Суммарная за год длительность нахождения радиолинии в состоянии неготовности из-за воздействия дождей, отнесенная к длительности одного года, позволяет рассчитать коэффициент неготовности K нег.д.

Для расчетов K нег.д используют статистические распределения интенсивности дождей J д в «среднем» годе или «худшем» месяце (распределения описывают значения интенсивностей (в мм/ч), превышаемых в заданном проценте времени контрольного периода). На основе известного распределения рассчитывают максимально допустимую интенсивность дождя J д max, при которой ослабление сигнала становится равным значению запаса на замирания F. Далее рассчитывается длительность превышения значения интенсивности дождя J д max.

Сложность (и приемлемая точность) расчета K нег.д обусловлена тем, что кроме статистических характеристик интенсивности дождей необходимо учитывать параметр пространственной локализации дождей K r. Этот параметр зависит не только от длины трассы, но также от интенсивности дождей. Поэтому основное уравнение, определяющее состояние радиолинии при воздействии дождей, получается сложным, с неявным заданием функции K нег.д ( J д, K r ). Кроме того, если используется распределение интенсивности J д ( Pхм ) для «худшего»

месяца, то для расчета K нег.д для «среднего» года приходится вычислять значения переводного множителя Q. При этом расчет, как правило, ведется с использованием вспомогательных графиков, что весьма неудобно и связано с дополнительными погрешностями до ±10%. Следует учитывать и то обстоятельство, что для надежной оценки Q путем измерения необходима многолетняя выборка данных по каждому из рассматриваемых регионов.

Таким образом, имея в своем распоряжении накопленный отечественный опыт проектирования и соответствующую детальную информацию по распределению интенсивности J д ( Pхм ), желательно получить методику расчета K нег.д, используя подход «среднего» года, снизив тем самым трудоемкость и погрешность расчетов.

Очевидно, что функция распределения интенсивности дождя J д ( Pсг ) для «среднего» года дает возможность наиболее быстрого расчета K нег.д. Расчеты J д ( Pсг ) можно провести с помощью модели Рек. МСЭ P.837, но предложенное для этого выражение имеет чрезвычайно громоздкий вид, а часть входящих в него параметров представлена в виде матриц с минимальным шагом в 1.5° по широте и долготе места, что требует применения процедуры интерполяции и не дает возможности последующей обработки такой функциональной зависимости.

В диссертационной работе была поставлена задача усовершенствования математической модели J д ( Pсг ), которая отвечала бы следующим требованиям:

- погрешность описания усредненного закона распределения для территории страны не должна превышать 8-10% в области Pсг 0.01 % ;

- зависимость J д от широты и долготы места должна отражаться в явном виде и должна быть представлена в форме отдельного блока в общей расчетной формуле;

- модель может содержать корректирующий коэффициент, дополнительно учитывающий специфику климатического района размещения трассы.

В результате проведенного в диссертации исследования было установлено, что функцию распределения J д ( Pсг ) для территории России целесообразно представить в следующем виде:

где Ш и Д – широта и долгота в градусах. Величина корректирующего коэффициента, равная 0.95, 1.0 и 1.05, охватывает примерно 70% территории России.

В работе приведены рекомендуемые значения корректирующего коэффициента для всех регионов России.

Примененная в работе аппроксимация известного семейства графических зависимостей коэффициента локализации дождя позволила получить следующее выражение для K r как функции двух переменных:

где J д -интенсивность, мм/ч; R -длина трассы, км.

Для наиболее востребованных значений интенсивности 30-70 мм/ч и длин трасс 5-40 км максимальное значение отклонения составляет минус 5.5 %. При J д = 90 мм/ч отклонение возрастает до +8.4 %.

Если положить K нег.д P сг, то ослабление сигнала в дождях Vд должно быть равным запасу на замирания F на трассе, что соответствует максимально допустимому значению интенсивности дождя J д m. Величина погонного ослабления связана с интенсивностью дождя Таким образом из (1.2) и (1.3) получаем в этом уравнении информация о значении K нег.д заложена в интенсивности J д m, при которой полностью используется запас F.

Для того, чтобы отразить в более явном виде взаимозависимость между F и K нег.д, надо в (1.4) подставить полученное ранее уравнение (1.1), но результирующее выражение F(P сг ) получается весьма сложным и в таком виде не дает возможности прямого расчета значения K нег.д, но позволяет выполнить обратный расчет.

Если значение F задано, то соответствующее ему значение K нег.д можно найти, применив графический метод решения. Подобный прием используется в отечественных методиках. Другим путем решения задачи является проведение расчета с использованием итерации. В диссертации была поставлена задача изыскания способа прямого расчета K нег.д при условии использования в решении данных, характеризующих ситуацию на трассе для Pсг = 0.01 %.

Сравнивая ослабление сигнала на трассе при двух значениях максимальной интенсивности дождя J д 1 и J д 2, первая из которых соответствует Pсг = 0.01 %, применяя процедуру обращение функции и вводя вспомогательные параметры:

было получено аналитическое выражение для расчета коэффициента неготовности трассы, обусловленного дождями:

Под руководством автора проведен эксперимент, целью которого являлось определение точности прогноза показателей качества ЦРРЛ в целом по методике МСЭ и отечественной методике (ГОСТ Р 53363), в том числе и значений коэффициентов неготовности в дождях. Для этого результаты расчета сравнивались с экспериментальными данными для ЦРРЛ диапазонов 18 и 23 ГГц. Эксперимент на 21 интервале ЦРРЛ, расположенных в Санкт-Петербурге и Ленинградской области, проводился в периоды 28.10.07-26.11.07 и 8.05.08-30.09.08.

Последний из указанных периодов захватывает летний сезон, который в рассматриваемом регионе относится к наиболее неблагоприятному, с точки зрения воздействия среды распространения, сезону года. В диапазонах 18 и 23 ГГц исследовалось 10 и 11 интервалов, соответственно. Результаты расчета и измерений коэффициента неготовности приведены в табл. 1.1.

