Модель Okumura-Hata

Среди многочисленных экспериментальных исследований, связанных с прогнозом распространения радиоволн для мобильных систем, исследования Okumura   считаются   наиболее   исчерпывающими.   На   основе   измерений   им построены кривые напряженности поля сигналов для различных условий городской и пригородной местности. Эмпирические формулы, аппроксимирующие кривые Okumura для медианного значения ослабления радиосигнала между двумя изотропными антеннами (передающей и приемной), были получены Hata и известны как эмпирическая модель Hata для ослабления.

Модель Hata описывает особенности распространения радиоволн над квази­плоской местностью и не учитывает особенности рельефа. Кроме того предполагается, что антенны базовых станций расположены выше окружающих строений, а размер ячеек при формировании макросотовой структуры сети составляет около 1 км и более. В этом случае потери распространения определяются главным образом процессом дифракции и рассеяния радиоволн на высоте крыш зданий, окружающих абонентскую станцию. Распространение основных лучей от базовой станции происходит выше крыш строений.

Область применения формулы Hata ограничена следующими значениями параметров:

рабочая частота f, МГц                                  150... 1000;

высота антенны базовой станции hБС, м                   30...200;

высота антенны абонентской станции hАС, м        1... 10;

протяженность трассы R, км                                 1 ...20.

В рекомендации ITU-R Р.529 дано уравнение Hata для напряженности поля в следующем виде:
,       (3.12)

где f - рабочая частота РЭС в МГц; hБС, hAC - высота расположения антенн БС и АС в метрах.

В   формуле   (3.12)   используется   поправочный   коэффициент  на   высоту абонентской станции.
.               (3.13)

Коэффициент   к   в   (3.12)   позволяет   расширить   действие   модели   для протяженности трассы до 100 км:

к = 1        для R < 20 км,

для 20 км <R< 100 км.

Формула (3.12) может быть использована и в диапазоне от 1 ГГц до 2 ГГц с ограничением по дальности до 20 км.

Основные потери передачи L(R) [дБ] при распространении на трассе протяженностью R [км] от радиопередатчика к радиоприемнику в соответствии с этой моделью определяются формулой

,                                            (3.14)

где α, β — коэффициенты, зависящие от типа местности, рабочей частоты и высоты расположения антенн РЭС. Формулы для расчета L(R) для различных типов местности представлены ниже.

Потери в городе:

.         (3.15)

Потери в пригороде;
.                                               (3.16)

Потери в сельской местности:
.                  (3.17)

Потери на открытом пространстве:
.                  (3.18)

В формулах (3.15)-(3.18) используются те же поправочные коэффициенты, что и в (3.12). Для больших городов с плотной городской застройкой коэффициент a(hAC) равен:

 для < 200 МГц, (3.19)

для > 400 МГц.(3.20)

Для корректного использования формул Hata необходимо придерживаться следующего соответствия между типами моделей и характеристиками местности:

7.                   Плотная городская застройка (большой город) - плотная застройка в
основном высокими зданиями (выше 20 этажей) с малой площадью зеленых
насаждений. Покрытие ячеек в значительной мере определяется дифракцией и
рассеянием сигнала на ближайших к абоненту зданиях.

7.                   Городская  застройка  -   многоэтажная  административная   и  жилая
застройка, индустриальные районы. Плотность зданий достаточно высокая, но
может быть разбавлена зелеными насаждениями, небольшими скверами.

7.         Пригород  -   одиночные   жилые  дома,   административные   здания, магазины   высотой   1-3   этажа.   Большие   площади   зеленых   насаждений (деревьев), парковые зоны с отдельными группами зданий плотной застройки.

7.         Сельская местность - открытое пространство с несколькими зданиями, фермы, кустарниковые насаждения, шоссе.

7.                   Открытое пространство - озера, водохранилища, открытые участки
без насаждений, неплодородные земли.

На рис. 15, 16 представлены графики для медианного значения ослабления радиоволн по модели Hata и свободного пространства в диапазонах 450 МГц и 850 МГц. Значения параметров hБС, hАС, указаны на рисунках. Цифрами обозначены: 1 - свободное пространство; 2 - открытая местность; 3 - пригород; 4 - город; 5 - большой город.

Рис. 15. Графики для медианного значения ослабления радиоволн по модели Hata в диапазонах 450 МГц и 850 МГц.

Рис. 16. Графики для медианного значения ослабления радиоволн свободного пространства в диапазонах 450 МГц и 850 МГц.

Как видно из анализа формул (3.15) - (3.20) для модели Okumura-Hata спад функции основных потерь передачи L(R) существенно зависит от высоты расположения антенны БС и может составлять 30...35 дБ на декаду для R< 20 км и более 50 дБ при 20 км < R< 100 км.

