WWW.KNIGA.LIB-I.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Онлайн материалы
 

«Лекции 3-4. Особенности распространения УКВ радиоволн в городе 4. Обзор экспериментальных статистических данных по распространению ...»

Лекции 3-4. Особенности распространения УКВ радиоволн в городе

4. Обзор экспериментальных статистических данных по

распространению УКВ в городе

В городской среде напряженность поля случайным образом зависит от

высот антенн на подвижном объекте и на центральной станции, от частоты

сигнала, расстояния от передатчика, а также ширины и ориентации улиц и

других локальных условий. Средняя напряженность поля в квазигладком

городском районе практически непрерывно изменяется с частотой, высотой антенны и расстоянием, тогда как влияние других факторов более сложно.

4.1 Флуктуации уровня сигнала По той причине, что поле УКВ при мобильной связи имеет сложную многолучевую структуру, обусловленную условиями распространения в городе, реальные значения напряженности поля будут иметь значительный разброс. Эти отклонения (флуктуации) имеют как временной, так и пространственный характер. Уже первые экспериментальные исследования пространственных и временных вариаций уровня сигнала в условиях города привели к выводу, что городской канал распространения радиоволн является локально стационарным, а пространственные замирания уровня сигнала имеют двойную природу.

Быстрые замирания являются результатом сложения полей отдельных волн многолучевого поля. Их характерный масштаб колеблется от половины длины волны до двух – трех длин волн. Медленные замирания отражают картину теневых зон, создаваемую городскими зданиями.

Если проследить картину пространственных изменений уровня напряженности поля УКВ, перемещаясь, например, по территории, равноудаленной от передающей станции (см.



сплошную линию на рис. 4.1), то нетрудно обнаружить наличие «быстрых» флуктуаций, обусловленных интерференцией поля, проявление которых можно обнаружить на незначительных размерах обследуемой территории (десятки метров). Их можно назвать микрофлуктуациями. Эти флуктуации можно рассматривать относительно средних значений, которые будем называть медианными E М (штриховая линия на рис. 4.1).

Рис. 4.1 На более протяженных трассах, например на протяженности длины улицы, медианная величина также подвержена флуктуациям, которые могут рассматриваться как «промежуточные» флуктуации со средним значением EСР (штрихпунктирная линия на рис. 4.1). Масштаб этих флуктуаций определяется плотностью застройки, размерами зданий, шириной улиц и т. д.

И наконец, возможны макрофлуктуации. Они обусловлены рельефностью местности и различной интенсивностью застройки отдельных районов города и могут рассматриваться как флуктуации EСР относительно глобального среднего уровня EСР Таким образом, пространственную структуру уровней электромагнитного поля УКВ в городе можно рассматривать в виде трех составляющих: микроструктуры, промежуточной структуры и макроструктуры [1].

Для математического описания локальной микроструктуры пространственных замираний чаще всего используется упрощенная модель, в которой временные флуктуации сигнала на выходе антенны подвижного пункта, а следовательно, и пространственные замирания вдоль пути движения рассматриваются как стационарные. В условиях многолучевого распространения волн в городе естественным также является предположение о статистической независимости переотраженных волн и равномерности распределения их случайных фаз.

Напряженность, создаваемая каждой волной в точке наблюдения, зависит от множества случайных факторов:

формы и электрических свойств отражающих поверхностей зданий, их расположения и ориентации в пространстве.





Это позволяет рассматривать напряженность поля как комплексную случайную величину, распределение которой близко к нормальному. Подтверждением сделанного предположения являются экспериментальные исследования, которые показали, что в подавляющем числе случаев распределения амплитуд соответствуют рэлеевскому закону распределения. Экспериментальная проверка законов распределения амплитуд сигналов в условиях города выполнена авторами монографии [2]. Результаты сравнения экспериментальной гистограммы на закрытых трассах (прямоугольники) с рэлеевским распределением приведены на рис.4.2.

Рис. 4.2

На открытых трассах, в каждой точке которых поле является суперпозицией первичной (пришедшей от источника) и вторичных (отраженных от зданий) волн, должен выполняться обобщенный рэлеевский закон распределения амплитуд поля (закон Райса). Соответствующее этому случаю сопоставление экспериментальных данных с теорией приведено на рис. 4.3.

