Распространение KB ионосферной волной происходит путем последовательного отражения от слоя F (иногда слоя Е) ионосферы и поверхности Земли. При этом волны проходят через нижнюю область ионосферы - слои Е и D, в которых претерпевают поглощение (рис. 5, а). Для осуществления радиосвязи на KB должны быть выполнены два условия: волны должны отражаться от ионосферы и напряженность электромагнитного поля в данном месте должна быть достаточной для приема, т. е. поглощение волны в слоях ионосферы не должно быть слишком большим. Эти два условия ограничивают диапазон применимых рабочих частот.

Для отражения волны необходимо, чтобы рабочая частота была не слишком высокой, а электронная плотность ионосферного слоя достаточной для отражения этой волны в соответствии с (3-44). Из этого условия выбирается максимальная применимая частота (МПЧ), являющаяся верхней границей рабочего диапазона.

Второе условие ограничивает рабочий диапазон снизу: чем ниже рабочая частота (в пределах коротковолнового диапазона), тем сильнее поглощение волны в ионосфере (см. рис. 5). Наименьшая применимая частота (НПЧ) определяется из условия, что при данной мощности передатчика напряженность электромагнитного поля должна быть достаточной для приема.

Электронная плотность ионосферы меняется в течение суток и в течение года. Значит, изменяются и границы рабочего диапазона, что приводит к необходимости изменения рабочей длины волны в течение суток:

Днем работают на волнах 10-25 м, а ночью на волнах 35-100 м.

Необходимость правильного выбора длины волны для сеансов связи в различное время усложняет конструкцию станции и работу оператора.

Зоной молчания KB называют кольцевую область, существующую на некотором расстоянии от передающей станции, в пределах которой невозможен прием радиоволн. Появление зоны молчания объясняется тем, что земная волна затухает и не достигает этой области (точка 6 на рис. 3-39, а), а для ионосферных волн, падающих под малыми углами на ионосферу, не выполняются условия отражения (3-44). Пределы зоны молчания (ВС) расширяются при укорочении длины волны и снижении электронной плотности.

Замирания в диапазоне KB более глубоки, чем в диапазоне СВ. Основной причиной замираний является интерференция лучей, распространяющихся путем одного и двух отражений от ионосферы (рис. 3-39, о). Помимо этого замирания вызываются рассеянием радиоволн на неоднородностях ионосферы и интерференцией рассеянных волн (рис. 3-39,6), а также интерференцией обыкновенной и необыкновенной составляющих магниторасщепленной волны (рис. 3-39,в). Обработка измерений за короткие.интервалы времени (до 5 мин) показала, что ф-ции распределения амплитуд близки к распределению Рэлея (3-54). В течение больших интервалов времени наблюдений распределение ближе к логарифмически нормальному со среднеквадратичным отклонением 6±1,25 дБ. В обоих случаях разность между уровнями напряженности поля сигнала, превышаемыми в течение 10 и 90% времени, составляет 16±3,2 дБ.

Скорость замирания (§ 3-6) лежит в пределах 6 - 16 замираний в минуту. На линиях протяженностью 3000 км скорость замираний в 2 - 6 раза меньше, чем на линии протяженностью 6000 км. Интервал времени корреляции колеблется в пределах?о = 4,5 - 1,5 с. Масштаб пространственной корреляции зависит от протяженности линии радиосвязи, рабочей частоты, характера неоднородностей ионосферы и лежит в пределах rо==210-560 м (10 - 25?). Для борьбы с замираниями применяется прием па разнесенные антенны. Направление разноса рекомендуется выбирать перпендикулярным к направлению трассы, расстояние разноса берут порядка масштаба корреляции 10?. Сигналы, принятые на разнесенные антенны, складывают после детектирования. Эффективным является разнесение по поляризации - прием на две антенны, имеющие взаимно перпендикулярную поляризацию. Используются также приемные антенны с
узкой диаграммой направленности, ориентированной на прием только одного из лучей.

При благоприятных условиях распространения KB могут огибать земной шар один и несколько раз. Тогда помимо основного сигнала может быть принят второй сигнал, запаздывающий примерно на 0,1 с и называемый радиоэхо. Радиоэхо оказывает мешающее действие, на линиях меридионального направления.

Источник: Донбас-2020: перспективи розвитку очима молодих вчених: Матеріали VI науково-практичної конференції, м. Донецьк, 24-26 квітня 2012 р. — Донецьк, ДонНТУ, 2012. — C. 565-568.

Для ефективного радіочастотного планування у мережах стільникового зв’язку необхідно використовувати найбільш точні методи та моделі розрахунку згасання радіохвиль, що в умовах міста ускладнюється специфікою рельєфу. У статті наводиться стислий опис найбільш поширених моделей, їх переваги та недоліки.

