Распространение радиоволн по модели Okumura-Hata

Федеральное агентство  по образованию

 

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального образования

«Юго-Западный Государственный университет»

 

Кафедра    телекоммуникаций___

 

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ (ПРОЕКТ)

 

Студент Кизилов С.С.    шифр     698006        группа   ТК 81з__

(фамилия, инициалы)

 

1. Тема «Распространение радиоволн по модели Okumura-Hata, рассчитать ослабление сигнала. Провести расчёт межсистемной электромагнитной совместимости между двумя базовыми станциями двух различных стандартов сотовой связи. Сделать вывод о возможности (невозможности) взаимной беспомеховой работы»

 

2. Срок представления  работы (проекта) к защите «___» ___________ 2013 г.

 

3. Исходные данные (для проектирования, для научного исследования):

Рабочая частота f, МГц – 830 МГц;

Высота антенны базовой  станции h_БС , м – 40 м;

Высота антенны абонентской станции h_АС , м – 2,5 м;

Протяжённость трассы R, км – 10 км;

Тип местности – пригород

 

4. Содержание пояснительной записки курсовой работы (проекта):

4.1 Введение

4.2 Электромагнитная совместимость сотовых сетей

4.3 Модели распространения, рекомендованные МСЭ

4.4 Модель Okumura-Hata

4.5 Расчёт ослабления сигнала

4.6 Расчёт межсистемной  ЭМС

4.7 Список использованной  литературы

 

 

Руководитель работы (проекта) __________________  ____________________      (подпись, дата)   (инициалы, фамилия)

Задание принял к исполнению ____________________________

(подпись, дата)

 

Введение

 

Число пользователей  сотовых сетей мобильной связи  растет значительно быстрее, чем  могли себе представить изобретатели этой технологии. Каждый год количество абонентов возрастает всё больше, и предполагается, что данная тенденция сохранится до конца десятилетия. Резкое увеличение числа абонентов и растущая коммерциализация технологии обуславливают новые требования к сети: большая ёмкость ячеек, повешенное качество передачи звука при телефонных переговорах.

Общеизвестно, что мобильный  телефон обеспечивает не слишком  высокое качество связи, причин тому много. В городах, где обычно и развертываются сети мобильной связи, имеется много индустриальных помех. Распространяясь между базовой станцией и мобильным аппаратом, радиоволна многократно отражается от препятствий; в результате интерференции сигналов, прошедших разными путями, интенсивность принимаемого сигнала может внезапно упасть. Такие явления, называемые в радиотехнике федингами (fading), обычно наблюдаются в ограниченных пространственных областях, чьи форма и расположение определяются расположением зданий и длиной волны, на которой ведется передача.

Очень большие преимущества с точки  зрения качества связи дает применение широкополосной модуляции сигнала. Широкополосный сигнал значительно меньше страдает от помех, особенно узкополосных. Узкополосная помеха способна "испортить" широкополосный сигнал только в каком-то относительно узком частотном диапазоне, и полезная информация может быть восстановлена по неповрежденным участкам несущего диапазона. Это относится и к федингам, о которых говорилось выше: интерференция прошедших разными путями сигналов приводит к снижению суммарной интенсивности лишь в достаточно узком частотном диапазоне, и снова полезную информацию можно восстановить по неповрежденной части сигнала. Конечно, сигнал несколько ухудшается, однако это несопоставимо с потерями качества связи при использовании обычных методов модуляции.

 

1 Электромагнитная совместимость сотовых сетей

 

В настоящее время  ввиду массового роста числа  пользователей радиочастотным спектром, проблема ЭМС РЭС приобретает  весьма важное значение не только в  рамках отдельных служб радиосвязи, но и между разными службами. Успешное решение этой проблемы необходимо связывать, прежде всего, с развитием новых спектрально эффективных радио-технологий, позволяющих при ограниченном частотном ресурсе существенно повышать потенциальную ёмкость сетей радиосвязи общего пользования. Эта комплексная проблема объединяет все элементы радио-интерфейса современных сетей связи, включая радиосигналы как носители информации, средства их генерации, обработки и излучения (приёма) и способы организации радиосвязи, - все в совокупности определяющее множественный (многостанционный) доступ в сети на основе методов частотного, временного, кодового и пространственного (или их совокупности) разделения каналов пользователей.

Под электромагнитной совместимостью РЭС понимается их способность одновременно функционировать в реальных условиях эксплуатации с требуемым качеством при воздействии на них непреднамеренных радиопомех, не создавая недопустимых радиопомех другим радиосредствам. Другими словами, ЭМС РЭС - это свойство РЭС функционировать без ухудшения качественных показателей ниже допустимого в заданной электромагнитной обстановке. Под электромагнитной обстановкой будем понимать совокупность электромагнитных полей РЭС различных служб радиосвязи в рассматриваемой области пространства. Оценка ЭМС РЭС является общей задачей и неотъемлемой частью процесса согласования условий совместной работы РЭС. В ходе оценки ЭМС РЭС вырабатываются условия, удовлетворяющие критерию ЭМС в данной электромагнитной обстановке. Эти условия могут включать: территориальные ограничения на размещение станции - источника помех; ограничение ЭИИМ станции - источника мешающих сигналов в направлении на станцию, подверженную помехе; защитные полосы и частотные ограничения РЭС; значение необходимого подавления боковых лепестков диаграмм направленности передающей и приёмной антенн; оптимизацию параметров расположения РЭС и ориентации антенн и др.