Рис. 4.3 Медленные пространственные замирания и усредненные по участкам протяженностью 20-30 м значения амплитуд хорошо описываются логарифмически нормальным распределением со стандартным отклонением, зависящим от рельефа местности и типа городской застройки. Стандартное отклонение медленных замираний не превышает 4,5 дБ для центральных районов города и 0,5-1 дБ для пригорода. Для городов с пересеченным рельефом местности стандартное отклонение больше, чем для городов с равнинной местностью, и может достигать 10 дБ.

В условиях города пространственное распределение напряженности поля практически однозначно определяет свойства временных флуктуаций сигнала, принимаемого движущимся пунктом, так что масштабы временной и пространственной корреляции связаны через скорость движения. Чисто временные флуктуации амплитуды поля достигают 20-25 дБ при нахождении подвижного «возмущающего объекта» (транспорт, люди) в ближней зоне приемной антенны и не превышают 3 дБ в случае интенсивных транспортных потоков, находящихся в дальней зоне приемной антенны, для метрового и дециметрового диапазонов длин волн. С увеличением частоты (сантиметровый диапазон) глубина временных флуктуаций возрастает и в зависимости от метеорологических условий может достигать 10-13 дБ.

4.2 Зависимость средней мощности сигнала от расстояния

Одна из фундаментальных проблем в изучении распространения радиоволн состоит в описании процесса ослабления мощности сигнала при удалении приемной станции от передатчика.

Практически наиболее важным является случай, когда антенна базовой станции поднята достаточно высоко над городом, а подвижный объект, с которым осуществляется связь, расположен вблизи поверхности земли. К настоящему времени накоплен обширный экспериментальный материал для этого случая. Пространственное распределение напряженности поля в городских условиях у поверхности земли отличается крайней нерегулярностью. Сигналы, передаваемые между центральной станцией и подвижным пунктом, подвержены глубоким замираниям, причем соседние максимумы расположены на расстояниях порядка длины несущей волны.

Обширные затенения, создаваемые строениями, практически исключают возможность прямого прохождения сигнала, поэтому его затухание значительно больше, чем в свободном пространстве.

На рис. 4.4 [3] приведены примеры зависимости средней мощности Рис. 4.4 сигнала от расстояния для частот, близких к 900 МГц, измеренной независимо в Филадельфии (кривая А), Нью-Йорке (кривая В) и Токио (кривая C) при высотах антенн базовой станции, близких к hb=140м, и мобильных станциях на высоте hm=3м. Для сравнения там же приведена зависимость мощности при распространении в свободном пространстве.

Измерения показали следующие особенности: резкое падение медианного значения мощности сигнала с увеличением расстояния и большое затухание сигнала по сравнению с соответствующим затуханием в свободном пространстве. Измерения позволяют считать, что мощность сигнала примерно одинаково изменяется в различных городах.

Скорость уменьшения уровня сигнала с расстоянием не изменяется существенно с увеличением высоты антенны центральной станции. Однако подъем антенны приводит к заметному уменьшению затухания на всех расстояниях. Наиболее полные и систематизированные экспериментальные данные получены Окамурой в Токио [4].

4.3 Особенности приема сигналов внутри помещений

Прием сигналов от удаленного внешнего источника внутри здания можно прогнозировать только в самых общих чертах. Помимо условий распространения радиоволн от передатчика к приемнику, определяемых высотой расположения пунктов, плотностью и характером застройки, на уровень сигнала существенным образом влияет конструкция здания и материал, а также положение приемника внутри здания. Учет всех этих обстоятельств практически не возможен, так как внутри одного и того же помещения возможны такие расположения приемной аппаратуры, при которых прием может быть как хорошим, так и плохим, а иногда и совсем отсутствовать. Сложный интерференционный характер поля внутри помещения порождает резкие перепады в уровне принимаемого сигнала, превышающие зачастую 20 дБ, даже при небольшом перемещении приемника. Изменение частоты сигнала приводит к перераспределению полей, так что приемлемое ранее расположение аппаратуры может оказаться совершенно неудачным. Результаты измерений, приведенные в различных работах, трудно сопоставимы и могут казаться противоречивыми, если не учитывать крайнюю чувствительность пространственной интерференционной картины поля внутри помещения к изменению какихлибо условий передачи или приема сигнала.

