Федеральное агентство по образованию

Рыбинская государственная авиационная технологическая академия имени П. А. Соловьева

А. В. Печаткин СИСТЕМЫ

МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ Часть 1

Принципы организации, функционирования и частотного планирования систем мобильной связи

Рыбинск 2008

УДК 621.396 Системы мобильной связи. Часть 1. Принципы организации, функциониро-вания и частотного планирования систем мобильной связи: Учебное посо-бие по дисциплине «Системы мобильной связи» для студентов заочной формы обучения / Сост. А. В. Печаткин; РГАТА. – Рыбинск, 2008. – 122 с.

СОСТАВИТЕЛЬ кандидат технических наук А.В. Печаткин

РЕЦЕНЗЕНТЫ кафедра радиолокации и радиотехнических систем Ярославского высшего зенитного ракетного училища ПВО (военный институт) руководитель проекта ОАО «КБ «ЛУЧ» В.Г. Тимофеев

Рассмотрены основные методы и технические решения организации и частот-ного планирования современных систем мобильной связи, особенности распро-странения сигналов в условиях средне- и сильно пересеченной местности, ос-новные модели анализа потерь распространения радиосигналов. Приведена ин-формация и обобщенные структурные схемы пейджинговых, транкинговых систем, систем спутниковой и сотовой связи, системы бесшнуровой телефонии. Рассмотрены вопросы использования технологии интеллектуальных антенн в мобильных системах связи. Для студентов специальности 210201 ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ, специализации ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ АППАРАТУРЫ СРЕДСТВ СВЯЗИ, обучающихся по заочной форме. Будет полезна студентам очной и очно-заочной форм обучения данной специальности. ОБСУЖДЕНО на заседании кафедры радиоэлектронных и телекоммуникационных систем (РТС) Рекомендовано методическим советом РГАТА

Зав. РИО М. А. Салкова

Компьютерная верстка – Е. В. Шлеина Лицензия ИД № 06341 от 26.11.01

Подписано в печать ________ Формат 6084 1/16 Уч.-изд. л. 7,625. Тираж 80. Заказ _____

Множительная лаборатория РГАТА 152934, Рыбинск, ул. Пушкина, 53

А. В. Печаткин, 2008 РГАТА, 2008

3

СОДЕРЖАНИЕ

1. Понятие системы связи подвижной службы общего пользования...........5

1.1. Транкинговые (пучковые) мобильные радиосистемы............................8

1.2. Территориальные (сотовые) системы ......................................................9

1.3. Линейные ССПС .....................................................................................12

1.4. Глобальные ССПС ..................................................................................13

1.5. Системы персонального радиовызова ...................................................14

1.6. Особенности радиоканалов мобильной связи.......................................17

2. Радиоканалы мобильных систем радиосвязи ..........................................19

2.1. Распространение сигнала в свободном пространстве ..........................21

2.2. Затухание, дифракция и отражение радиоволн при работе устройств наземной мобильной связи ...................................................25

2.3. Влияние многолучевости на распространение сигнала .......................32

2.4. Энергетические соотношения в типовых радиоканалах наземной мобильной связи .....................................................................................41

2.5. Моделирование потерь распространения сигнала................................ 46

2.5.1. Расчет дальности связи по методике МККР................................ 54

2.5.2. Модель Ли......................................................................................58

2.5.3. Модель Окамуры ...........................................................................60

2.5.4. Модель Хата...................................................................................61

2.5.5. Модель COST231-Хата .................................................................63

2.5.6. Модель COST231-Уолфиш-Икегами............................................63

2.5.7. Примеры оценки потерь с использованием различных моделей распространения сигнала...............................................64

3. Формирование зон обслуживания и частотное планирование в системах мобильной связи........................................................................66

3.1. Общие вопросы проектирования телекоммуникационных ячеек........66

3.2. Типовые методы формирования зон обслуживания .............................71

3.2.1. Статистический способ формирования сот .................................72

3.2.2. Среднепересеченная местность....................................................73

3.2.3. Сильнопересеченная местность ...................................................74

3.2.4. Детерминированный способ.........................................................78

4

3.3. Упрошенное планирование классической системы сотовой связи.........................................................................................................79

3.4. Распределение каналов в сотах ...........................................................89

3.5. Методы повышения емкости и качества обслуживания системы сотовой связи...........................................................................................95

4. Оценка качества обслуживания в системе.............................................102

4.1. Система с ограничением времени ожидания и времени обслуживания........................................................................................107

4.2. Система с отказами или потереянными вызовами..............................108

4.3. Система с ожиданиями .........................................................................108

4.4. Оценка емкости систем сотовой связи................................................. 110

5. Основы использования технологии интеллектуальных антенн ........... 113

Заключение................................................................................................... 118

Список использованных и рекомендуемых источников............................121

5

1. ПОНЯТИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ ПОДВИЖНОЙ СЛУЖБЫ ОБЩЕГО ПОЛЬЗОВАНИЯ

Профессиональными системами мобильной или подвижной радиосвя-зи PMR (Professional Mobile Radio) называются телекоммуникационные системы, использующие в качестве каналов связи радиоканал и преду-сматривающие использование нестационарных (носимых) пользователь-ских терминалов. Как правило, они имеют радиальную или радиально-зоновую (сотовую) структуру сети и могут использовать как симплексные (односторонние), так и дуплексные каналы (двухсторонние) каналы связи. При этом предполагается, что сама система может использовать для своих служебных нужд и управления коммутируемые и выделенные проводные линии электросвязи и оборудование стационарных систем телефонной связи общего пользования – PSTN (англ. Public Switched Telephone Network). В связи с большим количеством различных по функционально-му составу и назначению систем мобильной связи в международной трак-товке для обобщенной классификации используется термин «система свя-зи подвижной службы (ССПС)».

Система связи подвижной службы общего пользования является двухуровневой составной телекоммуникационной сетью, включающей систему мобильной радиосвязи PMR (первый уровень) и телефонную сеть общего пользования – PSTN (второй уровень). Двухуровневая телекомму-никационная сеть обеспечивает функции коммутации и распределения информации в каждой из составных частей – рис. 1.1.

Участки «1» составной сети являются радиолиниями, образованными между мобильными станциями (MS) и базовыми станциями (BS). Участки «2» сети представляют многоканальные соединительные линии между BS и центром коммутации подвижной службы (ЦКПС). Участки «3» сети яв-ляются магистральными соединительными линиями (МСЛ) между радио-уровнем и фиксированной сетью PSTN. Множество базовых станций, раз-мещаемых по всей зоне обслуживания системы, позволяет обеспечивать устойчивую радиосвязь любого мобильного абонента радиоуровня, в ка-кой бы точке зоны обслуживания он не находился, с другим мобильным абонентом или с абонентом фиксированной сети PSTN через ЦКПС. Та-ким образом, ЦКПС выполняет роль автоматического радиокросса, обес-печивающего коммутацию между собой различных мобильных станций в зоне обслуживания, коммутацию MS с абонентскими телефонными аппа-ратами сети, а также выход на ЦКПС других зон обслуживания.

6

Рис. 1.1. Составная двухуровневая телекоммуникационная сеть

Увеличение плотности размещения базовых станций BS в зоне об-служивания позволяет сократить протяженность линий мобильной радио-связи между MS и BS. Это, однако, не гарантирует предоставление и по-лучение высококачественной радиосвязи в течение длительного времени из-за экранирования антенн MS и BS при работе в движении, особенно в условиях сильнопересеченной местности и воздействия помех.

Участки «1» составной сети (первичный пучок линий) могут рассмат-риваться как линии с кратковременным занятием. Такие линии в процессе установления связи могут вести себя как исправные, но из-за переходов в состояния плохого качества они не могут использоваться для дальнейшего обслуживания разговоров. Переходы линий радиосвязи в различные со-стояния и эквивалентны потерям вызовов.

Участки «2» составной сети могут строиться на основе линий радио-релейной связи (РРС), волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) и ка-бельных линий связи (КЛС). Процессы коммутации и распределения ка-налов связи на участках «1» и «2» могут рассматриваться как процессы

BS

BS

BS

Магистральные соединительные линии

ЦКПС

АТС

ЦКПС

Соединительные линии

2 3

Уровень PSTN

Радиоуровень

2

BS

BS

MS

Радиолинии

BS

MS

MS

MS

1

MS

Радиолинии

BS

MS

MS

MS

1

BS

BS

BS

2 2

2 2

BS

BS

BS

BS

2 2 2

3

7

установления транзитной связи между мобильными станциями MS и ЦКПС через базовые станции BS.

Участки «3» составной сети формируются на основе выделенных ка-налов фиксированной сети PSTN. Процессы распределения каналов в ма-гистральных соединительных линиях рассматриваются как предоставле-ние свободных линий связи для обслуживания транзитных разговоров между абонентами MS и абонентами сети PSTN в требуемые моменты времени.

Т. о., каналы ССПС являются составными каналами, объединяющими радиоуровень (PMR) и уровень фиксированной сети (PSTN) телекомму-никационной системы.

В настоящее время в различных странах мира применяются различ-ные виды ССПС, которые обеспечивают информационные потребности экономики этих стран. Деление ССПС на виды определяется структурным построением радиоуровня – рис. 1.2.

Рис. 1.2. Классификация систем связи подвижной службы

В основе разделения региональных СПСС лежат способы организа-ции радиосвязи. Глобальные СПСС различаются способом соединения различных зон обслуживания. Системы персонального радиовызова де-лятся на группы по способу организации радиовызовов.

8

1.1. ТРАНКИНГОВЫЕ (ПУЧКОВЫЕ) МОБИЛЬНЫЕ РАДИОСИСТЕМЫ

Подобные системы называют также профессиональными системами связи подвижных абонентов с абонентами телефонных сетей общего поль-зования PAMR (англ. Public Access Mobile Radio). Транкинговые радио-системы строятся на основе использования базовых радиоретрансляцион-ных управляющих пунктов (сайтов), размещаемых в определенных точках территорий с целью обеспечения электромагнитного покрытия зоны об-служивания – рис. 1.3.

Рис. 1.3. Организация радиосвязи в транкинговых системах

Максимальные расстояния связи (радиусы) между сайтом и мобиль-ной станцией MS должны обеспечивать уверенную связь в зоне обслужи-вания. Сайтовый ретранслятор по заявке MS представляет ей голосовой канал (рабочую частоту). Заявки на радиосвязь могут поступать одновре-менно от нескольких MS, поэтому сайтовый ретранслятор включает не-сколько свободнодоступных радиоканалов (рабочих частот), составляю-щих канальную базу (англ. trunk – пучок) системы.

Основным принципом организации связи в транкинговых системах является создание радиосетей или разговорных групп.

Разговорные группы формируются по принципу общей заинтересо-ванности пользователей в поступающей информации. Т. о, разговор одной пары абонентов могут слышать все абоненты этой радиосети, имеющие соответствующий доступ. Это позволяет существенно сократить расход рабочих частот и достичь наиболее полного использования выделенного диапазона.

MS

BS

MS

MS

MS

MS

MS

ЦКПС к PSTN

радионаправление

радионаправление

9

Принцип транкинговой связи очень удобен в ведомственных системах – воинские подразделения, пожарная служба, скорая помощь, милиция, служба спасения и т. д. При нарушении связи в разговорных группах вследствие воздействия помехи разговорный канал автоматически заменя-ется на новый. Это обуславливает необходимость введения быстрой элек-тронной перестройки MS. Для вызова требуемого абонента используются специальные адресные сигналы (цифровые последовательности), которые передаются по управляющему каналу.

Транкинговые системы строятся на основе как аналоговых (MPT 1317, MPT 1327, MPT 1343, MPT 1347), так и цифровых стандартов (ETS 300.392, ETS 300.394), более известных под аббревиатурой общеев-ропейского стандарта TETRA (англ. Trans European Trunken Radio). Стан-дарты этой серии обеспечивают передачу речевых сообщений в цифровой форме, используя временное разделение каналов. Передача осуществляет-ся со скоростью до 28,8 кбит/с. Стандарты предусматривают опознавание абонента и организацию прямой связи между абонентами без участия ба-зовой станции.

Различают системы с последовательным (сканирующим) поиском свободного канала и системы с выделенным каналом управления.

Основным недостатком сканирующих транкинговых систем является значительное время установления связи и, в связи с этим, малое количест-во каналов (обычно до 10).

Достоинствами транкинговой радиосвязи является охват больших зон обслуживания путем формирования многосайтовых систем.

К недостаткам транкинговой связи относится не систематическая связь с абонентами из-за наличия теневых участков в зоне электромагнит-ного покрытия.

1.2. ТЕРРИТОРИАЛЬНЫЕ (СОТОВЫЕ) СИСТЕМЫ

Территориальные (сотовые) системы являются результатом дальней-шего развития транкинговых сетей и, прежде всего, с точки зрения ком-мерческого использования. Основное внимание при проектировании уде-ляется обеспечению индивидуального вызова любого подвижного абонен-та системы на выделенной рабочей частоте. Основным принципом орга-низации связи в сотовых системах является создание радионаправлений с ретрансляцией сигналов. Радионаправления формируются между двумя любыми MS зоны обслуживания, а также между любой MS и телефонным аппаратом абонента стационарной телефонной сети связи.

10

Основным способом улучшения качества радиоканалов является уст-ранение теневых зон путем деление всей зоны обслуживания на более мелкие субзоны за счет введения множества базовых станций.

Для централизованного управления системой все BS субзон соединя-ются с помощью соединительных линий со специальной диспетчерской станцией – центром коммутации подвижной службы. Каждая BS обслу-живает свою территорию, поэтому такие системы называются террито-риальными. Зона обслуживания системы представляет мозаичную карти-ну, составленную из субзон и напоминает сотовую структуру, поэтому территориальные мобильные системы часто называются сотовыми сис-темами. Наращивание количества сот позволяет теоретически неограни-ченно расширять площадь зоны обслуживания, причем качество радиока-налов будет высоким независимо от расположения MS в любой точке зо-ны.

Базовая станция представляет собой многоканальный приемопередат-чик и служит своеобразным интерфейсом между сотовым телефоном и центром коммутации подвижной связи, где роль проводов обычной теле-фонной сети выполняют радиоволны. Число каналов базовой станции обычно кратно 8, например, 8, 16, 32 и т. д. Один из каналов является управляющим (control channel). В некоторых ситуациях он может назы-ваться также каналом вызова (calling channel). На этом канале происходит непосредственное установление соединения при вызове подвижного або-нента сети, а сам разговор начинается только после того, как будет найден свободный в данный момент канал и произойдет переключение на него. Все эти процессы происходят очень быстро и незаметно для абонента, ко-торый лишь набирает нужный ему телефонный номер и разговаривает, как по обычному телефону. Любой из каналов сотовой связи представляет со-бой пару частот для дуплексной связи, т. е. частоты базовой и подвижной станций разнесены. Это делается для улучшения фильтрации сигналов и исключения взаимного влияния передатчика на приемник одного и того же устройства при их одновременной работе.

Как уже отмечалось выше, все базовые станции соединены с центром коммутации подвижной связи (коммутатором) выделенными проводными или радиорелейными каналами связи – рис. 1.4.

Центр коммутации мобильной связи (MSC) представляет собой авто-матическую телефонную станцию системы сотовой связи, обеспечиваю-щую все функции управления сетью. Он осуществляет постоянное слеже-ние за подвижными станциями, организуя эстафетную передачу, в про-цессе которой достигается непрерывность связи при перемещении або-

11

нентов из одной соты в другую; переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностей; производит соединение под-вижного абонента с тем, кто ему необходим в обычной телефонной или мобильной сетях.

Рис. 1.4. Основные составляющие систем сотовой связи

Центр коммутации мобильной связи осуществляет выход абонентов сети на телефонные аналоговые сети общего назначения (PSTN), цифро-вые сети пакетной передачи (PDH), цифровые сети с интеграцией служб (ISDN), широкополосные цифровые сети связи (BSDN и ATM), а также каскадное соединение с аналогичными коммутаторами своей сети.

В пределах каждой соты соблюдается условие связности, т. е. каждая BS устанавливается в точку, обеспечивающую устойчивую связь (при на-личии определенных помех) с любой MS, находящейся в пределах площа-ди соты.

Достоинствами сотовой системы мобильной связи являются высо-кое качество каналов с мобильными абонентами независимо от того, в ка-кой точке территории они находятся, а также возможность создания больших зон обслуживания.

К недостаткам сотовых систем относятся существенное увеличение количества каналов радиосвязи и сложности оборудования и инфраструк-туры, обеспечивающей связь системы со стационарной телефонной сетью. Поскольку все коммутации в сотовых системах связи обеспечиваются с

BS BS

BS BS BS

BS BS

MS

ЦКПС

PSTN ISDN

PDH ATM

BSD

ЦКПС

12

помощью ЦКПС, то надежность его работы будет определять надежность работы всей системы.

1.3. ЛИНЕЙНЫЕ ССПС

Линейные ССПС создавались как средство повышения сервисных ус-луг фиксированной сети PSTN для удаленных телефонных абонентов –рис. 1.5.

Рис. 1.5. Организация радиосвязи в линейных ССПС

Организация связи в линейных системах состоит в создании радиона-правлений между базовыми телефонными аппаратами (базовыми терми-налами), которые подключаются к линии телефонной связи, с мобильны-ми телефонными аппаратами (мобильными терминалами абонентов).

Линейная мобильная система позволяет использовать создаваемый радиоканал при перемещении мобильного терминала абонента в пределах ограниченного расстояния. Основу (канальную базу) линейной системы составляет дуплексная пара рабочих частот (дуплексный канал), обеспе-чивающий связь мобильного терминала (МТ) абонента с базовым терми-налом (ВТ), соединенным с линией телефонной связи – рис. 1.5 а. Другим вариантом использования линейных мобильных систем является органи-зация радиоканала между носимой MS и бортовой MT мобильными стан-циями при выходе абонента из подвижного объекта – рис. 1.5 б.

Т. о, линейные ССПС позволяют с помощью радиоканалов обеспечи-вать «удлинение» кабеля телефонной трубки, поэтому такие системы час-то называют радиоудлинителями. На бытовом уровне подобные системы широко используются в квартирных телефонных аппаратах.

АТС

а) BT MT

б)

fпр

fпрд

MS

f1пр

f1прд

АТС

BT

f2пр

f2прд

MT

Телефонная сеть

13

Достоинствами линейных систем мобильной связи являются удобст-во эксплуатации и возможность более эффективного использования ста-ционарной телефонной сети.

К недостаткам систем относятся ограниченные расстояния радиоли-нии, а также возможность несанкционированного использования абонент-ского телефонного аппарата.

Типичным примером являются системы аналогового радиоудлинения в диапазоне 39…40 МГц и популярные системы цифровой европейской беспроводной электросвязи диапазона 900, 1800 и 1900 МГц – стандарт DECT (англ. Digital European Cordless Telecommunications).

1.4. ГЛОБАЛЬНЫЕ ССПС

Глобальные мобильные системы связи по принципам построения не отличаются от наземных мобильных систем связи. Основное отличие со-стоит в том, что в качестве BS используются бортовые многоканальные радиотехнические комплексы (БРТК) искусственных спутников земли (ИСЗ), размещенных на низких орбитах – рис. 1.6.

Система узконаправленных антенно-фидерных устройств (АФУ) БРТК позволяет обеспечивать высокий энергетический потенциал радио-линий в любой точке зоны обслуживания на земле и использовать мало-мощные передатчики и слабонаправленные антенны MS для непосредст-венной связи с ИСЗ на орбите – принцип «трубка в руке».

Для связи мобильного абонента с любым мобильным абонентом од-ной зоны обслуживания используется дуплексный радиоканал с ретранс-ляцией через бортовую базовую станцию. Для связи мобильного абонента с любым абонентом сети PSTN используется специальный радиоканал между бортовой и наземной базовыми станциями. Наземная базовая стан-ция (наземная шлюзовая станция) с помощью магистральной соедини-тельной линии соединяется с автоматической междугородней телефонной станцией (АМТС) или сетевым узлом данной зоны.

Для связи мобильного абонента с любым мобильным или стационар-ным абонентом других зон обслуживания ретрансляция сообщений может осуществляться двумя способами:

1) ретрансляция сообщений по специальным радиоканалам, созда-ваемым между БРТК соседних ИСЗ (ретрансляция в космосе);

2) ретрансляция сообщений по каналам наземных магистральных линий связи (ретрансляция на земле).

14

Системы спутниковой радиотелефонной связи позволяют обеспечи-вать связь между мобильными абонентами различных континентов, по-этому такие системы часто называются глобальными системами мобиль-ной связи.

Рис. 1.6. Организация радиосвязи в спутниковых ССПС

1.5. СИСТЕМЫ ПЕРСОНАЛЬНОГО РАДИОВЫЗОВА

Системы персонального радиовызова (СПРВ) являются радиальными системами с односторонней связью, в которых радиосообщения переда-ются мобильному абоненту в виде коротких формализованных команд (цифр, текста, реже – графики).

Для передачи сообщения от абонента сети PSTN требуемому мобиль-ному абоненту СПРВ используется радиоканал между базовым передат-чиком и носимым терминалом абонента (радиоприемником). Вызывные сообщения от телефонного абонента поступают на базовый передатчик через контрольно-оконечную станцию (КОС), подключенную к стацио-нарной сети PSTN – рис. 1.7.

Форма радиосообщений может быть как цифровой, так и аналоговой. Сообщения отражаются на дисплее приемного терминала или излучаются в виде звуковых сигналов («блип-блип» – отсюда название блипповые сис-темы связи). Аналоговые сообщения принимаются в виде коротких фраз или слов.

ЦКПС

ISDN PSTN PDH

15

Приемные терминалы пользователей СПРВ представляют собой ми-ниатюрные радиоприемные устройства, которые заранее настраиваются на общую рабочую частоту базового радиопередатчика.

Рис. 1.7. Организация радиосвязи в СПРВ

Поскольку основной задачей системы является поиск (англ. paging) подвижного абонента и передача команды сообщения, то такие системы часто называются пейджинговыми, а приемные терминалы пользователей – пейджерами.

Пейджер способен хранить в своей памяти несколько сообщений и извещать о них не только звуком и отображением, но и вибросигналом («вызов из кармана»). Увеличение зоны обслуживания системы обеспечи-вается путем использования достаточно мощных базовых передатчиков, территориальных ретрансляторов (репитеров) и размещения их антенн на значительных высотах (в том числе и на ИСЗ).

Полный объем услуг современных пейджинговых сетей показан на рис. 1.8.

BS

P

P P

P

P P Пейджинговый терминал

Контроллер зоны

обслуживания

Диспетчерский пульт

АМТС

РРЛ

16

Рис. 1.8. Детализированный набор сервисных услуг современной пейджинговой сети

Спутниковые системы связи и навигации

Спутниковый канал трансляции

сообщений

Сеть базовых спутниковых

станций

Система авиационной доставки

пейджинговых сообщений

Пейджинговый ретранслятор

(репитер)

Информационное обслуживание

автомагистралей

Пейджинговый радиороуминг

Абонент пейджинговой

сети

Мобильный терминал

двухстороннего пейджинга

Противоугонная система

Охранная система

Диспетчерская транспортного предприятия

Информационное табло

Оперативные службы

сигнализации

17

1.6. ОСОБЕННОСТИ РАДИОКАНАЛОВ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ

Для успешного функционирования и выполнения требуемых задач любая система связи подвижной службы вне зависимости от ее вида и на-значения должна иметь возможность включения в другую систему в об-щей иерархии систем связи, использующих Единую Национальную Сеть Связи Российской Федерации (ЕНСС).

Это, в свою очередь, накладывает жесткие требования на условия со-пряжения систем, а, следовательно, и на каналы мобильной радиосвязи. Так, например, должны выполняться следующие основные требования [1]:

количество каналов радиосвязи должно удовлетворять возможно-сти массового обслуживания абонентов;

каналы радиосвязи должны иметь полосы частот, обеспечивающие передачу стандартных сигналов;

помехи и искажения в радиоканалах не должны ухудшать качество составных каналов при сопряжении различных систем связи;

входные и выходные уровни радиосистемы должны обеспечивать стандартный интерфейс между каналами различных систем.

Выполнение указанных требований на практике встречает серьезные трудности, связанные с существенным отличием каналов подвижной ра-диосвязи от каналов стационарных систем и обусловленные особенностя-ми линий радиосвязи и спецификой работы мобильных радиостанций.

Т. о, каналы подвижной радиосвязи представляют совокупность тех-нических устройств (терминалов) и линий радиосвязи, обеспечивающих передачу и прием сообщений от источников к получателям посредством распространения электромагнитной энергии в пространстве.

Мобильные терминалы системы (мобильные станции – MS) включа-ют радиопередающие (РПдУ), радиоприемные (РПУ) и антенно-фидерные (АФУ) устройства.

Радиопередающие устройства обеспечивают преобразование сооб-щений в радиосигналы.

Радиоприемные устройства осуществляют обратное преобразование радиосигналов в сообщения.

Антенные устройства преобразуют радиосигналы электрической це-пи в форму электромагнитного поля. Антенные устройства могут быть приемными, передающими и приемо-передающими. С выходом передат-чика или входом приемника антенные устройства соединяются с помо-щью фидерных линий.

18

Совокупность радиопередающих, радиоприемных, антенно-фидерных, управляющих (операционных) и вспомогательных устройств образует радиостанцию – рис. 1.9.

Рис. 1.9. Типовая структурная схема мобильного терминала

Источником (получателем) сообщений может быть абонент, осущест-вляющий радиотелефонную связь, или оконечное устройство – цифровой автомат (локальный компьютер, коммуникационный сервер и т. п.), осу-ществляющий обработку дискретной информации.

При передаче телефонных сообщений первичные электрические сиг-налы от микрофона интерфейса пользователя поступают на радиопередат-чик.

При приеме телефонных сообщений первичные электрические сигна-лы с выхода радиоприемника поступают на телефон интерфейса пользова-теля.

При телекодовой радиосвязи цифровые последовательности от ком-муникационного сервера локальной сети или компьютера пользователя поступают в радиостанцию через модем, который обеспечивает их преоб-разование в помехоустойчивую форму с требуемой скоростью передачи.

