Аль-кумаім Самір Рашид

У магістерській роботі пропонується аналіз основних особливостей поширення радіохвиль у системі мобільного зв’язку стандарту GSM і моделей, які використовуються для розрахунку радіотрас. Проводиться моделювання поширення сигналу із застосуванням різних моделей і порівняння отриманих даних.

АКТУАЛЬНІСТЬ

Система стільникового зв'язку GSM900/1800 є найпоширенішою у світі й універсальної у використанні та має перспективи експлуатації й розвитку на найближчі 5-10 років. Тому вибір системи GSM900/1800 для дослідження в даній роботі є актуальним у сфері телекомунікацій.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

У роботі необхідно провести аналіз існуючих проблем, що виникають при передачі сигналів у мережі GSM.

Запропонувати основні способи боротьби з перекручуваннями сигналів.

Розглянути критерії та рівні якості послуг мережі GSM.

Провести моделювання сегментів мережі стільникового зв'язку та проаналізувати існуючі моделі за параметрами ефективності.

Вплив зовнішніх факторів на поширення сигналів у мережі мобільного зв'язку

При поширенні радіохвиль у вільному просторі амплітудне значення напруженості електричного поля сигналу Етсв на відстані r від передавальної антени базової станції визначається за формулою [4]:

где P - випромінювана потужність передавальної антени; Dпрд – коефіцієнт спрямованої дії передавальної антени; F- характеристика спрямованості антени в горизонтальній і вертикальній площинах.

Формула показує, що напруженість поля сигналу в місці прийому зменшується пропорційно відстані r внаслідок "втрат передачі" у вільному просторі. При поширенні радіохвиль у тропосфері втрати напруженості поля будуть визначатися тангенсом кута втрат:

де сигма, эпсілон – відповідно питома провідність і діелектрична проникність тропосфери, а лямбда - довжина хвилі

Дисперсійні властивості приземного шару тропосфери визначаються її газовим складом, температурою, тиском і вологістю.

Рисунок 1 - Вплив неоднорідності середовища на поширення радіохвиль

"Нормальна тропосфера" з параметрами Т=288 К, р=0,1013 кПа і вологістю 60% для діапазону УКВ є діелектриком , у якому радіохвилі поширюються практично без втрат. Однак, реальна тропосфера не є однорідною за своїм складом. У приземному шарі тропосфери є водні пари (туман, дощ) або зважені частки (дим, пил). Це обумовлює зменшення напруженості поля через теплові втрати на рух молекул газу. Величина поглинання оцінюється коефіцієнтом втрат у зоні неоднорідності:

де эпсілон – коефіцієнт ослаблення напруженості поля сигналу в зоні неоднорідності; альфа – постійна загасання напруженості поля; r - довжина зони неоднорідності.

При збільшенні довжини зони неоднорідності rзн поглинання енергії радіосигналу збільшується. Особливо відчутні втрати для спектрів УВЧ (на яких працює мобільний зв'язок). Вплив тропосфери на поширення радіохвиль виявляється не основним. Більш за все впливає поверхня траси радіозв'язку, що підстилає. Ґрунт землі включає сухий ґрунт і водяні розчини солей, які визначають важливі розбіжності дисперсійних параметрів: діелектричної проникності й питомої провідності землі. Внаслідок цього на трасі радіозв'язку можуть з'являтися ефекти відбиття й поглинання радіохвиль. Умови поширення радіохвиль визначаються тангенсом кута втрат у землі. При низькопіднятих антенах базових станцій (до 20м) поглинання енергії електромагнітного поля в землі збільшується. Коефіцієнт теплових втрат у землі визначається коефіцієнтом Ван дер Поля [4]:

де

При високопіднятих антенах втрати в землі оцінюються коефіцієнтом А. Б. Введенського:

де

З урахуванням впливу неоднорідного середовища поширення радіохвиль і поверхні, що підстилає, вираження амплітудного значення напруженості поля сигналу в місці прийому приймає вид:

Через вплив коефіцієнтів епсілон напруженість поля сигналів у місці прийому радіохвиль істотно знижується. Реальні траси радіозв'язку мобільних систем мають ділянки поверхні, що підстилає, з різними значеннями епсілон, сігма. Однак, внаслідок порівняно невеликих відстаней між БС і МС значення параметрів можуть братися усередненими. Звичайно беруться значення епсілон, сігма такі, що відповідають параметрам "вологого ґрунту"сігма ? (0.1...…00.011), епсілон? (15...30). Таким чином, поверхня що підстилає на трасах мобільного радіозв'язку для діапазону СВЧ є напівпровідником. Причинами втрат напруженості поля радіосигналів у місці прийому є також рельєф місцевості. Оскільки антени базових станцій перебувають у безпосередній близькості від землі, то на трасах радіозв'язку з'являються великомасштабні об'єкти, які екранують прийомні антени від передавальних. Чим більше пересіченість місцевості, тим більший вплив вона робить на умови прямої видимості станцій. Ослаблення поля сигналу при цьому залежить не тільки від величини просвіту траси радіозв'язку, але й від відстані до об'єкта, що екранує (рис. 2, а). Параметри траси радіозв'язку H0, ra, rb, а також довжина хвилі лямбда визначають значення узагальненого параметра втрат d:

Узагальнений параметр d визначає розміри тієї частини простору між БС і МС, у якій поширюється основна частина енергії електромагнітного поля [4]. Якщо величина екрана не буде перевищувати радіус R першої зони Френеля (рис. 2, б), тоді напруженість поля сигналу в місці прийому буде практично відповідати напруженості поля при відкритій трасі. Якщо ж величина екрана буде більше радіуса першої зони Френеля, тоді незважаючи на формально закриту трасу, ослаблення напруженості поля сигналу буде визначатися залежно від дифракційного параметра d.

Рисунок 2- Екранування MS на трасі радіозв'язку

Статистичні дослідження трас мобільного радіозв'язку в діапазонах УКВ показують, що об'єктами, які відбивають, можуть бути окремі ділянки землі, а також окремі об'єкти для яких виконується умова tg(сігма)>1. Об'єкти, які відбивають, зіграють роль вторинних (пасивних) випромінювачів (рис. 3).

Відбиті промені при цьому будуть мати різні різниці ходу, тому що відстані від вторинних випромінювачів до прийомної радіостанції будуть різними. Таким чином, на вході радіоприймача навіть при екрануванні регулярного променя з'явиться радіосигнал, утворений шляхом інтерференційного додавання відбитих сигналів. Оскільки в процесі функціонування системи MS постійно переміщаються, то змінюється й кількість об'єктів, які відбивають, з різною ефективністю відбиття й різницею ходу променів. Внаслідок цього, відбитий сигнал на вході приймача MS буде постійно коливатися (флуктуіровати).

Рисунок 3 – Відбиття радіохвиль на трасі радіозв'язку від об'єктів городської забудови

Выводы

При визначенні зони покриття повинні враховуватися всі особливості пересіченої місцевості з метою максимального виключення тіньових ділянок можливих трас радіозв'язку, загасання в опадах, відбиття, інтерференція, вплив неоднородностей. У зоні покриття радіозв'язок повинен забезпечуватися практично для будь-якої крапки знаходження MS. Це досягається не тільки координатним розміщенням BS, але й вибором висот підняття їхніх антен, які переважають для даної місцевості й ураховують основні напрямки трас радіозв'язку.

Використання антен спрямованої дії, діаграми спрямованості яких частково перекриваються, дає можливість формувати кругову діаграму спрямованості BS. Крім того, передбачається можливість зміни випромінюваної потужності і її автоматичне регулювання в кожному окремому субканалі.

Найбільш оптимальною для дослідження мережі стільникового зв'язка є модель Окамура-Хата як найбільш універсальна для всіх типів місцевості й умов поширення сигналів.

Література

1. Крук Б.И., Попатонопуло В.Н. Телекоммуникационные системы и сети: Учебное пособие. В 3 томах. Том 1 – Современные технологии – М.: Горячая линия-Телеком, 2003. – 647 с.

2. Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. 5-е изд. - М.: Эко-Трендз, 1998

3. Кловский Д.Д. Теория передачи сигналов. – М.: Связь, 1973.

4. А.А. Зеленский, В.Ф. Солодовник. Системы радиосвязи – Учеб.пособие. Ч.3.-Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т "Харьк. авиац. ин-т", 2003.–90с.