Ослабление сигнала при прохождении внутрь зданий (сравнение уровня сигнала внутри здания с уровнем сигнала вне его на той же высоте) определялось Райсом на частотах 35 и 150 МГц. По оценкам "потери проникновения" составляют в среднем 22-24 дБ при среднеквадратическом отклонении 12-14 дБ. Отмечается также, что изменения, превышающие 20 дБ, иной раз наблюдаются при разнесении точек всего на несколько шагов. В целом же пространственные флуктуации сигнала в пределах одного этажа подчиняются логарифмически нормальному распределению. Наибольшее ослабление сигнала наблюдалось на первом этаже.

5. Статистические модели, основанные на непосредственномобобщении опытных данных

В настоящее время существует целый ряд математических моделей, дающих возможность рассчитать усредненное значение принимаемой в городских условиях мощности в зависимости от различных параметров, характеризующих конкретные условия мобильной связи. Большинство из них являются почти полностью эмпирическими.

5.1 Эмпирические графики Окамуры

Исторически одними из первых явились эмпирические графики полученные Окамурой и позволяющие определить медианное значение сигнала в условиях статистически однородного, а также в какой-то степени учесть те или иные особенности данного города или отдельных городских районов [5].

В этой модели для вычисления медианного значения мощности сигнала, принимаемого антенной подвижного объекта в городских условиях, предлагается использовать следующее уравнение, в котором все величины прииведены в децибеллах [3]:

Pp = P0 Am ( f, d ) + H b ( hb, d ) + H m ( hm, f ), (5.1) где Pp - вычисленное значение искомой мощности принимаемого сигнала; P0 - его мощность при передаче в свободном пространстве ; Am ( f, d )

- фактор изменения медианного значения мощности в городе относительно затухания в свободном пространстве при эффективной высоте антенны центральной станции hb=200м и высоте антенны на подвижном объекте hm=3м. Эти значения зависят от расстояния, частоты и могут быть получены из кривых, представленных на Рис. 5.1; H b ( hb, d ) - фактор «высота – усиление» в децибелах для центральной станции с hb=200м, расположенной в городе (этот фактор является функцией расстояния, которая представлена на Рис.5.2);

–  –  –

Если какой-либо путь распространения радиоволн проходит в различных средах или над территорией, которая не является «квазигладкой», то исходную формулу (5.1) можно видоизменить для учета указанных факторов путем аддитивного добавления одного или нескольких поправочных коэффициентов, получаемых из дополнительных графиков, описанных в [3].

5.2 Эмпирические формулы Хаты

–  –  –

6. Статистическая модель Г.А. Пономарева, А.Н. Куликова, Е.Д. Тельпуховского Кроме чисто эмпирических, имеются статистические модели, вывод которых базируется на аналитическом подходе. Наиболее последовательный из таких подходов предложен в работах Г.А. Пономарева, А.Н. Куликова и Е.Д. Тельпуховского [2]. Суть его заключается в использовании для приближенного расчета интенсивности поля формулы Кирхгофа с геометрооптическим определением «освещенных» отражающих площадок и последующим усреднением по входящим в формулу параметрам городской застройки.

6.1 Статистическая модель городской застройки.

–  –  –

6.2.Вероятность прямой видимости Как отмечено выше, определяющую роль при распространении УКВ в городе играют затенения, создаваемые зданиями. Поэтому важнейшей величиной является вероятность прямой видимости между приемной и передающей антеннами. Для ее расчета в лучевом приближении сначала рассмотрим пересечения прямых линий, выходящих параллельно поверхности земли из источника, расположенного ниже крыш зданий, со стенами домов. Считая застройку данного района города статистически однородной и изотропной, предположим, что среднее число пересечений на единице длины 0 не зависит от координат x,y и направления линии. Тогда среднее число пересечений на длине l равно 0 l. В [2] выдвигается гипотеза о том, что случайные события, состоящие в пересечении прямой линии от источника со стенами зданий, распределены по закону Пуассона. Тогда вероятность m пересечений на отрезке l может быть вычислена по формуле [7] (ml )m e m (6.1), Pl ( m ) = l m!

