Распространение радиоволн в каналах наземных систем подвижной радиосвязи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Распространение радиоволн в каналах наземных систем подвижной радиосвязи (СПР)



План

радиотень поле прием локальный

1. Особенности распространения радиоволн в условиях города

2. Статистический и детерминистский подходы к расчету уровня поля

3. Основные эмпирико-статистические модели расчета

3.1 Модель Ли

3.2 Модель Окамуры

3.3 Модель Хаты

3.4 Модель COST231-Hata

3.5 Заказные модели

3.6 Модель Уолфиша - Икегами

4. Зоны уверенного приема, глубокой радиотени и локальные теневые зоны

Литература



1. Особенности распространения радиоволн в условиях города

Ультракороткие волны имеют широкое применение в наземных системах подвижной радиосвязи. Большинство таких систем работает на земной волне.

В рассматриваемом диапазоне волн (УВЧ диапазон) устойчивая работа на земной волне ограничена расстоянием прямой видимости (десятки километров). Для передачи информации на расстоянии в сотни и тысячи километров используют радиорелейные линии (РРЛ) с интервалами в пределах прямой видимости.

Для увеличения радиуса действия станций стараются поднимать антенну на передаче по возможности выше за счет, как естественного рельефа местности, так и башни, на которой устанавливается антенна[52].

Условия приема сигналов в диапазоне УКВ существенно зависят от расположения приемной антенны относительно окружающих ее предметов. В городских условиях такими предметами являются здания, деревья, заводские трубы, мачты и т.п. Близко расположенные здания могут в зависимости от их расположения оказаться затеняющими препятствиями или источниками местных отраженных волн.

Затеняющее действие отдельного препятствия приводит к тому, что поле за препятствием появляется в результате двух процессов: дифракции и проникновения через препятствие. Дифракция в рассматриваемом диапазоне волн протекает с большими потерями. Проникновение сквозь препятствия типа стен зданий также сопровождается большими потерями за счет поглощения. Измерения показывают, что напряженность поля за отдельно стоящим кирпичным зданием на 20...30 дБ ниже, чем перед ним, а за железобетонным строением уровень сигнала падает на 30...40 дБ. В целом внутри городской застройки имеются многочисленные теневые зоны, где сигнал значительно ослаблен.

Действие окружающих зданий как источников отраженных волн проявляется как в виде неравномерного распределения амплитуды поля в пространстве из-за интерференции многочисленных отраженных волн, так и в своеобразном подсвечивании теневых зон. В случае вертикальной поляризации первичного поля отражения наиболее интенсивны от предметов, протяженных по вертикали (стены зданий, деревья). Большое влияние местных предметов на условия приема вертикально-поляризованного поля является одной из причин преимущественного применения горизонтальной поляризации в системах телевизионного вещания.

Сложность условий распространения УКВ в городе определяет статистический характер как теоретических, так и экспериментальных исследований. По условиям приема сигнала можно выделить три наиболее типичных ситуации: передающая и приемная антенны находятся над уровнем городской застройки, и между ними имеется прямая видимость; связь между подвижным объектом и базовой станцией; связь между двумя подвижными объектами.

В первом случае, характерном для приема сигналов телевизионного вещания, расчет напряженности поля ведут по квадратичной формуле Введенского, умножая результат на поправочный коэффициент (обычно 0,4.. .0,6). Во втором и третьем случаях между пунктами передачи и приема, как правило, нет прямой видимости, и основной вклад в формирование многолучевого поля вносят отражения от зданий в окрестности подвижного пункта.

Рассмотрим закономерности изменения напряженности поля в точке приема в городских условиях в зависимости от расстояния, частоты волны и высот установки антенн.

На рис. 1 приведены зависимости среднего (медианного) значения мощности сигнала от расстояния при различных высотах подъема антенны базовой станции h1 измеренные на частоте 922 МГц. Высота подъема антенны на подвижном объекте принята равной 3 м. Штриховой линией показана зависимость Рс от расстояния для условий свободного пространства. Уровень 0 дБ соответствует полю в свободном пространстве на расстоянии 1 км от базовой станции.

