ВведениеВодоемы являются неотъемлемой частью территорий большого числа населенных пунктов. Озера, пруды, водохранилища, а также реки могут иметь весьма значимые размеры или протяженности водной глади по сравнению с размерами населенных пунктов. На примере Астраханской области и аналогичных южных регионов в работах [1, 2] описаны примеры сверхдальнего распространения радиоволн над водной гладью (или над водной поверхностью) и модели расчета затухания радиосигнала в этих условиях. В работе [2] особенности распространения радиоволн в исследуемом диапазоне наблюдения обоснованы наличием температурной инверсии в жаркий период над водной поверхностью. Обосновано, что если наличие температурной инверсии, проявляемое над сушей, – явление временное, то над водной поверхностью это явление сезонное, т. е. оно сохраняется в летний период, особенно в периоды жаркой погоды. В работе [1] также обоснована необходимость использования полученных результатов в современных системах проектирования. Сезонные особенности в распространении радиоволн диапазона ультравысоких частот (УВЧ) в настоящее время в системах проектирования радиосистем не учитываются.Отсутствие расчетных данных в сезонных отклонениях дальности распространения радиоволн при проектировании, оптимизации и настройке существующих сетей радиосвязи может привести к некорректным результатам радиопланирования при размещении новых объектов радиоэлектронных средств (РЭС), что в реальной электромагнитной обстановке может привести к дополнительной паразитной интерференции, рассогласованности в построении иерархии сети, ошибочному назначению эстафетной передачи сигнала (хэндовера), образованию зон так называемых «островов», созданию внутрисистемных помех, снижающих качество функционирования систем связи в целом.Особенности сверхдальнего распространения радиоволн в условиях сверхрефракцииВ настоящее время среди существующих методик расчета затухания уровня электромагнитного поля при распространении сигналов в системах сотовой связи, работающих в диапазоне УВЧ [3, 4], отсутствуют методики, учитывающие распространение радиоволн в условиях сверхрефракции. Сверхрефракция – редкое состояние атмосферы, при котором дальность действия радиосвязи резко возрастает, позволяя обеспечивать соединение абонентов далеко за пределами границ максимальной дальности радиосредств, описанных в их технических характеристиках, которые создаются для характерного рода работ в условиях стандартной атмосферы. Такой вид обеспечения связи еще называют «загоризонтная» радиосвязь. В условиях сверхрефракции кривизна траектории радиоволны становится больше кривизны поверхности Земли. При таком состоянии атмосферы существует волноводное распространение, когда радиоволны по-следовательно претерпевают внутреннее отраже-ние от слоев атмосферы (в верхней части) и по-верхности воды (в нижней части) (рис. 1) [5]. Рис. 1. Распространение радиоволны в тропосферном волноводе: hв – высота приземного волновода над поверхностью землиFig. 1. Propagation of a radio wave in a tropospheric waveguide: hв - the height of the surface waveguide above the earth's surface Внутреннее отражение от верхнего слоя границы волновода является полным без потери энергии.В работах [1, 2, 6] авторами проведены натурные испытания результирующих уровней затухания в условиях сверхрефракции, по результатам исследований установлено, что над водой образуется приво́дный тропосферный волновод, в котором радиоволны высокой частоты распространяются с аномально малым ослаблением. Причиной малого ослабления является температурная инверсия, возникающая над водной поверхностью. Вблизи воды влажность воздуха велика и резко убывает с изменением высоты. Тогда температура снижается с высотой быстрее, чем обычно, а коэффициент преломления уменьшается с высотой медленнее. Это приводит к изменению направления траектории волны, так что радиоволна возвращается к земной поверх-ности. Наступает сверхрефракция.