|
"ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ" N 5 , 2000 | |
КВАЗИДЕТЕРМИНИРОВАННАЯ ТРЕХМЕРНАЯ МОДЕЛЬ МНОГОЛУЧЕВОГО КАНАЛА РАСПРОСТРАНЕНИЯ МИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛН В ГОРОДСКОЙ ЗАСТРОЙКЕ
Институт радиотехники и электроники РАН
Получена 18 мая 2000 г.
Предложена квазидетерминированная трехмерная модель многолучевого канала распространения миллиметровых волн в условиях городской среды. Модель основана на применении геометрической оптики и геометрической теории дифракции и предусматривает детерминированное описание городской застройки, которая представляется в виде трехмерного массива зданий. Отражение волн от стен зданий с периодически неоднородной поверхностью рассматривается как отражение от плоской поверхности с некоторым эффективным коэффициентом отражения, отличие которого от френелевского определяется степенью неоднородности и шероховатости поверхности. Предложенная модель и разработанные на ее основе программные средства позволяют для конкретной планировки городского района определить ключевые параметры канала.
В последние годы наблюдается бурное развитие сотовых систем связи в городах и пригородных зонах, а также локальных информационных сетей (ЛИС), работающих как вне, так и внутри помещений [ 1-3 ].
Перспективным для ЛИС следует считать диапазон миллиметровых волн, в частности диапазон частот 58-62 ГГц. В этом диапазоне из-за поглощения кислородом при распространении радиоволн в атмосфере вносится дополнительное затухание ~15 дБ/км, поэтому для дальней связи он не используется, и на работу в этом диапазоне не требуется лицензий. В то же время локальные сети, как правило, занимают площадь в пределах 1 кв. км, и потенциал современных приемо-передающих устройств оказывается вполне достаточным для связи внутри такой сети. Высокий уровень поглощения в атмосфере [ 4 ] позволяет избежать взаимных помех и обеспечить при прочих равных условиях более высокий уровень помехозащищенности и конфиденциальность связи, что во многих случаях является решающим фактором.
Большая ширина полосы частот в миллиметровом диапазоне волн обеспечивает высокоскоростную передачу огромных потоков информации, а ограниченная дальность распространения делает возможным одновременное использование одних и тех же частотных каналов в разных, пространственно разнесенных зонах обслуживания.
Однако, городская среда создает специфические условия для распространения радиоволн. Теневые зоны, многократные отражения и рассеяние волн формируют многолучевые поля со сложной интерференционной структурой и резкими пространственными изменениями уровня сигнала. Многолучевой характер распространения радиоволн, когда в точку приема приходят волны с разных направлений и с разными временными задержками, порождает явления межсимвольной интерференции при передаче кодовых последовательностей. Искажения сигнала, обусловленные межсимвольной интерференцией, могут вызывать серьезное ухудшение характеристик системы и качества высокоскоростной передачи цифровой информации, если длительность задержки превышает длительность символа.
Необходимой предпосылкой для разработки эффективных ЛИС, работающих в городской среде, является глубокое знание характеристик многолучевого канала распространения.
Для описания многолучевого канала распространения в СВЧ диапазоне применяются статистические методы [ 5 ]. Эти методы не позволяют оценить характеристики канала в условиях конкретной городской застройки.
В настоящей работе для прогнозирования характеристик радиоканала в миллиметровом диапазоне волн в городской среде предложена квазидетерминированная трехмерная модель распространения, основанная на геометрической оптике и геометрической теории дифракции. Модель предусматривает детерминированное описание городской застройки, которая представляется в виде трехмерного массива зданий. Основой для построения базы данных городской застройки в памяти ЭВМ является топографический план города масштаба 1:2000, на котором указаны рельеф местности, контуры зданий, их координаты, высота, размеры, ориентация и тип поверхности.
В предложенной модели здания представляются в виде совокупности взаимно перпендикулярных амплитудно-фазовых экранов, на которых имеются периодические неоднородности, такие как окна и балконы. Отражение волн от стен зданий с периодически - неоднородной поверхностью рассматривается как отражение от плоской поверхности с некоторым эффективным коэффициентом отражения. Коэффициенты отражения миллиметровых волн от большинства зданий невелики, что приводит к быстрому затуханию неоднократно переотраженных волн и, следовательно, сравнительно небольшому объему вычислений. Результаты экспериментов [ 6 ] подтвердили допустимость в миллиметровом диапазоне волн принятой модели стен в виде плоских экранов с некоторым эффективным коэффициентом отражения, отличие которого от френелевского определяется степенью неоднородности и шероховатости поверхности.
В отличие от статистического подхода в СВЧ диапазоне поле, рассеянное зданием в модели канала распространения миллиметровых волн, не считается случайной функцией, а имеет определенную индикатрису рассеяния, зависящую от размера здания, числа, размеров и периода неровностей на поверхности его стен.
Программные средства для компьютерного моделирования характеристик миллиметрового канала распространения включают два блока программ. С помощью одного блока анализируется пространственная многолучевая структура поля в точке приема. Определяется наличие прямой видимости между передающим и приемным пунктами; наличие зеркально отраженных лучей в точке приема, их траектории и направления, расстояния до точек отражения, координаты точек отражения на поверхности зданий, параметры отражающих поверхностей; границы областей на поверхности зданий, освещенных передатчиком и видимых из точки приема, расстояния, углы падения и рассеяния, дифракция прямой и отраженных волн.
