Реферат: Электромагнитная совместимость сотовых сетей связи

Ps=Pos + XS,

PI = POI + XI.                                                 (3.1)

где Pos, POI  - медианные значения мощности сигнала и радиопомехи; XS, XI - случайные гауссовские величины с нулевым средним значением и с дисперсией σ2, определяющей глубину флуктуации этих уровней (обычно принимают, что для городов с малой и средней этажностью застройки стандартное отклонение σ = 6 дБ, а для пригородов и сельской местности σ = 4 дБ).

Тогда   ηS   и   ηI   выраженные   в   процентах,   определяются   интегралами вероятности:

,                   (3.2)

.                                

где Рмин - чувствительность радиоприемника; АВХ - защитное отношение на входе радиоприемника; kS, kI - коэффициенты, учитывающие допустимый процент времени ухудшения качества радиосвязи ниже заданного уровня.

Отметим, что если ηS = ηI = 5% (что обычно принимается в качестве вероятностного критерия оценки границы зоны покрытия сотовой сети), то     kS, = kI = k = 1.65, которое характеризует пороговые уровни сигнала и отношения сигнал/помеха. Снижение пороговых уровней может привести к увеличению времени некачественного обслуживания абонентов.

Условия, указанные в формулах (3.2), выполняются в процентах времени ηS и ηI в том случае, если имеют место следующие соотношения:
РOS = РМИН + kσ                                                     (3.3)

.                                (3.4)

где kσ - запас  на замирания полезного сигнала,  обеспечиваемый в системе радиотелефонной связи на входе РПМ.

Баланс мощности в сетях подвижной связи должен быть выбран таким образом, чтобы на границе зоны обслуживания сети всегда выполнялось требуемое соотношение, а территориальный и/или частотный разнос между совмещаемыми сетями должен быть таким, чтобы выполнялось соотношение (3.4). Принятый выше запас на замирания полезного сигнала соответствует требованиям обеспечения минимальной напряженности поля сигнала для защиты мобильных станций цифровых и аналоговых систем сотовой связи, указанным в Рекомендации СЕРТ.

Необходимо учитывать, что энергетические параметры РЭС сотовых сетей связи должны выбираться из условия обеспечения требуемого радиуса зоны покрытия базовой станции (БС) каждой сети. Радиусы зон покрытия БС должны быть учтены при расчете величины территориального разноса между РЭС.

Таким образом на основании (3.3) и (3.4) уравнение ЭМС РЭС может быть
записано в следующем виде:                                       

                               (3.5)

где                                                                             

РМИН - чувствительность РПМ (рецептора радиопомех), дБВт;    

А - защитное отношение РПМ в совмещенном канале, дБ;

 - запас на замирания сигнала и радиопомехи, дБ;
POI - мощность радиопомехи на входе РПМ, дБВт.
POI = PРПД + GРПД(φРПМ) + GРПМ(φРПД) + UРПД + UРПМ + N(δf) - L(R),              (3.6)

где

PРПД - мощность радиопередатчика источника радиопомех, дБВт;

GРПД(φРПМ) - к-нт усиления антенны РПД в направлении на РПМ, дБ;

GРПМ(φРПД) -  к-нт усиления антенны РПМ в направлении на РПД, дБ;

UРПД, UРПМ — затухание в антенно-фидерном тракте РПД и РПМ, дБ;

N(δf) - ослабление радиопомехи в линейном тракте РПМ, дБ;

δf =fрпд -fргм -  частотная расстройка, МГц;

L(R) - потери на трассе распространения сигналов от РИД (в данном случае источника радиопомех) к РПМ (рецептору радиопомех), дБ. Эти потери принято называть основными потерями передачи, которые рассчитываются от входа передающей изотропной антенны до выхода приемной изотропной антенны. На рис. 13 показана структура линии радиосвязи и основные термины, используемые для представления о потерях передачи.

Рис. 13. Структура линии радиосвязи.

Зависимость ослабления помехи от расстройки δf вычисляется по формуле

.         (3.7)

Здесь

С - нормировочный коэффициент;

S(f) - спектр сигнала радиопередатчика;

K(f) - нормированная функция избирательности радиоприемника (амплитудно-частотная характеристика)[32].

Спектр сигнала и функция избирательности являются важнейшими техническими характеристиками РЭС, существенно влияющими на условия их ЭМС. Поэтому к уровням внеполосных и побочных излучений радиопередатчиков предъявляются особые требования.

