Прогнозирование теневых зон при расчете поля УКВ в системах подвижной радиосвязи.

"ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ" N 7 , 2000
оглавление

дискуссия

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТЕНЕВЫХ ЗОН ПРИ РАСЧЕТЕ ПОЛЯ УКВ В СИСТЕМАХ ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ

К.К. Богенс, Г.А. Ерохин, О.А. Шорин
Московский технический университет связи и информатики

Получена 27 июля 2000 г.

Описан комбинированный статистическо-детерминистский метод определения поля УКВ в городских условиях при больших размерах сот систем подвижной радиосвязи. Метод основан на том, что влияние всего дальнего окружения оценивается статистически, а влияние ближних препятствий – детерминистскими приемами. Метод является развитием подхода, предложенного ранее авторами, и отличается возможностью получения не только качественных, но и количественных результатов.

Известно, что при расчете радиополя УКВ в системах подвижной радиосвязи наиболее широко используются эмпирико-статистические и аналитико-статистические подходы. Фактически стандартом первого из указанных подходов стала работа Окамуры [1]; второй подход основан либо на специально разработанных эмпирических моделях [2-4], либо на прямой аппроксимации кривых Окамуры [5]. Имеются также статистические подходы, базирующиеся на теоретическом анализе структуры поля при статистическом описание параметров городской застройки [6]. Указанные подходы в условиях статистически однородного города дают достаточно надежную информацию как о зонах потенциально уверенного приема, так и о зонах, занимающих достаточно обширную территорию, в пределах которой качество и надежность связи не гарантируется (зонах радиотени).

Естественно, что статистические подходы по самой своей сути не могут обеспечить учет индивидуальных особенностей трасс, в частности, прогнозирование локальных теневых зон, возникающих внутри освещенных областей из-за влияния крупных неоднородностей. Стремление снизить величину дисперсии прогнозируемых величин путем учета особенностей конкретных трасс, в том числе планировки района, рельефа местности и т.п., привело к появлению детерминистских подходов к определению поля. Очевидно, что полностью детерминистские методы расчета неосуществимы не только из-за очень большего объема вычислений и отсутствия строгих электродинамических методов учета всех локальных особенностей. Для поля в данном случае характерна сложная интерференционная картина, которую образуют множество волн с разными фазами и амплитудами с квазипериодом порядка длины волны. Даже небольшое смещение точки наблюдения при этом приводит к резкому изменению напряженности поля [7]. Расчетная интерференционная картина в этих условиях зависит от мелких деталей рельефа и конструкций зданий, которые не могут учесть никакие цифровые карты; кроме того, указанная картина меняется во времени. Наконец, достоверность расчетной картины нарушается влиянием самого подвижного объекта, размеры которого значительно больше пространственного периода биений. По указанным причинам обоснованные попытки детерминистских подходов осуществляются только применительно к микро- и пикосотовым системам [8-11], причем окончательные численные результаты представляются и здесь обычно в статистически обработанном виде.

Попытка наиболее простым образом учесть особенности городской застройки в интересующем микрорайоне при больших размерах сот была предпринята в [12]. Примененный здесь подход, справедливый при высоко поднятой антенне базовой станции (БС) и низко расположенной антенне мобильной станции (МС), т.е. в ситуации, представляющей особый интерес для связи с подвижным объектом, основан на сочетании статистических и детерминистских подходов. При этом влияние всего дальнего окружения, полный учет которого детерминистским методом принципиально невозможен, оценивается статистически, а влияние ближних препятствий, определяющих возможные зоны локальных теней – детерминистским методом. Теоретические методы статистического анализа многолучевой структуры поля УКВ в городе, описанные в [6], позволяют получить в приближении однократного рассеяния, которое в основном и определяет среднее значение сигнала при дальности свыше 1 км, распределение углов прихода волн в точку наблюдения. Оказывается, что по мере подъема антенны передатчика БС над городской застройкой быстро исчезают отражения в его ближайшем окружении, в то же время увеличивается число площадок на зданиях, которые "освещаются" источником и одновременно видны с низко расположенного пункта, причем их плотность возрастает в направлениях, противоположных направлению на источник излучения. Преобладающее влияние имеют отражения от этих площадок, происходящие по законам, близким к законам геометрической оптики.

В результате среднее угловое распределение интенсивности излучения, приходящего к приемному пункту, антенна которого расположена значительно ниже крыш окружающих зданий, имеет унимодальный характер, описываемый функцией [6]

, (1)

где угол отсчитывается от прямой соединяющей БС и МС, т.е. соответствует по форме кардиоиде, имеющей максимум в направлении от МС к БС. Выражение (1) справедливо при достаточном удалении точки наблюдения от БС, однако, чем больше плотность застройки, тем увереннее можно пользоваться (1) даже при приближении к БС.

