Введение
На современном этапе развития систем подвижной радиосвязи в интенсивном исследовании находятся диапазоны частот, которые ранее не использовались как менее перспективные ввиду отсутствия соответствующих технологий. Для систем радиосвязи это диапазоны от 2 000 до 6 000 МГц включительно, если вести речь о готовящихся к внедрению системах 5-го поколения, а также системах управления беспилотными летательными аппаратами. Этап развития систем сотовой связи от решения однозначной задачи достижения максимальной дальности распространения сигнала значительно расширен, и в настоящее время не менее важны пропускная способность системы и скорость передачи данных. Решение комплексной задачи невозможно без предварительного проектирования самих систем и моделирования трасс распространения радиосигналов. Однако при использовании инновационных технологий, использующих новые виды модуляции, и переходе в высшие участки диапазона неминуемо снижается дальность распространения радиоволн из-за естественного затухания уровня мощности, которое нарастает с увеличением частоты излучения.
В современных источниках [1–5], рекомендациях [6], используемых при проектировании радиодоступа, имеются существенные ограничения в использовании математических моделей. Так, практически все модели, рекомендованные Международным союзом электросвязи (МСЭ) [6], имеют ограничения в использовании на дистанции менее 1 000 м. На первых этапах развития систем сотовой связи это было, видимо, неактуально, и основной пакет моделей имеет действующую область расчета для дистанций свыше 1 км. Только модель Уолфиша – Икегами для урбанизированного города рекомендована для дистанций менее 1 км, а для других типов местности (открытого пространства, пригорода и др.) модели расчета для дистанций менее 1 км отсутствуют. Имеющиеся актуальные стандарты [7, 8], регулирующие порядок проведения расчетов в системах подвижной радиосвязи, в случае необходимости проведения расчетов в диапазонах выше 2 000 ГГц рекомендуют использовать системы расчета, используемые для радиорелейных линий, что не дает адекватной оценки ситуации для систем широкополосного доступа, работающих широкой диаграммой направленности, в таких системах, как системы сотовой связи. Положения МСЭ при необходимости проектирования на расстояниях менее 1 км
рекомендуют использовать данные приложений, основывающиеся на мощностях передатчиков, равных 1 кВт, что не полностью соответствует используемым передатчикам в системах сотовой связи, ограниченных уровнем максимальной мощности от 20 до 45 Вт.
Проведен анализ ограничений в возможностях основных математических моделей, рекомендованных для проведения расчетов затухания в системах подвижной радиосвязи (СПР) в научной и учебной литературе [2–5, 9–16]. Результат проведенных исследований минимизирован до основных моделей, рекомендуемых МСЭ для использования и наиболее часто применяемых для оценки результатов распространения электромагнитного поля. Это модели Okumura – Hata, Okumura, Hata, GOST-231 – Hata; результат занесен в табл. 1 и 2.
Таблица 1
Table 1
Применимость основных математических моделей для проведения расчетов затухания
в СПР для различных частотных диапазонов
The applicability of basic mathematical models for calculating attenuation
in the MRC for various frequency ranges
|
Модель расчета |
Рекомендованный диапазон, МГц |
|||
|
900 |
1 800 |
2 100 |
2 600 |
|
|
Okumura – Hata |
+ |
– |
– |
– |
|
COST-231 – Hata |
– |
+ |
– |
– |
|
Okumura |
+ |
+ |
– |
– |
|
Hata |
+ |
– |
– |
– |
Таблица 2
Table 2
Применимость моделей в зависимости от расстояния между базовой станцией
и абонентским терминалом
The applicability of the models depends on the distance between the base station
and the subscriber terminal
|
Модель расчета |
Рекомендованный диапазон, МГц |
||
|
менее 1 км |
от 1 до 20 км |
более 20 км |
|
|
Okumura – Hata |
– |
+ |
– |
|
COST-231 – Hata |
– |
+ |
+ |
|
Okumura |
– |
+ |
+ |
|
Hata |
– |
+ |
– |
Постановка задачи
Исходя из проведенного анализа, в целях повышения точности предварительного проектирования поставлена задача разработки дополнительных моделей для восполнения недостаточности математического аппарата при проведении моделирования распространения радиоволн в СПР.
Необходимо получить модели расчета затухания радиоволн (радиосигнала в системах мобильной связи) в актуальных диапазонах: 1 800 и 2 100 МГц, доступных для проведения измерений в Астраханской области.