В мобильных системах, микропроцессор и операционный блок объе-диняются в единое устройство, входящее совместно с радиостанцией в со-став мобильных терминалов.

В состав мобильных терминалов входят также оконечные устройства: микрофон, телефон, дисплей, вызывное устройство.

Интерфейс Радиостанция Модем

РПУ

fпр

АФУ

fпрд

демодулятор телефон

микрофон

Абонент сети мобильной радиосвязи (источник/ получатель сообщений)

Операционный блок

РПдУ демодулятор

вызывное устройство

дисплей

микро-процессор

19

2. РАДИОКАНАЛЫ МОБИЛЬНЫХ СИСТЕМ РАДИОСВЯЗИ

Как уже отмечалось выше, в зависимости от типа и назначения мо-бильной системы каналы связи могут быть симплексными (односторонни-ми) и дуплексными (двухсторонними).

При использовании симплексных каналов радиосвязь организуется на одной рабочей частоте, на которую настраивается радиоприемник и ра-диопередатчик мобильной станции. Сообщения передаются попеременно то в одну, то в другую стороны. Системы, использующие симплексные радиоканалы, как правило, являются локальными (автономными). Каналы симплексных систем не могут сопрягаться со стандартными каналами стационарных сетей общего использования (PSTN). Наиболее часто сим-плексный принцип обмена сообщениями применяется в транкинговых системах радиосвязи диапазона декаметровых волн.

Дуплексные радиоканалы используются в мобильных системах радио-телефонной связи общего пользования (сотовой и спутниковой мобиль-ных системах связи), а также в радиоудлинителях. Радиосвязь между ра-диостанциями организуется на двух рабочих частотах частоте передачи fпрд и приема fпр.

В качестве линии связи любого радиоканала используется естествен-ная среда распространения радиоволн, т. е. пространство между передаю-щими и приемными антеннами радиостанций. Поскольку местоположение мобильных терминалов в пространстве постоянно меняется, это приводит к неопределенности оценки направления радиосвязи и обуславливает пре-имущественное использование в мобильных терминалах малоэффектив-ных антенн с круговой диаграммой направленности.

При формировании радиолиний в системах мобильной связи исполь-зуется, как правило, диапазон ультракоротких волн (УКВ), включающий метровые волны (очень высокие частоты – ОВЧ), дециметровые волны (ультравысокие частоты – УВЧ) и сантиметровые волны (сверхвысокие частоты – СВЧ). Радиоволны этих диапазонов не имеют свойств ионо-сферного отражения. Механизмом передачи энергии сигналов является электромагнитное поле, распространяющееся прямолинейно. При связи между наземными объектами радиоволны распространяются вдоль по-верхности земли (земные волны). При связи между наземной станцией и спутниковой станцией радиоволны распространяются в тропосфере и ио-носфере. Ввиду непосредственного приближения антенн к земле в назем-ных терминалах средой распространения радиоволн служит нижняя часть

20

атмосферы земли – тропосфера. Тропосфера в непосредственной близости от земли отличается постоянством параметров диэлектрической прони-цаемости εтр и удельной проводимости σтр, причем, εтр в нижнем слое, не-посредственно примыкающим к земле, приближается к диэлектрической проницаемости свободного пространства (вакуума) ε0 = 8,851012 Ф/м. Это обуславливает постоянство коэффициента преломления радиоволн nтр в тропосфере на протяжении трассы радиосвязи [8]:

00310

тртр ,n

. (2.1)

Т. о, приземный слой тропосферы практически не оказывает влияния на прямолинейность коротких траекторий трасс радиосвязи.

В настоящее время наиболее широко в мобильной связи используется диапазон УКВ, важными достоинствами используемых радиочастотных спектров которого являются:

большая частотная емкость, позволяющая создавать значительное количество каналов радиосвязи с достаточно широкими полосами частот:

kf f

ffN

minmax , (2.2)

где Nf – количество рабочих частот (каналов связи); fmax, fmin – минималь-ная и максимальная несущие частоты используемого диапазона; fk – ширина полосы частот, выделяемый компанией-оператором или используемым стандартом на один канал радиосвязи.

возможность применения стандартных помехоустойчивых видов работы (телефон, передача данных, телеметрия) с классами сигналов F3 (частотная модуляция), F1 (частотная манипуляция), F9 (относительная фазовая манипуляция), что позволяет передавать цифровые сообщения со скоростью 1200...3600 бит/с;

отсутствие влияния атмосферных помех и аддитивных сосредото-ченных помех дальних УКВ радиостанций.

Вместе с тем используемым диапазонам свойственны следующие не-достатки:

1) существенные затухания сигналов на трассах радиосвязи, дости-гающие 140...160 дБ;

2) значительные колебания уровней радиосигналов при движении объектов с глубиной замираний 100...120 дБ;

21

3) воздействие взаимных помех, создаваемых радиостанциями мо-бильной системы связи, при одновременной работе в ограниченном объе-ме пространства;

4) воздействие сосредоточенных помех других связных излучающих систем, работающих в ближней зоне электромагнитного взаимодействия (радиорелейные, радиолокационные, телевизионные станции), а также не связных излучающих объектов (рентгеновское оборудование, сварочные аппараты и т. п.).

Характерные особенности радиолиний обязательно должны учиты-ваться при проектировании мобильных систем радиосвязи, а также при анализе физических процессов, протекающих в каналах этих систем.

2.1. РАСПРОСТРАНЕНИЕ СИГНАЛА В СВОБОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ

Передача сигнала в системе радиосвязи основана на преобразовании генерируемого передатчиком электрического сигнала в электромагнитные волны, распространении волн в пространстве и обратном преобразовании в электрические сигналы на стороне приема. Свойства канала подвижной связи зависят от множества факторов, в первую очередь от параметров ис-пользуемых антенн, свойств физической среды, в которой распространяют-ся радиоволны, особенностей электронных цепей, участвующих в передаче и приеме сигнала, а также от скоростей перемещения подвижных станций. Чтобы упростить рассмотрение свойств канала подвижной связи, целесо-образно ввести основные термины, касающиеся антенн, и разобрать иде-альный случай – распространение сигнала в свободном пространстве.

В теории антенн рассматривается теоретический случай, когда антен-на излучает сигнал мощностью Р (Ватт) одинаково во всех направлениях. Такая антенна называется изотропной. Это идеальное устройство, которое практически невозможно реализовать. Однако оно служит эталоном для других типов антенн. Если вокруг изотропной антенны нарисовать сферу радиуса r, то во всех точках поверхности этой сферы электромагнитное поле, индуцируемое антенной, будет одинаково. Реальные антенны фоку-сируют излучаемую энергию в определенных направлениях, поэтому на практике нормированная характеристика излучающей антенны описыва-ется следующим выражением [2]:

maxE),(E),(F

, (2.3)

22

где E(φ,θ) – напряженность поля в точке Р сферы с координатами, опреде-ляемыми углами и ; Emax – максимальное значение напряженности поля на поверхности сферы.

Изотропная антенна расположена в на-чале координат. Её нормированная харак-теристика представляет собой идеальную сферу – рис. 2.1. Легко заметить, что нор-мированная характеристика не зависит от радиуса r сферы. Термин плотность [по-тока] энергии (ППЭ) тесно связан с норми-рованной характеристикой. Это энергия, из-лучаемая в заданном направлении в едини-цу телесного угла1. Обе характеристики ан-тенны связаны выражением:

2max ),(FU),(U , (2.4)

где Umax – максимальная ППЭ.

Суммарная мощность Р, излучаемая антенной, представляется в виде интеграла по телесному углу, т. е.

mean4

4 Ud),(UP

; (2.5)

ddd sin , (2.6)

Излучаемая мощность может быть выражена в виде произведения средней ППЭ Umean и величины полного телесного угла, которая равна 4. Средняя плотность излучения может быть интерпретирована как плот-ность потока энергии изотропной антенны, которая излучает ту же самую суммарную мощность Р, что и заданная антенна. Отношение плотности потока энергии U(,) к средней ППЭ называется коэффициентом направ-ленного действия антенны. Его максимальное значение называется направ-ленностью антенны D и описывается выражением

44

1max

4

max

mean

maxP

U

d),(U

UUUD .

(2.7)

1 Телесный угол измеряется в стерадианах. Полный телесный угол равен 4 стерадиан.

y

z

x

P

Рис. 2.1. Нормированная характеристика изотропной

антенны

23

Термин направленность означает, что плотность излучения в направ-лении максимального излучения в D раз больше, чем плотность излучения изотропной антенны той же суммарной мощности, что и данная антенна.

В реальной антенне излучаемая мощность представляет собой только часть подаваемой на ее вход мощности Рinput. Часть мощности рассеивается и преобразуется в тепло. Таким образом, антенна характеризуется энерге-тической эффективностью2:

inputPP . (2.8)

Для учета рассеяния мощности вводится термин коэффициент усиле-ния антенны. Он определяется выражением

DPUG

input

4

max . (2.9)

Коэффициент усиления антенны обычно применяется при определе-нии эквивалентной изотропно излучаемой мощности (ЭИИМ, англ. Effec-tive Isotropic Radiated Power – EIRP), описываемой произведением GPinput.

Эквивалентная изотропная излучаемая мощность определяется как мощность, которую необходимо подать на изотропную антенну для того, чтобы получить в точке приема точно такое же поле, которое будет полу-чено в ней при помощи антенны с коэффициентом усиления G, на вход которой подана мощность Pinput. Геометрически это иллюстрирует рис. 2.2.

В качестве другого типа эталон-ной антенны используется полувол-новой симметричный вибратор.

Если сравнить мощность сигнала от антенны с коэффициентом усиле-ния G с таковой от полуволнового вибратора, то можно определить так называемую эквивалентную излучае-мую мощность (ЭИМ, англ. Effective Radiated Power).

Коэффициент усиления полувол-нового вибратора относительно изо-

2 В отечественной литературе – коэффициент полезного действия.

Антенна

Umax

Рис. 2.2. Геометрическое представление эквивалентной

изотропной излучаемой мощности

24

тропной антенны равен 1,64, что соответствует 2,15 дБ. Поэтому эквива-лентная излучаемая мощность заданной антенны будет на 2,15 дБ меньше, чем ее эквивалентная изотропная излучаемая мощность [2].

В зависимости от принятого типа эталонной антенны, единицы из-мерения коэффициента усиления антенны обозначаются дБи – для изо-тропной антенны или дБд – для полуволнового вибратора.

На основании изложенного выше в большинстве случаев переход от коэффициента усиления антенны к коэффициенту направленности осуще-ствляется достаточно просто – путем увеличения первого параметра в 1,64 раза или на 2,15 дБ (по мощности) – табл. 2.1 [9].

Таблица 2.1 Параметры некоторых антенн систем мобильной связи

Тип антенны Внешний вид Коэф-нт

направлен-ности, дБ

Коэф-нт усиления,

дБ

Разница, дБ

Сопротивле-ние излуче-

нию, Ом Изотропная антенна 0 –2,15 0 0

Электрический короткий вибратор (L</5)

1,76 –0,39 2,15

21197

Вибратор Герца

1,76 –0,39 2,15 21790

Полуволновый вибратор

2,15 0 2,15 73,2

Волновый вибратор

3,82 1,67 2,15 199,2

Удлиненный (сдвоенный цеппелин)

5,18 3 2,18 98

Турникетная антенна

–0,86 –3 2,14 326,6

Электрическая короткая вертикальная антенна (h<=/10)

4,77 2,62 2,15 2

395

h

Электрическая короткая верти-кальная антенна с концевой емкостью

4,77 2,62 2,15 2

1579

h

Четвертьволновая вертикальная антенна

5,16 3 2,16 36,6

L

L

/2

5/4

/2

h

h

/4

25

Окончание таблицы 2.1

Тип антенны Внешний вид Коэф-нт

направлен-ности, дБ

Коэф-нт усиления,

дБ

Разница, дБ

Сопротивле-ние излуче-

нию, Ом

Полуволновая вертикальная ан-тенна

6,83 4,68 2,15 99,6

Вертикальная антенна (h=5/8 )

8,19 6 2,19 49

Малая рамочная антенна с площадью S и периметром <<

1,76 –0,39 2,15 2

231171

S

Кольцо (окружность = )

3,49 1,34 2,15 133

Квадратный элемент с периметром

3,14 0,99 2,15 117

Delta-Loop (равносторонний треугольник)

2,82 0,67 2,15 106

2.2. ЗАТУХАНИЕ, ДИФРАКЦИЯ И ОТРАЖЕНИЕ РАДИОВОЛН ПРИ РАБОТЕ УСТРОЙСТВ НАЗЕМНОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ

При распространении радиоволн в свободном пространстве ампли-тудное значение напряженности электрического поля сигнала Есв на рас-стоянии r от передающей антенны определяется выражением [8]:

),(Fr

GPE

прд

св60

, (2.10)

где PΣ – мощность, излучаемая радиопередающим устройством; Gпрд – ко-эффициент усиления передающей антенны; F(φ,θ) – характеристика на-правленности антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Выражение (3) показывает, что напряженность поля сигнала в месте приема уменьшается обратно пропорционально расстоянию связи r вслед-ствие так называемых «потерь передачи» в свободном пространстве.

При распространении радиоволн в тропосфере потери напряженности поля будут определяться тангенсом угла потерь:

/2

5/8

/4

/3

26

0тр

тр60tg

, (2.11)

где σтр, εтр – соответственно удельная проводимость и диэлектрическая проницаемость тропосферы; 0 – длина волны.

Дисперсионные свойства приземного слоя тропосферы (до высоты h 8 км) определяются ее газовым составом, температурой, давлением и влажностью. «Нормальная тропосфера» с параметрами Т = 288К, p = 0,1013 кПа и влажностью 60 % для диапазона УКВ является диэлек-триком (tg >> 1), в котором радиоволны распространяются практически без потерь. Однако реальная тропосфера не является однородной по сво-ему составу. В приземном слое тропосферы имеются водяные пары (ту-ман, дождь) или взвешенные частицы (дым, пыль). Это обуславливает уменьшение напряженности поля из-за тепловых потерь на движение мо-лекул газа. Величина поглощения оценивается коэффициентом потерь в зоне неоднородности зн:

знзн

rе , (2.12)

где зн – коэффициент ослабления напряженности электромагнитного поля в зоне неоднородности; – постоянная затухания напряженности поля; rзн – протяженность зоны неоднородности.

С увеличением протяженности зоны неоднородности rзн поглощение энергии радиосигнала увеличивается. Особенно ощутимы потери для спектров УВЧ и СВЧ – рис. 2.3.

Однако воздействие тропосферы на распространение радиоволн не является основным. Более существенное влияние оказывает подстилаю-щая поверхность трассы радиосвязи (земля). Почва земли включает сухой грунт и водные растворы солей, которые определяют существенные раз-бросы таких дисперсионных параметров как εз – диэлектрической прони-цаемости и σз – удельной проводимости земли. Вследствие этого на трассе радиосвязи могут проявляться эффекты отражения и поглощения радио-волн [8].

Условия распространения радиоволн определяются тангенсом угла потерь в земле:

0з

з60tg

. (2.13)

27

Рис. 2.3. Влияние неоднородности среды на распространения радиоволн

При tg > 1 преобладающим оказывается ток проводимости и земля проявляет свойства отражения радиоволн, в то время как при tg < 1 в подстилающей поверхности трассы радиосвязи преобладающим оказыва-ется ток смещения. Часть энергии электромагнитного поля сигнала затра-чивается на движение молекул (тепловые потери).

При низко поднятых антеннах поглощение энергии электромагнитно-го поля в земле увеличивается. Коэффициент тепловых потерь в земле (на поверхности) з определяется коэффициентом Ван дер Поля:

r

з , (2.14)

22з

2з

22з

tg)1()tg1(2 . (2.15)

При высоко поднятых антеннах передатчика hпрд и приемника hпр по-тери на поверхности оцениваются коэффициентом Введенского:

r

з ; (2.16)

прпрд4 hh

. (2.17)

, см

зн 10-2

10-3

10-4

0,5 1 2 3 4 5 6 7 8

сильный дождь

умеренный дождь

слабый дождь

водяные пары

28

С учетом влияния неоднородной среды распространения радиоволн и подстилающей поверхности (земли) выражение амплитудного значения напряженности поля сигнала в месте приема принимает вид:

),(Fr

GPEm

знзпрд60

. (2.18)

Из-за влияния коэффициентов з, зн напряженность поля сигнала в месте приема по мере распространения радиоволн существенно снижает-ся. Реально трассы радиосвязи мобильных систем имеют участки подсти-лающей поверхности с различными значениями εз, σз. Однако вследствие сравнительно небольших дальностей мобильной радиосвязи значения па-раметров могут браться усредненными. Обычно в расчетах берутся зна-чения εз и σз, соответствующие параметрам «влажной почвы: εз (15...30), σз (0,1...0,01) См/м. Т о., подстилающая поверхность трасс мобильной радиосвязи для диапазона ОВЧ является полупроводником, а для диапазона СВЧ приближается к диэлектрику.

Основу классической теории распространения радиоволн составляют три эффекта: отражение, рассеяние, дифракция. Все они в усредненном, вероятностном представлении учитываются в эмпирических коэффи-циентах расчетных формул.

Явление дифракции – огибание радиоволнами крупных экранирую-щих объектов – объясняется на основании принципа Гюйгенса, согласно которому любая точка фронта распространения волны может рассматри-ваться как источник вторичных радиоволн, которые, в свою очередь, рас-пространяются во всех возможных направлениях. Дифракция позволяет УКВ-радиосигналам распространяться за горизонт и определяет структуру поля за препятствием. Благодаря дифракционным эффектам можно с неко-торой вероятностью осуществлять связь на УКВ за горизонтом вне пря-мой видимости передатчика и приемника. Однако реального, практическо-го значения это не имеет. Современные методики построения сетей связи направлены, прежде всего, на обеспечение уверенной радиосвязи в любой точке зоны покрытия. Это предполагает получение избыточно высокого уровня передаваемой мощности всюду в зоне покрытия, поэтому воз-можность неустойчивой загоризонтной радиосвязи в УКВ-диапазоне не используется [1].

Рельеф местности оказывает существенное влияние на потери напря-женности поля радиосигналов в месте приема. Поскольку антенны радио-станций находятся в непосредственной близости от земли, то на трассах радиосвязи неминуемо появляются крупномасштабные объекты, которые

29

экранируют приемные антенны от передающих, затрудняя или полностью исключая условия прямой видимости. Чем больше пересеченность мест-ности, тем большее влияние она оказывает на условия прямой видимости станций. Для уточненного расчета зон радиотени от больших протяжен-ных объектов используются известные из теории дифракции формулы зон Френеля.

Ослабление поля сигнала при этом зависит не только от величины просвета трассы радиосвязи, но и от расстояний до экранирующего объек-та – рис. 2.4.

Рис. 2.4. Экранирование мобильной станции на трассе радиосвязи

Параметры трассы радиосвязи h0, rA, rB (геометрия препятствия), а также длина волны определяют значение обобщенного параметра по-терь d.

Обобщенный параметр d (дифракционный параметр) определяет раз-меры той части пространства между радиостанциями А и В, в которой распространяется основная доля энергии электромагнитного поля, назы-ваемой областью существенной для распространения радиоволн. Если ве-личина экрана не будет превышать радиус R первой зоны Френеля (рис. 2.4 б), то напряженность поля сигнала в месте приема будет практически соответствовать напряженности поля на открытой трассе. Если же величина экрана будет больше радиуса первой зоны Френеля, то, несмотря на формально закрытую трассу, ослабление напряженности поля

h1

MS BS

h2

h0

rB rA

экран

A B

R

а)

б)

30

ря на формально закрытую трассу, ослабление напряженности поля сиг-нала будет определяться дифракционным параметром d.

Числовое значение параметра d можно определить с помощью угла между направлением от передатчика к вершине препятствия и направле-нием от приемника к вершине препятствия (рис. 2.5) по следующей фор-муле:

)rλ(rrrd

BA

BA

2 . (2.19)

где rA, rB – расстояния от приемника и передатчика до препятствия; – угол между направлением от передатчика к вершине препятствия и направлением от приемника к вершине препятствия.

rA

rB

Рис. 2.5. Расчет дифракционного поля за препятствием

Наличие поля за протяженными препятствиями в условиях города яв-ляется существенным фактором и не может игнорироваться. Реально на-пряженность поля за препятствиями, типичными для городской застройки (длинные и высокие здания, туннели, дворы внутри микрорайонов), впол-не достаточна для нормального приема радиосигнала, и это должно учиты-ваться при определении количества и местоположения базовых радиостан-ций [1].

31

В самом простом случае усредненная величина напряженности поля за препятствием определяется в модели Найфа (Knafe) следующим образом:

дБlog200

дп EEG d

d , (2.20)

где Gd – коэффициент ослабления напряженности электромагнитного поля за препятствием; дп – коэффициент дифракционных потерь; Ed – напря-женность электромагнитного поля за препятствием; E0 – напряженность электромагнитного в свободном пространстве.

При расчете стационарных (не-подвижных) линий УКВ радиосвязи (для базовых станций) коэффициент ослабления поля сигнала Gd (коэффи-циент дифракционных потерь дп), как функцию параметра d, удобно учиты-вать графическим путем с помощью кривой Найфа (рис. 2.6).

В мобильных системах связи в процессе движения подвижной станции MS параметры трасс радио-связи h0, rA, rB постоянно изменяются. Рассмотренный выше графический способ оценки коэффициента дп ока-зывается непригоден [1].

Для подвижной системы коэффициент дифракционных потерь оцени-вается экспоненциальной зависимостью [8]:

дпдп

e ; (2.21)

эдп rz ; (2.22)

1tg12

2 2э0

)(cfz , (2.23)

где дп – показатель дифракционных потерь; εэ – постоянная затухания экрана; rэ – протяженность экрана; f0 – частота излучения; с – скорость света.

Реальная радиотрасса состоит из отдельных участков с различным уровнем экранирования, поэтому показатель дифракционных потерь трас-сы находится как интегральный показатель:

0

-5

-10

-15

-20

Gd

d -3 -2 -1 0 1 2 3

Рис. 2.6. Коэффициент ослабления поля в

стационарных линиях радиосвязи

32

n

iii nz

1дп , (2.24)

где zi – постоянная затухания i-го участка трассы; n – протяженность экрана i-го участка трассы; n – количество дифракционных участков трассы.

С учетом коэффициента дифракционных потерь дп амплитудное зна-чение напряженности поля сигнала в месте приема (2.18) примет вид:

),(Fr

GPEm

дпзнзпрд60

, (2.25)

Мощность сигнала на входе радиоприемника РR при максимальной направленности передающей антенны F(,θ)=1, выражаемая через эффек-тивную площадь приемной антенны

4

2пр

эфG

A , (2.26)

где Gпр – коэффициент усиления приемной антенны.

и мощность сигнала в точке приема, удаленной на расстояние r от пере-дающей антенны

дпзнз2прд

с 4

rGP

P , (2.27)

определяется следующим образом:

дпзнз22

2прпрд

сэф 16

rGGP

PAPR . (2.28)

2.3. ВЛИЯНИЕ МНОГОЛУЧЕВОСТИ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ СИГНАЛА

Отношение PR/PΣ, полученное из выражения (2.28), является пере-менным коэффициентом передачи канала связи, поскольку показатель дп при движении мобильной станции MS является случайной величиной, формируемой суммированием независимых случайных величин zi и ri:

дп2

ePPR ; (2.29)

33

2

2знз

4 rPP R

. (2.30)

В соответствии с центральной предельной теоремой плотность веро-ятности случайной величины показатель дп будет иметь нормальный за-кон распределения [8]:

2

2дп

дпдп

дп

дп2

exp2

1 )m()(W , (2.31)

где ,mдп дп – соответственно математическое ожидание и среднее

квадратическое отклонение показателя дп. В соответствии с (2.31) плотность коэффициента передачи канала бу-

дет иметь логарифмически-нормальный закон распределения:

2

ln

2lnдп

ln 2exp

21

K

K

K

m)K(W , (2.32)

где ,m Kln Kln – соответственно математическое ожидание и среднее квадратическое отклонение показателя ln| K |.

Поскольку значение излучаемой мощности радиостанций мобильной системы является постоянной величиной РΣ = const, то среднее квадрати-ческое отклонение и математическое ожидание в выражении (2.32) относится к колебаниям мощности сигнала на входе приемника РR.

Изменение средней мощности сигнала называется медленными зами-раниями (slow fading), а быстрые скачки вокруг среднего значения мощно-сти, которые происходят расстояниях порядка долей несущей длины вол-ны – быстрыми замираниями (fast fading) [2].

Т. о., мощность сигнала в месте приема, формируемая регулярным лучом, при движении подвижной станцией MS будет изменяться по лога-рифмически-нормальному закону, определяя общие медленные замирания всех частотных составляющих радиосигнала, относительно его медианно-го значения.

Статистические исследования трасс мобильной радиосвязи в диапа-зонах УКВ показывают, что отражающими объектами могут быть не только отдельные участки земли, но также и отдельные объекты, для ко-торых выполняется условие tg > 1. Отражающие объекты играют роль вторичных (пассивных) излучателей. Отраженные лучи при этом будут

34

иметь различные разности хода, так как расстояние от вторичных излуча-телей до приемной радиостанции будут различными.

Т. о., на входе радиоприемника даже при экранировании регулярного луча появится радиосигнал, образованный интерференционным сложени-ем отраженных лучей. Поскольку в процессе функционирования системы MS постоянно перемещаются, то изменяется и количество отражающих объектов с различной эффективностью отражения и разностью хода лучей [8]. Вследствие этого, отраженный сигнал на входе радиоприемника будет постоянно флуктуировать (колебаться) – рис. 2.7.

Рис. 2.7. Отражение радиоволн на трассе радиосвязи

Мощность сигнала на входе радиоприемника, создаваемая путем ин-терференционного сложения мощностей отраженных лучей, является флуктуирующей мощностью Рфл:

z

iiPP

1отрфл , (2.33)

где Piотр – мощность сигнала, формируемая в месте приема i-ом отражен-ным лучом; z – количество отраженных лучей в точке приема.

