Publication text
(PDF):
Read
Download
Введение
Водоемы являются неотъемлемой частью территорий большого числа населенных пунктов. Озера, пруды, водохранилища, а также реки могут иметь весьма значимые размеры или протяженности водной глади по сравнению с размерами населенных пунктов. На примере Астраханской области и аналогичных южных регионов в работах [1, 2] описаны примеры сверхдальнего распространения радиоволн над водной гладью (или над водной поверхностью) и модели расчета затухания радиосигнала в этих условиях.
В работе [2] особенности распространения радиоволн в исследуемом диапазоне наблюдения обоснованы наличием температурной инверсии в жаркий период над водной поверхностью. Обосновано, что если наличие температурной инверсии, проявляемое над сушей, – явление временное, то над водной поверхностью это явление сезонное, т. е. оно сохраняется
в летний период, особенно в периоды жаркой погоды. В работе [1] также обоснована необходимость использования полученных результатов в современных системах проектирования. Сезонные особенности
в распространении радиоволн диапазона ультравысоких частот (УВЧ) в настоящее время в системах проектирования радиосистем не учитываются.
Отсутствие расчетных данных в сезонных отклонениях дальности распространения радиоволн при проектировании, оптимизации и настройке существующих сетей радиосвязи может привести
к некорректным результатам радиопланирования при размещении новых объектов радиоэлектронных средств (РЭС), что в реальной электромагнитной обстановке может привести к дополнительной паразитной интерференции, рассогласованности
в построении иерархии сети, ошибочному назначению эстафетной передачи сигнала (хэндовера), образованию зон так называемых «островов», созданию внутрисистемных помех, снижающих качество функционирования систем связи в целом.
Особенности сверхдальнего распространения радиоволн в условиях сверхрефракции
В настоящее время среди существующих методик расчета затухания уровня электромагнитного поля при распространении сигналов в системах сотовой связи, работающих в диапазоне УВЧ [3, 4], отсутствуют методики, учитывающие распространение радиоволн в условиях сверхрефракции.
Сверхрефракция – редкое состояние атмосферы, при котором дальность действия радиосвязи резко возрастает, позволяя обеспечивать соединение абонентов далеко за пределами границ максимальной дальности радиосредств, описанных в их технических характеристиках, которые создаются для характерного рода работ в условиях стандартной атмосферы. Такой вид обеспечения связи еще называют «загоризонтная» радиосвязь. В условиях сверхрефракции кривизна траектории радиоволны становится больше кривизны поверхности Земли. При таком состоянии атмосферы существует волноводное распространение, когда радиоволны по-следовательно претерпевают внутреннее отраже-ние от слоев атмосферы (в верхней части) и по-верхности воды (в нижней части) (рис. 1) [5].
Рис. 1. Распространение радиоволны в тропосферном волноводе:
hв – высота приземного волновода над поверхностью земли
Fig. 1. Propagation of a radio wave in a tropospheric waveguide:
hв - the height of the surface waveguide above the earth's surface
Внутреннее отражение от верхнего слоя границы волновода является полным без потери энергии.
В работах [1, 2, 6] авторами проведены натурные испытания результирующих уровней затухания
в условиях сверхрефракции, по результатам исследований установлено, что над водой образуется приво́дный тропосферный волновод, в котором радиоволны высокой частоты распространяются
с аномально малым ослаблением. Причиной малого ослабления является температурная инверсия, возникающая над водной поверхностью. Вблизи воды влажность воздуха велика и резко убывает с изменением высоты. Тогда температура снижается с высотой быстрее, чем обычно, а коэффициент преломления уменьшается с высотой медленнее. Это приводит к изменению направления траектории волны, так что радиоволна возвращается к земной поверх-ности. Наступает сверхрефракция.
Сверхрефракция обычно возникает при тихой погоде антициклонического типа, когда над относительно прохладной поверхностью воды находится теплый сухой воздух. Такие условия в Астраханской области над водной гладью являются постоянными, как минимум, весь летний период (сезон).
Условия возникновения сверхрефракции описываются следующими особенностями появления температурной инверсии:
1. Горизонтальный перенос воздушных масс
в случае, когда теплый воздух находится над холодной частью водной глади (или земной поверхности).
