УДК 621.396.74

Автор ;Якуб Мухаммад

руководитель: Бойко В.В

Донецкий национальный технический университет, Украина

Влияние различных факторов на результаты расчетов радиопокрытия сети мобильной сотовой связи для условий области Амман Иордании

Введение

Для расчета зон радиопокрытия сети мобильной сотовой связи используются различные модели распространения радиоволн. С их помощью можно учитывать разные факторы, влияющие на потери при распространении радиоволн.

Задача данного исследования – провести анализ влияния различных факторов на результаты расчетов радиопокрытия.

Анализ существующих моделей распространения радиоволн

Наиболее простая модель – модель свободного пространства – учитывает только частоту распространяющегося сигнала и расстояние между приемником и передатчиком. Мощность сигнала уменьшается, как квадрат расстояния между передатчиком и приемником:

_, (1)

где λ – длина волны передаваемого сигнала,

d – расстояние между передатчиком и приемником.

Между тем другие важные факторы – высота антенны, тип застройки и т.д. не учитываются. Эта модель используется в основном в спутниковых системах связи дальнего космоса. В системах мобильной связи появляются дополнительные потери из-за потерь и другие помех (например, при прохождении сигнала через деревья или при отражении от зданий города), поэтому такая модель при оценке радиопокрытия сети будет слишком упрощенной.

Потери на трасе в приземной области выше, чем в свободном пространстве, это связано с тем, что между передатчиком и приемником существуют препятствия – деревья, здания и т.д. Степень этих потерь находится в более сильной связи от расстояния между передатчиком и приемником.

Модель Ли – одна из моделей, которая описывает эту связь. Согласно этой модели потери распространения

_. (2)

где d – расстояние (в километрах) между передатчиком и приемником,

h – высота (в метрах) антенны базовой станции.

Однако модель Ли не учитывает многих других параметров, как, например, высота антенны приемника, частота передаваемого сигнала, плотность городской застройки и т.д.

Модель Окамуры – эмпирическая модель токийского ученого, построенная на его экспериментальных исследованиях процессов распространения радиоволн в условиях города Токио. Эта модель наиболее подходит для условий плотной городской застройки с высокими зданиями, что не характерно для европейских городов. Поэтому Окамура привел корректирующие коэффициенты для высоты зданий.

Модель Окамуры подходит для расчета потерь распространения радиоволн для частот до 3ГГц, тем не менее, она является неудобной для расчетов, поскольку все зависимости являются эмпирическими.

Наиболее популярная модель – модель COST 231-Хата – используется не только в предварительных приблизительных расчетах покрытия, но также заложена в основу многих специально разработанных для расчета покрытия программ. Она позволяет рассчитывать покрытия для сигналов с частотой 150÷2000Гц, устанавливать высоты антенн передатчика и приемника, учитывать плотность застройки города. Модель пригодна только для расстояний от 1 до 20км и для условия, что антенна базовой станции находится намного выше уровня соседних зданий (обычно берется 30 метров).

Средний уровень потерь на радиотрассе зависит от расстояния между приемником и передатчиком, и, согласно эмпирической модели COST231-Хата, определяется таким образом:

(3)

где f – несущая частота (в МГц), может лежать в пределах 150÷2000МГц;

h_b – высота антенны передатчика (в метрах), может быть 30÷300 метров;

h_m – высота антенны приемника (в метрах), может быть 1,5÷3 метра;

d – расстояние (в километрах) между базовой станцией и подвижной станцией, может быть 1÷30 километров;

a(h_m) – поправочный коэффициент, который используется при высоте поднятия антенн, отличных от эталонных значений, и рассчитывается для городов (4) и для городов с плотной застройкой (5):

, (4)

. (5)

K₀=0 для города;

K₀=3дБ для городов с плотной застройкой.

Коэффициенты K₁ и K₂ используются, чтобы учесть частотные диапазоны:

· K₁=69,55 для частотного диапазона 150÷1500МГц;

· K₁=46,3 для частотного диапазона 1500÷2000МГц;

· K₂=26,16 для частотного диапазона 150÷1500МГц;

· K₂=33,9 для частотного диапазона 1500÷2000МГц.

Модель COST231-Хата рекомендована Международным Консультационным Комитетом по Радиосвязи (МККР) и достаточно проста в использовании.

Расчет радиопокрытия подсети базовых станций для области Амман

Применяя модель COST231-Хата непосредственно к сети, проектируемой для территории области Амман, введены следующие допущения:

1. несущая частота сигнала f=2000МГц;

2. высота подвеса базовой станции h_b=30м;

3. высота подвижной станции h_m=1,5м;

4. поправочный коэффициент рассчитывается для условий города с плотной застройкой:

(6)

Таким образом, зависимость потерь распространения от расстояния между антеннами базовой и подвижной станций:

_{. (7)}

Потери распространения влияют на значение мощности на входе приемного устройства. На него влияют также и другие параметры: мощность сигнала на выходе передатчика, коэффициенты усиления передающей и приемной антенн, потери в фидерах и коннекторах и т.д. При увеличении расстояния между передатчиком и приемником мощность на входе приемника уменьшается, и, в конце концов, достигает своего предела, который называется чувствительностью приемного устройства. Таким образом, получается предельно допустимое расстояние, которое является радиусом соты.

Задача данного исследования заключается в оценке влияния различных факторов на радиус соты.

