УДК 537.874

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСЛАБЛЕНИЯ РАДИОВОЛН ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ 100 МГЦ – 2 ГГЦ НА ТРАССЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ
ИЗ ЗДАНИЯ НА УЛИЦУ

 

А. Н. Катруша

Военно-учебный научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»

Статья получена 29 сентября 2013 г.

 

Аннотация. Приведены результаты экспериментальных исследований ослабления сигналов при распространении радиоволн из комнаты здания на улицу; на основе физического анализа полученных результатов выявлены закономерности формирования результирующего интерференционного поля вблизи здания; предложен новый метод экспериментальных исследований ослаблений многолучевых сигналов.

Ключевые слова: распространение радиоволн, экспериментальные исследования, мобильная радиосвязь, побочные электромагнитные излучения, дифракция.

Abstract. Results of experimental researches of easing of signals are resulted at radio-waves propagation from a building room on street; on the basis of the physical analysis of the received results laws of formation of the resulting interference fields near to a building are revealed; the new method of experimental researches of easings of multibeam signals is offered.

Keywords: propagation of radio-waves, experimental researches, a mobile radio communication, side electromagnetic radiations, diffraction.

 

Введение

В настоящее время в связи с развитием систем беспроводной связи ближнего действия (микро и пикосотовых систем связи, систем беспроводного доступа), транкинговой радиосвязи, а также необходимостью организации подавления мобильной УКВ радиосвязи, обеспечения защиты информации от утечки по каналу побочных электромагнитных излучений (ПЭМИ) приобретают актуальность исследования особенностей распространения радиоволн из многоэтажного здания.

Трассовые ослабления радиоволн в городских условиях и внутри зданий исследовались в достаточном количестве работ, например в [1-6]. Однако вопрос распространения радиоволн из здания на улицу в данных работах не рассматривался. Кроме того, в работах [1, 2], основанных на экспериментальных исследованиях, в основном проводилась оценка усредненных значений напряженности поля. В рекомендациях ITU-R [7-9] ослабление радиоволн, вносимое стенами и другими строительными материалами, предлагается учитывать с помощью некоторых коэффициентов, полученных для ряда выборочных частот. Очевидно, что таких данных недостаточно для адекватной оценки уровней сигналов на сложной трассе распространения радиоволн из здания в широком диапазоне частот от сотен мегагерц до 2 ГГц, охватывающем диапазоны современных системы мобильной радиосвязи, а также основной спектр побочных электромагнитных излучений различных технических средств (компьютеров и другой офисной техники).

Кроме того при оценке ослабления ПЭМИ часто используется приближенная «трехзонная» формула [10]. Однако в работе [11] показано, что результаты расчетов коэффициентов ослабления по приближенной формуле могут существенно (на 20 дБ и более) отличаться от результатов расчетов ослабления на основе точной формулы для напряженности поля дипольного излучателя в свободном пространстве. В связи с этим представляет интерес сравнение результатов экспериментальных исследований ослабления радиоволн на типовых трассах распространения с результатами теоретических оценок, основанных на использовании точной и приближенной формулы для условий свободного пространства.

 

Методика проведения экспериментальных исследований и описание измерительной установки.

Необходимо отметить, что распространение радиоволн в городе характеризуется многолучевостью и, как следствие, глубокими интерференционными замираниями сигнала в точке приема. В связи с этим, для выявления сложной интерференционной структуры формируемого поля необходимо проводить измерения в некоторой области пространства с шагом, зависящим от длины волны сигнала.

Как правило, такая задача решается путем измерения на фиксированных частотах амплитуды принимаемого сигнала и построения зависимости уровня сигнала от расстояния между точкой приема и передающей антенной. Перемещение измерительной антенны в пространстве приводит к изменению соотношений фаз радиоволн, приходящих в точку приема по различным траекториям, что позволяет учесть глубокие интерференционные замирания принимаемого сигнала вдоль трассы распространения.

В настоящей работе применяется альтернативный метод исследования интерференционной структуры сигнала в условиях многолучевого распространения радиоволн. Суть этого метода заключается в выборе нескольких типовых контрольных точек приема в пространстве. При этом изменяется не местоположение приемной антенны, а частота сигнала, что также приводит к изменению фазовых соотношений волн в точке приема и позволяет учесть интерференционные замирания в частотной области.

Измерительная установка состояла из передатчика (генератор Rohde&Schwarz SMA 100A) и приемника (анализатор спектра Rohde&Schwarz FSU 26). Для излучения радиоволн использовалась широкополосная антенна DA-3000, для приема – широкополосная активная антенна HE-500. Поляризация антенн вертикальная, диаграмма направленности в горизонтальной плоскости круговая. Частота излучаемого сигнала изменялась в широком диапазоне от 100 МГц до 2000 МГц с шагом 2 МГц.

