Исследование зон затенения сигналов систем сотовой связи в районах г. Йошкар-Олы

Общая характеристика моделей распространения радиоволн. Основные проблемы распространения и методы их решения. Моделирование распространения радиоволн в городе с помощью эмпирических моделей. Экспериментальное исследование уровня сигнала базовой станции.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Содержание

• Введение
• 1 Анализ современного состояния моделирования распространения УКВ в городских условиях
• 1.1 Основные проблемы распространения радиоволн и методы их решения
• 1.1.1 Затухание радиосигналов при распространении
• 1.2 Модели распространения радиоволн
• 1.2.1 Модель распространения радиосигнала в свободном пространстве
• 1.2.2 Двухлучевая модель распространения радиосигнала
• 1.2.3 Стандартные модели распространения на открытом пространстве
• 1.2.4 Модель Окамура
• 1.2.5 Модель Хата
• 1.2.6 Модель СOST231- Хата
• 1.2.7 Модель Ли «от зоны к зоне»
• 1.2.8 Модель Ли «от точки к точке»
• 1.2.9 Модель Уолфиша - Икегами
• 1.3 Выводы и постановка задачи
• 2 Моделирование распространения радиоволн в городе с помощью эмпирических моделей
• 2.1 Моделирование затухания радиосигнала от расстояния для микрорайона Юбилейный г.Йошкар - Ола
• 2.2 Экспериментальное исследование уровня сигнала базовой станции расположенной в микрорайоне Юбилейный г. Йошкар-Ола и определение зон затухания
• Заключение
• Библиографический список
• Приложение А Блок схема алгоритма
• Приложение Б Модель Хата
• Приложение В Модель COST - 231 Хата
• Приложение Г Модель Уолфиша - Икегами

Введение

С начала 70-х годов внимание исследователей и инженеров во многих странах было обращено к проблеме распространения ультракоротких волн (УКВ) в городах. Это связано с интенсивным развитием систем радиосвязи различного назначения -- от телевидения до систем связи с подвижными объектами и радиотелефонии, играющих в жизни городов огромную роль. Впервые проблема распространения радиоволн этого диапазона в городских условиях возникла еще в 30-е годы [7]. После первых работ, выполненных в основном для метровых волн, интерес к проблеме постепенно падал из-за сложности распространения УКВ радиоволн и трудности получения достоверных количественных оценок. По характеристике Б. А. Введенского [6], опубликовавшего в 1938 г. первый аналитический обзор по распространению метровых радиоволн в городах, для ультракоротких волн «городские районы представляют собой местности, пересеченность которых доведена до крайних пределов». Обширные затенения, создаваемые строениями, отражения, дифракция и рассеяние волн придают процессу распространения излучения многолучевой характер и формируют сложную интерференционную структуру поля с глубокими и резкими пространственными замираниями. Это создает значительные трудности для прогноза условий работы радиосредств.

Многолучевой характер распространения радиоволн в условиях города определяет специфические особенности городского канала связи на УКВ, порождая искажения широкополосных сигналов, частотно-селективного замирания и явления интерференции при передачи кодовых последовательностей импульсов [1 - 14]. Поэтому построение математической модели города является основной задачей для описания процесса распространения УКВ в условиях города и решение ряда практических задач для систем сотовой связи.

В связи с активным внедрением новых перспективных систем связи различного назначения проблема функционирования систем сотовой связи в условиях города является достаточно актуальной задачей. Большинство радиоэлектронных средств (РЭС), существующих на данный момент, работают в диапазоне ультракоротких волн [1-5]. При этом РЭС расположены в черте города и играют важную роль в его нормальном функционировании. Сейчас сложно найти крупный город, в котором не было бы развернуто большое количество систем радиосвязи (сотовой, передачи данных и т.д.). Для обеспечения качественного функционирования этих РЭС необходима информация о распределении поля внутри застройки.

Наиболее остро этот вопрос планирования и проектирования стоит применительно к условиям города, потому что современный крупный город с точки зрения взаимодействия радиоволн с городской застройкой представляет сложную неоднородную структуру, простирающуюся иногда на десятки километров.

