Электромагнитная совместимость сотовых сетей связи - Радиоэлектроника - Скачать бесплатно
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:
[pic]. (3.8)
Для примера, приведем известную формулу основных потерь передачи в
свободном пространстве (без учета влияния земной поверхности, атмосферы и
других факторов):
[pic]. (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.
[pic]
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:
[pic], (3.10)
где
D - требуемый территориальный разнос, км;
Z - обобщенный энергетический параметр, дБ.
[pic]. (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.
Область применения формулы Hata ограничена следующими значениями
параметров:
рабочая частота f, МГц 150... 1000;
высота антенны базовой станции hБС, м 30...200;
высота антенны абонентской станции hАС, м 1... 10;
протяженность трассы R, км 1 ...20.
В рекомендации ITU-R Р.529 дано уравнение Hata для напряженности поля в
следующем виде:
[pic], (3.12)
где f - рабочая частота РЭС в МГц; hБС, hAC - высота расположения
антенн БС и АС в метрах.
В формуле (3.12) используется поправочный коэффициент на
высоту абонентской станции.
[pic]. (3.13)
Коэффициент к в (3.12) позволяет расширить действие
модели для протяженности трассы до 100 км:
к = 1 для R < 20 км,
[pic]для 20 км < 200 МГц, (3.19)
[pic]для > 400 МГц.(3.20)
Для корректного использования формул Hata необходимо придерживаться
следующего соответствия между типами моделей и характеристиками местности:
Плотная городская застройка (большой город) - плотная застройка в
основном высокими зданиями (выше 20 этажей) с малой площадью зеленых
насаждений. Покрытие ячеек в значительной мере определяется дифракцией и
рассеянием сигнала на ближайших к абоненту зданиях.
Городская застройка - многоэтажная административная и жилая
застройка, индустриальные районы. Плотность зданий достаточно высокая, но
может быть разбавлена зелеными насаждениями, небольшими скверами.
Пригород - одиночные жилые дома, административные здания,
магазины высотой 1-3 этажа. Большие площади зеленых
насаждений (деревьев), парковые зоны с отдельными группами зданий плотной
застройки.
Сельская местность - открытое пространство с несколькими зданиями, фермы,
кустарниковые насаждения, шоссе.
Открытое пространство - озера, водохранилища, открытые участки
без насаждений, неплодородные земли.
На рис. 15, 16 представлены графики для медианного значения ослабления
радиоволн по модели Hata и свободного пространства в диапазонах 450 МГц и
850 МГц. Значения параметров hБС, hАС, указаны на рисунках. Цифрами
обозначены: 1 - свободное пространство; 2 - открытая местность; 3 -
пригород; 4 - город; 5 - большой город.
[pic]
Рис. 15. Графики для медианного значения ослабления радиоволн по модели
Hata в диапазонах 450 МГц и 850 МГц.
[pic]
Рис. 16. Графики для медианного значения ослабления радиоволн свободного
пространства в диапазонах 450 МГц и 850 МГц.
Как видно из анализа формул (3.15) - (3.20) для модели Okumura-Hata
спад функции основных потерь передачи L(R) существенно зависит от высоты
расположения антенны БС и может составлять 30...35 дБ на декаду для R< 20
км и более 50 дБ при 20 км < R< 100 км.
Некоторые аспекты и тенденция увеличения емкости сетей
подвижной связи
Число пользователей сотовых сетей мобильной связи растет значительно
быстрее, чем могли себе представить изобретатели этой технологии. Каждый
год количество абонентов возрастает на 40%, и предполагается, что данная
тенденция сохранится до конца десятилетия. Резкое увеличение числа
абонентов и растущая коммерциализация технологии обуславливают новые
требования к сети; в частности, довольно остро стоит задача увеличения
емкости ячеек и повышения качества передачи звука при телефонных
переговорах.
