Особенности радиоканалов в системах мобильной связи

Основу территориального планирования сетей GSM составляет энергетический расчет, в процессе которого, исходя из типа системы связи, свойств среды распространения радиоволн в диапазоне ее рабочих частот и требуемых выходных параметров системы (качество обслуживания и информационная нагрузка), определяются ее архитектура и пространственные координаты. По сути, энергетический расчет базируется на уравнениях передачи, отражающих взаимосвязь между мощностью сигнала на входе приемника, мощностью передатчика и параметрами трассы связи.

При определении энергетических характеристик каналов учитывают следующие типовые данные [25,41].

– Мощность полезного сигнала на входе приемника Рпрм, минимально необходимая для обеспечения удовлетворительного качества приема, должна превышать мощность собственных и внешних шумов на 10...20 дБ. При этом чувствительность приемника БС и МС по радиовходу составляет -100...-104 дБм. Следовательно, предметом для оценок эффективности является определение территориальной зоны вокруг каждой базовой станции, в пределах которой будет выполняться условие Рпрм > Pmin. Главным элементом таких оценок являются расчеты энергетики отдельных радиолиний между базовыми и мобильными станциями.

- Пороговое значение – минимально допустимая величина отношения сигнал/помеха, которая необходима для обеспечения требуемого качества связи. Для сетей GSM пороговое значение отношения сигнал/помеха (с/п) составляет 9 дБ.

- Подавление смежных каналов – это увеличение отношения с/п при передаче полезного и мешающего радиосигналов в смежных каналах с тем же качеством, как если бы они передавались в одном канале. Типовое значение подавления смежных каналов с учетом частотных ошибок, спектральных замираний и фильтрации полезного и мешающего сигналов, составляет 18 дБ.

- Коэффициент усиления антенны БС определяется типом антенной системы и составляет порядка 12... 18 дБ; антенны МС порядка 2...5 дБ относительно полуволнового вибратора (коэффициент усиления которого равен 2 дБ относительно изотропной антенны).

- Критерием недопустимого мешающего воздействия является выполнение на входе приемника МС следующего неравенства [41]:

10lg[Рc / (Pш+ )] - Kр<A (7.1)

где Рс – мощность сигнала на входе, Вт; Рш – мощность теплового шума, Вт; Pi – мощyость i-й помехи в совмещенном канале, Вт; Рj – попадающая в полосу пропускания приемника МС мощность внеполосного излучения j-го передатчика, частота которого отстоит на 200 кГц или 400 кГц от рабочей частоты приемника, Вт;

А = 9 дБ – норма защитного отношения с/п; Кр – коэффициент, учитывающий воздействие релеевских замираний и других факторов, дБ.

При рассмотрении основных механизмов распространения радиоволн пространство между передающей и приемной антеннами по дальности условно разбивается на три области: прямой видимости, полутени и тени (разумеется, их протяженность зависит от высот антен). В области прямой видимости преобладают механизмы отражения радиоволн от поверхности Земли, т.е. законы геометрической оптики, поэтому эта область ограничена рас-

стоянием порядка R = 4,12( + ), где h1 и h2 – соответственно высота подвеса передающей и приемной антенн, м. Для расчета уровня поля в точке приема для этого случая Б.А. Введенским была выведена удобная формула [12]:

E=2,18 (7.2)

где Е – напряженность поля, мВ/м; R – длина трассы связи в км, Рпрд – мощность передатчика в киловаттах, Gnpд – коэффициент усиления передающей антенны, длина волны , м.

В городской среде сигнал от излучателя с мощностью Рпрд и коэффициентом усиления Gnpд, размещенного на высоте h1, поступает в точку приема в виде прямой волны по траектории R (см. рис. 7.1), а также за счет отражения радиоволн от препятствий (траектория R0), дифракции (траектория Rд) и рассеяния (траектория Rp). Препятствиями являются естественные элементы рельефа местности, городская застройка и транспорт.

В [41] для данных условий распространения сигнала приводится также широко распространенная формула расчета напряженности электрического поля прямой волны:

E = (60РпрдGпрд) V/R, (7.3)

где V=E/E0 – множитель ослабления напряженности поля свободного пространства Ео. Множитель ослабления зависит, как правило, случайным образом от рабочей частоты сигнала, поляризации радиоволн, протяженности радиолинии, траектории в среде распространения, условий отражения, преломления и рассеяния радиоволн в среде, характера дифракции и рефракции в среде, интерференции радиоволн, направленных свойств антенн и пр.

