Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ развития мобильной сотовой связи 10
1.1. Современное состояние систем мобильной сотовой связи 10
1.2. Определение допустимой зоны для жилой застройки околобазовых станций систем сотовой связи 12
1.3. Пути увеличения качества мобильных систем сотовой связи ,, 20
1.4. Постановка задачи исследования 22
Выводы 24
Глава II. Описание радиоканалов мобильной сотовой связи 25
2.1. Распространение радиосигналов сотовой связи 25
2.2. Разработка методики определения допустимой мощностиизлучения базовых станций сотовой связи 39
2.3. Математическая модель быстрых замираний 44
2.4. Описание зависимостей параметров четырехпараметрическогозакона распределения вероятностей замираний 48
2 5. Аналитическое описание медленных замираний 58
2.6. Суперпозиция релеевского и логарифмически нормальногораспределений замираний сигналов 59
2.7. Модель селективногчастотных замираний 63
2.8. Искажения сигналов из-за доплеровских сдвигов частот 76
Выводы 82
Глава III. Разработка имитатора радиоканалов сотовой связи 83
3.1. Выбор базовой модели канала сотовой связи 83
3.2. Имитатор быстрых замираний радиоканала без селективно-частотных замираний 88
3.3. Имитатор медленных замираний 95
3.4. Имитатор радиоканала с селективно-частотными замираниями. 99
3.5. Компьютерное моделирование замираний в многолучевыхрадиоканалах мобильной связи Выводы 129
Заключение 130
- Определение допустимой зоны для жилой застройки околобазовых станций систем сотовой связи
- Пути увеличения качества мобильных систем сотовой связи
- Разработка методики определения допустимой мощностиизлучения базовых станций сотовой связи
- Имитатор быстрых замираний радиоканала без селективно-частотных замираний
Введение к работе
Актуальность темы. Бурное развитие систем мобильной радиосвязи дециметрового и сантиметрового диапазонов и особенно систем сотовой радиосвязи сопровождается двумя противоречивыми факторами. С одной стороны, понятно желание разработчиков мобильных систем радиосвязи увеличивать энергопотенциал систем и обеспечить значительную дальность связи, что, например, для сотовой связи сокращает количество базовых станций и экономические затраты на расширение сети. С другой стороны, рост числа излучающих электромагнитные колебания радиосредств и их энергопотенциала негативно влияет на биологические объекты, в том числе на человека.
Это противоречие ставит важную научную и практическую задачу создания программно-аппаратных инструментальных средств, позволяющих еще на этапе разработки мобильной системы связи отрабатывать методы повышения энергопотенциала без увеличения мощности используемых радиопередающих устройств и определять размеры соты без нарушения норм электромагнитного излучения (ЭМИ) на жилые и промышленные здания.
К таким средствам можно отнести имитаторы радиоканалов, позволяющие в лабораторных условиях отрабатывать схемотехнические решения и оптимизировать характеристики разрабатываемой аппаратуры, а также осуществлять контроль качества радиосредств во время их производства.
Построение имитатора радиоканала, с воздействиями на сигнал адекватно реальным условиям распространения сигналов мобильной связи, позволит экспериментально подтверждать результаты научных исследований и решать целый ряд практических задач: - определять наилучшие виды радосигналов, обеспечивающие высокое качество передачи информации;
- в лабораторных условиях экспериментально исследовать различные варианты построения систем;
- отрабатывать узлы формирования и обработки информационных сигналов;
- оптимизировать системы связи по критерию "цена-качество";
- осуществлять выходной технический контроль аппаратуры мобильной
Вопросам математического описания радиоканалов и построения их имитаторов всегда уделялось большое внимание в работах ученых всего мира, таких как Б.А. Введенский, Д.Д. Кловский, В.В. Марков, А.Г. Самойлов, Ю. С. Шинаков, P. Bello, R. Steele, L. Hanzo, В. Sklar, и многих других. Однако до аппаратных реализаций доведены были только имитаторы некоторых конкретных радиоканалов, таких как коротковолновой, дальней тропосферной связи, спутниковой связи. Известные имитаторы каналов связи не являются универсальными и не охватывают всех возможных видов воздействий на сигнал, таких, например, как доплеровские изменения частоты или временное расширение в канале.
С учетом быстрого развития систем мобильной связи и массового пользования их средствами задача построения имитатора радиоканалов мобильной связи, максимально адекватного реальным радиоканалам, стала актуальной.
