MODELS FOR CALCULATING THE DISTRIBUTION OF THE ELECTROMAGNETIC FIELD POWER LEVEL IN MOBILE RADIO COMMUNICATION SYSTEMS FOR SHORT DISTANCES IN SUMMER
Abstract and keywords
Abstract (English):
The statement is substantiated that for the design of mobile radio communication systems at short distances up to 1 000 m, the main recommended calculation models have a significant error, since they were created for calcula-tions of long distances (as a rule, from 1 to 50 km) and have limitations in application. Due to the fact that at the present stage of development of mobile radio communication systems, the frequency ranges are in intensive research and use not only 900 and 1 800 MHz, but also 450-800 MHz sections, as well as from 2 100 to 6 000 MHz, which were not previously used for cellular communication systems, it is necessary to propose additional models necessary for the preliminary design of 3-5 generation systems in the range from 2 100 MHz. The range of radio waves in the ranges from 2 100 to 6 000 MHz is significantly reduced compared to the ranges of 1 800 or 900 MHz. The use of classical calculation models such as the Okumura and COST-231–Hata models at distances less than 1 km is characterized by significant errors and is not recommended by the authors of the models themselves for use at short distances. To solve this problem, new models have been developed for calculating the attenuation of radio signals designed to estimate attenuation at short distances.

Keywords:
radio wave propagation, cellular communication systems, mobile radio communication systems, signal at-tenuation, design of radio communication systems, short distances, field tests, the Astrakhan region
Text
Publication text (PDF): Read Download

Введение

На современном этапе развития систем подвижной радиосвязи в интенсивном исследовании находятся диапазоны частот, которые ранее не использовались как менее перспективные ввиду отсутствия соответствующих технологий. Для систем радиосвязи это диапазоны от 2 000 до 6 000 МГц включительно, если вести речь о готовящихся к внедрению системах 5-го поколения, а также системах управления беспилотными летательными аппаратами. Этап развития систем сотовой связи от решения однозначной задачи достижения максимальной дальности распространения сигнала значительно расширен, и в настоящее время не менее важны пропускная способность системы и скорость передачи данных. Решение комплексной задачи невозможно без предварительного проектирования самих систем и моделирования трасс распространения радиосигналов. Однако при использовании инновационных технологий, использующих новые виды модуляции, и переходе в высшие участки диапазона неминуемо снижается дальность распространения радиоволн из-за естественного затухания уровня мощности, которое нарастает с увеличением частоты излучения.

В современных источниках  [1–5],  рекомендациях [6], используемых при проектировании радиодоступа, имеются существенные ограничения в использовании математических моделей. Так, практически все модели, рекомендованные Международным союзом электросвязи (МСЭ) [6], имеют ограничения в использовании на дистанции менее 1 000 м. На первых этапах развития систем сотовой связи это было, видимо, неактуально, и основной пакет моделей имеет действующую область расчета для дистанций свыше 1 км. Только модель Уолфиша – Икегами для урбанизированного города рекомендована для дистанций менее 1 км, а для других типов местности (открытого пространства, пригорода и др.) модели расчета для дистанций менее 1 км отсутствуют. Имеющиеся актуальные стандарты [7, 8], регулирующие порядок проведения расчетов в системах подвижной радиосвязи, в случае необходимости проведения расчетов в диапазонах выше 2 000 ГГц рекомендуют использовать системы расчета, используемые для радиорелейных линий, что не дает адекватной оценки ситуации для систем широкополосного доступа, работающих широкой диаграммой направленности, в таких системах, как системы сотовой связи. Положения МСЭ при необходимости проектирования на расстояниях менее 1 км

рекомендуют использовать данные приложений, основывающиеся на мощностях передатчиков, равных 1 кВт, что не полностью соответствует используемым передатчикам в системах сотовой связи, ограниченных уровнем максимальной мощности от 20 до 45 Вт.

Проведен анализ ограничений в возможностях основных математических моделей, рекомендованных для проведения расчетов затухания в системах подвижной радиосвязи (СПР) в научной и учебной литературе [2–5, 9–16]. Результат проведенных исследований минимизирован до основных моделей, рекомендуемых МСЭ для использования и наиболее часто применяемых для оценки результатов распространения электромагнитного поля. Это модели Okumura – Hata, Okumura, Hata, GOST-231 – Hata; результат занесен в табл. 1 и 2.