Рис. 7.1. Основные механизмы распространения волн в сотовой связи

Мощность сигнала на входе приемника Рпрм (дБм) при известной напряженности поля в точке приема Е (дБмкВ/м) может быть определена с использованием следующего соотношения [41]:

Pпрм = E + Gnpм -Bф -20lgf-77,2, (7.4)

где Gnpм – коэффициент усиления приемной антенны; Bф – потери в приемном антенно-фидерном тракте, дБ;

f— частота сигнала, МГц.

В случае, если на трассе распространения отсутствуют объекты, поглощающие или отражающие радиоволны (модель распространения в свободном пространстве), то мощность радиосигнала на входе приемника определяется по формуле [5]:

PпрдGпрдGпрм

Pпрм = ---------------------- (7.5)

(4 R) LдопLп

Величина Lдоп отражает дополнительные потери, обусловленные целым комплексом причин, включая ослабление сигнала в соединительных разъемах, потери из-за несовпадения поляризации антенн и т.п.

Выразив в децибелах, входящие (7.5) характеристики, данное выражение может быть (представлено в следующем виде:

Pпрм =Pпрд +Gпрд +Gпрм + Lсв+ Lдоп+Lп (7.6)

(Здесь: Lсв = 201g[ /4 R] – потери энергии сигнала при распространении в свободном пространстве; Lдоп – дополнительные потери; Gпрм, Gпрд – коэффициенты усиления приемной и передающей антенн.

Величина Lп характеризует запас помехоустойчивости к внешним помехам, величина которого определяется электромагнитной обстановкой в районе, где «прокладывается» радиолиния, и, как правило, задается в пределах от 5 до 15 дБ. Кроме того, при использовании внешних антенн, подключаемых к радиооборудованию с помощью коаксиальных кабелей, необходимо знать длину кабелей и величину погонного затухания в них, выражаемого в дБ/м. Результирующее затухание в кабелях добавляется к величине Lдоп. Коэффициент отражения от поверхности земли зависит от ее характеристик, угла падения волны и ее поляризации (вертикальная или горизонтальная). Анализ показывает, что на частотах 800...900 МГц коэффициент отражения от поверхности земли превышает 0,9 для углов падения меньше 10° при вертикальной поляризации. Разность фаз прямой и отраженной волн при расстоянии d > (5h1 h2) составляет = 4 5h1h2 / d, где h1 и h2 – высоты антенн базовой и мобильной станций соответственно. При этом мощность сигнала на входе приемника при его распространении над плоской поверхностью приближенно можно определить по формуле [5]:

Pпрм = PпрдGбсGмс() (7.7)

Однако наличие различных неровностей земли и препятствий на пути распространения сигнала делают расчет потерь при распространении намного сложнее. На распространение радиоволн существенное влияние оказывает положение антенны. Типы поверхностей земли принято классифицировать, так как величина затухания сигнала меняется в зависимости от вида объектов, находящихся на пути распространения радиоволн. Определим три основных типа поверхностей земли:

- открытая местность – участки с небольшим числом препятствий, таких как деревья или строения;

- пригородные зоны – участки с одноэтажными домами, небольшими строениями и деревьями, часто находящиеся поблизости от подвижного объекта;

- городские районы – участки, плотно застроенные высотными зданиями и многоэтажными домами.

Очевидно, что уровень сигнала заметно флуктуирует из-за изменения высоты зданий, ширины улиц, характера местности. Если рассматривать медианные значения мощности принимаемых сигналов, то видно, что уровень сигнала уменьшается быстрее, чем растет расстояние между подвижным объектом и базовой станцией.

Одним из сложнейших вопросов, возникающих на всех этапах проектирования и полроения ССПС, является учет особенностей распространения радиоволн от передающей антенны БС до радиостанции абонента сети в реальных условиях.

При работе большого числа МС, перемещающихся зачастую в сложных условиях пересеченной, неоднородной по своим электрофизическим свойствам местности, или на территории современных городов с их сложной архитектурной планировкой, предсказание уровня принимаемого сигнала, т.е. достоверный расчет затухания на трассе распространения, да еще с учетом сезонных, суточных и случайных изменений климатических условий и других факторов, становится в разряд сложнейшей радиотехнической проблемы. Не случайно, та вопросы расчета энергетических потерь радиоволн частотных диапазонов VHF и UHF получили широкое освещение в научно-технической литературе последних десятилетий [4-6, 9-11, 25, 30, 31, 34, 36, 38, 40-42,46,47, 67, 70.]

