Jukka Lempiainen Matti Manninen - RADIO INTERFACE SYSTEM PLANNING FOR GSM/GPRS/UMTS, KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS, pp. 76-93

Перевод Чуль Е.С.

Критерии планирования покрытия

1 Вероятности местоположения и постепенно изменяющиеся границы

Особенности радио-пути, окружающей среды, поведение пользователей, погода, и т.д. вызывают неопределенность получаемого радиосигнала.

В коммерческих радиосетях цель не состоит в том, чтобы достигать максимальной производительности, а гарантировать определенное качество обслуживания с высокой вероятностью. Цель в коммерческих радиосетях состоит в том, чтобы оптимизировать производительность с точки зрения конечного пользователя и дохода сети. Это означает, что время и вероятности размещения для сети должны быть достаточно высокими, чтобы гарантировать удовлетворение всех запросов клиента.

Качество радиопокрытия в мобильной сети обычно измеряется как местоположение вероятность и вероятность времени. Вероятность размещения определяет вероятность, в которой напряженность поля выше уровня чувствительности в районе, являющемся объектом воздействия. Вероятность местоположения 50 процентов соответствует ситуация, в котором средняя напряженность поля равняется чувствительности приемника в определенной географической области. Конечно, желательная вероятность обычно выше чем 50 процентов, то есть, напряженность поля должна быть более высокой чем чувствительность получателя. Вероятность времени определяется за более длинный период, чтобы объяснить явления, когда напряженность поля не является постоянной. Например, при прохождении сквозь листья деревьев во время летнего времени понижается напряженность поля или когда зимой наступает увеличение напряженности поля. Кроме того, погода (например дождь) может быть причиной колебания напряженности поля и эти изменения могут быть весьма значительными. Поскольку вероятность времени является еще более трудной измеряемой и предсказуемой, чем вероятность местоположения, она обычно принимается более высокие пороги чувствительности; а иногда не рассматривают вообще.

Однако, местоположение и вероятности времени одни из самых важных переменных в планировании покрытия.

1.1 Медленное (логарифмически нормальное) постепенное изменение и среднеквадратичное отклонение

Попытка построить хорошее покрытие в зонах застройки это испытание. Факт, что мобильные антенны обычно значительно ниже высоты окружающих зданий, и нет прямой видимости между базовой станцией и мобильной станцией. Это означает, что распространение волн происходит главным образом отражениями от поверхностей зданий и дифракцией над и вокруг них. Рисунок 4.1 поясняет некоторые возможные техники распространения в городской зоне.

Иллюстрация 4.1 иллюстрирует некоторые возможные механизмы

Распространения волн в городской области.

Медленное затухание, часто называемое затенением, вызвано мобильным перемещением в тень холмов, деревьев или зданий. Нет никакой удовлетворительной модели для медленного затухания, но согласно различным измерениям средние потери на трассе тесно следуют за логарифмически нормальным распределением. Поэтому медленное затухание иногда называют логарифмически нормальным постепенным затуханием. [1]

Медленное затухание описывает изменения средней мощности сигнала от препятствий на пути сигнала. Конечно, термин “средняя мощность сигнала” используется здесь со специальным значением. Правильный термин был бы “скользящее усреднение сигнала”. Быстро затухающая компонента сигнала может быть извлечена при использовании усредненного окна тридцати двух длин волн. [1], Если использовать скользящее усредненное окно, то результат - сигнал, не имеющий быстро затухающей компоненты, но включающий теневой эффект. Известно, что сигнал, где быстро затухающая компонента отфильтрована, подчинен нормальному логарифмическому распределению. Если медленно затухающий сигнал выражен в децибелах распределение сигнала соответствует нормальному распределению. Поэтому, медленно затухающий сигнал может быть представлен нормальным распределением как показано в следующем уравнении.

В Уравнении 4.1 x случайная переменная (здесь медленно затухающий сигнал), математическое ожидание x и среднеквадратическое отклонение x. Среднеквадратическое отклонение зависит от окружающей среды возле приемника.