 

Таблица 1

Table 1

Применимость основных математических моделей для проведения расчетов затухания
в СПР для различных частотных диапазонов

The applicability of basic mathematical models for calculating attenuation
in the MRC for various frequency ranges

Модель расчета

Рекомендованный диапазон, МГц

900

1 800

2 100

2 600

Okumura – Hata

+

COST-231 – Hata

+

Okumura

+

+

Hata

+

Таблица 2

Table 2

Применимость моделей в зависимости от расстояния между базовой станцией
и абонентским терминалом

The applicability of the models depends on the distance between the base station
and the subscriber terminal

Модель расчета

Рекомендованный диапазон, МГц

менее 1 км

от 1 до 20 км

более 20 км

Okumura – Hata

+

COST-231 – Hata

+

+

Okumura

+

+

Hata

+

 

 

Постановка задачи

Исходя из проведенного анализа, в целях повышения точности предварительного проектирования поставлена задача разработки дополнительных моделей для восполнения недостаточности математического аппарата при проведении моделирования распространения радиоволн в СПР.

Необходимо получить модели расчета затухания радиоволн (радиосигнала в системах мобильной связи) в актуальных диапазонах: 1 800 и 2 100 МГц, доступных для проведения измерений в Астраханской области.

Целью исследования является повышение точности проектирования СПР на территории Астраханской области посредством цифровых карт на программно-расчетном комплексе ONEPLAN RPLS-DB [17], который является автоматизированным комплексом планирования и оптимизации подвижной и фиксированной связи. Этот комплекс позволяет расширить имеющийся в нем математический аппарат путем внедрения в математический пакет новых моделей расчета, адаптированных под местные условия.

 

Результаты экспериментальных исследований

Натурные испытания организованы в трех населенных пунктах (сельская местность) Астраханской области: с. Икряное, с размещением базовой станции (БС) на ул. Мира, д. 36, в р. п. Ильинка, с размещением БС на ул. Молодежная, д. 7, А, и в р. п. Красные Баррикады, с размещением БС на ул. Электрическая, д. 1. Основным типом местности в этих населенных пунктах является открытое пространство. При проведении измерений использовались точные данные о местах расположения БС, высотах подвеса антенн и азимутов излучения оператора ПАО МТС. Для проведения процесса контроля уровня затухания в вышеобозначенных населенных пунктах Астраханским филиалом ПАО МТС была выделена система тестирования QualiPoc Freerider III, которая представляет собой высокопроизводительный инструмент для оптимизации, тестирования и контроля качества сетей мобильной связи. Измерительными устройствами являлись абонентский терминал (АТ) Oukitel WP12Pro и Sony XZ2 с установленными приложениями NetMonster и QualiPoc соответственно, позволяющими контролировать значения уровня принимаемого сигнала в децибелах. Коэффициент усиления антенны АТ – 2 дБ. Программное обеспечение QualiPoc и аналогичные программы (NetMonitor, NetMonster и др.) позволяют контролировать практически все параметры сети сотовой связи, при этом АТ не должен быть специализированным измерительным прибором, это может быть любой смартфон, т. к. АТ с вышеуказанным программным обеспечением становится монитором, отображающим данные с контроллера сети сотовой связи для той местности, в которой он находится на момент проведения мониторинга (контроля).

В системах сотовой связи измерительным устройством является сама БС, которая по служебным каналам постоянно находится на связи с контроллером всей сети, передавая необходимые данные о каждом канале всех трансиверов, используемых в работе БС. Контроллер же, имея связь со всеми остальными БС в сети, имеет возможность сравнивать полученные данные для контроля внутрисистемных помех по основному и соседним каналам, проведения оптимизации в исследуемом районе других параметров сети, что является критически важным для проведения оптимизации частотного планирования оператора.

Среди контролируемых данных – такие как уровень сигнала на входе АТ от каждого трансивера как ближайшей, так и удаленных БС, что позволяет контролировать уровень интерференции и работать над внутрисистемной электромагнитной совместимостью; причины разрыва соединений; отношение контролируемого (измеряемого) сигнала к помехе по основному и соседнему каналу и др.

Измерения выполнялись дистанцией через 50 м (с шагом 50 м) на расстоянии между БС и АТ от 50 до 1 000 м на высоте 1,5 м. Высоты размещения антенн в разных населенных пунктах варьировали от 17 до 40 м. В каждой точке исследования выполнялось 100 измерений. Для каждой точки, в которой проводились измерения, рассчитывалось математическое ожидание значения (уровня сигнала на входе приемного устройства). Программное обеспечение для мониторинга сети имеет возможность дискретного изменения временно́го шага измерений при мониторинге. Шаг измерений установлен в 5 с.

Измерения проводились в летний период в солнечную малооблачную погоду, которая является основным типом погоды для Астраханской области в летнее время, при температуре воздуха: +29–32 ºС, что также является средней температурой для исследуемой области в сезон. Давление принималось 755 мм рт. ст.