2. Резкое охлаждение поверхности земли (водоема) после захода солнца, когда охлаждаются
в первую очередь приповерхностные слои воздуха. Это характерно для засушливых районов.
3. Температурная инверсия возникает также при прохождении антициклонов, за счет выделения тепла при сжатии воздушных масс [7, 8].
Температурная инверсия возникает постоянно над водной гладью, когда температура воды ниже температуры воздуха. Формируемый за счет этого тропосферный волновод часто называют волноводом испарения. Появление волновода испарения связано с инверсией влажности воздуха. Непосредственно на поверхности водоема влажность достигает 100 %. С увеличением высоты влажность уменьшается, хотя в нормальных условиях практически не зависит от высоты [10].
Приво́дные волноводы (волноводы испарения) – довольно частое явление в районах умеренных
и экваториальных широт Индийского океана, Аравийского, Средиземного, Японского, Северного, Черного, Карибского морей. В этих районах воздух имеет высокую температуру и большую влажность у нижней границы тропосферного волновода [5]. Однако Каспийское море географически расположено на этих же широтах и имеет полную аналогию с исследованиями загоризонтной связи, изложен-ную в существующей литературе [11]. Область сверхрефракции может распространяться на значительные расстояния – более 1 000 км – в диапазоне УКВ-волн. Существует подтверждение сверхдальней связи за счет возникновения тропосферных волноводов от Липецка и Ростова-на-Дону до Молдавии, Венгрии, Болгарии и Румынии [11].
В северных районах вероятность появления приво́дных волноводов низкая. Средние высоты приво́дных волноводов в Северной Атлантике составляют 14 м, в Японском море – 8–12 м. Высота волновода (толщина поверхностного слоя) зависит от излучаемой частоты (рис. 2) и определяется нормами, указанными в Рекомендациях Международного союза электросвязи [12, 13].
Рис. 2. Зависимость толщины поверхностного слоя (высоты) волновода от частоты излучения сигнала
Fig. 2. Dependence of the waveguide surface layer thickness (height) on a signal emission frequency
Дальность радиосвязи резко возрастает, если антенна системы связи и отражающий объект (антенны РЭС) находятся внутри волновода. В соответствии
с проведенными исследованиями [1, 6] для систем сотовой связи, антенны РЭС, как правило, всегда
и размещены внутри тропосферного волновода.
Изменение рефракции над морем носит сезонный характер [10]. В районах с умеренным климатом повышенная рефракция и сверхрефракция проявляются летом и в начале осени. Цикл измерений по определению дальностей обнаружения судов [10] показал, что дальность возможной радиосвязи над водной гладью в летний период в 5–8 раз выше, чем в зимний.
В работе [1] представлены результаты измерений уровня затухания сигнала на местности, где сигнал проходит через приво́дный тропосферный волновод. Для проведения натурных испытаний была выбрана площадка с базовыми станциями
в диапазонах 1 800 и 900 МГц, с установленными антеннами на опоре высотой 45 м. Активные азимуты исследуемых направлений излучения антенн составляли 0 (ноль) и 110° для обоих стандартов. Установленные у оператора антенные системы KATHREIN K739623 (GSM 900) и KATHREIN K739495 (DCS 1 800) имеют диаграммы направленности в горизонтальной плоскости 65°, что позволяет нивелировать некоторую приближенность азимутальной точности размещения измерительного обо-рудования во время проведения эксперимента.
Макет размещения измерительного оборудования на местности представлен на рис. 3.
Рис. 3. Макет размещения измерительного оборудования при проведении эксперимента:
А – место размещения базовой станции; B – пункт измерения уровня сигнала
на расстоянии 140 м от базовой станции; C – пункт измерения уровня сигнала у начала водной глади,
на расстоянии 140 м от базовой станции; D – точка измерения уровня сигнала над сушей
на расстоянии 940 м от базовой станции; E – точка измерения уровня сигнала за водной гладью
на расстоянии 940 м от базовой станции; R – протяженность радиолуча над водной гладью
Fig. 3. Layout of placing the measuring equipment during the experiment:
A - the location of the base station; B - the signal level measurement point at a distance
of 140 m from the base station; C - the signal level measurement point at the beginning of the water surface,
at a distance of 140 m from the base station; D - the signal level measurement point over land at a distance
of 940 m from the base station; E - the point of measuring the signal level behind the water surface
at a distance of 940 m from the base station; R - the length of the radio beam over the water surface
Площадка базовых станций размещена в точке А (46° 20ˊ 41˝ с. ш., 47° 59ˊ 43˝ в. д.), измерения проводились в точках В, С, D, и E. Расстояние от базовой станции до точек В и С составляет 140 м. Расстояния CE и BD равны 800 м (см. рис. 3). Результаты проведенных натурных испытаний представлены в табл. 1–8, итоговые результаты исследований занесены в табл. 9.