При наличии только флуктуирующей мощности в месте приема плот-ность распределения модуля коэффициента передачи канала будет опре-деляться законом Релея:

2

2

2 2exp

KK

KK)K(W , (2.34)

падающие лучи

пассивные отражатели

экранирующий объект

прямой луч

MS BS

35

где | K |=| Pпр/PΣ | – модуль коэффициента передачи канала; σ| K | – среднее квадратическое отклонение коэффициента передачи канала.

Колебания флуктуирующей мощности в отличие от дифракционных колебаний регулярной мощности имеют существенно меньший период и проявляются при передаче цифровых кадров.

Интерференционные замирания сигнала могут возникать также вследствие перемещения объектов с различной скоростью, в результате проявления доплеровского сдвига частоты fд:

сV

f rтрд

, (2.35)

где εтр – диэлектрическая проницаемость среды распространения радио-волн (тропосферы); Vr – радиальная составляющая скорости перемещения объекта; с – скорость распространения радиоволн.

Величина fд зависит от угла между направлением передачи и векто-ром радиальной составляющей скорости перемещения объекта. В резуль-тате доплеровского сдвига несущей частоты сдвигается весь спектр частот передаваемого сигнала или его часть. Частота флуктуации уровня сигнала при движении объектов особенно проявляется в условиях города и со-ставляет

rV...f

21

фл . (2.36)

При скорости 60...80 км/ч периоды флуктуации составляют Тфл = (0,4...0,8) . При дальнейшем увеличении скорости перемещения объ-ектов спектр сигнала, сдвигаясь по оси частот, может не совпадать с поло-сой частот основной избирательности радиоприемников [8].

Особенно чувствительными к доплеровским искажениям оказывают-ся мобильные системы с угловой модуляцией. При построении приемопе-редающей аппаратуры мобильной радиосвязи этот недостаток устраняется с помощью системы автоматической подстройки частоты и введением эк-валайзеров при обработке сигналов. При энергетических расчетах каналов мобильной системы связи быстрые замирания учитываются через коэф-фициент интерференционных замираний из.

Т. о., при отсутствии эффекта полного экранирования трассы радио-связи и наличии в месте приема отражающих объектов, образуется ре-зультирующая мощность сигнала как результат наличия регулярной Ррег и флуктуирующей Рфл мощностей:

36

флрегрез PPP . (2.37)

Поскольку энергетический потенциал радиолиний мобильной связи ограничен (малыми мощностями и малоэффективными антеннами мо-бильных станций MS), то отражение радиоволн от пассивных излучателей будет наблюдаться в ограниченной зоне.

Малые геометрические размеры области отражения обуславливают и малые разности хода отраженных лучей. Это означает сильную коррели-рованность суперпозиции отраженных лучей с регулярным лучом. При этом мощности Ррег, Рфл могут складываться не только в фазе, но и в про-тивофазе, определяя увеличение или уменьшение результирующей мощ-ности Ррез.

Наличие дифракционных логарифмически-нормальных замираний составляющей Ррез и интерференционных (релеевских) замираний состав-ляющей Рфл определяет условие локальной стационарности канала, как отношения мощностей [8]

фл

рег2

PP

Q . (2.38)

Практика показывает, что уже при Q2 10 интерференционные зами-рания, как результат наличия отраженных лучей, практически не ощутимы и проявляются только вследствие доплеровского сдвига частоты при дви-жении мобильных станций MS. Результирующая мощность формируется, в основном, за счет наличия регулярного луча, обеспечивая условия ло-кальной стационарности канала. В мобильных системах это достигается путем использования стационарных базовых станций BS, которые обслу-живают ограниченные территории и размещаются в таких местах, чтобы до минимума снизить возможность экранирования трассы радиосвязи.

Каждая из базовых станций BS обеспечивает требуемую величину Ррег в своей зоне обслуживания (соте). Следует иметь в виду, что в услови-ях сильно пересеченной местности (город, гористая местность) наличие плотно размещаемых базовых станций не исключает появление в месте приема мощности Рфл и отсутствие мощности Ррег.

При определении зоны покрытия должны учитываться все особенно-сти пересеченной местности с целью максимального исключения теневых участков возможных трасс радиосвязи.

В зоне покрытия радиосвязь должна обеспечиваться практически для любой точки нахождения мобильной станции. Это достигается не только

37

координатным размещением базовых станций, но и выбором высот подня-тия их антенн, преобладающих для данной местности и учитывающих ос-новные направления трасс радиосвязи.

Использование антенн направленного действия, диаграммы направ-ленности которых частично перекрываются, позволяет формировать кру-говую диаграмму направленности базовой станции. Кроме того, преду-сматривается возможность изменения излучаемой мощности и её автома-тическую регулировку в каждом отдельном субканале.

Взаимодействие когерентных радиоволн рассматривается в терминах теории сигналов как взаимодействие нескольких копий передаваемого сигнала, каждая из которых характеризуется собственными амплитудой, фазой и временем распространения. На основании изложенного выше можно выделить три наиболее существенных эффекта, к которым приво-дит многолучевое распространение в радиоканале:

1) быстрые случайные изменения формы сигналов на небольшом расстоянии или в течение короткого времени – небольшое изменение взаимного расположения приемника, передатчика и препятствий на вели-чину всего лишь порядка четверти длины волны приводит к существен-ным изменениям амплитуды и фазы копий сигнала в точке приема. Изме-рения в городских условиях показывают, что разница между максималь-ным и минимальным значениями уровня сигнала достигает 30 дБ;

2) случайные изменения частоты принимаемого сигнала – постоян-ное движение приемника, передатчика и препятствий приводит к появле-нию переменного во времени доплеровского сдвига частот. Несмотря на то, что максимальная величина доплеровского сдвига частот в диапазоне УКВ всего лишь порядка 100 Гц, ее влияние на работоспособность прием-ника может быть значительным;

3) временная дисперсия – различное время распространения копий сигнала от передатчика к приемнику приводит к взаимному наложению копий различных сигналов, что с точки зрения обработки информации оз-начает возникновение межсимвольных искажений.

Влияние многолучевости на распространение сигнала удобно рас-смотреть на основе анализа выражения (2.28). Мощность, принимаемую на расстоянии и от передающей антенны, можно выразить через мощ-ность, измеренную на каком-либо стандартном расстоянии r0, т. е. через опорную мощность РR(r). Т. о., мощность, принимаемую на расстоянии r, можно рассчитать как [2]

38

0

20

0 rr,rrrPrPR

. (2.39)

Из (2.39) видно, что при распространении сигнала в свободном про-странстве, принимаемая мощность обратно пропорциональна квадрату расстояния до передающей антенны. Опорное расстояние r0 должно быть достаточно велико для того, чтобы полагать, что на расстоянии r прием сигнала производится в дальней зоне антенны, определяемой так назы-ваемым расстоянием Фраунгофера rf, которое задается формулой [2]

22Lr f , (2.40)

где L – максимальный физический линейный размер антенны; – длина волны несущей сигнала.

На практике для частотного диапазона от 1 до 2 ГГц опорное рас-стояние принимается равным 1 м для антенн, используемых внутри по-мещений (например, для систем бесшнуровой телефонии), и 100 м или 1 км для внешних антенн [2].

Теперь рассмотрим передачу синусоидального сигнала с амплитудой А, и частотой f. Предположим, что приемника, расположенного на рас-стоянии r от передатчика, достигает только прямая радиоволна. Отражение и преломление отсутствуют. Поскольку в свободном пространстве мощ-ность принимаемого сигнала уменьшается пропорционально квадрату рас-стояния, то его амплитуда уменьшается пропорционально расстоянию и выражается формулой [2]

00

20

0 2 rPA,rrArA

, (2.41)

В системах подвижной связи передаваемый радиосигнал попадает в приемник многими путями, в каждом из них он подвергается неоднократ-ным отражениям и дифрагирует. При каждом отражении часть энергии сиг-нала поглощается отражающей поверхностью. Уровень принимаемого сиг-нала зависит не только от расстояния, но и от частоты сигнала. Помимо очевидной тенденции затухания сигнала, можно отметить, что быстрые ко-лебания уровня мощности зависят от расстояния.

При определенных расстояниях между антеннами сигналы, распро-страняющиеся разными путями, приходят в приемную антенну с противо-положными фазами, что уменьшает мощность сигнала. При некоторых других значениях r входящие сигналы складываются, что увеличивает уро-вень сигнала.

39

Безусловно, на практике встречается множество промежуточных слу-чаев.

Для рассмотрения влияния многолучевого распространения на прием сигнала и первичного анализа распространения сигнала на пересеченной местности, например, в городских условиях, используется модель двулуче-вого распространения – значительное упрощение реальной ситуации.

Рассмотрим (приближенно) функцию изменения мощности сигнала в зависимости от дальности приема – рис. 2.8. Чем дальше от антенны – тем меньше уровень сигнала. Если предположить, что расстояние r велико по сравнению с высотами передающей h1 (базовая станция) приемной h2 (мо-бильная станция) и антенн, то разница между r1 и r2 станет несущественной. Фазовая разность между сигналами, распространяющимися этими путями, составит [1]

rc

rf

22 . (2.42)

С учетом сделанных допущений расстояния можно рассчитать по формулам

rhhrr

rhhrr

2

22

212

221

1

. (2.43)

Т. о., фазовая разность между обоими сигналами будет равна

rhh 2122

. (2.44)

В итоге, мощность принимаемого сигнала с учетом сделанных допущений можно выразить формулой

22

00 1

jexp

rrrPrPR , (2.45)

которая для малых углов с учетом того, что 1 – exp (j) | 1 – (1 – j) | | упрощается до

.rhhGGP

rhh

rrrP

rrrPrPR

4

22

21

прдпр2

22

21

220

0

22

00

42

(2.46)

40

r 1r 2

а)

r

r1

r2

б)

Рис. 2.8. Иллюстрация эффекта многолучевости

41

Формула (2.46) говорит о том, что появление второго пути распростране-ния, отличного от пути распространения по линии прямой видимости, оказыва-ет серьезное влияние на мощность принимаемого сигнала, функционально за-висящего от расстояния до передающей антенны.

Для двулучевого распространения принимаемая мощность обратно про-порциональна четвертой степени расстояния!

Т. о. в логарифмическом масштабе уменьшение мощности составляет 40 дБ на десять единиц расстояния, в то время как при однолучевом распростра-нении сигнала в свободном пространстве это уменьшение составляет 20 дБ.

Двулучевое распространение – это исключительно теоретический случай, который позволяет понять влияние многолучевого распространения на свойст-ва канала передачи данных. В реальных системах количество путей намного больше и зависит от особенностей окружающей среды.

Мощность сигнала, принимаемого на расстоянии r от передающей антен-ны, часто описывают выражением

γ

00

rrrPrPR , (2.47)

где – показатель степени, зависящий от условий распространения сигна-ла и варьируемый от 2 до 5,5.

2.4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СООТНОШЕНИЯ В ТИПОВЫХ РАДИОКАНАЛАХ НАЗЕМНОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ

Рассмотрим пример, когда на некоторой площади зоны обслужива-ния(в пространстве) работает управляемая группа (ансамбль) мобильных станций MS, обслуживаемых одной базовой станцией BS – ретранслято-ром.

Типовое организационное построение такой группы может соответст-вовать соте или сайту мобильной радиосистемы – рис. 2.9.

Радиосвязь в группе может организовываться по принципу «каждый с каждым» (радионаправления) или «один со многими» (радиосети).

В первом случае формируются радионаправления через базовую станцию с любыми мобильными станциями, или мобильной станции и с абонентами сети PSTN. Для этого базовая станция выделяет рабочие час-тоты fпрд и fпр для формирования направлений радиосвязи между абонен-тами.

Во втором случае базовая станция выделяет пару рабочих частот для рабочего ансамбля станций, на которых осуществляется радиосвязь вызы-

42

вающего абонента с группой вызываемых абонентов. При этом частота передачи может заниматься каждой мобильной станцией попеременно. После передачи информации передатчик вызы-вающей станции должен вы-ключаться. Подобный режим работы характерен для органи-зации радиосети. Расстояние радиосвязи r между MS и BS в процессе перемещения посто-янно изменяется. Моменты ус-тановления радиосвязи в груп-пе при работе системы могут считаться случайными и неза-висимыми событиями.

В процессе работы на вхо-дах радиоприемных устройств MS присутствуют не только полезные сигналы, но и сигна-лы мешающих источников из-

лучения – помехи. Следовательно, радиосвязь между BS и любой MS в случайный момент времени будет обеспечена в случае, если энергия по-лезных сигналов в местах приема будет превышать энергию помех. Т. о., условие связности в ансамбле MS может быть записано в виде следующе-го энергетического соотношения [8]:

n

iiRi tPtP

1пп

2св , (2.48)

где PRi – мощность полезного сигнала на входе приемника i-ой MS; Pпi – мощность помехи на входе приемника i-ой MS; tсв – время ведения радиосвязи; tп – время воздействия помехи; n – количество групп мешаю-щих источников излучения; 2 – коэффициент превышения энергии по-лезного сигнала над суммарной энергией помех.

Поскольку время воздействия помех в канале учитывается только в периоды установления и ведения связи tсв = tп, то в условии (2.48) время можно упустить, не нарушая строгости неравенства.

Рассмотрим каждую из частей неравенства (2.48).

Рис. 2.9. Обеспечение связности в группе мобильных станций

43

Левая часть представляет мощность полезного сигнала в точке прие-ма, образованную передатчиком мобильной системы, удаленным от i-го приемника на расстояние r. Используя формулу (2.28), выражение мощно-сти сигнала на входе i-го приемника PRi может быть записано в следую-щем виде:

ijij

jijRi ξ

rπGGP

P 22

2прдпр

16

, (2.49)

где где PΣj – излучаемая мощность j-го передатчика; Gпрi, Gпрдj – коэффи-циенты усиления i-го приемника и передающей антенны j-го передатчика; ij – общий коэффициент потерь и замираний сигнала i-ой трассы радио-связи; rij – расстояние между i-ой и j-ой радиостанциями.

Правая часть неравенства представляет суммарную мощность элек-тромагнитных излучений, создаваемых различными группами источников помех. Для мобильных систем радиосвязи характерны три группы ме-шающих источников излучений.

Первую группу составляют источники излучения своего ансамбля ра-диосредств, работающих на ограниченной площади. Несмотря на то, что радиостанции работают на различных частотах передачи и приема, в ре-зультате внеполосных излучений передатчиков, наличия побочных кана-лов приема приемников и повторения рабочих частот, возникают мешаю-щие уровни излучений, суммарная мощность которых воздействует на приемники системы. Эта мощность классифицируется как мощность вза-имных помех РПВЗ:

L

kik

ik

ikk ξrπ

λGGPP

122

2прпрдΣ

ПВЗ 16, (2.50)

где PΣk – излучаемая мощность k-го передатчика; Gпрi, Gпрдi – коэффициен-ты усиления i-го приемника и передающей антенны k-го передатчика; ik – общий коэффициент потерь и замираний сигнала ik-ой трассы радио-связи; rik – расстояние между i-ой и k-ой радиостанциями; L – количество мешающих радиостанций.

Т. о., мощность РПВЗ является суммарной мощностью помех по ан-самблю радиостанций своей системы, работающих на передачу.

Вторую группу помех составляют излучения источников других сис-тем радиосвязи, а также не связных излучателей электромагнитного поля.

44

Эти помехи классифицируются как внешние помехи, мощность которых РПВН определяется выражением [8]:

2

2вн

2прЭФ

ПВН 900

EGF

P , (2.51)

где Eвн2

– квадрат напряженности электромагнитного поля, создаваемого воздействием внешних помех; Fэф – эффективная полоса частот сигнала помех; – коэффициент несовпадения полосы частот тракта приема мо-бильной станции с полосой частот помехи; Gпр – коэффициент усиления приемной антенны.

Третью группу помех определяют внутриканальные помехи, основу которых составляют внутренние шумы трактов приема и антенны. Любой радиоприемный тракт может быть представлено последовательностью пассивных и активных четырехполюсников, каждый из которых имеет собственные шумы. Общие шумовые свойства приемного тракта, характе-ризующие его чувствительность, определяются коэффициентом шума Nш и коэффициентом передачи по мощности КР. Мощность шума, действую-щая на входе приемного тракта, определяется также внешними и внутрен-ними шумами антенны. Внешние шумы антенны обусловлены шумами космоса, атмосферы и земли. Величина внешних шумов определяется от-носительной шумовой температурой антенны:

0

0атмкосм 1T

T)D()TT(DtA

прпр , (2.52)

где Dпр – коэффициент направленности антенны приемника; Т0 = 290К – абсолютная шумовая температура антенны; Tкосм и Tатм – соответственно температуры излучения антенны в космосе и в атмосфере.

Внутренне шумы антенны определяются ее шумовыми свойствами:

эф0ш 4ВН

FkTP , (2.53)

где k = 1,381023 – постоянная Больцмана; Fэф – эффективная шумовая полоса тракта приема.

Таким образом, мощность шума на входе приемного тракта с учетом шумов антенны и собственных шумов тракта приема, приведенных к его входу, определяется как

45

)N(KtFkTP P 14 шАэф0ш . (2.54)

Выражение (2.54) показывает, что мощность Рш зависит от вида мо-дулирующего сигнала. Наибольшая мощность шумов характерна для при-емных трактов с широкой полосой частот Fэф, например, для трактов с угловой модуляцией. С учетом изложенного, условие связности (2.48) ме-жду станциями в мобильной системе связи может быть записано в сле-дующем виде:

ЭФ02

2вн

2прЭФ

122

2Σ2

22

2Σ 4

9001616FnkT

EGFr

Pr

P L

k ik

ikk

ij

iji , (2.55)

где = GпрGпрд; n = tА + КP(Nш – 1); – коэффициент несовпадения по-лос частот помехи и тракта приема; L – количество мешающих станций системы.

Выражение (2.55) является развернутым уравнением ij-ой радиолинии мобильной системы радиосвязи. Составляющие уравнения представляют значения мощностей сигналов и помех в полосе частот тракта приема (пе-редачи) мобильной системы. Левая часть уравнения представляет полез-ный потенциал радиолинии (мощность, приходящаяся на 1 Гц полосы частот), правая часть – потенциал мешающих источников излучений (по-мех) в месте приема [8].

Присутствие в левой и правой частях уравнения коэффициентов , определяющих колебания энергетических потенциалов, показывает, что условие связности мобильных станций может быть выполнено, если ко-эффициент 2 не будет снижаться меньше определенного порогового зна-чения 2

пор. Таким образом, коэффициент 2 может трактоваться как энер-гетический параметр, определяющий связность радиолинии, т. е. как па-раметр связности. Параметр связности 2 позволяет оценивать надеж-ность радиосвязи как вероятность связи с требуемым качеством в течение заданного времени работы радиолинии (сеанса связи):

Р

нс2пор

2

Тt)(P ; (2.56)

отснсР ttТ , (2.57)

где tнс – время текущего сеанса связи; TР – общее время работы системы связи; Σtнс, Σtотс – отрезки времени наличия и отсутствия связи.

46

При снижении параметра 2 ниже порогового уровня в процессе веде-ния связи в мобильной системе предусматривается автоматический пере-ход на другой канал, в котором выполняется условие 2

2пор. Это обу-

славливает необходимость использования группы нескольких свободно-доступных каналов (рабочих частот). Автоматический переход радиостан-ций мобильной системы на свободные частоты при увеличении уровней помех для сохранения заданного качества радиосвязи называется частот-ной адаптацией или, иначе, СКИП-коммутацией.

2.5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОТЕРЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СИГНАЛА

Модель распространения радиоволн в мобильных системах радиосвя-зи, способ отображения реальных условий распространения в выбранной модели, предположения о структуре радиополя являются основными фак-торами, определяющими выбор типа модуляции, мощности передатчика, структуры приемника, расчета качества радиопокрытия.

Как уже отмечалось выше, условия распространения радиоволн в мо-бильной радиосвязи могут варьироваться от простейшей ситуации однолуче-вого распространения радиоволн между приемником и передатчиком в усло-виях прямой видимости до многолучевого распространения при многократ-ных отражениях от искусственных сооружений и складок местности в усло-виях доплеровского изменения частоты при движении объекта или препятст-вий. В отличие от проводных линий связи радиоканал является стати-стической системой, свойства которой определяются только с некоторой ве-роятностью. Результаты расчета параметров радиоканала в значительной степени зависят от выбранной модели канала. Модели, основанные на одних и тех же принципах, различаются способом отображения реальной ситуации. Не существует единой общепринятой модели расчета радиополя в городских условиях. Рекомендации различных национальных и международных орга-низаций в значительной степени отличаются друг от друга. Сложность выбо-ра адекватной модели распространения радиоволн и структуры поля усугуб-ляется трудностями практического определения параметров модели и срав-нения качества работы систем связи, основанных на различных моделях ра-диополя. Измерение параметров модели может быть только вероятностным и требует проведения огромного числа испытаний в самых различных услови-ях (время года и суток, крупный город или небольшой населенный пункт, вид подстилающей поверхности, складки местности и т. д.). При сравнении различных моделей структуры электромагнитного поля по критерию качест-

47

ва работы радиосетей следует учитывать, что радиоаппаратура, построенная исходя из выбранной модели, может существенно различаться как функцио-нально, так и по реализованным параметрам. Поэтому результаты лучшей или худшей работы мобильной системы связи всегда могут быть отнесены как к выбранной модели радиоканала, так и к реализованной аппаратуре.

Отдельной проблемой, возникшей в последнее время в связи с развити-ем персональной сотовой связи, является распространение радиоволн в зда-ниях. До сих пор не разработан даже в принципе подход к расчету распро-странения радиоволн в здании. Все известные формулы и рекомендации но-сят исключительно эмпирический характер и являются прямым обобщением экспериментальных данных. Экспериментаторы, проводившие измерения напряженности поля в здании, утверждают, что результат измерения затуха-ния поля при распространении между этажами зависит просто от количества открытых дверей на этаже.

Целью анализа распространения радиоволн является расчет дальности радиосвязи и определение реальных характеристик принимаемого сигнала. Классический подход к расчету распределения электромагнитного поля в присутствии отражающих и поглощающих объектов заключается в расчете напряженности поля в однородном изотропном пространстве на основе зако-нов отражения, дифракции и рассеяния. Однако специфические условия го-рода исключают возможность непосредственного применения такой методи-ки. Непостоянство расположения приемников и передатчиков в мобильной сети радиосвязи, перемещение приемников, передатчиков и препятствий, ог-ромное количество фиксированных препятствий сложной формы делают не-возможным точный расчет распределения радиополя. Возникающие при та-ких расчетах трудности описания реального расположения и передвижения препятствий, требуемый объем вычислений далеко превосходят все суще-ствующие технические возможности. Поэтому точный расчет распределения поля используется только в исключительных, простейших случаях, например при расчете теневой зоны за очень большим зданием при точно известном расположении передатчика базовой станции. Реальный расчет распределения электромагнитного поля осуществляется на основе двух моделей [1]:

«большого расстояния» (large scale model); «малого расстояния» (little scale model).

В модели «большого расстояния» рассматривается влияние на электро-магнитное поле макроэффектов, обусловленных препятствиями большого размера (по сравнению с длиной волны). Согласно этой модели электромаг-нитное поле в городских условиях описывается теми же самыми уравнения-

48

ми, что и для свободного пространства, но с иными параметрами распро-странения, а также некоторой вероятностью отклонения реальных значений распределения радиополя от расчетных. Предполагается, что наличие пре-пятствий “в среднем” не влияет на структуру электромагнитного поля, кото-рое остается таким же, как и в свободном пространстве, а именно ста-ционарным, монотонным и гладким. Стационарность означает неизмен-ность структуры поля во времени, монотонность – непрерывное убывание величины поля с увеличением расстояния от приемника до передатчика, гладкость – соответствие малых изменений расстояния малым изменениям напряженности поля.

Вместе с тем совершенно очевидно, что параметры распространения ра-диоволн в городе отличаются от параметров распространения в свободном пространстве. Напряженность электромагнитного поля в городских условиях уменьшается с расстоянием значительно быстрее, чем вторая степень рас-стояния, из-за рассеяния электромагнитных волн на многочисленных препят-ствиях. В результате взаимодействия с препятствиями только некоторая часть мощности передатчика дойдет до приемника, остальная часть либо бу-дет поглощена препятствием, либо отразится под произвольным углом и пройдет мимо приемника. Кроме того, уменьшающаяся «в среднем» напря-женность поля реально испытывает флуктуации, вызванные экранирующим действием отдельных зданий, сооружений и складок местности. Распределе-ние теневых и освещенных областей в сложной, нерегулярной городской за-стройке и пересеченной местности с большой долей достоверности можно считать случайным. В результате напряженность поля в каждой точке про-странства лишь с некоторой вероятностью равна средней, реально испыты-вая случайные флуктуации около среднего значения, монотонно уменьшаю-щегося по мере удаления от передатчика. Принято говорить, что флуктуации напряженности поля вызывают медленные замирания сигнала на антенне приемника. Практически глубина медленных замираний, зависящая от вели-чины дисперсии случайного распределения напряженности поля, определяет процент территории, на которой гарантируется величина сигнала, обеспечи-вающая нормальную работу радиостанции.

Модель «большого расстояния» лежит в основе всех методик расчета дальности радиосвязи, отличающихся друг от друга только способом введе-ния коэффициентов коррекции, отражающих реальные условия распростра-нения, в формулы распространения поля в свободном пространстве. Сколь-ко-нибудь серьезного теоретического обоснования того или иного способа введения дополнительных коэффициентов не существует. Все варианты оп-ределения поправочных коэффициентов к скорости уменьшения поля с рас-

49

стоянием, а также дисперсии случайного отклонения напряженности поля от среднего значения опираются на экспериментальные данные, полученные в различных городах, на разных частотах, в различных географических усло-виях, в разное время суток и т. д. Результатом расчета по модели «большого расстояния» является вероятное значение напряженности поля на некотором расстоянии от излучателя. Расчет усредненного поля в приближении «боль-шого расстояния» применяется при проектировании сетей связи, для оптими-зации расположения и величины мощности базовых передатчиков путем оп-ределения размеров зоны уверенного приема, зон взаимного перекрытия пе-редатчиков, теневых и освещенных зон и т. д.