Целью исследования является повышение точности проектирования СПР на территории Астраханской области посредством цифровых карт на программно-расчетном комплексе ONEPLAN RPLS-DB [17], который является автоматизированным комплексом планирования и оптимизации подвижной и фиксированной связи. Этот комплекс позволяет расширить имеющийся в нем математический аппарат путем внедрения в математический пакет новых моделей расчета, адаптированных под местные условия.
Результаты экспериментальных исследований
Натурные испытания организованы в трех населенных пунктах (сельская местность) Астраханской области: с. Икряное, с размещением базовой станции (БС) на ул. Мира, д. 36, в р. п. Ильинка, с размещением БС на ул. Молодежная, д. 7, А, и в р. п. Красные Баррикады, с размещением БС на ул. Электрическая, д. 1. Основным типом местности в этих населенных пунктах является открытое пространство. При проведении измерений использовались точные данные о местах расположения БС, высотах подвеса антенн и азимутов излучения оператора ПАО МТС. Для проведения процесса контроля уровня затухания в вышеобозначенных населенных пунктах Астраханским филиалом ПАО МТС была выделена система тестирования QualiPoc Freerider III, которая представляет собой высокопроизводительный инструмент для оптимизации, тестирования и контроля качества сетей мобильной связи. Измерительными устройствами являлись абонентский терминал (АТ) Oukitel WP12Pro и Sony XZ2 с установленными приложениями NetMonster и QualiPoc соответственно, позволяющими контролировать значения уровня принимаемого сигнала в децибелах. Коэффициент усиления антенны АТ – 2 дБ. Программное обеспечение QualiPoc и аналогичные программы (NetMonitor, NetMonster и др.) позволяют контролировать практически все параметры сети сотовой связи, при этом АТ не должен быть специализированным измерительным прибором, это может быть любой смартфон, т. к. АТ с вышеуказанным программным обеспечением становится монитором, отображающим данные с контроллера сети сотовой связи для той местности, в которой он находится на момент проведения мониторинга (контроля).
В системах сотовой связи измерительным устройством является сама БС, которая по служебным каналам постоянно находится на связи с контроллером всей сети, передавая необходимые данные о каждом канале всех трансиверов, используемых в работе БС. Контроллер же, имея связь со всеми остальными БС в сети, имеет возможность сравнивать полученные данные для контроля внутрисистемных помех по основному и соседним каналам, проведения оптимизации в исследуемом районе других параметров сети, что является критически важным для проведения оптимизации частотного планирования оператора.
Среди контролируемых данных – такие как уровень сигнала на входе АТ от каждого трансивера как ближайшей, так и удаленных БС, что позволяет контролировать уровень интерференции и работать над внутрисистемной электромагнитной совместимостью; причины разрыва соединений; отношение контролируемого (измеряемого) сигнала к помехе по основному и соседнему каналу и др.
Измерения выполнялись дистанцией через 50 м (с шагом 50 м) на расстоянии между БС и АТ от 50 до 1 000 м на высоте 1,5 м. Высоты размещения антенн в разных населенных пунктах варьировали от 17 до 40 м. В каждой точке исследования выполнялось 100 измерений. Для каждой точки, в которой проводились измерения, рассчитывалось математическое ожидание значения (уровня сигнала на входе приемного устройства). Программное обеспечение для мониторинга сети имеет возможность дискретного изменения временно́го шага измерений при мониторинге. Шаг измерений установлен в 5 с.
Измерения проводились в летний период в солнечную малооблачную погоду, которая является основным типом погоды для Астраханской области в летнее время, при температуре воздуха: +29–32 ºС, что также является средней температурой для исследуемой области в сезон. Давление принималось 755 мм рт. ст.
Значения натурных испытаний уровней электромагнитного поля на входе приемного устройства занесены в табл. 3.
Таблица 3
Table 3
Погрешность модели Okumura в расчетах уровня сигнала на входе приемника
на малых дистанциях по сравнению с данными натурных испытаний
The error of the Okumura model in calculating the signal level at the receiver input
at short distances compared with the data of field tests
|
Расстояние между БС |
Измеренный |
Уровень сигнала |
Разница между значениями, дБ |
«Погрешность модели Okumura», % |
|
200 |
120 |
25 |
95 |
79 |
|
400 |
125 |
41 |
84 |
67 |
|
600 |
125 |
50 |
75 |
60 |
|
800 |
111 |
61 |
50 |
44 |
|
1 000 |
109 |
104 |
5 |
5 |
Согласно плану эксперимента на первом этапе реализован сравнительный анализ результатов расчетов, полученных с помощью одной из основных моделей расчета затухания с реальными данными на расстояниях до 1 000 м и подтверждена актуальность проводимых исследований.