Сложность проблемы заключается в том, что системы сотовой связи (ССС) эксплуатируются в основном в городах, которые для радиоволн представляют протяженную неоднородную структуру. В свободном пространстве затухание радиоволн описывается следующей зависимостью:

где — потери распространения, дБ;

r — расстояние от передатчика, км;

f — частота радиосигнала, МГц.

В городских условиях имеют место такие эффекты как экранирование и дифракция, отражения от объектов, преломление в зависимости от плотности среды прохождения, рассеивание на препятствиях.

В настоящее время выделяют три группы моделей (методов) расчета зоны покрытия радиосети:

Статистические модели

Детерминированные модели

Квазидетерминированные модели

Статистические модели базируются на результатах экспериментальных исследований напряженности поля, поэтому часто называются экспериментальными моделями. Точность расчета зависит от тщательного подбора эмпирических коэффициентов, основанного на анализе карт местности. Достоинство - сравнительно небольшое время расчета.

К статистическим относят модели Окамура,Окамура-Хата, COST-Хата, Ли и др.

Исторически первой такой моделью была модель Окамура , полученная в итоге многолетних измерений поля в Токио. На основании построенных графиков зависимости медианных потерь L от расстояния между передающей и приемной антеннами было предложено аппроксимирующее соотношение следующего вида:

— потери при распространении в свободном пространстве;

— отношение медианной величины потерь в городе с квазигладкой поверхностью земли к потерям в свободном пространстве для эффективных высот антенн соответственно базовой станции (БС) h БС = 200 м и абонентской станции (АС) h АС = 3 м;

И — соответственно корректирующие коэффициенты, используемые если эффективные высоты антенн отличаются от указанных;

r — длина трассы.

В формуле (2) величина L 0 рассчитывается, а все остальные определяются по графикам, построенным на основании эксперимента. Формула пригодна для частот f = (150÷1500) МГц, диапазона расстояний r = (1÷100) км и эффективной высоты антенны базовой станции h БС = (30÷100) м.

Достоинством модели Окамура является ее простота и универсальность, откуда следует и ее основной недостаток - отсутствие учета резких перепадов высот местности. Тем не менее модель Окамура служит наиболее часто применяемой моделью расчета для ССС.

Ее модификация была развита в модели Хата, называемой также моделью Окамура-Хата .

Суть этой модели заключается в аппроксимации графиков Окамура специально подобранными формулами для различных территориальных зон, которые условно классифицируются на большой город, средний и малый города, пригород, сельскую местность, открытую местность. Формулы расчета потерь для указанных зон с подробными пояснениями приводятся в .

Основной недостаток этой модели — ограничение применения по частоте. Поэтому появление новых ССС, работающих в диапазоне частот около 2 ГГц, дало толчок дальнейшим исследованиям, что привело к расширению модели Окамура-Хата на частотный диапазон от 1,5 до 2 ГГц. Эта модификация, получившая название COST 231-Хата, справедлива для эффективных высот антенн БС и АС соответственно 10÷200м и 1÷10м и расстояний между ними 1÷20км. Расчетные соотношения для этой модели также даны в . Отметим, что эту модель нельзя использовать при расстояниях менее 1 км и при оценке уровня сигнала на улице с высокими строениями.

Другая модель, модель Ли, была разработана на основе измерений, проведенных в США на частоте 900 МГц. Потери при распространении в этой модели определяются из выражения:

где n 0 и k 0 - параметры, зависящие от частоты и типа территории.

Общую суть статистических моделей можно отобразить следующей зависимостью:

которая означает, что потери являются логарифмической функцией расстояния с коэффициентом наклона n и параметром сдвига K, причем каждая модель имеет собственный набор значений параметров n и K и свои условия применения.

Статистические модели дают возможность определить медианные значения потерь и, следовательно, напряженность поля для трасс больше 1 км, однако все они были получены для конкретных территорий, поэтому для улучшения качества прогноза величины поля необходимо выполнить калибровку параметров n и K для предполагаемого района развертывания ССС. Процедура калибровки заключается в проведении предварительных измерений напряженности поля в ряде типичных точек выбранного района и в сопоставлении результатов измерений с данными расчета по выбранной модели.

Сопоставление экспериментальных результатов с данными расчетов ряда статистических моделей показало, что наиболее хорошее совпадение дает модель Окамура-Хата.

Несмотря на широкое применение на практике статистических моделей, их недостатки, о которых было сказано выше, привели к разработке детерминированных моделей . В этих моделях учитываются особенности территории и ее застройки, информация о которых хранится в специальной базе данных - цифровой карте местности. Используемые в настоящее время детерминированные модели учитывают дифракцию на зданиях, вносящую основной вклад в ослабление радиоволн при работе пико и микросотовых систем, в связи с чем они иногда называются дифракционными моделями.

К детерминированным моделям относят следующие: модель Икегами, модель Ксиа-Бертони, модель Уолфиша-Икегами, рекомендации МСЭ-Р P.12138-3. Данные методы являются высокоточными, но требуют значительных временных затрат на расчет. Такие модели, как правило, берутся за основу при создании программного обеспечения по радиочастотному планированию.

