Влияние высоты установки антенны БС на уровень принимаемого сигнала
МIНIСТЕРСТВО
ОСВIТИ I
НАУКИ УКРАЇНИ
ХАРКIВСЬКИЙ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНIВЕРСИТЕТ РАДIОЕЛЕКТРОНIКИ
Кафедра
ТАВР
КОНТРОЛЬНАЯ
РАБОТА
по
предмету
"ТЕХНОЛОГИИ
МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ"
Виконав:
екстерн
спец. ТЗТе-08
Фесюніна
Л.І.
Перевірив:
доц. каф. ТАВР Стародубцев Н.Г.
Харків
2009
1. ВЛИЯНИЕ ВЫСОТЫ УСТАНОВКИ
АНТЕННЫ БС НА УРОВЕНЬ ПРИНИМАЕМОГО СИГНАЛА
При расчете уровня сигнала в
точке приема необходимо учитывать волны, отраженные от земной поверхности.
Влияние отраженных от поверхности земли лучей на устойчивость связи можно
учесть на основании двулучевой модели (рис. 1.1).
Рисунок 1.1 - Двулучевая
модель распространения сигнала БС
Множитель ослабления относительно
поля свободного пространства можно представить следующим образом
, (1.1)
где α - коэффициент отражения
от поверхности земли; Ф - фазовый сдвиг между прямым лучом и отраженным от
Земли. Обычно принимают α = -1, поскольку угол падения обычно мал. В этом случае выражение
(1.1) можно записать следующим образом
(1.2)
В свою очередь
(1.3)
где
Δr=r1-r2
- разность хода лучей; α -длина волны.
На
основании построений на рис 1.1 можно записать
(1.4) и , (1.5)
где
h1 и h2- высоты установки антенн БС и МС соответственно;
d-расстояние от БС до МС.
Выражение
(1.4) и (1.5) можно переписать в виде
На
практике обычно d >> h1+h2,поэтому можно применить
известное приближенное равенство , где α << 1.
Тогда
(1.6)
Подставляя
(1.6) в (1.3) и (1.2), получаем
(1.7)
Мощность
сигнала на входе МС приемника может быть рассчитана по формуле
(1.8)
где Р1 - мощность передатчика БС; G1,G2
- коэффициенты усиления антенн БС и МС соответственно; - затухание
энергии в свободном пространстве.
Подставляя (1.7) в (1.8), находим
(1.9)
Если
ΔФ < 0,6
рад, то sin(ΔФ/2)ΔФ/2 и
формула (1.9) принимает вид
(1.10)
Выражение
(1.10) позволяет установить, что потери энергии на участке распространения
будут составлять 40 дБ/дек.
В самом деле, если d1=l км и d2=10
км, то при прочих равных условиях
(1.11)
Таким
образом, мощность сигнала на входе приемника обратно пропорциональна d4
, т.е.
где
а - коэффициент пропорциональности.
При
расчетах потерь энергии в свободном пространстве действует другое правило, а
именно
20
дБ/дек, т.е.
Для
реальных городских радиотрасс имеем
где
γ=2...5.
Величина
γ не может
быть меньше 2, т.к. это значение соответствует свободному пространству.
Из
(1.10) также следует, что увеличение высоты установки антенны БС приводит к
увеличению уровня сигнала на входе приемника МС примерно на 6 дБ/окт.
В
самом деле, удвоение высоты установки антенны БС дает
(1.12)
По вполне понятным
причинам высота установки антенны МС не превышает 3 м, поэтому влияние ее
высоты на энергетику линии обычно не рассматривают.
В формуле (1.9) не
учтены многие факторы, влияющие на распространение радиоволн, а именно:
шероховатость поверхности Земли, тропосферное отражение, рельеф местности и
многие другие. Поэтому при расчетах часто прибегают к материалам, полученным на
основании измерений и статистического усреднения результатов наблюдения.
2 МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ
ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ
Эффективность ССПР зависит от большого числа
параметров и может служить показателем соответствия системы своему назначению,
указывая степень ее технического совершенства и экономической целесообразности.
Для количественной оценки эффективности сети подвижной радиосвязи можно
использовать: пропускную способность; достоверность передачи информации; количество
каналов, в выделенной полосе частот; размеры обслуживаемой территории;
стоимость эксплуатации; статистические параметры трафика и другие факторы.
Обычно эффективность ССПР оценивают числом
абонентов, приходящихся на выделенную полосу частот. Такой метод оценки
достаточно нагляден и позволяет сравнивать различные системы подвижной
радиосвязи.
Допустим,
что МС равномерно распределены на территории обслуживания, имеющей вид круга
радиуса R0 с площадью . Каждая сота представляет
собой шестиугольник с радиусом описанной окружности R, имеющий
площадь
(2.1)
Количество
БС на территории обслуживания
(2.2)
Размерность
кластера К является частотным параметром системы, т.к. определяет минимально
возможное число каналов в ССПР. Если на каждой БС набор состоит из пс
с шириной полосы каждого канала Fк, то общая
полоса частот для ССПР (с учетом повторяемости частот) в направлении передачи
составит
Число
активных абонентов на всей территории обслуживания равно В этом случае эффективность
использования выделенной полосы частот
(2.3)
Из
(2.3) следует, что эффективность ССПР не зависит от числа каналов на БС и
возрастает с уменьшением радиуса ячейки R. В сущности
это указывает на то, что уменьшая размеры ячеек можно повысить повторяемость
частот, т.е. их одновременное использование в сети. Кроме того, из соотношения
(2.3) следует целесообразность уменьшения размерности кластера К. Рассмотрим
более подробно влияние размерности кластера на характеристики ССПР, в частности
на уровень взаимных помех, возникающих вследствие повторного использования
рабочих частот (рис.2.1). Взаимные помехи можно разделить на два вида.