Некоторые   аспекты   и   тенденция   увеличения   емкости   сетей подвижной связи

Число пользователей сотовых сетей мобильной связи растет значительно быстрее, чем могли себе представить изобретатели этой технологии. Каждый год количество абонентов возрастает на 40%, и предполагается, что данная тенденция сохранится до конца десятилетия. Резкое увеличение числа абонентов и растущая коммерциализация технологии обуславливают новые требования к сети; в частности, довольно остро стоит задача увеличения емкости ячеек и повышения качества передачи звука при телефонных переговорах.

С одной и той же базовой станцией сотовой сети может взаимодействовать большое число абонентов. Такой режим работы называется множественным доступом (multiple access) к базовой станции. Для обеспечения множественного доступа общий ресурс базовой станции подразделяется на определенное количество "каналов", к которым получают доступ пользователи. В одно и то же время абонент может использовать только один канал. Захват канала происходит при подсоединении к данной базовой станции (при переходе к ней из зоны действия другой базовой станции или инициализации вызова), освобождение канала - при переходе в зону действия другой базовой станции или окончании переговоров.

Разные стандарты организации множественного доступа по-разному "упаковывают" каналы в наличный диапазон частот; от способа этой упаковки зависит емкость ячейки сети.

Первыми появились методы множественного доступа, основанные на разделении каналов по частотам (FDMA, frequency division multiple access). Каждый канал занимает определенную частотную полосу в отведенном для ячейки частотном диапазоне. В настоящее время используются стандарты AMPS (Advanced Mobile Phone Service, ширина канала 30 кГц), NAMPS (Narrowband Advanced Multiple Phone Service, ширина канала 10 кГц), TACS (Total Access Communications System, ширина канала 25 кГц). Все эти стандарты основаны на передаче аналогового сигнала. После установления соединения вся соответствующая каналу полоса частот используется для обслуживания диалога только между одним абонентским телефоном и базовой станцией, какое-либо совместное применение одной полосы частот несколькими абонентами невозможно.

Емкость ячейки сети определяется тем, сколько частотных каналов "умещается" в частотном диапазоне, отведенном для данной ячейки. Величина этого диапазона обычно составляет одну седьмую часть от общего диапазона частот, отведенного для конкретной сотовой сети, что необходимо для "разнесения" по частотам соседних ячеек сети. Благодаря этому можно повторно использовать одни и те же частоты в отдаленных друг от друга ячейках сети, а значит, строить сети неограниченных географических масштабов, применяя конечный диапазон частот.

Большей    емкости    сети    можно    достичь    с    помощью    одного из многочисленных методов  множественного  доступа с  временным  разделением каналов (Time Division Multiple Access, TDMA). Весь диапазон частот, выделенный для данной ячейки, сначала подразделяется на определенное число несущих частот (как в методах множественного доступа), после чего каждая из несущих делится еще на некоторое число временных слотов, и именно эти слоты представляют собой каналы. Под термином "временной слот" понимается следующее. Базовая станция, работая на данной частоте, какую-то часть времени использует для связи с одним абонентом, какую-то - с другим и так далее. По существу, временной слот здесь   мало   чем   отличается   от   применяемого   при   мультиплексировании   с разделением   по  времени.   Речь  обычно  передается  в  оцифрованном  виде  с компрессией. В качестве примеров TDMA можно привести следующие стандарты: IS-54 (частотные каналы AMPS шириной 30 кГц делятся на три временных слота), PDC (каналы на 25 кГц по три слота в каждом) и усиленно продвигаемый в настоящее время GSM (восемь временных слотов при несущем диапазоне 200 кГц).

Существенное   увеличение   емкости   сети   обеспечивает   не   так   давно появившийся в технике сотовых сетей метод CDMA (Code Division Multiple Access). Как и метод множественного доступа, он подразумевает передачу голосовой информации только в оцифрованном виде. Мы не случайно подчеркиваем, что этот метод   возник  недавно   именно   в  телефонии,   -   в   основе   его   лежит  давно применяемый   в   военной   радиосвязи   метод   модуляции   с   использованием шумоподобного или широкополосного сигнала (ШПС; в англоязычной литературе используется термин spread spectrum, что часто переводится на русский язык как "растянутый"    или    "размытый"    спектр).    Полезная    информация    как    бы "размазывается" по частотному диапазону, существенно более широкому, чем при традиционных способах модуляции сигнала (в данном контексте такой сигнал часто   называют  узкополосным).   Осуществляется   это   за  счет  перемножения последовательности     полезных     битов     информации     на     псевдослучайную последовательность более коротких импульсов. В результате получается сигнал, который занимает больший частотный диапазон и имеет значительно меньшую интенсивность, чем получаемый при узкополосной модуляции. CDMA как метод множественного  доступа  аналогичен  методу  модуляции  DSSS (direct-sequence spread spectrum), используемому в беспроводных локальных сетях.

