 |
Единицы измерения уровней радиосигналов
|
|
|
|
Курсовая работа
По дисциплине: «Проектирование систем мобильной связи»
По теме: «Исследование моделей затухания радиоволн в городских условиях»
| Выполнил: | Зырянов Владимир |
| Валентинович | |
| Студ. билет №: | |
| Группа: | ЗРМ-21 |
| Вариант: | |
| Проверил: | Петров Виктор |
| Петрович |
Содержание
Задание. 3
Теоретическая часть. 4
Основные положения. 4
Единицы измерения уровней радиосигналов. 5
Модель Окамуры-Хата. 7
Модель COST231-Хата. 8
Модель COST 231-Уолфиш-Икегами. 8
Результаты исследований. 11
Задание
1. Провести сравнительные исследования эмпирических моделей затухания радиоволн Окамуры-Хата, COST 231-Хата и COST 231 Уолфиш-Икегами при заданных характеристиках канала связи для варианта 4 методических указаний;
2. Рассчитать и построить графики: L(f) в диапазоне 0,8 – 2,0 ГГц для трех моделей отдельно при расстояниях 1км и 5км при высоте антенны базовой станции hбс = 50;
3. Отчет по работе оформить с наличием следующих разделов: 1) задание, 2) теоретическая часть (текст прилагается) и 3)результаты исследований – два рисунка с тремя графиками каждый.
Примечание: расчет модели COST231Уолфиш-Икегами выполнить только для случая прямой видимости.
Теоретическая часть
Основные положения
Исследования распространения радиоволн в городских условиях имеют большое значение в теории и технике связи. Действительно, в городах проживает наибольшее число жителей (потенциальных абонентов), а условия распространения радиоволн существенно отличаются от распространения в свободном пространстве и полусвободном пространстве. В последнем случае понимается распространение над регулярной земной поверхностью, когда диаграмма направленности не пересекается с земной поверхностью. В этом случае при направленных антеннах ослабление радиоволн определяется формулой:
|
|
|
L = 32,45 + 20(lgdкм + lgfМГц) – 10 lgGпер – 10lgGпр, дБ =
= L0 - 10 lgGпер – 10lgGпр, дБ. (1)
где L0 – основное ослабление свободного пространства, дБ;
dкм – расстояние между передатчиком и приемником, км;
fМГц – рабочая частота, МГц;
Gпер и Gпр – коэффициенты усиления передающей и приемной антенн соответственно, дБи.
Основное ослабление L0 определяется при изотропных антеннах, которые излучают равномерно во всех направлениях и принимают также. Поэтому ослабление возникает за счет рассеивания энергии в пространство и малого поступления на приемную антенну. При использовании направленных антенн, ориентированных главными лучами навстречу друг другу, ослабление уменьшается в соответствие с уравнением (1).
Задачей исследования является определение радиоканала, несущего сообщение (радиосигнал), который обеспечивает требуемое качество и надежность связи. Канал связи в городских условиях не является детерминированной величиной. Кроме прямого канала между передатчиком и приемником существуют интерференционные помехи, обусловленные многочисленными отражениями от земли, стен и крыш сооружений, а также прохождением радиосигнала сквозь здания. В зависимости от взаимного положения передатчика и приемника возможны случаи отсутствия прямого канала и за принятый сигнал в приемнике приходится считать сигнал с наибольшей интенсивностью. В мобильной связи, когда антенна абонентского приемника находится на высоте 1 – 3 метра от земли, эти случаи являются доминирующими.
Статистический характер принимаемых сигналов требуют предположений и ограничений, в рамках которых возможно принятие решений. Основным допущением является стационарность случайного процесса при независимости интерференционных помех друг от друга, то есть отсутствие взаимной корреляции. Реализация таких требований привела к
|
|
|
разделению городских каналов радиосвязи к трем основным видам: каналы Гаусса, Райса и Релея.
