CC BY
74
2. Ширялкин, А. Ф. Стандартизация и техническое регулирование в аспекте качества продукции: учебное пособие / А. Ф. Ширялкин. - Ульяновск :УлГТУ, 2006.- 196 с.
3. Классификатор ЕСКД. Классы 71, 72, 73, 74, 75. Иллюстрированный определитель деталей. - М.: Изд-во стандартов, 1986. - 401 с.
4. Единая система конструкторской документации : справочное пособие. - М. : Изд-во стандартов, 1989. - 256 с.
5. ГОСТ 2.113-75 «Групповая конструкторская базовая документация». - М. : ИПК Издательство стандартов, 2002 - 30 с.
* • %
Запольский Юрий Александрович, инженер-конструктор, специалист в области автоматизации проектирования и управления подготовкой производства и классификации объектов производства.
Ширялкин Александр Федорович, доцент кафедры «Управление качеством», кандидат технических наук, зав. лабораторией «Измерения и экспертиза». Имеет труды в области подготовки и управления производством и классификации объектов производства.
УДК 621
Н. М. КУЗНЕЦОВА
МОДЕЛЬ МНОГОЛУЧЕВОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ СИГНАЛА В ЗАДАЧАХ ЧАСТОТНО-ТЕРРИТОРИАЛЬНОГО ПЛАНИРОВАНИЯ СЕТЕЙ СОТОВОЙ СВЯЗИ
Предлагается обобщённая модель лучевого распространения радиосигнала в условиях различной застройки местности, а также описываются основные особенности разработанного на базе указанной модели программного продукта.
Ключевые слова: частотно-территориальное планирование, многолучевая модель.
В настоящее время одним из наиболее востребованных направлений в области телекоммуникаций является частотно-территориальное планирование сетей сотовой связи. Данная задача имеет большое как прикладное, так и фундаментальное значение, представляя из себя отдельное исследование, связанное с электродинамическим моделированием распространения радиоволн в неоднородных средах [1].
Сложность непосредственного вычисления полей, создаваемых базовыми станциями в каждой точке пространства сопряжена с необходимостью точного определения параметров каждого препятствия (домов, деревьев и т. д.), что, в свою очередь, требует детальной проработки карты местности. Следует отметить, что подобные методы (к примеру, метод конечных элементов) существуют и реализованы в определённых программных пакетах (например, Регп-ЬаЬ), однако используются лишь в ограниченном
Н. М. Кузнецова, 2007
наборе локальных задач, как то: расчёт покрытия и мощности сигнала беспроводных сетей в зданиях, моделирование взаимодействия излучения мобильного телефона с человечески организмом и пр. Модели, основанные на полуфеноменоло-гических методах, в свою очередь, являются более простыми в плане расчёта радиопокрытия, но значительно уступают в точности полученных результатов. В случае же масштабного планирования сетей, призванных охватывать площади, измеряемые квадратными километрами или даже десятками километров, имеется острая необходимость в создании некоего подхода, достаточно точного и, в то же время, - максимально простого, позволяющего рассчитывать необходимые параметры как самих базовых станций, так и их пространственного расположения.
Проведённый анализ существующих моделей распространения радиосигнала [2-7] позволил сделать следующие выводы:
1. Приближение свободного распространения лучей в пространстве, прообразом которого является приближение геометрической оптики,
применяемое для описания распространения световых пучков, будучи весьма привлекательным своей простотой и физической прозрачностью, в существующем виде практически неприменимо для частотно-территориального планирования сетей связи в сколь бы то ни было плотно застроенной местности, как показывает соотнесение с основанной на экспериментальных данных моделью Окамура-Хата.
2. Основным механизмом затухания в городской и пригородной зонах (в несколько раз превышающим затухание, связанное с земной поверхностью) является переотражение и поглощение излучения строениями, а также наличие большого количества препятствий, размеры которых лежат ниже известного предела Рэлея (I -XI4, где / - характерный размер объекта, а А. - длина волны внешнего поля (в рассматриваемом случае / ~ 0.3 м)), что ведёт к необходимости принятия во внимание дифракции и интерференции волн.
3. Неоднородность поля вблизи базовой станции, введённая в полуфеноменологических моделях в рассмотрение эмпирически (за счёт соответствующих слагаемых, убывающих с расстоянием), в рамках приближения распространения в свободном пространстве учтена быть не может.
Данные выводы, однако, не означают непци годность приближения «лучевого» распространения сигнала как такового, поскольку приближение распространения волны в свободном пространстве (однолучевая модель) является лишь частным случаем геометрического приближения. Более того, поскольку большинство препятствий в условиях городской застройки имеют размер, значительно превышающий длину волны, отражение и преломление на них происходит согласно законам геометрической оптики, непосредственного же учёта эффектов дифракции на препятствиях, меньших длины волны (углы крыш, зданий, ветви деревьев, оконные проёмы и пр.), можно избежать путём введения так называемого рассеяния на статистически неровной поверхности [8].
Неоднородность поля, создаваемого антенной в ближней зоне, также играет значительно меньшую роль в случае, когда базовая станция расположена в городской зоне. Это, очевидно, связано с тем, что в пределах населённых пунктов устанавливается оборудование значительно меньшей мощности, нежели на открытой местности, что, в свою очередь, сильно сокращает радиус ближней зоны. Фактически, согласно [6]
в городской зоне указанная величина составляет всего несколько десятков метров.
