Влияние высоты установки антенны БС на уровень принимаемого сигнала
МIНIСТЕРСТВО ОСВIТИ I НАУКИ УКРАЇНИ
ХАРКIВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНIВЕРСИТЕТ РАДIОЕЛЕКТРОНIКИ
Кафедра ТАВР
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
по предмету
"ТЕХНОЛОГИИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ"
Виконав:
екстерн спец. ТЗТе-08
Фесюніна Л.І.
Перевірив: доц. каф. ТАВР Стародубцев Н.Г.
Харків 2009
1. ВЛИЯНИЕ ВЫСОТЫ УСТАНОВКИ АНТЕННЫ БС НА УРОВЕНЬ ПРИНИМАЕМОГО СИГНАЛА
При расчете уровня сигнала в точке приема необходимо учитывать волны, отраженные от земной поверхности. Влияние отраженных от поверхности земли лучей на устойчивость связи можно учесть на основании двулучевой модели (рис. 1.1).
Рисунок 1.1 – Двулучевая модель распространения сигнала БС
Множитель ослабления относительно поля свободного пространства можно представить следующим образом
,
(1.1)
где α - коэффициент отражения от поверхности земли; Ф - фазовый сдвиг между прямым лучом и отраженным от Земли. Обычно принимают α = -1, поскольку угол падения обычно мал. В этом случае выражение (1.1) можно записать следующим образом
(1.2)
В свою очередь
(1.3)
где Δr=r>1>-r>2 >- разность хода лучей; α -длина волны.
На основании построений на рис 1.1 можно записать
(1.4)
и
,
(1.5)
где h>1> и h>2>- высоты установки антенн БС и МС соответственно; d-расстояние от БС до МС.
Выражение (1.4) и (1.5) можно переписать в виде
На
практике обычно d >> h>1>+h>2>,поэтому
можно применить известное приближенное
равенство
,
где α << 1.
Тогда
(1.6)
Подставляя (1.6) в (1.3) и (1.2), получаем
(1.7)
Мощность сигнала на входе МС приемника может быть рассчитана по формуле
(1.8)
где
Р>1>
- мощность передатчика БС; G>1>,G>2>
- коэффициенты усиления антенн БС и МС
соответственно;
- затухание энергии в свободном
пространстве.
Подставляя (1.7) в (1.8), находим
(1.9)
Если
ΔФ < 0,6 рад, то sin(ΔФ/2)
ΔФ/2
и формула (1.9) принимает вид
(1.10)
Выражение (1.10) позволяет установить, что потери энергии на участке распространения будут составлять 40 дБ/дек.
В самом деле, если d>1>=l км и d>2>=10 км, то при прочих равных условиях
(1.11)
Таким образом, мощность сигнала на входе приемника обратно пропорциональна d4 , т.е.
где а - коэффициент пропорциональности.
При расчетах потерь энергии в свободном пространстве действует другое правило, а именно 20 дБ/дек, т.е.
Для реальных городских радиотрасс имеем
где γ=2...5.
Величина γ не может быть меньше 2, т.к. это значение соответствует свободному пространству.
Из (1.10) также следует, что увеличение высоты установки антенны БС приводит к увеличению уровня сигнала на входе приемника МС примерно на 6 дБ/окт.
В самом деле, удвоение высоты установки антенны БС дает
(1.12)
По вполне понятным причинам высота установки антенны МС не превышает 3 м, поэтому влияние ее высоты на энергетику линии обычно не рассматривают.
В формуле (1.9) не учтены многие факторы, влияющие на распространение радиоволн, а именно: шероховатость поверхности Земли, тропосферное отражение, рельеф местности и многие другие. Поэтому при расчетах часто прибегают к материалам, полученным на основании измерений и статистического усреднения результатов наблюдения.
2 МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ
Эффективность ССПР зависит от большого числа параметров и может служить показателем соответствия системы своему назначению, указывая степень ее технического совершенства и экономической целесообразности. Для количественной оценки эффективности сети подвижной радиосвязи можно использовать: пропускную способность; достоверность передачи информации; количество каналов, в выделенной полосе частот; размеры обслуживаемой территории; стоимость эксплуатации; статистические параметры трафика и другие факторы.
Обычно эффективность ССПР оценивают числом абонентов, приходящихся на выделенную полосу частот. Такой метод оценки достаточно нагляден и позволяет сравнивать различные системы подвижной радиосвязи.
Допустим,
что МС равномерно распределены на
территории обслуживания, имеющей вид
круга радиуса R>0>
с площадью
.
Каждая сота представляет собой
шестиугольник с радиусом описанной
окружности R,
имеющий площадь
(2.1)
Количество БС на территории обслуживания
(2.2)
Размерность
кластера К является частотным параметром
системы, т.к. определяет минимально
возможное число каналов в ССПР. Если на
каждой БС набор состоит из п>с>
с шириной полосы каждого канала F>к>,
то общая полоса частот для ССПР (с учетом
повторяемости частот) в направлении
передачи составит
Число
активных абонентов на всей территории
обслуживания равно
В этом случае эффективность использования
выделенной полосы частот
(2.3)
Из (2.3) следует, что эффективность ССПР не зависит от числа каналов на БС и возрастает с уменьшением радиуса ячейки R. В сущности это указывает на то, что уменьшая размеры ячеек можно повысить повторяемость частот, т.е. их одновременное использование в сети. Кроме того, из соотношения (2.3) следует целесообразность уменьшения размерности кластера К. Рассмотрим более подробно влияние размерности кластера на характеристики ССПР, в частности на уровень взаимных помех, возникающих вследствие повторного использования рабочих частот (рис.2.1). Взаимные помехи можно разделить на два вида.