Гауссов канал характеризуется наличием доминирующего прямого луча и малыми помехами. Математическое ожидание ослабления радиосигнала описывается нормальным законом. Этот канал присущ телевизионным сигналам с телебашни при приеме на коллективные антенны на жилых зданиях. Канал Райса характеризуется наличием прямых лучей, а также отраженных и прошедших сквозь здания лучей и наличии дифракции на зданиях. Математическое ожидание ослабления радиосигнала описывается распределением Райса. Этот канал присущ сетям с поднятой антенной над зданиями городской неплотной застройки.
Канал Релея характерен отсутствием прямых лучей и радиосигнал на подвижную станцию попадает за счет переотражений. Математическое ожидание ослабления радиосигнала описывается распределением Релея. Этот канал присущ городам с высотной застройкой.
Виды каналов и их функции плотности распределения принимаются во внимание при разработке моделей распространения сигналов в городских условиях. Однако обобщенной статистики недостаточно при расчете конкретных условий распространения, при которых ослабление сигналов зависит от частоты, от высоты подвеса антенн и характеристик застройки. Поэтому при внедрении сотовой связи и необходимости частотно-территориального планирования стали проводиться экспериментальные исследования ослабления в различных городах и условиях распространения. Первые результаты исследований, ориентированные на мобильную сотовую связь, появились в 1989 году (W.C.Y.Lee). Однако ещё раннее, в 1968 году (Y.Okumura) и в 1980 году (M.Hata) опубликовали результаты исследований ослабления радиоволн в городе, ориентированные на мобильную транкинговую связь и телевещание.
Дальнейшие исследования проводились при поддержке Международного телекоммуникационного союза (ITU) и были направлены на уточнение условий применимости моделей.
Ниже рассмотрены модели, получившие наибольшее распространение при проектировании сетей связи для городских условий.
|
|
|
Единицы измерения уровней радиосигналов
На практике для оценки уровня радиосигналов используются два вида единиц измерений: 1) на основе единиц мощности и 2) на основе единиц напряжения. Поскольку мощность на выходе антенны передатчика на много порядков выше мощности на входе антенны приемника, то используются кратные единицы мощности и напряжения.
Кратность единиц выражается в децибелах (дБ), которые являются относительными единицами. Мощность обычно выражается в милливаттах или в Ваттах:
РдБмВт = 10 lg (P/1 мВт), (2)
РдБВт = 10 lg (P/ 1 Вт). (3)
Например, мощность, равная 100 Вт, в приведенных единицах будет равна: 50 дБмВт или 20 дБВт.
В единицах напряжения за основу принимается 1 мкВ (микровольт):
UдБмкВ = 20 lg (U/ 1 мкВ). (4)
Например, напряжение, равное 10 мВ, в приведенных относительных единицах равно 80 дБмкВ.
Относительные единицы мощности используются, как правило, для выражения уровня радиосигнала передатчика, относительные единицы напряжения – для выражения уровня сигнала приемника. Связь между размерами относительных единиц может быть получена на основе уравнения P = U2/R или U2 = PR, где R есть входное сопротивление антенны, согласованное с подводящей к антенне линией. Логарифмируя приведенные уравнения, и, принимая во внимание уравнения (2) и (4), получим:
1 дБмВт = 1 дБмкВ – 107 дБ при R = 50 Ом; (5а)
1 дБмВт = 1 дБмкВ – 108,7 дБ при R = 75Ом. (5б)
Для выражения мощности передатчика часто используют характеристику – эффективная излучаемая мощность – ЭИМ. Это мощность передатчика с учетом коэффициента усиления (КУ = G) антенны:
ЭИМ (дБВт) = Р (дБВт) + G (дБи). (6)
Например, передатчик мощностью 100 Вт работает на антенну с коэффициентом усиления 12 дБи. Тогда ЭИМ = 32 дБВт, или 1,3 кВт.
При расчете зон покрытия базовой станции сотовой связи или зоны действия передатчика эфирного телевидения следует учитывать коэффициент усиления антенны, то есть пользоваться эффективной излучаемой мощностью передатчика.
Коэффициент усиления антенны имеет две единицы измерения: дБи (dBi) – коэффициент усиления относительно изотропной антенны и дБд (dBd) –коэффициент усиления относительно диполя. Они связаны между собой соотношением:
|
|
|
G (дБи) = G (дБд) + 2,15 дБ. (7)
Следует принимать во внимание, что коэффициент усиления антенны абонентской станции обычно принимают, равным нулю.
