союза электросвязи (МСЭ), под качеством обслуживания понимают – совокупный эффект от предоставления услуг, который определяет степень удовлетворения ими абонента. Кроме технических аспектов качества работы сети в это определение включены и аспекты, связанные с предоставлением дополнительных услуг (например, таких, как передача коротких сообщений), стоимостью обслуживания, ценой и качеством работы мобильных терминалов и т.д.
На протяжении всего жизненного цикла сети число ее абонентов, объем трафика и его распределение по обслуживаемой территории постоянно изменяются. Кроме того, существуют сезонные (периодические) изменения объема трафика и его территориального распределения. Конфигурация сети БС должна адаптироваться к происходящим изменениям, поэтому ее планирование – это непрерывный процесс. В нем можно выделить несколько этапов: планирования радиопокрытия; планирование емкости; частотное планирование; анализ работы и оптимизация сети.
Такое поэтапное деление в значительной степени условно, так как все этапы тесно взаимосвязаны между собой. Последовательность этапов планирования сети БС показана на рисунке 4.1.
Рисунок 4.1. Этапы планирования сети БС
На этапе планирования радиопокрытия определяется минимально необходимое число БС (сот), их оптимальное расположение на местности и радиотехнические параметры для обеспечения радиопокрытия заданной территории с требуемым уровнем мощности радиосигнала, принимаемым мобильным терминалом.
Модели распространения радиоволн
Условия распространения радиоволн включают 5 моделей:
- статическая модель (STATIC);
- для сельской местности (Rax);
- для холмистой местности (НТх);
- для типичной городской застройки (Tux);
- для плотной городской застройки (Bux).
В моделях с динамическими (Rax, HTx, Tux, Вuх) оговорены два варианта изменения параметров, которые соответствуют условиям движения автомобиля в городе со скоростью 50 км/ч и в сельской местности - 200 км/ч. Например, изменение радиосигнала на входе приемника автомобильной радиостанции, движущийся со скоростью 200 км/ч в условиях холмистой местности, описывается моделью НТ200.
Дополнительно предусмотрена модель для тестирования эквалайзера (Eqx).
Статическая модель характеризуется отсутствием амплитудных и фазовых искажений сигнала.
Модель распространения сигнала в сельской местности описывает флуктуации сигнала распределением Райса и имитирует постоянный доплеровский сдвиг частоты.
Условия распространения сигнала над холмистой местностью предполагают отсутствие прямой радиовидимости между приемником и передатчиком, а также наличие достаточно удаленных переотражающих объектов. Такие условия описываются двулучевой моделью со средним соотношением уровня лучей минус 8,6 дБ и средней задержкой сигнала во втором луче на четверть символа. Флуктуации сигнала на входе приемника описываются законом Релея.
Модели распространения сигнала в городских условиях предполагают отсутствие прямой радиовидимости между приемником и передатчиком, и наличие большого количества переотражающих объектов. Данный случай также описывается двулучевой моделью, но с другими амплитудными и временными соотношениями. Например, задержка между лучами составляет приблизительно 1/10 символа, то есть сигнал на входе приемника практически не испытывает межсимвольных искажений.
Модель для тестирования эквалайзера применяется только для тестирования аппаратуры класса Е. В данной модели флуктуации сигнала на входе приемника имитируются релеевскими замираниями по четырем лучам с задержкой сигнала в лучах до двух символов.
3.2.1. Основные свойства радиоволн
Радиоволны представляют собой переменные связанные электрические и магнитные поля. Электромагнитное поле описывается уравнениями Максвелла, который обосновал гипотезу о том, что переменное электрическое поле возбуждает в окружающем пространстве переменное магнитное поле и наоборот. Основные свойства электромагнитного поля:
1. В однородном пространстве радиоволны распространяются прямолинейно, скорость распространения волн в воздушном пространстве равна 300.000 км\с.
2. Распространение волн в проводящей среде (земле, воде, ионизированном газе) сопровождается поглощением энергии.
3. Если волны от одного и того же источника приходят в точку приема разными путями, происходит сложение этих волн - интерференция.
4. При встрече с препятствиями волны способны огибать их - это явление называется дифракцией. Дифракция уменьшается с уменьшением длины волны.
Вблизи земной поверхности радиоволны распространяются не так, как в свободном пространстве, так как среда (земная поверхность - атмосфера) является неоднородной.
Верхняя область атмосферы, содержащая свободные носители электрических зарядов, возникающие за счет влияния солнца, называется ионосферой. Электрические свойства ионосферы характеризуются концентрацией свободных зарядов - числом ионов и электронов в единице объема (1 куб.метре). Концентрация зарядов зависит от времени года (летом больше, чем зимой) и времени суток (днем больше, чем ночью). При возрастании солнечной активности и космического излучения возникают резкие изменения ионизации (магнитные бури).