Особенности квазидетерминированных методов - это применение многолучевой модели распространения радиоволн. При этом преломление заменяется ослаблением, также существует возможность учета диаграммы направленности антенн. Такие методы являются более точными, чем статистические и расчет занимает меньше времени, чем при детерминированных методах.

В заключение можно сказать, что на сегодняшний день не существует универсальных моделей распространения радиоволн. Все они хороши в своей области применения. Уровень радиосигнала в конкретной точке пространства может быть получен достоверно лишь с помощью натурных измерений. Однако, для приблизительных расчетов зоны покрытия макросот по своей простоте и незначительным временным затратам наиболее оптимален метод Окамура-Хата, а для микро- и пикосот хорошие результаты получаются при использовании детерминированных моделей с обязательным привлечением цифровых карт местности.

Список использованной литературы

1. Y.Okumura et al. Field strength and its variability in VHF and UHF land-mobile radio service // Review of the Electr. Commun. Lab. —1968. — vol. 6. — р. 825-873.
2. Милютин Е.Р., Василенко Г.О., Сиверс М.А. и др. Методы расчета поля в системах связи дециметрового диапазона. — СПб.: Триада. — 2003. —159 с.
3. ITU-R Recommendations. 2001. P. 1546
4. Hata M. Empirical formula for propagation loss in land mobile radio services // IEEE Trans. Vehicular Technology. — 1980. — V.29.
5. Попов В.А., Воропаева В.Я., Верховский Я.М. Алгоритм оптимальной кластеризации для сетей сотовой связи. — Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація. Випуск 13 (121). — Донецьк —2007. — с. 53-58.

Влияние среды на распространение радиоволн проявляется в изменении амплитуды поля волны, изменении скорости и направления распространения волны, в повороте плоскости поляризации волны, в искажении передаваемых сигналов.

Условия распространения радиоволн по естественным трассам определяются многими факторами, так что полный их анализ оказывается слишком сложным. Поэтому в каждом конкретном случае строят модель трассы распространения радиоволн, выделяя те факторы, которые оказывают основное воздействие.

Земная поверхность оказывает существенное влияние на распространение радиоволн: поверхность Земли частично поглощает и отражает радиоволны; сферичность земной поверхности (средний радиус земного шара6370 км) также влияет на распространение радиоволн. Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости (в масштабе длины волны) от поверхности Земли, называют земными радиоволнами.

При разработке модели распространения земных радиоволн атмосферу можно считать не поглощающей средой. При необходимости усложнения модели вносятся поправки с учетом диэлектрической и магнитной проницаемостей атмосферы.

В окружающей земной шар атмосфере различают две области, оказывающие влияние на распространение радиоволн: тропосферу и ионосферу.

Тропосфера – приземная область атмосферы, простирающаяся до высоты 10…15 км – неоднородна как в вертикальном направлении, так и вдоль земной поверхности; ее электрические параметры зависят от метеорологических условий. Тропосфера влияет на распространение земных волн и обеспечивает распространение так называемых тропосферных волн. Распространение тропосферных волн связано с рефракцией (искривлением траектории волны) в неоднородной тропосфере, а также с рассеянием и отражением радиоволн от неоднородностей тропосферы.

Ионосфера – от 50…80 км и примерно до 10000 км над поверхностью Земли. В этой области плотность газа весьма мала и газ ионизирован, т. е. имеется большое число свободных электронов (примерно 10 3 … 10 6 электронов в 1 см 3 воздуха). Присутствие свободных электронов существенно влияет на электрические свойства газа и обусловливает возможность отражения радиоволн от ионосферы. Путем последовательного отражения от ионосферы и поверхности Земли радиоволны распространяются на очень большие расстояния (например, короткие волны могут несколько раз огибать земной шар). Ионосфера является неоднородной средой, и радиоволны рассеиваются в ней, что также обусловливает возможность распространения радиоволн на большие расстояния. Радиоволны, распространяющиеся путем отражения от ионосферы или рассеяния в ней, будем называть ионосферными волнами. На условия распространения ионосферных волн свойства земной поверхности и тропосферы влияют мало.

За пределами ионосферы плотность газа и электронная плотность уменьшаются и на расстоянии 3…4,5 радиусов земного шара, атмосфера Земли переходит в космическое пространство, где газ полностью ионизирован, плотность протонов равна плотности электронов и составляет всего 2…20 эл/см 3 . Условия распространения радиоволн в космосе близки к условиям распространения в свободном пространстве. Таким образом, оказывается возможным рассматривать раздельно влияние на распространение радиоволн земной поверхности, тропосферы, ионосферы и космического пространства.

К радиоволнам относят электромагнитные колебания, длина волны которых лежит в пределах от 2×10 –9 до 10 5 м, что соответствует частотам колебаний от 15×10 10 до 3×10 –3 МГц.