Сверхрефракция обычно возникает при тихой погоде антициклонического типа, когда над относительно прохладной поверхностью воды находится теплый сухой воздух. Такие условия в Астраханской области над водной гладью являются постоянными, как минимум, весь летний период (сезон).Условия возникновения сверхрефракции описываются следующими особенностями появления температурной инверсии:1. Горизонтальный перенос воздушных масс в случае, когда теплый воздух находится над холодной частью водной глади (или земной поверхности).2. Резкое охлаждение поверхности земли (водоема) после захода солнца, когда охлаждаются в первую очередь приповерхностные слои воздуха. Это характерно для засушливых районов.3. Температурная инверсия возникает также при прохождении антициклонов, за счет выделения тепла при сжатии воздушных масс [7, 8]. Температурная инверсия возникает постоянно над водной гладью, когда температура воды ниже температуры воздуха. Формируемый за счет этого тропосферный волновод часто называют волноводом испарения. Появление волновода испарения связано с инверсией влажности воздуха. Непосредственно на поверхности водоема влажность достигает 100 %. С увеличением высоты влажность уменьшается, хотя в нормальных условиях практически не зависит от высоты [10]. Приво́дные волноводы (волноводы испарения) – довольно частое явление в районах умеренных и экваториальных широт Индийского океана, Аравийского, Средиземного, Японского, Северного, Черного, Карибского морей. В этих районах воздух имеет высокую температуру и большую влажность у нижней границы тропосферного волновода [5]. Однако Каспийское море географически расположено на этих же широтах и имеет полную аналогию с исследованиями загоризонтной связи, изложен-ную в существующей литературе [11]. Область сверхрефракции может распространяться на значительные расстояния – более 1 000 км – в диапазоне УКВ-волн. Существует подтверждение сверхдальней связи за счет возникновения тропосферных волноводов от Липецка и Ростова-на-Дону до Молдавии, Венгрии, Болгарии и Румынии [11]. В северных районах вероятность появления приво́дных волноводов низкая. Средние высоты приво́дных волноводов в Северной Атлантике составляют 14 м, в Японском море – 8–12 м. Высота волновода (толщина поверхностного слоя) зависит от излучаемой частоты (рис. 2) и определяется нормами, указанными в Рекомендациях Международного союза электросвязи [12, 13]. Рис. 2. Зависимость толщины поверхностного слоя (высоты) волновода от частоты излучения сигналаFig. 2. Dependence of the waveguide surface layer thickness (height) on a signal emission frequency Дальность радиосвязи резко возрастает, если антенна системы связи и отражающий объект (антенны РЭС) находятся внутри волновода. В соответствии с проведенными исследованиями [1, 6] для систем сотовой связи, антенны РЭС, как правило, всегда и размещены внутри тропосферного волновода.Изменение рефракции над морем носит сезонный характер [10]. В районах с умеренным климатом повышенная рефракция и сверхрефракция проявляются летом и в начале осени. Цикл измерений по определению дальностей обнаружения судов [10] показал, что дальность возможной радиосвязи над водной гладью в летний период в 5–8 раз выше, чем в зимний.В работе [1] представлены результаты измерений уровня затухания сигнала на местности, где сигнал проходит через приво́дный тропосферный волновод. Для проведения натурных испытаний была выбрана площадка с базовыми станциями в диапазонах 1 800 и 900 МГц, с установленными антеннами на опоре высотой 45 м. Активные азимуты исследуемых направлений излучения антенн составляли 0 (ноль) и 110° для обоих стандартов. Установленные у оператора антенные системы KATHREIN K739623 (GSM 900) и KATHREIN K739495 (DCS 1 800) имеют диаграммы направленности в горизонтальной плоскости 65°, что позволяет нивелировать некоторую приближенность азимутальной точности размещения измерительного обо-рудования во время проведения эксперимента.