Целью диссертационной работы является анализ радиоканалов сотовой связи и разработка основ построения имитатора радиоканалов мобильной сотовой радиосвязи дециметрового и сантиметрового диапазонов.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
1. Исследуются алгоритмы воздействий различных факторов на радиосигналы, распространяющиеся по радиоканалам мобильной связи.
2. Предлагаются структуры генераторов сигналов, моделирующих замирания разного вида.
3. Разрабатывается методика определения допустимой мощности излучения базовых станций сотовой связи для населенных пунктов.
4. Предлагается структура имитатора, моделирующего воздействия на радиосигналы систем мобильной связи, адекватные реальным воздействиям.
Предметом исследования являются характеристики радиоканалов мобильной сотовой связи и методы их аппаратного моделирования.
Методы исследования основаны на положениях теории распространения радиоволн, методах математической статистики и теории случайных процессов, теории эксперимента.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Предлагается моделировать передаточную функцию радиоканала сотовой связи на основании четырехпараметрического закона распределения вероятностей в отличие от упрощенной релеевской модели.
2. Найдены зависимости параметров четырехпараметрического распределения для различных вариантов организации радиоканала.
3. Получено выражение для определения предельно допустимой мощности излучения базовых станций сотовой связи в населенных пунктах.
Практическая значимость работы: 1. Разработана методика построения имитатора радиоканалов мобильной сотовой радиосвязи дециметрового и сантиметрового диапазонов, моделирующего замирания сигнала различных видов, временное и частотное расширения в радиоканале. 2. Предложенная оценка предельной мощности электромагнитного излучения позволяет определять безопасный для населения уровень излучения базовых станций сотовой связи в населенных пунктах.
3. Разработанный имитатор в отличие от известных позволяет моделировать искажения сигнала, комплексно учитывая быстрые, медленные, селективно-частотные замирания и временное и спектральное расширения.
Реализация и внедрение. Результаты исследования внедрены в учебный процесс Владимирского государственного университета по курсу «Методы и устройства формирования сигналов», использованы в Отраслевой лаборатории «Поликом-101» при Владимирском государственном университете при выполнении ОКР «Имитатор селективно-частотных замираний» и в Радиочастотном центре центрального федерального округа по Владимирской области.
На защиту выносится:
1. Алгоритмы имитации воздействий на сигнал радиоканала сотовой связи.
2. Зависимости параметров четырехпараметрического распределения вероятностей замираний для радиоканалов сотовой связи.
3. Методика определения допустимой мощности излучения базовых станций сотовой связи для населенных пунктов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на конференции профессорско-преподавательского состава Владимирского государственного университета (2008г.), 7-й Международной научно-технической конференции "Перспективные технологии в средствах передачи информации" (Владимир, 2007), Международной НТК «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» (Владимир, 2008) Публикации. По тематике исследований опубликовано 16 работ, в том числе статьи в журналах и тезисы докладов на международных научно-технических конференциях.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, включающего 108 наименования и 3 приложения с актами внедрения и компьютерной программой моделирования. Диссертация изложена на 130 страницах текста, содержит 50 рисунков.
Определение допустимой зоны для жилой застройки околобазовых станций систем сотовой связи
Развитие технического прогресса привело к освоению радиочастотного эфира и к его интенсивному использованию. Количество практически используемых человеком радиоэлектронных систем (РЭС) и высокочастотных установок (ВЧУ) промышленного применения неуклонно год от года растет. Например, только в Центральном федеральном округе России в 2007 году было зарегистрировано более 400 тысяч РЭС, в том числе 66,7 тысяч стационарных [2], в состав которых входят и базовые станции систем сотовой мобильной связи. Наряду с огромной пользой от освоения ресурса эфира, возникли и негативные явления, обусловленные отрицательным влиянием мощного электромагнитного излучения (ЭМИ) на биологические объекты и на человека в том числе.
В крупных городах вероятность возможного облучения человека наиболее высока в связи с размещением антенн базовых станций систем сотовой связи не только на специальных мачтовых устройствах, а и на крышах высотных зданий. В качестве примера на рис. 1.1 показано размещение антенны сотовой сети связи на крыше промышленного здания, но в непосредственной близости от жилых домов в микрорайоне Доброе в г. Владимире.
Воздействие электромагнитного излучения на человека проявляется чаще всего в том, что клетки тела, являясь миниатюрными антеннами, принимают электромагнитную энергию от внешних излучателей электромагнитных полей и преобразуют ее в переменные электрические токи. клеток тканей, не охлаждаемых кровотоком. В первую очередь у человека от ЭМИ страдают хрусталики глаз, луковицы корней волос, клетки некоторых желез и головного мозга. Долговременное облучение человека ЭМИ малой мощности изучено пока слабо, что и вызывает споры [2-5] в научном мире о вреде мобильных телефонов.