Среднеквадратическое отклонение для нормального логарифмического затухания в городских областях принято считать приблизительно 8 децибел. [1]

Измеряя силу сигнала без быстрого затухания (усредненный сигнал) на данном интервале значения сконцентрированы близко к усредненному. Значения следуют нормальному логарифмическому распределению. После определения стандартного отклонения приблизительно 68 процентов выборок попадает между

Следующий пример - представление идеи.

Пример 1

Средняя напряженность поля на данном расстоянии–82 dBm. Пусть СКО 8 децибел.

Приблизительно 68 процентов выборок попадают между–90 dBm и –74 dBm.

Пример 1 указывает, что 68 процентов выборок напряженности поля сигнала падают

в диапазон ±СКО около усредненной величины. Конечно, если напряженность поля измерена в определенной области мат ожидание и СКО могут быть определены.

1.2 Медленно изменяющаяся граница

Когда распределение напряженности поля определено, следующим шагом будет определение медленно изменяющейся границы. Планируя покрытия мобильной сети, одна качественная цель - вероятность местоположения покрытия. Это означает, что напряженность поля должна быть выше чем данный порог с некоторой вероятностью. Как сказано ранее, напряженность поля колеблется из-за теневого эффекта – иногда уровень сигнала выше среднего значения, а

иногда ниже. Для гарантирования определенного минимального уровня сигнала в радиосети мы должны ввести границу с учетом медленного изменения. Эту границу называют медленно изменяющейся границей. Продолжим Пример 1, чтобы определить медленно изменяющуюся границу.

Пример 2

В Примере 1 была представлена следующая ситуация. Среднее значение сигнала–82 dBm. Если стандартное отклонение сигнала 8 децибел, приблизительно 68 процентов выборок попадают между –90 dBm и–74 dBm.

Если чувствительность мобильного телефона–100 dBm мы можем вычислить вероятность для ситуации, в которой напряженность поля ниже -100 dBm.

Как видно из уравнения выше вероятности для ситуации, в которой напряженность поля ниже –100 dBm, приблизительно 1.2 процент или вероятность местоположения в данном интервале 98.8 процентов (100 процентов - 1.2 процента).

Медленно изменяющаяся граница может быть использована как способ улучшить вероятность наличия достаточно высокого уровня сигнала. Если мы признаем, что есть 50 процентов вероятность то, что уровень сигнала ниже уровня чувствительности, то есть, нет никакой потребности в медленно изменяющейся границе, тогда средний уровень сигнала может остаться в–100 dBm. Конечно, 50-процентная вероятность в коммерческой сети слишком мало. В Примере 2 мы увеличили вероятность с 50 процентов до 99 процентов, вводя медленно изменяющуюся границу 18 децибел. Медленно изменяющаяся граница зависит от вероятности местоположения как показано на рисунке 4.2.

В иллюстрации 4.2, медленно изменяющаяся граница:

• отрицательна, если вероятность местоположения ниже 50 процентов,

• растет к бесконечности, когда вероятность местоположения становится близкой к 100 процентов,

• составляет 0 децибел, если вероятность местоположения составляет 50 процентов.

Предыдущее вычисление показывает местоположение на краю ячейки. В радиосетях вероятность местоположения и медленно изменяющаяся граница рассчитывается по всей ячейке. Это изменяет подход, потому что уровень сигнала обычно становится более сильным ближе к трансмиттеру, требуя разъяснения зависимости между вероятностью размещения области и вероятностью размещения точки.

1.3 Вероятность местоположения точки

Показано, что медленно изменяющаяся граница - 0 дБ, когда вероятность размещения точки составляет 50 процентов. Если наилучшая вероятность размещения, необходимо применения более высокой медленно изменяющейся границы. Это изображено на рисунке 4.3, где более малый круг - уменьшенная ячейка с ожидаемой медленно изменяющейся границей 5.1 дБ.

Если вероятность размещения точки на углу ячейки увеличена с 50 процентов до 74 процентов, тогда медленно изменяющаяся граница увеличивается с 0 дБ до 5.1 дБ (когда 8 дБ), и поэтому диапазон ячейки получается более коротким.