С одной и той же базовой станцией сотовой сети может взаимодействовать
большое число абонентов. Такой режим работы называется множественным
доступом (multiple access) к базовой станции. Для обеспечения
множественного доступа общий ресурс базовой станции подразделяется на
определенное количество "каналов", к которым получают доступ пользователи.
В одно и то же время абонент может использовать только один канал. Захват
канала происходит при подсоединении к данной базовой станции (при переходе
к ней из зоны действия другой базовой станции или инициализации вызова),
освобождение канала - при переходе в зону действия другой базовой станции
или окончании переговоров.
Разные стандарты организации множественного доступа по-разному
"упаковывают" каналы в наличный диапазон частот; от способа этой упаковки
зависит емкость ячейки сети.
Первыми появились методы множественного доступа, основанные на
разделении каналов по частотам (FDMA, frequency division multiple access).
Каждый канал занимает определенную частотную полосу в отведенном для ячейки
частотном диапазоне. В настоящее время используются стандарты AMPS
(Advanced Mobile Phone Service, ширина канала 30 кГц), NAMPS (Narrowband
Advanced Multiple Phone Service, ширина канала 10 кГц), TACS (Total Access
Communications System, ширина канала 25 кГц). Все эти стандарты основаны на
передаче аналогового сигнала. После установления соединения вся
соответствующая каналу полоса частот используется для обслуживания диалога
только между одним абонентским телефоном и базовой станцией, какое-либо
совместное применение одной полосы частот несколькими абонентами
невозможно.
Емкость ячейки сети определяется тем, сколько частотных каналов
"умещается" в частотном диапазоне, отведенном для данной ячейки. Величина
этого диапазона обычно составляет одну седьмую часть от общего диапазона
частот, отведенного для конкретной сотовой сети, что необходимо для
"разнесения" по частотам соседних ячеек сети. Благодаря этому можно
повторно использовать одни и те же частоты в отдаленных друг от друга
ячейках сети, а значит, строить сети неограниченных географических
масштабов, применяя конечный диапазон частот.
Большей емкости сети можно достичь с помощью
одного из многочисленных методов множественного доступа с временным
разделением каналов (Time Division Multiple Access, TDMA). Весь диапазон
частот, выделенный для данной ячейки, сначала подразделяется на
определенное число несущих частот (как в методах множественного доступа),
после чего каждая из несущих делится еще на некоторое число временных
слотов, и именно эти слоты представляют собой каналы. Под термином
"временной слот" понимается следующее. Базовая станция, работая на данной
частоте, какую-то часть времени использует для связи с одним абонентом,
какую-то - с другим и так далее. По существу, временной слот здесь мало
чем отличается от применяемого при мультиплексировании с
разделением по времени. Речь обычно передается в оцифрованном
виде с компрессией. В качестве примеров TDMA можно привести следующие
стандарты: IS-54 (частотные каналы AMPS шириной 30 кГц делятся на три
временных слота), PDC (каналы на 25 кГц по три слота в каждом) и усиленно
продвигаемый в настоящее время GSM (восемь временных слотов при несущем
диапазоне 200 кГц).
Существенное увеличение емкости сети обеспечивает не так
давно появившийся в технике сотовых сетей метод CDMA (Code Division
Multiple Access). Как и метод множественного доступа, он подразумевает
передачу голосовой информации только в оцифрованном виде. Мы не случайно
подчеркиваем, что этот метод возник недавно именно в телефонии, -
в основе его лежит давно применяемый в военной радиосвязи
метод модуляции с использованием шумоподобного или широкополосного
сигнала (ШПС; в англоязычной литературе используется термин spread
spectrum, что часто переводится на русский язык как "растянутый" или
"размытый" спектр). Полезная информация как бы
"размазывается" по частотному диапазону, существенно более широкому, чем
при традиционных способах модуляции сигнала (в данном контексте такой
сигнал часто называют узкополосным). Осуществляется это за счет
перемножения последовательности полезных битов информации
на псевдослучайную последовательность более коротких импульсов. В
результате получается сигнал, который занимает больший частотный диапазон и
имеет значительно меньшую интенсивность, чем получаемый при узкополосной
модуляции. CDMA как метод множественного доступа аналогичен методу
модуляции DSSS (direct-sequence spread spectrum), используемому в
беспроводных локальных сетях.