Анализ приведенных зависимостей показывает, что при увеличении расстояния до 15 км мощность сигнала убывает как r-3. Последующее увеличение приводит к еще более быстрому уменьшению уровня сигнала.

Рис 1 Зависимость медианного значения мощности сигнала от расстояния

Ослабление сигнала в городе возрастает с увеличением его частоты. Если эту зависимость представить в виде , где - коэффициент пропорциональности, то с увеличением частоты от 100 до 2000 МГц значение n изменится от 0,2 до 1 (рис. 2).

При r = 1... 10 км зависимость уровня поля от частоты слабая; при дальнейшем увеличении расстояния значение п начинает зависеть от него и растет значительно быстрее. Изменение медианного значения множителя ослабления от частоты, измеренного при h1 = 200 м и h2 = 3 м для расстояний 1, 5,20 и 40 км, показано на рис. 3.

Зависимость среднего уровня поля от высоты расположения антенны базовой станции можно проследить по рис. 1. Высота установки антенны не влияет на скорость уменьшения уровня сигнала с расстоянием. Однако подъем антенны базовой станции приводит к увеличению абсолютного значения поля примерно пропорционально квадрату высоты (6 дБ/окт).

На поле в точке приема влияют не только рассмотренные факторы, но и многие другие. В частности, установлено, что уровень сигнала существенно зависит от расположения улиц в городе, которые оказывают канализирующее действие на распространяющиеся волны.

Рис 2 Зависимость показателя от увеличения частоты

Рис 3 Изменение медианного значения множителя ослабления от частоты

Вдоль радиально расположенных улиц (относительно базовой станции) уровень сигнала на 10...20 дБ выше, чем в перпендикулярных направлениях. [52]

2. Статистический и детерминистский подходы к расчету уровня поля

Известно, что при расчете радиополя УКВ в системах подвижной радиосвязи наиболее широко используются эмпирико-статистические и аналитико-статистические подходы. Фактически стандартом первого из указанных подходов стала работа Окамуры; второй подход основан либо на специально разработанных эмпирических моделях, либо на прямой аппроксимации кривых Окамуры. Имеются также статистические подходы, базирующиеся на теоретическом анализе структуры поля при статистическом описании параметров городской застройки.

Указанные подходы в условиях статистически однородного города дают достаточно надежную информацию, как о зонах потенциально уверенного приема, так и о зонах, занимающих достаточно обширную территорию, в пределах которой качество и надежность связи не гарантируется (зонах радиотени).

Естественно, что статистические подходы по самой своей сути не могут обеспечить учет индивидуальных особенностей трасс, в частности, прогнозирование локальных теневых зон, возникающих внутри освещенных областей из-за влияния крупных неоднородностей. Стремление снизить величину дисперсии прогнозируемых величин путем учета особенностей конкретных трасс, в том числе планировки района, рельефа местности и т.п., привело к появлению детерминистских подходов к определению поля. Очевидно, что полностью детерминистские методы расчета неосуществимы не только из-за очень большего объема вычислений и отсутствия строгих электродинамических методов учета всех локальных особенностей. Для поля в данном случае характерна сложная интерференционная картина, которую образуют множество волн с разными фазами и амплитудами с квазипериодом порядка длины волны. Даже небольшое смещение точки наблюдения при этом приводит к резкому изменению напряженности поля. Расчетная интерференционная картина в этих условиях зависит от мелких деталей рельефа и конструкций зданий, которые не могут учесть никакие цифровые карты; кроме того, указанная картина меняется во времени. Наконец, достоверность расчетной картины нарушается влиянием самого подвижного объекта, размеры которого значительно больше пространственного периода биений. По указанным причинам обоснованные попытки детерминистских подходов осуществляются только применительно к микро - и пикосотовым системам, причем окончательные численные результаты представляются и здесь обычно в статистически обработанном виде.