где m l = 0 l. – среднее число пересечений на этом отрезке.

Для проверки применимости сделанных предположений к описанию реальной городской застройки была проведена статистическая обработка топографических планов нескольких однотипных по характеру застройки современных городских районов [2]. В итоге можно сделать вывод, что предположение о пуассоновском характере распределения Pl (m) можно считать приемлемым для интервалов, превышающих 0,2 км.

Наиболее важной для последующих расчетов величиной является вероятность прямой видимости между двумя точками, разнесенными на расстояние l. Она совпадает с вероятностью отсутствия пересечений этого отрезка стенами зданий Pl (0).В рассматриваемом случае статистически однородной и изотропной застройки она равна Pl (0) = e l. (6.2) Независимо от описанных испытаний была проведена обработка топографических планов с целью получения значений Pl (0) и по (6.2) для значений l как меньших, так и больших 0.2 км.

Рис. 6.2

Результаты показаны на Рис. 6.2 в виде отмеченных точками значений величины ln Pl (0).Штриховая линия – расчетная. Видно, что в целом результаты испытаний хорошо согласуются с расчетом. Заметные отклонения наблюдаются при l100 м, что согласуется с предположительной оценкой масштаба корреляции рельефа городской застройки, при превышении которого хорошо работает модель Пуассона.

Из (6.2) можно вывести = 0 1 - (6.3) среднее расстояние между пересечениями, т.е. средняя горизонтальная дальность прямой видимости в слое городской застройки. Обозначая через l масштаб корреляции городского рельефа, можно записать следующее условие, при котором последовательно наблюдаемые пересечения с передними стенами зданий будут практически независимыми: l. Для выбранных городских районов по результатам статистических испытаний значение равно примерно 170 м.

Формула (6.2) позволяет рассчитать в принятом приближении вероятность прямой видимости между двумя точками в слое городской застройки, если задана плотность пересечений 0. Однако, для точного расчета 0 необходимо детальное описание модели городской застройки, которое бы включало в себя сведения о форме проекций зданий на плоскость z=0 и их взаимном расположении. Если же использовать проверенное выше предположение о статистической независимости двух последовательных пересечений, то можно пренебречь существованием минимального разделяющего интервала. При этом множество случайно расположенных на плоскости z=0 объектов можно заменить при расчете статистических характеристик пересечений множеством плоских отражающих экранов, ортогональных к поверхности земли и расположенных на ней статистически независимо.

Будем считать, что любая ориентация проекций объектов на плоскость z=0 равновероятна, а средние точки проекций образуют множество со средней плотностью. Задача расчета 0 при этом сводится к задаче расчета среднего числа пересечений отрезка единичной длины, принадлежащего плоскости z=0, со случайно расположенными отрезками – проекциями экранов на эту плоскость.

–  –  –

значительно увеличивается при подъеме второго пункта над крышами зданий.

6.3 Модифицированный метод Кирхгофа, учитывающий затенение поверхностей городских зданий.

–  –  –

rr где d = r2 r1.

Полная средняя интенсивность, принимаемая поднятой над городской застройкой базовой станцией, складывается в нашей модели из интенсивности однократно отраженных от стен волн (6.38) и интенсивности когерентной волны (6.16), приходящей непосредственно от излучателя.

6.7. Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными

–  –  –

излучателя для z1=3м и 45z2200м окажется уже на расстоянии1км слишком малой, чтобы повлиять на медианные значения.

Рис 6.6 Измерения показали, что при увеличении дальности до 15км мощность сигнала убывает как d–3 [3,4]. Последующее увеличение дальности приводит к более быстрому уменьшению уровня сигнала. Теоретическая формула (6.38) для I также определяет зависимость d–3 для дальностей меньше дальности радиогоризонта dR.. На больших расстояниях приходится учитывать сферичность Земли. Это можно сделать добавлением в (7.48) множителя, рассчитанного по дифракционной теории Фока [2] и обеспечивающего более быстрый спад уровня сигнала в области геометрической тени Земли (d dR). На Рис.6.6 штриховыми линиями представлены зависимости медианного значения мощности сигнала от расстояния, построенные Окамурой для частоты 453МГц при z1=3м и z2=820, 220, 140, 45м. Мощность сигнала в городе отнесена к мощности в свободном пространстве, измеренной на расстоянии 1км от излучателя. Здесь же нанесены условными знаками полученные им в ходе измерений медианные значения напряженности поля.