Таблица 1
Table 1
Эксперимент «Распространение сигнала над водной гладью» на частоте 900 МГц.
Радиоизмерения в диапазоне GSM-900 на расстоянии от источника радиосигнала 940 м
над водной гладью (прямая видимость)
Experiment “Signal propagation above the water surface” at 900 MHz.
Radio measurements in the GSM-900 range at a distance of 940 m from the radio signal source
above the water surface (line of sight)
Тип измерительного оборудования Уровни затухания сигнала с учетом быстрых замираний, dBm MX, dBm
Nokia 3310 –40 –41 –42 –43 –42 –45 –46 –44 –42 ≈42,8
Nokia E51 –44 –48 –46 –47 –47 –44 –45 –48 –45 ≈46,0
Sagem OT-290 –44 –46 –51 –45 –47 –48 –44 –46 –49 ≈46,7
Motorola L9 –46 –50 –47 –48 –49 –50 –46 –47 –47 ≈47,8
Таблица 2
Table 2
Эксперимент «Распространение сигнала над водной гладью» на частоте 1 800 МГц.
Радиоизмерения в диапазоне DCS-1 800 на расстоянии от источника радиосигнала 940 м
над водной гладью (прямая видимость)
Experiment “Signal propagation above the water surface” at 1 800 MHz.
Radio measurements in the DCS-1 800 band at a distance of 940 m from the radio signal source
over the water surface (line of sight)
Тип измерительного оборудования Уровни затухания сигнала с учетом быстрых замираний, dBm MX, dBm
Nokia 3310 –66 –60 –59 –62 –63 –60 –59 –58 –62 ≈61,0
Nokia E51 –63 –64 –63 –63 –63 –64 –63 –64 –63 ≈63,3
Sagem OT-290 –64 –60 –58 –61 –64 –62 –63 –63 –63 ≈62,0
Motorola L9 –65 –62 –63 –66 –62 –63 –65 –65 –60 ≈63,2
Таблица 3
Table 3
Эксперимент «Распространение сигнала над сушей» на частоте 1 800 МГц.
Радиоизмерения в диапазоне DCS-1 800 на расстоянии от источника радиосигнала 940 м
над cушей (прямая видимость)
Experiment “Signal propagation over land area” at 1 800 MHz.
Radio measurements in the DCS-1 800 band at a distance of 940 m from the radio signal source
over land (line of sight)
Тип измерительного оборудования Уровни затухания сигнала с учетом быстрых замираний, dBm MX, dBm
Nokia 3310 –76 –77 –78 –79 –80 –79 –80 –80 –79 ≈78,7
Nokia E51 –79 –83 –80 –81 –82 –83 –80 –82 –81 ≈81,2
Sagem OT-290 –78 –75 –74 –92 –85 –86 –87 –80 –79 ≈81,8
Motorola L9 –85 –86 –87 –88 –89 –91 –90 –84 –86 ≈87,3
Таблица 4
Table 4
Эксперимент «Распространение сигнала над сушей» на частоте 900 МГц.
Радиоизмерения в диапазоне GSM-900 на расстоянии от источника радиосигнала 940 м
над cушей (прямая видимость)
Experiment “Signal propagation above land area” at 900 MHz.
Radio measurements in the GSM-900 band at a distance of 940 m from the radio signal source
over land (line of sight)
Тип измерительного оборудования Уровни затухания сигнала с учетом быстрых замираний, dBm MX, dBm
Nokia 3310 –71 –63 –65 –60 –69 –62 –66 –70 –62 ≈65,3
Nokia E51 –66 –63 –65 –64 –67 –65 –69 –69 –64 ≈65,8
Sagem OT-290 –65 –66 –67 –64 –65 –63 –65 –67 –66 ≈65,3
Motorola L9 –67 –66 –64 –65 –64 –68 –67 –66 –66 ≈65,8
Таблица 5
Table 5
Эксперимент «Распространение сигнала над сушей» на частоте 900 МГц.