Контрольные вопросы:

1. Классификация радиоволн по диапазонам частот.

2. Основные задачи теории распространения радиоволн.

3. Какие физические процессы сопровождают РРВ вдоль земной поверхности?

4. Поясните принцип отражательной трактовки влияния Земли.

5. Поясните назначение передающей и приемной антенн.

6. Перечислите основные задачи теории антенн.

7. Влияние среды на условия РРВ.

ГЛАВА 2. МЕХАНИЗМЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН В СВОБОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ

2.1. Механизмы распространения радиоволн

Любой колеблющийся электрический заряд является источником переменного электромагнитного поля, излучающего в окружающее пространство. Излучение зарядом электромагнитной волны можно пояснить следующим образом. Рассмотрим два проводящих шара, находящихся на расстоянии L друг от друга (рис. 1). Такая сис­тема называется электрическим диполем. После выключения гене­ратора шары будут заряжаться и разряжаться. При этом по проводу L протекают токи зарядки и разрядки емкости, образованной шара­ми. Емкость шаров много больше емкости отрезков аb и сd провода L поэтому током смещения между отрезками провода можно пре­небречь. Можно считать, что ток проводимости, протекающий в проводе L, замыкается только через ток смещения, протекающий в пространстве между шарами. В этом случае амплитуда тока I вдоль провода L остается постоянной. Такой электрический диполь называют диполем Герца.

На рис. 1 графически изображено распределение амплитуды тока вдоль провода диполя. На этом же рисунке показаны силовые линии электрического поля диполя для момента времени, когда ша­ры заряжены. Линии тока смещения расположены в пространстве так же, как и линии электрического поля. При работе генератора переменный ток смещения вызывает появление переменного маг­нитного поля, силовые линии которого окружают линии тока смеще­ния. В свою очередь переменное магнитное поле по закону элек­тромагнитной индукции вызывает в окружающем пространстве по­явление переменного электрического поля и соответствующего тока смещения. Рассмотренный процесс распространяется в окру­жающей среде самоподдерживаясь. Если, например, выключить генератор, питающий диполь, то в окружающей среде продолжает распространяться возникшая электромагнитная волна - ток смеще­ния вызывает переменное магнитное поле, которое, в свою оче­редь, создает переменное электрическое поле и ток смещения в соседних областях пространства. Если генератор, возбуждающий диполь, генерирует напряжение, изменяющееся по гармоническому закону U = U m sinωt, то и электромагнитное поле изменяется во вре­мени по гармоническому закону с той же частотой ω.

Скорость распространения фазы электромагнитной волны назы­вают фазовой скоростью. Фазовая скорость электромагнитной вол­ны в диэлектрике равна

Где μ - магнитная проницаемость среды; ε - диэлектрическая про­ницаемость среды.

В свободном пространстве ε = ε 0 = 8,85·10 -12 Ф/м, μ = μ 0 = 4π·10 -7 Гн/м и М ф ≈ 3·10 -8 м/с, т.е. равна скорости света.

Расстояние, которое проходит определенная фаза волны за время одного периода колебаний Т, называется длиной волны:

λ = М ф Т = М ф /f.

Поверхность, на которой фаза волны одинакова, называется фронтом волны. На больших расстояниях r от диполя при выполне­нии условия r >> L фаза волны одинакова на поверхности сферы. Такая волна называется сферической.

Диполь Герца обычно в качестве антенны не применяют. Однако любую проволочную антенну можно представить состоящей из эле­ментарных отрезков провода, в пределах каждого из которых амплитуда тока может считаться неизменной. Такой отрезок назы­вают элементарным электрическим вибратором, аналогичным ди­полю Герца.

2.2. Энергетические соотношения в условиях свободного пространства

В свободном пространстве, амплитуда напряженности электрического поля в точке наблюде­ния (точке приема) определяется как

(1)

где Р 1 ’ - мощность, подводимая к передающей антенне; G 1 - коэффи­циент усиления передающей антенны относительно изотропного из­лучателя; r - расстояние от точки передачи до точки приема.

Произведение P 1 ’ G 1 = Р 1экв называют эквивалентной мощностью излучения, которую надо подвести к ненаправленной антенне, что­бы получить в точке приема такую же напряженность поля, как от на­правленной антенны с коэффициентом усиления G 1 к шторой подве­дена мощность Р 1 ’ .

Из (1) следует, что даже в свободном пространстве, среде без потерь, напряженность поля в точке приема убывает обратно пропор­ционально первой степени расстояния, что обусловлено уменьшением плотности мощности (среднего за период колебаний значения вектора Пойнтинга) при удалении от источника.

Во многих случаях, например при расчете радиолиний в диапа­зонах коротких (KB), средних (СВ) и длинных (ДВ) волн, пользуются не амплитудным, а действующим значением напряженности поля, ко­торое в условиях свободного пространства

(2)

При расчете и проектировании радиолиний, особенно в диапа­зонах сантиметровых и дециметровых волн, необходимо знать мощ­ность сигнала на входе приемника. Эта мощность определяется различно для радиолиний двух типов.