Для сравнения верхней штриховой линией показан уровень сигнала в свободном пространстве. Расчетные зависимости величины (4)2I от дальности показаны сплошными линиями 1-4. Значения Г=0,1 и lВ=1м выбраны из тех соображений, чтобы обеспечить совмещение кривых 4 на дальности 1км, вместе с тем эти значения не противоречат представлениям о свойствах реальных отражающих поверхностей городских строений. Расчетные кривые 2-4 практически совпали с построенными Окамурой во всем диапазоне дальностей от 1 до 100км. Расхождение расчетных и измеренных значений становится заметным лишь при z2=820м, достигая 4дБ (кривая 1). Это естественно, поскольку расчеты проведены в малоугловом приближении, а значение z2=820м этим условиям уже не удовлетворяет. Тем не менее, и в этом случае характер зависимости ослабления от дальности между излучателем и приемным пунктом определяется теоретическим выражением правильно. Резкий излом кривой 3 при d=40км объясняется уходом за радиогоризонт (для z2=140м dR=40км). Такое же хорошее согласие теории и эксперимента имеет место и на частоте 1920МГц [2].

Как отмечалось выше, затухание сигнала в городе возрастает с увеличением его частоты по степенному закону. Причем с увеличением частоты от 100 до 2000МГц показатель степени n меняется от 0,2 до 1, оставаясь величиной слабо зависящей от расстояния в диапазоне от1 до10км.

При дальнейшем увеличении расстояния n начинает зависеть от него и растет значительно быстрее. Результаты теоретического расчета I дают объяснение этому экспериментально установленному факту. Действительно, пока Землю можно считать плоской, т.е. для расстояний около 10-20км, зависимость средней интенсивности от длины волны определяется множителем, [ )] ( 2 2 + 2 l В 0 h z1

–  –  –

параметрами которого являются как длина волны, так и характеристики застройки 0, h и l В. Отметим, что поскольку дальность не является параметром, вид зависимости средней интенсивности от z1 сохраняется во всем диапазоне рассматриваемых дальностей. Влияние высоты z1 на I существенным образом зависит от диапазона частот, в котором исследуется эта зависимость.

В книге [3] отмечается интересный эффект, заключающийся в том, что для небольших городов с увеличением z1, большое усиление сигнала наблюдается для более коротких длин волн. Для крупных городов усиление незначительное и практически не зависит от длины волны.

Рис. 6.9 На Рис.6.9 приведены расчетные кривые для I в зависимости от высоты z1, (фактор "высота-усиление") для частот 400, 1000 и 2000 МГц (кривые 1, 2 и 3 соответственно) и различных типов городов. За ноль децибел взято значение средней интенсивности при z1, = 1,5 м. Значения параметров равны: l В = 1м и 0 = 10км 1. Для небольших городов (h =10 м, рис. 6.9а) усиление на частоте 2000 МГц для семиметровой антенны (т.е. находящейся на высоте 7 м от земли) составляет 7 дБ, а на частоте 400 МГц только около 2 дБ. Для средних городов (h = 20 м, рис. 6.9б) усиление составляет соответственно 3 и 2 дБ, а для крупных городов (h=40 м, рис. 6.9в) усиление для той же антенны одинаково в диапазоне частот от 400 до 2000 МГц и составляет около децибела.

Таким образом, расчет поля УКВ над городской застройкой в приближении однократного рассеяния с учетом затенений позволяет получить для средней интенсивности результаты, согласующиеся с экспериментом по характеру зависимости от дальности, высот расположения антенн и частоты.

Список литературы к лекциям 3,4

1. Туляков Ю.М. Системы персонального радиовызова. М.: Радио и связь, 1988. – 168 с.