1.3.1 Вероятность местоположения области

Наружная вероятность местоположения - параметр, который описывает вероятность то, что полученная мощность сигнала превышает необходимый минимум мощности сигнала в приемнике, чтобы сделать успешное соединение с телефоном на открытом воздухе. Вероятность местоположения точки может быть преобразована к вероятности местоположения области, которая означает, что вероятность покрытия вычислена по ячейке. определяет полезную зона действия в пределах круга радиуса R, где уровень сигнала, полученный мобильной станцией, превышает данный порог. Если – вероятность, что полученный сигнал, r, превышает в области dA, тогда полезная область может быть записана, [2] как

где

В макроячеистой среде средняя величина полученной можности сигнала, может быть записана как

где напряженность поля на краю ячейки в и d расстояние от основной станции до некоторого пункта в области покрытия ячейки, R расстояние от основной станции до края ячейки и наклон распространения. Значение обычно изменяется от 25 децибелов /градус до 45 децибелов /градус. В моделях распространения также используются как основной параметр Для примера, в формуле Okumura–Hata значения выражено как показано в Уравнение 4.5. Как может быть замечен, зависит от высоты основной станции антенна [3]

ЗаменяяУравнением 4.4 вероятности могут быть представлены как

Делая следующие замены

Уравнение 4.2 может быть написано как

Используя Уравнение 4.8 может быть рассчитана вероятность размещения полностью по зоне покрытия клетки. Разность между вероятностью размещения на углу клетки (вероятность размещения точки) и вероятностью размещения области может видеться на рисунке 4.4.

Медленно изменяющиеся границы для среднеквадратичных отклонений 6 дБ, 7 дБ и 8 дБ представлены в Таблице 4.1.

Внутренняя вероятность местоположения

Вероятность размещения покрытия закрытого помещения описывает вероятность, что полученная мощность сигнала превышает минимально необходимую мощность сигнала в получателе в зданиях. Принцип расчета очень похож на расчет на открытом воздухе. Отличия между этими двумя расчетами вероятности размещения следующие:

• вычисляя среднеквадратичное отклонение вероятности размещения закрытого помещения заменяется среднеквадратичным отклонением сигнала измеренного в закрытых помещениях,

• средние потери от проникновения в здания добавляют к расчетной медленно изменяющейся границе.

Поскольку среднеквадратичное отклонение сигнала в закрытых помещениях более высоко, чем среднеквадратичное отклонение на открытом воздухе, медленно изменяющаяся граница более высокая. Потери от проникновения внутрь здания должны также быть прибавлены, что приводит к намного более высокой медленно изменяющейся границе.

1.4 Многократная вероятность местоположения сервера

Радиосеть состоит из нескольких основных станций. В некоторых местоположениях может быть больше чем один сервер, который может обеспечить хорошее покрытие. Для предыдущих вычислений ключевым было предположение, что ячейка единственная, изолированная.

Однако, если есть несколько ячеек, обеспечивающих покрытие в области вероятность для того, чтобы иметь достаточную напряженность поля, намного увеличивается. Ситуация изображена на рисунке 4.5.

Предполагаем, что две ячейки обеспечивают покрытие в целевой области, на краях ячейек обе ячейки обеспечивает 50-процентную вероятность местоположения (50 процент вероятность, что напряженность поля выше или ниже данного порога). Кроме того, предполагая, что сигнал от ячеек некоррелированный, объединенная вероятность могла быть вычислена как:

В Уравнении 4.9 A вероятность местоположения точки ячейки a и B вероятность местоположения точки ячейки b. Например, если местоположение точки вероятность 50 процентов для обеих ячеек (медленно изменяющаяся граница составляет 0 децибелов), с двумя серверами вероятность местоположения покрытия на краях ячейек