МСЭ ГОСТ МСЭ ГОСТ

Разделе 2. Параметры ослабления, в особенности на приземных трассах, неразрывно связаны с окружающими естественными и искусственными объектами, учет которых в расчетах может быть осуществлен путем использования ЦММ. С целью совершенствования информационного обеспечения расчета ослабления радиосигнала рассмотрены различные виды ЦММ, построенные на основе матричных и векторных цифровых карт местности, а также всемирных географических баз данных SRTM и GTOPO30.

Описаны технологии создания трехмерных ЦКМ, изложены общие принципы использования ЦКМ, содержащих высотную составляющую.

Проведено исследование требований по точности, предъявляемых при изготовлении цифровых карт при различном масштабе исходного картографического материала. Данное исследование позволяет не только выявить основные источники погрешностей прогноза ослабления радиоволн, связанных с описанием местности, но и оценить их количественно.

Разработаны алгоритмы построения профилей местности по векторным и матричным ЦММ. Для нескольких протяженных трасс проведено сопоставление профилей местности, полученных с помощью набора векторных ЦКМ (масштабы 1:50000, 1:100000, 1:200000, 1:500000), SRTM и GTOPO30.

В результате установлено:

- профиль, полученный по матрице SRTM, описывает общую огибающую высоты местности с учетом усредненной высоты подстилающей поверхности (застройки и растительного покрова);

- в профиле, полученном с помощью GTOPO30, представлена информация о рельефе, погрешность которой нарастает по мере увеличения изрезанности (перепада высот) на профиле;

- поскольку среднее расхождение имеет приемлемую величину, допустимо использование профилей местности, полученных по GTOPO30, для вычисления параметров моделей ослабления, использующих усредненные характеристики рельефа, например эффективную высоту антенн и т.п;

- точность определения высоты рельефа местности (при отсутствии застройки и растительности) по матрице SRTM примерно соответствует точности топографических карт масштаба 1:25000 - 1:50000, а GTOPO30 – 1:200000.

Как показывают исследования, проведенные в диссертации, большое значение для выбора подходящей модели ослабления радиоволн имеет наличие или отсутствие прямой видимости (ПВ) на трассе. В диссертации разработана процедура определения ПВ.

В некоторых методиках прогноза ослабления радиосигнала необходимо проводить классификацию трассы (или ее частей) по принадлежности к тому или иному климатическому району, поэтому автором предложена процедура такой классификации.

Модели дифракционного ослабления условно можно разделить на две группы: для сферических трасс, то есть таких трасс, на которых происходит ослабление радиосигнала, в том числе и за счет дифракции на сферической поверхности Земли, и модели для трасс, не являющихся сферическими (дифракция на препятствиях). В диссертационной работе впервые предложена процедура, в которой на основе профиля местности проводится определение степени сферичности трассы.

При проектировании зональных сетей необходимо иметь представление о территориальной зоне охвата сети в целом и зонах обслуживания конкретных БС. Ввиду невозможности расчета ослабления, имеющего место для каждой точки предполагаемого местоположения абонентских станций (АС), с одной стороны, и точки установки БС, с другой - расчету должна предшествовать так называемая разметка территории. В ходе процедуры разметки производится разбиение территории на фрагменты, внутри которых уровень сигнала, создаваемый конкретной БС, считается постоянным. В соответствии с этим ослабление на трассе, связывающей данную БС и точки внутри фрагмента территории, также принимается постоянным. Значение ослабления (уровень) присваивается каждому фрагменту по результатам расчета в отсчетной точке профиля, проходящего через фрагмент.

Алгоритм построения радиопокрытия (карты потерь) состоит из двух частей, одна из которых - непосредственное построение совокупности профилей, другая - расчет ослабления для отдельного профиля. Возможно несколько вариантов процедуры построения совокупности профилей. Наиболее распространено радиальное построение указанной совокупности для каждой БС. Недостатком данного метода является то, что при наличии на интересующей территории нескольких БС на каждую точку, на которой предполагается нахождение АС, будет накладываться по одному сектору карты потерь от каждой БС. И размеры, и пространственная ориентация указанных секторов, зависящие от взаимного местоположения АС и БС, в той или иной степени отличаются друг от друга.

Следовательно, построенная карта потерь (радиопокрытие) может рассматриваться только как промежуточная, требующая дальнейшей обработки.

Другими недостатками радиального метода построения профилей являются избыточность расчетных точек вблизи БС и одновременно их нехватка на большом удалении от БС. При этом уменьшение шага по азимуту и расстоянию вместе с устранением одного недостатка резко обостряет другой.

Подобных недостатков не возникает при использовании другого подхода к построению совокупности профилей и карты потерь. В качестве фрагментов территории, на которых уровень ослабления сигнала считается постоянным, можно рассматривать квадратные (в метровых или градусных единицах) ячейки сетки с размером стороны от 10 до 250 м.

Данная сетка может выступать отдельным слоем ЦКМ, элементами которой и являются ячейки, каждой из которых соответствует информация об ослаблении на трассах для всех БС.

Упрощенный алгоритм построения радиопокрытия (карты потерь) БС при предложенном подходе в общем виде состоит из следующих пунктов:

- задать высоты подвеса и азимуты антенн БС (приемных и передающих);

- задать размер ячейки сетки;

- поместить в специальный слой ЦКМ сетку с указанным размером ячейки (границы сетки определяются выбранной зоной охвата сети, каждой ячейке соответствует свой идентификационный номер i=1,...,n);

- определить координаты всех точек, соответствующих центрам ячеек;

- выделить трассу, соединив точку установки БС и центр ячейки с идентификатором i=1 (рис. 2.1);

- в зависимости от типа ЦММ провести построение профиля местности в соответствии с одной из вышеприведенных процедур;

- в точке 1 рассчитать ослабление (уровень сигнала) в соответствии с выбранной моделью;

- по аналогии построить трассы и рассчитать ослабление (уровень сигнала) для всех последующих точек i (i=2,...,n);

- используя информацию об энергетических характеристиках оборудования рассчитать уровень сигнала для всех точек i (i=1,...,n);

- каждой ячейке сопоставить фрагмент территории с уровнем ослабления, равным ослаблению в ее центральной точке.