Кроме того, объемы передаваемой информации с каждым годом возрастают. Этим обуславливается освоение новых, более высоких областей частот, которое движется параллельно с развитием систем связи с подвижными объектами. А при использовании более высокочастотных диапазонов городская застройка и рельеф, как известно из физических соображений, оказывают все большее влияние на процессы распространения излучения. Таким образом, существует актуальная проблема исследования функционирования систем сотовой связи, образование зон затенения в г. Йошкар - Ола.

С целью более подробного разбора, ВКР была разбита на несколько последовательных глав.

В первой главе был проведен анализ современного состояния моделирования распространения УКВ в городских условиях, подробно рассмотрены модели распространения радиоволн в слое городской застройки.

Во второй главе подробно рассмотрено моделирование распространения радиоволн в городе с помощью эмпирических моделей.

Также рассмотрено затухание радиосигнала для микрорайона Юбилейный г. Йошкар - Ола и определены были зоны затенения сигнала.

В заключении приведены результаты.

Все материалы, необходимые для более подробного описания и понимания информации, представленной в работе, приведены в приложении.

1 Анализ современного состояния моделирования распространения радиоволн в городских условиях

В данной главе рассмотрены основные особенности распространения УКВ в условиях города, проведен обзор методов анализа взаимодействия излучения с городской застройкой и существующих моделей на основе классификации по типу исследования. Выполнено сопоставление существующих методов моделирования.

Определены основные проблемы функционирования систем сотовой связи, требующие решения.

1.1 Основные проблемы распространения радиоволн и методы их решения

В настоящее время все более активно используются и внедряются радиосистемы, функционирующие в диапазонах частот выше 30 МГц. Поэтому изучение особенностей распространения радиоволн в этом участке электромагнитного спектра в условиях города весьма актуально, так как решение задач электромагнитной совместимости, частотного планирования, проблем электромагнитной экологии невозможно без информации о пространственно-временном распределении поля. Корректный расчет радиотрасс, проходящих в городской застройке, представляется в настоящее время крайне важным и практически значимым, ведь именно в городах сосредоточено наибольшее количество радиосредств.

Большинство работ по исследованию распространения УКВ было выполнено применительно к системам сотовой связи в силу их практической значимости [1 - 3]. Для сетевого планирования, выполненного на высоком уровне, требуется оптимальное покрытие территории, определение многолучевых эффектов, интерференции. Высокий уровень сетевого планирования включает частотное назначение и определение параметров базовых станций. Подобные задания будут существовать и во всех других системах связи. Условия, в которых эти системы могут использоваться, изменяются от небольших пространств внутри зданий до огромных сельских местностей. Следовательно, методы прогноза распространения радиоволн требуются для покрытия сот разного размера: макро-, микро- и пикосот, включая пространство внутри зданий и ситуации в специальных обстановках, таких как туннели и железные дороги.

В реальных условиях распространения радиосигнала на местности величина затухания зависит от комплекса факторов, определяющих характер распространения радиоволн. К ним относятся: отражение, дифракция, рассеивание, рефракция (преломление) и эффект Доплера.

1. Отражение происходит, когда электромагнитная волна натыкается на объект, который по размерам больше, чем длина волны. Это может привести к ослаблению мощности сигнала при прохождении через препятствие типа стены, но может также заставить отраженную волну распространяться по совершенно иному пути.

2. Дифракция происходит, когда электромагнитная волна встречается с неровной поверхностью с характерным радиусом кривизны существенно меньше длины волны. Это может привести к движению волны вокруг углов и других выступов. Этот эффект очень полезен в условиях здания, поскольку это позволяет сигналу проходить по другому пути, за исключением случая прямой видимости.

3. Рассеивание происходит, когда на пути электромагнитной волны встречается объект размером меньшим, чем длина волны. Результатом будет рассеивание сигнала, и будет иметь место эффект подобный эффекту отражению, когда рассеянный сигнал будет двигаться по разным путям. (Например, лиственные деревья);

4. Рефракция (преломление) происходит при распространении электромагнитных волн в среде с плавно меняющимся от точки к точке показателем преломления; причем термином "преломление" чаще называется резкое изменение направления лучей на границе раздела двух однородных сред с разными показателями преломления. Сигнал испытывает рефракцию, проходя через воздушную и водную среду, стены зданий, различные перекрытия и другие препятствия.

5. Эффект Доплера, имеющий место при перемещении подвижного объекта. Эти эффекты приводят к множественному распространению одного сигнала, и в результате мы получаем многолучевой эффект.

В случае отс...