2. Пономарев Г.А., Куликов А,М., Тельпуховский Е.Д. Распространение УКВ в городе.-Томск: МП «Раско». 1991.

3. Связь с подвижными объектами в диапазоне СВЧ / Под ред. У.К. Джейкса.

М.: Связь. 1979. – 520с.

4. Okumura J. et.al. Field strength and its variability in VHF and UHF land mobile radio service. Rev. ins. Elec. Eng., 1968, v.16, no. 9-10, pp. 825-873.

5. Пономарев Л.И., Манкевич Т.Л. Моделирование радиотрасс мобильных систем связи. Успехи современной радиоэлектроники, 1999, № 8, c. 45-58.

6. Hata M. Empirical formula for propagation loss in land mobile radio service.

IEEE Trans. Veh. Technol., 1980, v. VT-29, no. 3, pp. 317-325.

7. Рытов С.М. Введение в статистическую радиофизику. Ч. 1. М.: Наука.

1976. 496 с.

8. Басс Ф.Г., Фукс И.М. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. М.: Наука. 1972. 424 с.

9. Фейнберг Е.Л. Распространение радиоволн вдоль земной поверхности. М.:

Похожие работы:

«International Naval Journal, 2016, Vol.(10), Is. 2 Copyright © 2016 by Academic Publishing House Researcher Published in the Russian Federation International Naval Journal Has been issued since 2013. ISSN: 2411-3204 E-ISSN: 2413-7596 Vol. 10, Is. 2, pp. 83-114, 2016 DOI: 10.13187/inj.2014.3.4 DOI: 10.13187/inj.2...»

«АПОСТОЛ, 53 ЗАЧАЛО (КОММ. К ИАК. 2:14-26) ПОНЕДЕЛЬНИКА 32 НЕДЕЛИ 2:14-26 ЦЕРКОВНОСЛАВЯНСКИЙ ТЕКСТ (2:14-26) СИНОДАЛЬНЫЙ ПЕРЕВОД ФЕОФИЛАКТ БОЛГАРСКИЙ (Стихи 2:14-19) (Стихи 2:20-26) БАРКЛИ ВЕРА И ЧЕЛОВЕЧЕСКИЕ ДЕЛА (Иак. 2,14-26) ВЕРОИСПОВЕДАНИЕ И ЖИЗНЕННАЯ ПРАКТИКА (Иак. 2,14-17) НЕ "ТО ИЛИ ДРУГОЕ", А "ТО И ДРУГОЕ" (Иак....»

«УДК 666.952.2 ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ГИДРАТАЦИЯ ЗОЛЫ КАНСКО-АЧИНСКИХ УГЛЕЙ В ПРОИЗВОДСТВЕ СИЛИКАТНОГО КИРПИЧА В.М. Каракулов Из предварительно гидратированной золы канско-ачинских углей может быть получен силикатный...»

«Вестник СибГУТИ. 2011. № 4 41 УДК 621.39.001 Построение моделей идентификации личности, основанных на сравнении множества физических или поведенческих характеристик человека Е.М. Сесин, В.М. Белов В работе рассмотрена проблема построения систем идентификации личности, основанных на сравнени...»

«MATERIALS OF CONFERENCES животного и отсутствия у него стресса. ЧСС состаянии средней тяжести, с выпадением матки. Матка вила 740 ± 25 ударов в минуту. Проведенные измерезначительно отекшая, загрязнена, имеются обширные ния ЭКГ с...»

«Советско-Финляндская война 1939 года ВВЕДЕНИЕ 29 ноября 1939 г. председатель СНК СССР В.М. Молотов заявил по московскому радио, что "враждебная в отношении нашей страны политика нынешнего правительства Финляндии вынуждает нас принять немедленные м...»

«РАДИОСТАНЦИЯ АВИЦИОННОГО ДИАПАЗОНА FL-M1000A/FL-M1000E Инструкция по эксплуатации ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ FFC Изменение и модификация настоящего оборудования без получения должного согласия однозначно не допускается и может повлечь за собой его конфискацию у пользователя ПРИМЕЧАНИЕ: Настоящее оборудование было протестировано и установлено его с...»








 
2017 www.kniga.lib-i.ru - «Бесплатная электронная библиотека - онлайн материалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.