При оценке ЭМС РЭС с целью проверки соответствия параметров сигналов РЭС установленным требованиям необходимо руководствоваться едиными нормами на внеполосные и побочные излучения радиопередающих устройств гражданского назначения.

По мнению ERC рекомендации CEPT/ERC 74-01E для уровней побочных излучений РЭС сухопутной подвижной службы должны пересматриваться каждые три года в соответствии с изменениями технологий и регулирующих требований и должны быть использованы администрациями в качестве руководства для разработки соответствующих стандартов.

Нормы частотно-территориального разноса РЭС

В ходе оценки ЭМС РЭС необходимо определить требуемые удаления потенциально несовместимых РПД и РПМ при различных частотных расстройках и при различных вариантах взаимной ориентации их антенн. Полученные результаты для наземных РЭС с учетом принятой модели распространения радиоволн и без учета влияния рельефа местности представляют собой оценку сверху требуемых территориальных разносов.

В случае, если реальные значения территориальных разносов больше чем требуемые, то считается, что ЭМС РЭС обеспечивается. В противном случае может потребоваться введение дополнительных ограничений на мощность излучения, частотную расстройку и (или) пространственную ориентацию и высоту расположения антенн РЭС.

Одним из эффективных способов согласования условий совместной работы РЭС является разработка и реализация норм частотно-территориального разноса (ЧТР) между взаимовлияющими РЭС.

Нормы ЧТР представляют собой совокупность взаимообусловленных значений территориального и частотного разноса РЭС с учетом ориентации их антенн, при которых обеспечивается их ЭМС. На основе норм ЧТР определяются или конкретные рабочие частоты, которые могут быть использованы в сетях подвижной связи, или необходимый для обеспечения ЭМС территориальный разнос для заявленных рабочих частот. Кроме того, нормы ЧТР позволяют установить требования к характеристикам направленности и ориентации антенных систем РЭС в пространстве при заданных рабочих частотах и расстояниях между РЭС.

Нормы ЧТР определяются для конкретных типов РЭС с учетом их энергетических, частотных и пространственных характеристик. В случае удовлетворения требованиям норм ЧТР, ЭМС между РЭС считается обеспеченной.

Нормы ЧТР рассчитываются на основании уравнения ЭМС РЭС (3.5). Часто основные потери передачи L(R) при распространении на трассе протяженностью R от радиопередатчика  к  радиоприемнику   представляют  функцией, которую в относительных единицах (дБ) можно записать следующим образом:
.                                                 (3.8)

Для примера, приведем известную формулу основных потерь передачи в свободном пространстве (без учета влияния земной поверхности, атмосферы и других факторов):

.                       (3.9)

Здесь

f -рабочая частота, МГц,

R - расстояние, км.

На рис. 14 показана зависимость ослабление радиоволн от расстояния в свободном пространстве для трех диапазонов частот. Наклон данной характеристики составляет 20 дБ на декаду. Модели ослабления радиоволн в приземном слое, соответствующие условиям сухопутной подвижной связи, будут иметь более сложную зависимость и более высокий показатель ослабления, а значит и более крутой спад характеристики ослабления по сравнению с приведенной на рис. 14.

Рис. 14. Зависимость ослабление радиоволн от расстояния в свободном пространстве для трех диапазонов частот.

На основании (3.5), (3.6) и (3.8) формула для расчета требуемых значений территориального разноса РЭС будет иметь вид:

,                                                (3.10)

где

D - требуемый территориальный разнос, км;

Z - обобщенный энергетический параметр, дБ.

. (3.11)

Физический смысл параметра Z заключается в том, что он характеризует отношение   минимально  допустимой   мощности   полезного   сигнала   на   входе приемника (чувствительность РПМ) к мощности излучаемого помехового сигнала в полосе РПМ с учетом защитного отношения приемника, а также замирания сигнала и помехи на трассе распространения. Чем больше эта разность, тем ближе могут   быть   установлены   РПД   мешающего   и   РПМ   полезного   сигналов c сохранением условий обеспечения ЭМС. Необходимо отметить, что при реальном планировании систем радиосвязи обычно  к чувствительности добавляют еще некоторый запас по полезному сигналу для устойчивой работы системы.