Во-первых,
мобильные станции в ячейках с совпадающими частотами создают помехи в каналах
приема базовой станции соты номер один, находящейся в центре рис. 2.1 Отношение
сигнал/помеха на входе приемника БС определяется выражением
(2.4)
где
Рпр.б - мощность сигнала МС центральной соты на входе приемника
собственной БС;
Рп.м.i - мощность
помехи от МС в совпадающей соте i-го кластера первого круга;
К1
- число совпадающих сот первого круга.
Во-вторых,
базовые станции всех совпадающих ячеек в первом круге создают помехи мобильным
станциям, находящихся в центральной соте. Отношение сигнал/помеха в этом случае
(2.5)
где
Рпр.м - мощность сигнала БС центральной соты на входе приемника МС
этой же соты;
Рш.м
- мощность тепловых шумов приемника МС;
Рп.б1
- мощность помех от БС совпадающей ячейки i-го кластера
первого круга.
Ячейки, создающие помехи на
совпадающих частотах
Рисунок 2.1 - Влияние размерности кластера на
уровень взаимных помех
Для
получения количественной оценки уровня взаимных помех сделаем ряд естественных
предположений. Считаем, что Рш.б и Рш.м можно пренебречь,
поскольку уровень шумов ниже уровня взаимных помех. Полагаем, что , т.е. будем рассматривать
сбалансированную систему. Кроме того, принимаем в расчет, что передатчики всех
МС имеют одинаковую мощность. То же самое относится и к передатчикам БС.
Тогда
имеем
(2.6)
где
- расстояние между центрами
ячеек с совпадающими частотами.
Подставляя
в (4.6), получаем
(2.7)
При
любой размерности кластера в первом кругу располагается шесть совпадающих
ячеек, т.е. К1=6. Кроме того, все относительные расстояния
повторного использования частотных каналов равны, т.е. С учетом этого выражение
(2.7) можно представить в виде
(2.8)
Для
NМТ-450 =18 дБ. Если γ=4, то q=(6
63.1)1/4=4.41. Отсюда необходимая размерность кластера К=q2/3=6.48,
т.е. К=7.
Таким
образом, для получения защитного отношения 18 дБ необходимо выбрать кластер с
размерностью не менее семи. В этом заключается один из недостатков всех
аналоговых стандартов.
Переход
к цифровым ССПР позволяет увеличить число каналов на соту ввиду того, что
требуемое защитное соотношение резко уменьшается. Для стандарта GSМ оно равно
9 дБ, а для стандарта CDМА-IS-95
составляет 6 дБ. Это позволяет уменьшить мощность передатчиков БС и ближе
располагать ячейки с совпадающими частотами.
Цифровые
стандарты предоставляют возможность адаптироваться к увеличению числа
абонентов. При увеличении количества абонентов область обслуживания каждой
ячейки может быть уменьшена. Согласно (2.3) эффективность сети увеличивается
благодаря возрастанию повторяемости одних и тех же канальных частот. Следует
отметить, что имеется ряд обстоятельств, затрудняющих процесс дробления сот. В
частности, чрезмерное уменьшение радиуса ячейки вызывает резкое увеличение
числа пересечений мобильными средствами условных границ ячеек при передвижении
абонентов. В связи с этим возрастает поток данных между многочисленными БС и
ЦКПС, который требует обработки, что может привести к перегрузке систем
управления и коммутации и, как следствие, к отказу всей системы.
Кроме
того, если сеть БС имеет радиальную структуру, то с увеличением числа БС быстро
растут затраты на сооружение соединительных линий БС-ЦКПС. Переход к
радиально-узловой структуре позволяет оптимизировать сеть соединительных линий
по критерию минимума затрат, однако и этот подход не позволяет избежать
усложнения системы управления ССПР. Еще один способ снижения уровня помех и
повышения эффективности ССПР связан с использованием секторных антенн. В этом
случае на БС вместо одной антенны с круговой ДН использую несколько
направленных антенн, позволяющих концентрировать излучение в пределах сектора и
сокращать уровень излучения в противоположном направлении. На рис. 2.2 приведена
модель повторного использования частот в секторизованных сотах, когда в кластер
входят три соты и три БС (К=3). В этом случае на каждой БС задействовано три
120-градусные антенны, что позволяет использовать девять групп частот.
Рисунок
2.2 - Модель повторного использования частот при К=3
Самую
высокую эффективность использования полосы частот обеспечивает модель,
показанная на рис. 2.3.
Рисунок
2.3- Модель повторного использования частот при К=4 и при использовании на
каждой БС шести 60-градусных антенн
Как
следует из схемы, каждая группа частот используется дважды в пределах кластера,
состоящего из четырех БС. При использовании на каждой БС шести 60-градусных
антенн появляется возможность работать на двенадцати группах частот.