Модель «малого расстояния» отражает интерференционную структуру электромагнитного поля, возникающую вследствие взаимодействия коге-рентных волн, излученных передатчиком. Суммарная величина электромаг-нитного поля в каждой точке пространства определяется амплитудами и фа-зами нескольких когерентных волн, которые за счет многократных отраже-ний прошли путь различной длины от передатчика до данной точки приема. Очевидно, что на значительном расстоянии от передатчика амплитуды и фа-зы волн статистически независимы и в результате получается интерференци-онная картина поля в виде случайного чередования максимумов (сложение в фазе) и минимумов (сложение в противофазе) поля. Поскольку расстояние между минимумами и максимумами в интерференционной картине поля равно четверти длины волны, то и существенные изменения величины на-пряженности поля также происходят на очень малых расстояниях, порядка нескольких сантиметров в диапазоне УКВ.

Очевидно, что структура поля на малых расстояниях является не глад-кой, не монотонной и не стационарной. Увеличение или уменьшение напря-женности поля не связано с расстоянием до передатчика, так как определяет-ся случайным состоянием радиоканала (взаимным расположением и пере-движением приемника, передатчика и препятствий) в текущий момент вре-мени. В результате возможны очень сильные изменения величины электро-магнитного поля на небольших расстояниях и в короткие промежутки вре-мени. С точки зрения теории сигналов нестационарная интерференционная структура поля соответствует приему нескольких копий одного и того же сигнала. Идеальный сигнал передатчика достигает приемника несколькими путями различной длины, что и приводит к появлению в приемнике не-скольких копий сигнала, каждая из которых имеет собственное время рас-пространения. Накладывающиеся друг на друга копии сигнала вызывают ис-кажение формы принимаемого сигнала, которые характеризуются как быст-рые замирания величины принимаемого сигнала на антенне приемника. Ве-

50

личина быстрых замираний принимаемого сигнала определяется мгновен-ным состоянием многолучевого канала распространения, т. е. перемещением передатчика, приемника и препятствий между ними, а также скоростью этих перемещений. Практически величина поправки на быстрые замирания опре-деляет процент времени, в течение которого величина напряженности поля превышает заданную величину.

Расчеты по модели «малого расстояния» позволяют определить реаль-ную структуру и статистические характеристики сигнала в локальной облас-ти пространства (точке приема), который отличается от идеального сигнала на выходе передатчика вследствие многолучевого распространения радио-волн и перемещения приемника, передатчика и препятствий между ними.

Основой расчета дальности радиосвязи по модели «большого расстоя-ния» является формула для распространения радиоволн в свободном про-странстве с соответствующими поправочными коэффициентами [1].

В соответствии с ней мощность сигнала в точке приема на заданном рас-стоянии от передатчика в логарифмическом виде равна

00 lg10

ddLP)d(P , (2.58)

где P(d) – мощность сигнала на расстоянии d от передатчика, дБм; P – мощ-ность передатчика, дБм; L0 – коэффициент потери мощности от выхода передатчика до точки в эфире, находящейся в непосредственной близости d0 от антенны передатчика, дБ; – коэффициент затухания радиоволн при рас-пространении в городской среде.

Коэффициент потери мощности L0 устанавливает соотношение между активной мощностью передатчика, измеренной на эквиваленте нагрузки, и мощностью излученного сигнала в непосредственный близости от антенны передатчика. Этот коэффициент включает все параметры антенно-фидерного тракта передатчика и параметры антенны, а именно: коэффициент передачи высокочастотного фидера, коэффициенты передачи устройств согласования и защиты, кпд и коэффициент направленного действия антенны. Коэффици-ент затухания радиоволн = (2…5) определяет величину потерь при распро-странении радиоволн в городских условиях. Превышение величины этого коэффициента над теоретическим значением = 2 для свободного простран-ства отражает величину дополнительных потерь вследствие поглощения и отражения радиоволн естественными и искусственными препятствиями. На величину влияют плотность городской застройки, преобладающий тип зда-

51

ний (бетон, кирпич, дерево), характер подстилающей поверхности (земля, вода, лес).

Рассмотренная выше модель характеризуется быстрыми колебаниями уровня сигнала вокруг среднего значения. Даже незначительные изменения расположения подвижной станции могут стать причиной существенных изменений уровня принимаемого сигнала. С точки зрения проектирования систем радиосвязи представляет интерес определение зависимости средней мощности сигнала от расстояния до базовой станции. Обычно измерения усредняются на интервале от 5 до 40, где – длина волны несущей [2].

В частотном диапазоне от 1 до 2 ГГц локальная мощность усредняется на отрезке от 1 до 10 м. Результат измерений зависит от расстояния до пере-дающей станции, а также от реальной конфигурации основных препятст-вий, искажающих и отражающих элементов вдоль путей распространения сигнала к приемнику, но не в непосредственной близости от него. Этот вид информации необходим для разработки систем сотовой связи. Т. о., в лога-рифмическом масштабе средняя мощность снижается линейно с увеличе-нием расстояния d. Скорость падения составляет 10 дБ на декаду.

Параметр определяется местными условиями распространения сиг-нала – табл. 2.2 [2].

Таблица 2.2 Значения для различных типов окружающей среды

Тип среды Значение коэффициента

Свободное пространство 2

Сотовая радиосвязь в городской местности 2,75…3,5

Затененная сотовая радиосвязь в городской местности 3…5

В здании на линии прямой видимости 1,6…1,8

В здании с препятствиями на линии распространения радиосигнала 4…6

На предприятиях с препятствиями на линии распространения радиосигнала 2…3

Формула (2.58) характеризует зависимость среднего уровня принятой мощности от расстояния до передающей антенны.

52

Было замечено, что замеры мощности в различных местах, находя-щихся на одинаковом удалении от передающей антенны, могут давать со-вершенно разные результаты [2].

Это явление обусловлено различным расположением препятствий, от-ражающих, рассеивающих и снижающих уровень сигнала; оно называется радиозатенением.

Измерения показывают, что принимаемая мощность – это случайная величина. Более того, ее распределение в логарифмическом масштабе – га-уссовское, т. е.

,X

dd)d(P)d(P 0lg10

0dB0dB , (2.59)

где X(0, ) – случайная величина с гауссовским распределением, нулевым средним и дисперсией 2.

Т. о., в линейном масштабе принимаемая мощность имеет лога-рифмически нормальное распределение.

Логонормальное распределение случайной величины X задается выра-жением

2

2

2lglgexp

21

xxx

xxx

xp . (2.60)

Зная распределение в логарифмическом масштабе, особенно диспер-сию 2, можно рассчитать вероятность того, что уровень принимаемого в за-данной точке сигнала превышает определенный порог. Такие расчеты ис-пользуются для оценки зоны радиопокрытия базовой станции.

Распространение радиосигнала по местности с такими препятствиями, как строения, неровности поверхности, деревья и кусты – это настолько сложный процесс, что разработчики системы часто производят замеры электромагнитного поля в определенных участках местности для того, что-бы определить реальную зону обслуживания базовой станции.

Эти замеры чрезвычайно дороги, и в связи с этим на основе собранных экспериментальных данных для различных типовых условий разработано несколько моделей распространения сигнала, позволяющих оценить меди-анные потери мощности в зависимости от расстояния d до базовой станции, типа среды распространения, а также высот передающей и приемной ан-тенн.

53

Наибольшая точность расчетов обеспечивается при непосредствен-ном применении уравнения, описывающего модель «большого расстоя-ния», с использованием экспериментально измеренных параметров моде-ли для конкретного региона.

Для приближенного аналитического расчета вероятностной дальности радиосвязи используются методики на основе рекомендаций МККР (Меж-дународного консультативного комитета по радиосвязи) и рекомендаций EUROCOST (Европейского объединения для научных и технических ис-следований).

Обе эти методики основаны на результатах статистической обработки большого количества экспериментальных данных, которые позволяют опре-делить параметры модели , , L0 для типовых ситуаций (большой город, пригород, земная или водная подстилающая поверхность и т. д.).

Общепринятые методики расчета дальности радиосвязи ориентирова-ны в основном на транкинговые сети связи. Эти сети характеризуются от-носительно большой дальностью радиосвязи (несколько десятков кило-метров) и относительно большой высотой подъема передающих антенн, расположенных на высотных домах, триангуляционных вышках и т. д.

При этих условиях предположение о «среднем» значении мощности оправдывается в наибольшей степени.

Для расчета дальности связи в сотах небольшого размера эти методи-ки применимы уже с большими оговорками, т. к. предположение о «сред-ней» равномерности поля плохо оправдывается на расстояниях в несколь-ко сот метров и тем более неприменимо для расчета затухания поля в зда-ниях.

В любом случае, результат расчета дальности радиосвязи может быть только оценочным и достоверным настолько, насколько реальные условия распространения совпадают со «средними» и насколько правильными яв-ляются введенные в модель поправочные коэффициенты, отражающие конкретные условия региона.

Классификация моделей распространения показана на рис. 2.10. Ниже рассмотрены наиболее представительные примеры эксперимен-

тальных моделей распространения сигнала.

54

Рис. 2.10. Классификация типовых моделей распространения

2.5.1. Расчет дальности связи по методике МККР

Основой для аналитических расчетов дальности радиосвязи являются документы МККР «Рекомендация 370» и «Отчет 239», а также разрабо-танная на их основе «Методика определения ожидаемой дальности УКВ-радиосвязи с подвижными объектами», предназначенная для расчета сис-тем связи с аналоговыми сигналами. В основе методики МККР лежат сле-дующие положения:

1) величину зоны радиосвязи системы связи с подвижными объек-тами рассчитывают, исходя из минимальной величины сигнал/шум на выходе приемника, при которой обеспечивается заданная разборчивость речи. Общепринято для систем с цифровыми сигналами заменять поня-тие «разборчивость речи» на «достоверность приема». «Методика» и «Рекомендация» не определяют эти понятия;

2) все расчеты по «Методике» и «Рекомендации» имеют вероятност-ный характер. Это объясняется тем, что только отдельные параметры, влияющие на дальность радиосвязи, могут быть получены путем точ-ных математических расчетов. Большое количество поправочных ко-

55

эффициентов рекомендуется, исходя из среднестатистических много-летних наблюдений. Вопрос о полноте этих данных и их применимости в каждом отдельном случае остается открытым;

3) основой методики расчета являются кривые распространения ра-диоволн. Эти кривые представляют собой зависимости средней напря-женности электромагнитного поля E (децибелы относительно 1 мкВ/м при 1 кВт эффективной излучаемой мощности и высоте передающей ан-тенны 10 м) в точке расположения приемника от расстояния d до передат-чика при различных значениях высоты подъема антенны приемника h, построенные для различных частот и типов подстилающих поверх-ностей. Графики соответствуют 50 % вероятности установления радиосвя-зи на 50 % территории.

Типовые графики распространения радиоволн приведены [1]. Кривые распространения могут относиться к сухопутным трассам, морским и смешанным. При использовании антенн с высотой подъема, не приведен-ной на графиках, можно использовать линейную экстраполяцию. Наи-большую надежность приведенные зависимости имеют на расстоянии прямой видимости (до горизонта).

Фактически кривые распространения представляют собой обобщен-ные зависимости средней мощности сигнала P(d) от расстояния в соот-ветствии с формулой (2.58) для различных географических условий в предположении, что на границе зоны радиосвязи средняя мощность сиг-нала равна минимально необходимой мощности Р0.

Реальные условия распространения в каждом конкретном регионе от-ражаются путем введения поправок, соответствующих типу и характеру местности. Кроме того, поправки отражают параметры приемников и пе-редатчиков (мощность передатчика, высоты подъема и диаграммы на-правленности антенн, чувствительность приемника), уровень электромаг-нитных шумов в точке приема и т. д.

В документе «Методика определения ожидаемой дальности УКВ ра-диосвязи с подвижными объектами» приводится следующая формула для расчета поправок к графикам, опубликованным в документах «Рекоменда-ция 370» и «Отчет 239» МККР:

перпррельефзам%2вх

шнеобх

BBBBB

NSNE hp , (2.61)

56

где Eнеобх – необходимый уровень напряженности в точке приема, дБ; Nш – уровень шумов в точке приема, дБ; (S/N)вх – отношение сигнал/шум на входе приемника, дБ; Вр – поправка на отличие мощности передатчика от 1 кВт, дБ; Вh2 – поправка на отличие высоты установки антенны от 10 м, дБ; В% – поправка на медленные замирания, учитывающая отличие ко-личества пунктов успешной связи от 50 %, дБ; Взам – поправка на быстрые замирания, учитывающая отличие количества успешных сеансов связи от 50 %, дБ; Врельеф – поправка на реальный рельеф местности, дБ; пр, пер – поправки на неравномерность диаграмм направленности прием-ной и передающей антенн, дБ.

Формула (2.61) конкретизирует представление параметров модели , , L0. В частности, коэффициент потерь мощности L0 определяется коэф-фициентами, зависящими от конкретного типа антенн пр, пер и высоты подъема антенны передатчика Вh2. Величина Р0 случайных отклонений ре-альной величины сигнала определяется поправками В%, Врельеф и Взам, ко-торые зависят от требуемой достоверности установления радиосвязи. От-клонение коэффициента затухания радиоволн в городских условиях от теоретического значения = 2 для свободного пространства отражается кривыми распространения, построенными для различных типов подсти-лающей местности и высот подъема антенны приемника.

Вычисление поправочных коэффициентов выражения (2.61) прово-дится следующим образом:

шумы в точке приема Nш (дБ) состоят из внешних шумов и собст-венного шума приемника, приведенного к точке приема. Величина шума Nш определяется по формуле

2

2

вх

внвнш lg10 A

NSENдБN

22 ; (2.62)

линдетвхNN

SN

S , (2.63)

где Nш – уровень внешних шумов в точке приема, мкВ/м; Евн – чувстви-тельность приемника по полю, мкВ/м; (S/N)вх – требуемое отношение сиг-нал/шум на входе приемника, относительные единицы; A – потери в ан-тенно-фидерном тракте приемника, относительные единицы; (S/N)дет – требуемое отношение сигнал/шум на входе детектора; Nлин – коэффициент шума линейной части приемника.

57

поправка Вp определяется по формуле

Ap GAP

B

прд

1000lg10 , (2.64)

где Рпрд – мощность передатчика, Вт; А – потери в антенно-фидерном тракте передатчика, дБ; GA – коэффициент усиления антенны передатчи-ка, дБ.

поправка Вh2 определяется по формуле

22

10lg10h

Bh , (2.65)

где h2 - высота подъема приемной антенны, м.

поправка В% (дБ) определяется исходя из процента приемных пунк-тов:

50 % 60 % 70 % 80 % 90 % 95 % 98 % 0 –2 –5 –7,5 –11 –14 –17 поправка Взам (дБ) определяется из процента времени превышения

расчетной величины поля в точке приема: до 100 МГц 300 МГц 1000 МГц

50 % 0 0 0 90 % 2 4 6

99,5 % 6 10 14

поправка Bрельеф определяется как функция максимального перепада рельефа h между базовой и абонентской радиостанциями. Эта величина оценивается от –5 дБ при условиях прямой видимости до примерно +5 дБ при перепаде высот более 200 м.

поправки пр и пер определяются степенью экранирования прием-ной и передающей антенн местными предметами и постройками.

В результате расчета напряженности поля определяется дальность ра-диосвязи по графикам МККР. Если расчетная дальность радиосвязи пре-вышает расстояние до горизонта, рассчитанное для выбранной высоты подъема антенны передатчика, то дальность радиосвязи равна расстоянию до горизонта с вероятностью лучшей, чем это принято при расчетах. В на-стоящее время разработано несколько специализированных программ, осуществляющих автоматический расчет рассмотренных поправок и оп-

58

ределение дальности радиосвязи. Кроме рекомендованных поправок в программы введены и другие поправки, позволяющие более точно про-вести расчеты. Наибольшее распространение эта методика получила для расчета дальности УКВ-радиосвязи на частотах до 500 МГц.

2.5.2. Модель Ли

Ли (англ. W.C.Y. Lee) предложил очень простую модель распростране-ния сигнала, основанную на серии проведенных в США измерений на не-сущей частоте fс = 900 МГц. Согласно модели Ли, среднее значение мощ-ности, измеренной на расстоянии d от передающей станции, описывается выражением [2]

000

0 Fff

ddP)d(P

n

, (2.66)

или в логарифмическом представлении

dBdBdB Fffn

ddP)d(P 0

000 lglg

; (2.67)

5

10

iiFF , (2.68)

где Р0 – эталонная медианная мощность, измеренная на расстоянии d0 = 1 км; F0 – поправочный коэффициент, вычисляемый на основе серии компонентных множителей.

Коэффициенты Fi рассчитываются следующим образом: 2

1 4830

,hF BS,eff ; (2.69)

32

MShF ; (2.70)

103TPF ; (2.71)

43TGF ; (2.72)

RGF 5 , (2.73)

59

где hBS,eff – эффективная высота антенны базовой станции, м; – показа-тель степени: при высоте антенны подвижной станции менее 3 м принима-ется = 1, а при высоте более 10 м – = 2; PT – мощность сигнала, излу-чаемого передатчиком базовой станции, Вт; GT , GR – коэффициенты уси-ления антенн соответственно базовой и подвижной станции относительно полуволнового вибратора.

Параметры Р0 и получены экспериментально на основе проведенных замеров в различных типах окружающей среды – табл. 2.3 .

Таблица 2.3 Значения Р0 и для различных типов окружающей среды

Тип среды Р0 , дБ на декаду

Свободное пространство –41 20,0 Сельская местность, редкая застройка –40 43,5 Пригород, небольшой город –54 38,4 Филадельфия –62,5 36,8 Нью-Йорк –55 43,1 Токио –78 30,5

Медианные потери мощности в зависимости от частоты определяют-ся коэффициентом (f/f0)–n и его показателем степени п. Для частот от 30 МГц до 2 ГГц и расстояний между подвижной и базовой станциями от 2 до 30 км значение п лежит в диапазоне от 2 до 3. Величина п также зависит от топографических особенностей местности. Для пригородных и сель-ских районов рекомендуется выбирать п = 2 при частотах ниже 450 МГц и п = 3 при частотах выше 450 МГц. На пересеченной местности эффек-тивная высота антенны может сильно отличаться от ее физической высоты. На рис. 2.11 показаны способы ее определения.

Рис. 2.11. Определение эффективной высоты антенны базовой станции в холмистой местности

60

Измерения, лежащие в основе эмпирических формул модели Ли, были проведены в системе со следующими параметрами:

несущая частота fc , МГц........................................................................900; высота антенны базовой станции hBS,eff , м............................................30; мощность передаваемого сигнала PT, Вт..............................................10; коэффициент усиления антенны базовой станции отно-

сительно полуволнового вибратора GT, дБ.............................................6; высота антенны подвижной станции hMS, м ...........................................3; коэффициент усиления антенны подвижной станции

относительно полуволнового вибратора GR, дБ ....................................0;

Эти параметры отражены в формулах в виде коэффициентов F1…F5.

2.5.3. Модель Окамуры

В основе модели Окамуры (англ. Okumura) также лежит множество измерений. Многочисленные измерения в частотном диапазоне от 150 до 1920 МГц проводились в Токио. Для описания зависимости меди-анных потерь (L50)dB от расстояния d до передающей антенны базовой стан-ции была предложена формула

MSBS,effSdB hGhGf,dALL 50 ; (2.74)

2

4

πdλLS , (2.75)

где LS – потери при распространении в свободном пространстве; А(f,d) – медианное значение потерь в городской среде с квазигладкой земной поверхностью по отношению к затуханию в свободном простран-стве в случае, если эффективная высота антенны базовой станции hBS,eff = 200 м, а высота антенны подвижной станции hMS = 3 м; G(hBS,eff) – корректирующий коэффициент (в дБ), учитывающий отличие эффектив-ной высоты антенны базовой станции от 200 м; G(hMS) – корректирующий коэффициент (в дБ), зависящий от высоты антенны подвижной станции, если она отличается от 3 м.

Потери при распространении в свободном пространстве LS вычис-ляются в логарифмическом масштабе.

Формула (2.75), совместно с полученными эмпирическими графика-ми, приведенными в [2], позволяет оценить затухание сигнала в условиях городской застройки на частотах от 150 до 2000 МГц, если расстояние

61

между подвижной и базовой станциями составляет от 1 до 100 км, а эффективная высота антенны базовой станции лежит в диапазоне от 30 до 1000 м.

В настоящее время предложены дополнительные корректирующие члены, позволяющие учесть наклон и неровности местности, а также ее тип [2].

В справочной литературе можно обнаружить другой вариант форму-лы, описывающей модель Окамуры. Она имеет вид

AREAMSBS,effSdB GhGhGf,dALL 50 . (2.76)

Параметр А(f,d), как и ранее, берется из эмпирического графика, а корректирующие члены G(hBS,eff) и G(hMS) задаются выражениями

мh,hlghG BS,effBS,eff

BS,eff 10001020020

; (2.77)

мh,hlghG MSMS

MS 3310

; (2.78)

мh,hlghG BS,effMS

MS 103320

. (2.79)

Поправочный коэффициент GAREA, выраженный в дБ, зависит от типа местности и несущей частоты и также находиться из эмпирического гра-фика [2].

Модель Окамуры очень проста. Она основана исключительно на экс-периментальных данных, собранных в районе Токио. Характеристики японской городской местности немного отличаются от характеристик го-родской местности в Европе или США. Несмотря на это, модель Окамуры пользуется популярностью и считается наилучшей моделью для разработ-ки сотовых и других систем наземной подвижной связи [1,2]. Основной недостаток модели Окамуры – медленная реакция на изменение типа ме-стности. Эта модель лучше всего подходит для городских и пригородных районов и не очень эффективна для сельской местности.

2.5.4. Модель Хата

Модель Хата (англ. Hata) возникла в результате адаптации эмпириче-ских формул к графикам, составленным Окамурой и его соавторами. Эти формулы хорошо аппроксимируют графики в определенных диапазонах несущих частот на квазигладкой земной поверхности. Для оценки затуха-

62

ния сигнала Хата предложил следующие эмпирические формулы. В го-родской местности в частотном диапазоне от 150 до 1500 МГц при эффек-тивной высоте антенны базовой станции hBS,eff = от 30 до 200 м имеем

dh,,ha

h,f,,L

BS,effMS

BS,effdB

lglg556944

lg8313lg16265569город50

; (2.80)

80lg56170lg11 ,f,h,f,ha MSMS , (2.81)

где a(hMS) – поправочный коэффициент зависящий от высоты антенны подвижной станции и вычисляемый в диапазоне высот от 1 до 10 м.

Для крупного города он задается выражениями (в дБ):

МГцfдля,h,ha MSMS 40011lg1,54298 2 , (2.82)

МГцfдля,h,ha MSMS 40097475lg11,23 2 . (2.83)

В пригородной местности потери при распространении сигнала мож-но описать формулой

4528

lg22

город5050 ,fLL dBdB

. (2.84)

В условиях открытой местности потери описываются выражением

9440lg3318lg784 2город5050 ,f,f,LL dBdB . (2.85)

Представленные выше модели распространения сигнала позволяют оценить зависимость потерь от несущей частоты, высоты антенн базовой и подвижной станций и типа местности. Они неплохо отражают процессы распространения сигнала на расстояния, превышающие 1 км, и лучше все-го подходят для частот до 1,5 ГГц. Однако системы персональной связи работают в диапазоне от 1,8 до 2,0 ГГц. Примеры таких систем – это DCS 1800 и PCS 1900 – две версии системы GSM, функционирующие в Европе и США соответственно. В связи с этим, для создания моделей рас-пространения сигнала в частотном диапазоне от 1,8 до 2,0 ГГц в условиях, характерных для систем PCS, были поставлены многочисленные экспери-менты и проведено множество измерений. По причине большего затуха-ния сигнала в диапазоне 1,8 ГГц в сравнении с диапазоном 900 МГц, тра-диционно применяемым в сотовой телефонии, основное различие между системой PCS и традиционной сотовой системой заключается в уменьше-нии размера сот. Исследования новых моделей распространения проводи-

63

лись в рамках проекта Европейского Союза COST#231. В результате в справочной литературе представлены, по крайней мере, две известные мо-дели распространения, разработанные в рамках проектов COST:

модель COST231-Хата; модель COST231-Уолфиш-Икегами.

2.5.5. Модель COST231-Хата

Могенсен (англ. Mogensen) с соавторами предложил расширить моде-ли Окамуры и Хата на частотный диапазон от 1,5 до 2 ГГц. В этом диапа-зоне использование упомянутых моделей приводит к недооценке затуха-ния сигнала. Модель COST#231-Хата справедлива для несущих частот в диапазоне от 1,5 до 2 ГГц, высоте антенны базовой станции от 30 до 200 м, высоте антенны подвижной станции от 1 до 10 м и расстоянию ме-жду ними от 1 до 20 км. Модель позволяет оценивать затухание по фор-муле

Cdh,,

hah,f,,L

BS,eff

MSBS,effdB

lglg556944

lg8213lg93334650 , (2.86)

где С – постоянная: для средних городов и пригородных районов с уме-ренной растительностью С = 0 и для центров крупных городов С = 3.

Формально модели Окамуры, Хата и COST#231-Хата можно исполь-зовать только для высоты антенны базовой станции, превышающей 30 м, однако их применение возможно и для более низких высот при условии, что соседние строения значительно ниже антенны.

Модель COST#231-Хата не подходит для оценки затухания сигнала при расстояниях между подвижной и базовой станциями менее 1 км. В этом случае затухание сильно зависит от топографии местности, в которой про-исходит распространение сигнала. Эту модель также нельзя использовать для оценки распространения сигнала по улицам с высокими строениями (по так называемым уличным каньонам) [2].

2.5.6. Модель COST231-Уолфиш-Икегами

Модель COST#231-Уолфиш-Икегами (англ. Walfish-Ikegami) может применяться в случаях, когда антенна базовой станции расположена как выше, так и ниже линии уровня крыш городской застройки. В совокуп-ность эмпирических факторов, учтенных расчетной формулой входят вы-соты антенн базовой и подвижной станций, ширина улиц, расстояния ме-

64

жду зданиями, высота зданий и ориентация улиц относительно направле-ния распространения сигнала.