 

 

Рис. 1 Схема размещения передающей и приемной антенн (вид сверху)

 

Рис. 2 Схема размещения передающей и приемной антенн (вид сбоку)

 

На рис. 1, 2 приведена схема части первого этажа кирпичного здания и прилегающей территории, в пределах которой размещалась приемная антенна. Толщина фронтальной стены здания составляла 0,4 м. Передающая антенна располагалась в точке И в центре комнаты на удалении 3 м от окна и на высоте 1 м от пола. Высота подоконника приблизительно 1 м, пол первого этажа находился на высоте 1 м над землей. Приемная антенна размещалась в точках Т1-Т5 на высоте 1 м над землей (полом). Опорная точка Т1 находилась в комнате на удалении 1 м от передающей антенны. Следует отметить, что приемная антенна находилась в зоне радиотени при размещении как вблизи здания в точках Т2, Т3, так и в удаленных точках Т4, Т5 (рис. 2). При этом точка Т3 находится в зоне глубокой тени. Рассматривалось нормальное по отношению к фронту здания расположение линии «передающая антенна-приемная антенна» (точки Т2, Т4), а также расположение указанной линии под углом к фронту здания (точки Т3, Т5).

Сначала измерялась частотная зависимость уровня сигнала на входе анализатора спектра  в опорной точке Т1. Затем приемная антенна размещалась в точках Т2…Т5 и измерялся уровень сигнала ….

Ослабление сигнала в точках наблюдения относительно уровня сигнала, измеренного в опорной точке, рассчитывалось по формуле

 

Результаты экспериментальных исследований и их анализ.

На рис. 3 и рис. 4 представлены зависимости ослабления сигнала от частоты при размещении приемной антенны вблизи здания в точках Т2 и Т3 соответственно.

 

Рис. 3. Частотная зависимость ослабления сигнала в точке Т2

 

На рисунках обозначено: кривая синего цвета – значения ослабления, полученные экспериментально; черная штриховая кривая – результаты усреднения экспериментальных значений; зеленая линия – результаты расчета ослабления в свободном пространстве [11]; красная кривая – результаты расчета ослабления по приближенной формуле [10]. Для выявления наиболее общих закономерностей усреднение экспериментальных значений проводилось в достаточно широкой полосе частот  = 300 МГц.

 

Рис. 4. Частотная зависимость ослабления сигнала в точке Т3

 

На основе анализа рис. 3, 4 выявлены следующие закономерности.

При размещении приемной антенны в точке Т2 наблюдается конкуренция сквозной волны через фронтальную стену здания и волны дифракции на нижней кромке оконного проема, особенно это заметно в диапазоне частот 1–2 ГГц (глубокие интерференционные замирания с периодом повторения приблизительно 200 МГц достигают 40 дБ).

С увеличением частоты сигнала средний уровень ослабления почти монотонно убывает (рис. 3), что связано с затуханием сквозной волны в стене и ухудшением дифракционных способностей радиоволн при уменьшении длины волны сигнала.

При размещении приемной антенны в точке Т3 частота быстрых осцилляций ослабления существенно увеличивается (рис. 4). Это объясняется сложной трассой распространения радиоволн (скользящее падение волны на фронтальную стену здания). При этом увеличивается число лучей в точке приема, вносящих существенный вклад в результирующее поле. Кроме того разность хода между отдельными лучами в точке приема возрастает (вследствие многочисленных переотражений), что, как известно, также приводит к увеличению частоты осцилляций сигнала.

Точка Т3 находится в зоне глубокой тени, поэтому средний уровень сигнала относительно свободного пространства уменьшается в среднем на 5-10 дБ по сравнению с уровнем сигнала в точке Т2. Однако следует отметить, что на частотах вблизи 600 МГц при перемещении приемной антенны из точки Т2 в точку Т3 ослабление сигнала относительно свободного пространства практически не меняется.

Поскольку точки приема находятся в зоне тени расчет ослабления по формуле для дипольного излучателя в свободном пространстве (зеленая кривая) дает завышенные значения K, особенно на частотах больше 1 ГГц.

Приближенная формула для расчета ослабления дает заниженные значения на частотах сигнала до 800-1000 МГц. При этом кривые среднего уровня измеренного ослабления и результатов расчета по приближенной формуле существенно отличаются даже на качественном уровне – с повышением частоты среднее значение ослабления уменьшается, а значение ослабления, полученное на основе приближенной формулы, увеличивается (рис. 3).

На рис. 5 и рис. 6 приведены зависимости ослабления сигнала от частоты при размещении приемной антенны в точках Т4 и Т5 соответственно.

