Исследование влияния параметров трассы на расчет эффективной высоты антенны

Введение

Существует ряд моделей для прогнозирования уровня радиосигнала в системах подвижной радиосвязи. В городских условиях практически нет прямой видимости между антеннами базовой станции (БС) и абонентской станции (АС), и мощность принятого сигнала оказывается значительно ниже, чем в свободном пространстве. Дополнительное ослабление в городе на частоте 900 МГц  в среднем составляет 20…30 дБ при протяжённости трассы 1….10 км. Это ослабление вызвано в основном отражением и рассеиванием энергии сигнала на крупных строениях.

Рельеф местности существенно влияет на уровень сигнала. Известны два основных метода для учёта его влияния: детерминированный и статический. Первый позволяет рассчитать множитель ослабления по конкретному профилю пролёта. Он широко используется для энергетических расчётов в линиях связи по схеме «от точки к точке», например, в радиолинейных линиях. В этом случае медианное значение мощности сигнала в точке приёма – это то, которое превышается в течение 50% времени наблюдения (например, месяца). В сотовых системах, где БС должна обеспечить связь на территории соты, часто применяют статический метод, при котором параметры рельефа (высота препятствий, их форма и взаимное расположение, наклон местности и т.п.) считаются случайными величинами. Характер рельефа местности в соте оценивают параметрами, усреднёнными на участках трассы протяжённостью 5….10 км.

Высота подъема передающей антенны прежде всего связана с зоной радиовидимости, определяемой по формуле:

Отметим, что правильный расчет эффективной высоты подъема антенны  БС (h_eff, см. рис.1) играет очень важную роль при расчете зоны покрытия, и она зависит как от физической высоты установки над уровнем моря (h_n), так и от усредненной высоты местности в зоне приема (h_m), т.е.

При этом усредненная высота местности рассчитывается по множеству точек, как среднеарифметическое значение, т.е.

Рекомендуемое число точек отсчета – не менее 140.

Рисунок 1 – К расчет эффективной высоты подъема антенны БС

Именно от высоты установки передающей антенны в значительной степени зависит напряженность электромагнитного поля, что хорошо можно видеть из формулы. Из модифицированной формулы, полученной к.т.н. Песковым С.Н.:

наглядно видно, что увеличение высоты подъема приемной антенны h эквивалентно увеличению зоны покрытия при фиксированной мощности передатчика. Из формулы 4 можно заметить, что больший эффект все-таки вносит высота подвеса передающей антенны Н за счет множителя H/h.

Цель курсовой работы состоит в исследовании влияния рельефа местности на расчет эффективной высоты подъема антенны БС.

Для достижения поставленной цели необходимо рассмотреть модели предсказания уровня принимаемого радиосигнала и провести их зависимость от рельефа и высоты подъема антенны БС.

МОДЕЛИ ПРЕДСКАЗАНИЯ УРОВНЯ ПРИНИМАЕМОГО РАДИОСИГНАЛА ОКАМУРЫ

Модель Окамуры основана на экспериментальных результатах, полученных Окамурой. Сначала определяется ослабление сигнала при распространении для квазигладкой местности. Трасса протяженностью несколько километров, на которой средняя высота неровностей не превышает 20 м, определена в модели Окамуры как «квазигладкая».

В модели Окамуры приняты базовые значения высоты антенны АС   и эффективной высоты антенны БС , причём последняя определяется над средним уровнем квазигладкой поверхности. Для квазигладкой местности уровень УММС будет следующим:

где

— усреднённое медианное значение уровня мощности;

— дополнительное ослабление сигнала в городе (медианное значение), определённое для квазигладкого городского района при базовых высотах антенн БС и АС;

— коэффициент “высота – усиление антенны БС”, учитывающий, что высота антенны БС может отличаться от значения 200 м;

— коэффициент “высота – усиление антенны АС”, учитывающий влияние реальной высоты антенны АС.

Уровень мощности сигнала  может быть рассчитан по следующей формуле:

где  

— уровень мощности передатчика;

— коэффициенты усиления передающей и приёмной антенны соответственно, выраженный в децибелах;

— потери в фидере передающей и приёмной антенны соответственно;

— ослабление свободного пространства,

где  

— протяжённость трассы;

— рабочая длина волны.

Все остальные величины () Окамура получил экспериментально, и они представлены в литературе в виде графиков. Дополнительное ослабление сигнала в городе  показано графически на рисунке 1.1

протяжённостью r

Экспериментально установлено, что влияние высоты антенны БС зависит от расстояния между АС и БС и практически не зависит от частоты в диапазоне 200…2000 МГц. На рисунке 1.2 номера кривых соответствуют трассам:

При  мощность принимаемого сигнала изменяется пропорционально квадрату высоты антенны, а при  — пропорционально кубу высоты, так что

При  уровень сигнала на входе приёмника определяет дифракционная составляющая электромагнитного поля. При этом чем выше установлены антенны БС, тем больше уровень принимаемого сигнала. Как правило, высота антенны БС составляет десятки – сотни метров, высота антенны АС – несколько метров. На практике дальность радиогоризонта равна примерно 25 км и 50 км при высоте антенны БС соответственно 50 м и 200 м.

Экспериментально установлено (рисунок 1.3), что влияние высоты антенны АС не зависит от протяжённости трассы, поскольку эти антенны расположены ниже уровня городской застройки. На рисунке 1.3 номера кривых соответствуют:

1 – крупный город;

2 – средний город при

3 – средний город при

Кроме того, при  влияние антенны АС одинаково на всех частотах и не зависит от характера застройки.

Экспериментальные данные позволяют записать следующее выражение:

При установке антенны АС выше трёх метров значение коэффициента  становится зависимым от характера застройки. Для среднего города этот коэффициент зависит от частоты. При  для среднего города имеем:

Для крупных городов коэффициент «высота – усиление антенны АС», не зависит от частоты и при  остаётся справедливым соотношение (1.5).

Модель Окамуры позволяет для местности, которая не относится к квазигладкой, введением поправочных коэффициентов в (1.1), рассчитывать ожидаемый уровень медианной мощности сигнала с учётом характера местности:

где  

— уровень усреднённой медианной мощности сигнала;

—  поправочный коэффициент для пригородной зоны и открытой местности;

— поправочный коэффициент для трассы с наклоном;

— поправочный коэффициент для участка «земля – море»;

— поправочный коэффициент для холмистой местности.

В пригородной зоне потери сигнала при распространении меньше, чем в городе, поскольку в ней ниже здания и меньше препятствий. Как установил Окамура, эти потери уменьшаются с ростом частоты, то есть коэффициент  растёт. Его значение можно определить по таблице 1.1.