Параметр Z объединяет все основные ЭМС - характеристики двух потенциально несовместимых РЭС. Это обстоятельство позволяет получить обобщенную зависимость требуемого территориального разноса РЭС, работающих в заданном диапазоне частот.

Частные решения для норм частотно-территориального разноса РЭС могут быть получены из общего на основе вычисления значений Z, соответствующих конкретным значениям параметров (энергетических, частотных и пространственных), входящих в выражение (3.11).

Обычно нормы ЧТР представляют в виде:

-   табличных   данных   дискретных   значений   изменяемых   параметров   РЭС (мощности радиопередатчиков, суммарного взаимного коэффициента усиления антенн РПД и РПМ, чувствительности РПМ, высоты расположения антенн над земной поверхностью, требований к устойчивости обеспечения радиосвязи и др.) и соответствующих им значений частотно-территориальных разносов РЭС;

-   графических зависимостей (номограмм) территориальных разносов РЭС от частотной расстройки  при заданных типовых значениях других исходных параметров, которые позволяют более гибко определять условия согласования работы РЭС по сравнению с табличной формой.

Особенности применения норм ЧТР:

1. Необходимо помнить, что нормы ЧТР обычно характеризуют «дуэльную» ситуацию и позволяют определить условия совместной работы для пары РЭС при тех или иных ограничениях и моделях распространения. В некоторых случаях нормы ЧТР могут учитывать группу РЭС - источников непреднамеренных помех с заданной плотностью их расположения на местности.

2.         Нормы   ЧТР  целесообразно   рассчитывать   с   некоторым  запасом, учитывая несовершенство   прежде   всего   математических   моделей   распространения сигналов вдоль земной поверхности.

3.         При проектировании сетей сухопутной подвижной связи, которые содержат большое   количество   РЭС,   сосредоточенных  на  ограниченной  территории, пользоваться нормами ЧТР бывает нецелесообразно, т.к. необходимо учитывать, что непреднамеренные системные радиопомехи будут представлять собой сумму
большого   числа   пространственно   разнесенных   источников   излучения   с различными рабочими частотами. В этой ситуации необходимо проводить более детальную оценку ЭМС РЭС (учитывая наличие и других систем связи) на основе вычислительных программных комплексов с использованием цифровых карт местности.

Модели распространения сигналов, используемые при анализе ЭМС и проектировании сетей подвижной связи

Задачи, связанные с распространением радиоволн в приземной зоне, весьма сложны, поскольку поле около антенны радиоприемника как абонента, так и базовой станции представляет собой суперпозицию, полученную при многолучевом распространении сигнала в условиях данной местности. Проблема осложняется влиянием на условия распространения радиоволн подвижных объектов, рассеивающих радиоволны, так и перемещением самих абонентов в зоне неравномерного поля. Уровень сигнала может изменяться от пиковых значений, превышающих средний уровень на несколько единиц и даже десятков децибел, до десятков децибел ниже среднего в зонах сильного замирания.

Для расчета ослабления сигналов при анализе ЭМС и проектировании сетей сухопутной подвижной связи наиболее широко пользуются моделированием, основанным на результатах статистической обработки экспериментальных исследований распространения сигналов вдоль земной поверхности. Такие исследования проводились во многих странах мира для различных условий местности. Некоторые из этих моделей являются общепризнанными и рекомендованы МСЭ для использования при проектировании сетей подвижной связи.

Можно выделить два основных типа моделей, используемых в сухопутной связи. Первый тип, где в качестве основных параметров, характеризующих местность и условия распространения сигналов, являются эффективная высота расположения антенны и эффективная высота неровностей местности (перепад высот земной поверхности). Второй тип - модели ослабления сигналов в городских условиях, где рельеф местности обычно не учитывается. Кроме того целесообразно выделить в особую категорию модели распространения в пределах зданий.

Статистические методы по своей сути не учитывают индивидуальных особенностей конкретных трасс распространения радиоволн и поэтому позволяют оценить средние или медианные уровни сигналов для территории, где проводились испытания. Все методы расчета должны давать в принципе одинаковые результаты для одинаковых условий. К сожалению, различные рекомендации и модели часто дают разные результаты расчетов. Однако некоторые математические модели распространения радиоволн, построенные на основе эспериментальных данных и описывающие поле в статистически однородной среде (городская территория, пригород, сельская местность, открытое пространство), являются общепризнанными, о чем свидетельствуют Рекомендации ITU и СЕРТ, и могут быть использованы как достаточное приближение для расчета зон покрытия сетей сухопутной подвижной связи и оценки их ЭМС.