Таким образом, в данной работе нами предлагается некий обобщённый подход, основанный на использовании многолучевой модели (модифицированной модели распространения волны в свободном пространстве), учитывающей ряд поправок, связанных со следующими явлениями: переотражение сигнала препятствиями, размеры которых превышают длину волны, поглощение излучения почвой, а также, как уже упоминалось ранее, дифракция на малых препятствиях и диффузное отражение от статистически неровных поверхностей. Указанный подход представляется достаточно перспективным методом численного (поскольку в случае плотной застройки необходим учёт большого количества лучей) расчёта поля, создаваемого базовой станцией в любой точке пространства.
Опуская промежуточные выкладки, запишем непосредственно выражение для мощности сигнала, создаваемого антенной в точке расположения приёмника:
Р, (1)
где ~ коэффициенты затухания, учи-
тывающие указанные выше поправки {\м — учитывает многолучёвость [9], Ъ)3 - поглощение на пов^мост».: печсы [101 ^ст - рассеяние на
диффузной поверхности [8]) и имеющие следующий вид:
*
ч
271
}.+у*±.е№ * к*,
(2)
^3 =
\
72^(1+#2б) ^(Ез“,)2+(е3/?8)'
\2
(3)
/
(4)
где р - мощность передающей антенны; С, и Сг - коэффициенты усиления передающей и
приёмной антенн; б/ - расстояние между передающей и приемной антеннами, - длина пути
/-го луча; Аф - - сдвиг фаз между сигналами,
распространяющимися от передатчика к приемнику по прямому пути и по пути с переотраже-ниями; с - скорость света; X - длина волны излучения; - френелевские коэффициенты
отражения; ígЬ = 60(У3X/z , в • а -диэлектри-ческая проницаемость и удельная проводимость
земли; 0 - угол скольжения; у - среднеквадратичное отклонение высоты неровности поверхности.
На основе данных соотношений в среде программирования Microsoft Visual C++ 6.0 нами разработан алгоритм трёхмерного моделирования распространения радиосигнала в пространстве. В указанном программном продукте реализованы следующие специфические черты и возможности, являющиеся собственными разработками автора:
1. Алгоритм распознавания изображения местности (топографическая карта, фотография и т. д.) и построения полностью трёхмерной интерполяционной модели рельефа земной поверхности.
2. Алгоритм расчёта уровня сигнала в зоне покрытия одной/нескольких базовых станций.
3. Возможность размещения на карте зданий и других препятствий, а также базовых станций «вручную».
4. Регулирование соотношения точность/скорость расчёта путём изменения числа обрабатываемых лучей.
5. Возможность исследования антенн с различной диаграммой направленности.
6. Возможность сравнения результатов с по-луэмпирическими моделями, например, моделью Окамура-Хата, моделью Уолфиш-Икегами и пр.
7. Возможность подключения дополнительных модулей для частотнотерриториального планирования сетей других стандартов, например, СЭМА.Пример основного окна программы, моделирующего карту местности, представлен на рис. 1.
В заключение следует отметить, что дальнейшее развитие предлагаемой теоретической методики (к примеру, учёт поправок, связанных с доплеровским сдвигом рабочей частоты, неоднородностей атмосферы и т. д.), а также реализованных программных компонентов, позволит, в перспективе, создать достаточно мощный аппарат для расчёта оптимальных параметров сетей сотовой связи, что является на данный момент весьма важной и актуальной задачей, имеющей большое как техническое, так и экономическое значение.
щттт‘
щшт.
I
i
.-у.л-
vT.W,-
/ JP/X/-.7
«КПЗ Ж
•V. • •
ЛУМ
¡ж.
<л7я:
ЩЁШ
с с
Рис. 1. Основное окно программы. Карта местности с учётом перепада высот
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Радиосистемы передачи информации : учебное пособие для вузов / В. А. Васин, В. В. Калмыков, Ю. Н. Себекин, А. И. Сенин, И. Б. Федоров; под ред. И. Б. Федорова и В. В. Калмыкова. - М. : Горячая линия - Телеком, 2005.
- 472 с.
2. Ertel, R. В., Cardieri P., Sowerby К. et а!. Overview of spatial channel models for antenna array communication systems. // IEEE Personal Communications, 1998, No 2, p. 11.
3. Franceschetti, М., Bruck J., Schulman L. J. A Random walk model of wave propagation. // IEEE Transactions on antennas and propagation, 2004, Vol. 52, No 5, p. 1304.
4. Hecker, A., Neuland М., Kuemer T. Propagation models for high sites in urban areas. // Advances in Radio Science. 2006, No 4, p. 345.
5. Seybold, John S. Introduction to RF propagation. - John Wiley & Sons, Inc., 2005.
6. Абилов, А. В. Распространение радиоволн в сетях подвижной связи : Теоретический материал и задачи для практических занятий / А. В. Абилов. - Ижевск: ИжГТУ, 2001. - 24 с.
7. Распространение радиоволн в мобильной связи : методические указания по курсу «Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства в системах мобильной связи» / С. Н. Шабу-нин, Л. Л. Лесная. - Екатеринбург : УГТУ, 2000. -38 с.
8. Красюк, Н. П. Электродинамика и распространение радиоволн : учебное пособие для радиотехнических вузов и факультетов / Н. П. Красюк, Н. Д. Дымович. - М. : Высшая школа, 1974. -536 с.
9. Волков, Л. Н. Системы цифровой радиосвязи: базовые методы и характеристики : учебное пособие / Л. Н. Волков. М. С. Немировский, Ю. С. Шишков. - М.: Эко-Трендз, 2005. - 392 с.
10. Мухин, А. М. Энциклопедия мобильной связи. В 2 т. Т. 1. Системы связи подвижной службы общего пользования / А. М. Мухин, Л. С. Чайников.
- СПб.: Наука и техника, 2001. - 240 с.
Кузнецова Наталья Михайловна, магистрант кафедры «Телекоммуникации» УлГТУ.
