Исследование модели канала сети беспроводного абонентского доступа Окамура-Хата

Методики, основанные на широком применении эмпирических графиков достаточно неудобны для практического применения, особенно при автоматизации расчетов с использованием ПК, поэтому М. Хата получила аналитическую модель предсказания потерь распространения сигналов как результат прямой аппроксимации кривых Окамуры.

Модель медианных потерь на трассах наземной подвижной связи Окамура-Хата положена в основу стандартной модели С0SТ 231- Хата. Проведенные практические исследования показывают хорошие результаты совпадения практически измеренных значений уровней сигналов и рассчитанных с использованием модели Окамура-Хата.

Модель Окамура-Хата позволяет получить достаточно точные значения медианных потерь на трассах наземной подвижной связи при следующих ограничениях:

частота сигнала 100... 1500 МГц;

дальность связи 1... 100 км;

высота подъема антенны БС 30...200 м;

высота подъема антенны МС 1...10 м.

При этом в модели применяется достаточно удобная классификация типов местности:

крупные города - данная зона характеризуется наличием учреждений и индустриальных предприятий, большим числом высотных построек и небоскребов. Движение автотранспорта крайне оживленное практически для любого времени суток;

небольшие и средние города - плотно населенная зона с большим числом учреждений, включающих отдельные высотные здания. Дорожное движение довольно интенсивное и зависит от времени суток;

пригород - большое число строений преимущественно дачного типа, а также подсобных сооружений (типа склада, хранилища, небольшого магазина). Умеренное движение автотранспорта;

сельская (открытая) местность - незастроенная земля (открытое пространство), Невозделанная или частично обработанная земля с небольшими далеко отстоящими группами строений.

В соответствии с этой моделью затухание сигнала, дБ, при распространении в городских районах

,

где - рабочая частота, МГц;

- высота подъема антенны БС, м;

- высота подъема антенны АС, м; - дальность связи, км;

- поправочный коэффициент, используемый при высоте антенны АС, отличной от эталонной, равной 1,5 м.

Выражения получаются различными для крупных и средних городов, а также (в случае крупных городов) для разных частотных диапазонов;

для города средних размеров

для крупного города

Потери при распространении в пригороде, дБ

на открытой (сельской) местности

где L - потери распространения в городских районах

Размеры зоны покрытия базовой станции будут определяться дальностью связи между БС и АС, которая получается путем решения первого уравнения связи:

где -уровень мощности ПС на входе приемной антенны, дБ/мВт;

-уровень эффективной изотропно излучаемой мощности передатчика, дБ/мВт; - затухание сигнала при распространении дБ;

-дополнительные потери сигнала дБ; при работе с портативной АС;

- дополнительные потери сигнала, дБ, при работе с портативной АС в здании или автомобиле.

Уровень эффективной изотропно излучаемой мощности передатчика

где уровень мощности передатчика, дБ/мВт;

-мощность передатчика, Вт;

- потери в фидере антенны передатчика, дБ;

- погонное затухание в фидере антенны передатчика, дБ/м;

- длина фидера антенны передатчика м;

- потери в дуплексе на передачу, дБ;

- потери в комбайнере (устройстве сложения), дБ; - коэффициент усиления антенны передатчика в направлении связи, дБ.

Основным условием обеспечения связи будет необходимость превышения уровня мощности ПС на входе приемной антенны минимально необходимого уровня мощности дБ, определяемого техническими характеристиками приемника:

где - чувствительность приемника, дБ/мВт;

-чувствительность приемника, мкВ;

- входное сопротивление приемника, Ом;

- потери в фидере антенны приемника, дБ;

-длина фидера антенны приемника, м, -погонное затухание в фидере антенны приемника, дБ/м;

- потери в дуплексном фильтре на прием, дБ;

-коэффициент усиления антенноготракта приема (МШУ), дБ;

-коэффициент усиления антенны приемника в направлении связи, дБ.

В системах подвижкой связи уровень мощности сигнала на входе приемной антенны является случайной величиной, которая хорошо описывается логнормальным законом распределения. Для повышения вероятности обеспечения связи требуемого качества необходим дополнительный запас уровня мощности сигнала на входе приемной антенны. Этот запас определяется статистическими параметрами сигнала на трассах подвижной связи, а именно стандартными отклонениями сигнала по месту ( ) и по времени ( ). При этом многочисленные экспериментальные исследования показали, что значение зависит в основном от степени неровности местности и диапазона частот, а - от дальности связи.

При распространении сигнала над холмистой поверхностью потери распространения увеличиваются по сравнению со случаем среднепереcеченной местности. Для оценки степени неровности местности используют параметр м, который может быть определен по рис. 6 как разность между высотами h(90%) и h(10%) местности па трассе, превышаемые в 90% и 10% точек профиля соответственно. Параметр позволяет ввести условную классификацию типов местности (табл.5).