При наличии в ЦММ информации о зданиях и сооружениях и использовании детерминистской модели ослабления можно производить расчет не только в точках центров ячеек, но и в узлах сетки. В этом случае ослабление (уровень сигнала) для каждого фрагмента территории будет вычисляться, как среднее из нескольких значений (четыре узла и центр).

Подобный способ позволяет определенным образом сгладить перепад уровней в соседних ячейках, если те, например, находятся в областях с различной степенью затенения. Такая ситуация часто возникает на территории с высотной застройкой. В этом случае точке, лежащей на профиле, не проходящим через здание, но расположенным вблизи него, будут соответствовать значительно меньшие потери, нежели такой же точке соседнего профиля, проходящего через данное здание. Применение описанного метода увеличит ослабление в точке с меньшим затенением и, наоборот, уменьшит - в более затененной точке, что соответствует реальной картине распределения уровня сигнала. Кроме того, этот способ призван скомпенсировать отсутствие учета явления боковой дифракции в различных моделях прогноза.

В разделе 3 проводится анализ различных статистических и детерминистских моделей ослабления, применяемых при построении радиопокрытия в СПР и беспроводного доступа.

Приведено теоретическое обоснование модели Окамура-Хата, на основе которого проведен анализ границ и условий ее применимости. Показано, что результаты прогноза по модели хорошо согласуются для коротких городских трасс с результатами, полученными с помощью формул Кирхгофа с геометрооптическим определением «освещенных» отражающих площадок стен зданий и последующим усреднением по входящим в формулу параметрам городской застройки. Таким образом, можно считать, что модель для коротких городских трасс с равномерной равновысотной застройкой хорошо описывает ослабление радиосигнала, образованного в результате однократного рассеяния на стенах зданий, расположенных в непосредственной близости от пункта, погруженного в слой застройки. Приведенное теоретическое обоснование модели позволило разработать детерминистские поправки, вычисляемые на основе ЦММ. Теоретические значения поправок, учитывающие отличие параметров застройки, таких как средняя высота застройки h' и среднее расстояние прямой видимости 0 ', от соответствующих значений для района измерений, выполненных Окамура (г. Токио), могут быть записаны так:

Алгоритмы вычисления поправок в сильной степени зависят от используемого типа ЦММ. В диссертации указанные алгоритмы приведены для рассмотренных типов ЦММ.

В случае, если разность высот БС и застройки мала, влияние кривизны земной поверхности на дифракционные затенения застройкой начинает сказываться на расстояниях порядка нескольких километров. Это обстоятельство может быть учтено путем введения эффективного значения высоты БС, однако такого рода уточнение может быть использовано только при R < Rг, где Rг - дальность радиогоризонта. Полноценный учет дифракции за счет сферичности Земли, может быть осуществлен при использовании формул геометрической теории дифракции. Результатом вычислений должен являться множитель ослабления F. Трудность вычисления связана с тем, что оно должно выполняться не только для зоны глубокой тени (дифракции), но и для зоны полутени (промежуточной), а единое выражение для этого отсутствует. Для вычисления F в диссертации разработана специальная процедура, позволяющая избежать разрыва результата на границе двух зон. Для дифракционной зоны получено аналитическое выражение, учитывающее первые два члена разложения множителя ослабления:

в котором первое слагаемое определяется с помощью известной одночленной формулы (Рек. МСЭ P.526) и где X и Y - приведенные расстояние и высота подвеса антенны соответственно, а параметры am и bm табулированы.

В УВЧ диапазоне расхождение между значениями, вычисленными с помощью одночленного выражения, и истинными значениями составляет ± 1.5 дБ.

Применение формулы (3.2) уменьшает погрешность до ±0.2 дБ.

Статистические модели ослабления радиосигнала получены на основе усреднения большого объема экспериментальных данных, суть большинства из них может быть представлена с помощью общего выражения:

которое означает, что ослабление является логарифмической функцией расстояния с экспонентой потерь n плюс некоторый параметр сдвига K. Каждая модель имеет собственный набор величин n и K.

Статистические модели дают удовлетворительный прогноз только при применении на территориях с условиями распространения, схожими с теми, в которых были получены экспериментальные данные для модели. Улучшить качество прогноза можно с помощью калибровки параметров n и K модели для чего в диссертации разработана соответствующая процедура. Приведены примеры калибровки.

Физико-статистическая методология прогноза ослабления весьма привлекательна в отношении трасс в СПР, особенно когда канал является случайным образом изменяющимся во времени из-за движения механизмов, людей или других рассеивателей. В связи с этим подвергнута анализу Рек. МСЭ Р.1546 как содержащая наиболее востребованную на сегодняшний день модель указанного типа.

Расчет детерминистских поправок, применяемых в модели, рассмотрен с точки зрения использования описанных в диссертации ЦММ, а также в их отсутствии. С целью расширения условий применимости модели, в частности, для учета расположения базовой/передающей антенны ниже уровня подстилающей поверхности разработана соответствующая поправка. Также для поправки, учитывающей расположение приемной/подвижной антенны, приведено теоретическое обоснование, которое позволило провести ее модификацию в зависимости от применяемых при построении профилей ЦММ.

На рис. 3.1 проиллюстрирован физический смысл модифицированной высоты подстилающей поверхности для равнинной местности в предположении, что АС погружена в слой застройки высотой H, а БС расположена над слоем.

