Основные подходы к прогнозированию и определению зон радиопокрытия в системах подвижной связи

Проектирование сотовых сетей связи предполагает решение большого комплекса организационно-технических задач, среди которых важное место занимает разработка методик расчета зон радиопокрытия обслуживаемой территории. Для решения этого круга задач характеристики систем при работе по радиоканалу оценивают, заменяя реальную среду распространения радиосигнала некоторой адекватной моделью. В данном разделе рассмотрены основные характеристики радиоканалов и математические модели анализа электромагнитной обстановки для расчета средних потерь мощности на трассе распространения сигнала и зон радиопокрытия обслуживаемой территории.

В общем случае при планировании сетей мобильной связи и расчете радиополя в системах подвижной радиосвязи используются, как правило, детерминистские и статистические подходы, позволяющие определить медианное значение сигнала в условиях статистически однородного города и учесть локальные особенности отдельных городских районов, пригородной зоны и открытой местности [10, 11, 34, 36, 38, 39]. Детерминистские методы предполагают постоянство параметров сигналов и радиоканала, а статистические методы учитывают случайный характер сигналов и параметров радиоканала и основаны на усреднении большого числа эмпирических данных.

В ряде работ предпринимаются попытки получения адекватных математических моделей описания электромагнитной сигнально-помеховой обстановки и соответствующих аналитических выражений [4-6, 9, 31, 40-42,47].

Задача частотно-территориального планирования сотовых сетей связи решается на основе прогнозирования зон обслуживания и взаимных помех радиосредств сети. При этом с целью уменьшения пространственной неопределенности используются не местоположение подвижных объектов, а элементы пространственного разрешения (ЭПР) зон покрытия сети, называемые по терминологии У.К. Джейкса «глобальными и локальными зонами перемещения объектов» [47].

Статистические методы прогноза основываются на презентативной выборке измерений реальных сигналов. В соответствии с ними зоны покрытия базовых станций моделируются кругом, радиус которого соответствует заданному проценту глобальных зон с качественной связью на его границе, или определяется граница зоны покрытия как совокупность точек удалений ЭПР от базовых станций по азимутальным углам до достижения в них показателями качества связи своих предельных значений [5].

Детерминированные методы прогноза основаны на учете влияния препятствий на трассе распространения сигнала от базовых станций до ЭПР и местных условий в ЭПР и используют фундаментальные принципы теории распространения радиоволн. Цель подобных методов – снижение величины дисперсии прогнозируемых величин путем более точного учета особенностей конкретных трасс, в том числе планировки района, рельефа местности и т.п.

Типовая модель радиоканала мобильной радиосвязи включает в себя относительно высокоподнятую неподвижную, стационарную антенну базовой станции и движущегося абонента с низкорасположенной антенной. Среда распространения радиосигнала (например, городская застройка) содержит множество препятствий на прямой, соединяющей антенну базовой станции с антенной абонента. Соответственно, существует только относительно короткий участок распространения по прямой видимости и множество трасс прохождения радиосигнала с переотражением. Во многих случаях существует более одного пути распространения радиоволн, и эта ситуация называется многолучевым распространением.

Трасса распространения радиосигнала изменяется при перемещениях подвижного абонента и движении окружающих предметов. Даже малейшее перемещение приводит к изменению во времени условий многолучевого распространения, и как следствие, к изменению параметров принимаемого сигнала. В общем случае в условиях многолучевого распространения радиоканал может моделироваться как случайным образом изменяющаяся во времени среда распространения. Сигнал в точке приема представляет сумму компонентов переданного сигнала, пришедших в точку приема по различным путям с переотражениями. Это вызывает изменения уровня сигнала в точке приема, случайные колебания фазы принимаемого сигнала (фазовый шум) и временное рассеяние передаваемых символов сигнала [40].

Уровень принимаемого сигнала сильно изменяется во времени, особенно при перемещении абонента. Перемещение лишь на долю длины волны может вызвать изменение принимаемого уровня более чем на 30 дБ. При этом уровень сигнала испытывает флуктуации, известные как быстрые (кратковременные) замирания. С другой стороны, локальное среднее уровня сигнала медленно изменяется при перемещении. Эти медленные флуктуации, называемые также затенением сигнала, зависят в основном от характеристик среды распространения. Причиной затенения являются особенности рельефа местности вдоль трассы распространения. Статистический анализ многочисленных измерений показывает, что эффект затенения в городских и пригородных условиях распространения хорошо аппроксимируется логнормальным распределением [5, 40]. Модели распространения, применяемые для энергетического расчета радиоканалов, часто не принимают во внимание быстрые замирания уровня сигнала, а только оценивают его среднюю (медианную) величину.