Концентрация ионов и электронов в ионосфере на разных высотах различна, можно выделить несколько слоев с повышенной концентрацией ионов:
нижний слой D на высоте 60...90 км с концентрацией до 10 9 /м 3 . Слой D образуется в дневное время, ночью слой D исчезает;
слой Е на высоте 120…150 км с концентрацией до 10 11 /м 3 днеми до 10 10 / м 3 ночью;
слой F на высоте 180...400 км с концентрацией до10 12 /м 3 днем и до 10 11 /м 3 ночью.
При распространении радиоволн между земной поверхностью и ионосферой происходит потеря их энергии из-за взаимодействия электромагнитного поля со свободными носителями зарядов. Потери энергии радиоволны зависят от длины волны (частоты).
При распространении радиоволн необходимо отдельно рассматривать радиоволны, распространяющиеся вдоль земной поверхности (поверхностные или земные) и радиоволны, попадающие в ионосферу и отражающиеся от нее (пространственные или ионосферные).
Потери земных волн за счет частичного проникновения в землю тем больше, чем меньше длина волны, т.е. чем больше частота.
Потери пространственных волн тем больше, чем больше длина волны, т.е. чем меньше частота.
При попадании в слои ионосферы радиоволны отражаются от них или преломляются, причем возможность отражения зависит от степени ионизации ионосферы, частоты и угла падения волны. Максимальная частота, которая может отразиться от ионизированного слоя при вертикальном падении на его границу, называется критической частотой и определяется выражением fкр =9ÖN, где N - концентрация свободных зарядов.
3.2.2. Особенности распространения радиоволн различных диапазонов
В зависимости от условий распространения радиоволны делятся на диапазоны:
__________________________________________________________________
диапазон длина волны частота
________________________________________________________________________________
сверхдлинные (СДВ) >10000 м <30 кГц ОНЧ (VLF)
длинные (ДВ) 10000...1000 м 30...300 кГц НЧ (LF)
средние (СВ) 1000...100 м 300...3000 кГц СЧ (MF)
короткие (КВ) 100...10 м 3...30 МГц ВЧ (HF)
ультракороткие (УКВ) <10 м >30 МГц
метровые 10...1 м 30...300 МГц ОВЧ (VHF)
дециметровые 100...10 см 300...3000 МГц УВЧ (UHF)
сантиметровые 10...1 см 3...30 ГГц СВЧ (SHF)
миллиметровые 10...1 мм 30...300 ГГц КВЧ (EHF)
Распространение радиоволн
ОглавлениеА1.0 ТИПЫ МОДЕЛЕЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ
А1.1 Модель Free space + RMD
А1.2 Модель FCC + RMD
А1.3 Модель CCIR + RMD
А1.4 Модель Okumura (Hata)
А1.5 Модель Hata/Davidson/Epstein-Peterson Diffraction
A1.6 Модель TIREM-EDX
А1.7 Модель FCC - EDX
А1.8 Модель FCC - FCC
А1.9 Модель CCIR - EDX
А1.10 Модель FCC - Pt.22
А1.11 Модель COST 231 - Hata
А1.12 Заказная модель
А2.0 Методы вычисления затухания на трассе.
А2.1 RMD.
А2.1.1 Вычисление коэффициента отражения.
А2.1.2 Определение потерь из-за дифракции.
А2.1.3 Потери из-за препятствий на местности
А2.3 Ослабление сигнала по причине поглощения в атмосфере.
А3.0 Нестабильность
А3.1 Временная нестабильность
А3.2 Пространственная нестабильность
А1.0 ТИПЫ МОДЕЛЕЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ
При работе с программным обеспечением компании EDX можно выбрать одну из нескольких различных моделей распространения для выполнения расчетов затухания на трассе, принимаемой мощности, или напряженности поля. Кроме того, для большинства моделей вы можете независимо определить временную и пространственную статистику и доверительную маржу (запас). Вы можете также выбирать из семи различных климатических зон, которые оказывают воздействие на временную статистику.
Доступные модели распространения:
1. Free space + RMD
4. Okumura (Hata)
5. Hata/Davidson/Epstein-Peterson Diffraction
11. COST 231 - Hata
12. Custom (заказная)
Каждая из этих моделей объясняется более подробно в следующих разделах этого Приложения. Выбор соответствующей модели и статистики уровня сигнала для вашей проектируемой системы будет зависеть от типа системы и области, где она будет использоваться. Может потребоваться некоторое экспериментирование с различными моделями, уровнями сигнала, и статистикой уровня сигнала, чтобы достигнуть удовлетворительных результатов для вашего типа системы.