Макет размещения измерительного оборудования на местности представлен на рис. 3. Рис. 3. Макет размещения измерительного оборудования при проведении эксперимента: А – место размещения базовой станции; B – пункт измерения уровня сигнала на расстоянии 140 м от базовой станции; C – пункт измерения уровня сигнала у начала водной глади, на расстоянии 140 м от базовой станции; D – точка измерения уровня сигнала над сушей на расстоянии 940 м от базовой станции; E – точка измерения уровня сигнала за водной гладью на расстоянии 940 м от базовой станции; R – протяженность радиолуча над водной гладьюFig. 3. Layout of placing the measuring equipment during the experiment:A - the location of the base station; B - the signal level measurement point at a distance of 140 m from the base station; C - the signal level measurement point at the beginning of the water surface, at a distance of 140 m from the base station; D - the signal level measurement point over land at a distance of 940 m from the base station; E - the point of measuring the signal level behind the water surface at a distance of 940 m from the base station; R - the length of the radio beam over the water surface Площадка базовых станций размещена в точке А (46° 20ˊ 41˝ с. ш., 47° 59ˊ 43˝ в. д.), измерения проводились в точках В, С, D, и E. Расстояние от базовой станции до точек В и С составляет 140 м. Расстояния CE и BD равны 800 м (см. рис. 3). Результаты проведенных натурных испытаний представлены в табл. 1–8, итоговые результаты исследований занесены в табл. 9. Таблица 1 Table 1Эксперимент «Распространение сигнала над водной гладью» на частоте 900 МГц.Радиоизмерения в диапазоне GSM-900 на расстоянии от источника радиосигнала 940 мнад водной гладью (прямая видимость)Experiment “Signal propagation above the water surface” at 900 MHz.Radio measurements in the GSM-900 range at a distance of 940 m from the radio signal sourceabove the water surface (line of sight)Тип измерительного оборудованияУровни затухания сигнала с учетом быстрых замираний, dBmMX, dBmNokia 3310–40–41–42–43–42–45–46–44–42≈42,8Nokia E51–44–48–46–47–47–44–45–48–45≈46,0Sagem OT-290–44–46–51–45–47–48–44–46–49≈46,7Motorola L9–46–50–47–48–49–50–46–47–47≈47,8Таблица 2Table 2Эксперимент «Распространение сигнала над водной гладью» на частоте 1 800 МГц.Радиоизмерения в диапазоне DCS-1 800 на расстоянии от источника радиосигнала 940 мнад водной гладью (прямая видимость)Experiment “Signal propagation above the water surface” at 1 800 MHz.Radio measurements in the DCS-1 800 band at a distance of 940 m from the radio signal sourceover the water surface (line of sight)Тип измерительного оборудованияУровни затухания сигнала с учетом быстрых замираний, dBmMX, dBmNokia 3310–66–60–59–62–63–60–59–58–62≈61,0Nokia E51–63–64–63–63–63–64–63–64–63≈63,3Sagem OT-290–64–60–58–61–64–62–63–63–63≈62,0Motorola L9–65–62–63–66–62–63–65–65–60≈63,2Таблица 3Table 3Эксперимент «Распространение сигнала над сушей» на частоте 1 800 МГц.Радиоизмерения в диапазоне DCS-1 800 на расстоянии от источника радиосигнала 940 мнад cушей (прямая видимость)Experiment “Signal propagation over land area” at 1 800 MHz.Radio measurements in the DCS-1 800 band at a distance of 940 m from the radio signal sourceover land (line of sight)Тип измерительного оборудованияУровни затухания сигнала с учетом быстрых замираний, dBmMX, dBmNokia 3310–76–77–78–79–80–79–80–80–79≈78,7Nokia E51–79–83–80–81–82–83–80–82–81≈81,2Sagem OT-290–78–75–74–92–85–86–87–80–79≈81,8Motorola L9–85–86–87–88–89–91–90–84–86≈87,3Таблица 4Table 4Эксперимент «Распространение сигнала над сушей» на частоте 900 МГц.