Радиоизмерения в диапазоне GSM-900 на расстоянии от источника радиосигнала 140 м
над cушей (прямая видимость)
Experiment “Signal propagation above land area” at 900 MHz.
Radio measurements in the GSM-900 band at a distance of 140 m from the radio signal source
over land (line of sight)
Тип измерительного оборудования Уровни затухания сигнала с учетом быстрых замираний, dBm MX, dBm
Nokia 3310 –42 –39 –41 –37 –42 –43 –38 –39 –40 ≈40,1
Nokia E51 –40 –38 –43 –42 –40 –39 –40 –41 –44 ≈40,8
Sagem OT-290 –39 –40 –43 –37 –38 –43 –38 –40 –41 ≈39,9
Motorolla L9 –41 –40 –38 –40 –42 –43 –39 –40 –40 ≈40,3
Таблица 6
Table 6
Эксперимент «Распространение сигнала над сушей» на частоте 900 МГц.
Радиоизмерения в диапазоне DCS-1 800 на расстоянии от источника радиосигнала 140 м
над cушей (прямая видимость)
Experiment “Signal propagation above land area” at 900 MHz.
Radio measurements in the DCS-1 800 band at a distance of 140 m from the radio signal source
over land (line of sight)
Тип измерительного оборудования Уровни затухания сигнала с учетом быстрых замираний, dBm MX, dBm
Nokia 3310 –65 –63 –58 –59 –60 –61 –59 –60 –60 ≈60,6
Nokia E51 –53 –52 –52 –53 –56 –54 –60 –56 –55 ≈54,6
Sagem OT-290 –56 –58 –57 –59 –55 –54 –58 –55 –56 ≈56,4
Motorolla L9 –57 –56 –55 –59 –58 –54 –53 –55 –56 ≈55,9
Таблица 7
Table 7
Математическое ожидание уровней затухания в сравнении на различных частотах
Mathematical expectation of attenuation levels compared at different frequencies
Частотный диапазон Математическое ожидание (Mx) уровней затухания сигнала
с учетом быстрых замираний, dBm
GSM 900 DCS 1 800
Тестовые телефоны,
используемые измерительным
комплексом Nokia 3310 Nokia E51 Sagem OT-290 Motorolla L9 Nokia 3310 Nokia E51 Sagem OT-290 Motorolla L9
Затухание над сушей (R = 140 м) ≈40,1 ≈40,8 ≈39,9 ≈40,3 ≈60,6 ≈54,6 ≈56,4 ≈55,9
Затухание над сушей (R = 940 м) ≈65,3 ≈65,8 ≈65,3 ≈65,8 ≈78,7 ≈81,2 ≈81,8 ≈87,3
Затухание над водной гладью (R = 940 м) ≈42,8 ≈46,0 ≈46,7 ≈47,8 ≈61,0 ≈63,3 ≈62,0 ≈63,2
Таблица 8
Table 8
Математическое ожидание уровней затухания в сравнении на различных частотах
(средневзвешенное значение всех приборов)
Mathematical expectation of attenuation levels in comparison at different frequencies
(weighted average of all instruments)
Частотный диапазон Математическое ожидание ( ) уровней затухания сигнала
с учетом быстрых замираний, dBm
GSM 900 DCS 1 800
Затухание над сушей (R = 140 м) 40,3 56,9
Затухание над водной гладью (R = 940 м) 45,8 62,4
Затухание над сушей (R = 940 м) 65,6 82,3
Таблица 9
Table 9
Итоговые результаты экспериментальных исследований затухания радиосигнала в УВЧ-диапазоне
для частот 900–1 800 МГц над водной гладью в летний период
Final results of experimental studies of radio signal attenuation in the UHF band
for frequencies 900-1 800 MHz over water surface in summer period
Используемый
частотный диапазон
f, МГц Используемая длина волны λ, м Математическое ожидание уровней затухания сигнала, dBm,
с учетом быстрых замираний
Затухание в точках B и С, дБ Затухание в точке D, дБ Затухание в точке
E, дБ
900 0,32 40,3 65,6 45,8
1 800 0,16 56,9 82,3 62,4
В результате исследований подтверждено, что затухание сигнала над водой значительно меньше, чем над сушей.