Рассмотрим подход, справедливый при высоко поднятой антенне базовой станции (БС) и низко расположенной антенне мобильной станции (МС), т.е. в ситуации, представляющей особый интерес для связи с подвижным объектом, основан на сочетании статистических и детерминистских подходов. При этом влияние всего дальнего окружения, полный учет которого детерминистским методом принципиально невозможен, оценивается статистически, а влияние ближних препятствий, определяющих возможные зоны локальных теней - детерминистским методом. Теоретические методы статистического анализа многолучевой структуры поля УКВ в городе позволяют получить в приближении однократного рассеяния, которое в основном и определяет среднее значение сигнала при дальности свыше 1 км, распределение углов прихода волн в точку наблюдения. Оказывается, что по мере подъема антенны передатчика БС над городской застройкой быстро исчезают отражения в его ближайшем окружении, в то же время увеличивается число площадок на зданиях, которые "освещаются" источником и одновременно видны с низко расположенного пункта, причем их плотность возрастает в направлениях, противоположных направлению на источник излучения. Преобладающее влияние имеют отражения от этих площадок, происходящие по законам, близким к законам геометрической оптики.

В результате среднее угловое распределение интенсивности излучения, приходящего к приемному пункту, антенна которого расположена значительно ниже крыш окружающих зданий, имеет унимодальный характер, описываемый функцией:

, (1)

где угол отсчитывается от прямой соединяющей БС и МС, т.е. соответствует по форме кардиоиде, имеющей максимум в направлении от МС к БС. Выражение (1) справедливо при достаточном удалении точки наблюдения от БС, однако, чем больше плотность застройки, тем увереннее можно пользоваться (1) даже при приближении к БС.

Естественно, что «изъятие» зданий, расположенных непосредственно вблизи точки наблюдения, не изменит существенно вида функции, описывающей среднее угловое распределение, определяемое всем дальним окружением. Положение локальных теневых зон находится путем решения задачи дифракции на "изъятой" ранее группе зданий (с учетом отражения от земли) при облучении их указанном выше угловым спектром волн. Однако какие-либо количественные оценки при определении зон тени отсутствуют. Критерием тени является лишь полное отсутствие, как поля прямой волны, так и однократно отраженных волн (в том числе от земли); вне этих зон амплитуда волн не контролируется, т.е. считается, что сам факт наличия указанных волн уже достаточен для осуществления связи.

В данном случае учет особенностей городской застройки в пределах больших сот предлагается осуществлять с помощью количественных критериев. Для этого вводится соответствующая нормировка амплитуд углового спектра волн; кроме того, учитывается ослабление амплитуды прямых и отраженных волн на основе решения известной задачи дифракции на клиновидном препятствии.

Нормировка амплитуд компонент углового спектра волн осуществляется следующим образом. В интересующем микрорайоне выделяется точка, соответствующая центру данной территории. В этой же точке с использованием какой-либо статистической модели (используем модель Хаты) находится среднее значение поля. Далее в этой же точке при "изъятых" зданиях находится поле, создаваемое спектром волн. Для этого на некотором замкнутом вокруг микрорайона контуре Г располагается N эквивалентных источников, формирующих спектр волн. Для удобства выберем контур Г в виде окружности радиуса b с центром в точке C. Амплитуду поля, создаваемую каждым из этих источников с номером n в точке C, представим в виде

, (2)

где - угловое положение n - ого источника, A- амплитудный множитель. Учитывая статистическую независимость приходящих с разных направлений волн многолучевого поля, получим для суммарного поля в точке C:

. (3)

Приравнивая из (3) величине , находим амплитудный множитель A. Остановимся на выборе радиуса b и числа источников N. При больших размерах сот расчет поля вблизи БС, где средняя интенсивность заведомо превышает пороговый уровень, необходимый для надежной радиосвязи, возможный даже и в теневых зонах, где уровень поля снижается на 20-30 дБ, не представляет существенного интереса. В областях же, достаточно удаленных от БС, среднее значение поля в пределах ограниченного микрорайона, рассчитанное с использованием статистических моделей, меняется сравнительно мало. Соответственно, параметры b и N должны быть таковы, чтобы суммарное поле в любой точке внутри микрорайона столь же мало отличалось от поля в точке С.