Используя одну из этих моделей можно определить значение затухания на поверхности. Это потери, которые происходят на трассе в дополнение к потерям в свободном пространстве.
В данной модели при вычислении потерь на трассе можно учесть естественные препятствия на местности, фактор временной и пространственной статистики, застройку и деревья. Это все подробнее рассматривается ниже в разделах A2.1 - A2.4. Эта модель наиболее подходит для анализа прохождения радиоволн в микроволновом диапазоне, для систем типа MMDS , где используются стационарные приемные станции с направленными антеннами.
Этот метод подобен FCC+RMD за исключением того, что вместо графиков FCC используются кривые, рекомендованные CCIR (Rec 370-5). Диапазоны расстояний от передатчика до приемника дляхарактеристик FCC и кривых CCIR отличны. Кривые FCC могут использоваться в основном для расстояний в пределах от 1 до 200 или 300 км. Кривые CCIR начинаются с 10 км и простираются до 500 км. Если Вы выбираете CCIR + RMD метод, и расстояния меньше чем 10 км, программа назначит по умолчанию использование потерь на трассе свободного пространства. Это часто приводит к аномальной напряженности поля или полученным результатам уровня мощности при переходе от свободного пространства до кривых CCIR в отметке 10 км, особенно для низких эффективных высот антенн. При использовании этого метода, средняя высота антенны будет автоматически ограничена значениями между 37.5 и 1200 метрами. Это ограничение накладывается файлами данных на кривые CCIR .Метод Okumura , используемый в программе - это фактически компьютерная реализация Okumura метода, который был разработан Hata . Метод Okumura был разработан на основе данных измерений уровней сигнала от передатчика в нескольких частотных диапазонах в Токио и его пригородах. Выбор этого метода следовательно наиболее предпочтителен для урбанизированных областей, где расстояние анализа относительно не велико (меньше чем 30 км), эффективная высота передающей антенны - меньше чем 200 м, эффективная высота приемной антенны - меньше чем 10м, и местность относительно плоская. Использование этого метода для других случаев или при больших расстояниях может оказаться неприемлемым. Используя Okumura(Hata) метод, вы можете выбирать типы наземных помех - "нет", "пригородная зона" или "город". Эти выбор определит соответствующие выражение для затухания.
Формулы Hata:
Основные потери на трассе для городских зон:
f - частота в МГц;
Высота антенны базовой станции (в метрах), превышающая усредненную высоту рельефа в направлении анализируемой трассы в пределах 3-15 км;
Поправочный коэффициент (см. ниже);
d = расстояние от передатчика до приемника, км.
Для среднего города:
Для большого города:
Для f200 МГц (А3)
Для f400 МГц (A4)
Высота антенны мобильной станции над землей, м.
Для пригородных областей, городские потери, рассчитанные выше корректируются следующим образом:
, dB (A5)
Для сельских, квази -открытых участков:
Для сельских открытых участков:
Это - специализированная модель, которая основана на Hata модели, описанной в разделе A1.4. В данной модели для расширения частотного диапазона, диапазона расстояний и диапазона высот антенны базовой станции, Davidson (Motorola) использовал графические методы для экстраполяции кривых к частотам от 30 до 1500 MHz, диапазона расстояний до 300 км, и антенн базовых станций от 30 до 1000 метров. После определения потерь на трассе, используя модель Hata A1.5, используются следующие уравнения, чтобы корректировать потери на трассе:
Если d> 20 км,
Если d> 64.36 км,
Если > 300 метров,
После того, как эти исправления сделаны, выполняются следующие заключительные корректировки:
Если d> 40.2 км
Потери на трассе в dB, определенные по методу Hata
Потери на трассе в dB с расширением Davidson к методу Hata
f = частота в MHz
d = расстояние от передатчика до приемника в км.
Эффективная высота базовой станции в метрах
В дополнение к исправлениям, сделанным Davidson , эта модель включает дополнительное затухание на трассе из-за дифракционных потерь на рельефе. Используемый метод - Epstein-Peterson метод множественных потерь по причине дифракций на препятствиях, который является идентичным методу, описанному в разделе A2.1.2.
Этот метод похож на FCC - RMD метод (А1.2) за исключением того, что вычисление затухания здесь основано исключительно на характеристиках распространения FCC , без учета потерь на дифракцию и отражение (RMD). Этот метод вычисляет напряженность электрического поля точно следуя рекомендациям FCC (часть 73,22 и 90 правил FCC ). Интерполяционные алгоритмы для нахождения напряженности поля между точками и между кривыми были разработаны EDX.
Этот метод такой же как и описанный в А1.3, за исключением того, что он не учитывает потери на дифракцию и отражение сигнала (RMD), и базируется только на CCIR характеристиках распространения.