За критерий обеспечения ЭМС  обычно принимают защитное отношение радиоприёмника - минимальное допустимое отношение сигнал/радиопомеха на входе приёмника, обеспечивающее требуемое качество функционирования в условиях воздействия непреднамеренных радиопомех. Численное значение защитного отношения, как правило, зависит от типа помехового сигнала. Иногда значение защитного отношения радиоприёмника приводят к полосе пропускания его линейной части (совмещённый канал), т.е. не учитывают ослабление помехи за счет избирательных свойств приёмника.

Для решения проблемы ЭМС РЭС  используются организационные и  технические меры. Технические меры обеспечения ЭМС обусловлены изменением технических параметров РЭС (например, снижение уровней внеполосных и побочных излучений передатчиков, повышение избирательных свойств приёмников, снижение уровней боковых лепестков диаграмм направленности антенн и др.). Они достаточно эффективны, но могут быть применимы в основном при разработке новых типов оборудования. Для РЭС, находящихся в эксплуатации, наиболее приемлемыми и действенными мерами обеспечения ЭМС являются организационные меры. Они включают рациональное назначение рабочих частот, сочетаемое с введением частотных, территориальных, временных и пространственных ограничений, накладываемых на РЭС, - все вместе представляющее собой основу частотно-территориального планирования (ЧТП) сетей сухопутной подвижной связи, отвечающее требованиям эффективного использования спектра.

 

2 Модели распространения, рекомендованные МСЭ

 

Для расчёта напряжённости 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 расчёта напряжённости 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 напряжённость 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 приёмной 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 приёмной и передающей антенн и климатические особенности регионов.

Сфера действия рекомендации ITU-R P.529, предназначенной для расчёта напряжённости 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. Расчёты напряжённости поля, проведённые по методам рекомендаций ITU-R P.370 и ITU-R P.529 для высоты приёмной 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 расчёта напряжённости поля в диапазоне от 1 ГГц до 3 ГГц. На частоте 1 ГГц расчёты по этой рекомендации должны были бы совпадать с расчётом 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 расчёта без надлежащего учёта 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.

 

3 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 напряжённости 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 приёмной), 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.

Область применения формулы Hata ограничена следующими значениями параметров:

– рабочая частота f, МГц    150...1000;

– высота антенны базовой станции h_БС, м  30...200;

– высота антенны абонентской станции h_АС, м  1...10;

– протяжённость трассы R, км    1...20.

В рекомендации ITU-R Р.529 дано уравнение Hata для напряженности поля в следующем виде:

,  (3.1)

где f - рабочая частота РЭС в МГц; h_БС, h_AC - высота расположения антенн БС и АС в метрах.

В формуле (3.1) используется поправочный коэффициент  на высоту абонентской станции.

,  (3.2)

Коэффициент k в (3.1) позволяет расширить действие модели для протяженности трассы до 100 км:

k = 1  для R < 20 км,

k=1+ (0.14+1.87·10^-4·f+1.07·10^-3·h_БС) · [lg(R/20)]^0.8      для 20 км <R< 100 км.

Формула (3.1) может быть использована и в диапазоне от 1 ГГц до  
2 ГГц с ограничением по дальности до 20 км.

Основные  потери передачи L(R) [дБ] при распространении на трассе протяженностью R [км] от радиопередатчика к радиоприемнику в соответствии с этой моделью определяются формулой

,   (3.3)

где α, β —  коэффициенты, зависящие от типа местности, рабочей частоты и высоты расположения антенн РЭС. Формулы для расчета L(R) для различных типов местности представлены ниже.

Потери в  городе:

. (3.4)

Потери в  пригороде:

.  (3.5)

Потери в  сельской местности:

. (3.6)

Потери на открытом пространстве:

. (3.7)

 

В формулах (3.4)-(3.7) используются те же поправочные коэффициенты, что и в (3.1). Для больших городов с плотной городской застройкой коэффициент a(h_AC) равен:

– для < 200 МГц,

– для > 400 МГц.

Для корректного использования  формул Hata необходимо придерживаться следующего соответствия между типами моделей и характеристиками местности:

а) Плотная городская застройка (большой город) - плотная застройка в основном высокими зданиями (выше 20 этажей) с малой площадью зелёных насаждений. Покрытие ячеек в значительной мере определяется дифракцией и рассеянием сигнала на ближайших к абоненту зданиях.

б) Городская застройка - многоэтажная административная и жилая застройка, индустриальные районы. Плотность зданий достаточно высокая, но может быть разбавлена зелёными насаждениями, небольшими скверами.