Численные расчеты показывают, что для выполнения указанных требований достаточно выбрать , где - расстояние между базовой станцией и центром микрорайона, а , где 2-4° - угловое расстояние между двумя соседними источниками.

После нахождения амплитудного множителя A решается задача дифракции поля эквивалентных источников на группе зданий, расположенных в пределах интересующего микрорайона. Учитываются поля прямых волн и волн, однократно отраженных от зданий или поверхности земли, причем указанные поля, ввиду статистической независимости волн облучающего спектра, складываются квадратично, т.е. складываются мощности этих сигналов.

При прохождении волн вблизи вертикальных ребер зданий или через достаточно узкие просветы между зданиями понятие прямой видимости требует соответствующего уточнения. Для этого можно воспользоваться хорошо разработанным аппаратом учета дифракции на клиновидных препятствиях применительно к радиорелейным линиям связи. Каждое здание рассматривается при этом как непрозрачная полуплоскость, простирающаяся в сторону, противоположную ребру здания, рядом с которым проходит волна. Для наглядности на рис. 4 изображены разные случаи расположения точек A (соответствующей эквивалентному источнику) и B (соответствующей МС) относительно указанных полуплоскостей. Вариант а) соответствует просвету между двумя зданиями, остальные случаи относятся к одиночным препятствиям вблизи направления движения волны, причем варианты б) и г) относятся к так называемым открытым трассам, в) и д) - трассам закрытого типа.



Рис. 4

Множитель ослабления для варианта а) определяется следующим выражением:

(4)

где (5)

(6)

и - размеры просветов слева и справа от линии AB (см. рис.4,а), причем оба просвета в этом варианте считаются положительными; , - расстояния от точки A до ребер левой и правой полуплоскостей, , - соответствующие расстояния от точки B, - длина волны, и - интегралы Френеля. Для варианта б) остается справедливым выражение (5), но размер устремляется к бесконечности, в силу чего ,. В случае г) просвет , поэтому здесь ,. В вариантах в) и д), соответствующих трассам закрытого типа, просветы и соответственно следует брать со знаком минус. Приведенные соотношения, вообще говоря, справедливы, когда экранирующие препятствия ориентированы перпендикулярно линии AB. При повороте препятствия на некоторый угол следует использовать необходимые рекомендации, согласно которым любой поворот экрана, при котором не меняется проекция этого экрана на плоскость, перпендикулярную трассе, не вызывает изменения ослабления. Если проекция края экрана на плоскость, перпендикулярную трассе, не вертикальна, а повернута на некоторый угол (что имеет место при наклонной трассе), то при расчете поля, величину просвета следует отсчитывать по перпендикуляру к проекции края экрана.

Расчет поля можно осуществлять в двух вариантах. В первом варианте вводится несколько граничных уровней поля и рассчитывается границы для каждой градации. Во втором, более простом варианте вводится уровень поля, при котором связь практически невозможна и определяются границы «теневых» зон, в пределах которых связь невозможна.

Разумеется, поскольку описанный подход не учитывает просачивания части энергии через здания, дифракционные эффекты второго порядка и т.д., найденные теневые зоны следует характеризовать только как потенциально опасные, хотя учет всех этих эффектов в принципе может быть осуществлен и при данном подходе ценой соответствующего усложнения аппарата.