Этот метод схож с FCC - EDX методом, и отличается только тем, что определенные контурные уровни напряженности поля вызывают специальные формулы для вычислений, взятые из правил FCC.
Данная модель - вариация Hata модели, описанной раннее. Эта версия была разработана для того, чтобы получить модель, которая работала бы в диапазоне частот 1.5-2 ГГц.
При этом формула для основных потерь на трассе в городе:
0 dB для городов средних размеров и пригородов с умеренной плотностью деревьев
3 dB для столичных центров
Переменные -те же что и в Hata модели.
Здесь используются те же корректировки для сельских квази-открытых и открытых районов. Корректировки для пригородных районов не используются.
Заказная модель основана на Cost 231-Hata методе. Эта модель позволяет вам независимо корректировать каждый из основных своих параметров С1-С10:
(А27)Аббревиатура RMD означает "Reflection plus Multiple Diffraction Loss" (отражение плюс множественные дифракционные потери). RMD часть вычислений потерь на трассе использует метод дифракционных потерь на препятствиях, взятый из технических замечаний NBS №101. В случае прямой видимости, когда нет препятствий, которые бы блокировали прямой луч от передатчика до приемника, затухание определяется путем рассматривания вклада одиночного отраженного луча от земли и векторного сложения его с прямым лучом. Для трасс, где рельефные препятствия достаточно высоки чтобы частично закрывать 0.6 от первой зоны Френеля, RMD метод включает дополнительные потери в диапазоне от 0 до 6 dB в зависимости от степени закрытия первой зоны Френеля (при затухании 6 dB прямой луч уже "царапает" препятствие). Если вы желаете игнорировать отражение от земли, введите "-1" для проводимости земли в соответствующем меню.
В загоризонтной или закрытой препятствиями местности, затухание на трассе вычисляется 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".
Специфичность метода и формулы для вычислений вклада отражения и дифракции при определении затухания на трассе рассматриваются в следующих разделах.
Коэффициент отражения принимается во внимание в модели RMD когда приемник и передатчик находятся на линии прямой видимости. Если проводимость земной поверхности не установлена равной -1, то программа находит точку отражения на трассе от передатчика до приемника, в которой угол падения равен углу отражения. Обычно нет таких точек, в которых бы угол падения в точности совпадал с углом отражения, поэтому программа допускает некоторую небольшую угловую погрешность. В том случае, если не существует точек отражения, никакого вклада мощности от отраженного луча не допускается.
Если точка отражения найдена, программа вычислит комплексный коэффициент отражения для горизонтальной или вертикальной поляризации, используя следующие формулы:
(А28)
(А29)
Перпендикулярные и параллельные индексы показывают коэффициенты отражения для излучения которое является перпендикулярным или параллельным плоскости падения. Когда луч отражается от земли, то перпендикуляр относится к горизонтальной поляризации, а параллель - к вертикальной поляризации.
Комплексные коэффициенты отражения данные выше - для гладкой поверхности.
Комплексная диэлектрическая проницаемость вычисляется так:
(А30)
где - относительная диэлектрическая постоянная отражающей поверхности, - проводимость отражающей поверхности в Сименс/метр (обе величины вводятся в меню Prop_Info) и - длинна волны, излучаемая передатчиком. Коэффициент отражения на гладкой отражающей поверхности изменяется в случае изрезанной поверхности, принимая во внимание коэффициент затухания на неровностях:
(А32)
где - среднеквадратичное отклонение неровностей поверхности.
В алгоритме модели RMD коэффициент отражения вычисляется как описано выше для вертикальной и горизонтальной поляризации чтобы найти амплитуду и фазу отраженного луча. Этот отраженный луч затем векторно складывается с прямым лучом для нахождения напряженности поля в месте приема.
При выборе определенного типа помех программа добавляет соответствующий коэффициент ослабления при вычислении напряженности поля и уровня принимаемой мощности. При вычислении потерь этот коэффициент учитывает ослабление сигнала из-за строений и лесопосадок вокруг места приема. Эти потери будут учитываться во всех точках области анализа.
Если вы выбираете тип помехи "None", то никакие дополнительные потери из-за строений или лесопосадок не вносятся. При выборе типа помехи "Urban" (центр города), дополнительное затухание по причине помех вычисляется по следующей формуле:
где f - частота в МГц, d - расстояние от передатчика до приемника в км. Это выражение было взято из "Radio Propagation in Urban Areas. Report 78-144 Anita Longley." При выборе типа помехи "Suburban" (пригород), дополнительное затухание, вычисленное по предыдущей формуле уменьшается на 12 dB. Если вы выбираете тип помехи "Dense foliage" (плотная листва), дополнительное затухание вычисляется при помощи следующего выражения:
Это эмпирическая формула была получена для наиболее широкого представления (систематизации) данных, извлеченных из различных опубликованных статей по теме ослабления сигнала из-за деревьев, леса и кустарников. Если вы выбираете тип помехи "Sparse foliage" (Редкая листва), то потери из-за присутствия помехи уменьшаются на 6 dB относительно помех (А44).
