CC BY
75
Оценка возможностей аналитических моделей телекоммуникационных каналов с замираниями при распространении сигнала в подземном сооружении
Ключевые слова: телекоммуникации, электромагнитные помехи, телекоммуникационные каналы, подземные сооружении, распространение радиоволн, многолучевость, модели каналов связи, ошибки приема, быстрые и медленные замирания.
Главной проблемой, которая возникает при организации сети беспроводной связи в закрытом подземном помещении, является возникновение помех радиопередачи вследствие многолучевого распространения радиоволн. За счет неидеальной импульсной характеристики канала передачи возникают замирания передаваемого сигнала и многие другие ошибки приема. Авторы проводят анализ модели телекоммуникационного канала при распространении сигнала в подземном сооружении.
Статья выполнена в рамках проведения исследований по гранту РФФИ "Обеспечение устойчивости телекоммуникационных каналов подземных сооружений в условиях воздействия электромагнитных помех промышленного характера".
Шпенст ВА, д.т.н., профессор, Национальный минерально-сырьевой университет "Горный", г. Санкт-Петербург, [email protected]
Шабалина Н.А., аспирант, Национальный минерально-сырьевой университет "(орный", г. Санкт-Петербург, [email protected]
Влияние многолучевости на качество принимаемого сигнала определяется, прежде всего, соотношением фаз и амплитуд луча, распространяющегося по трассе прямой видимости, и переотраженного луча. При передаче информационных кодовых последовательностей возникают явления межсимвольной интерференции, значительные искажения информационного сигнала, обусловленные появлением фазовых и амплитудных флуктуаций, нелинейных искажений.
Замирания Релея (медленные) и Райса (быстрые) являются результатом нелинейных процессов, возникающих при распространении радиосигналов вдоль разных траекторий, возможных в ограниченном пространстве помещения. Динамический диапазон быстрых и медленных замираний может достигать 40-45 дБ. К факторам, влияющим на возникновение медленных замираний, относятся препятствия и крупные предметы, находящиеся на пути распространения сигнала (оборудование, транспорт). Быстрые замирания вызваны многолучевым распространением сигнала[ 1 ].
На рисунке 1 представлена общая модель распространения радиосигнала в помещении с учетом множественных переотражений.
/ / - - -
* /
В месте приема векторная сумма мгновенных значений сигнала равна [ 1 ]
П П
*г = = XАіехр(/0,)ехр(/и>/) (1)
1=0 1=0
где А, ехр(/0,) — комплексная амплитуда сигнала. Влиянием лучей с многократным переотражением следует пренебречь. Значения их амплитуд значительно меньше, чем амплитуды сигналов, распространяющихся по трассе прямой видимости и по трассе с однократным переотражением. Амплитуда уменьшается из-за увеличения пройденного расстояния, поглощения в материале экрана и уменьшения угла скольжения.
Распространение радиосигнала в протяженных закрытых помещениях характеризуются некоторыми закономерностями, которые можно описать с помощью теории волноводов [2]. В зависимости от частоты, радиоволны распространяются в помещении в виде поперечной электрической ТЕ или поперечной магнитной волны. Каждый конкретный тип волны имеет критическую частоту, ниже которой волна распространяться не будет. Для прямоугольного волновода предельная частота соответствует длине волны, которая может быть принята равной удвоенному значению наиболее длинному значению поперечного сечения. В случае сложной формы поперечного сечения принимают длину волны равной периметру поперечного сечения волновода (тоннеля).
Для достаточно узких и длинных помещений (коридоров, тоннелей, промышленных зданий) при расчете напряженности поля и мощности сигнала стоит учитывать три отраженных луча, при условии, что диэлектрические проницаемости отражающих поверхностей (пола, потолка, стен) примерно одинаковы по величине. Основной луч практически полностью компенсируется одним из отраженных лучей, с учетом угла скольжения отраженного луча. Чем он больше, тем меньше компенсация [3].