Из рис. 3.1 модифицированная высота определяется так:

При a = 15 м (одна из усредненных характеристик застройки) это выражение совпадает с приведенным в Рек. МСЭ Р.1546. Однако при наличии ЦММ, содержащей информацию о зданиях и сооружениях, это значение, наряду с H, может быть определено прямо из профиля. Кроме того, нужно учесть, что трасса может не быть плоской и тогда, при наличии затенения рельефом, в (3.4) должна фигурировать вместо высоты БС h1 соответствующая приведенная высота препятствия рельефа местности, а анализу должны подвергаться только объекты застройки последнего подынтервала трассы. При этом высоты объектов тоже должны быть скорректированы в соответствии с рельефом.

Для учета указанных обстоятельств в диссертации предложен следующий способ вычисления модифицированной высоты подстилающей поверхности H' на основе данных о профиле местности(рис. 3.2), содержащем здания и сооружения:

Аналитическое выражение для вычисления набора значений H'i записывается следующим образом:

где H i - абсолютная высота i -го объекта застройки на трассе; yi - высота рельефа местности под i -м объектом застройки; y0, y end - высоты рельефа местности в начале и конце трассы при отсутствии затенения рельефом, при наличии затенения рельефом y0 - высота рельефа на последнем подинтервале трассы (при этом принимается h1 = 0 ).

Найденное с помощью (3.5) значение H' используется в расчетах поправки наряду с соответствующим ему значением ai, то есть расстоянием до наиболее затеняющего здания.

Для ЦММ с квартальной застройкой модифицированная высота рассчитывается согласно приведенному в Рек. МСЭ Р.1546 выражению, но при этом параметры H и a определяются следующим образом:

- при нахождении АС внутри объекта застройки или ее затенении таковым H определяется высотой объекта или при ее отсутствии - его типом;

- при нахождении АС внутри объекта застройки a определяется типом объекта: 15, 20 и 30 м для городской, пригородной и сельской застройки соответственно;

- при затенении АС объектами застройки (с учетом высоты рельефа под зданиями) a определяется расстоянием до границы последнего затеняющего объекта, которое в расчете ограничивается снизу значениями 15, 20 и 30 м для городской, пригородной и сельской застройки соответственно.

При выводе выражения для параметра дифракции v, входящего в поправку, наряду с модифицированной высотой используются выражения (3.4) и рис. 3.2, с помощью которых определяется угол дифракции:

Применяя определение параметра v через угол clut, получаем:

где f в МГц, остальные величины в метрах.

Выражение для расчета поправки на основе профиля местности, содержащего в явном виде информацию о застройке, следующее:

где LD () - ослабление при дифракции на полуплоскости.

Кроме того, в диссертации для коротких трасс (менее 1 км) разработана процедура вычисления ослабления, основанная на принципах, заложенных в Рек. МСЭ Р.1546. В результате исчезает нижняя граница применимости модели по расстоянию и, соответственно, значительно расширяются возможности ее практического применения.

В современных условиях высокого городского трафика радиус зоны обслуживания БС составляет несколько сот метров. При распространении на столь коротких трассах радиоволна испытывает воздействие скорее со стороны зданий и деревьев, нежели со стороны неоднородностей рельефа. Таким образом, основной вклад в распространение радиоволн вносит многократная дифракция на крышах зданий.

В настоящее время предложено несколько детерминистских моделей, учитывающих многократную дифракцию на ряде зданий, наиболее известными из которых являются модели Ксиа и Уолфиша-Икегами, положенные в основу Рек. МСЭ P.1411, и рассмотренные в работе. Согласно этим моделям, ослабление определяется выражением:

где LF - ослабление в свободном пространстве, Lrts - описывает ослабление за счет дифракции с крыши соседнего здания на улицу, на которой находится абонентская станция (АС), а также потери при рассеянии; Lmsd - описывает множественную дифракцию на крышах зданий.

Качество прогноза ослабления зависит от многих факторов. В частности, от того, насколько упрощения и предположения, введенные в модели, применимы к конкретной ситуации. Общими недостатками моделей Ксиа и Уолфиша-Икегами являются предположения о равновысотной застройке территории и двусторонней застройке улиц. Кроме того, модели имеют ряд собственных специфических недостатков.

В работе предлагается новая детерминистская модель, которая является симбиозом двух указанных моделей (модифицированная модель). Расчет осуществляется на основании анализа профиля трассы, построенного между БС и АС.

При отсутствии ПВ между станциями устанавливается количество зданий на профиле, которые попадают в пределы первой зоны Френеля, построенной вдоль линии, соединяющей БС и главное затеняющее препятствие на трассе.

Здания, попавшие в пределы первой зоны, могут быть идентифицированы, как существенные для формирования поля в точке приема. В соответствии с их количеством вычисляется член Lmsd в формуле (3.10).

Дифракционно-отраженная компонента ослабления Lrts представлена в следующем виде:

где 1 ' и 2 ' - углы дифракции и падения соответственно, x - расстояние до главного препятствия, w- расстояние между дифракционным и отражающим экранами.

Первое слагаемое в фигурных скобках выражения (3.11) отвечает за дифракцию на главном препятствие, второе - описывает поле мнимого источника с амплитудой, пропорциональной коэффициенту отражения от стен для определенных поляризаций волны, значений диэлектрической проницаемости и проводимости строительного материала. Немаловажным фактором является то, что отражающая поверхность зданий не является сплошной, а как правило, имеет некоторый процент оконных блоков. Поскольку необходимая для этого информация неизвестна в большинстве случаев, используется некоторый дополнительный эмпирический множитель в коэффициенте отражения Френеля. В результате отраженная волна ослабляется в среднем на 3-8 дБ.