Непродолжительное облучение мощным ЭМИ может вызывать слабость, головную боль, ухудшение слуха, зрения и замедление реакций человека. После прекращения непродолжительного облучения и длительного отдыха свойства организма восстанавливаются, а негативные последствия от воздействия ЭМИ пропадают.
Для расчета возможного облучения человека мощными электромагнитными полями (ЭМП) выработаны определенные правила, позволяющие оценивать зоны безопасной жилой застройки и определять нормативы деятельности человека под воздействием ЭМИ.
В различных странах принятые стандарты на уровни безопасного для человека электромагнитного излучения сильно отличаются. В России они определяются установленными нормами и рассчитываются по методикам, изложенным в [3-5].
Согласно нормам [3], принятым в Российской Федерации, интенсивность воздействия электромагнитного излучения на человека независимо от режима и времени облучения не должна превышать предельно допустимые уровни (ПДУ). Для диапазона частот ниже 300 МГц определяются напряженности электрического и магнитного полей, а для диапазона частот выше 300 МГц регламентируется плотность потока энергии (ППЭ) на единицу площади. ПДУ в диапазоне частот 30...300 МГц в соответствии с нормами [3] составляет пду=ЗВ/м для жилых и административных зданий при круглосуточном непрерывном облучении. В диапазоне частот от 300 МГц до 300 ГГц, ППЭ от излучающих электромагнитное поле систем, согласно норм [3], не должна превышать величины ППЭПДУ = 10 мкВт/см2 . (1.1) Границы опасной зоны на частотах 30...300 МГц определяются равенством Е = ЕтУ, а на частотах выше 300 МГц, используемых в большинстве систем сотовой связи, плотность потока энергии рассчитывается в соответствии с выражением ППЭ = Е2/3,17 [мкВт/см2] (1.2)
и граница опасной зоны определяется равенством ППЭ = ППЭПДУ .
Технология оценки допустимого для жилой застройки уровня излучения от радиоэлектронных средств основана на аналитическом определении величины критерия безопасности S. В качестве критерия безопасности принята относительная суммарная интенсивность воздействия электромагнитного поля от /, j, к излучающих РЭС на биологические объекты = (,/пду)2 + (#,/япду)2 +(гтэ,/ппэпду), (1.3) ;=1 у=1 УЫ где: пду- предельно допустимый уровень (ПДУ) напряженности ЭМП для человека; ППЭПДУ - плотность потока энергии ЭМП, предельно допустимая для человека.
Пути увеличения качества мобильных систем сотовой связи
Для решения задачи совершенствования устройств формирования сигналов мобильной связи и методов их обработки в приемо-передающих устройствах необходимо определить влияние радиоканалов на качество передачи информации, максимально адекватно аналитически описать свойства каналов и их воздействия на передаваемые радиосигналы.
Построение таких моделей радиоканалов, адекватных реальным условиям распространения сигналов мобильной связи, позволит решать целый ряд задач: - определить наилучшие виды радосигналов, обеспечивающие высокое качество передачи информации; - в лабораторных условиях экспериментально исследовать различные варианты построения систем; - отрабатывать узлы формировании и обработки информационных сигналов; - оптимизировать системы связи по критерию "цена-качество"; осуществлять выходной технический контроль аппаратуры мобильной связи при ее изготовлении.
Для создания имитаторов радиоканалов мобильной связи, обеспечивающих реализацию перечисленных выше задач, потребуется: - выполнить анализ радиоканалов сотовой связи и разработать математическую модель распространения сигналов через такие радиоканалы; - разработать алгоритмы и реализующие их программы воздействия различных факторов на радиосигналы, распространяющиеся по каналам мобильной связи; синтезировать комплекс, имитирующий воздействия на радиосигналы систем мобильной связи, адекватные воздействием на реальных линиях связи. Решение задачи по созданию имитатора радиоканалов мобильной сотовой связи и является основной целью диссертационного исследования.
Выводы
1. Дальнейшее развитие систем сотовой радиосвязи возможно в основном за счет совершенствования устройств формирования сигналов мобильной связи и методов их обработки в приемо-передающих устройствах.
2. Размещение базовых станций сотовой связи в городских условиях требует не только расчета размеров зоны жилой и производственной застройки, но и оценки допустимых уровней излучения такими станциями.