В общих чертах формула, описывающая потери сигнала, состоит из трех членов: потерь LS на распространение в свободном пространстве; по-терь Lrts на дифракцию и рассеяние волн на крышах зданий; потерь Lms, вызванных многократной дифракцией от рядов зданий.

Суммарные потери рассчитываются по формуле

msrtsSdB LLLL 50 . (2.87)

Данная модель широко используется Международным телекоммуни-кационным союзом (ITU) в качестве стандартной модели для универсаль-ной системы подвижной связи третьего поколения IMT-2000. Ее можно применять в следующих диапазонах параметров: 800 < fс < 2000 МГц; 4 < hBS < 50 м; 1 < hBS < 3 м; 0,02 d 5 км.

2.5.7. Примеры оценки потерь с использованием различных моделей распространения сигнала

В завершение обзора моделей распространения сигнала рассмотрим два взятых из [2] примера, которые иллюстрируют применение моделей Хата и Ли для оценивания потерь сигнала, поступающего с базовой стан-ции.

Пример 1.

Ослабление сигнала, излучаемого передатчиком мощностью 10 Вт, измеренное на расстоянии d = 10 км, составляет 160 дБ.

Сравнить потери на распространение, рассчитанные по модели Хата, с результатами измерений.

Высота антенны подвижной станции hMS = 3 м. Антенна представляет со-бой полуволновой вибратор.

Антенна базовой станции установлена на высоте 30 м в крупном городе. Несущая частота излучаемого сигнала fс = 1000 МГц.

Согласно модели Хата для оценки потерь на распространение сигнала получим

10lg30lg55694430lg82131000lg1626556950 ,,ha.,,L MSdB .

Значение a(hMS) при заданных параметрах системы составит

69297437511lg23 2 ,,,,ha MS дБ.

65

Таким образом,

15160223569241204878556950 ,,,,,,L dB дБ,

что достаточно точно соответствует измеренному значению ослабления сигнала.

Пример 2.

При помощи модели Ли оценить уровень сигнала, принимаемого под-вижной станцией на расстоянии d = 2 км от базовой станции.

Среда распространения сигнала – пригородная местность или не-большой город.

Эффективная высота антенны базовой станции hBS,eff = 30 м. Коэффициент усиления антенны базовой станции GT = 7,7 дБи. Несущая частота излучаемого сигнала fc = 1800 МГц. Мощность излучаемого сигнала РТ = 1 Вт. Высота антенны подвижной станции hMS = 1,5 м. Коэффициент усиления антенны подвижной станции GR = 2 дБд.

Для оценки уровня принимаемого сигнала из таблицы 2.3 выберем параметры Р0 = –54 дБм и = 38,4. Для вычисления поправочного коэф-фициента F0 необходимо найти его компоненты Fi (i = 1 … 5).

При вычислении коэффициентов F4 и F5 применяются коэффициенты усиления антенн в линейной шкале, поэтому следует произвести следую-щее преобразование: GT = 7,7 дБи эквивалентно GT = 5,9 в линейной шка-ле, а GR = 2 дБд = (2 + 2,15) дБи = 4,15 дБи, что составляет 2,6 в линейной шкале (0 дБд = 2,15 дБи).

В результате получим

371857062495

Вт10Вт1

м3м51

м4830м30

12

0 ,,,,,,

F

дБ.

Коэффициент вычисляется с учетом того, что для высоты антенны подвижной станции менее 3 м, показатель степени = 1.

Поскольку несущая частота превышает 450 МГц, показатель степени n принимается равным 3. В итоге получаем искомую мощность прини-маемого сигнала

873дБ ,PR дБм.

66

3. ФОРМИРОВАНИЕ ЗОН ОБСЛУЖИВАНИЯ И ЧАСТОТНОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ В СИСТЕМАХ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ

При выборе стандарта ССПС и построении зон обслуживания основ-ной целью является обеспечение максимально возможной телекоммуни-кационной нагрузки (телетрафика). Практическое развертывание системы на местности предусматривает решение следующих задач:

охват системой максимальной площади покрытия; качественное обслуживание возможно большего числа абонентов.

В зависимости от типа и назначения ССПС методика решения задачи организации телетрафика будет различной. Однако основные принципы построения являются общими для любой системы. Так, например, основу трафика транкинговой мобильной системы составляет нагрузка, форми-руемая совокупностью разговорных групп, обслуживаемых одним сайтом. Для территориальной (сотовой) радиосистемы нагрузка создается сово-купностью MS, обслуживаемых системой базовых станций BS. Таким об-разом, зона обслуживания формируется как совокупность нескольких те-лекоммуникационных ячеек (ТЯ), граничащих одна с другой, создавая общую площадь покрытия.

3.1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ ЯЧЕЕК

Границы каждой соты определяются электромагнитным взаимодейст-вием между BS и группой MS, обеспечивающим выполнение условия связности (2.55). Качество обслуживания в мобильной системе связи обеспечивается достаточным количеством каналов радиосвязи (рабочих частот) и возможностью их быстрой замены при снижении надежности радиосвязи в процессе движения MS. Однако, проектирование больших зон обслуживания при ограниченном радиочастотном спектре, выделяе-мом мобильной системе, возможно только при повторном (неоднократ-ном) использовании одинаковых рабочих частот. Это обуславливает появ-ление значительных уровней взаимных помех между радиостанциями. Обеспечение связности в зоне обслуживания оказывается возможным только при правильном пространственном разносе сот с повторяющимися рабочими частотами [10,12].

Каждая из ячеек обслуживается своим передатчиком с невысокой вы-ходной мощностью и ограниченным числом каналов связи, что позволяет

67

без помех повторно использовать частоты каналов этого передатчика в другой, удаленной на значительное расстояние ячейке. Теоретически та-кие многоканальные передатчики можно использовать уже в соседней ячейке, однако на практике зоны обслуживания ячеек могут перекрывать-ся под воздействием различных факторов, в частности вследствие измене-ния условий распространения радиоволн. Поэтому в реальных системах мобильной связи в соседних ячейках используются различные частоты.

Существуют статистический и детерминированный способы фор-мирования зон обслуживания [8].

Статистический способ основан на измерении основных статистиче-ских характеристик распространения сигналов в системах связи. Детер-минированный способ основан на измерении и расчете параметров распро-странения сигнала для конкретного района. При практической реализации статистического способа вся обслуживаемая территория делится на оди-наковые по форме зоны, и с помощью статистической радиофизики опре-деляются их предельно-допустимые размеры и расстояние до других зон, в пределах которых выполняются условия допустимого взаимного влия-ния.

Для оптимального разделения обслуживаемой территории на отдель-ные ячейки, позволяющего добиться получения однородных (гомогенных) участков без перекрытия и ли пропусков могут использоваться только три геометрические фигуры: треугольник, квадрат и шестиугольник – рис. 3.1.

Рис. 3.1. Возможные способы формирования телекоммуникационных ячеек

ТЯ

ТЯ

ТЯ

ТЯ ТЯ

ТЯ

ТЯ

ТЯ

ТЯ

ТЯ

ТЯ ТЯ

ТЯ ТЯ

ТЯ ТЯ ТЯ

ТЯ ТЯ

ТЯ

ТЯ

ТЯ

ТЯ ТЯ

ТЯ

ТЯ

68

Наиболее подходящей фигурой является правильный шестиугольник, т. к. он позволяет обеспечить доступ практически ко всем участкам огра-ниченной зоны обслуживания при помещении антенны с круговой диа-граммой направленности в его центр. Структура получаемой зоны обслу-живания напоминает пчелиные соты, отсюда и название системы связи – сотовая.

При использовании статистического способа интервал между зона-ми, в которых используются одинаковые рабочие каналы, как правило, получается больше требуемого, необходимого для поддержания взаимных помех на допустимом уровне.

При детерминированном способе тщательно измеряются и рассчиты-ваются все необходимые параметры системы связи для определения ми-нимального числа базовых станций, обеспечивающих удовлетворительное обслуживание абонентов. Кроме того, определяется место расположения базовой станции с учетом рельефа местности, и рассматривается возмож-ность использования направленных антенн, пассивных ретрансляторов и смежных центральных станций в момент наибольшей (пиковой) нагрузки системы [1].

Группа сот с различными на-борами часто получила название кластера. Определяющим пара-метром кластера является количе-ство используемых в соседних ячейках частот. Размерность кла-стера может варьироваться от 3 до 19 – рис. 3.2.

Во всех случаях расположение частот кластере должно допускать простое каскадирование, т. е. фор-мирование регулярной структуры.

Повторное использование час-тот в несмежных ячейках является основной идеей, на которой бази-руется принцип сотовой связи, и позволяет эффективно использо-вать частотный спектр (частотный

ресурс системы). Первый способ организации повторного использования частот, который применяется в аналоговых системах сотовой связи, на-пример, в NMT-450/900, AMPS, TACS/ETACS, заключается в использова-

Рис. 3.1. Построение многоэлементных кластеров:

а) 3-элементного; б) 4-элементного; в) 7-элементного; г) 12-элементного;

д) 19-элементного

69

нии антенн базовых станций с круговой диаграммой направленности. При этом предполагается, что по всем направлениям передается сигнал одина-ковой мощности, что для абонентских станций (сотовых телефонов) экви-валентно приему помех от всех базовых станций со всех направлений.

Минимально возможным для построения системы сотовой связи яв-ляется 3-элементный кластер, в каждой ячейке которого можно использо-вать одну треть от полного частотного диапазона, отведенного системе – рис. 3.2. Однако в таком кластере ячейки с одинаковыми полосами часто повторяются очень часто, что плохо для сокращения сокальных помех, т. е. помех от станций системы, работающих на одних и тех же частотных каналах, но в других ячейках. Следовательно, на практике более выгодно использовать многоэлементные кластеры.

Базовые станции, на которых допускается повторное использование выделенного набора частот, удалены друг от друга на расстояние , назы-ваемое защитным интервалом – рис. 3.3. Смежные базовые станции, ис-пользующие различные наборы частотных каналов, образуют группу из C станций. Если каждой базовой станции выделяется набор из m частотных каналов с шириной полосы каждого FK, то общая ширина полосы FС, за-нимаемая системой сотовой связи, составит [10,12]

mCFF KС . (3.1)

Т. о., величина C определяет минимально возможное число кана-лов в системе, поэтому ее называют частотным параметром системы со-товой связи или коэффициентом повторения частот. Коэффициент C не зависит от числа каналов в набо-ре частот и увеличивается по мере уменьшения радиуса ячейки. Сле-довательно, уменьшение радиуса ячеек создает возможность для уве-

личения повторяемости частот. Шестиугольные ячейки позволяют минимизировать ширину необхо-

димого частотного диапазона, обеспечивая оптимальное соотношение ме-жду величинами C и .

В общем случае, расстояние между центрами ячеек, в которых ис-пользуются одинаковые полосы частот, связано с числом ячеек N в кла-стере следующим соотношением [13]:

Рис. 3.3. Защитный интервал

70

Nr 3 ; (3.2)

Nr

Q 3

, (3.3)

где r – радиус ячейки (радиус окружности, описанной около правильного шестиугольника); Q – коэффициент уменьшения сокальных помех.

Коэффициент уменьшения сокальных помех Q в зависимости от чис-ла элементов в кластере N, для регулярных структур сети сотовой связи, показанных выше, представлен в табл. 3.1.

Таблица 3.1 Коэффициенты уменьшения сокальных помех

Количество сот в кластере 3 4 7 12 19

Коэффициент уменьшения сокальных помех 3,00 3,46 4,58 6,00 7,55

Размеры ячейки определяются радиусом r – радиусом окружности, описанной около правильного шестиугольника. Этот радиус, в свою оче-редь, определяет размеры защитного интервала между ячейками, в кото-рых одни те же частоты могут использоваться повторно. Величина защит-ного интервала зависит также от допустимого уровня помех и условий распространения радиоволн в зоне обслуживания.

Размер зоны обслуживания, выраженный через радиус ячейки r, оп-ределяет также число абонентов N, способных одновременно вести пере-говоры на всей территории обслуживания. Следовательно, уменьшение радиуса ячейки позволит не только повысить эффективность использова-ния выделенной полосы частот и увеличить абонентскую емкость систе-мы, но и уменьшить мощность передатчиков и чувствительность прием-ников базовых и подвижных станций, что, в свою очередь, улучшает ус-ловия электромагнитной совместимости эксплуатирующихся средств со-товой связи с другими радиоэлектронными средствами и системами.

Эффективным способом снижения уровня помех является использо-вание направленных антенн с узкими диаграммами направленности. В секторе такой направленной антенны сигнал излучается преимущественно в одну сторону, а уровень излучения в противоположном направлении со-кращается до минимума. Деление на секторы (секторное дробление) по-зволяет чаще применять частоты в сотах повторно. Наиболее распростра-нен способ использования 3-секторных антенн с шириной диаграммы на-правленности 120о для каждой базовой станции и трех соседних базовых станций с формированием ими девяти групп частот – рис. 3.4 а [10,12,13].

71

Рис. 3.4. Варианты построения многосекторных ячеек: а) 3-секторных с шириной диаграммы направленности 120о; б) 6-секторных с шириной диаграммы направленности 60о

Однако самую высокую эффективность использования выделенной для системы полосы частот и, следовательно, наибольшее число абонен-тов сети, обслуживаемых в этой полосе, имеет способ использования 6-секторных антенн с диаграммами направленности 60 и 2-х базовых стан-ций, разработанный известной в сфере коммуникационных технологий фирмой Motorola (США) – рис. 3.4 б. При реализации этого способа каж-дая частота в пределах кластера, состоящего из 4-х ячеек, используется дважды, при этом каждая базовая станция может работать на 12-ти часто-тах. В целом, секторная организация систем передачи позволяет увели-чить емкость системы (число абонентов) приблизительно на 40 % при той же самой помехоустойчивости.

Для того, чтобы понять принцип организации и частотного планиро-вания систем сотовой связи целесообразно рассмотреть описанные выше вопросы более подробно, использую упрощенный подход планирования так называемой классической системы сотовой связи.

3.2. ТИПОВЫЕ МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ЗОН ОБСЛУЖИВАНИЯ

Как уже отмечалось выше, при оценочном проектировании систем мобильной связи используется два основных способа формирования теле-коммуникационных ячеек: статистический и детерминированный.

а) б)

4 7

1

5 8

2

6 9

3

4 7

1

5 8

2

6 9

3

5 8

2

5 8

2

4 7

1

6 9

3

2

11 4

9

5

3

11 1

9 8

2

12 4

6 10

5

3

11 1

9 8

2

11 4

7 9

5

2

12 4

6 10

5

7

6 3

12 1

7 10

8

72

3.2.1. Статистический способ формирования сот

Статистический способ основан на определении площадей сот и рас-стояний между базовыми станциями BS путем использования статистиче-ских данных среды распространения радиоволн, параметров каналов и электрических характеристик используемой аппаратуры.

Методика статистического способа разноса ячеек с повторяющимися рабочими частотами состоит в следующем. Пусть ячейка обслуживается базовой станцией BS1, a другие базовые станции BSN с повторяющимися рабочими частотами удалены от BS1 на расстояние (R+r) – рис. 3.5.

Рис. 3.5. Пространственный разнос телекоммуникационных ячеек с повторяющимися рабочими частотами

Расстояние R является радиусом зоны помех (зоны мешания), созда-ваемой ближайшей из группы мешающих базовых станций, а расстояние r – радиусом зоны покрытия, создаваемой BS1. Радиусы зон электромагнит-ного взаимодействия R и r определяются из уравнения радиолинии мо-бильной системы (2.56). Для удобства анализа выразим уравнение радио-линии через напряженности поля сигнала и помех [8]:

L

kikijA EEξEνξE

1швнвз , (3.4)

где EA – напряженность поля сигнала в точке A; Евз – напряженность поля взаимных помех в точке A; Eвн – напряженность поля внешних помех в точке A; Еш – напряженность поля внутренних помех (шумов); ij, ik – ко-эффициенты потерь и замираний сигнала и помех у трассы радиосвязи.

A

Зона мешания

Зона трафика

BS2

BS1

73

При определении площади зоны покрытия – радиуса r – учитываются технические характеристики аппаратуры мобильной связи и особенности местности, на которой развертывается телекоммуникационных ячеек. Ме-стность определяет параметры подстилающей поверхности (земли) трасс радиосвязи и определяет местоположение базовых станций.

Для среднеевропейских широт параметры земли характеризуются па-раметрами влажной почвы: σЗ = (0,1...0,01), εЗ = (20...30) См/м [8].

3.2.2. Среднепересеченная местность

При развертывании системы в условиях среднепересеченной местно-сти считается, что излучающие антенны базовых и мобильных станций являются низкоподнятыми (DBS = 10, hBS = 30...50 м, DMS = 1,5, hMS 1,5 м). Экранирующими объектами на трассах радиосвязи являются естественные возвышения и холмы. Интерференционные замирания сигналов в этих ус-ловиях выражены слабо (Q2 >> 10, ИЗ 1). Для большинства мобильных систем характерно использование направленных антенн базовых станций и ненаправленных антенн мобильных станций. С учетом вышеизложенно-го выражение напряженности поля полезного сигнала в точке A, на грани-це зоны покрытия BS1 записывается в виде [8]:

э2

1160 zrBSBSA e

rGPρ

E ; (3.5)

22з

2з

22з

tg1tg12

)()( . (3.6)

Решение этого выражения относительно параметра r имеет вид:

э1160 zr

A

BSBS eE

GPρr . (3.7)

Минимальное значение напряженности поля EA, при котором еще обеспечивается связность, должно учитывать не только реальную чувст-вительность радиоприемника (минимальную ЭДС сигнала на входе при-емного тракта, при которой оконечное устройство работает устойчиво), но и шумы антенны. Отсюда, минимальное значение EA определяется как

RGNKtFkT

hEE PА

Aпр

шэф0

д

Ш1411

. (3.8)

где hд – действующая высота приемной антенны.

74

Оценка зоны мешания, создаваемой ближайшей базовой станцией BS2, проводится по такой же методике. При этом решается уравнение от-носительно радиуса R зоны мешания:

э2260 zr

A

BSBS eEGP

R

. (3.9)

где ЕA/ – напряженность поля взаимных помех, создаваемая ближайшей мешающей базовой станцией BS2.

При оценке суммарной напряженности поля помех в точке A учиты-вается воздействие всех ближайших базовых станций, расположенных симметрично относительно BS1.

3.2.3. Сильнопересеченная местность

Более сложная задача обеспечения связности решается при организа-ции зоны обслуживания в условиях сильнопересеченной местности (круп-ные города с интенсивной многоэтажной застройкой). Обеспечение связ-ности требует увеличения энергетики сигналов в местах приема как для MS, движущихся по улицам, так и MS, находящихся в зданиях, особенно на первых этажах и подвальных помещениях.

Дополнительными данными для формирования зоны обслуживания в условиях города являются:

средняя ширина улиц города – Sул; средняя высота застройки – hср; скорость движения абонента с MS – V.

При многоэтажной застройке важное значение имеет высота поднятия антенн базовых станций. Напряженность поля сигнала в точке A на рас-стоянии r, создаваемого передатчиком BS1 с учетом особенностей инфра-структуры города, определяется модифицированной формулой Введен-ского [8]:

З1160

rGP

E BSBSA ; (3.10)

hFh

,r

0190З ; (3.11)

срhhΔh BS , (3.12)

75

020406080

100120140160180200

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

Рис. 3.6. Зависимость множителя

ослабления поля сигнала

h/0,5SУЛ

F

ул50 S,hfF . (3.13)

где З – коэффициент потерь в земле; h – высота поднятия антенны ба-зовой станции BS1 над средним уровнем застройки; F – множитель ослаб-ления поля сигнала, определяемый инфраструктурой города – рис. 3.6.

Коэффициенты дифракционных и интерференционных замираний сигнала в условиях крупного города существенно отличаются от таких же показателей для слабопересечен-ной местности. Это обусловлено близким расположением отражаю-щих и экранирующих объектов на трассах радиосвязи, приводящим к скачкообразному изменению дис-персии колебаний уровней сигнала.

Для практических расчетов в условиях города используется пара-метр EΣ, определяющий суммарное

отклонение напряженности поля при совместном воздействии разнород-ных замираний. Параметр EΣ определяется на основе статистических ме-тодов для различной надежности установления связи, измеряемой в про-центах, при размещении MS на улицах города.

Дополнительное ослабление поля при его проникновении внутрь зда-ний (дБ) определяет затухание сигнала в зависимости от этажного ме-стоположения MS для различных вариантов надежности установления связи (%). При изменении уровня сигнала на улицах города считается, что параметр = 0. Таким образом, напряженность поля сигнала в точке A, создаваемого передатчиком BS1 и измеряемого в единицах дБмкВ/м, с учетом особенностей инфраструктуры города, записывается в виде [8]:

EhFh

,r

GPElg BSBS

A 019060

lg2020 211 . (3.14)

Определение характеристик распространения сигнала внутри зданий не менее важно, особенно при разработке систем бесшнуровой телефонии с базовыми станциями, расположенными внутри помещений, и беспровод-

76

ных локальных вычислительных сетей. В случае каналов связи внутри помещений, расстояние между передатчиком и приемником намного меньше. Это обусловлено не только геометрическими параметрами здания, но также низкой мощностью передатчика и сильным ослаблением сигнала внутренними стенами и мебелью. Именно эти явления оказывают влияние на длительность импульсного отклика канала, поэтому каналы внутри по-мещений характеризуются намного меньшим временным разбросом задерж-ки, чем рассмотренные типовые каналы снаружи зданий. Распространение сигнала в зданиях с небольшим содержанием металла и не очень большим количеством толстых стен характеризуется малым среднеквадратическим разбросом задержки (как правило, от 30 до 60 нс). Большие здания с множе-ством металлических элементов и большими свободными пространствами имеют среднеквадратический разброс задержки порядка 300 нс. Такой дол-гий импульсный отклик канала определяет верхний предел скорости переда-чи данных или предполагает применение структур приемников, способных использовать канал, обладающий подобными свойствами. С импульсным откликом канала тесно связан профиль задержки мощности. Измерения в диапазоне 1800 МГц, проводившиеся в Университете г. Лунда (Швеция), показали, что хотя конкретная форма профиля зависимости мощности от за-держки зависит от объектов окружающей среды, средний профиль потерь в среде с отражениями от случайно расположенных объектов имеет четкие за-кономерности. Он хорошо аппроксимируется либо степенной функцией (это говорит о том, что снижение мощности носит логарифмический характер в логарифмической же шкале) либо экспоненциальной функцией (это значит, что ослабление линейно в логарифмической шкале) [1,2].

В свободном пространстве значение уровня мощности как функции за-держки хорошо аппроксимируется степенной функцией, что обусловлено сильным влиянием прямой видимости. Канал внутри помещения может ме-няться во времени. Изменение свойств канала во времени может быть обу-словлено перемещением подвижного терминала, изменением ориентации направленной (неизотропной) антенны, а также перемещением отражающих объектов, таких, как люди, офисная мебель или оборудование. Анализ мно-жества экспериментальных данных говорит о том, что потери на распро-странение сигнала внутри помещений можно оценить по формуле [2]

X

ddndLdL

00 lg10 . (3.15)

где X – гауссова случайная переменная с дисперсией 2.

77

Эта формула аналогична логарифмически нормальной модели затене-ния. Измеренные параметры n и для конкретных несущих, применяемых в бесшнуровой телефонии и РСS-системах, сведены в табл. 3.2. Они характе-ризуют различные типы стен и условия распространения в различных здани-ях. Модель расчета потерь на распространение сигнала внутри помещений, описываемая формулой (3.15), называется моделью с одним наклоном (англ. ISM – one-slope model), поскольку предполагает линейную зависимость по-терь, выраженных в децибелах, от логарифма расстояния [2].

Таблица 3.2 Значение показателей для расчета потерь на распространение

Здание Частота, МГц п , дБ

Розничный магазин 914 2,2 8,7 Бакалейный магазин 914 1,8 5,2 Офис, толстые стены 1500 3,0 7,0 Офис, тонкие стены 900 2,4 9,6 Офис, тонкие стены 1900 2,6 14,1

Предприятие. Линия прямой видимости (LOS) Текстильное/химическое 1300 2,0 3,0 Текстильное/химическое 4000 2,1 7,0 Бумаго/зернохранилище 1300 1,8 6,0

Металлургическое 1300 1,6 5,8 Дома в пригороде: из дома на улицу 900 3,0 7,0

Предприятие. Интервал с одним препятствием(OВS) Текстильное/химическое 4000 2,1 9,7

Металлургическое 1300 3,3 6,8

Модель со многими стенами (англ. multi-wall model) учитывает не толь-ко потери в свободном пространстве, но также и потери на проникновение сигнала через стены и перекрытия, лежащие на линии прямой видимости между передатчиком и приемником. Было обнаружено, что потери при про-хождении через некоторое число перекрытий нелинейно зависят от количе-ства последних. Для учета этого фактора введен эмпирический коэффициент b, что позволяет описать потери на распространение выражением

f

b1k2k

f

I

1iiw,iw,CS LkLkLLL f

f

, (3.16)

78

где LS – потери в свободном пространстве; LC – постоянные потери; kw,i – количество стен i-го типа, через которые проходит сигнал; kf – коли-чество преодолеваемых перекрытий; Lw,i – потери на прохождение через стену i-го типа; Lf – потери на прохождение на соседний этаж; I – количе-ство типов стен (обычно I = 2 для учета тонких и толстых стен).

Третья, очень простая модель, называется моделью линейного ослабле-ния (англ. linear attenuation model). В ее основе лежит предположение о том, что потери (дБ) линейно зависят от расстояния (м):

ddLLdL FSS , (3.17)

где – коэффициент ослабления.