При этом необходимо учитывать множество факторов как общего характера, так и связанных с характерными особенностями распространения радиоволн над рельефом конкретного географического региона, в котором предполагается развернуть систему мобильной радиосвязи [23]. К таким факторам, кроме потерь распространения в свободном пространстве LCB и потерь в антенно-фидерных трактах приемопередающего оборудования, относятся дополнительные потери Lдоп:

- дифракционные потери на огибание Земли и затеняющих препятствий на трассе;

- потери дифракции, поглощения, рассеяния в лесопарковых зонах;

- интерференционные потери (замирания) вследствие отражений радиоволн случайного характера от поверхности Земли и каких-либо объектов на трассе связи с МС, находящейся в движении;

- рассеяние энергии сигнала на неровностях поверхности Земли по трассе;

- поглощение и рассеяние радиоволн в водяных парах, осадках и т.п.;

- потери за счет отрицательной рефракции в атмосфере и т.д.

Трассам распространения между базовой и подвижными станциями практически всегда присущи явления отражения, рассеяния, поглощения энергии радиоволн различными объектами. Этим обусловлен эффект многолучевого распространения – главной причины замираний сигналов в приемнике. Причем различные механизмы образования многолучевости случайно проявляются во времени и в пространстве.

Канал связи является важнейшей и неотъемлемой частью любой телекоммуникационной системы. В мобильных средствах сотовой связи он как физическая среда распространения радиоволн, несомненно, имеет свою специфику [24]:

- зоны действия сотовой связи – города и пригороды – районы с той или иной плотностью застройки;

- МС, как правило, находится вне зоны прямой радиовидимости БС, и сигналы в точку приема поступают в ходе переотражения и дифракции;

- передвижение мобильных абонентов во время сеанса связи вносит в сигналы допплеровские частотные сдвиги;

- наличие большого количества отражателей приводит к эффекту рассеяния электромагнитных волн и многолучевому распространению.

Известно, что используемые в сотовых сетях дециметровые волны слабо огибают препятствия, испытывая многочисленные отражения от окружающих объектов и подстилающей поверхности. В результате МС принимает множество интерферирующих сигналов-копий. Одним из следствий такого многолучевого распространения является более быстрое, чем в свободном пространстве, убывание интенсивности принимаемого сигнала с расстоянием. Другое следствие – замирания и искажения результирующего сигнала [26, 30, 39].

Вследствие отмеченных явлений в канале связи имеют место: затухание сигналов; медленные замирания сигналов; быстрые замирания сигналов.

По мере удаления МС от БС напряженность поля убывает нелинейно (рис. 7.2). Изменение среднего значения напряженности поля в зависимости от расстояния МС от БС называют затуханием, а флуктуации – замираниями.

При сложении нескольких сигналов, пришедших по разным путям и имеющих в точке приема в общем случае разные фазы, результирующий сигнал может быть как выше среднего уровня, так и заметно ниже, а замирания сигнала, образующиеся при взаимной компенсации сигналов вследствии неблагоприятного сочетания их фаз и амплитуд, могут быть достаточно глубокими.

Рис. 7.2. Зависимость напряженности поля от расстояния между МС и БС

Колебания уровня принимаемого сигнала (замирания) имеют две составляющие – быструю и медленную.

Затухание сигналов характеризуют средними потерями мощности на трассе распространения между БС и МС. Величина потерь зависит от дальности связи, типа и плотности застройки, несущей частоты, высоты антенн БС и МС и многих других факторов. Как правило, в зависимости от дальности связи мощность сигнала затухает со скоростью 20...40 дБ/декада, т.е. при увеличении дистанции БС-МС в 10 раз потери возрастают в 100... 10000 раз.

В наиболее общем случае, когда движется МС и, соответственно, случайно изменяются многочисленные отражающие и рассеивающие объекты, результирующий сигнал на входе приемника представляет собой векторную сумму всех парциальных волн с различными временем и углами прихода [46]. Все это приводит к искажению формы принимаемого сигнала, изменению его параметров и, следовательно, к потере получаемой информации. Поэтому распространение радиоволн между базовой станцией и подвижными объектами при расчетах обычно описывается физическими и математическими моделями, которые учитывают медианные величины статистических характеристик сигналов.