Оценки ослабления по причине помех, данные выше должны рассматриваться с известной долей скепсиса т.е. как приблизительные, так как они получены чисто статистическим путем, и не могут гарантировать точных вычислений в некоторых случаях.
Для модели распространения сигнала, базирующейся на методе Okumura (Hata), "Urban" и "Suburban" коэффициенты вычисляются в соответствии с оригинальной методикой Hata, и при этом поправочные коэффициенты, данные выше не применяются.
Вы также можете включать более детальные препятствия при анализе, используя базу данных groundcover (земное покрытие). Это наиболее усовершенствованный способ включать локальные помехи при проведении анализа. И если вы используете базу данных groundcover то должны выбрать тип помехи в меню Prop_Info как "None".
Временная нестабильность - изменение уровня сигнала как функции времени в фиксированном месте приема при постоянных других параметрах среды. Строго говоря, изменение уровня сигнала происходит из-за зависимых от времени изменений в атмосфере, в основном из-за преломлений. Эти изменения могут приводить к изменению зон уверенного приема. Это называется "медленное изменение уровня мощности" и определяется из ежечасных измерений уровней мощности сигналов, что усредняет быстрые замирания, которые обсуждаются ниже.
Второй тип временной нестабильности - быстродействующее изменение, наблюдаемое в микроволновых системах, в которых переменные атмосферные условия изменяют относительную длину, и сдвиги фазы сигнала на трассе так, что прямые и отраженные лучи складываются либо в фазе, либо нет в зависимости от времени. Результирующий сигнал в месте приема имеет временную нестабильность которая подобна классическому распределению замираний Рэлея. Обычное ослабление мощности в таких случаях несколько dB, причем с большими изменениями при увеличении длины пути. Быстрые замирания Рэлеевского типа могут быть до 40dB и больше, это зависит от времени дня, сезона, типа климата.
Вы можете выбрать тип климата, что будет затем оказывать влияние на вычисление временной нестабильности. Для коротких трасс временная нестабильность приводит к изменению уровня сигнала на несколько dB. Быстрые временные изменения не учитываются в программах MSITE/SHDMAP и CVR, FMSR, и TVSR. Программы TPATH и RPATH принимают во внимание этот тип нестабильности.
Многое из, что описывается как временная нестабильность - фактически пространственная нестабильность, пространственная нестабильность в общем случае любое изменение в расположении приемника относительно любого элемента в среде. Так, например, уровень мощности в фиксированном месте приема может меняться по причине отражения сигнала от проезжающего мимо автомобиля, автомобиль - часть среды распространения, и поэтому изменение уровня сигнала, которые он вызывает должно рассматриваться как пространственная нестабильность, даже если при этом не изменяется местоположение приемника.
Обратите внимание, что изменения уровня сигнала, наблюдаемые в точках на трассе, которые затенены или, например, находятся на линии взгляда - не является пространственной нестабильностью, здесь различие в уровнях сигнала объясняется либо ситуацией прямой видимости, либо затенением. Другими словами, пространственная нестабильность обусловлена изменением уровня сигнала, которое определяется изменением в среде распространения, и она явно не рассматривается. Если в среде распространения все фиксировано, как и местоположение приемника, то пространственная нестабильность будет нулевой. Изменение уровня сигнала будет происходить по причине временной нестабильности.
Пространственная нестабильность характеризуется случайной величиной с распределением, подобным распределению Рэлея. Степень изменения может быть оценена принимая во внимание то, что уровень сигнала уменьшается примерно на 10 dB при увеличении на порядок процента вероятности. Например, если предсказанный уровень сигнала в 50% мест -100 dBmW, то уровень сигнала в 90% мест -110 dBmW, в 99% мест -120dBmW. По аналогии, уровень сигнала, гарантированный в 10% мест -90 dBmW, в 1% мест -80dBmW.
Радиотехника исторически развивалась с неуклонной тенденцией к освоению все более высокочастотных диапазонов. Это было связано прежде всего с необходимостью создавать высокоэффективные антенные системы, концентрирующие энергию в пределах узких телесных углов. Дело в том, что антенна с узкой ДН обязательно должна иметь поперечные размеры, существенно превышающие рабочую длину волны. Такое условие легко выполнить в метровом, а тем более, в сантиметровом диапазоне, в то время как остронаправленная антенна для длин волн порядка 10 км имела бы совершенно неприемлемые габариты.