Рис. 2 – Обобщенная структура радиолинии

На радиолинии I типа передача информации ведется непосредственно из пункта передачи в пункт при­ема на радиолиниях II типа принимаются сигналы, испы­тавшие пассивную ретрансляцию на пути от передатчика к приемнику (рис. 2). На этих линиях непосредственная передача энергии волны от источника до точки приема по каким-либо причинам невозможна (например, этот путь перекрыт препятствием). На наземных радиоли­ниях с пассивной ретрансляцией на пути распространения имеется специальное антенное устройство, которое облучается первичным по­лем и переизлучает его в виде вторичного поля, предназначенного для приема. По такому же принципу работают системы пассивной радио­локации, где первичное поле облучает обнаруживаемую цель, а поле, переизлученное целью, принимается локатором.

Рис. 3 – Пассивная ретрансляция

На любой радиолинии мощность на входе приемника Р 2 связана с плотностью потока мощности в месте приема П 2 соотношением

где ή 2 - КПД фидера приемной антенны; S Д = G 2 λ 2 /4π - действующая площадь приемной антенны.

На радиолинии I типа в условиях свободного пространства плот­ность потока мощности в месте приема

(4)

где Р 1 ,ή, G 1 , r указаны на рис. 3.

Подставляя (4) в (3), получаем для радиолинии I типа мощность на входе приемника в условиях свободного пространства:

На радиолинии II типа значение П 02 зависит от тех же парамет­ров, что и на линии I типа, и, кроме того, от переизлучающих свойств ретранслятора. Если какое-либо тело облучается полем, то его способ­ность переизлучать это поле оценивается эффективной площадью рас­сеяния σ эф (ЭПР). Величина ЭПР зависит от формы, размеров, элект­рических свойств материала, из которого выполнен переизлучатель, а также от его ориентации относительно направления распространения первичного поля и направления на прием.

Согласно выше сказанного мощность на входе приемника для радиолинии I типа

Из (6) видно, что в свободном пространстве при от­сутствии пассивного ретранслятора на линии мощность на входе при­емника уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния, а при работе с ретранслятором - обратно пропорционально четвертой степени. Такое быстрое убывание поля на линиях II типа объясняется тем, что поле дважды испытывает расходимость: первичное поле - на пути от источника (передающей антенны) до ретранслятора и вторич­ное поле - на пути от источника (ретранслятора) до пункта приема.

При проектировании систем удобно иметь сведения о потерях при передаче электромагнитной энергии. Потерями передачи L назы­вают отношение мощности Р 1 ’ подводимой к передающей антенне, к мощности Р 2 " на входе приемной антенны:

где Р 1 - мощность на выходе передатчика; Р 2 - мощность на входе приемника.

Для радиолинии I типа в условиях свободного пространства со­гласнo выше сказанного потери передачи

Расчеты упрощаются, если выделить составляющую L 0 , которая характеризует потери, обусловленные расходимостью вол­ны при G 1 = G 2 = 1. Составляющая L 0 называется основными потеря­ми передачи в условиях свободного пространства:

Полные потери передачи обычно выражают через L 0 . Можно записать:

(10)

Для радиолинии II типа в условиях свободного пространства при r 1 – r 2 = r потери передачи составят

(11).

Радиотехника исторически развивалась с неуклонной тенденцией к освоению все более высокочастотных диапазонов. Это было связано прежде всего с необходимостью создавать высокоэффективные антенные системы, концентрирующие энергию в пределах узких телесных углов. Дело в том, что антенна с узкой ДН обязательно должна иметь поперечные размеры, существенно превышающие рабочую длину волны. Такое условие легко выполнить в метровом, а тем более, в сантиметровом диапазоне, в то время как остронаправленная антенна для длин волн порядка 10 км имела бы совершенно неприемлемые габариты.

Всякая система передачи сигналов состоит из трех основных частей: передающего устройства, приемного устройства и промежуточного звена - соединяющей линии. Для радиосистем промежуточным звеном является среда - пространство, в котором распространяются радиоволны. При распространении радиоволн по естественным трассам, т.е. в условиях, когда средой служат земная поверхность, атмосфера, космическое пространство, среда является тем звеном радиосистемы, которое практически не поддается управлению.

Вторым фактором, определяющим ценные свойства высокочастотных диапазонов, служит то обстоятельство, что здесь удается реализовать большое число радиоканалов с не пересекающимися полосами частот. Это дает возможность, с одной стороны, широко использовать принцип частотного разделения каналов, а с другой - применять широкополосные системы модуляции, например, частотную модуляцию. При определенных условиях такие системы модуляции способны обеспечить высокую помехоустойчивость работы радиоканала.