3. Модель канала мобильной связи, используемая для определения допустимой зоны жилой застройки, не учитывает затухание и замирания сигналов при их распространении по радиоканалу и не может использоваться для совершенствования систем сотовой связи.
4. Для совершенствования устройств формирования сигналов мобильной связи и методов их обработки требуется создать специальный инструмент, которым может стать имитатор радиоканалов сотовой связи, адекватный по воздействиям на передаваемые сигналы реальным радиоканалам.
Радиоканалы являются одним из основных компонентов сетей связи, включая и сотовую связь, и их характеристики во многом определяют параметры систем связи. В свою очередь характеристики радиоканалов определяются рядом важных факторов. Одним из основных является выбор частотного диапазона, используемого для организации связи. В развитии систем связи просматривается тенденция перехода к более высокочастотным диапазонам. Возможность перехода в более высокочастотную область спектра частот обусловлена развитием технологий и определяется ростом спроса на услуги связи. Однако возможности подобного перехода ограничены. Согласно различным данным [7] при длинах волн меньше 10 см в атмосфере наблюдается сильное затухание радиоволн, что значительно снижает эффективность связи.
Сейчас большинство систем сотовой связи используют дециметровый и сантиметровый диапазоны волн. В этих диапазонах на их работу оказывают влияние помехи как естественного, так и искусственного происхождения. Помехи принято подразделять на мультипликативные, обусловленные свойствами собственно канала передачи и среды распространения, и аддитивные, которые складываются с полезным сигналом и обусловлены разнообразными источниками электромагнитных излучений.
Разработка методики определения допустимой мощностиизлучения базовых станций сотовой связи
При рассмотрении радиоканалов сотовой мобильной связи необходимо учитывать следующее: - часто географическим расположением абонентов сети являются города и пригородные зоны, а также зоны, расположенные вдоль железнодорожных трасс и автомагистралей; - зоны приема характеризуются различной плотностью и характером застройки и разнообразной (и зависящей от климатических условий) подстилающей поверхностью; - мобильная станция часто находится не в прямой радиовидимости от базовой станции; - абонент мобильной станции окружен большим количеством отражающих предметов с различным расположением и разнообразными отражающими свойствами, в результате суммарный сигнал в точке приема образуется многими прошедшими разным путем лучами (это характерно и для базовой станции); - перемещение абонента мобильной станции вызывает доплеровские сдвиги частоты.
Совокупное действие этих причин вызывает появление замираний сигналов (колебаний амплитуды и фазы принимаемого сигнала) по сравнению с распространением в свободном пространстве и значительное затухание сигнала при распространении. Рассмотрим действие этих двух причин по отдельности.
Затухание сигнала, описывается обратно пропорциональной зависимостью от расстояния между передатчиком и приемником [3-5] Рпрм1РпРД=КсК-а , (2.3) где РПРД и РПРМ — мощности принимаемого и излучаемого (переданного) сигналов соответственно; Kc - коэффициент пропорциональности; R — расстояние между приемником и передатчиком; а - показатель затухания, который определяется условиями распространения (характеристиками канала между приемником и передатчиком).
Для свободного пространства а=2, а коэффициент Кс равен к їв (2-4) где ЄПРД, GUPM коэффициенты усиления передающей и приемной антенн соответственно; X — длина волны. Подобный характер распространения может встретиться только на очень коротких расстояниях, не содержащих препятствий.
Как показывают экспериментальные исследования [7-9], в большинстве случаев на распространение радиоволн сильно влияют рассеивание и многолучевое распространение, что ведет к увеличению затухания сигнала. В результате в диапазонах частот, используемых мобильной связью, в зависимости от характера местности и подстилающей поверхности значения коэффициента а могут лежать в пределах от 3 до 5.
Участки трасс распространения сигналов сотовой связи обычно делят на несколько категорий: - пригородные зоны с небольшими препятствиями (дома, деревья), находящимися поблизости от приемника; - открытые районы с небольшим количеством препятствий; - городские районы, где приемник плотно окружен препятствиями, которые могут быть высокими (например, многоэтажные здания). Рассмотрим подробнее причины, вызывающие замирания сигнала. Сигнал в точке приема образуется в результате интерференции радиоволн, поступающих по различным путям распространения, при этом каждая из них характеризуется своей амплитудой, временем распространения, фазовым сдвигом при отражении, доплеровским сдвигом частоты. При изменении условий распространения, свойств отражателей, положения преемника и отражателей меняются параметры интерферирующих сигналов, а, следовательно, меняется амплитуда и фаза суммарного сигнала.