Радиоизмерения в диапазоне GSM-900 на расстоянии от источника радиосигнала 940 мнад cушей (прямая видимость)Experiment “Signal propagation above land area” at 900 MHz.Radio measurements in the GSM-900 band at a distance of 940 m from the radio signal sourceover land (line of sight)Тип измерительного оборудованияУровни затухания сигнала с учетом быстрых замираний, dBmMX, dBmNokia 3310–71–63–65–60–69–62–66–70–62≈65,3Nokia E51–66–63–65–64–67–65–69–69–64≈65,8Sagem OT-290–65–66–67–64–65–63–65–67–66≈65,3Motorola L9–67–66–64–65–64–68–67–66–66≈65,8Таблица 5Table 5Эксперимент «Распространение сигнала над сушей» на частоте 900 МГц.Радиоизмерения в диапазоне GSM-900 на расстоянии от источника радиосигнала 140 мнад cушей (прямая видимость)Experiment “Signal propagation above land area” at 900 MHz.Radio measurements in the GSM-900 band at a distance of 140 m from the radio signal sourceover land (line of sight)Тип измерительного оборудованияУровни затухания сигнала с учетом быстрых замираний, dBmMX, dBmNokia 3310–42–39–41–37–42–43–38–39–40≈40,1Nokia E51–40–38–43–42–40–39–40–41–44≈40,8Sagem OT-290–39–40–43–37–38–43–38–40–41≈39,9Motorolla L9–41–40–38–40–42–43–39–40–40≈40,3Таблица 6Table 6Эксперимент «Распространение сигнала над сушей» на частоте 900 МГц.Радиоизмерения в диапазоне DCS-1 800 на расстоянии от источника радиосигнала 140 мнад cушей (прямая видимость)Experiment “Signal propagation above land area” at 900 MHz.Radio measurements in the DCS-1 800 band at a distance of 140 m from the radio signal sourceover land (line of sight)Тип измерительного оборудованияУровни затухания сигнала с учетом быстрых замираний, dBmMX, dBmNokia 3310–65–63–58–59–60–61–59–60–60≈60,6Nokia E51–53–52–52–53–56–54–60–56–55≈54,6Sagem OT-290–56–58–57–59–55–54–58–55–56≈56,4Motorolla L9–57–56–55–59–58–54–53–55–56≈55,9Таблица 7Table 7Математическое ожидание уровней затухания в сравнении на различных частотахMathematical expectation of attenuation levels compared at different frequenciesЧастотный диапазонМатематическое ожидание (Mx) уровней затухания сигнала с учетом быстрых замираний, dBmGSM 900DCS 1 800Тестовые телефоны, используемые измерительным комплексомNokia 3310Nokia E51Sagem OT-290Motorolla L9Nokia 3310Nokia E51Sagem OT-290Motorolla L9Затухание над сушей (R = 140 м)≈40,1≈40,8≈39,9≈40,3≈60,6≈54,6≈56,4≈55,9Затухание над сушей (R = 940 м)≈65,3≈65,8≈65,3≈65,8≈78,7≈81,2≈81,8≈87,3Затухание над водной гладью (R = 940 м)≈42,8≈46,0≈46,7≈47,8≈61,0≈63,3≈62,0≈63,2Таблица 8 Table 8Математическое ожидание уровней затухания в сравнении на различных частотах (средневзвешенное значение всех приборов)Mathematical expectation of attenuation levels in comparison at different frequencies (weighted average of all instruments)Частотный диапазонМатематическое ожидание ( ) уровней затухания сигнала с учетом быстрых замираний, dBmGSM 900DCS 1 800Затухание над сушей (R = 140 м)40,356,9Затухание над водной гладью (R = 940 м)45,862,4Затухание над сушей (R = 940 м)65,682,3Таблица 9Table 9Итоговые результаты экспериментальных исследований затухания радиосигнала в УВЧ-диапазоне для частот 900–1 800 МГц над водной гладью в летний периодFinal results of experimental studies of radio signal attenuation in the UHF band for frequencies 900-1 800 MHz over water surface in summer periodИспользуемый частотный диапазон f, МГцИспользуемая длина волны λ, мМатематическое ожидание уровней затухания сигнала, dBm, с учетом быстрых замиранийЗатухание в точках B и С, дБЗатухание в точке D, дБЗатухание в точке E, дБ9000,3240,365,645,81 8000,1656,982,362,4 В результате исследований подтверждено, что затухание сигнала над водой значительно меньше, чем над сушей. В работе [1] получено представление сигнала в виде погонного коэффициента затухания (линейной зависимости), но для систем мобильной связи затухание уровня поля, как правило, рассчитывается по логарифмической зависимости. Полученные в этой работе формулы представлены ниже: (1) (2)где f – рабочая частота, ГГц; r – дистанция от передатчика базовой станции до приемника абонентской радиостанции, м.