Разработанный метод расчета поля сочетает преимущества статистического подхода с достоинствами детерминистских методов, позволяющих учесть особенности застройки в интересующем микрорайоне. Метод весьма прост и может быть дополнен учетом более тонких дифракционных эффектов. [54]

Построение адекватной модели городского радиоканала является сложной, но в то же время интересной и перспективной задачей, решение которой может принести немалую выгоду операторам, предлагающие свои услуги в области радиосвязи. При моделировании влияния городских сооружений на распространение радиоволн в городе различают два типа методов: статистические и детерминированные. Статистические методы могут предсказать лишь некоторые средние характеристики сигналов, но при этом они не принимают во внимание особенности конкретных радиотрасс и основываются на предварительных экспериментальных данных, от числа которых зависит точность расчетов. В отличие от них, детерминированные методы учитывают конкретную городскую застройку, особенности стен зданий и, поэтому в целом дают более точные прогнозы. Среди детерминированных методов особое место занимают методы, основанные на приближении геометрической оптики, которые помимо расчета напряженности поля в точке приема позволяют предсказать направление прихода, а также характеристики лучей, формирующие данное поле. Способность давать подобные оценки делает эти методы особенно ценными, так как сейчас, в эпоху развития цифровой связи, помимо прогноза относительно такого важного параметра как напряженность поля, требуется знать еще и прогноз относительно других параметров, например, время задержки лучей. Основной недостаток методов геометрической оптики, заключается в том, что они предъявляют высокие требования к ресурсам компьютера, от вычислительной мощности которого зависит время расчета. [56]



3. Основные эмпирико-статистические модели расчета

Качество связи зависит от многих параметров, таких как усиление передающей и принимающей антенн, мощности передатчика, и коэффициента шума приемника. Все эти параметры находятся под контролем проектировщика системы и могут быть изменены, чтобы оптимизировать систему.

Один параметр, однако, не находится под контролем проектировщика системы. Этот параметр - потери распространения или потери на трассе. Эти потери приводят к ослаблению сигнала при его прохождении от передатчика до приемника.

Имеется много методов моделирования потерь распространения сигнала. [57] Методы моделирования отличаются, но все они используют расстояние между передатчиком и приемником как основной (критический) параметр. Другими словами, потери распространения сильно зависят от расстояния между передатчиком и приемником. Другие эффекты могут также учитываться в дополнение к основному фактору[58].

3.1 Модель Ли

Распространение радиоволн в наземной связи сопровождается большими потерями, чем в свободном пространстве, поскольку имеются препятствия между передатчиком и приемником. В результате принятый сигнал складывается из сигналов, перемещающихся через прямые и непрямые пути. Это сигналы, перемещающиеся по линии прямой видимости, и сигналы, перемещающиеся по ломаной линии, которая формируется на основании рассеяний и отражений от объектов, находящихся между передатчиком и приемником (строения, деревья, холмы и др.). Именно поэтому потери на трассе в приземной области выше, чем в свободном пространстве, и степень потерь находится в более сильной зависимости от расстояния между передатчиком и приемником. Для иллюстрации приведем упрощенную формулу в модели Ли для частот, используемых в сотовой связи [57]:

(7)

где d - расстояние (в километрах) между передатчиком и приемником, h - высота (в метрах) антенны базовой станции.

Выражение (8) можно представить в логарифмической форме

(8)

3.2 Модель Окамуры

Модель, предложенная Окамурой, основана на результатах экспериментальных исследований и по сравнению с двулучевой моделью позволяет более точно предсказывать среднее значение затухания радиосигнала на относительно большом расстоянии между передающей и приемной антеннами (более 1 км).

Согласно модели Окамуры среднее затухание в дБ определяется как:

(9)

где - затухание в свободном пространстве; - затухание в городе относительно затухания в свободном пространстве при высоте антенны передатчика= 200 м и высоте приемной антенны = 3 м; C - фактор затухания для различных типов местности.