Модель Окамуры-Хата
Первичный вариант модели Окамуры и его соавторов рассчитан на следующие условия применения: диапазон частот (150 – 1500) МГц, расстояние между подвижной и базовой станциями – от 1 до 100 км, высота антенны базовой станции – от 30 до 1000 м.
Модель построена на сравнении ослабления в городе с ослаблением в свободном пространстве с учетом корректирующих составляющих, зависящих от частоты, высоты антенн базовой и подвижной станций. Составляющие представлены в виде графиков. Большие расстояния и высоты базовых станций больше подходят для телевещания, чем для сотовой связи. Кроме того, разрешающая способность графиков невысока и менее удобна, чем аналитическое описание.
Хата аппроксимировал графики Окамуры аналитическими соотношениями, сократил диапазон частот до 1500 МГц (у Окамуры он был завышенным и не отвечал требуемой достоверностью оценки ослабления), сократил диапазон расстояний от одного до двадцати километров, а также сократил высоту антенны базовой станции до 200 метров и внёс уточнения в некоторые составляющие модели Окамуры. В результате модернизации Хата модель получила название Окамуры-Хата и пользуется популярностью для оценки ослабления ТВ сигналов и в сотовой связи в диапазоне до 1000 МГц.
Для города ослабление мощности L в децибелах (дБ) описывается эмпирической формулой:
L,дБ=69,55 + 26.16 lgf - 13.83lg 
+(44.9-6,55 
lg d– a( 
), (8)
где f – частота в МГц,
d - расстояниемежду базовой и абонентской (мобильной) станцией в км,
, - высота подвеса антенн базовой и абонентской станциями.
В формуле (8) составляющая a( )определяет влияние высоты антенны абонентской станции на ослабление мощности сигнала.
Для среднего города и средней высоты застройки эта составляющая определяется формулой:
a( ) = (1.1 lgf – 0.7) 
– 0,8, дБ. (9)
Для города с высокой застройкой a( ) определяется формулой:
a( ) = 8,3 (lg 1,54 
)2 – 1,1 для f < 400 МГц; (10)
a( ) = 3,2 (lg 11,75 )2 – 5 для f > 400 МГц. (11)
В пригородной местности потери при распространении сигнала больше зависят от частоты, чем от высоты антенны абонентской станции, а, потому, к уравнению (8) с учетом уравнения (9) добавляется составляющая Δ L,дБ, определяемая уравнением:
Δ L,дБ = - 5,4 – (lg (0,036 f))2. (12)
В условиях открытой местности Δ L,дБ при изотропных антеннах описывается уравнением:
|
|
|
Δ L,дБ = - 41 – 4,8 (lgf)2+ 18,33 lgf. (13)
Недостатком модели Окамуры-Хата является ограничение диапазона частот до 1500 МГц и невозможность её использовать для расстояний менее одного километра.
В рамках проекта COST 231 Европейского Союза (Cooperation for Scientificand Technical Research) были разработаны две модели, которые устраняли отмеченные недостатки модели Окамура-Хата. Эти модели рассмотрены ниже.
Модель COST231-Хата
Могенсен (Mogensen) ccоавторами предложил расширить модели Окамуры и Хата на диапазон частот от 1500 до 2000 МГц, сохранив остальные параметры, как в модели Хата:
1 <d< 20 км, 
< 200 м, 1 < < 10 м.
Модель позволяет оценивать ослабление по формуле:
L = 46,3 + 33,9 lg f – 13,8 lghb – a(ha) + (44,9 – 6,55 lghb) lg d + C, дБ, (14)
где С = 0 для средних городов и пригородных районов и С = 3 для центров крупных городов.
Данная модель не подходит для оценки ослабления сигнала при расстояниях между абонентской и базовой станциями менее 1 км. На коротких расстояниях более сильно проявляется характер застройки. Для этих случаев разработана модель COST231-Уолфиш-Икегами.
|
|
|