Естественно, что "изъятие" зданий, расположенных непосредственно вблизи точки наблюдения, не изменит существенно вида функции , описывающей среднее угловое распределение, определяемое всем дальним окружением. Положение локальных теневых зон в [12] находится путем решения задачи дифракции на "изъятой" ранее группе зданий (с учетом отражения от земли) при облучении их указанном выше угловым спектром волн. Однако какие-либо количественные оценки при определении зон тени в [12] отсутствуют. Критерием тени является лишь полное отсутствие как поля прямой волны, так и однократно отраженных волн (в том числе от земли); вне этих зон амплитуда волн не контролируется, т.е. считается, что сам факт наличия указанных волн уже достаточен для осуществления связи.

В настоящей работе учет особенностей городской застройки в пределах больших сот предлагается осуществлять с помощью количественных критериев. Для этого, в отличие от [12], вводится соответствующая нормировка амплитуд углового спектра волн [1] ; кроме того, учитывается ослабление амплитуды прямых и отраженных волн на основе решения известной задачи дифракции на клиновидном препятствии.

Нормировка амплитуд компонент углового спектра волн осуществляется следующим образом. В интересующем микрорайоне выделяется точка , соответствующая центру данной территории. В этой же точке с использованием какой-либо статистической модели (в данной работе используется модель Хаты) находится среднее значение поля . Далее в этой же точке при "изъятых" зданиях находится поле, создаваемое спектром волн (1). Для этого на некотором замкнутом вокруг микрорайона контуре располагается эквивалентных источников, формирующих спектр волн (1). Для удобства выберем контур в виде окружности радиуса с центром в точке . Амплитуду поля, создаваемую каждым из этих источников с номером в точке , представим в виде

, (2)

где - угловое положение n- ого источника, A- амплитудный множитель. Учитывая статистическую независимость приходящих с разных направлений волн многолучевого поля, получим для суммарного поля в точке C

, (3)

Приравнивая из (3) величине , находим амплитудный множитель A. Остановимся на выборе радиуса и числа источников . При больших размерах сот расчет поля вблизи БС, где средняя интенсивность заведомо превышает пороговый уровень, необходимый для надежной радиосвязи, возможный даже и в теневых зонах, где уровень поля снижается на 20-30 дБ, не представляет существенного интереса. В областях же, достаточно удаленных от БС, среднее значение поля в пределах ограниченного микрорайона, рассчитанное с использованием статистических моделей, меняется сравнительно мало. Соответственно, параметры и должны быть таковы, чтобы суммарное поле в любой точке внутри микрорайона столь же мало отличалось от поля в точке . Численные расчеты показывают, что для выполнения указанных требований достаточно выбрать , где - расстояние между базовой станцией и центром микрорайона, а , где 2¸ 4° - угловое расстояние между двумя соседними источниками.

После нахождения амплитудного множителя A решается задача дифракции поля эквивалентных источников на группе зданий, расположенных в пределах интересующего микрорайона. Учитываются поля прямых волн и волн, однократно отраженных от зданий или поверхности земли, причем указанные поля, ввиду статистической независимости волн облучающего спектра, складываются квадратично, т.е. складываются мощности этих сигналов.

При прохождении волн вблизи вертикальных ребер зданий или через достаточно узкие просветы между зданиями понятие прямой видимости требует соответствующего уточнения. Для этого можно воспользоваться хорошо разработанным аппаратом учета дифракции на клиновидных препятствиях применительно к радиорелейным линиям связи (см., например, [13] ). Каждое здание рассматривается при этом как непрозрачная полуплоскость, простирающаяся в сторону, противоположную ребру здания, рядом с котором проходит волна. Для наглядности на рис.1 изображены разные случаи расположения точек A ( соответствующей эквивалентному источнику) и B (соответствующей МС) относительно указанных полуплоскостей. Вариант а) соответствует просвету между двумя зданиями, остальные случаи относятся к одиночным препятствиям вблизи направления движения волны, причем варианты б) и г) относятся к так называемым открытым трассам, в) и д) – трассам закрытого типа.

Рис.1.

Множитель ослабления для варианта а) определяется следующим выражением

, (4)

где ,

и - размеры просветов слева и справа от линии ( см. рис.1,а ), причем оба просвета в этом варианте считаются положительными; , - расстояния от точки до ребер левой и правой полуплоскостей, , - соответствующие расстояния от точки , - длина волны, и - интегралы Френеля. Для варианта б) остается справедливым выражение (4), но размер устремляется к бесконечности, в силу чего , . В случае г) просвет ¥ , поэтому здесь , . В вариантах в) и д), соответствующих трассам закрытого типа, просветы и соответственно следует брать со знаком минус. Приведенные соотношения, вообще говоря, справедливы, когда экранирующие препятствия ориентированы перпендикулярно линии . При повороте препятствия на некоторый угол следует использовать рекомендации, приведенные в [13] , согласно которым любой поворот экрана, при котором не меняется проекция этого экрана на плоскость, перпендикулярную трассе, не вызывает изменения ослабления. Если проекция края экрана на плоскость, перпендикулярную трассе, не вертикальна, а повернута на некоторый угол (что имеет место при наклонной трассе), то при расчете поля величину просвета следует отсчитывать по перпендикуляру к проекции края экрана.