Минимальной погрешностью модель Okumura обладает в зоне действия сигнала 1 км (см. табл. 3), т. е. на больших дистанциях, а на малых дистанциях имеет значительную долю ошибки. Это подтверждает границы адекватности использования модели Okumura и необходимость выбора альтернативного способа расчета уровней приема на входе приемника на малых дистанциях.
В результате исследований были собраны данные (уровень затухания на различных расстояниях в диапазоне от 50 до 1 000 м для частот 2 100 и 1 800 МГц), математические ожидания которых отражены в табл. 4, 5 соответственно.
Таблица 4
Table 4
Результаты зависимости затухания сигнала сотовой связи от расстояния в диапазоне 2 100 МГц
The results of the attenuation dependence on the distance in the 2 100 MHz range
|
Показатель |
Значение |
|||||||||
|
Расстояние между АТ и БС, м |
50 |
100 |
150 |
200 |
250 |
300 |
350 |
400 |
450 |
500 |
|
Значения затухания, дБ |
103 |
112 |
115 |
114 |
110 |
108 |
114 |
112 |
116 |
120 |
|
Расстояние между АТ и БС, м |
550 |
600 |
650 |
700 |
750 |
800 |
850 |
900 |
950 |
1 000 |
|
Значения затухания, дБ |
117 |
125 |
122 |
130 |
129 |
125 |
123 |
130 |
133 |
128 |
Таблица 5
Table 5
Результаты зависимости затухания сигнала сотовой связи от расстояния в диапазоне 1 800 МГц
The results of the attenuation dependence on the distance in the 1 800 MHz range
|
Показатель |
Значение |
|||||||||
|
Расстояние между АТ и БС, м |
50 |
100 |
150 |
200 |
250 |
300 |
350 |
400 |
450 |
500 |
|
Значения затухания, дБ |
97 |
110 |
118 |
116 |
115 |
110 |
120 |
129 |
130 |
131 |
|
Расстояние между АТ и БС, м |
550 |
600 |
650 |
700 |
750 |
800 |
850 |
900 |
950 |
1 000 |
|
Значения затухания, дБ |
127 |
135 |
130 |
128 |
131 |
125 |
128 |
129 |
122 |
118 |
Согласно данным (см. табл. 4, 5) в районе 300 м от антенны происходит небольшой всплеск усиления уровня принимаемого сигнала, обусловленный типовой формой диаграммы направленности антенн в системах сотовой связи.
Построение моделей
На основе данных табл. 4 и 5 была проведена аппроксимация полученных значений. Аппроксимация проводилась в программе MathCad. Значения математических ожиданий, полученных при проведенном исследовании, объединены в кривую, имеющую логарифмическую зависимость уровня измеренного сигнала на входе приемника от расстояния, коэффициенты подбирались вручную для совпадения логарифмической кривой с математическими ожиданиями значений затухания, усредненные для всех населенных пунктов, участвовавших в исследовании.
Таким образом, получены модели, отражающие новую зависимость уровней сигнала на входе приемного устройства от расстояния на малых дистанциях (до 1 000 м). Модели могут быть использованы в расчетах вышеуказанных значений для районов пригородной или открытой (сельской) местности в Астраханской области в диапазоне 2 100 МГц
где L – затухание сигнала сотовой связи, дБ; R – дистанция радиосвязи, м, в диапазоне 1 800 МГц
в летний период.
Сравнение новых моделей с существующими
Проведено сравнение результатов расчетов, полученных с помощью новых моделей, и расчетов, полученных с помощью действующих, классических моделей Okumura и COST-231 – Hata (табл. 6, 7).