Ясно, что в этом случае можно принять информацию, только зная
последовательность, на которую был перемножен полезный сигнал при передаче,
в противном случае он будет выглядеть как шум (отсюда и название). В
военных приложениях данный метод используется в первую очередь для защиты
от помех (широкополосный сигнал очень устойчив к узкополосным помехам) и
подслушивания. Для нас же сейчас более важно следующее: если два
абонентских телефона, находящихся в зоне действия одной базовой станции,
работают на общей частоте, но с разными кодирующими последовательностями,
то эти сигналы практически не будут создавать помех друг для друга.
Все абонентские телефонные аппараты, работающие в зоне действия одной
базовой станции, используют одну и ту же несущую частоту. Для передачи
информации отводятся частотный диапазон шириной 1,25 МГц и фрагменты общей
"большой" псевдослучайной последовательности, по-разному смещенные от
условно выбранного начала этой последовательности. Емкость ячейки сети CDMA
определяется тем, насколько независимы друг от друга коды, используемые
абонентскими аппаратами. При работе по этой технологии размер ячейки,
качество звука и емкость оказываются тесно взаимосвязанными, поэтому при
проектировании сети следует выбирать некое оптимальное решение; улучшить
одну из этих характеристик можно только за счет ухудшения другой. Дело тут
в следующем. Чем больше CDMA-каналов в данной ячейке сети, тем выше уровень
взаимных помех из-за неполной независимости кодовых последовательностей.
Отсюда ясно, что чем более низкое качество передачи звука считается
приемлемым, тем больше каналов можно разместить в ячейке сети. Взаимная
зависимость между размерами ячейки и емкостью сети обусловлена тем, что
можно обеспечить заданное качество передачи речи, только если соотношение
сигнал/шум оказывается выше определенного значения. Чем слабее сигнал (а
при заданной мощности оборудования с увеличением размера ячейки сигнал
становится слабее), тем меньшим должен быть уровень помех - а он, как мы
знаем, зависит от числа используемых каналов. (Строго говоря, в последнем
случае все несколько сложнее, однако сейчас мы не станем в это
углубляться.)
По данным компании Motorola, одного из ведущих производителей
аппаратуры для CDMA в одном несущем диапазоне шириной 1.25 МГц можно
разместить до 18 каналов для сетей мобильной связи и около 30 - для
фиксированных сетей (где абонентские терминалы не перемещаются в
пространстве в процессе вызова). Много это или мало? Попробуем сравнить
емкость сети CDMA с емкостью сети на базе AMPS. На первый взгляд, кажется,
что для такого сравнения надо ширину несущего диапазона CDMA (1,25 МГц)
поделить на ширину одного частотного канала AMPS (30 кГц) и выяснить, не
больше ли получившееся число, чем 18.
(1,25 : 0,03=42 > 18).
Выходит, что сравнение не в пользу CDMA? Однако это неверный вывод,
поскольку, как уже говорилось выше, при работе в стандарте AMPS каналы,
организованные в семи соседствующих между собой ячейках (см. рис. 17),
должны различаться по частотам, а в CDMA во всех ячейках можно использовать
один и тот же несущий диапазон. Поэтому полученный результат надо разделить
на семь (42 : 7 = 6). Получаем, что емкость CDMA втрое выше, чем AMPS. Но и
этот результат нельзя считать окончательным, поскольку и в CDMA, и в AMPS
ячейку сети обычно делят на три сектора по 120° в каждом - это позволяет
увеличить радиус
|