Многочисленные измерения, проведенные, в том числе и в диссертации, показывают, что применение формулы ослабления в свободном пространстве для вычисления ослабления при наличии ПВ между БС и АС некорректно и ведет к серьезной недооценке ослабления, которая увеличивается при удалении АС от БС. Всегда следует отличать ситуацию реальной прямой видимости и ее трактовки с помощью профиля, поскольку на нем отражаются только определенные объекты. Столбы освещения, рекламные щиты, объекты инфраструктуры, отдельно стоящие деревья, автотранспорт - информация о таких объектах не представлена ни в одной ЦММ. Между тем они могут создать серьезное затенение антенны АС, находящейся вблизи земной поверхности. В диссертации предложено учитывать ПВ статистически, используя «кривые» напряженности поля Рек. МСЭ P.1546. С их помощью может быть получено значение ослабления L1546 lim L1546 LF, которое следует использовать вместо LF.

Поскольку использование мобильной связи в домашних условиях, в офисах и учреждениях стало повсеместным, при ЧТП необходимо рассматривать радиопокрытие, в том числе внутри зданий и сооружений, и, следовательно, нужны модели и методики расчета ослабления при нахождении АС внутри помещений. Модели должны опираться на те же принципы расчета, что и для ситуаций вне зданий, то есть использовать в качестве исходных данных профили местности. При этом на профиле застройка должна, безусловно, содержаться в явном виде. В связи с этим в работе проведены исследования:

- ослабления при проникновении радиоволны внутрь объекта застройки;

- дополнительного ослабления по мере распространения радиосигнала внутри объекта застройки;

- сквозного прохождения радиоволной объекта застройки.

В качестве базовой модели ослабления принята модель ЕТСИ, согласно которой при наличии ПВ (рис. 3.3а) между фасадом здания, в котором располагается АС, и внешней антенной БС, ослабление рассчитывается с помощью выражения:

где L= 90 - ослабление внешней стеной при нормальном падении ( = 90° ), Le минимальное ослабление при проникновении в здание.

внутренняя стена, Li В отсутствии ПВ (рис. 3.3б) ослабление задается выражением где Lout - ослабление вне здания на уровне улицы hout и В диссертационной работе на основе проведенных экспериментов уточнены параметры выражений (3.12)-(3.15), которые приведены в табл. 3.1.

Для увеличения верхней границы применимости (3.12), которая установлена ЕТСИ на расстоянии 1 км, вместо ослабления в свободном пространстве LF предложено использовать L1546.

Следует также отметить, что в модели ЕТСИ никак не описана пограничная ситуация, когда верхние этажи здания «освещены», а нижние затеняются впереди стоящими зданиями. Прямое применение соответствующих частей модели неизбежно приведет к значительному разрыву на границе света и тени. В диссертации предложено для таких случаев ввести усреднение результатов, полученных при расчете по формулам (3.12) и (3.13).

Применение при расчете ослабления внесенных предложений позволяет снизить среднеквадратическое отклонение (СКО) ошибки прогноза по модели ЕТСИ с 8.7 до 6.6 дБ.

Для анализа «освещенности» зданий разработана специальная процедура, позволяющая выявить наиболее вероятный путь прохождения радиоволны до терминала внутри здания.

Для выявления значимости механизма прохождения радиоволны сквозь здание на формирование поля вне зданий и сооружений в работе проведены соответствующие экспериментальные исследования в диапазоне 950, 1850 МГц.

При сопоставлении рассчитанных по дифракционным формулам значений ослабления с измеренными обнаружено значительное превышение первых над последними для случая нахождения АС за освещенными БС фасадами зданий, расположенных на небольшом удалении от БС. Тем самым, можно считать доказанным значимость рассмотренного механизма распространения, учет которого в расчетах должен проводится, например с использованием погонного ослабления, значения которого по результатам эксперимента, варьировались в диапазоне от 2 до 2.4 дБ/м.

В работе отмечается, что во избежание ошибок расчета конечного значения ослабления, следует тщательно анализировать условия распространения радиоволн в месте приема на предмет возможности возникновения рассеяния от близлежащих зданий и сооружений. На частотах выше примерно 100 МГц размеры большинства городских строений во много раз превышают длину волны, что иногда приводит к образованию значительных по уровню рассеянных сигналов даже внутри затененных зон. Количественной оценке уровня сигнала, обусловленного рассеянием, посвящен один из подразделов диссертации.

При расчете необходимо ограничить число потенциальных рассеивателей, чтобы решать дальнейшие задачи путем последовательного перебора. Как правило, наиболее опасные рассеиватели находятся в непосредственной близости от оконечных пунктов. В диссертации разработана процедура поиска потенциальных рассеивателей на основе вычисления расстояния прямой видимости между двумя точками по статистическим характеристикам застройки. Отобранные потенциальные рассеиватели, точнее говоря, их стены, должны быть ориентированы соответствующим образом, чтобы создать рассеянную волну (рис. 3.4).

Для проверки затенения стена здания разбивается на участки, например квадраты со стороной 1 м. До каждого из участков должен быть построен профиль местности, с помощью которого далее должно быть оценено наличие ПВ. В общем случае только m участков из n будут участвовать в формировании поля.

Рассеянная часть мощности scat связана с мощностью, прошедшей через поверхность trans, соотношением Распределение scat в пространстве (индикатриса рассеяния) неравномерно и зависит от углов падения и наблюдения, характеристик конструкции.

В работе получено следующее эмпирическое выражение для индикатрисы рассеяния участка поверхности:

где Ф пл - модуль коэффициента отражения Френеля, коэффициент s и показатель p зависят от неровности и электрических характеристик поверхности.

Точность расчета с помощью выражения (3.17) проиллюстрирована на рис. 3.5.

Мощность, рассеянная стеной здания, определяется с помощью выражения:

PПРД - мощность излучения, GПРДi, j (GПРМi, j ) БС(АС) в направлении на участок стены; ПРД ( ПРМ ) -суммарное дополнительное ослабление радиосигнала на трассе между БС(АС) и участком стены.

Рассеяние радиоволны на земной поверхности, как правило, не является механизмом распространения, посредством которого осуществляется радиосвязь.