При распространении радиоволн в среде происходит изменение амплитуды поля волны (обычно - уменьшение), изменение скорости и направления распространения, поворот плоскости поляризации и искажение передаваемых сигналов. В связи с этим, проектируя линии радиосвязи, необходимо:

• рассчитать энергетические параметры линии радиосвязи (определить мощность передающего устройства или мощность сигнала на входе приемного устройства);
• определить оптимальные рабочие волны при заданных условиях распространения;
• определить истинную скорость и направление прихода сигналов;
• учесть возможные искажения передаваемого сигнала и определить меры по их устранению.

Для решения этих задач необходимо знать электрические свойства земной поверхности и атмосферы, а также физические процессы, происходящие при распространении радиоволн.

Земная поверхность оказывает существенное влияние на распространение радиоволн: в полупроводящей поверхности Земли радиоволны поглощаются; при падении на земную поверхность они отражаются; сферическая форма земной поверхности препятствует прямолинейному распространению радиоволн.

Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности Земли (в масштабе длины волны), называют земными радиоволнами (1 на рис. 6.1). Рассматривая распространение земных волн, атмосферу считают средой без потерь, с относительной диэлектрической проницаемостью е , равной единице. Влияние атмосферы учитывают отдельно, внося необходимые поправки.

В окружающей Землю атмосфере различают три области, оказывающие влияние на распространение радиоволн: тропосферу, стратосферу и ионосферу. Границы между этими областями выражены не резко и зависят от времени и географического места.

Тропосферой называется приземной слой атмосферы, простирающийся до тропопаузы (переходного слоя между тропосферой и стратосферой), лежащей над экватором на высоте 16-18 км, в умеренных широтах - на 10-12 км и в полярных областях - на 7-10 км. В тропосфере происходит искривление траектории земных радиоволн, называемое рефракцией. Распространение тропосферных радиоволн (2 на рис. 6.1) возможно из-за рассеяния и отражения их от неоднородностей тропосферы. Радиоволны миллиметрового и сантиметрового диапазона в тропосфере поглощаются.

Рис. 6.1.

Стратосфера простирается от тропопаузы до высот 50-60 км. Стратосфера отличается от тропосферы существенно меньшей плотностью воздуха и законом распределения температуры по высоте: до высоты 30-35 км температура постоянна, а далее до высоты 60 км резко повышается. На распространение радиоволн стратосфера оказывает то же влияние, что и тропосфера, но оно проявляется в меньшей степени из-за малой плотности воздуха.

Ионосферой называется область атмосферы на высотах 60-10 000 км над земной поверхностью. На этих высотах плотность воздуха весьма мала и воздух ионизирован, т.е. имеется большое число свободных электронов (примерно 10 3 ... 10 6 электронов в 1 см 3 воздуха). Присутствие свободных электронов существенно влияет на электрические свойства ионосферы и обусловливает возможность отражения от ионосферы радиоволн длиннее 10 м. При однократном отражении радиоволны могут перекрывать расстояние по поверхности Земли до 4000 км. В результате многократного отражения от ионосферы и поверхности Земли радиоволны могут распространяться на любые расстояния по земной поверхности. Радиоволны, распространяющиеся путем отражения от ионосферы или рассеяния в ней, называют ионосферными волнами (3 на рис. 6.1). На условия распространения ионосферных волн свойства земной поверхности и тропосферы влияют мало.

Условия распространения радиоволн (4 , 5 на рис. 6.1) при космической радиосвязи обладают некоторыми специфическими особенностями, а на радиоволны 4 основное влияние оказывает атмосфера Земли.

Проблеме распространения внутри зданий и помещений уделяется большое внимание. Это связано с возданием локальных информационных сетей, также обеспечение надёжной радиосвязью сотрудников предприятий с целью оперативного управления и обеспечения безопасности.

Наличие внутри зданий стен, перегородок, мебели, радиоэлектронной аппаратуры и других объектов создаёт сложную среду распространения радиоволн.

Основными эффектами, наблюдаемыми в такой среде являются:

Многолучевость, за счёт многократного переотражения от стен и других объектов;

Дифракция на острых кромках предметов внутри комнат;

Рассеяние радиоволн.

Эти эффекты создают сложную интерференционную структуру электромагнитного поля, которая сильно изменяется при перемещении людей и других объектов.

Модели, используемые для описания условий распространения радиоволн внутри зданий

Прием сигналов от удаленного внешнего источника внутри здания можно прогнозировать только в самых общих чертах. Помимо условий распространения радиоволн от передатчика к приемнику, определяемых высотой расположения пунктов, плотностью 1 характером застройки, на уровень сигнала существенным образом влияет конструкция здания и материал, а также положение приемника внутри здания. Учет вещ этих обстоятельств практически не возможен, так как внутри одного и того же помещения возможны такие расположения приемной аппаратуры, при которых прием может быть как хорошим, так и плохим, а иногда и совсем отсутствовать. Сложный интерференционный характер поля внутри помещения порождает резкие перепады в уровне принимаемого сигнала, превышающие зачастую 20 дБ, даже при небольшом перемещении приемника. Изменение частоты сигнала приводит к перераспределению полей, так что приемлемое ранее расположение аппаратуры может оказаться совершенно неудачным. Результаты измерений, приведенные в различных работах, трудно сопоставимы и могут казаться противоречивыми, если не учитывать крайнюю чувствительность пространственной интерференционной картины поля внутри помещения к изменению каких-либо условий передачи или приема сигнала.

