Как теоретические, так и экспериментальные исследования подтвердили, что принимаемая мощность изменяется по логарифмическому закону.
Этот закон выполняется как для радиолиний вне зданий, так и внутри их.
Средние крупномасштабные потери при произвольном расстоянии излучатель - приемник описываются выражением
(2.1)
или в логарифмическом масштабе
, дБ, (2.2)
где n - показатель степени, который показывает, с какой скоростью возрастают потери передачи от расстояния; d0 - расстояние от излучателя до границы отсчета, d - расстояние между излучателем и приемником. Черта в (2.1), (2.2) означает среднее из возможных значений потерь для данного расстояния d. На диаграмме в логарифмическом масштабе график ослабления описывается наклонной прямой с коэффициентом наклона 10. n дБ на декаду. Показатель n зависит от конкретных параметров среды распространения.
Таблица. Показатель n ослабления поля для различных условий распространения радиоволн
Среда
Показатель n
Свободное пространство
2
Сотовая связь в городе
2.7 - 3.5
Сотовая связь в городе в тени
3 - 5
В зданиях при прямой видимости
1.6 - 1.8
Препятствия, загромождения в зданиях
4 - 6
Важно правильно выбрать подходящее расстояние d0 для 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. Эталонное значение ослабления рассчитывается с помощью формулы распространения в свободном пространстве или через поля, измеренные на расстоянии d0.
Уравнение (2.2) не учитывает того, что параметры среды могут быстро изменяться между измерениями.
Измерения показали, что величина ослабления мощности в радиоканале описывается нормально-логарифмическим (равномерным в дБ) законом:
, дБ, (2.3a)
и
, дБ, (2.3б)
где xs - случайная величина c нормально-логарифмическим законом распределения со стандартной девиацией s, дБ.
Данные формулы могут быть использованы для расчета поля в реальных системах связи при наличии случайных ослабляющих сигнал факторов. На практике величины n и s обычно определяются из экспериментальных исследований (рис.12).
Поскольку значение PL (d) - случайная величина с нормальным распределением по шкале дБ от расстояния d, также случайно распределена и функция Pr (d). Для определения вероятности того, что принятый сигнал будет выше (или ниже) особого уровня, может быть использована функция Q:
, (2.4а)
где выполняется условие
. (2.4б)
Вероятность того, что принятый сигнал будет выше некоторой заданной величины g, может быть вычислена из накопительной функции плотности как
. (2.5)
Аналогично вероятность того, что принятая мощность будет меньше g:
(2.6)
Рис.12. Экспериментальные данные, иллюстрирующие ослабление радиоволн в условиях города (приведены данные измерений ослабления мощности радиоканалов для 6 городов Германии, из этих экспериментальных данных определены параметры n=2.7, s=11.8 дБ)
Радиолинии в мобильной связи часто проходят по неровным местностям. В этом случае следует учитывать реальный профиль трассы. Трасса может изменяться от гладкой до сильно пересеченной местности. Также следует учесть наличие зданий, деревьев и других препятствий при связи в условиях города. Негладкие трассы рассчитываются разными методами. Существующие методы расчета поля в реальных условиях связи сильно отличаются по подходу, сложности и точности. Большинство основано на использовании экспериментальных данных для обслуживаемого района. Ниже описаны некоторые методы.
Этот метод является одним из широко используемых методов для расчета радиолиний в условиях города. Он пригоден для частот 150 - 2000 МГц (хотя может быть экстраполирован до 3000 МГц) и расстояний от 1 до 100 км. Данный метод может быть использован, если эффективная высота подвеса базовой антенны составляет от 30 до 1000 м.
Okumura предложил сетку кривых для расчета среднего ослабления относительно ослабления в свободном пространстве Amu в условиях города с квазигладким профилем с изотропной передающей антенной, поднятой на эффективную высоту hte = 200 м и мобильной антенной высотой hre = 3 м. Графики получены в результате многих измерений с ненаправленными антеннами базовой станции и мобильного приемника и представлены в виде графика для диапазона частот 100-1920 МГц как функция дальности от 1 до 100 км.
Для определения потерь на радиолинии рассчитывается ослабление поля в свободном пространстве, затем по кривым графика (рис.13) определяется величина Ama (f,d) и добавляются к ослаблению в свободном пространстве с корректирующей поправкой, зависящей от степени неровности профиля трассы:
, дБ, (2.7)
гдеL50 - средняя величина потерь,
LF - потери в свободном пространстве,
Ama - усредненное дополнительное ослабление, обусловленное влиянием земной поверхности,
G (hte) - эффективное усиление передающей антенны,
G (hre) - эффективное усиление приемной антенны,
GAREA - поправочный коэффициент из графика на рис.14.