Напротив, паразитное рассеяние может привести к ухудшению качества связи или полному ее пропаданию. Таким образом, при проектировании сетей связи данный механизм необходимо учитывать в качестве одного из источников дополнительных помех. В основном, это касается сетей фиксированной связи (радиорелейных, спутниковых, абонентского радиодоступа). В диссертации проанализирована методика расчета мощности рассеянного сигнала, приведенная в Рек. МСЭ F.1096. Выполнен уточняющий вывод соотношений для вычисления элементарной зоны рассеяния, который положен в основу новой версии этой Рекомендации.

Для России, большая часть которой покрыта лесом, вопрос ослабления за счет растительного покрова весьма важен. В связи с этим рассмотрена Рек.

МСЭ Р.833, в которой для вычисления дополнительного ослабления при расположении одного из терминалов радиолинии внутри растительного покрова или за ним, предложено следующее расчетное выражение:

где d - длина участка трассы, проходящего через лес, м; - погонное ослабление, (дБ/м); Am - максимальное ослабление при прохождении через растительность.

В Рек. МСЭ Р.833 приведены типичные значения, полученные в результате разнообразных измерений в широком диапазоне частот на трассах, проходящих по лесистой местности. Также отмечается, что представленные значения являются приблизительными, усредненными для многих типов леса.

Зависимость Am от частоты имеет вид где f в МГц. Входящие в формулу (3.20) параметры A' и зависят от типа и плотности растительности.

Для увеличения точности расчетов дополнительного ослабления для каждого региона желательно иметь свои значения, A' и, поскольку отличия могут быть весьма значительными.

В ходе диссертационного исследования, в целях уточнения параметров модели для растительности средней полосы России, в диапазонах 100, 450, 950, 1850, 2100 МГц проведены экспериментальные измерения в двух лесопарковых зонах Санкт-Петербурга, для которых характерно наличие смешанной хвойнолиственной растительности с высотой 12...16 м, среднее расстояние между деревьями - 2...3 м, плотности -20..10 др./сот.

В результате экспериментов показано хорошее совпадение расчетного и измеренного значений погонного ослабления. В табл. 3.2 для каждой из частот, на которой проводился эксперимент, приведено значение измеренного параметра Am, которому соответствует максимальное медианное значение дополнительного ослабления среди всех площадок всех трасс измерений. На основе этих значений были рассчитаны параметры выражения (3.19), которые составили A' = 1.37 дБ и = 0.42.

Полученные значения параметров функции максимального ослабления в растительности включены в новую версию Рек. МСЭ P.833.

Измерения на частоте 950 МГц, проведенные в летний и осенний периоды, не выявили заметных отличий в ослаблении радиосигнала.

Полученные автором результаты могут быть использованы при моделировании радиопокрытия различных сетей электросвязи. Однако следует оговорить способ вычисления по ЦММ длины участка трассы, проходящего по лесу. На картах местности (первоисточниках ЦММ) площадные объекты растительности изображаются весьма условно, при этом изображаемое положение кромок леса может отличаться от реального на десятки или сотни метров. Чем более мелкомасштабной является карта, тем менее точным будет описание. В связи с этим рекомендуется при использовании ЦММ, составленных на основе мелкомасштабных карт, не прибегать к вычислениям длины d при расположении терминала внутри объекта, а полагать A = Am, что в таких случаях нисколько не снизит точности, но сократит время вычислений.

В Разделе 4 представлены результаты проведенных в ходе диссертационной работы масштабных экспериментальных измерений уровней сигналов БС СПР вдоль 27 трасс, расположенных в нескольких районах Санкт-Петербурга.

Измерения проведены для четырех диапазонов частот: 450, 950, 1850 и 2100 МГц. Общее количество точек измерений превысило пять тысяч.

Проведено сопоставление результатов измерений и расчетов по рассмотренному в разделе 3 модельному ряду c привлечением следующих ЦММ:

- GTOPO30;

- мелкомасштабная ЦММ (первоисточник - карта масштаба 1:50000);

- крупномасштабная ЦММ (первоисточник - кадастровый план).

В табл. 4.1 приведены среднее значение и СКО ошибки прогноза для различных моделей.

Анализ результатов измерений и расчета.

Разработанная в диссертации методика применения мелкомасштабных ЦММ при расчетах поправок (полученных автором) к модели Окамура-Хата, позволила повысить точность прогноза на 18 трассах, причем для 9 из них точность возрастает значительно. Незначительное ухудшение точности при этом возникает всего на 2 трассах. Применение крупномасштабных ЦММ при расчетах разработанных поправок дало возможность повысить точность модели Окамура-Хата на 17 трассах, причем для 8 из них точность возрастает значительно. Ухудшение точности при этом наблюдается на 4 трассах.

Данные, полученные в ходе измерений, позволили провести калибровку модели Окамура-Хата по разработанному в диссертации алгоритму. В результате для различных территориальных зон Санкт-Петербурга рассчитаны параметры калибровки (табл. 4.2), которые в большинстве случаев увеличивают точность прогноза по модели.

Ослабление заметно завышается при использовании модели Рек.

МСЭ P.1546 без привлечения ЦММ, а СКО ошибки прогноза для трех трасс превышает 10 дБ, что говорит об отсутствии адекватного учета среды распространения. В связи с этим расчет по модели без применения ЦММ следует проводить скорее в целях оценки верхней границы ослабления, чем для построения радиопокрытия.

Предложенные алгоритмы вычисления поправок с применением ЦММ различных типов при расчетах ослабления по модели Рек. МСЭ P.1546 позволили значительно увеличить точность прогноза. При этом она заметно возрастает при переходе от мелкомасштабной к крупномасштабной ЦММ. Применение ЦММ в совокупности с процедурой расчета для коротких трасс распространения радиосигнала предоставляет возможность использования Рек. МСЭ P. для прогноза ослабления на расстояниях менее 1 км без ущерба для точности.

Наилучшее качество прогноза ослабления среди рассмотренных детерминистских моделей может быть получено с помощью предложенной автором модифицированной модели. Поскольку указанная модель более полно использует информацию о застройке, требование к точности ЦММ, касающееся высотности зданий и сооружений, по сравнению с моделями Ксиа и Уолфиша-Икегами, повышается.