Однако в моделях (1) и (2) допущена неточность. При формировании формул в затухание уровня поля включено и значение затухания и над сушей, и над водой, что приводит к неточности при последующих расчетах. Значения исследований приведены в табл. 10. Таблица 10Table 10Значения затухания сигнала над водной поверхностьюValues of signal attenuation above water surfaceИспользуемый частотный диапазон f, МГцИспользуемая длина волны λ, мЗначение затухания при r = 0 м, дБЗначение затухания при r = 800 м, дБ9000,3205,51 8000,1605,5 Отметим, что значения затухания для разных диапазонов оказались идентичными. Указанное в табл. 10 затухание на дистанции 800 м в количестве 5,5 дБ может быть на самом деле не затуханием над водной гладью, а результатом затухания сигнала при его преодолении границы двух сред (суша-вода и вода-суша), тогда актуально предположение о полном отсутствии затухания в среде тропосферного волновода, что позволяет нам исключить зависимость уровня поля от частоты излучения в исследуемом диапазоне 1–2 ГГц. Аппроксимируя измеренные значения, получим логарифмическую зависимость затухания от расстояния между ВС и АС. Уравнение логарифмической регрессии имеет вид Со значениями проведенных натурных испытаний выражение для расчета имеет вид (3)Для подтверждения адекватности новой методики в среде MathCad были построены графики некоторых существующих статистических моделей расчета уровня поля и новой методики расчета (L_(AW_900–1800) (r)), а также идеальные значения, за которые были приняты результаты натурных испытаний (рис. 4). Рис. 4. Графики уровня затухания при использовании различных моделей: LAW_900–1800(r) – новая методика (формула (3)); LAW_900 (r) – модель, полученная в работе [7] для частотного диапазона 900 МГц (формула (1)); LAW_1800(r) – модель, полученная в работе [7] для частотного диапазона 1 800 МГц (формула (2));LCOST-231HATA(r) – модель COST-231HATA для сельской местностиFig. 4. Graphs of attenuation level built by using different models: LAW_900-1800(r) - new method (formula (3)); LAW_900 (r) - model obtained in operation [7] for the frequency range 900 MHz (formula (1)); LAW_1800(r) - model obtained in operation [7] for the frequency range of 1 800 MHz (formula (2));L COST-231HATA(r) - model COST-231HATA for the rural area Графическое представление позволяет представить новую методику расчета затухания уровня сигналов в диапазоне 1–2 ГГц в условиях сверхрефракции (3) как наиболее близкую к идеальным значениям, полученным в результате натурных испытаний.Заключение В результате проведенных исследований получена новая методика (эмпирическая модель), позволяющая проводить расчеты затухания уровня электромагнитного поля систем подвижной радиосвязи в диапазоне 900–1 800 МГц при распространении радиосигнала в условиях сверхрефракции внутри тропосферного волновода: Проведенные натурные испытания и полученная новая методика расчета доказывают, что затухание в условиях тропосферного волновода не зависит от частоты излучения, т. е. сигнал в условиях сверхрефракции имеет полное отражение. Следует полагать, что новая методика расчета потерь затухания в тропосферном волноводе также будет актуальна и для систем сотовой связи в современных активных диапазонах 2 100 и 2 600 МГц для систем 3-го и 4-го поколения. Использование новой методики в системах автоматизированного проектирования позволит учитывать сезонные особенности в распространении радиоволн и проводить проектирование в системах широкополосного радиодоступа, эффективнее проектировать системы нового поколения и для таких систем, как цифровое телевидение и радиовещание