Ослабление сигнала при прохождении внутрь зданий (сравнение уровня сигнала внутри здания с уровнем сигнала вне его на той же высоте) определялось Райсом на частотах 35 и 150 МГц. По оценкам "потери проникновения" составляют в среднем 22-24 дБ при среднеквадратическом отклонении 12-14 дБ. Отмечается также, что изменения, превышающие 20 дБ, иной раз наблюдаются при разнесении точек всего на несколько шагов. В целом же пространственные флуктуации сигнала в пределах одного этажа подчиняются логарифмически нормальному распределению. Наибольшее ослабление сигнала наблюдалось на первом этаже.

Измерения, выполненные Шеффердом в Вашингтоне на частотах 150, 450 и 900 МГц, указывают на почти линейную зависимость среднего уровня сигнала внутри здания от высоты расположения приемного пункта. Сравнивается средний уровень сигнала внутри здания последовательно на разных этажах с амплитудой сигнала на улице вблизи здания на высотах 1-1,5 м над поверхностью земли. На первом этаже сигнал внутри здания был ослаблен на 35 дБ на частоте 150 МГц. При поднятии приемного устройства внутри здания ослабление в среднем уменьшалось до 8 дБ на четырнадцатом этаже. На частотах 450 и 900 МГц соответствующие значения были близки и равнялись 28 дБ на первом и 0 дБ на четырнадцатом этажах.

Высотная зависимость ослабления внутри здания существенно зависит от высоты и плотности застройки. Измерения, выполненные Дьюрантом в Чикаго и Шаумбурге, где антенна базовой станции устанавливалась на высоте примерно 50 м над поверхностью земли на открытом месте (большей частью присутствовал прямой сигнал в точке приема на улице), подтвердили на частоте 900 МГц близкую к линейной высотную зависимость ослабления внутри здания (25 дБ на первом и 0 дБ на двенадцатом этажах) относительно уровня сигнала, зарегистрированного вблизи здания на улице. В то же время измерения в Манхеттене, где высота поднятия антенны была около 180 м (но в окрестности базовой станции в пределах полумили было много высотных зданий, создававших затенения в направлении на приемник, дают меньшее значение высотного градиента ослабления: 22 дБ на первом и 6 дБ на двадцатом этажах. Отмечается, что высота приемного пункта была еще недостаточна для выхода из тени, создаваемой окружающими зданиями. Здания в Манхеттене были 20- 80-этажные, в Чикаго - 8-16-этажные. "Потери проникновения" внутрь здания во всех случаях составляли от 10 до 30 дБ, но, как правило, на нижних этажах были больше (18-30 дБ). Распределение амплитуды сигнала было близким к логарифмически нормальному.

Эксперименты по определению затухания УКВ внутри зданий описаны также в книге . Для измерений выбирались здания с известным уровнем напряженности поля снаружи на уровне 1,5 м от земли. Измерения в помещениях с помощью приемника-анализатора позволили получить значительную выборку затуханий поля УКВ, проникающего в помещения здания, каждое значение которой определялось как

где - медианный уровень напряженности поля снаружи здания уровне 1,5 м от земли,- медианный уровень напряженности поля внутри помещений зданий на уровне 1 м от пола.

Статистическую обработку выборок затуханий проводили для каждого вида помещений (первых и цокольных этажей, подвальных помещений) отдельно по классической схеме: полученные результатов по оценке затуханий для каждого типа помещений зданий группировали винтервалови определяли их среднюю величину, число отсчетов в каждом 1-м интервале и его относительную величину (частность). Далее определяли плотность частности.

На рис 4.12 представлены соответствующие гистограммы. Из приведенных графиков видно, что порядки величин "потерь проникновения" вполне соответствуют данным зарубежных авторов. Четко прослеживается также тенденция уменьшения относительного затухания при подъеме на более высокие этажи.

Во всех экспериментальных работах отмечается относительно слабая зависимость "потерь проникновения" от частоты сигнала для частот выше 30 МГц.

К настоящему времени нет удовлетворительных методов расчета среднего ослабления поля при проникновении его внутрь здания. Обращение к многослойным диэлектрическим структурам не порождает каких-либо надежд. Подгонка квадратичной формулы Введенского путем введения в нее эмпирических коэффициентов также не представляется перспективной, поскольку не может быть физически разумно истолкована.