Коэффициенты высоты и для антенн базовой и абонентской станции соответственно определяются следующим образом:

при (10)

при (11)

при (12)

Составляющие для затухания и определяются графическим способом, используя рис. 5 и рис. 6. Для сельской местности фактор затухания на 5 дБ меньше, чем для открытого пространства. [53]

Рис. 5. Зависимость затухания в городе от частоты сигнала и расстояния при =200м и = 3 м



Рис. 6. Зависимость фактора затухания «C» от частоты сигнала и типа местности

3.3 Модель Хаты

Модель Окамуры основана на графическом представлении экспериментальных данных, полученных Окамурой при измерениях уровней радиосигнала в г. Токио (Япония). Очевидно, что такая модель неудобна для вычислений с помощью ЭВМ. Для удобства ее реализации Хата предложил эмпирическую модель описания графической информации, представленной Окамурой. Следовательно, модель Хаты в виде математической записи также основана на экспериментальных данных Окамуры.

Среднее затухание радиосигнала в городских условиях рассчитывается по эмпирической формуле, дБ:

(13)

где = 150…1500 МГц - частота радиосигнала; = 30…200 м - высота передающей антенны; = 1…10 м - высота приемной антенны; = 1…20 км - расстояние между антеннами; A() - поправочный коэффициент для высоты антенны подвижного объекта, зависящий от типа местности. [53]

Для малых и средних городов:

(14)

Для больших городов:

при МГц (15)

при МГц (16)

Для пригородных районов, дБ:

(17)

Для сельской местности, дБ:

(18)

3.4 Модель COST231-Hata

Для диапазона частот 1,5…2 ГГц используется модель COST231-Hata, которая является модифицированным вариантом модели Хаты. Формула для расчета среднего затухания в городе, дБ:

(19)

где ; С = 0 дБ для малых и средних городов; С = 3 дБ для больших городов.

Корректировки для пригородных районов не используются. Для сельской местности поправочный коэффициент A() тот же, что и в модели Хаты. [53]

3.5 Заказные модели

Заказная модель основана на модели Хаты и позволяет ее модифицировать, т.е. методом подбора постоянных коэффициентов достигается соответствие результатов теоретических расчетов и измерений для конкретной местности, дБ:

(20)

Для малых и средних городов:

(21)

и так далее. Аналогично для заказной модели в диапазоне 1,5…2 ГГц (COST231-Hata). [53]

3.6 Модель Уолфиша - Икегами

Область частот: 800...2000 МГц; высоты антенн БС: 4…50 м, AC: 1...3 м; расстояние между БС и АС: 0,02...5 км; высота близлежащих к БС зданий: ?80 м; расстояние между домами: 20...50 м; ширина улицы: 10...25 м; ориентация улицы относительно направления прихода сигнала: 0...90 °.

Медианное значение потерь передачи L0, дБ определяется по формуле:

, (22)



где - потери при распространении в свободном пространстве;

, (23)

- потери за счёт отражений от зданий;

где =10…15м - ширина улицы; - потери, обусловленные ориентацией улиц относительно направления прихода сигнала, которые равны:

(24)

где - ориентация улицы относительно направления прихода волны;

, (25)

где (26)

где - средняя высота близлежащих к БС зданий; - расстояние между зданиями;

(27)

(28)

(29)

Из условий применимости данной модели следует возможность ее использования для расчета потерь в микросотовых системах связи. Однако есть ряд серьезных замечаний, которые ставят под сомнение возможность использования модели при расположении антенн БС ниже уровня крыш.

Во-первых, модель не учитывает дифракцию на боковых ребрах зданий, и не принимаются в расчет возникающие при этом дифракционно - отраженные компоненты поля.

Во-вторых, на малых расстояниях от БС наблюдается существенное различие в поведении сигналов разной поляризации. Это объясняется в основном отличиями в условиях отражения от стен зданий [61].