Мощность на входе приемника зависит от выходной мощности передатчика P, потерь распространения L_p, коэффициентов усиления антенн, потерь распространения:

. (8)

Приняв мощность передатчика Р=30Вт=14,8дБ (средняя мощность для передатчиков базовых станций разных производителей), коэффициент усиления антенны базовой станции 19,5дБ, коэффициент усиления антенны подвижной станции 5дБ, получено выражение зависимости мощности на входе приемника от расстояния между антеннами передатчика и приемника:

. (9)

Графически данная зависимость представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – График зависимости мощности сигнала на входе приемного абонентского устройства от расстояния между подвижной и базовой станциями

Значение чувствительности абонентской станции принято равным -115дБ, получено предельно допустимое расстояние между базовой и подвижной станциями, равное 2,4км.

Анализ влияния различных факторов на радиус соты

Итак, радиус соты составляет 2,4км. При учете влияния различных факторов на уровень принимаемой мощности приемником подвижной станции радиус соты будет сокращаться.

В данном исследовании получены результаты расчетов радиуса соты при последовательном учете следующих факторов:

1. Запас на потери в коннекторах и фидерах А=1,5дБ.

2. Запас на проникновение в помещения; для частоты 2000МГц S_зд=17дБ.

3. Запас на замирания сигнала S=10дБ.

Результаты исследований приведены в таблице 1.

Таким образом, при учете различных факторов радиус соты составляет 0,4км, и тогда покрытие нужно рассчитывать с помощью других моделей, предназначенных для расстояний не более 1км.

Таблица 1 – Результаты расчетов радиуса соты при учете некоторых факторов

Фактор влияния на радиус	Рассчитанный радиус соты, км	Абсолютное уменьшение от.-но первоначального значения, км
Без учета факторов	2,4	-
Запас на потери в коннекторах и фидерах, 1,5дБ	2,2	0,2
Запас на проникновения в здания, 17дБ	0,75	1,65
Запас на замирания, 10дБ	0,4	2

Анализ радиопокрытия для участка области Амман

При проектировании сети важно учитывать не только результаты расчета, но и отдельную ситуацию для каждой базовой станции. Окружающие ее объекты могут существенно менять полученные результаты расчетов. Для примера приведена карта участка города Амман (рисунок 2). На карте указано месторасположение трехсекторной базовой станции. Каждый сектор направлен на определенный участок местности, характеризующийся своими особенностями: один сектор обслуживает часть города с плотной застройкой и дорогу, а два других – часть города, засаженную деревьями с неплотно расположенными зданиями.

Рисунок 2 – Анализ зоны радиопокрытия базовой станции для участка г.Амман

Согласно расчетам по модели COST231-Хата, радиус зоны обслуживания для секторов будет различается – второй и третий сектор будут иметь больший радиус обслуживания, так как в этой зоне необходимо выбирать меньший запас на замирания и проникновения в здания (но, тем не менее, нужно учесть потери в кронах деревьев).

Выводы

При проектировании сети важно уменьшить влияние всех факторов на радиус зоны покрытия.

Первый способ, с помощью которого можно добиться увеличения радиуса соты – подъем антенны базовой станции. Пусть теперь высота ее подвеса 40м. Необходимо сделать выводы, как увеличение высоты подвеса влияет на радиус соты.

Потери распространение сигнала при высоте подвеса, равной 40м:

. (8)

Как показывает исследование, проведенное в демо-версии программы RPS2, покрытие действительно увеличивается при увеличении высоты подвеса антенны базовой станции (рисунок 3).

Рисунок 3 – Увеличение радиуса соты при увеличении высоты подвеса антенны базовой станции

Тем не менее, нужно учесть остальные факторы, которые влияют на мощность на входе приемника (таблица 2).

Таблица 2 – Результаты расчетов радиуса соты при учете некоторых факторов

Фактор влияния на радиус	Рассчитанный радиус соты, км	Абсолютное уменьшение от.-но первоначального значения, км
Без учета факторов	2,75	-
Запас на потери в коннекторах и фидерах, 1,5дБ	2,6	0,15
Запас на проникновения в здания, 17дБ	0,8	1,95
Запас на замирания, 10дБ	0,4	2,35

Проведенное исследование показало, что радиус ячейки сети при высоте подвеса антенны базовой станции 40м стал больше, однако при учете всех дополнительных факторов, вносящих потери на радиолинии от базовой станции к абоненту, радиус ячейки становится таким же, как и при высоте подвеса 30м. Таким образом, зависимость здесь нелинейная, и в итоге нет смысла (для данных условий) поднимать антенны базовых станций еще выше, ведь это приводит к другим негативным последствиям (дополнительные затраты, ухудшение принятия сигнала непосредственно под антенной, увеличение потерь в фидерах и т.д.).

Таким образом, добиваться увеличения радиуса сети нужно другими способами. Предлагаемые рекомендации при проектировании сети:

1. Выбирать оборудование производителей модульных базовых станций, которое позволяет располагать блоки приемников непосредственно под антенной, тем самым сокращая длину фидеров и уменьшая потери в них практически до нуля.

2. Использовать технологии антенных решеток MIMO, которые применяют разнесенный прием для уменьшения эффекта замираний. Применение таких антенн возможно пока только на стороне базовой станции (на абонентской стороне эти антенны применяются только на роутерах), тем не менее, в направлении «абонент – базовая станция» потери всегда больше, поскольку мощность передатчика подвижной станции меньше. Поэтому применение MIMO в данном случае оправдано.

3. Выбирать антенны базовых станций с высоким коэффициентом усиления, которые сохраняют линейные характеристики.

Таким образом, используя малейшую возможность уменьшить потери на радиотракте, можно существенно увеличить радиус соты.

Литература:

1. Маковеева М.М., Шинаков Ю.С. Системы связи с подвижными объектами: Учебное пособие для вузов. - Г.: Радио и связь, 2002. - 440 с.

2. Бабин А.И. Проектирование оптимальной подсистемы радиодоступа сети 3G/UMTS/WCDMA на основе теории монотонных систем. – М: Современные наукоемкие технологи, 2008. – 545с.