Естественно предположить, что в среднем высотная зависимость поля внутри здания должна соответствовать высотной зависимости поля вне здания, отличаясь от нее на некоторый коэффициент. Это подтверждается качественным сопоставлением высотной зависимости в описанных работах с высотной зависимостью медианного значения напряженности поля в городе, установленной в общих чертах экспериментально.

1. Большинство моделей для расчёта радиотрасс внутри зданий основано на формуле распространения радиоволн в свободном пространстве

где - мощность передатчика;

Расстояние между передатчиком и приёмником

Однако, наличие стен, пола, предметов, людей и других объектов приводит к применению некоторых эмпирических моделей, основанных на многочисленных экспериментах.

Для таких трасс потери определяются выражением

где - расстояние между передатчиком и приёмником;

Расстояние прямой видимости;

Потери при распространении радиоволн на трассе прямой видимости длиной r 0 .

В некоторых моделях n – постоянная величина и является функцией расстояния между приёмником и передатчиком. Он показывает с какой скоростью возрастают потери передачи от расстояния:

В интервале расстояний

До r = 10 м n = 2,

10 м < r < 20 м n = 3,

20 м < r < 40 м n = 6,

R > 40 м n = 12.

Важно правильно выбрать подходящее расстояние r 0 для исследования условий распространения. В сотовой связи с большими зонами действия обычно используется расстояние 1 км, в микросотовых системах много меньше – 100 м. Это расстояние должно соответствовать дальней зоне антенны для исключения эффектов ближнего поля.

Увеличение значения n с ростом расстояния связано с увеличением числа стен, отделяющих приёмную и передающую антенны.

Показатель n зависит от конкретных параметров среды распространения. Значения n для различных сред приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Показатель n Свободное пространство Сотовая связь в городе Сотовая связь в городе в тени В зданиях при прямой видимости Препятствия, загромождения в зданиях

Таблица 3.2

Материал	Коэффициент прохождения, %		Коэффициент отражения, %
Гипсовая панель (s=1см)
Фибролит (s=1,9см)
Бетонная плита (s=10см)

2. Явление реверберации

Если передающая антенна расположена внутри комнаты, то независимо от её положения многократное отражение радиоволн от стен, пола, потолка, мебели и других объектов приводит к увеличению мощности принимаемого сигнала по сравнению со свободным пространством. Это напоминает явление реверберации, хорошо изученное в акустике.

Реверберация – остаточный звук, при выключенном источнике за счёт переотражений.

Формула расчёта основных потерь имеет вид:

,

где R– коэффициент реверберации (коэффициент отражения)

где S– площадь поглощающей поверхности;

–средний коэффициент поглощения поверхности.

Значение потерь сильно зависит от – коэффициента поглощения строительных материалов и покрытий (табл. 3.2).

Таблица 3.2

Материал		Коэффициент прохождения, %		Коэффициент отражения, %
Гипсовая панель (s=1см)
Фибролит (s=1,9см)
Бетонная плита (s=10см)

В некоторых работах приведены результаты экспериментальных исследований электромагнитных свойств некоторых строительных конструкций (стен, перегородок и т.п.), а также свойства однородных строительных материалов – см. табл. в диапазонах волн 2 – 7 ГГц (табл. 1, 2).

При расчёте характеристик сигналов внутри зданий и помещений используются различные модификации лучевых методов, которые позволяют учитывать отражение радиоволн от стен, потолка, пола, местных предметов,дифракцию волн на дверях, окнах и другие явления, сопутствующие распространению радиоволн.

Таблица 1. Результаты измерений коэффициентов прохождения и отражения для различных материалов на двух частотах 2,3 ГГц и 5,25 ГГц.

Материал
Оргстекло (7,1 мм)
Оргстекло (2,5 мм)
Жалюзи (закрытые)
Жалюзи (открытые)
Красный кирпич (сухой)
Красный кирпич (влажный)
Потолочное покрытие
Стекловолокно
Линолеум
Хвойная доска
Гипсовая плита
Шлакоблок (сухой)
Шлакоблок (влажный)

Таблица 2.Относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс потерь при f = 2 – 7 ГГц

Материал	Относительная диэлектрическая Проницаемость	Тангенс угла потерь
Оргстекло
Жалюзи (закрытые)
Жалюзи (открытые)
Красный кирпич (сухой)
Красный кирпич (влажный)
Потолочное покрытие
Стекловолокно
Линолеум
Хвойная доска
Гипсовая плита

Метод параболического уравнения (по расчёту радиотрасс пролегающих в сильнопересечённой местности)

Donohue D.I., Kutter I.R. Propagation modeling over terrain using the parabolic wave equation. IEEETrans.AntennasPropagat. 2000,vol. 42No.2,pp200 – 277.

Модели, позволяющие учесть дифракцию радиоволн на нескольких препятствиях – это модели Биллингтона, Эйнштейна – Петерсона и др.