Всякая система передачи сигналов состоит из трех основных частей: передающего устройства, приемного устройства и промежуточного звена - соединяющей линии. Для радиосистем промежуточным звеном является среда - пространство, в котором распространяются радиоволны. При распространении радиоволн по естественным трассам, т.е. в условиях, когда средой служат земная поверхность, атмосфера, космическое пространство, среда является тем звеном радиосистемы, которое практически не поддается управлению.
Вторым фактором, определяющим ценные свойства высокочастотных диапазонов, служит то обстоятельство, что здесь удается реализовать большое число радиоканалов с не пересекающимися полосами частот. Это дает возможность, с одной стороны, широко использовать принцип частотного разделения каналов, а с другой - применять широкополосные системы модуляции, например, частотную модуляцию. При определенных условиях такие системы модуляции способны обеспечить высокую помехоустойчивость работы радиоканала.
При распространении радиоволн в среде происходит изменение амплитуды поля волны (обычно - уменьшение), изменение скорости и направления распространения, поворот плоскости поляризации и искажение передаваемых сигналов. В связи с этим, проектируя линии радиосвязи, необходимо:
- рассчитать энергетические параметры линии радиосвязи (определить мощность передающего устройства или мощность сигнала на входе приемного устройства);
- определить оптимальные рабочие волны при заданных условиях распространения;
- определить истинную скорость и направление прихода сигналов;
- учесть возможные искажения передаваемого сигнала и определить меры по их устранению.
Для решения этих задач необходимо знать электрические свойства земной поверхности и атмосферы, а также физические процессы, происходящие при распространении радиоволн.
Земная поверхность оказывает существенное влияние на распространение радиоволн: в полупроводящей поверхности Земли радиоволны поглощаются; при падении на земную поверхность они отражаются; сферическая форма земной поверхности препятствует прямолинейному распространению радиоволн.
Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности Земли (в масштабе длины волны), называют земными радиоволнами (1 на рис. 6.1). Рассматривая распространение земных волн, атмосферу считают средой без потерь, с относительной диэлектрической проницаемостью е , равной единице. Влияние атмосферы учитывают отдельно, внося необходимые поправки.
В окружающей Землю атмосфере различают три области, оказывающие влияние на распространение радиоволн: тропосферу, стратосферу и ионосферу. Границы между этими областями выражены не резко и зависят от времени и географического места.
Тропосферой называется приземной слой атмосферы, простирающийся до тропопаузы (переходного слоя между тропосферой и стратосферой), лежащей над экватором на высоте 16-18 км, в умеренных широтах - на 10-12 км и в полярных областях - на 7-10 км. В тропосфере происходит искривление траектории земных радиоволн, называемое рефракцией. Распространение тропосферных радиоволн (2 на рис. 6.1) возможно из-за рассеяния и отражения их от неоднородностей тропосферы. Радиоволны миллиметрового и сантиметрового диапазона в тропосфере поглощаются.
Рис. 6.1.
Стратосфера простирается от тропопаузы до высот 50-60 км. Стратосфера отличается от тропосферы существенно меньшей плотностью воздуха и законом распределения температуры по высоте: до высоты 30-35 км температура постоянна, а далее до высоты 60 км резко повышается. На распространение радиоволн стратосфера оказывает то же влияние, что и тропосфера, но оно проявляется в меньшей степени из-за малой плотности воздуха.
Ионосферой называется область атмосферы на высотах 60-10 000 км над земной поверхностью. На этих высотах плотность воздуха весьма мала и воздух ионизирован, т.е. имеется большое число свободных электронов (примерно 10 3 ... 10 6 электронов в 1 см 3 воздуха). Присутствие свободных электронов существенно влияет на электрические свойства ионосферы и обусловливает возможность отражения от ионосферы радиоволн длиннее 10 м. При однократном отражении радиоволны могут перекрывать расстояние по поверхности Земли до 4000 км. В результате многократного отражения от ионосферы и поверхности Земли радиоволны могут распространяться на любые расстояния по земной поверхности. Радиоволны, распространяющиеся путем отражения от ионосферы или рассеяния в ней, называют ионосферными волнами (3 на рис. 6.1). На условия распространения ионосферных волн свойства земной поверхности и тропосферы влияют мало.
Условия распространения радиоволн (4 , 5 на рис. 6.1) при космической радиосвязи обладают некоторыми специфическими особенностями, а на радиоволны 4 основное влияние оказывает атмосфера Земли.
5.3. Среды распространения сигнала
Для систем авиационной электросвязи средами распространения сигнала в проводных линиях являются (воздушная линия, кабель, волновод, оптоволокно), а в радиолиниях – атмосфера и космическое пространство.