Как Уравнение 4.10 показывает, что вероятность местоположения увеличивается от 50 процентов до 75 процентов, если есть два сервера, имеющие равный уровень сигнала в точке исследования и сигналы от ячеек являются некоррелированными. Метод представляет принцип множественной вероятности местоположения сервера. Вычисление вероятности местоположения по сети весьма усложняется. Во-первых, распространение должно быть известно, поскольку наклон воздействует на вероятность местоположения. Во-вторых, расположение сети частично определяет как плавное покрытие. Наконец, реальная радио среда делает вычисление почти невозможным. Хотя, почти невозможно вычислить множественную вероятность размещения сервера в реальной сети, он может быть рассчитан для теоретических случаев. В иллюстрации 4.6 вероятность местоположения точки вычислена как функция из единственной вероятности местоположения ячейки для случаев с двумя серверами и с тремя серверами. Отметьте, что предполагается что корреляции между соседними сигналами равна нулю. Это предположение может быть трудным выполнить в сетях радио в прямом эфире.

Как может видеться из Рисунка 4.6, вероятность размещения множества серверов покрытия приближается к значению 100 процентов логарифмически как увеличение вероятности размещения площади ячейки. В GSM не может быть использован полностью преимущества множественных серверов, так как это может привести к замедлению процедуры хендовера через некоторое усиление. Во множественном доступе с кодовым разделением каналов передача программного обеспечения допускает использование полного усиления.

2 Проникновение сквозь здания и транспортные средства

Потери проникновения в здания являются потерями из-за крыш, стен и этажей.

Такие потери изменяется согласно типа здания. Когда внутреннее покрытие важно, средняя потеря проникновения в здания и среднеквадратичное отклонение в закрытом помещении должны быть известны для вычисления соответствующих медленно изменяющихся границ. Если результаты измерений не доступны, значения могут быть предполагаемыми, например, согласно рекомендации ETSI GSM 03.30, в которых потери от проникновения в здания в городских областях оцениваются как 15-18 децибел и в сельских районах 10 децибелов в зависимости от используемой частоты. [4]

Для стандартного отклонения в закрытом помещении могут использоваться значения по умолчанию 9-11 децибелов. Должно быть отмечено, что некоторые исследования показали что средние потери от проникновения для некоторых типов зданий уменьшаются, когда частота увеличивается, например, от 900 МГц до 1800 МГц.

Потери проникновения изменяются в зависимости от следующих условий:

• Различные виды конструкции наружной стены

• Изменения в высоте этажа

• Среда распространения около здания

• Различный процент площади окон в наружных стенах

• Различная ориентация здания относительно указанных излучений антенн

• Различные виды обработки окон, используемые для отражения солнечного света и тепла.

Потери от проникновения могут быть проверены измерительной кампанией. Однако, чтобы получить статистически надежные результаты число измеренных зданий должно быть значительным. Конечно, здания могут быть классифицированы согласно размеру, используемому материалу, износу и т.д. и измерения могут быть сконцентрированы для преобладающих.

Чтобы избежать быстрого замирания, местоположение измерений должно быть запланировано так, что по крайней мере тридцать два образца могут быть собраны в пределах 32 длин волн. Локальное усреднение по тридцати двум выборкам используется, чтобы выделить эффект быстрого замирания в многолучевом распространении. Для получения рекомендуемого уровня сигнала, потери проникновения измеряются вдоль внешнего периметра здания на уличном уровне (высота антенны MS 1.5 m). Потери проникновения для данной закрытой помещения определяют как разницу между усреднением внутренних измерений и усреднением измерений, произведенных на уличном уровне (см. таблицу 4.2).

В практическом радио планировании, потери проникновения - важный параметр в предсказании покрытия радиосвязью. Этот параметр используется, чтобы определить порог покрытия и диапазон клетки покрытия закрытого помещения с определенной вероятностью. Если цель состоит в том, чтобы иметь очень хорошее покрытия на более низких этажах, планируемый порог должен быть более высоким по сравнению со случаями, где важные более высокие этажи.

Проникновение транспортного средства подобно проникновению здания в планировании радиосети. Граница потеря проникновения автомобилей необходим, чтобы компенсировать потери в кузове автомобиля. Потери зависит от используемых материалов в его изготовлении. Наименьшие потери достигнуты, если объект сделан из пластмассы. Потери проникновения автомобилей обычно изменяются в пределах 5 - 15 децибел.

Вернуться в библиотеку