Беспроводные ЛВС реализуются в диапазонах частот выше 1800 МГц. Для этого выделены диапазоны 2,5; 5; 60 ГГц, а с недавнего времени – 17 ГГц. Первое, что необходимо сделать при разработке системы с новым частотным диапазоном – определить свойства канала. Как правило, произ-водится множество измерений или применяется метод определения траекто-рии луча (англ. ray tracing), позволяющий имитировать распространение сигнала в конкретном здании. При помощи этих методов определяются ста-тистические свойства конкретного канала внутри помещения, что позволяет построить модель канала, используемую при разработке как передатчика, так и приемника.

3.2.4. Детерминированный способ

Детерминированный способ формирования зон обслуживания ис-пользует результаты инструментальных измерений уровней сигналов и помех в условиях изменяющегося рельефа местности и различных вариан-тов размещения базовых станций. При этом уточняется конфигурация ячеек, выявляются теневые участки и границы зон покрытия, варьируются различные типы направленных антенн базовых станций для устранения теневых зон. Детерминированный способ приводит к существенному ус-ложнению мозаичной картины зоны обслуживания, поскольку формы коммуникационных ячеек могут значительно отличаться от расчетных и иметь различные размеры. Наибольший эффект от применения детерми-нированного способа разноса достигается при современных методах авто-матического измерения уровней путем анализа измерительного сигнала (пилот-тона), излучаемого базовой станцией и принимаемого мобильной измерительной станцией. Результаты измерений уровней сигналов в ха-рактерных точках зоны обслуживания запоминаются в памяти персональ-

79

ного компьютера, с целью создания банка данных, используемого при уточнении конфигурации телекоммуникационных ячеек. Этот же способ используется, например, в сотовой системе стандарта NMT-450 в дина-мике работы, когда выбор наилучшей базовой станции по условию связ-ности осуществляется путем сравнения результатов измерений несколь-ких базовых станций, принимающих измерительный сигнал от одной кон-тролируемой мобильной станции. Детерминированный способ позволяет минимизировать количество ячеек в зоне обслуживания и наилучшим об-разом разносить ячейки с повторяющимися рабочими частотами. Детер-минированный способ наиболее целесообразно применять в дополнение к статистическому с целью уточнения формы мозаики [8].

3.3. УПРОШЕННОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ КЛАССИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ СОТОВОЙ СВЯЗИ

Как уже отмечалось выше область покрытия одной базовой станции системы сотовой связи аппроксимируется шестиугольником. Шести-угольники лучше всего аппроксимируют круговую форму зоны радиопо-крытия базовой станции на ровной местности без препятствий, а края шестиугольников хорошо аппроксимируют границы между сотами рав-ных размеров. На практике область покрытия базовой станции не обладает правильной круговой формой, поскольку она зависит от структуры мест-ности и препятствий – зданий, деревьев и т. д. Разделение области покры-тия системы на соты равного размера невозможно и по техническим при-чинам. При размещении базовых станций необходимо учитывать множе-ство факторов, таких как доступ к подходящим участкам местности и воз-можность использования естественных элементов местности – башни, вы-сокие трубы и строения. Такие элементы не часто располагаются в цен-трах идеально спланированных сот. Поэтому планирование сот представ-ляет собой сложную задачу, в ходе решения которой в современных сис-темах проводятся полевые измерения при помощи специализированного оборудования. С определенной точностью соты можно спроектировать на основе обработки данных цифровой карты местности сложным специали-зированным программным обеспечением, которое имитирует распростра-нение электромагнитных волн на цифровой модели местности. Один из подходов к моделированию распространения электромагнитных волн за-ключается в том, что волны рассматриваются в качестве световых лучей, которые отражаются и рассеиваются на различных препятствиях местно-сти с определенными коэффициентами отражения и рассеивания. Этот

80

подход, который называют методом трассирования лучей (англ. ray trac-ing method), требует точных данных об области покрытия и больших вы-числительных ресурсов. Пакеты профессионального программного обес-печения, применяемые для моделирования распространения волн и проек-тирования сот, используют более сложные модели распространения, чем рассмотренная выше. По ограниченному количеству результатов измере-ний можно калибровать используемые в программном обеспечении моде-ли распространения сигналов, что позволяет получать более точные результаты [2].

Как уже отмечалось выше, ключевой принцип работы сотовой систе-мы заключается в многократном использовании одних и тех же частотных каналов в различных сотах, расположенных в зоне покрытия системы соот-ветствующим образом. Группа из N сот, использующая все доступные час-тоты несущих, исключая при этом их повторное использование, называется сотовым кластером (англ. Се11 cluster). Для анализа размера и особенностей кластера рассмотрим геометрические свойства набора шестиугольников, изображенных на рис. 3.7.

Пусть радиус окружности, описанной вокруг каждого шести-угольника, равен r. Очевидно, что r – это также и расстояние от центра шестиугольника до его вершины. Если вспомнить свойства равносто-роннего треугольника со стороной r, то легко доказать, что расстояние между двумя соседними шести-угольниками равно r3 . Примем его за единицу длины. В системе ко-ординат с углом между осями коор-динат, равным 60, расстояние от центра любого шестиугольника до начала координат составляет

223 jijirR , (3.18)

где i и j – координаты центра рассматриваемого шестиугольника, выра-женные в принятых единицах длины, равных r3 .

R u

v

V

U

r3

Рис. 3.7. Разделение зоны радиопокрытия на соты

81

Выражение (3.18) прямо следует из обобщенной теоремы Пифагора, которая утверждает, что квадрат длины стороны R, лежащей напротив уг-ла , образованного сторонами с длинами и и v , равен

cos2222 uvvuR . (3.19)

В случае, изображенном на рис. 3.7 u = r33 , v = r32 и = 120°. Та-ким образом, i = 3 и j = 2.

Будем считать заштрихованную соту, расположенную в начале изо-браженной рис. 3.7 системы координат, опорной. Построим вокруг нее со-товый кластер. Другие кластеры должны быть расположены вокруг него та-ким образом, чтобы покрываемые ими области не перекрывались и не имели разрывов. Возникает следующий вопрос: какое количество сот в кластере обеспечивает наиболее компактное покрытие? Ответ на этот во-прос вытекает из последующих рассуждений. Пусть центральные соты со-седних кластеров расположены на расстоянии R от центра опорной соты. В их распоряжении находится такой же набор частотных каналов, что и у опорной соты. Каждый кластер может быть представлен одним большим шестиугольником, площадь которого равна сумме площадей всех принадле-жащих кластеру сот. Это изображено на рис. 3.8.

Площадь одной гексагональной соты радиуса r равна

2323 rSr , (3.20)

а площадь большого шестиугольника, равного сумме N площадей шести-угольников радиуса r, центры которых расположены на расстоянии R друг от друга, составляет

323

33

23 22

3

RRS R

. (3.21)

Необходимо, чтобы выполнялось следующее равенство

rR NSS 3

. (3.22)

При подстановке (3.18) и (3.21) в (3.22) получим выражение, которое определяет количество N сот в кластере:

ijjiN 22 . (3.23)

Очевидно, что количество сот в кластере не ограничено. Кластер, образующий регулярную сетевую структуру, может состоять

из одной, трех, четырех, семи, двенадцати и т. д. сот.

82

На рис. 3.8 изображен кластер с N = 7 сотами, для которых i = 2 и j = 1. На основании (3.18) и (3.23) можно получить важное соотношение, ко-

торое будет использовано в дальнейших рассуждениях:

NrRQ 3 . (3.24)

Если при разработке системы не учи-тывалось количество сот в кластере, их топографическое расположение и распре-деление каналов, то в такой системе будет наблюдаться существенное влияние друг на друга каналов в разных сотах, исполь-зующих одни и те же несущие частоты. Ранее отмечалось, что это явление назы-вается внутриканальными помехами. Они зависят от параметра Q, определенного в выражении (3.24).

Параметр Q называется коэффици-ентом ослабления внутриканальных по-мех (англ. со-спаппе1 interference reduc-tion factor).

При увеличении Q внутриканальные помехи ослабевают, поскольку либо увеличивается расстояние, разделяющее соты с одинаковыми канала-ми, либо уменьшается их размер.

Расстояние R зависит от отношения мощности сигнала PS к мощности помехи PI (энергетического параметра связности ).

В свою очередь, это отношение зависит от количества влияющих друг на друга сот K0 согласно формуле

0

2K

1kI

S

I

S

kP

PPP .

(3.25)

где PIk – средняя мощность помех, генерируемых k-ой сотой.

На рис. 3.9 изображена типичная конфигурация взаимодействующих сот.

В случае гексагональных сот шесть расположенных в первом ярусе сот взаимодействуют с центральной сотой, которая считается опорной. Таким образом, K0 = 6.

R R

R R R

R

Рис. 3.8. Аппроксимация кластеров большими шестиугольниками

83

Рис. 3.9. Распределение в пространстве интерферирующих сот

Для регулярной структуры, построенной на основе типовых кластеров с N=3, 7, 9, 12 количество влияющих друг на друга сот K0 всегда будет равно 6 – рис. 3.10.

Предполагается, что влиянием сот второго яруса на центральную соту можно пренебречь ввиду большого расстояния между ними. Внутриканаль-ные помехи искажают не только сигнал, приходящий на базовую станцию центральной соты, но и сигналы, приходящие на подвижные станции, кото-рые в данный момент находятся в этой соте. Предположим, что базовые станции излучают сигналы с одинаковой мощностью. Тогда отношение сигнала к внутриканальным помехам на границе центральной соты равно

0

γ

γ2

K

1kk

I

S

R

rPP .

(3.26)

При распространении в свободном пространстве = 2, в то время как при двулучевом распространении = 4. В действительности значение ле-жит в интервале от 2 до 5,5 в зависимости от условий распространения.

84

а) б)

г) д)

е)

Рис. 3.10. Распределение интерферирующих сот в пространстве кластеров с регулярной структурой

Обратим внимание на то, что в предположении о равной мощности, из-лучаемой базовыми станциями, отношение «сигнал/внутриканальная поме-ха» зависит только от геометрических свойств распределения сот, расстоя-ний между базовыми станциями, использующими одни и те же частотные каналы, и радиуса зоны радиопокрытия базовой станции.

85

Простоты ради предположим, что в изображенной на рис. 3.8 системе все расстояния Rk равны R. Тогда из (3.26) следует, что

662

QRr

PP

I

S ; (3.27)

121

66I

S

PPQ . (3.28)

Формула (3.28) определяет взаимосвязь отношения расстояния между сотами, использующими одни и те же частоты и радиус соты, с отношением «сигнал/внутриканальная помеха» и типом окружающей среды.

В традиционных сотовых системах отношение PS/PI выбирается та-ким, чтобы обеспечить качество передачи речи, приемлемое, по крайней мере, для 75 % пользователей на 90 % области покрытия системы [2].

В классической аналоговой сотовой системе, такой как, например, АМРS или NMT-450, значение PS/PI выбирается равным 18 дБ (63,1 раза в линейном масштабе). Приняв = 4, из формулы (3.28) получим расчетное Q = 4,41. В соответствии с табл. 3.1 ближайшее значение Q = 4,58. По-скольку значение Q зависит от количества N сот в кластере по формуле (3.24), то при подстановке в эту формулу значения Q = 4,58, получим N = 7.

Таким образом, по результатам грубых расчетов, кластер из семи сот обеспечивает необходимое значение коэффициента ослабления внутрика-нальных помех в аналоговой сотовой системе радиосвязи при использова-нии всенаправленных антенн.

Рассмотрим наихудший случай, иллюстрируемый рис. 3.11. Если обра-тить внимание на то, что расстояния между подвижной станцией, располо-женной в точке А на границе соты, и всеми влияющими базовыми станция-ми приблизительно равны (R–r), (R–r), (R–r/2), R, (R+r/2), (R+r), получим

QQ

QQ

Q

QQ

rRrRRrRrR

rPP

I

S

1

41

21

21

1

112

122

2

22

. (3.29)

86

При Q = 4,6 и = 4 значение PS/PI составляет 49,56. В логарифмиче-ском масштабе эта величина приблизительно равна 17 дБ. Если взять точ-ные расстояния от точки А до центров интерферирующих сот, то получим несколько лучшее значение PS/PI, однако оно все же будет меньше требуе-мых 18 дБ. На практике, вследствие неидеального расположения базовых станций, многолучевого распространения и искажений, обусловленных неровностями местности, это отношение будет еще хуже. Поэтому рассчи-танного ранее значения Q = 4,6 будет недостаточно.

На рис. 3.11 и в формуле (3.29) рассматривается наихудшая ситуация, поскольку подвижная станция находится на максимально возможном уда-лении от базовой станции ее собственной соты. Поэтому приведенная выше оценка считается очень пессимистической. Тем не менее, именно такой

подход к разработке систем позволяет добиться высокой надежности. Суще-ствуют два основных решения про-блемы недостаточной величины па-раметра Q для кластера из семи сот и всенаправленных антенн.

Первый путь – это увеличение количества сот в кластере. Однако с увеличением N уменьшается коли-чество доступных в соте каналов. Если взять следующее после 7 воз-можное значение N, т. е. N = 123, то придется разделить все доступные каналы на 12 подгрупп.

Второе решение заключается в ослаблении внутриканальных помех при использовании секторных антенн, с шириной диаграммы направлен-ности в 120°. Каждая сота разделяется на три сектора. Также возможно разделение сот и на другое количество секторов.

На рис. 3.12 изображено помеховое влияние сот, разделенных на сек-торы. Области, в которых используются одинаковые подгруппы каналов, выделены оттенками серого. Однако только два или три сектора, обозна-ченных более темным оттенком серого, создают помехи сигналам цен-трального сектора, обозначенного самым темным оттенком. Можно отме-

3 Если принять i=3 и j=0, то N=9, однако сотовая сеть будет иметь нерегулярную форму.

R A

R-r

Рис. 3.11. Наихудший случай внутриканальных помех при N=7

R-r

R-r/2 R+r/2

R+r

87

тить, что благодаря разделению на секторы количество интерферирующих сот снижено до двух (трех).

а) б)

в)

Рис. 3.12. Иллюстрация внутриканальных помех в случае использования 120°-секторных антенн

На рис. 3.13 изображено наихудшее расположение подвижной станции в таком случае. Расстояние между подвижной и мешающей базовой станция-ми равно R+r/2. Тогда отношение сигнала к внутриканальным помехам со-ставляет

250

22

,QrR

rPP

I

S , (3.30)

88

что при Q = 4,6 и = 4 даст PS/PI = 25,3 дБ. Этот результат на 7 дБ лучше, чем в сис-теме, использующей всенаправленные ан-тенны.

На практике разделение сот на секторы используется как в классических сотовых системах (аналоговых с частотным разделе-нием каналов), так и в более новых, напри-мер, в GSM и cdmaОnе (соответственно с временным и кодовым разделением кана-

лов). Следует отметить, что разделение на секторы не только уменьшает количество интерферирующих базовых станций, но и оказывает положи-тельное воздействие на физические свойства канала связи. В таких систе-мах разброс задержки импульсного отклика канала будет меньше, чем в сотовых системах с всенаправленными антеннами базовых станций.

Благодаря разделению на секторы увеличивается емкость системы, однако это увеличение не удастся полностью использовать, если подвиж-ные станции не будут равномерно распределены по всем секторам.

Существуют и другие недостатки разделения на секторы: базовая станция секторизованной соты требует большего количест-

ва оборудования, особенно высокочастотного; подвижные станции, передвигающиеся в разделенных на секторы

сотах, чаще меняют каналы, что приводит к увеличению объема сигналов управления;

снижается транковая эффективность (англ. trunking efficiency). Вы-деленный соте набор каналов должен быть распределен по секторам. Ко-личество обслуживаемых абонентов останется тем же, что и в сотах без выделения секторов, только в том случае, если количество пользователей в каждом секторе пропорционально количеству выделенных на каждый сек-тор каналов.

В цифровой системе сотовой связи, критерием выбора топологии сети может служить допустимая вероятность появления ошибок, которая вме-сто отношения PS/PI учитывается при разработке систем аналоговой теле-фонии. Было подсчитано, что благодаря использованию цифровой моду-ляции, многостанционного доступа, эффективного цифрового кодирования речи и канального кодирования с коррекцией ошибок, отношение сиг-нал/помеха уменьшается до 9 дБ [2], в то время как в аналоговых системах эта величина составляет 18 дБ.

R

R+r/2

Рис. 3.13. Наихудший случай для секторов 120°

89

Следующая проблема, которую необходимо решать в сотовой телефо-нии с частотным и временным разделением каналов заключается в опти-мальном распределении всех несущих частот системы между сотами. Их количество, используемое в соте или секторе, а также применяемый метод многостанционного доступа (FDMA или TDMA), определяют количество пользователей, которые могут быть обслужены сотой одновременно. Клас-сическое решение этой проблемы – выделение сотам или секторам, обо-значенным одними и теми же номерами в разных кластерах, фиксирован-ного набора несущих частот.

3.4. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ КАНАЛОВ В СОТАХ

До сих пор проектирование системы рассматривалось с учетом тре-буемой емкости и уровня обслуживания. Следующий шаг – выделение со-там или их секторам конкретных каналов (несущих частот).

Ниже рассмотрены основные правила распределения каналов среди сот и секторов.

Непосредственное влияние на выбор оказывают межканальные поме-хи (англ. interchannel interference). Этот тип помех возникает между сигна-лами, излучаемыми в одной и той же соте (секторе) на разных несущих частотах. Необходимо минимизировать искажения. Этого можно достичь соответствующим подбором частот каналов в каждой соте.

Межканальные помехи также тесно связаны с перемещением подвиж-ных станций в границах одной соты и различными расстояниями от по-движных станций до общей базовой станции – эффект «ближний/дальний» (англ. near-far effect).

Из-за неидеальности фильтров, выделяющих отдельные каналы, мо-жет возникнуть следующая ситуация: боковые лепестки спектра сигнала из канала, используемого подвижной станцией, расположенной вблизи базо-вой станции, попадают в полосу пропускания фильтра, выделяющего со-седний канал с близкой несущей частотой, используемой удаленной под-вижной станцией.

Аналогичная ситуация может возникнуть и при передаче в обратном направлении (от базовой станции к подвижной).

Например, если передающая подвижная станция находится от базовой станции на удалении, в 40 раз превышающем расстояние от подвижной станции – источника искажений, использующей соседний канал в той же самой соте, то отношение мощности полезного сигнала к мощности поме-

90

хи, измеренное перед входом приемного фильтра в приемнике базовой станции, при = 4 составит [2]

644040 4

I

S

PP

дБ. (3.31)

Если не принять других мер для выхода из такой неблагоприятной си-туации, то это отношение придется улучшать при помощи приемного фильтра с крутым срезом и как можно большего разделения частот кана-лов.

Пусть полоса пропускания приемного фильтра имеет ширину В Гц и крутизну 24 дБ на октаву. Тогда на краях полосы пропускания фильтра, находящихся на расстоянии В/2 Гц от середины канала, сигнал затухает на 24 дБ. Затухание порядка 64 дБ достигается при разносе частот, превы-шающем ширину полосы одного канала в 3,18 раза, на практике – в 4 раза. Разнос канальных частот f в одной соте определяется формулой

22 Bf G ; (3.32)

Ldd

G

1

0lg,

(3.33)

где – параметр многолучевого распространения; L – крутизна фильтра, вы-раженная в дБ на октаву; d0 и d1 – расстояния от базовой до подвижных стан-ций – передающей и источника искажений соответственно.

В рассмотренном выше примере G = 64/24 = 2,67, тогда f = 22,67(В/2) = 3,18B. На практике соседние каналы в одной соте разде-лены полосой в 4В Гц.

Помимо описанного распределения канальных частот в сотах, макси-мизирующего частотный разнос каналов в данной соте и учитывающего несущие частоты соседних сот, существуют и другие способы уменьшения влияния межканальных помех:

1) сложный синтез передающих и приемных фильтров, которые эф-фективно ослабляют боковые лепестки спектра передаваемых и прини-маемых сигналов. Это позволяет повысить избирательность приемника;

2) прецизионное регулирование мощности сигналов, передаваемых базовыми и подвижными станциями по каждому каналу.

Первый способ позволяет увеличить значение L в формуле (3.33) за счет увеличения стоимости и усложнения приемопередатчика.

91

Второй способ имеет особое практическое значение. Необходимо обеспечить, чтобы поступающие на базовую станцию сигналы с различ-ных подвижных станций одной соты имели примерно одинаковую допус-тимо низкую мощность, которая обеспечит требуемое отношение PS/PI или вероятность появления ошибок. Все действующие ССПС применяют кон-троль мощности подвижных станций. Это наиболее важно для функциони-рования систем CDMA, в которых регулирование мощности в большой степени определяет фактическую емкость системы.

В табл. 3.3 представлен пример распределения каналов в системе GSM с топологией, изображенной на рис. 3.10 б в предположении, что в распоряжении одного оператора находятся все 124 несущих [2]. В действи-тельности, спектр GSM разделяется между несколькими операторами, и для каждого из них надо подготовить аналогичную таблицу, содержащую набор несущих частот.

Таблица 3.3 Распределение частот несущих для оператора системы GSM

1А 2А ЗА 4А 1В 2В 3В 4В 1С 2С ЗС 4С 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 ПО 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124

Правила заполнения таблицы 3.3 следующие: двенадцать различных сек-

торов, включенных в таблицу, начинаются с обозначения 1А (j = 1) и заканчи-ваются на 4С (j = 12), при этом 7-й сектор (j = 1,2..., 12)124 использует несущие с номерами j + 12k, (k = 0,1..., n), где п – наибольшее целое число, для кото-рого (124 – 12n)/12 < 1.

До сих пор обсуждались распределение несущих (каналов) только с точки зрения минимизации межканальных помех. Если такое распределе-ние производится единожды и в последующем не меняется, то оно называет-ся фиксированным распределением каналов. В традиционной аналоговой со-

4 В случае системы GSM, если количество сот в кластере N = 4, а в каждой соте по три сектора,

то общее количество разных секторов составляет 12.

92

товой системе канал – это частотный интервал, в центре которого находится несущая частота. В системах TDMA/FDMA распределение каналов пред-ставляет собой выделение определенного временного интервала на кон-кретной несущей частоте. В системах CDMA/FDMA канал – это определен-ный расширяющий код, используемый на данной частоте.

Фиксированное распределение каналов – простейший метод распреде-ления ресурсов системы. В действительности он может быть менее удо-бен, чем в простейшем случае гексагональных сот с интенсивностью тра-фика, равномерно распределенного по всей зоне охвата системы. Сложно-сти возникают из-за необходимости учитывать реальное или ожидаемое распределение трафика и разные размеры сот и секторов. При фиксирован-ном распределении каналов установление нового соединения в данной со-те возможно только в том случае, если в ней есть незанятые каналы. В слу-чае временного отсутствия доступных каналов абонент страдает от блоки-ровки соединения. В этот момент в соседних сотах могут быть свободные каналы. Количество запросов может сильно меняться в зависимости от дня недели, времени суток или от конкретного события.

Таким образом, фиксированное распределение каналов может оказать-ся неэффективным решением, приводящим к большой вероятности блоки-ровки в часы наибольшей нагрузки.

Существуют более сложные методы распределения каналов [1,2], кото-рые учитывают динамическое изменение потребности в каналах.

На рис. 3.14 представлена классификация стратегий распределения ка-налов.

Рис. 3.14. Классификация основных методов распределения каналов

Методы распределения каналов

Фиксированное (статисти-ческое) Гибкое

Основное фиксированное

Простое заимствование

Гибридное

Заимствование с упорядочиванием

Динамическое

С планированием С прогнозировани-ем

С оптимизацией при каждом соединении

93

Метод простого заимствования каналов представляет собой улучшен-ный вариант основной стратегии фиксированного распределения, к кото-рой добавлено немного динамики. Если все каналы, выделенные соте, за-няты, то свободный можно позаимствовать в соседней соте, при условии, что этот канал не интерферирует с уже используемыми. С момента заимст-вования канала данной сотой, ряду окружающих сот запрещается исполь-зовать заимствованный канал во избежание меж- и внутриканальных по-мех. Процессом заимствования управляет центр коммутации подвижной связи. Он блокирует заимствованные каналы в сотах, расположенных через одну или две соты от заимствующей соты. Центр коммутации ведет базу данных свободных, заимствованных и блокированных каналов и информи-рует о них соответствующие базовые станции.

Благодаря применению такой стратегии вероятность блокировки уменьшается до определенного порогового уровня, определяемого интен-сивностью трафика. Если текущая интенсивность трафика превышает этот уровень, то степень использования каналов начинает уменьшаться, по-скольку заимствование одного канала приводит к его блокировке пример-но в пяти других сотах.

Гибридное распределение каналов устраняет недостатки предыдущего метода. В этом методе каналы в каждой соте делятся на две категории:

в первую категорию входят каналы, используемые только в данной соте;

ко второй относятся каналы, которые могут быть заимствованы.

Соотношение количества каналов в обеих категориях определяется на основе ожидаемого трафика. Каждый канал отмечен по принадлежности к той или иной категории.

Дальнейшее повышение коэффициента использования канала достига-ется при помощи метода заимствования с упорядочиванием. При этом мето-де количество каналов, входящих в каждую категорию, динамически меня-ется в зависимости от объема трафика. Вероятность заимствования при-сваивается каждому каналу, подлежащему заимствованию. Каналы сорти-руются в порядке убывания этой вероятности. Значения вероятностей об-новляются на основании данных о количестве заимствований каналов.

В методе динамического распределения каналов отсутствуют каналы, постоянно закрепленные за сотами. Каналы выделяются конкретному со-единению или последовательно нескольким соединениям. Решение о выде-лении канала принимается либо центром коммутации, либо подвижной станцией. В первом случае речь идет о централизованном управлении; во

94

втором – о распределенном управлении процессом выделения каналов. Центр коммутации выбирает конкретный канал, пользуясь критерием ми-нимизации стоимостной функции. Эта функция зависит от вероятности бло-кировки, частоты использования потенциально выделяемого канала, рас-стояния до соты, в текущий момент использующей тот же самый канал, и т. д. В процессе выделения канала центр коммутации также учитывает из-мерения уровня сигнала, принимаемого с подвижной станции.