Наибольшее несоответствие экспериментальным данным результатов расчета по детерминистским моделям и модели Рек. МСЭ P.1546 наблюдается в тех местах трасс, где ввиду характера застройки решающий вклад в уровень сигнала вносит дифракция на боковых кромках зданий. К сожалению, учесть отмеченный механизм при расчетах ослабления на основе профиля местности не представляется возможным, но скорректировать результат в процессе последующего построения радиопокрытия можно за счет метода, предложенного в разделе 2.

В районах с разновысотной застройкой возможно появление сильных рассеянных сигналов. Данное явление с хорошей точностью описывается с помощью алгоритма вычисления рассеянного сигнала, предложенного в работе.

При высоких требованиях к точности расчета должное внимание необходимо уделять влиянию растительного покрова городской территории на ослабление радиоволн. В связи с этим следует по возможности более точно представлять объекты растительности в ЦММ. Ввиду большой доли хаотичности объектов данного вида, полное их описание не представляется возможным. Поэтому внимание следует обратить, прежде всего, на плановые посадки, какими являются аллеи вдоль дорог, садово-парковые массивы. Использование информации о данных объектах при расчетах может значительно улучшить результаты прогноза ослабления.

Таким образом, на основании проведенных исследований ослабления сигнала в УВЧ диапазоне можно рекомендовать проводить выбор в паре «Модель ослабления – ЦММ» для территории с застройкой согласно табл. 4.3.

с квартальной застройкой в виде зданий и Рек. МСЭ P. сооружений Примечания:

1) Перепад уровня местности считается значительным, если превышает величину средней высоты застройки в заданном районе.

2) Информация о рельефе может быть получена из матрицы GTOPO30.

3) Применяется разработанная поправка на рельеф местности.

4) При наличии экспериментальных данных следует провести калибровку модели.

Для Санкт-Петербурга следует воспользоваться полученными в работе результатами (табл. 4.2).

5) Применяются разработанные поправки (3.1).

6) Поправка для коротких городских трасс не применяется.

7) Применяются поправка на высоту АС и, при необходимости, поправка на высоту БС при расположении антенны ниже уровня застройки.

8) Застройка считается равновысотной, если высота основной части составляющих ее объектов отличаются менее чем 20-30%. Оценка проводится для предполагаемой зоны обслуживания конкретной БС.

9) При нахождении АС внутри объекта застройки расчеты проводятся в соответствии алгоритмом раздела 3.

Необходимо дать несколько общих замечаний по расчету:

-при нахождении АС внутри объекта растительности или затенения таковым следует проводить вычисление дополнительного ослабления по модели Рек. P.833 c уточненными в работе параметрами;

-при установлении с помощью ЦММ прямой видимости между БС и АС следует использовать для расчета ослабления «кривые» напряженности поля Рек. МСЭ P.1546;

-для зон обслуживания малого радиуса (примерно до 1 км) при наличии в ЦММ информации о зданиях и сооружениях необходимо учитывать возможность образования поля вместе приема за счет прохождения радиоволны сквозь здания и в результате рассеяния.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана методика расчета коэффициента неготовности радиолинии при воздействии дождей.

2. Впервые разработана аналитическая процедура определения сферичности трассы по профилю местности.

3. Для учета дифракционного множителя ослабления, связанного со сферичностью земной поверхности, разработана специальная процедура вычисления, позволяющая избежать разрыва результата на границе промежуточной и дифракционной зон.

4. Выполнен анализ статистических и детерминистских моделей ослабления с использованием единого подхода к описанию местности с помощью ЦММ.

5. На основании синтеза различных детерминистских моделей ослабления для СПР разработана новая модель, позволяющая получить более точный прогноз.

6. Для модели ослабления зданиями и сооружениями, на основе проведенных экспериментов уточнены параметры, расширена граница применимости по расстоянию, решен вопрос о «полуосвещенных» зданиях.

7. Экспериментально доказана значимость механизма прохождения радиоволны сквозь здание при формировании поля вне зданий и сооружений. Предложен способ учета указанного механизма.

8. Разработана методика оценки уровня сигнала, обусловленного рассеянием, на поверхности здания.

9. Получены соотношения для вычисления элементарной зоны рассеяния земной поверхности, внедренные Рек. МСЭ F.1096.

10. Уточнена функциональная зависимость максимального ослабления радиосигнала в растительном покрове.

11. Разработан алгоритм выбора модели ослабления при отсутствии ЦММ, а также при наличии ЦММ определенного типа.

12. Применение разработанных, а также модернизированных в диссертации моделей повышает точность расчета ослабления радиосигнала.

13. Разработанные методики являются аналитическими и доведены до алгоритмов и формул, поэтому расчет может быть полностью автоматизирован.

14. Полученные в работе результаты:

- внедрены в различных государственных стандартах и методиках, а также в Рекомендациях МСЭ;

- использованы при выполнении многих проектов СПР, ЦРРЛ, телевидения и радиовещания;

- применены при создании ПО для проектирования сетей электросвязи.

В Приложении представлены акты внедрения диссертационной работы.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

2. Василенко Г.О. Учет дифракции в методиках расчета поля радиоволн в условиях городской застройки для систем подвижной связи/ Василенко Г.О., Иванов М.А.// Труды учебных заведений связи. - 2001. - №167. - С.103-115.

3. Василенко Г.О. Современная методика частотно-территориального планирования систем сотовой связи/ Василенко Г.О., Милютин Е.Р.// Вестник связи. - 2000. -№ 2. - С. 16-18.

4. Василенко Г.О. Экспериментальная проверка детерминистских моделей расчета ослабления поля в городе/ Милютин Е.Р., Василенко Г.О. // Радиотехника и электроника. - 2005. – Т.50.- № 12. - С. 1451-1454.