В воздушных линиях средой распространения сигнала являются один или два проводника, подвешенные на столбах. Диапазон рабочих частот сигналов воздушных линий равен 0…10 5 Гц.
В кабельных линиях средой распространения сигнала являются радиокабели. Радиокабели подразделяются на симметричные и коаксиальные.
Симметричный радиокабель представляет собой два параллельно расположенных изолированных проводника, помещенных в диэлектрическую среду. Диапазон рабочих частот сигналов симметричных кабельных линий равен 0…10 6 Гц.
Коаксиальный радиокабель представляет собой два концентрически расположенных изолированных проводника, помещенных в диэлектрическую среду. Диапазон рабочих частот сигналов коаксиальных кабельных линий равен 0…10 8 Гц.
В волноводных линиях средой распространения сигнала является пространство, ограниченное стенками волновода. По волноводу распространяется электромагнитная волна. Диапазон рабочих частот электромагнитных волн в волноводных линиях равен (3…10)10 10 Гц.
В оптоволоконных линиях средой распространения сигнала является опти́ческое волокно́, представляющее собой нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса световых волн внутри себя посредством полного внутреннего отражения. Диапазон рабочих частот световых волн в оптоволоконных линиях равен 10 14 . ...10 15 Гц.
В радиолиниях передача информации осуществляется посредством радиоволню
Классификация диапазонов радиоволн и радиочастот приведена в Таблице 1.1. Длина радиоволны λ и частота f связаны соотношением λf = 3×10 8 м/с. Тогда: λ [м] = 300/ f [МГц] .
Атмосфера подразделяется на три основные области:тропосфера, стратосфера и ионосфера.
Тропосфера (нижняя атмосфера) располагается от поверхности Земли и до высот 15…18 км и характеризуется наличием тропосферных неоднородностей: паров воды, облаков. Тропосферные неоднородности способны отражать падающие на них радиоволны.
Стратосфера простирается примерно до 60…80 км.
Ионосфера начинается с высот 60…80 км и простирается до высоты 1500 км и имеет слоистый характер неоднородностей, определяемый размещением газов в атмосфере: в нижней части ионосферы располагаются тяжелые газы, а выше – более легкие газы.
Падающее на ионосферу излучение Солнца вызывает ионизацию газа. Поскольку плотность газа на больших высотах мала, то вероятность рекомбинации невелика. По этой причине значительная часть газа остается ионизированной, т. е. представляет собой плазму. Ионизированный газ обладает электропроводностью. Концентрация свободных электронов определяется интенсивностью ионизирующего излучения Солнца и зависит от высоты, времени суток и сезона года. На очень больших высотах плотность газа мала, соответственно уменьшается и количество ионов, а в итоге и их влияние на прохождение радиоволн. По этой причине существенное влияние на распространение радиоволн оказывает только часть ионосферы до высот около 500 км. Плотность свободных электронов в ионосфере составляет 10 3 …10 6 эл/см 3 .
Полная картина физических процессов при прохождении волн через ионосферу очень сложна. Одна из главных причин этой сложности состоит в том, что фактически ионосфера не представляет собой один слой, а состоит из ряда слоев, обладающих неодинаковыми свойствами (рис. 5.3).
250-500
км
F
2
200-230 км F 1
100-130 км E
молчания
Рис. 5.3. Структура ионосферы
На относительно небольших высотах 60...80 км располагается слой, обозначаемый D , в котором концентрация свободных электронов невелика. Выше на высотах 100…130 км располагается слойЕ , далее на высотах 200…230 км располагается слойF 1 и на высотах 250…500 км – слойF 2, для которого характерна наибольшая концентрация электронов. Состояние этих слоев сильно зависят от времени года и суток, а также от текущего состояния солнечной активности, которая изменяется с периодом 11 лет. Например, слоиD иF 1 существуют только в дневное время, а электронная концентрация слоевЕ иF 2 в ночное время уменьшается.
Волны разной длины могут отражаться в разных слоях, либо вовсе не отражаться. Отсутствие отражений наблюдается при излучении волн под большим углом по отношению к поверхности Земли и при относительно высоких частотах. В этом случае радиоволны «пронзают» ионосферу и уходят в мировое пространство.
Несмотря на изменчивость свойств ионосферы, относительная регулярность этих изменений делает возможным использовать ее на постоянно действующих радиолиниях.
В атмосфере наблюдаются и иные менее регулярные неоднородности (например, следы метеоров, искусственные неоднородности), которые также учитываются в построении ряда радиолиний.
