Влияние высоты установки антенны БС на уровень принимаемого сигнала

МIНIСТЕРСТВО ОСВIТИ IНАУКИ 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=r₁-r₂ - разность хода лучей; α -длина волны.

На основании построений на рис 1.1 можно записать

(1.4) и , (1.5)

где h₁ и h₂- 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 >> h₁+h₂,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 Р₁ - мощность передатчика БС; G₁,G₂ - 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 d₁=l км и d₂=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 именно20 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 R₀ 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;

К₁ – 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.

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. К₁=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.