Таблица 6
Table 6
Сравнение моделей, применяемых для проектирования в диапазоне 1 800 МГц
Comparison of models used for design in the 1 800 MHz range
|
Показатель |
Расстояние между БС и АТ, м |
||||
|
200 |
400 |
600 |
800 |
1 000 |
|
|
Затухание, полученное по новой модели для Астраханской области, дБ |
112 |
118 |
122 |
124 |
126 |
|
Затухание, полученное по модели COST-231 – Hata, дБ |
91 |
102 |
108 |
112 |
116 |
|
Затухание, полученное по модели Okumura, дБ |
25 |
41 |
50 |
61 |
104 |
|
Абсолютная разница значений между моделью для Астраханской области и моделью COST-231 – Hata, дБ |
21 |
16 |
14 |
12 |
10 |
|
Абсолютная разница значений между моделью для Астраханской области и моделью Okumura, дБ |
87 |
77 |
72 |
63 |
22 |
|
Относительная разница значений между формулами модели для Астраханской области и модели COST-231 – Hata, % |
18 |
13 |
11 |
9 |
7 |
|
Относительная разница значений между моделью для Астраханской области и моделью Okumura, % |
77 |
65 |
59 |
50 |
17 |
Таблица 7
Table 7
Сравнение моделей, применяемых для проектирования в диапазоне 2 100 МГц
Comparison of models used for design in the 2 100 MHz range
|
Показатель |
Расстояние между БС и АТ, м |
||||
|
200 |
400 |
600 |
800 |
1 000 |
|
|
Затухание, полученное по новой модели для Астраханской области, дБ |
115 |
121 |
125 |
128 |
130 |
|
Затухание, полученное по модели COST-231 – Hata, дБ |
93 |
104 |
110 |
115 |
118 |
|
Абсолютная разница значений между формулами модели для Астраханской области на частоте 2 100 МГц и моделью COST-231 – Hata, дБ |
22 |
17 |
15 |
23 |
12 |
|
Относительная разница значений между формулами модели для Астраханской области на частоте 2 100 МГц и моделью COST-231 – Hata, % |
19 |
14 |
12 |
17 |
12 |
В результате проведенного сравнительного анализа эффективности «новой модели для Астраханской области» расчет, проводимый с помощью новой модели (рис. 1), на 11,5 % точнее определяет затухание сигнала в сельской (открытой) местности Астраханской области, чем модель COST-231 – Hata, и на 53,6 % точнее определяет затухание сигнала в сельской (открытой) местности Астраханской области, чем модель Okumura, для частот в диапазоне 1 800 МГц; для диапазона 2 100 МГц (рис. 2) «новая модель для Астраханской области» на 15 % точнее определяет уровень затухания сигнала в сельской (открытой) местности Астраханской области, чем модель COST-231 – Hata.
На рис. 1 и 2 линия «Модель для Астраханской области» соответствует эталонным значениям, полученным в ходе исследований (натурных испытаний) на территории Астраханской области. Графически наглядно видно, насколько классические модели могут вносить погрешности на малых дистанциях (до 1 000 м).
Рис. 1. Графическое сравнение результатов использования новой модели (для Астраханской области) с моделью COST-231 – Hata в диапазоне 1 800 МГц
Fig. 1. Graphical comparison of the results of using the new model (for the Astrakhan region) with the COST-231–Hata model in the 1 800 MHz range
Рис. 2. Графическое сравнение результатов использования новой модели с моделями расчета затухания в диапазоне 2 100 МГц COST-231 – Hata и Okumura
Fig. 2. Graphical comparison of the results of using the new model with the models for calculating attenuation in the 2 100 MHz range COST-231–Hata and Okumura
Поэтому, создавая проекты радиосвязи на малых дистанциях, что сейчас становится все более актуально, необходимо использовать корректирующие (новые) модели расчета. Полученные результаты будут использованы для внедрения в модуль математического аппарата программно-расчетного комплекса ONEPLAN RPLS-DB [17], позволяющего адаптировать математический аппарат под реальные условия функционирования сетей сотовой связи на цифровых картах.
Заключение
В результате проведенных исследований получены новые модели (эмпирические модели), позволяющие проводить расчеты затухания уровня электромагнитного поля систем подвижной радиосвязи для систем связи второго (2G) поколения в диапазоне 1 800 МГц и для систем третьего (3G) поколения на частотах 2 100 МГц.
Использование современных технологий и методов обработки информации при рассмотрении вопросов передачи этой информации по радиоканалам все более смещает вектор используемого частотного диапазона вверх – в более высокие участки диапазона. Для систем подвижной радиосвязи это диапазон от 2 до 5 ГГц. В связи с этим логично полагать, что это приводит к уменьшению дальности действия радиолуча, ограничивая его действие в зоне малых дистанций (от десятков до сотен метров). Таким образом, исследования в области распространения радиоволн на малых дистанциях (до 1 000 м) становятся все более актуальными.
Ввиду наличия подтвержденных исследований [15] о том, что для систем сотовой связи целесообразно в различные сезоны года использовать корректирующие коэффициенты, необходимо отметить, что разработанные модели могут быть рекомендованы для проектирования радиосистем в летний период для Астраханской области и аналогичных ей территорий.