Ясно, что в этом случае можно принять информацию, только зная последовательность, на которую был перемножен полезный сигнал при передаче, в противном случае он будет выглядеть как шум (отсюда и название). В военных приложениях данный метод используется в первую очередь для защиты от помех (широкополосный сигнал очень устойчив к узкополосным помехам) и подслушивания. Для нас же сейчас более важно следующее: если два абонентских телефона, находящихся в зоне действия одной базовой станции, работают на общей частоте, но с разными кодирующими последовательностями, то эти сигналы практически не будут создавать помех друг для друга.

Все абонентские телефонные аппараты, работающие в зоне действия одной базовой станции, используют одну и ту же несущую частоту. Для передачи информации отводятся частотный диапазон шириной 1,25 МГц и фрагменты общей "большой" псевдослучайной последовательности, по-разному смещенные от условно выбранного начала этой последовательности. Емкость ячейки сети CDMA определяется тем, насколько независимы друг от друга коды, используемые абонентскими аппаратами. При работе по этой технологии размер ячейки, качество звука и емкость оказываются тесно взаимосвязанными, поэтому при проектировании сети следует выбирать некое оптимальное решение; улучшить одну из этих характеристик можно только за счет ухудшения другой. Дело тут в следующем. Чем больше CDMA-каналов в данной ячейке сети, тем выше уровень взаимных помех из-за неполной независимости кодовых последовательностей. Отсюда ясно, что чем более низкое качество передачи звука считается приемлемым, тем больше каналов можно разместить в ячейке сети. Взаимная зависимость между размерами ячейки и емкостью сети обусловлена тем, что можно обеспечить заданное качество передачи речи, только если соотношение сигнал/шум оказывается выше определенного значения. Чем слабее сигнал (а при заданной мощности оборудования с увеличением размера ячейки сигнал становится слабее), тем меньшим должен быть уровень помех - а он, как мы знаем, зависит от числа используемых каналов. (Строго говоря, в последнем случае все несколько сложнее, однако сейчас мы не станем в это углубляться.)

По данным компании Motorola, одного из ведущих производителей аппаратуры для CDMA  в одном несущем диапазоне шириной 1.25 МГц можно разместить до 18 каналов для сетей мобильной связи и около 30 - для фиксированных сетей (где абонентские терминалы не перемещаются в пространстве в процессе вызова). Много это или мало? Попробуем сравнить емкость сети CDMA с емкостью сети на базе AMPS. На первый взгляд, кажется, что для такого сравнения надо ширину несущего диапазона CDMA (1,25 МГц) поделить на ширину одного частотного канала AMPS (30 кГц) и выяснить, не больше ли получившееся число, чем 18.

(1,25 : 0,03=42 > 18).

Выходит, что сравнение не в пользу CDMA? Однако это неверный вывод, поскольку, как уже говорилось выше, при работе в стандарте AMPS каналы, организованные в семи соседствующих между собой ячейках (см. рис. 17), должны различаться по частотам, а в CDMA во всех ячейках можно использовать один и тот же несущий диапазон. Поэтому полученный результат надо разделить на семь (42 : 7 = 6). Получаем, что емкость CDMA втрое выше, чем AMPS. Но и этот результат нельзя считать окончательным, поскольку и в CDMA, и в AMPS ячейку сети обычно делят на три сектора по 120° в каждом - это позволяет увеличить радиус ячейки сети, используя направленные антенны, и, таким образом, снизить число базовых станций, необходимых для покрытия определенной площади. Так вот, при работе по стандарту AMPS в разных секторах одной и той же ячейки приходится использовать разные частотные каналы (иначе неизбежны взаимные помехи, поскольку секторы ограничены не линиями, а, скорее, областями постепенного спадания мощности сигнала), а в CDMA можно применять одни и те же. Соответственно, полученную выше цифру 6 надо поделить на три - получим двойку. В итоге оказывается, что при использовании одного и того же частотного диапазона шириной 1,25 МГц емкость сети CDMA в девять раз выше, чем емкость AMPS. При сравнении CDMA с другими стандартами выигрыш в емкости получается меньшим; конкретное число можно узнать путем аналогичных расчетов.

Возможность использования в двух соседних ячейках сети одной и той же несущей частоты значительно упрощает так называемое частотное планирование, которое является весьма сложной операцией при развертывании сети. Если же применяется частотное разделение каналов, необходимо расписать все используемые в ячейках сети частоты так, чтобы ни в одной паре соседних ячеек не оказалось двух одинаковых частотных каналов. Это совсем не просто и часто связано со значительными материальными затратами.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11