Модели распространения, рекомендованные МСЭ

Для расчета напряженности поля РЭС различных служб в диапазоне от 30 МГц до 1000 МГц в МСЭ была разработана рекомендация ITU-R P.370. Кроме того имеется рекомендация непосредственно для сухопутной подвижной службы ITU-R Р.529, разработанная на основе ITU-R P.370 (в эту рекомендацию включены кривые Okumura) и рекомендация ITU-R P.1146, которая явилась следствием расширения результатов ITU-R P.370 на диапазон волн до 3 ГГц.

Рекомендация ITU-R P.370 является наиболее ранней и наиболее разработанной рекомендацией для расчета напряженности поля радиоволн в диапазоне от 30 до 1000 МГц. Она основана на огромном экспериментальном материале, полученном в основном в Западной Европе и Северной Америке. Рекомендация предоставляет возможность определять напряженность поля на расстояниях от 10 км до 1000 км. Эта рекомендация позволяет учесть высоту передающей антенны в пределах от 37 м до 1200 м и приемной антенны от 1,5 м до 40 м, а также неровности земли от 25 м до 400 м. Кроме того, в рекомендации имеется возможность определения параметров пространственных и временных флуктуаций напряженности поля, а также могут учитываться углы закрытия со стороны приемной и передающей антенн и климатические особенности регионов.

Сфера действия рекомендации ITU-R P.529, предназначенной для расчета напряженности поля применительно к сухопутным подвижным системам связи, практически совпадает с частью сферы действия рекомендации ITU-R P.370, но она не учитывает многих особенностей распространения радиоволн, которые учитываются в рекомендации ITU-R P.370. Расчеты напряженности поля, проведенные по методам рекомендаций ITU-R P.370 и ITU-R P.529 для высоты приемной антенны 1,5 м на частоте 900 МГц примерно совпадают для городской местности до 100 км. Для других частот и больших расстояний рекомендация ITU-R P.529 не содержит никаких данных. Высотная зависимость в рекомендации ITU-R Р.529 приведена лишь в пределах 1…10 м и несколько отличается от данных рекомендации ITU-R P.370.

Рекомендация ITU-R Р.1146 предназначена для расчета напряженности поля в диапазоне от 1 ГГц до 3 ГГц. На частоте 1 ГГц расчеты по этой рекомендации должны были бы совпадать с расчетом по методу рекомендаций ITU-R P.370 и ITU-R P.529. Однако, различие в расчетах достигает 20 дБ для расстояний в области 25-120 км. Это вызвано, по-видимому, тем, что в рекомендации ITU-R Р. 1146 выбран неудачный метод классификации трасс по числу препятствий, дающий возможность произвольного выбора того или иного варианта расчета без надлежащего учета условий распространения радиоволн.

По-видимому, методы рекомендации ITU-R P.370 следует в большинстве случаев считать более предпочтительными по сравнению с другими методами ввиду того, что эта рекомендация основана на очень большом экспериментальном материале и учитывает большее число факторов, влияющих на распространение радиоволн. Однако для условий городской местности и для малых расстояний (менее 10 км) целесообразно пользоваться рекомендацией ITU-R Р.529.

Модель Okumura-Hata

Среди многочисленных экспериментальных исследований, связанных с прогнозом распространения радиоволн для мобильных систем, исследования Okumura   считаются   наиболее   исчерпывающими.   На   основе   измерений   им построены кривые напряженности поля сигналов для различных условий городской и пригородной местности. Эмпирические формулы, аппроксимирующие кривые Okumura для медианного значения ослабления радиосигнала между двумя изотропными антеннами (передающей и приемной), были получены Hata и известны как эмпирическая модель Hata для ослабления.

Модель Hata описывает особенности распространения радиоволн над квази­плоской местностью и не учитывает особенности рельефа. Кроме того предполагается, что антенны базовых станций расположены выше окружающих строений, а размер ячеек при формировании макросотовой структуры сети составляет около 1 км и более. В этом случае потери распространения определяются главным образом процессом дифракции и рассеяния радиоволн на высоте крыш зданий, окружающих абонентскую станцию. Распространение основных лучей от базовой станции происходит выше крыш строений.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13