Импульсная характеристика многолучевого канала связи между передатчиком и приемником записывается в виде [4]:
НО =£а(0 = £4*('-О
(2)
Рис. 1. Модель распространения радиосигнала в канале связи в закрытом помещении
- количество путей при многолучевом распространении сигнала; Д(/) = |/Г/е'в,| и г, - комплексная амплитуда и случайная задержка распространения /-го пути соответственно.
Любой канал может быть представлен с помощью передаточной функции, из условия физической осуществимости которой следует, что любая ее реализация удовлетворяет условию:
//(/, г) = 0, при г < 0 (3)
так как реализация на выходе не может появиться раньше поступления процесса на вход. При воздействии на вход системы (канала связи) некоторого сигнала г(\) сигнал на выходе (без учета аддитивных помех) определяется выражением:
г(/) = -Гя(/,г)2(/-г)с/г (4)
2 *
//(/,г) - случайная функция, следовательно, реализация процесса 2 (/) — при фиксированной реализации г(/) будет являться случайной величиной. Это утверждения верно и в случае отсутствия аддитивных помех. Следовательно, из этого утверждения можно сделать вывод о том, что вероятность ошибочного приема сигнала не стремится к нулю или малому значению даже при отсутствии электромагнитных сторонних помех [5, с. 450-455].
Канал связи имеет ограниченную память, то есть существует некий промежуток времени Д когда переходная функция стремится к нулю и полностью затухает, то есть при любом Г > /- справедливо выражение:
Я(Г,г) * 0 (5)
Результатом прохождения сигнала г(/) через фильтр с импульсными реакциями
£о(0 = 1
4 ёЛ0 = СО5(Ю/) (6)
=зт (Ю,/)
Будет сигнал, представляемый в следующем виде [5, с. 451]:
г-1
Исходя из этого, можно представить модель канала связи, которая учитывает многолучевое распространение сигнала, при условии, что каждый луч распространяется по трассе, имеющий свои собственные импульсные характеристики и коэффициент передачи. На рис. 2 представлено схематичное изображение модели канала связи.
Фильтры представляют собой схематическое изображение коэффициента передачи одной из нескольких трасс радиосигнала при многолучевом распространении. М представляет собой спектральную плотность мощности флуктуация передаточной функции для составляющей радиосигнала на частоте со.
Рис. 2. Модель селективных замираний сигнала
Данная модель имеет весьма общий базовый вид. Каждому типу помещений соответствуют некоторые особенности, которые вносят в нее некоторые изменения и дополнения. Сильное влияние на коэффициент передачи каналов оказывает ослабление сигнала при отражении от диэлектрического материала стен и потолком помещения, рассеяние на препятствиях крупных и мелких размеров, влияние аддитивных помех. Поэтому дальнейшее рассмотрение, уточнение параметров и внесение новых элементов представляется весьма важной научной задачей для разработчика и исследователя.
Литература
1. Волков Л.Н., Немировский М. С., Шинаков Ю.С. Системы цифровой радиосвязи. - Экотрендз, 2005. - 398 с.
2. Рекомендация МСЭ-1< Р. 1406-1 Эффекты распространения радиоволн, касающиеся наземных сухопутной подвижной и радиовещательной служб в диапазонах ОВЧ и УВЧ (Вопрос МСЭ-Я 203/3) (1999-2007).
3. Чжо Чжо Ньян Лин. Исследование множителя ослабления напряженности поля в системах радиовещания и сотовой связи в освещенной зоне / Всероссийская межвузовская научнотехническая конференция для студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика». Тезисы докладов. - М.: МИЭТ, 2007.-С. 330.
4. Сединин В.И., Фапько А.И. Защита от помех в системах мобильной радиосвязи. - М.: Связь, 1998. - 182 с.
5. Уидроу Б. Компенсация помех. Принципы построения и применения / Труды Института инженеров по электронике и радиоэлектронике, 1975. — №12. - С. 69-97.
6. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. Изд. 2-е, переработанное и дополненное. Изд-во «Советское радио», 1970. - С. 728.
7. Чжо Чжо Ньян Лин, Пронин А.А. Исследование пятилучевой модели распространения радиоволн в помещениях при низко расположенных антеннах // Естественные и технические науки №6. - М.: Спутник-плюс, 2010. - С.426-429.