Расчет поля можно осуществлять в двух вариантах. В первом варианте вводится несколько граничных уровней поля и рассчитывается границы для каждой градации. Во втором, более простом варианте вводится уровень поля, при котором связь практически невозможна и определяются границы "теневых" зон, в пределах которых связь невозможна.

С учетом изложенных выше рекомендаций была разработана вычислительная программа со следующими входными данными: координаты БС, высота и параметры антенн БС и МС, мощность передатчика БС и рабочая частота, геометрия и расположение исследуемого района и параметры зданий внутри него, а также коэффициенты, требуемые для расчета поля по методике Хаты.

Результаты расчетов приведены на рис.2-4. Исследовались только границы локальных теневых зон, в пределах которых уровень поля ослаблялся более чем на 20 дБ по сравнению со средним значениям, определяемым по методике Хаты для статистически однородного города. Высота антенны БС составляла 60 м, МС –1.5 м, мощность передатчика БС – 50 Вт, частота – 940 МГц, высота зданий в исследуемом районе – от 36 до 50 м. Базовая станция для всех вариантов удалена от центра исследуемого района на 5 км, причем в первом случае (рис.2) она расположена вдоль положительной оси Y, а во втором (рис.3) и в третьем (рис.4) случае вдоль отрицательной оси Х. Рассматривались варианты городской застройки современного типа, отличающиеся достаточно замкнутым характером внутренних территорий при наличии просветов между зданиями. Как видно из приведенных рисунков, теневые зоны во всех случаях имеют незначительную площадь, несмотря на плотное окружение исследуемого района системой зданий. Отметим, что геометрия указанных теневых зон не зависит, естественно, от направления передачи. В случае, когда передача идет от МС, расположенных в зоне тени, сигнал на БС практически отсутствует; при нахождении МС вне теневых зон уровень поля на БС, в соответствии с теоремой взаимности, составляет , где - среднее значение поля, создаваемое БС в точке нахождения МС.

Разумеется, поскольку описанный подход не учитывает просачивания части энергии через здания, дифракционные эффекты второго порядка и т.д., найденные теневые зоны следует характеризовать только как потенциально опасные, хотя учет всех этих эффектов в принципе может быть осуществлен и при данном подходе ценой соответствующего усложнения аппарата.

Выводы. Разработанный метод расчета поля сочетает преимущества статистического подхода с достоинствами детерминистских методов, позволяющих учесть особенности застройки в интересующем микрорайоне. Метод весьма прост и может быть дополнен учетом более тонких дифракционных эффектов.

Литература

Okumura J. et al. Field strength and its variability in VHF and UHF land mobile radio service // Rev. Inst. Elec. Eng. –1968.- V.16.-N° 9-10.-p.825-873.

Allsebrook K. and Parsons J.D. Mobile radio propagation in British cities at frequencies in VHF and UHF bands // IEEE Trans. Veh. Technol. –1977. – V.VT-26.- N° 4.-p.313-323.

Delise G.Y. et al. Propagation loss prediction: A comparative study with application to the mobile radio channel // IEEE Trans. Veh. Technol. –1985. – V.VT-34.- N° 2.-p.86-95.

Parsons J.D. The Mobile Radio Propagation Channel. New York. Jhon Wiley & Sons, Inc., 1992.

Hata M. Empirical formula for propagation loss in land mobile radio services // IEEE Trans. Veh. Technol. –1980. – V.VT-29.- N° 3.-p.317-325.

Пономарев Г.А., Куликов А.М., Тельпуховский Е.Д. Распространение УКВ в городе. Томск: МП “ Раско “ , 1991. –222 с.

Троицкий В.Н., Шур А.А. Особенности распространения радиоволн в диапазоне 0.5 … 3 ГГц // Электросвязь. –1995.- N° 8.-с.36-37.

Lienbenow U. et al. Theoretical and practical investigations of propagation in microcells // COST 231 T9 (90) 120, Dec.1990.

Russel T.A. et al. A deterministic approach to predicting microwave diffraction by buildings for microcellular systems // IEEE Trans. Ant. Propag. –1993. – V.41.- N° 12. - p.1640-1649.

Lawton M.C. and Mc Geehan J.P. The application of a deterministic ray launching algorithm for the prediction of radio channel characteristics in small-cell environments // IEEE Trans. Veh. Technol. –1994. – V.VT-43.- Nov.-p.955-969.

Catedra M.F. et al. Efficient ray-tracing techniques for three-dimensional analyses of propagation in mobile communications: application to picocell and microcell scenarios // IEEE Antennas and Propagat. Magazine –1998. – Vol. 40.- N° 2.

Панченко В.Е., Ерохин Г.А., Гайнутдинов Т.А., Кочержевский В.Г., Шорин О.А. Сочетание статистических и детерминистских методов расчета радиополя в городских условиях // Электросвязь. –1998.- N° 4.-с.31-33.

Троицкий В.Н. Распространение ультракоротких волн в горах. – М.: Связь, 1968.- 84 с.

Авторы:
Ерохин Густав Арсентьевич, e-mail: kocherzh@newmail.ru
Богенс К.К., Шорин О.А.

оглавление

дискуссия