Метод гибкого распределения каналов сочетает в себе преимущества фиксированного и динамического распределений. Каждая сота постоянно имеет в своем распоряжении набор каналов, достаточный для обслужива-ния трафика средней интенсивности. Центр коммутации управляет осталь-ными каналами, которые могут быть выделены соте, испытывающей не-хватку постоянных каналов для обслуживания высокого текущего трафика.

В стратегии гибкого распределения каналов с планированием выделе-ние дополнительных каналов планируется заранее с учетом времени суток и расположения соты. Распределение каналов изменяется в заранее установ-ленные моменты, предшествующие критическому возрастанию интенсивно-сти трафика.

В стратегии гибкого распределения каналов с прогнозированием интен-сивность трафика измеряется в режиме реального времени, и центр комму-тации подвижной связи может перераспределять каналы в любой момент времени.

Приведенные методы распределения каналов дают всего лишь общее представление о многообразии способов распределения каналов, представ-ленных в специальной литературе. Сравнив две основные группы методов – фиксированного и динамического распределения каналов, можно утвер-ждать о существовании компромисса между достижимым качеством обслу-живания (подразумеваемым здесь в основном как вероятность блокировки соединений), сложностью реализации и эффективностью использования вы-деленного спектра. Результаты моделирования и анализа свидетельствуют, что при малой интенсивности трафика динамическое распределение каналов дает лучший результат, чем фиксированное. Однако фиксированное распре-деление показало свое превосходство в условиях больших объемов трафика и равномерного распределения подвижных станций по зоне охвата системы. При фиксированном распределении каналы выделяются таким образом, чтобы обеспечить их максимально многократное использование. Это невоз-можно осуществить в случае динамического распределения, которое имеет статистический характер, обусловленный статистической природой звонков и запросов на выделение канала.

95

3.5. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЕМКОСТИ И КАЧЕСТВА ОБСЛУЖИВАНИЯ СИСТЕМЫ СОТОВОЙ СВЯЗИ

Емкость системы сотовой связи, определяемая числом абонентов, ко-торых она способная обслужить без нарушения параметров качества, яв-ляется важнейшей характеристикой коммерческой радиосети, поэтому при проектировании и развитии системы сотовой связи в подавляющем большинстве случаев значительная часть усилий направляется именно на достижение наибольшей емкости. Фактически и сама система сотовой связи, основанная на принципе использования повторяющихся частот, появилась в ответ на потребность общества в построении эффективной системы массового обслуживания при использовании жестко ограничен-ной полосы частот.

Существует несколько основных способов повышения емкости сис-темы сотовой связи [10,12,13].

Первый – повторное использование частот уже упоминался в этом разделе и подробно рассматривался выше.

Второй способ представляет собой совершенствование методов обра-ботки сигналов, в частности переход от аналоговой обработки к цифро-вой. При этом происходит переход к более совершенным методам множе-ственного или, иначе, многостанционного доступа – от FDMA (частотного разделения каналов связи) к TDMA (временному разделению каналов свя-зи), а затем к CDMA (кодовому разделению каналов связи).

Третьим способом является использование секторных антенн для разделения зоны обслуживания внутри соты на три или более сектора и использование в каждом секторе своей полосы частот. Этот способ факти-чески дает те же результаты, что и простое повторное использование час-тот.

Четвертый способ заключается в дроблении ячеек, т. е. к переходу к меньшим по размерам ячейкам в районах с более интенсивным трафиком, при сохранении коэффициента повторного использования частот Число базовых станций при этом увеличивается, однако снижается мощность из-лучения как базовых, так и мобильных станций. Дробление соты, как пра-вило, выполняется путем создания сот меньшего размера в определенной части ее зоны покрытия. Радиусы меньших сот принимаются равными по-ловине радиуса исходной соты, а их площади, соответственно, становятся меньше в четыре раза. Большие соты используются в районах с неболь-шим трафиком, а меньшие – в зонах с более интенсивным трафиком – рис. 3.15 [10,12].

96

На рис. 3.16 представлен пример дроб-ления секторизованных сот. Новая сота помещается точно посередине между обо-значенными цифрой 1 исходными сотами с секторами A, B и C и имеет вдвое меньший радиус. Секторизация сохраняется. Разме-щение новой соты в указанном месте не изменяет величины коэффициента внутри-канальных помех Q = R/r, так как и рас-стояние между сотами одного типа, и их радиусы уменьшаются вдвое [2].

Введение новой соты позволяет сни-зить мощность базовой станции до уровня, обеспечивающего мощность принимаемого на границе меньшей соты сигнала и равного мощности сигнала на границе исходной соты. Это верно и для подвижных станций. Мощность сигнала Pr1, принимаемого на расстоянии r от базовой станции, связана с мощно-стью передаваемого сигнала выражением

rkPP Tr 11 , (3.34)

где PТ1 – мощность сигналов, передаваемых в основной соте; k – коэффициент пропорциональности.

Если предположить, что на границах меньшей и основной сот с ра-диусами r/2 и r соответственно принимается сигнал одинаковой мощно-сти, то можно прийти к выводу, что мощности сигналов, передаваемых в основной соте PТ1 и в меньшей соте PТ2, связаны выражением

21

12 TT PP . (3.35)

Тогда при = 4 из (3.35) следует, что излучаемая в меньшей соте мощность на 12 дБ меньше мощности, передаваемой в большей соте.

В 1991 году Ли (англ. W. C. Y. Lee) предложил другое решение про-блемы увеличения емкости системы – так называемую концепцию микро-сотовых зон. В этом решении устранены некоторые недостатки разделе-ния сот на секторы, такие, как необходимость частой передачи соединения из одного сектора в другой и уменьшение транковой эффективности. При использовании трехсекторных антенн исходные соты разделяются на три зоны. На границе каждой зоны размещаются зоновые приемники и пере-

Рис. 3.15. Использование ячеек с меньшим размером

в районах с интенсивным трафиком

97

датчики. Они соединены с селектором зоны и общей частью базовой станции данной соты оптоволоконными или радиорелейными каналами.

Расположенная в данной соте подвижная станция соединяется с самым силь-ным зоновым передатчи-ком и приемником. Все зо-ны одной соты используют общий пул каналов. Пере-мещение подвижной стан-ции в другую зону не при-водит к смене выделенного канала. Этот канал «пере-носится» подвижной стан-цией в новую зону. Как следствие, отсутствует процедура смены канала, требующая больших затрат времени и ресурсов.

Однако основное пре-имущество концепции микросотовых зон – это уменьшение внутрика-нальных помех за счет ис-

пользования зоновых передатчиков, мощность которых меньше мощности секторных передатчиков, расположенных в центре сот.

Т. о., появляется возможность увеличить емкость системы за счет уменьшения количества сот в кластере без потери транковой эффективно-сти (поскольку во всех зонах одной соты используются одни и те же кана-лы). Ли показал, что для американской ССПС первого поколения AMPS, требующей PS/PI = 18 дБ, применение концепции микросотовых зон по-зволяет уменьшить количество сот в кластере с 7 до 4; это приводит к уве-личению емкости системы сотовой связи в 2,33 раза и дает PS/PI = 20 дБ в самом худшем случае, т. е. приносит дополнительный вы-игрыш в 2 дБ.

Однако, практический опыт эксплуатации микросотовых систем связи показывает, что ячейки с радиусом менее 300...500 метром неудобны из-за чрезмерного возрастания потока обслуживания. Выходом из этой ситуа-ции является в переходе к многоуровневым (иерархическим) структурам,

1B

1A

1C

2B

2A

2C

1А 1С

1В

1B

1A

1C

2B

2A

2C

2А 2С

2В

Рис. 3.16. Пример дробления сот с сохранением разделения на секторы

98

позволяющим обслуживать в крупных ячейках (макросотах) быстро пе-ремещающихся абонентов, а в более мелких (микросотах, пикосотах) ма-лоподвижных. При этом в качестве пикосот могут рассматриваться терри-тории торговых центров, выставочных комплексов и т. п. В районах с низ-ким уровнем трафика ячейки приходиться укрупнять (переход к макросо-там) для того чтобы оптимизировать загрузку базовой станции (т. е. сде-лать обслуживание абонентов экономически выгодным). В случае превы-шения номинального размера ячейки – дальности передатчика базовой и/или мобильной станции – для обеспечения связи в удаленных участках макросоты используются повторители (репитеры), выполняющие роль ретрансляторов.

В качестве пятого способа можно рассмотреть использование адап-тивного назначения каналов ACA (Adaptive Channel Allocation) в методах FDMA и TDMA. В действующих системах сотовой связи все частотные каналы (частотный ресурс системы) распределяются между ячейками рав-номерно или в соответствии с априорной информацией об интенсивности трафика.

Однако возможен и другой подход: выделение частотных каналов ба-зовым станциям по мере поступления заявок (вызовов), т. е. в соответст-вии с реальной интенсивностью трафика, но при соблюдении необходи-мого территориального разноса несущих частот. Предполагается, что для использования адаптивных алгоритмов все или частично все частотные каналы находятся в оперативном распоряжении центра коммутации. Адаптивные алгоритмы сложны, поэтому в настоящее время используют-ся в беспроводных телефонах, например, в популярном в настоящее время стандарте DECT (Digital European Cordless Telecommunications – в бук-вальном переводе цифровая европейская беспроводная электросвязь).

Существует и шестой способ повышения емкости системы сотовой связи – расширение выделяемой полосы частот. Однако при большом ко-личестве стандартов сотовой связи и немалом количестве операторов, по-добный способ оказывается бесперспективным и малополезным.

Емкость сотовой является далеко не единственным важным марке-тинговым показателем. Для привлечения пользователей операторы сото-вой связи важную роль отводят повышению качества функционирования сети.

Качество функционирования систем сотовой связи может быть уве-личено за счет применения специальных видов сот [1].

Типовая сота включает многоканальную базовую радиостанцию с ан-тенной, имеющей круговую диаграмму направленности, или группу ан-

99

тенн, имеющих секторные диаграммы направленности. В результате гео-метрия обслуживаемой территории близка к круговой или вытянута в от-дельных направлениях.

Кроме типовых существуют специальные виды сот, которые форми-руются с учетом особенностей топологии местности, на которой развер-нута сеть связи, специфических характеристик мобильных абонентов, ожидаемого количества абонентов и т. д. Например абоненты, находящие-ся в быстро движущихся автомобилях, проходят соту (особенно микросо-ту) очень быстро, в течение нескольких секунд. Постоянные требования на передачу управления приводят к перегрузке мобильного центра комму-тации и возможным перерывам в связи.

«Зонтичная» сота является одним из вариантов соты, обеспечиваю-щей эффективное обслуживание быстро движущихся мобильных абонен-тов – рис. 3.17. Эта сота имеет очень большое покрытие, приближаясь по структуре к транкинговому покрытию. Зонтич-ная зона, расположенная вдоль скоростных трасс, обеспечивает достаточно долгое нахож-дение в соте самых скоростных автомобилей. Для того, чтобы сота не была перегружена большим количеством обычных абонентов, зон-тичная сота вводится поверх обычных. Величи-на скорости передвижения абонента определяет-ся базовой станцией по доплеровскому сдвигу несущей частоты принимаемого сигнала. При большой скорости перемещения абонент переводится из обычной соты в зонтичную и, наоборот, при уменьшении скорости возвращается в обыч-ную соту.

Сота-ретранслятор пред-назначена для поддержания ра-диоканалов на выделенную, удаленную соту, как это показа-но на рис. 3.18. Удаленные соты развертываются в местах массо-вого отдыха, коттеджных посел-ках и т. д. Количество каналов в этих удаленных сотах может быть значительным, тогда как по трассе от большого города до этих выделенных территорий

Рис. 3.17. Зонтичная сота

Рис. 3.18. Сота-ретранслятор

100

мало населения. Вследствие этого развертывание сот даже с небольшим числом каналов по всей длине трассы или прокладка фиксированных линий связи экономически невыгодно. Значительно проще и дешевле установить по трассе ряд мощных приемопередатчиков, назначение которых – ретрансляция радиоканалов между удаленной сотой и городской сетью свя-зи. Разумеется, это не исключает возможности поддержки ретрансляторами небольшого количества локальных каналов связи.

Одночастотные ретрансляторы предназначены для обеспечения не-прерывной радиосвязи при длительном нахождении мобильного абонента вне зоны уверенной работы базовых радиостанций типовых сот, напри-мер, в областях глубокой устойчивой тени. Такой ретранслятор представ-ляет собой многоканальный двунаправленный усилитель, который одновре-менно принимает и передает на одной и той же частоте (частотах). Типич-ным примером использования одночастотного ретранслятора является обслуживание абонентов, находящихся в глубокой речной долине, тоннеле или шахте – рис. 3.19.

Верхняя антенна ретранслятора принимает обычный сигнал от ближай-шей базовой радиостанции на частоте f1. Верхняя и нижняя антенны соединены между собой высокочастот-ным кабелем, при этом диа-граммы направленности верхней и нижней антенн не пересекаются. В результате излучение нижней антенны на частоте приема f1, не соз-дает помех приемнику, рас-

положенному вблизи верхней антенны. Аналогично нижняя антенна при-нимает сигнал от мобильных абонентов на дуплексной частоте f2, усили-вает этот сигнал и по высокочастотному кабелю передает его на верх-нюю антенну для излучения на соседнюю базовую радиостанцию. Как и в предыдущем случае, при значительном разделении диаграмм направлен-ности верхней и нижней антенн излучение верхней антенны на частоте f2 не создает помех для приема сигнала на той же частоте f2 нижней ан-тенной.

Рис. 3.19. Одночастотный ретранслятор

101

Такой же метод разнесения антенн используется и для обеспечения связи в таких местах глубокой радиотени, как за большими промышлен-ными зданиями, в ущельях, транспортных тоннелях, шахтах и т. д.

Применение одночастотных ретрансляторов позволяет обеспечить непрерывность радиосвязи в сложных условиях города или пересеченной местности без расширения частотного плана. Следует подчеркнуть, что основным условием применимости ретрансляторов, принимающих и пере-дающих на одной и той же частоте, является значительная развязка между антеннами. В любом случае величина сигнала, принимаемого приемником ретранслятора от базовой радиостанции, должна быть много больше, чем величина сигнала на входе приемника, излученного самим ретранслято-ром.

Соты для малонаселенных территорий имеют максимально боль-шой радиус, приближающий их по характеристикам к транкинговой сети связи. В случае, когда на такой территории может периодически появ-ляться большое количество абонентов (как, например, в местах массового отдыха), большая сота разделяется на несколько небольших виртуальных сот. При этом не возникает проблем с нарушением частотного плана, по-скольку в непосредственной близости не существует сот, базовые пе-редатчики которых работают на совпадающих частотах.

Виртуальные соты закладываются в структуру сети связи на терри-тории, где ожидаются большие пиковые нагрузки. В нормальной ситуации эти соты не активны и не загружают выделенные линии связи и централь-ный процессор. В момент загрузки, превышающей расчетную величину (когда параметр GOS превышает допустимый), виртуальная сота активи-руется. Центр мобильной коммутации распределяет на виртуальную соту частотные каналы, не совпадающие с частотными каналами соседних сот. Кроме того, на виртуальную соту могут быть частично перераспределены частотные каналы соседних сот, работающих с меньшей загрузкой.

Вообще динамическое перераспределение рабочих каналов между со-тами существенно повышает пропускную способность сети связи. При жестком, фиксированном распределении рабочих частот между сотами занятость всех рабочих каналов в соте приводит к отказу абоненту в уста-новлении связи (с потерей вызова или постановкой в очередь). Если же имеется возможность «занять» свободный канал в соседней соте, требуе-мый сеанс связи может быть установлен. Разумеется, такое заимствование возможно только с разрешения мобильного центра коммутации, который контролирует частотный план в кластере и не допускает работы передат-чиков соседних сот на совпадающих частотах [1,2].

102

4. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ОБСЛУЖИВАНИЯ В СИСТЕМЕ

При планировании телетрафика в пределах зоны обслуживания про-водится предварительная оценка качества обслуживания абонентов. Под качеством обслуживания понимается своевременное предоставление ка-налов абонентам при обеспечении достоверности приема информации не ниже заданной. Анализ работы систем мобильной связи показывает, что только небольшая их часть одновременно пользуется услугами сети. При этом интенсивность ее использования может изменяться во времени и быть различной в зависимости от потребности индивидуальных абонен-тов. Сеть обычно разрабатывается с учетом ожидаемой интенсивности ее использования. Поэтому применяется транкинг, который означает, что определенное количество каналов находится в распоряжении намного большего количества пользователей [13].

Мобильные системы связи относятся к системам массового обслу-живания, поскольку они представляют совокупность большого числа рав-ноправных элементов. Процессы, протекающие в системах, также пред-ставляют массу однородных случайных явлений и их закономерности оп-ределяются не характеристиками отдельных элементов, а массовым ха-рактером явлений в системе. Система телефонной связи исторически яв-ляется первым примеров системы массового обслуживания; в частности, в качестве первой математически корректной работы по теории массового обслуживания называют работу датского ученого А. К. Эрланга «Теория вероятностей и телефонные разговоры», опубликованную в 1909 г.

Модель процесса установления связи в мобильной системе может быть описана следующим образом. Пусть на вход обслуживающего уст-ройства, например, базовой станции, поступает поток вызовов от мобиль-ных станций или телефонных аппаратов сети PSTN. Поток вызовов в сис-теме имеет случайный характер, то есть каждый из вызовов может посту-пить в любой случайный момент времени. Время обслуживания также имеет случайный характер, из-за различной длительности разговоров. Ес-ли в определенный момент времени число поступающих вызовов (заявок на обслуживание) Z превышает число свободных каналов N на базовой станции, то обслуживание будет задержано – «ожидание», или вообще со-рвано – «отказ». Возникновение ситуаций «ожидания» или «отказ зависит от обслуживающего устройства.

Обслуживающие устройства могут быть однофазовыми и многофазо-выми. Примером однофазового обслуживающего устройства может слу-

103

жить пейджинговая система с централизованным диспетчированием, в ко-торой контрольно-оконечная (базовая) станция обслуживается одним опе-ратором (диспетчером). Диспетчер осуществляет прием данных по вызо-вам из телефонной сети и их ввод в блок памяти для последующей пере-дачи по каналу радиосвязи.

В многофазовых устройствах, например, в центральном коммутаторе систем мобильной телефонной связи, один вызов обрабатывается не-сколькими обслуживающими устройствами. Вызовы, поступающие на любое обслуживающее устройство, могут обслуживаться в порядке оче-реди, в случайном порядке, а также с преимуществом обслуживания (при-оритеты). Если поступающие вызовы обслуживаются любой из свободных коммутационных ячеек, то обслуживающее устройство является неупоря-доченным.

Примером неупорядоченного обслуживающего устройства может служить коммутационное поле электронной автоматической телефонной станции (АТС). Если последующие вызовы обслуживаются иерархиче-ской системой коммутационных ячеек, например, декадно-шаговые АТС, то обслуживающее устройство является упорядоченным.

Основными параметрами оценки качества обслуживания мобильной системы связи, как системы массового обслуживания, являются парамет-ры входящего потока вызовов. Поскольку моменты поступления вызовов в системе связи определяются периодичностью поступления информации, являющейся случайной величиной, то весь процесс поступления вызовов считается случайным процессом.

Случайными величинами такого потока вызовов являются: количество вызовов, поступающих в единицу времени (интенсив-

ность вызовов или средняя частота поступления вызовов); время обслуживания одного вызова T (средняя продолжительность

обслуживания вызова); средний трафик A = T (интенсивность трафика, интенсивность

нагрузки, поток нагрузки), (эрл).

Для измерения показателей и T могут использоваться любые едини-цы, однако во избежание путаницы удобно в обоих случаях использовать одну и туже единицу времени – сутки, час, минуту, секунду.

В подавляющем большинстве случаев характеристики (параметры) нагрузки – , T, A – обычно оценивают для часа пик, т. е. часового интер-вала в период наибольшей нагрузки системы связи.

104

Параметры входящего потока вызовов могут иметь дискретный и не-прерывный характер распределения. Характер распределения потока вы-зовов будет дискретным, если случайной величиной является количество вызовов . Характер распределения потока обслуживания вызовов будет непрерывным, если случайной величиной является время обслуживания вызова T.

Если случайный процесс является дискретным, то он характеризуется свойствами стационарности, последействия и ординарности.

Стационарность дискретного потока вызовов означает, что для лю-бой группы из числа различных отрезков времени вероятность поступле-ния Z вызовов на протяжении каждого из отрезков времени обслуживания t зависит только от значений Z и t и не изменяется при сдвиге всех вре-менных отрезков на одну и ту же величину t, т. е. параметры потока не зависят от времени.

Отсутствие последействия означает, что вероятность поступления Z вызовов в течение отрезка времени t не зависит от того, сколько раз и как поступали вызовы ранее (взаимная независимость появления количества вызовов в различных отрезках времени).

Ординарность дискретного процесса вызовов является условием то-го, что вероятность поступления двух или нескольких вызовов за сколь угодно малый отрезок времени бесконечно мала, т. е. в один и тот же мо-мент времени происходит только одно событие (один вызов).

Таким образом, если входящий дискретный поток вызовов в мобиль-ной системе связи обладает стационарностью, отсутствием последействия и ординарностью, то он является простейшим или пуассоновским. Для та-кого потока, вероятность поступления Z вызовов за время t определяется следующим образом [1,2,13]:

tZ

e!Z

tZ,tP , (4.1)

где – интенсивность потока вызовов (математическое ожидание числа вызовов за единицу времени t).

Для пуассоновского потока вызовов выполняется условие равенства математического ожидания и дисперсии σ процесса:

= D = t. (4.2)

В качестве иллюстрации на рис. 4.1 приведены графики распределе-ния Пуассона для:

105

= 20 выз/ч, T = 0,2 ч и t = 4 эрл; = 30 выз/ч, T = 0,2 ч и t = 6 эрл; = 40 выз/ч, T = 0,2 ч и t = 8 эрл;

Продолжительность обслуживания одного вызова (длительность за-нятия одного канала связи), как уже отмечалось выше, представляет собой непрерывную случайную величину, описываемую экспоненциальным распределением,

TeT

W

1

, 0, (4.3)

которому соответствует среднее значение и дисперсия

ср = T; D = T2, (4.4)

т. е. среднее совпадает с определенной выше продолжительностью обслу-живания одного вызова. На рис. 4.2 приведен график экспоненциального распределения для T1 = 0,1 ч; T2 = 0,2 ч; T3 = 0,3 ч.

Вероятность поступления Z вы-зовов P(t,z) в течение промежутка времени t достигает наибольшего значения при t = Z/, где Z = 0,1,2 и т. д. Она может рассматриваться как вероятность одновременного заня-тия Z коммутационных ячеек, на-пример, каналов базовой станции, через которые проходят вызовы с интенсивностью и средней про-должительностью обслуживания ка-ждого вызова t.

Выражение (6.1) определяет ве-роятность поступления Z вызовов за время t, равное средней продолжи-

тельности обслуживания одного вызова tср. Для определения вероятности P(t,Z) простейшего потока необходимо

только знание одного параметра – . Однако, простейший поток вызовов и его закономерности справедливы только для однофазовых систем обслу-живания. В многофазовых системах обслуживания наблюдаются орди-нарные потоки вызовов с ограниченным последействием. В таких систе-мах параметр D..

Рис. 4.1. Распределение Пуассона для различных

значений трафика

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Число вызовов Z

Вер

оятн

ость

P(Z

,t)

t=8

t=4 t=6

106

Рис. 4.2. Экспоненциальное распределение при различных значениях T

T1=0,1

T2=0,2

T3=0,3 0

12

34

5

67

89

10

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Продолжительность обслуживания, ч

Пло

тнос

ть в

ероя

тнос

ти

Потоком вызовов с про-стым последействием называ-ется ординарный поток, для которого в любой момент вре-мени T отсутствует условный параметр, зависящий только от состояния системы обслужи-вания в момент Т и от характе-ристик вызова. Такой поток не является стационарным.

Если параметр потока вы-зовов с простым последейст-вием зависит только от числа вызовов Z, обслуживаемых в данный момент, то такой поток называется симметричным

потоком. В симметричном простейшем потоке вызовов параметр про-порционален числу независимых и свободных в данный момент вызы-вающих источников N.

Известны несколько моделей системы сотовой связи [1,2,13]: 1) модель Эрланга А; – система с ограничением времени ожидания и

времени обслуживания; 2) модель Эрланга B – система с отказами 3) модель Эрланга C – система с ожиданиями.

Во всех моделях поток вызовов принимается подчиняющимся рас-пределению Пуассона, а продолжительность вызова – экспоненциальному распределению. Разные модели отличаются между собой тем, как участь постигает вызовы, поступившие в моменты времени, когда все каналы за-няты. Эти вызовы могут аннулироваться (система с отказами – модель Эрланга B); становиться в очередь и ждать освобождения канала неопре-деленно долгое время (система с ожиданиями – модель Эрланга C) или становиться в очередь и ждать освобождения канала ограниченное время (система с очередностью обслуживания – модель Эрланга A).

Как уже отмечалось выше, количество вызовов является случайной величиной, изменяющейся в зависимости от времени суток. Поэтому было введено понятие часа наибольшей нагрузки (ЧНН) – часового временного интервала, в котором трафик имеет максимальную интенсивность.

107

Уровень обслуживания (англ. Grade of Service – GOS) – это мера дос-тупа к каналу в системе с концентрацией нагрузки в часы наибольшей на-грузки (ЧНН). Во многих странах часы наибольшей нагрузки в сотовых системах приходятся на часы пик с 1600 до 1800 по четвергам и пятницам [1,2].

Уровень обслуживания (GOS) представляет собой качественную ме-ру, используемую для определения вероятности получения доступа к ка-налу при известном количестве каналов в сотовой системе.

Уровень обслуживания – один из основных параметров и критериев оценки при разработке сотовых систем, который необходимо учитывать для того, чтобы обеспечить требуемую емкость системы и распределение каналов по сотам.

Уровень обслуживания обычно выражается в виде вероятности бло-кировки (отказа), т. е. вероятности того, что желающий установить со-единение пользователь столкнется с отсутствием свободного канала, или что время ожидания свободного канала превысит установленный предел.