Во-первых, мобильные станции в ячейках с совпадающими частотами создают помехи в каналах приема базовой станции соты номер один, находящейся в центре рис. 2.1 Отношение сигнал/помеха на входе приемника БС определяется выражением
(2.4)
где Р>пр.б> – мощность сигнала МС центральной соты на входе приемника собственной БС;
Р>ш.б> – мощность тепловых шумов приемника БС;
Р>п>.>м.>>i> – мощность помехи от МС в совпадающей соте i-го кластера первого круга;
К>1> – число совпадающих сот первого круга.
Во-вторых, базовые станции всех совпадающих ячеек в первом круге создают помехи мобильным станциям, находящихся в центральной соте. Отношение сигнал/помеха в этом случае
(2.5)
где Р>пр.м> – мощность сигнала БС центральной соты на входе приемника МС этой же соты;
Р>ш.м> – мощность тепловых шумов приемника МС;
Р>п.б1> – мощность помех от БС совпадающей ячейки i-го кластера первого круга.
Ячейки, создающие помехи на совпадающих частотах
Рисунок 2.1 – Влияние размерности кластера на уровень взаимных помех
Для
получения количественной оценки уровня
взаимных помех сделаем ряд естественных
предположений. Считаем, что Р>ш.б>
и Р>ш.м>
можно пренебречь, поскольку уровень
шумов ниже уровня взаимных помех.
Полагаем, что
,
т.е. будем рассматривать сбалансированную
систему. Кроме того, принимаем в расчет,
что передатчики всех МС имеют одинаковую
мощность. То же самое относится и к
передатчикам БС.
Тогда имеем
(2.6)
где
– расстояние между центрами ячеек с
совпадающими частотами.
Подставляя
в (4.6), получаем
(2.7)
При
любой размерности кластера в первом
кругу располагается шесть совпадающих
ячеек, т.е. К>1>=6.
Кроме того, все относительные расстояния
повторного использования частотных
каналов равны, т.е.
С учетом этого выражение (2.7) можно
представить в виде
(2.8)
Для
NМТ-450
=18
дБ. Если γ=4, то q=(6 63.1)1/4=4.41.
Отсюда необходимая размерность кластера
К=q2/3=6.48,
т.е. К=7.
Таким образом, для получения защитного отношения 18 дБ необходимо выбрать кластер с размерностью не менее семи. В этом заключается один из недостатков всех аналоговых стандартов.
Переход к цифровым ССПР позволяет увеличить число каналов на соту ввиду того, что требуемое защитное соотношение резко уменьшается. Для стандарта GSМ оно равно 9 дБ, а для стандарта CDМА-IS-95 составляет 6 дБ. Это позволяет уменьшить мощность передатчиков БС и ближе располагать ячейки с совпадающими частотами.
Цифровые стандарты предоставляют возможность адаптироваться к увеличению числа абонентов. При увеличении количества абонентов область обслуживания каждой ячейки может быть уменьшена. Согласно (2.3) эффективность сети увеличивается благодаря возрастанию повторяемости одних и тех же канальных частот. Следует отметить, что имеется ряд обстоятельств, затрудняющих процесс дробления сот. В частности, чрезмерное уменьшение радиуса ячейки вызывает резкое увеличение числа пересечений мобильными средствами условных границ ячеек при передвижении абонентов. В связи с этим возрастает поток данных между многочисленными БС и ЦКПС, который требует обработки, что может привести к перегрузке систем управления и коммутации и, как следствие, к отказу всей системы.
Кроме того, если сеть БС имеет радиальную структуру, то с увеличением числа БС быстро растут затраты на сооружение соединительных линий БС–ЦКПС. Переход к радиально-узловой структуре позволяет оптимизировать сеть соединительных линий по критерию минимума затрат, однако и этот подход не позволяет избежать усложнения системы управления ССПР. Еще один способ снижения уровня помех и повышения эффективности ССПР связан с использованием секторных антенн. В этом случае на БС вместо одной антенны с круговой ДН использую несколько направленных антенн, позволяющих концентрировать излучение в пределах сектора и сокращать уровень излучения в противоположном направлении. На рис. 2.2 приведена модель повторного использования частот в секторизованных сотах, когда в кластер входят три соты и три БС (К=3). В этом случае на каждой БС задействовано три 120-градусные антенны, что позволяет использовать девять групп частот.
Рисунок 2.2 – Модель повторного использования частот при К=3
Самую высокую эффективность использования полосы частот обеспечивает модель, показанная на рис. 2.3.
Рисунок 2.3– Модель повторного использования частот при К=4 и при использовании на каждой БС шести 60-градусных антенн
Как следует из схемы, каждая группа частот используется дважды в пределах кластера, состоящего из четырех БС. При использовании на каждой БС шести 60-градусных антенн появляется возможность работать на двенадцати группах частот.