С помощью второго блока программ производится расчет энергетических характеристик распространения. Падающее на каждое здание поле рассчитывается в приближении геометрической оптики, а рассеянное зданием поле рассчитывается с помощью интеграла Кирхгофа по рассеивающей поверхности. Преимущество детерминированной модели состоит в том, что рассеяние поля на каждом отдельном здании можно рассматривать независимо от других, так как расстояние между зданиями значительно превышает длину волны в миллиметровом диапазоне.
Алгоритм
предусматривает следующую
последовательность расчетов.
Анализируется трехмерная геометрия задачи,
определяется наличие прямой видимости и
рассчитывается ослабление на трассе
прямого луча между передатчиком и
приемником с учетом диаграммы
направленности передающей
и приемной 
антенн
,
( 1 )
где 
- длина волны, R - расстояние между
передатчиком и приемником.
Затем с помощью метода изображения источника определяются траектории вышедших из передатчика и попавших на приемную антенну однократно отраженных лучей. Метод изображения источника, или метод виртуального источника, заключается в том, что рассчитываются координаты зеркального отображения передатчика относительно плоскости стены каждого здания и определяется, пересекает ли траектория зеркально отраженного луча стену данного здания.
После этого вычисляется ослабление на зеркальной трассе i-го луча по формуле
,
( 2 )
где 
- эффективный коэффициент отражения стены
здания с учетом неровностей; 
- длина трассы i-го зеркального луча.
Предложенный метод учитывает уширение луча, отраженного от здания с неоднородной поверхностью, в пределах угловой ширины индикатрисы рассеяния данного здания. Это позволяет учесть в точке приема намного больше волн, чем в случае строго зеркального отражения.
Далее по формулам дифракции на клиновидном препятствии в точке приема рассчитываются волны, вышедшие из передатчика и дифрагированные на крышах зданий, а также определяется дифракция однократно отраженных волн. Результаты численных экспериментов показывают, что дифракционное ослабление настолько велико, что дифрагированными волнами большей кратности можно пренебречь.
Следующий этап включает расчеты двукратно отраженных волн с учетом индикатрис рассеяния зданий, при этом виртуальными источниками являются зеркальные отображения передатчика относительно однократно рассеивающих зданий. Процедура расчета повторяется для отраженных волн трех- и большей кратности. Кратность многократно отраженных волн, учитываемых в данном алгоритме, может быть любой и определяется производительностью компьютера, так как с возрастанием кратности переотражений объем обсчитываемого массива данных возрастает в геометрической прогрессии. С физической точки зрения количество последовательных переотражений для каждого луча определяется величиной эффективного коэффициента отражения поверхности стены и чувствительностью приемника.
Процедура определения
траекторий прямых, зеркальных, рассеянных и
дифрагированных лучей сопровождается
расчетом временных задержек по каждому
лучу. В результате расчета определяется
функция импульсного отклика канала
распространения на 
- импульс для заданных положений приемника
и передатчика. Для расчета многолучевых
искажений сигнала, передаваемого по каналу
связи, вычисляется интеграл свертки
передаваемого сигнала и функции
импульсного отклика канала.
Квазидетерминированная трехмерная модель и разработанные на ее основе программные средства позволяют определять с учетом конкретной планировки городского района ключевые параметры миллиметрового канала распространения, в том числе напряженность поля в точке приема, профиль задержек, или импульсный отклик канала, характеризующий интенсивность и разброс задержек многолучевых волн, коэффициент ошибок передачи цифровой информации.
Литература
1. Gulyaev Y.V. “World Mobile communication”. Financial Times Conference, 1990, 24-25 Sept., London.
2. W.D. Chen, E. К. Yung, Y.O. Yam and al. “8 Mm Duplex Link for Multifunctional Information Transmission”, SPIE Proceedings , v. 2842 Millimeter and Submillimeter waves and Applications-1996- Denver, Co., paper 2842-25
3. D.Falconer, "A Syslem Architecture for BroadBand Millimеtre - Wave Access to an AТМ L.AN", IEEE. Personal Commun. Journal, Vol. 3, No. 4, Aug 1996, рр 36-41
4. В.А-Бирюков, Ю.В.Гуляев, А.В. Соколов “Применение миллиметровых радиоволн на сотовых линиях связи небольшой протяженности в городе” Радиотехника -1995- II,-с 3-5.
5. А.Н. Куликов, Ю.В. Лаврентьев, Г.А. Пономарев, А.В. Соколов, Л.В. Федорова и др. "Распространение ультрокоротких волн в городах" - Итоги науки и техники , сер Радиотехника -1991 г. т.42 , 196 стр.
6. Ю.В. Лаврентьев, А.В. Соколов, Л.В. Федорова и др. “Экспериментальные исследования отражения и рассеяния мм волн от шероховатых поверхностей зданий”. Радиотехника и Электроника, 1990, т. 35, № 3, стр. 650.
Автор: Лаврентьев Юрий Владимирович, e-mail: ryz@mail.cplire.ru
 |
 |