В работе [1] получено представление сигнала
в виде погонного коэффициента затухания (линейной зависимости), но для систем мобильной связи затухание уровня поля, как правило, рассчитывается по логарифмической зависимости. Полученные в этой работе формулы представлены ниже:
(1)
(2)
где f – рабочая частота, ГГц; r – дистанция от передатчика базовой станции до приемника абонентской радиостанции, м.
Однако в моделях (1) и (2) допущена неточность. При формировании формул в затухание уровня поля включено и значение затухания и над сушей, и над водой, что приводит к неточности при последующих расчетах. Значения исследований приведены в табл. 10.
Таблица 10
Table 10
Значения затухания сигнала над водной поверхностью
Values of signal attenuation above water surface
Используемый частотный диапазон f, МГц Используемая длина
волны λ, м Значение затухания
при r = 0 м, дБ Значение затухания
при r = 800 м, дБ
900 0,32 0 5,5
1 800 0,16 0 5,5
Отметим, что значения затухания для разных диапазонов оказались идентичными. Указанное
в табл. 10 затухание на дистанции 800 м в количестве 5,5 дБ может быть на самом деле не затуханием над водной гладью, а результатом затухания сигнала при его преодолении границы двух сред (суша-вода и вода-суша), тогда актуально предположение о полном отсутствии затухания в среде тропосферного волновода, что позволяет нам исключить зависимость уровня поля от частоты излучения в исследуемом диапазоне 1–2 ГГц.
Аппроксимируя измеренные значения, получим логарифмическую зависимость затухания от расстояния между ВС и АС. Уравнение логарифмической регрессии имеет вид
Со значениями проведенных натурных испытаний выражение для расчета имеет вид
(3)
Для подтверждения адекватности новой методики в среде MathCad были построены графики некоторых существующих статистических моделей расчета уровня поля и новой методики расчета (L_(AW_900–1800) (r)), а также идеальные значения, за которые были приняты результаты натурных испытаний (рис. 4).
Рис. 4. Графики уровня затухания при использовании различных моделей:
LAW_900–1800(r) – новая методика (формула (3));
LAW_900 (r) – модель, полученная в работе [7] для частотного диапазона 900 МГц (формула (1));
LAW_1800(r) – модель, полученная в работе [7] для частотного диапазона 1 800 МГц (формула (2));
LCOST-231HATA(r) – модель COST-231HATA для сельской местности
Fig. 4. Graphs of attenuation level built by using different models:
LAW_900-1800(r) - new method (formula (3));
LAW_900 (r) - model obtained in operation [7] for the frequency range 900 MHz (formula (1));
LAW_1800(r) - model obtained in operation [7] for the frequency range of 1 800 MHz (formula (2));
L COST-231HATA(r) - model COST-231HATA for the rural area
Графическое представление позволяет представить новую методику расчета затухания уровня сигналов в диапазоне 1–2 ГГц в условиях сверхрефракции (3) как наиболее близкую к идеальным значениям, полученным в результате натурных испытаний.
Заключение
В результате проведенных исследований получена новая методика (эмпирическая модель), позволяющая проводить расчеты затухания уровня электромагнитного поля систем подвижной радиосвязи в диапазоне 900–1 800 МГц при распространении радиосигнала в условиях сверхрефракции внутри тропосферного волновода:
Проведенные натурные испытания и полученная новая методика расчета доказывают, что затухание в условиях тропосферного волновода не зависит от частоты излучения, т. е. сигнал в условиях сверхрефракции имеет полное отражение.
Следует полагать, что новая методика расчета потерь затухания в тропосферном волноводе также будет актуальна и для систем сотовой связи в современных активных диапазонах 2 100 и 2 600 МГц для систем 3-го и 4-го поколения.
Использование новой методики в системах автоматизированного проектирования позволит учитывать сезонные особенности в распространении радиоволн и проводить проектирование в системах широкополосного радиодоступа, эффективнее проектировать системы нового поколения и для таких систем, как цифровое телевидение и радиовещание