Изменения параметров канала случайны и зависят от многих причин, в результате интерференционная картина становится нестационарной, даже если сам абонент мобильной станции неподвижен или перемещается достаточно медленно, Если же он двигается быстро, то замирания становятся выраженными сильнее.
В теории радиорелейной связи доказано [10], что для определенных временных интервалов процессы замираний сигналов можно считать локально стационарными. Это существенно упрощает математическую трактовку процессов. В зависимости от скорости изменения уровня принимаемого сигнала замирания принято подразделять на два вида -быстрые замирания и медленные замирания.
Быстрые замирания возникают в основном из-за изменения взаимных фазовых соотношений сигналов, пришедших по разным лучам и их иногда называют интерференционными замираниями.
Медленные замирания определяются общими изменениями свойств каналов распространения, например, при перемещении абонента на большие расстояния или при изменении свойств среды распространения в целом (например, за счет появлений гидрометеоров). При этом меняется длина путей прохождения лучей. Поэтому медленные замирания можно рассматривать, как изменение среднего уровня (медианы) случайного процесса - быстрых замираний.
Имитатор быстрых замираний радиоканала без селективно-частотных замираний
Имитаторы многолучевых радиоканалов с гладкими замираниями ранее достаточно подробно описаны и неоднократно реализовывались [45-52] как устройства, перемножающие сигнал передатчика на комплексный случайный процесс, моделирующий поведение передаточной функции канала.
В большинстве имитаторов процесс, моделирующий поведение передаточной функции канала, реализуется [59] с помощью суммирования квадратурных компонент, формируемых генераторами гауссовского шума, фильтрация и дополнительная обработка независимых реализаций сигналов которых обеспечивает требуемую статистику замираний. Примеры построения структур цифровых имитаторов канала с гладкими релеевскими замираниями приведены в работах [17,18,59].
Для систем мобильной связи, работающих по определенным стандартам, разработчиками стандартов рекомендуются свои модели радиоканалов. При этом практически все разработчики оборудования систем сотовой связи принимают модель канала как совокупность радиоволн, пришедших к приемнику по ломаным маршрутам от передатчика после многократных отражений от местных предметов и от подстилающей поверхности.
Так стандарт GSM - 900 предусматривает два варианта моделей: модель с дискретной многолучевостью при отсутствии сигнала прямой видимости; - модель с дискретной многолучевостью и наличием сигнала прямой видимости, что характерно при близких расстояниях от приемника до передатчика системы сотовой связи.
Стандартом GSM-900 модель канала для города рекомендуется как двенадцать лучей распространения, каждый из которых имеет ярко выраженные дисперсионные свойства - расширение задержки и доплеровское расширение спектра. В каждом луче моделируется независимые от других лучей доплеровский спектр и профиль задержек.
Доплеровский спектр, то есть усредненное рассеяние мощности по частоте, определяется как S(f) = Hf(ti,F) , (3.4) где #. - передаточная функция сигнала z -го луча с задержкой /, и доплеров ским смещением частоты F .
Профиль задержек, то есть рассеяние мощности по времени, определяется выражением L(t) = Hf«,F,). (3.5) Численные значения параметров компонент многолучевых сигналов, рекомендуемых стандартом GSM-900, приведены в работе [59] (Табл. 8.2, с.263) для случая сельской местности (6 лучей распространения) и холмистой местности (Табл. 8.3, с.263-264).
Недостаток моделей, предлагаемых стандартом GSM-900, заключается в том, что рекомендована упрощающая построение имитаторов релеевская статистика замираний. Это затрудняет моделировать, хотя и реже встречающиеся на практике быстрые замирания глубиной до 22,5 дБ. И если при построении приемо-передающей аппаратуры систем сотовой связи это не является сравнительно важным, то при выборе точек размещения базовых станций сотовой связи этот факт приобретает большое значение.
Без учета реальных глубин замираний возможно построение сети базовых станций, не закрывающих территорию полностью и, как следствие, наличие зон радиомолчания в сети. Подобная ситуация приводит в конечном итоге к необходимости построения дополнительных базовых станций, что экономически никак не оправдано.
Поэтому в качестве основы для построения имитатора выбираем модель канала как совокупность радиоволн, пришедших к приемнику от передатчика по ломаным маршрутам после многократных отражений от местных предметов и от подстилающей поверхности. При этом модель должна учитывать, что в каждом луче имеется свое рассеяние по частоте и по времени, а результирующие замирания передаточной функции канала описываются четырехпараметрическим законом распределения вероятностей (2.14), (2.15) на интервалах времени сеанса связи.