Рис.13. Частотная зависимость усредненного ослабления сигнала по отношению к свободному пространству для квазигладкого профиля трассы
Рис.14. Поправочный коэффициент, обусловленный профилем радиотрассы.
Кроме того, Okumura нашел, что величина G (hte) изменяется по закону 20 дБ/декада, а G (hre) для высот менее 3 м - 10 дБ/декада:
,1000 м > h te> 10 м; (2.8а)
,hre < 3 м; (2.8б)
,10 м > hre >3 м. (2.8в)
Модель Okumura полностью построена на экспериментальных данных. Графики, полученные Okumura, можно экстраполировать. Модель Okumura наиболее простая и достаточно точная для расчета потерь в сотовых системах связи и мобильной связи. Она является стандартом при расчете сот для мобильной связи в Японии.
Главный недостаток модели - работа с графиками и невозможность полноценно учесть быстроизменяющиеся условия в профиле трассы.
В основном рассмотренный метод используется для расчета радиолиний в урбанизированных и сверхурбанизированных районах. Разница расчетных и экспериментально измеренных напряженностей поля обычно не превышает 10-13 дБ.
Hata обработал экспериментальные данные Okumura для частот 150-1500 МГц и предложил рассчитывать потери распространения в условиях города по стандартной формуле с учетом корректирующих уравнений для иных условий.
Стандартная формула для расчета средних потерь мощности в условиях города:
(2.9)
Где fc - частота от 150 до 1500 МГц,
hte - эффективная высота базовой антенны (от 30 до 200 м),
hre - эффективная высота мобильной антенны (от 1 до 10 м),
d - расстояние от передатчика до приемника, км,
a (hre) - корректирующий фактор для эффективной высоты мобильной антенны, который является функцией величины зоны обслуживания.
Для небольших и среднего размера населенных пунктов:
. (2.10)
Для крупных городов:
для fc<300 МГц; (2.11a)
для fc>300 МГц. (2.11б)
В сверхурбанизированных районах стандартная (основная) формула Hata (2.9) модифицируется следующим образом:
, дБ, (2.12)
а для открытых районов:
, дБ. (2.13)
Хотя формулы Hata не позволяют учесть все специфические поправки, которые доступны в методе Okumura, они имеют существенное практическое значение. Расчеты по формулам Hata хорошо совпадают с данными модели Okumura для дальностей, больших 1 км.
Европейская ассоциация EVRO-COST предложила новую версию метода Hata, верную для частот до 2 ГГц. Стандартная формула для расчета средних потерь мощности в условиях города записывается следующим образом:
, (2.14)
Где a (hre) определяется формулами (2.10) и (2.11),
Gm = 0 дБ для городов средних и крупных размеров,
Gm = 3 дБ для столиц.
Допустимые границы параметров в (2.14): fc1500... 2000 МГц,
hte30... 200 м,
hre1...10 м,
d1. .20 км.
Использование вышезаписанных выражений позволяет рассчитывать широкий класс радиоканалов связи с учетом конкретных условий распространения волн. Выбор конкретной модели, описывающей распространение радиоволн, существенно зависит от частоты несущей, высоты подвеса передающей и приемной антенн, окружающего пространства. Адекватность расчетов и экспериментальных данных определяется корректностью используемых методов, а также сильно зависит от практического опыта специалиста.
Термин дифракция, относящийся к теории волновых процессов, имеет довольно широкое значение. Первоначально явлениями называли отклонения свойств света от их идеализированных норм, которые диктуются геометрической оптикой. Свет в определенной степени огибает препятствия, границы света и тени не бывают идеально резкими. Однако, пока размеры рассматриваемых объектов весьма велики по сравнению с длиной волны (d>>λ), что характерно для света, геометрическая оптика остается полезным и часто вполне достаточным инструментом теории. Объекты относительно больших размеров нередки, например, и в антенной технике, но здесь неравенство d>>λ уже не выполняется в столь сильной степени; поэтому отклонения от представлений геометрической оптики существенно сильнее. Наконец, когда размеры объекта сравнимы с длиной волны, геометрическая оптика теряет силу.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