 

Рис. 5. Частотная зависимость ослабления сигнала в точке Т4

 

Рис. 6. Частотная зависимость ослабления сигнала в точке Т5

 

Анализ рис.5, 6 показывает следующее:

- при удалении приемной антенны от здания трасса становится более открытой (точка приема переходит в зону полутени). В результате уровень дифракционной компоненты возрастает. При этом средний уровень измеренного ослабления приближается к ослаблению в свободном пространстве на частотах до 1..1,2 ГГц;

- дальнейшее увеличение частоты приводит к ухудшению дифракционных способностей радиоволн и, соответственно, к уменьшению среднего уровня ослабления;

- при удалении приемной антенны от здания уровень сигнала может возрастать. Например, средний уровень ослабления для частот 1..1,2 ГГц в точке Т3 составляет -32..-37 дБ (рис. 4), а в более удаленной точке Т5 увеличивается до -27..-30 дБ (рис. 6);

- расчет ослабления на основе приближенной формулы дает весьма заниженные результаты по сравнению с медианным значением ослабления на частотах до 1,2 ГГц (например, при частоте 200 МГц недооценка уровня сигнала составляет 20 дБ!).

 

Выводы

1. При распространении радиоволн из комнаты здания наблюдается сложная интерференционная структура принимаемого сигнала в частотной области. При этом осцилляции сигнала достигают 40 дБ и более. Такой характер формируемого сигнала обусловлен многокомпонентным составом поля в точке приема (конкуренция сквозной через стену здания волны, отраженных в комнате и дифрагировавших на оконном проеме волн).

2. При удалении точки приема от здания на расстояние порядка 15 м трассы распространения радиоволн приближаются к открытому типу, поэтому средний уровень принимаемого сигнала соизмерим с уровнем сигнала в свободном пространстве. Таким образом, для частот ниже 1 ГГц средний уровень сигнала может быть вполне достоверно оценен с помощью формулы для расчета ослабления излучения диполя в свободном пространстве.

4. На частотах выше 1 ГГц необходим учет дифракционных потерь и затухания радиоволн в фронтальной стене, составляющих в среднем 10-15 дБ (для кирпичной стены толщиной 0,4 м).

5. Расчет ослабления сигнала с использованием приближенной формулы приводит к существенному занижению прогнозируемого уровня сигнала (до 20 дБ) в широкой полосе частот от 100 МГц до 1 ГГц, что недопустимо при оценке защищенности информации от утечки по каналу ПЭМИ.

 

Литература

1. Okamura J. et al. Field strength and its variability in VHF and UHF land mobile radio service // Rev. Inst. Elec. Eng. – 1968. – V.16. – №9-10. – Р. 825-873.

2. Whitteker J.H. Measurements of path loss at 910 MHz for proposed microcell urban mobile systems // IEEE Trans. Veh. Technol. – 1998. – V.37. – №8. – P.125-129.

3. Degli-Esposti V., Lombardi G., Passerini C., Riva G. Wide-band measurement and ray-tracing simulation of the 1900 MHz indoor propagation channel: comparison criteria and results // IEEE Transactions on Antennas & Propagation. – 2001. – V.49. – №7. – Р. 1101-1110.

4. Zhang W. A wide-band propagation model based on UTD for cellular mobile radio communications // IEEE Transactions on Antennas & Propagation. – 1997. – V.45. – №11. – P. 1669-1678.

5. Son H.-W., Myung N.-H. A deterministic ray tube method for microcellular wave propagation prediction model // IEEE Transactions on Antennas & Propagation. – 1999. – V.47. – №8. – Р. 1344-1350.

6. Chung H.K., Bertoni H.L. Rang-dependent path-loss model in residential areas for the VHF and UHF bands // IEEE Transactions on Antennas & Propagation. – 2002. – V.50. – №1. – P.1-11.

7. Propagation data and prediction methods for the planning of indoor radiocommunication systems and radio local area networks in the frequency range 900 MHz to 100 GHz. Recommendation  ITU-R  P.1238-7. Geneva, 2012.

8. Propagation data and prediction methods for the planning of short-range outdoor radiocommunication systems and radio local area networks in the frequency range 300 MHz to 100 GHz. Recommendation ITU-R P.1411-6, Geneva (02/2012).

9. Propagation data required for the design of broadcasting-satellite systems. Recommendation ITU-R P.679-3, (02/2001).

10. Хорев А.А. Оценка возможности по перехвату побочных электромагнитных излучений видеосистемы компьютера. Часть 2 // Специальная техника. – 2011. – № 4. – С. 51-62.

11. Авдеев В.Б., Катруша А.Н. Расчет коэффициента ослабления побочных электромагнитных излучений // Специальная техника. – 2013. – № 2. – С. 18-27.