5. Василенко Г.О. Повышение точности расчета ослабления поля с помощью калибровки и цифровых карт местности / Василенко Г.О., Милютин Е.Р.// Электросвязь. - 2004. - № 2. - С. 38-41.

6. Василенко Г.О. Использование технологий геоинформационных систем для расчета радиопокрытия сотовых систем связи/ Милютин Е.Р., Василенко Г.О. // Вестник связи. - 2003. -№ 9. - С.85-87.

7. Василенко Г.О. Методы расчета напряженности поля дециметровых волн в городе / Милютин Е.Р., Василенко Г.О.// Вестник связи. - 2004. -№ 5. С.74-75.

8. Василенко Г.О. Расчет показателей готовности трактов цифровых радиорелейных линий связи/ Антипенко В.А., Василенко Г.О. // Электросвязь. - 2004.

- № 12. -С. 19-23.

9. Василенко Г.О. Расчет коэффициента неготовности интервала радиорелейной линии связи, обусловленного воздействием дождей/ Антипенко В.А., Василенко Г.О. // Мобильные системы. - 2005. - № 2. -С. 16-20.

10. Василенко Г.О. Математический аппарат для расчета ослабления радиоволн в промежуточной и дифракционной зонах // Радиотехника и электроника. Т.53. -№ 2. - С. 213-216.

11. Василенко Г.О. Ослабление радиосигналов при распространении в лесной зоне // Электросвязь. - 2008. - № 11. - С. 44-45.

12. Василенко Г.О. Моделирование ослабления сигналов сетей подвижной связи зданиями и сооружениями// Радиотехника. - 2010. - № 1. - С. 107-112.

13. Василенко Г. О. Экспериментальная проверка методик расчета показателей качества и готовности цифровых радиорелейных линий // Радиотехника. С. 37-42.

14. Василенко Г. О. Исследование современных методов расчета потерь распространения в радиолиниях дециметрового диапазона, работающих в условиях города. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. СПб, 2002.

15. Василенко Г.О. Методы расчета поля в системах связи дециметрового диапазона/ Милютин Е.Р., Василенко Г.О., Сиверс М.А., Волков А.Н., Певцов Н.В.// СПб.: Триада, 2003. -159 с.

16. Василенко Г.О. Расчет показателей качества и готовности цифровых линий связи /Василенко Г.О., Милютин Е.Р.// СПб.: Линк, 2007. -192 с.

17. Василенко Г.О. Риск превышения нормы на коэффициент неготовности радиорелейной линии за длительный период эксплуатации/ Василенко Г.О., Антипенко В.А.// Мобильные телекоммуникации. - 2008. - № 2. - С. 27-29.

18. Василенко Г.О. Принципы частотного планирования в системах подвижной связи и беспроводного радиодоступа с частотным разделением каналов // Мобильные телекоммуникации. - 2008. - № 6. -С. 15-19.

19. Василенко Г.О. Алгоритмы частотного планирования сетей подвижной связи /Овчаренко А.В., Василенко Г.О.// Мобильные телекоммуникации. - 2009.

- № 2. -С. 32-35.

20.Василенко Г.О. Оценка ослабления сигналов сетей подвижной связи на коротких трасах прямой видимости // Электроника: Наука, Технология, Бизнес.

- 2008. - № 4. - С. 72-74.

21.Василенко Г.О. Современные методики расчета ослабления радиоволн в условиях городской застройки/ Василенко Г.О., Иванов М.А.// 55 научнотехническая конференция: Тезисы докладов. СПбГУТ. – СПб., 2001. - № 55.

-С.67.

22.Василенко Г.О., Иванов М.А. Учет дифракции в методиках расчета поля радиоволн в условиях городской застройки для систем подвижной связи/ Василенко Г.О., Иванов М.А.//55 научно-техническая конференция: Тезисы докладов. СПбГУТ. – СПб, 2001. - № 55. -С.67-68.

23.Василенко Г.О. Достоверность информации о заявляемых РЭС, как необходимое условие рационального использования РЧС // Международная конференция «СПЕКТР-2006»: Тезисы докладов. – М., 2006.

24.Василенко Г.О. Принципы частотного планирования в системах подвижной связи и беспроводного радиодоступа //Международный телекоммуникационный симпозиум «Мобильная связь»: Сборник докладов. – СПб., 2007. С.68-74.

25.Василенко Г.О. Цифровые радиорелейные линии. Показатели качества и готовности. Методы расчета // Научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов»: Тезисы докладов. – СПб., 2009.

- С.69.

26.Василенко Г.О., Иванова Т.В. О разработке национального стандарта «Цифровые радиорелейные линии. Показатели качества. Методы расчета»

/Василенко Г.О., Иванова Т.В.//62 научно-техническая конференция: Материалы. ГОУВПО СПбГУТ. – СПб., 2010. -С.13-14.

27.Василенко Г.О. Уточнение метода расчета помех в линиях прямой видимости в Рекомендации МСЭ-Р F.1096// Сборник трудов 65-й научнотехнической конференции СПбНТОРЭС им. А.С. Попова: Тезисы докладов. – СПб., 2010. -С.237-238.

28.Василенко Г.О. Результаты экспериментальных исследований ослабления радиоволн в лесопарковой зоне Санкт-Петербурга //63 научно-техническая конференция: Материалы. ГОУВПО СПбГУТ. – СПб., 2011. -С.19-21.

29.Программное обеспечение для расчета показателей качества цифровых радиорелейных линий (ПО «Эксперт-РРЛ»): свидетельство об офиц. регистрации № 2010612459 / Василенко Г.О., Мельничук В.И.; заявитель и правообладатель ООО «НПК «СвязьСервис». – № 2010610771; заявл. 18.02.2010; зарегистрировано 07.04.2010.

Подписано к печати 01.12.2011.

Объем 2 печ.л. Тираж 80 экз. Зак.

Тип. СПбГУТ, 191186 СПб, наб. р. Мойки,