Очевидно, что полностью детерминистский метод расчета поля крайне затруднителен не только из-за очень большого объема вычислений, но и из-за невозможности даже в приближении физической оптики или геометрической теории дифракции, априорно задать с достаточной точностью некоторые эквивалентные коэффициенты отражения от всех встречающихся в городской застройке типов зданий, с учетом неоднородности поверхности стен и сложной конфигурации.

Тем не менее, в ряде работ, например в [9, 10, 38], получены вполне удовлетворительные результаты применительно к микросотовым системам, когда ограничиваются расчетом поля в районах, непосредственно примыкающих к базовой станции. Этому, в частности, способствовало предварительно проведенное специальное исследование зависимости коэффициента отражения от высоты выступов на стенах зданий в исследуемом районе.

Попытки применить детерминистский подход для расчета поля на больших территориях связаны с рядом дополнительных ограничений. Так, в [38] здания рассматриваются как идеальные отражатели; отраженное поле рассчитывается по формулам, справедливым лишь для дальней зоны, (хотя точки, находящиеся в ближней зоне, представляют не меньший, если не больший интерес) а поле, переизлученное затеняющими объектами в направлении от источника, игнорируется.

Для уменьшения объема вычислений город разбивается на отдельные районы. При расчете поля в пределах каждого района учитываются только его параметры застройки, что приводит к погрешностям, влияющим не только на абсолютный уровень поля, но и на конфигурацию теневых зон. Интерференционные явления, по сути, не рассматриваются, в районе интерференции дается оценка интенсивности только одного из переотраженных лучей, что в конечном счете противоречит самой идее детерминистского подхода.

В [38] подводится итог краткому обзору основных подходов к расчету радиополя в городских условиях.

1. Известные статистические методы дают достаточно надежную информацию о среднем значении поля, по крайней мере, для статистически однородного города. Эти методы позволяют найти как зоны потенциально уверенного приема (освещенные области или зоны радиовидимости), так и зоны (определяемые рельефом местности, расстоянием до БС, рядом других причин), занимающие достаточно обширные территории, в которых качество и надежность связи не гарантируются (зоны радиотени). Следует заметить, что статистические методы по самой своей сути не обеспечивают возможностей учета индивидуальных особенностей трасс, в частности, прогнозирования локальных теневых зон, возникающих внутри освещенных областей из-за влияния крупных строений.

2. Для микросотовых систем, в принципе, можно при расчете поля использовать и детерминистский подход, обеспечивающий более точный учет конкретных особенностей застройки и рельефа.

3. Для расчета поля при больших размерах обслуживаемой территории использование чисто детерминистских методов вряд ли оправданно из-за отсутствия априорной информации об отражающих свойствах объектов, сложности их конфигурации, необходимости учета огромного числа объектов и ряда других причин, указанных выше. Кроме того, в областях, где средняя интенсивность поля превышает пороговый уровень, необходимый для осуществления надежной связи, полный анализ характеристик поля, обеспечиваемый детерминистскими методами, не представляет существенного интереса.

4. При больших размерах обслуживаемой территории наиболее целесообразным представляется сочетание статистических и детерминистских подходов, когда детерминистский метод используется только для прогнозирования локальных теневых зон, обусловленных крупными строениями, а среднее значение поля в освещенных областях определяется с помощью статистических методов. При этом теневые зоны следует прогнозировать только при достаточном удалении от БС, поскольку вблизи БС даже в теневых областях, где уровень поля снижается на 20-30 дБ, связь, как правило, возможна.

Комплексный подход к расчету радиополя сводится к следующему: влияние всего дальнего окружения, полный учет которого детерминистским методом принципиально невозможен, оценивается статистическим, а влияние ближних препятствий, определяющих зоны тени, – детерминистским методом. Подобный подход позволяет существенно уменьшить ошибки расчета, свойственные детерминистским подходам, когда для сокращения необходимого объема вычислений при расчете поля (в том числе и теневых зон) в исследуемом районе учитываются только здания, находящиеся в пределах этого района.

Указанные ошибки особенно велики для низкорасположенных точек наблюдения и в большей степени проявляются в тех точках района, которые находятся на максимальном расстоянии от БС. Объясняется это тем, что для низкорасположенных точек резко возрастает вероятность прихода волн с направления, противоположного направлению на БС, и близких к нему, но именно эти отражения и игнорируются.