На основе проведенного анализа свойств тропосферы и ионосферы можно сделать вывод, что р адиоволны могут распространяться :
Вдоль земной поверхности (земные или поверхностные волны);
С отражением от неоднородностей, находящихся в среде РРВ (пространственные волны);
В свободном пространстве (когда электрические параметры Земли не влияют на свойства РРВ) – на дальность прямой видимости.
Для некоторых радиолиний можно определить радиоволны, которые, кроме того, могут распространяться в каких-либо геологических слоях Земли, строительных материалах и в воде.
Особенности РРВ зависят от частоты радиоволны:
С ростом частоты (с уменьшением длины волны) поглощение энергии радиоволны в земле возрастает, а в ионосфере – уменьшается;
С уменьшением частоты (с увеличением длины волны) возрастает дифракционная и рефракционная способность распространения радиоволн, т.е. способность огибать земную поверхность и преломляться в неоднородной среде;
С уменьшением частоты радиоволны и с увеличением угла падения волны на ионосферу возрастает отражающая способность ионосферных слоев.
Особенности распространения радиоволн ОНЧ и НЧ диапазонов.
Радиоволны с длинами от 1 до 100 км, соответствующие диапазонам НЧ и ОНЧ, превышают размеры большей части неровностей почвы и препятствий, поэтому при их распространении заметно проявляется дифракция. Благодаря дифракции волны огибают земную поверхность, холмы и даже горные хребты. Однако, обогнув высокое препятствие, волны далее распространяются в свободном пространстве прямолинейно, поэтому возможно образование "мертвой зоны", в пределах которой прием сигналов затруднен или невозможен (рис. 5.4).
Поверхностные волны индуцируют в почве ЭДС, в результате чего часть энергии радиоволны поглощается. По этой причине волны диапазонов НЧ и ОНЧ способны распространяться на расстояния в тысячи километров.
Пространственные волны этих же диапазонов, если они распространяются в направлении ионосферы, отражаются ею, позволяя
Рис. 5.4. Поверхностное распространение радиоволн
ОНЧ и НЧ диапазонов
передавать информацию на столь же большие расстояния. Отражаясь вторично, они достигают еще более отдаленной зоны. Возможны и последующие подобные отражения. Это дает возможность передавать информацию практически в любую точку Земли.
Если в место приема сигнала одновременно приходят поверхностные и пространственные волны, то происходит сложение волн – интерференция . При взаимном наложении интерферирующих волн амплитуда суммарных колебаний зависит от разности их фаз, определяемой разными длинами трасс РРВ, и от значений их напряженностей поля в месте приема.
Явление ослабления уровня радиосигналов вследствие различных процессов при распространении волн называется замиранием .
Распространение радиоволн по разным путям называется многолучевым . Замирания, вызванные интерференцией при многолучевом распространении, называютсяинтерференциоными замираниями.
В НЧ- и ОНЧ- диапазонах глубокие интерференционные замирания сравнительно редки.
Для радиоволн ОНЧ-диапазона наблюдается не только поверхностное и пространственное, но и волноводное распространение в сферическом волноводе «Земля – нижняя граница ионосферы» .
Волны диапазона ОНЧ обладают способностью проникать на сравнительно большую глубину в поверхностный слой земли и даже в морскую воду. Это делает возможной связь в диапазоне ОНЧ с подземными и подводными объектами.
Особенности распространения радиоволн СЧ диапазона
В диапазоне СЧ дальность РРВ с помощью поверхностных волн обычно не превышает 1500 км, так как потери в почве возрастают с повышением частоты.
Пространственные волны этого диапазона в дневное время сильно поглощаются в слое D ионосферы. Ночью поглощение меньше и пространственное РРВ СЧ диапазона возможно на расстояния до 2…3 тыс. км. Однако в силу одинакового порядка значений напряженности поля поверхностной и пространственной волн, ночью возможны глубокие интерференционные замирания радиосигнала СЧ диапазона.
Особенности распространения радиоволн ВЧ диапазона
Поверхностные волны ВЧ диапазона сильно ослабляются из-за значительных потерь энергии радиоволн в почве, поэтому с их помощью дальность передачи информации невелика (не более 100 км).
Пространственное распространение радиоволн ВЧ диапазона с повышением частоты улучшается благодаря уменьшению потерь в ионосфере.
Радиоволны разной длины могут отражаться от разных слоев ионосферы, либо вовсе не отражаться. Для количественной оценки этого явления введено понятие критической частоты f кр радиосигнала , как максимальной частоты радиосигнала, который при вертикальном излучении (α = 90°) отражается от ионосферы и возвращается на Землю (рис. 5.5). Для каждого ионосферного слоя существует своя критическая частота, зависящая от степени ионизации ионосферы. Радиоволны с частотамиf > f кр пронзают ионосферу и уходят в космическое пространство.