Поправка на ориентацию улиц, применяемая в данной модели, в ряде случаев оказывает негативное воздействие с точки зрения качества прогноза. Данный эффект особенно будет сказываться в той части территории, о которой справедливо говорить, что поле в основном определяется механизмом дифракции с крыш, а ориентация улицы не совпадает с ориентацией зданий, формирующих улицу. Кроме того, на любой территории, имеющей застройку, могут возникать места, на которых поле будет определяться дифракцией с крыш, но не последнего здания, а, например, зданий, более близких к БС, но имеющих доминирующую высоту[62].

Однако именно эта модель является наиболее эффективной при планировании зон радиопокрытия сетью сотовой подвижной радиосвязи в городских условиях.



4. Зоны уверенного приема, глубокой радиотени и локальные теневые зоны

Уверенным приемом называют такие условия приема передач, когда независимо от погоды, состояния солнечной активности, времени суток и года, температуры и влажности воздуха, а также других факторов обеспечивается прием программ заранее выбранного телевизионного передатчика.

Официальная зона уверенного приема определяется расстоянием прямой видимости передающей антенны до точки установки приемной антенны.

При этом исходят из того, что ультракороткие волны (УКВ), на которых ведутся телевизионные передачи, распространяются прямолинейно, подобно свету, не огибают земную поверхность и не отражаются ионосферой в противоположность волнам коротковолнового диапазона. В связи с тем, что поверхность Земли шарообразна с радиусом сферы около 6370 км, можно вывести следующую формулу для определения максимальной дальности, соответствующей прямой видимости:

где D - максимальная дальность прямой видимости, км; Н - высота передающей антенны, м; h - высота приемной антенны, м.

Формула не учитывает фактического рельефа местности и предполагает, что антенны установлены на идеально ровной сферической поверхности Земли. Кроме того, при распространении радиоволн УКВ диапазона все-таки имеют место и дифракция, и рефракция радиоволн. Дифракцией радиоволн называют явления, возникающие при встрече радиоволн с препятствиями, когда они огибают препятствие и проникают в область тени, отклоняясь от прямолинейного пути. Когда передающая и приемная антенны разделены выпуклостью земного шара, дифракция радиоволн является одной из причин приема сигналов за пределами прямой видимости. Эффект дифракционного проникновения радиоволны в область тени зависит от соотношения между размером препятствия и длиной волны и выражен тем сильнее, чем больше длина волны. Поэтому в диапазоне УКВ, где длина волны сравнительно мала, эффект дифракции не так велик, как в диапазоне длинных или средних волн, но все-таки имеет место.

Распространению радиоволн за пределы прямой видимости также способствует явление, называемое нормальной тропосферной рефракцией (преломлением).

Показатель преломления зависит от давления и температуры воздуха, которые убывают с высотой. Это приводит к увеличению максимальной дальности возможного уверенного приема телевизионных передач по сравнению с максимальной дальностью, ограниченной условиями прямой видимости.

Помимо явлений дифракции и нормальной рефракции дальнему распространению радиоволн способствует их рассеяние различными наземными металлическими предметами в виде железобетонных масс зданий, мостов, мачт, а также неоднородностями в верхних слоях атмосферы. В результате рассеяния возникают вторичные излучения сигнала, которые, конечно, значительно слабее по мощности основного. Однако при наличии высокоэффективной антенны и достаточно чувствительного телевизионного приемника можно считать реальным достижение уверенного приема телевизионных передач благодаря упомянутым выше явлениям на значительно больших расстояниях, чем дает формула дальности прямой видимости.