В общем виде функция Эрланга имеет вид:

0P

!Nt)N(PGOS

N , (4.5)

где P(N) – вероятность отказа из-за того, что все каналы заняты; P0 – вероятность того, что все каналы свободны.

4.1. СИСТЕМА С ОГРАНИЧЕНИЕМ ВРЕМЕНИ ОЖИДАНИЯ И ВРЕМЕНИ ОБСЛУЖИВАНИЯ

В системе с ограничением времени ожидания и времени обслужива-ния после ожидания (модель Эрланга А) вызов, поступивший в момент за-нятости всех каналов, становиться в очередь, но время ожидания не пре-вышает среднего времени обслуживания (средней продолжительности разговора). Если за это время хотя бы один канал системы освобождается, находящийся в очереди вызов занимает его на оставшуюся часть времени обслуживания, после чего сбрасывается.

В такой системе вероятность отказа

NZ

AAA e

!ZAT,N,ZPGOS . (4.6)

108

4.2. СИСТЕМА С ОТКАЗАМИ ИЛИ ПОТЕРЕЯННЫМИ ВЫЗОВАМИ

В наиболее распространенной системе с отказами или потерянными вызовами (модель Эрланга B) вероятность отказа в обслуживании, т. е. ве-роятность того, что все каналы при поступлении вызова от абонента будут заняты, определяется следующим выражением [13]:

N

Z

Z

N

N

Z

Z

N

BB

!ZT

!NT

!ZA

!NA

)T,N,Z(PGOS

00

. (4.7)

Выражение (4.7) показывает, что отказы появляются, когда число од-новременно поступающих вызовов Z будет превосходить количество ка-налов N.

Вероятность того, что все каналы будут свободны

N

Z

ZN

Z

ZB

!ZT

!ZA

)T,N,Z(P

00

11 . (4.8)

Вероятность того, что будут заняты K каналов

!KTP

!KAP)T,N,Z(P

KB

KB

KB

00 . (4.9)

Среднее число занятых каналов:

N

Z

Z

B

N

Z

Z

BB !ZTP

!ZAP

10

10 11

. (4.10)

4.3. СИСТЕМА С ОЖИДАНИЯМИ

Для системы с ожиданиями (модель Эрланга C) выражение для вы-числения вероятности задержки обслуживания, т. е. вероятности поста-новки в очередь, примет записывается следующим образом [13]:

1

0

1

0

N

Z

NZ

N

N

Z

NZ

N

СС

TN!NT

!ZT

)AN(!NT

AN!NA

!ZA

)AN(!NA

)T,N,Z(PGOS . (4.11)

109

Вероятность того, что все каналы будут свободны

1

0

1

0

011

N

Z

NZN

Z

NZС

TN!NT

!ZT

AN!NA

!ZA

)T,N,Z(P . (4.12)

Вероятность того, что будут заняты K каналов

!KTP

!KAP)T,N,Z(P

KC

KC

KC

00 . (4.13)

Среднее число занятых каналов:

N

Z

Z

C

N

Z

Z

CC !ZTP

!ZAP

10

10 11

. (4.14)

Все рассмотренные выше аналитические выражения являются гро-моздкими и крайне неудобными для непосредственного использования, поэтому на практике применяют табулированные представления этих вы-ражений. Пример такого табулированного эквивалента для моделей Эрланга приведен в табл. 4.1.

Таблица 4.1 Показатели качества обслуживания моделей Эрланга А и В

Вероятность отказа при заданном числе каналов базовой станции (GOSB, GOSC)

N = 8 N = 24 N = 32

Траф

ик

Модель B Модель C Модель B Модель C Модель B Модель C

1 9,12410–6 1 ,30310–6 0 ,000 0 ,000 0 ,000 0 ,000

3 8,132 10–3 1 ,63710–3 2,26610–14 1 ,07910–15 0 ,000 0 ,000

5 0 ,070 0 ,024 6,47310–10 3 ,40710–11 0 ,000 0 ,000

7 0 ,179 0 ,179 2 ,81610–7 1 ,65610–8 3,82710–12 1 ,53110–13

9 0 ,289 –0 ,686 1,58710–5 1 ,05810–6 1 ,61010–9 7 ,00210–11

11 0 ,383 –0 ,261 2 ,65210–4 2 ,04010–5 1 ,34010–7 6 ,38210–9

13 0 ,458 –0 ,204 1 ,98110–3 1 ,80510–4 3 ,80410–6 2 ,00210–7

15 0 ,519 –0 ,182 8 ,39410–3 9 ,39610–4 5 ,01610–5 2 ,95110–6

17 0 ,569 –0 ,172 0 ,024 3 ,44210–3 3 ,72710–4 2 ,48510–5

19 0 ,609 –0 ,165 0 ,050 0 ,010 1 ,77510–3 1 ,36810–4

110

4.4. ОЦЕНКА ЕМКОСТИ СИСТЕМ СОТОВОЙ СВЯЗИ

При оценках емкости систем сотовой связи обычно используют мо-дель системы с отказами (модель Эрланга B), в то время как модель сис-темы с ожиданием (модель Эрланга С) применяют гораздо реже. Как вид-но из графиков на рис. 4.3, построенных для системы с количеством кана-лов N = 64 и средним трафиком А = [0...63], при малых вероятностях отка-

за в обслуживании, т. е. при малом трафике, обе модели дают достаточно близкие ре-зультаты. Однако при вероят-ности отказа в обслуживании P > 0,1 в системе с ожидания-ми вероятность отказа будет возрастать очень резко, что свидетельствуют о сущест-венном ухудшении качества обслуживания. Поэтому на практике при анализе емкости системы связи расчеты прово-дят для вероятностей в диапа-зоне P = [0,01...0,05].

Анализируя вышеизложенное и опираясь на данные таблицы 4.1, можно сделать следующий вывод: с увеличением числа каналов, выде-ленных базовой станции, трафик, т. е. количество передаваемой информа-ции, растет быстрее, чем число каналов, особенно при N < 30. Следова-тельно, рациональное построение системы сотовой связи должно преду-сматривать выделение на одну ячейку (базовую станцию) не менее 30 час-тотных каналов (для систем, использующих временное разделение кана-лов, не менее 30 физических каналов – временных слотов).

Рассмотрим пример использования системы с отказами (модель Эр-ланга B). В ее состав входят три основных параметра: число каналов N, трафик A и вероятность отказа PВ. Если известны любые два параметра, то можно однозначно определить третий [2].

Пример. Условная городская агломерация занимает площадь S = 3300 км2 и ох-

вачена системой сотовой связи. В системе используются кластеры из семи сот Nкл = 7. Каждая сота имеет радиус r = 6 км.

0,000,010,020,030,040,050,060,070,080,09

29 32 35 38 41 44 47 50 53 56 59 62

Трафик А , эрланг

Вер

оятн

ость

отк

аза

P

Рис. 4.3. Вероятность отказа в обслуживании в зависимости от трафика

при числе каналов N=64

Модель с отказами

Модель с ожиданием

111

Полоса шириной 24,5 МГц выделена системе, работающей в режиме частотного разделения каналов (FDMA/FDD). Ширина одного канала со-ставляет 25 кГц.

Предположим, что средняя продолжительность разговора в час пик Tср= 6 мин, средняя частота поступления вызовов ср= 1 вызов в час и ве-роятность отказа (блокировки) в сотовой системе составляет GOSВ = 0,02 (т. е. не более, чем два из ста абонентов в час получат отказ при первом обращении к сети).

Вычислим количество сот, охватывающих всю область. Рассчитаем площадь одной гексагональной соты:

5393363233

23 2 ,rSr км2.

Таким образом, для того, чтобы охватить весь город, требуется

NС = 3300/93,53 = 35,28 36 сот.

Затем вычислим количество каналов, выделенных каждой соте. Поскольку в распоряжении системы находится полоса частот шириной

24,5 МГц, а одно соединение требует двух каналов (прямого и обратного) по 25 кГц каждый, то для 7-ми сотового кластера количество дуплексных каналов в соте будет равно

С = 24,5106 /( 7 225103) 25 каналов.

Из выражения (4.7) можно найти, что для С =25 каналов на соту и веро-ятности блокировки GOSВ = 0,02 интенсивность трафика в одной соте со-ставит АТЯ = 17,5 Эрл.

Поэтому суммарный трафик всей системы будет равен

АТЯ NС = 17,536 = 630 Эрл. Трафик на одного абонента составит

ААБ = срTср = 16/60=0,1 Эрл.

На основе этих значений определяется количество пользователей, ко-торых может обслужить система. Это количество равно

NА = АТЯ/ААБ = 630/0,1 6 300 пользователей.

Количество каналов системы мобильной связи можно определить де-лением ширины выделенного системе спектра на ширину пары каналов.

В данном примере

112

9 МГц/(250 кГц) = 180 каналов.

Тогда количество пользователей, приходящихся на один канал, равно

6 300/180 = 35 пользователей.

Максимальное количество пользователей, которые могут быть одно-временно обслужены, определяется количеством каналов в соте и количест-вом сот в системе и будет равно

С NС = 2536 = 900 пользователей.

Следовательно, если все каналы во всех сотах будут одновременно за-няты, то система сможет обслужить 900/6300 = 14,29 % пользователей.

Можно сделать вывод о том, что благодаря идее транкинга ресурсы системы могут быть много меньше количества пользователей всей системы.

Сложный момент, который до сих пор не принимался во внимание, со-стоит в том, что пользователи во время разговора могут перемещаться из одной соты в другую. Если они пересекают границу соты, необходимо вы-полнять процедуру передачи соединения – хэндовер (англ. handover).

В новой соте нужно найти новый канал и только после этого можно ос-вободить канал в старой соте.

Следовательно, расчет трафика становится более сложным. Возможное решение этой проблемы – создание программной системы

имитационного моделирования, которая учитывает перемещение подвиж-ных станций и передачу соединений.

Статистические свойства мобильности абонентов в сотах, охватываю-щих территорию городской застройки, отличаются от аналогичных харак-теристик сот, обеспечивающих покрытие незастроенной сельской местно-сти с проходящей по ней автострадой.

113

5. ОСНОВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ АНТЕНН

Возрастание спроса на услуги сотовой телефонии и средства беспро-водного доступа к телекоммуникационным сетям приводит к необходимо-сти непрерывно увеличивать емкость существующих систем. Емкость со-товой системы, выражаемая в плотности трафика, приходящегося на еди-ницу площади, зависит от многих факторов:

ширины частотного диапазона, выделенного системе; ширины спектрального канала, требуемого для одной несущей, используемого метода многостанционного множественного доступа; вида модуляции; методов приема и обработки информационного сигнала; допустимой величины отношения сигнал/шум; типа антенн базовых станций, в особенности количества антенных сек-

торов.

По-видимому, одним из важнейших факторов, благодаря которым воз-никает возможность в ближайшем будущем существенно увеличить емкость систем подвижной связи, является технология интеллектуальных антенн [2]. Интеллектуальные антенны включают в себя массивы антенных ре-шеток, аппаратное и программное обеспечение цифровой обработки сиг-налов, которые позволяют формировать диаграммы направленности (ДН) и оценивать направление поступления (англ. Direction of Arrival – DoA) сиг-нала.

Интеллектуальные антенны могут применяться как в существующих, так и в будущих системах. Данная технология уже нашла применение в аналоговых системах первого поколения, таких, как NMT, в системах вто-рого поколения – GSM и DCS 1800. а также в американской системе TDMA IS-54. Технология интеллектуальных антенн планируется к приме-нению в системе третьего поколения UMTS.

В обычной сотовой системе связь между базовой станцией и находя-щимися в соте подвижными станциями устанавливается посредством не-направленной или секторной антенны. Типовые секторные антенны излу-чают и принимают сигналы в секторе 180°, 120° или 60°. Большая часть энергии, излучаемой антенной базовой станции, тратится впустую, по-скольку в данный момент времени подвижные станции находится в строго определенных местах.

114

Если бы сигнал, предназначенный конкретной подвижной станции, посылался только в ее направлении, а угол излучения уточнялся и изменялся в соответствии с перемещением подвижной станции, то это позволило бы сэкономить много энергии.

Экономию энергии можно выразить через возрастание отношения сигнал/шум при передаче данных между подвижной и базовой станциями или увеличение зоны радиопокрытия базовой станции.

Сильная направленность антенны также ограничивает эффект много-лучевого распространения, поскольку исключает наиболее длинные пути прохождения сигнала, получаемые при отражении его от препятствий, рас-положенных на больших углах от нужного направления. Узкий луч диа-граммы направленности передающей антенны может быть создан специа-лизированной матричной антенной решеткой.

Процесс внедрения технологии интеллектуальных антенн состоит из трех этапов [2].

На первом этапе интеллектуальные антенны применяются только для нисходящего направления. Благодаря их использованию дальность дейст-вия базовых станций увеличивается. Это эквивалентно возможному уменьшению мощности, излучаемой подвижными станциями. Последнее особенно выгодно с точки зрения охраны здоровья. Другое преимущество, рассмотренное ранее, – уменьшение количества базовых станций, необхо-димого для покрытия заданного района. Оно особенно привлекательно для систем DCS 1800, PCS 1900 и других систем с меньшими сотами, чем в стандартной сотовой телефонии, и позволяет снизить стоимость разверты-вания и эксплуатации системы в районах с низкой плотностью трафика.

На втором этапе интеллектуальные антенны применяются на базовых станциях для работы как в нисходящем, так и в восходящем направлениях. Основная задача этого этапа внедрения – снижение уровня помех за счет формирования лепестка ДН, передачи сигнала только в направлении базо-вой станции, а также отслеживания ее местоположения. Эту технологию часто называют пространственной фильтрацией для снижения уровня по-мех (англ. Space Filtering for Interference Reduction – SFIR). Она позволяет снизить мощность, излучаемую базовой станцией. Уменьшение уровня внутриканальных помех позволяет сократить размер сотового кластера. Это, в свою очередь, оказывает влияние на емкость системы, поскольку по-зволяет повысить коэффициент повторного использования частоты.

Наконец, на третьем этапе, к известным технологиям множественно-го доступа FDMA, TDMA и CDMA добавляется многостанционный доступ с пространственным разделением каналов SDMA (англ. Space Division Mul-

115

tiple Access). Формирование лепестка диаграммы направленности интел-лектуальной антенны, отслеживание местоположения подвижных станций и снижение уровня внутриканальных помех позволяет нескольким под-вижным станциям использовать один и тот же канал внутри одной соты, если их разделяет достаточное угловое расстояние. Это существенно уве-личивает емкость и гибкость системы.

Основная причина высокого интереса к внедрению технологии интел-лектуальных антенн в системах подвижной связи заключается в ожи-даемом увеличении емкости систем, измеряемой в интенсивности обслу-живаемого трафика на единицу площади.

Благодаря внедрению этой технологии появляется более точная мера увеличения емкости – спектральная эффективность s, характеризующая величину трафика, приходящегося на единицу площади и на 1 Гц. Значе-ние этого параметра (в Эрл/м2/Гц) рассчитывается по формуле

SWGN

sys

ССs , (5.1)

где NC – количество каналов в соте; GC – предполагаемая загрузка соты трафиком (суммарный объем трафика, приходящего на соту в течение за-данного периода времени); S – площадь соты; Wsys – ширина частотного диапазона, используемого системой.

Величины ожидаемых приростов емкости системы при использова-нии интеллектуальных антенн зависят от способов их применения и до-пущений, сделанных при анализе системы.

Сложная природа явления и взаимосвязь многих параметров вызыва-ют необходимость строить подробные имитационные модели для опреде-ления преимуществ, которые приносят интеллектуальные антенны, вводя некоторые допустимые упрощения. Эти упрощения относятся к распо-ложению подвижных станций в соте, характеру перемещения подвижных станций и влиянию подвижных и базовых станций из других сот.

Ранее были описаны три этапа внедрения технологии интеллектуаль-ных антенн в системы сотовой связи. Приводимая ниже оценка преиму-ществ использования этой технологии связана со вторым и третьим эта-пами. Увеличение спектральной эффективности системы с технологией SFIR по сравнению с обычной системой определяется равным. В системе, использующей технологию SDMA, это преимущество полагается равным

KM , где K не превышает 3 при М = 8 антенных элементов. В [2] приве-ден отчет о результатах моделирования, в котором учитывался хэндовер

116

(эстафетная передача управления трафиком пользователя между сотами одной системы). Предполагалось, что отношение сигнал/внутриканальная помеха уменьшается до уровня, не превышающего порог (9 + 6 = 5) дБ для системы GSM. Величина 9 дБ соответствует установленному в стандарте GSM отношению сигнал/внутриканальная помеха, необходимому для на-дежной работы системы. Дополнительные 6 дБ обусловлены эффектом за-тенения5. Учитывались реальные диаграммы направленности антенн.

В табл. 5.1 приведены подробные результаты моделирования, взятые из работы [2] и позволяющие получить представление о повышение спек-тральной эффективности , благодаря применению технологии интеллек-туальных антенн по сравнению с системами, использующими ненаправ-ленные или секторные антенны.

Таблица 5.1 Повышение спектральной эффективности

Системы с ненаправленными антеннами

Системы с секторными антеннами Секторные антенны

2,3 1,0

SFIR N = 3 2,3 1,0

SFIR N = 1 7,0 3,0

SDMA N = 3 2,8

SDMA N = 1 9,8 5,4

Примечание: N – размер сотового кластера

В исследовании использовалась модель распространения сигнала, при которой излучаемая мощность уменьшается пропорционально четвертой степени расстояния до базовой станции. Размер сотового кластера состав-ляет N = 3 или N = 1, что указывает на возможность использования всего набора несущих в каждой соте.

Сравнив эти величины со стандартными N = 4, в случае использова-ния 120°-секторных антенн в системе GSM или с N = 1 и N = 12 в аналого-вых системах, можно сделать вывод о существенном повышении спек-тральной эффективности, особенно в случае применения технологии SDMA.

Некоторые потери наблюдаются, когда регулировка мощности излу-чения подвижной станции неидеальна. Цена, которую потребуется запла-

5 Запас на медленные замирания.

117

тить за увеличение емкости – это не только усложнение антенного ком-плекса и радиочастотной части приемопередатчика, но и введение допол-нительного блока цифровой обработки сигналов, управляющего диаграм-мой направленности антенной решетки.

Из-за большого числа принятых сигналов существенно усложняются и блоки предварительной обработки приемника, особенно если в каждой ветви используется детектирование по принципу максимального правдо-подобия.

В системах, использующих метод SDMA, также усложняется и поря-док выделения каналов, поскольку алгоритм выделения каналов должен дополнительно учитывать угловое расстояние между подвижными стан-циями. Увеличивается частота передач соединений внутри соты (внутри-сотовый хэндовер).

В целом технология SDMA может рассматриваться как значительный вклад в спектр методов многостанционного доступа – FDMA, TDMA и CDMA.

118

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проектирование – один из наиболее сложных и ответственных этапах развертывания системы мобильной связи, поскольку при этом необходимо обеспечить возможно более близкое к оптимальному соотношение «эф-фективность/стоимость».

Формально задача проектирования проста: выбрать стандарт связи, определить места расположения базовых станций и/или ретрансляторов сигналов, рассчитать размеры коммуникационных ячеек и зоны обслужи-вания и распределить между базовыми станциями имеющие частотные каналы. При этом необходимо стремиться к достижению заданного уров-ня качества обслуживания при минимальном числе базовых станций и максимально возможной сетевой емкости, т. е. при минимальной стоимо-сти инфраструктуры сети. С этой целью целесообразно провести компью-терное моделирование зоны обслуживания и комплексную оценку качест-ва радиопокрытия с помощью многочисленных специализированных САПР и CAE-систем, широко представленных на рынке телекоммуника-ций.

Однако фактически подобная задача представляет собой сложный аналитический процесс.

С одной стороны, чрезмерное сгущение сети (частое расположение базовых станций) невыгодно, т. к. увеличиваются неоправданные затраты и, как следствие, приводит к удорожанию услуг связи, а следовательно – к потере абонентов.

С другой стороны, слишком редкое расположение базовых станций может привести к появлению необслуживаемых «теневых» участков, так называемых «белых пятен», что тем более недопустимо.

Задача дополнительно усложняется трудностью аналитической оцен-ки характеристик распространения сигналов и расчета напряженности по-ля, а также необходимостью учета неравномерности телетрафика в преде-лах зоны обслуживания. Поэтому проектирование систем мобильной свя-зи требует привлечение высококвалифицированных специалистов, имею-щих опыт как в части решения технических (инженерных) задач, так и в вопросах рыночной экономики и характеристик рынка.

Конфигурация и параметры сети существенным образом зависят от условий местности (рельефа, характеристик застройки, наличия промыш-ленных помех и т. п.), поэтому в ходе разработки проекта приходиться

119

выполнять значительный объем расчетов, требующих интенсивного ис-пользования вычислительных средств.

Проектирование представляет собой итерационный (т. е. многократно повторяющийся) процесс и предусматривает выполнение следующих ос-новных этапов:

создание электронной карты территории, т. е. перенос в компьютер топографической карты местности со всеми параметрами и характеристи-ками, существенными для выполнения проекта;

выбор антенных комплексов для базовых станций и ретрансляторов (односекторные, многосекторные);

предварительное проектирование коммуникационных ячеек (сот) и позиций базовых станций (ретрансляторов) с учетом характеристик наме-чаемой к использованию аппаратуры и результатов приближенной оценки энергетического баланса;

предварительный расчет качества радиопокрытия зоны обслужива-ния, полученной на предыдущем этапе электронной схемы-макета, с ис-пользованием имеющихся моделей радиоволн и характеристик местности;

составление территориально-частотного плана зоны обслуживания, представляющего собой распределение частотных каналов в соответствии с принципом повторного использования частот;

предварительная оценка интенсивности телетрафика и емкости для наиболее характерных или критичных участков и сети в целом;

предварительная корректировка составленной схемы для ее ком-плексной проверки и уточнения, с целью выявления несоответствий в вы-полнении предъявляемых требований;

экспериментальные измерения характеристик электромагнитного поля и повторная корректировка электронного макета сети (необходимый объем экспериментальных измерений, а также частота их повторения оп-ределяются на основании опыта разработчиков);

окончательная доводка и корректировка макета; монтаж, настойка и оптимизация оборудования и сети в целом.

После сдачи сети мобильной связи в эксплуатацию ее проектирование не заканчивается: ни одна из существующих сетей не является статичной, ее эксплуатация требует доработки с целью расширения, совершенствова-ния, повышения качества работы.

Оптимальное выполнение перечисленных выше мероприятий вновь требует привлечения специалистов фирмы-проектировщика, т. о. между оператором сети (компанией, предоставляющей населению услуги мо-

120

бильной связи) и разработчиками существует постоянный контакт, преду-сматривающий с одной стороны, обучение технических специалистов компании-оператора в центрах переподготовки, с другой стороны практи-ческим обмен опытом между техническими службами компании-оператора и компании-разработчика для совершенствования методики проектирования и снижения затрат на последующие разработки.

121

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ И РЕКОМЕНДУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Галкин В.А. Цифровая мобильная радиосвязь. Учебное пособие для вузов. – М.: Горячая линия–Телеком, 2007

2 Всеволод Кшиштов Системы подвижной радиосвязи / Пер. с польского И.Д. Рудинского; под ред. А.И. Ледовского. М.: Горячая ли-ния – Телеком, 2006

3 Телекоммуникационные системы и сети: Учебное пособие. В 3 томах. Том 3 – Радиосвязь, радиовещание, телевидение / Б.И. Крук и д.р.; под ред. профессора В.П. Шувалова – Изд. 2-е, испр. и доп. – М.: Го-рячая линия – Телеком, 2005

4 Телекоммуникационные системы и сети: Учебное пособие. В 3 томах. Том 2 – Радиосвязь, радиовещание, телевидение / Г.П. Катунин и д.р.; под ред. профессора В.П. Шувалова – Изд. 2-е, испр. и доп. – М.: Горячая линия – Телеком, 2005

5 Системы мобильной связи: Учебное пособие для вузов/ В.П. Ипа-тов, И.М. Самойлов, В.Н. Смирнов; под ред. В.П. Ипатова. – М.: Горячая линия – Телеком, 2003

6 Информационные технологии в радиотехнических системах: Учебное пособие. – 2-е изд., перераб. и доп./ В.А. Васин, И.Б. Власов, Ю.М. Егоров и др.; Под ред. И.Б. Фелорова. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумонова, 2004

7 Головин О.В. и др. Радиосвязь / Под ред. проф. О.В. Головина. – М.: Горячая линия–Телеком, 2001

8 Мухин А.М. и др. Энциклопедия мобильной связи. В 2-х томах. Том 1. Системы связи подвижной службы общего назначения. / СПб: Нау-ка и техника, 2001

9 Ротхаммель К., Кришке К. Антенны. Тома 1 и 2.: Пер. с нем. – Мн. ОМО «Наш город», 2001

10 Андрианов В.И., Соколов А.В. Сотовые, пейджинговые и спут-никовые средства связи. – СПб.: BHV-Петербург, Арлит, 2001

11 Невдяев Л.М. Мобильная спутниковая связь 3-го поколения. Справочник. Серия изданий “Связь и бизнес”, М.: МЦНТИ, 2000

12 Андрианов В.И., Соколов А.В. Средства мобильной связи – СПб.: BHV-Петербург, Арлит, 1998

13 Ратынский М.В. Основы сотовой связи / Под ред. Д.Б. Зимина. – М.: Радио и связь, 1998

Состав учебно-методического комплекса

по дисциплине “Системы мобильной связи”

Программа дисциплины

Тестовые вопросы и задания для самоконтроля и подготовки к экзамену

Методические указания по выполнению сквозного лабораторного практикума

Принципы организации, функционирования и частотного планирования систем мобильной связи. Учебное пособие

Электромагнитная совместимость систем связи подвижной службы. Учебное пособие

Системы пейджинговой связи. Учебное пособие

Системы сотовой связи. Учебное пособие

Системы транкинговой связи. Учебное пособие

Системы космической связи. Учебное пособие

Программные комплексы автоматизированного проектиро-вания и частотного планирования систем мобильной связи. Учебное пособие