Рисунок 6. Определение холмистости местности

Таблица 5

Характеристика типов местности

Тип местности	Значение параметра местности , м
Равнинная или водная поверхность	0 ...25
Равнинно-холмистая (среднепересеченная)	25...75
Холмистая(сильнопересеченная)	75... 150
Гористая	150...400 |
Очень высокие горы, не менее

Экспериментальные исследования, проведенные для многих районов, показывают, что для расстояний свыше 10 км стандартное отклонение для диапазона частот 300...3000 МГц можно определить по формуле:

На расстояниях меньше 10 км стандартное отклонение зависит от дальности связи R, км. Для практических вычислений эти данные в диапазоне 300. . . 3000 МГц с высокой степенью точности аппроксимируются формулой:

Стандартное отклонение сигнала по времени _г зависит от дальности связи и для точек приема, расположенных на расстоянии менее 100 км от передатчиков,

Обобщенное значение стандартного отклонения сигнала по месту и по времени

Дополнительный запас уровня сигнала

– коэффициент логнормального распределения, обеспечивающий требуемую надежность связи, определяется как аргумент нормальной функции распределения определяется из таблицы 6.

Таблица 6

Значения величин и

Таким образом, для того чтобы мощность сигнала на входе приемной антенны , превышала минимальную мощность сигнала на входе приемной антенны , исходя из чувствительности приемника, с заданной вероятностью, необходимо, чтобы выполнялось условие

Исходя из вышеизложенного, методика прогноза зон покрытия БС для сетей подвижной связи будет следующей:

1. В соответствии с выражением вычисляется уровень эффективной изотропно излучаемой мощности передатчика

2. Определяется минимально необходимый уровень сигнала на входе приемной антенны

3. Определяемся величина дополнительного запаса уровня мощности сигнала обеспечивающего требуемую надежность связи.

4. Вычисляется требуемый уровень мощности сигнала на входе приемной антенны, обеспечивающей необходимую надежность связи:

5. Рассчитываются максимально допустимые потери при распространении сигнала на трассе:

6. Определяется максимальная дальность связи путем решения уравнения

При этом в качестве высоты антенны _с выбирается эффективная высота антенны БС.

Сеть радиодоступа должна обеспечивать связь абонентам в зоне обслуживания с сетью. Элементами радиосети являются БС, находящиеся на достаточном удалении друг от друга, которые могут повторно использовать одну и ту же частоту. Качественное проектирование радиосети должно удовлетворять ожидаемой плотности трафика (закладывается заказчиком для данных обслуживания абонентов) при минимальном количестве установленного радиооборудования с учетом ограничений в частотной области и возможности увеличения пропускной способности сети при возрастании запросов на передачу трафика. Эта задача может решаться за счет оптимизации мест расположения БС мощности передатчиков, высот антенн и их типов (ненаправленные или с направленностью по секторам) и распределения частот между БС.

Процесс планирования разделяется на следующие этапы: выбор размера кластера ячеек; определение пространственных параметров сети; расчет параметров передатчиков и выбор антенн БС; распределение частотного ресурса.

На первом этапе частотно-территориального планирования формируется первое приближение структуры сети. Эта процедура сводится к определению местоположений БС, их параметров и распределению частотного ресурса исходя из оценки плотности трафика и характера местности.

При построении первого приближения сети средние значения напряженности поля прогнозируются для каждого передатчика БС по всей зоне обслуживания. Прогнозирование напряженности поля основывается на моделях распространения, приведенных в пункте 2.2.

Прогнозируя распределение трафика, протокол обслуживания в сети и учитывая максимальную вероятность блокировки и максимальную нагрузку, можно выявить потребность в каналах передачи информации. Суммарное количество одновременно действующих каналов передачи информации позволяет получить число несущих частот в сети и для каждой БС. Каждая несущая требует отдельного передатчика БС.

Уточнение частотного плана проводится с учетом ограничений, заданных условиями электромагнитной совместимости. Эти ограничения задаются величиной максимальной вероятности создания взаимных помех, которая не должна быть превышена при назначении конкретной частоты.

После уточнения частотного плана известны БС, создающие помехи в сети по основному и соседнему каналам на данной частоте, и, соответственно, можно определить качество связи в каждой ячейке и для всей сети.

Прогноз нагрузки на сеть в режиме эксплуатации с относительной погрешностью менее чем 30% невозможен, поэтому планирование осуществляется с запасом по нагрузке. Качество работы сети некритично к нагрузке на сеть. Например, при увеличении трафика на 25% вероятность нарушения связи возрастает менее чем на 10%. Планирование сетей радиодоступа аналогично планированию сотовых сетей мобильной связи. Планирование связано, в первую очередь, с вопросами формирования зон перекрытия сотовой сети и с особенностями обеспечения связи с фиксированными абонентами. Сети фиксированной связи подобно сотовым сетям подвижной связи используют повторение одних и тех же частотных каналов в сотовой структуре. Частотное планирование сетей фиксированной связипоэтому аналогично частотному планированию в сотовых сетяхмобильной связи.