Область, в пределах которой оказывается возможным уверенный прием, можно, поэтому разбить на две зоны: прямой видимости и полутени. В зоне прямой видимости напряженность электромагнитного поля сигнала достаточно велика, и прием возможен с помощью обычных антенн. Расширить зону прямой видимости данного передатчика в целях использования сравнительно простой антенны можно лишь увеличением высоты ее установки. Однако в связи с тем, что высот приемной антенны обычно значительно меньше высоты передающей, расширение зоны прямой видимости таким способом оказывается незначительным. Так, в приведенном выше примере увеличение высоты приемной антенны с 30 до 60 м дает расширение зоны прямой видимости с 101 лишь до 109 км. В зоне полутени напряженность поля сигнала значительно ниже, чем в зоне прямой видимости, так как в зону полутени проникает лишь небольшая часть энергии сигнала, излученного передающей антенной. Это вынуждает использование в зоне полутени для уверенного приема высокоэффективных антенн, которые отличаются от сравнительно простых большими размерами и значительно более сложной конструкцией.

Как уже было отмечено, с уменьшением длины волны явления дифракции ослабевают. При этом увеличивается затухание сигнала в атмосфере за счет поглощения энергии различными посторонними частицами (пыль, снег, дождь, туман) и молекулами воздуха. Поэтому протяженность зоны полутени зависит от длины волны, т. е. от номера частотного канала. При достаточно большой мощности телевизионного передатчика, когда ведется прием передач программного телецентра, зона полутени ограничена расстоянием 200... 220 км от передатчика, работающего на 1-2-м каналах, 160... 180 км от передатчика, работающего на 3-5-м каналах, 120... 150 км от передатчика, работающего на 6-12-м каналах. Зоны полутени для диапазона дециметровых волн практически не существует. Кроме того, наблюдается повышенное затухание сигнала в атмосфере для этого диапазона. Вот почему можно считать, что зона уверенного приема дециметрового телевизионного передатчика ограничивается расстоянием прямой видимости, уменьшенным примерно в 1, 2 раза.

Следует заметить, что указанные границы зоны полутени и границы зоны прямой видимости не являются резкими, а в значительной степени размыты. Кроме того, они довольно приближенны, так как совершенно не учитывают фактического рельефа местности. При наличии на трассе высоких холмов и горных преград максимальные расстояния уверенного приема могут оказаться значительно меньшими, а уверенный прием даже при небольших расстояниях от передатчика может оказаться совершенно невозможным. За границей зоны полутени напряженность поля практически равна нулю, и устойчивый прием неосуществим даже при наличии высокоэффективных антенн. [60]



Литература

1. Ерохин Г.А., Чернышев О.В., Козырев Н.Д., Кочержевский В.Г. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. - М. Радио и связь. 1996.-486с.

2. Абилов А.В. Распространение радиоволн в сетях подвижной связи: Теоретический материал и задачи для практических занятий. - Ижевск: Издательство ИжГТУ, 2001. - 24с.: ил.

3. . Ерохин Г.А., Богенс К.К., Шорин О.А. Прогнозирование теневых зон при расчете поля УКВ в системах подвижной радиосвязи. - МТУСИ. «Журнал радиоэлектроники» № 7, 2000.

4. Тоценко В. Проблема надежности сетей. - Журнал «Компьютерра» № 14, 1998.

5. Карпов А.А. Модель городского многолучевого радиоканала с предварительной обработкой данных о городской застройке. - ЯГУ им. П.Г. Демидова. «Журнал радиоэлектроники» № 8, 2008.

6. . Yang, Samuel C. CDMA RF system engineering. Artech House, 1998.

7. Марков Г.Т., Петров Б.М., Грудинская Г.П. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Сов. радио, 1979.

8. . Сайбель А.Г., Основы радиолокации. - М.: Советское Радио, 1961.

9. . www.radiomaster.net

10. . Распространение УКВ в городах // Итоги науки и техники. - 1991. Т.42. (Сер. Радиотехника)

11. Милютин Е. Р. и др. Методы расчёта поля в системах связи дециметрового диапазона / Е. Р. Милютин, Г. О. Василенко, М. А. Сиверс, А. Н. Волков, Н. В. Певцов. СПб: Триада, 2003. - 159 с.

Размещено на Allbest.ru

...