Значения натурных испытаний уровней электромагнитного поля на входе приемного устройства занесены в табл. 3.

 

Таблица 3

Table 3

Погрешность модели Okumura в расчетах уровня сигнала на входе приемника
на малых дистанциях по сравнению с данными натурных испытаний

The error of the Okumura model in calculating the signal level at the receiver input
at short distances compared with the data of field tests

Расстояние между БС
и АТ, м

Измеренный
уровень сигнала на входе
приемника, дБ

Уровень сигнала
 на входе приемника, полученный на основе расчета с помощью
модели Ok
umura, дБ

Разница между значениями, дБ

«Погрешность модели Okumura», %
(относительная
ошибка результирующих значений модели Ok
umura)

200

120

25

95

79

400

125

41

84

67

600

125

50

75

60

800

111

61

50

44

1 000

109

104

5

5

 

 

Согласно плану эксперимента на первом этапе реализован сравнительный анализ результатов расчетов, полученных с помощью одной из основных моделей расчета затухания с реальными данными на расстояниях до 1 000 м и подтверждена актуальность проводимых исследований.

Минимальной погрешностью модель Okumura обладает в зоне действия сигнала 1 км (см. табл. 3), т. е. на больших дистанциях, а на малых дистанциях имеет значительную долю ошибки. Это подтверждает границы адекватности использования модели Okumura и необходимость выбора альтернативного способа расчета уровней приема на входе приемника на малых дистанциях.

В результате исследований были собраны данные (уровень затухания на различных расстояниях в диапазоне от 50 до 1 000 м для частот 2 100 и 1 800 МГц), математические ожидания которых отражены в табл. 4, 5 соответственно.

 

Таблица 4

Table 4

Результаты зависимости затухания сигнала сотовой связи от расстояния в диапазоне 2 100 МГц

The results of the attenuation dependence on the distance in the 2 100 MHz range

Показатель

Значение

Расстояние между АТ и БС, м

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Значения затухания, дБ

103

112

115

114

110

108

114

112

116

120

Расстояние между АТ и БС, м

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1 000

Значения затухания, дБ

117

125

122

130

129

125

123

130

133

128

Таблица 5

Table 5

Результаты зависимости затухания сигнала сотовой связи от расстояния в диапазоне 1 800 МГц

The results of the attenuation dependence on the distance in the 1 800 MHz range

Показатель

Значение

Расстояние между АТ и БС, м

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Значения затухания, дБ

97

110

118

116

115

110

120

129

130

131

Расстояние между АТ и БС, м

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1 000

Значения затухания, дБ

127

135

130

128

131

125

128

129

122

118

 

 

Согласно данным (см. табл. 4, 5) в районе 300 м от антенны происходит небольшой всплеск усиления уровня принимаемого сигнала, обусловленный типовой формой диаграммы направленности антенн в системах сотовой связи.

 

Построение моделей

На основе данных табл. 4 и 5 была проведена аппроксимация полученных значений. Аппроксимация проводилась в программе MathCad. Значения математических ожиданий, полученных при проведенном исследовании, объединены в кривую, имеющую логарифмическую зависимость уровня измеренного сигнала на входе приемника от расстояния, коэффициенты подбирались вручную для совпадения логарифмической кривой с математическими ожиданиями значений затухания, усредненные для всех населенных пунктов, участвовавших в исследовании.

Таким образом, получены модели, отражающие новую зависимость уровней сигнала на входе приемного устройства от расстояния на малых дистанциях (до 1 000 м). Модели могут быть использованы в расчетах вышеуказанных значений для районов пригородной или открытой (сельской) местности в Астраханской области в диапазоне 2 100 МГц

где L – затухание сигнала сотовой связи, дБ; R – дистанция радиосвязи, м, в диапазоне 1 800 МГц

в летний период.

 

Сравнение новых моделей с существующими

Проведено сравнение результатов расчетов, полученных с помощью новых моделей, и расчетов, полученных с помощью действующих, классических моделей Okumura и COST-231 – Hata (табл. 6, 7).

 

Таблица 6

Table 6

Сравнение моделей, применяемых для проектирования в диапазоне 1 800 МГц

Comparison of models used for design in the 1 800 MHz range

Показатель

Расстояние между БС и АТ, м

200

400

600

800

1 000

Затухание, полученное по новой модели для Астраханской области, дБ

112

118

122

124

126

Затухание, полученное по модели COST-231 – Hata, дБ

91

102

108

112

116

Затухание, полученное по модели Okumura, дБ

25

41

50

61

104

Абсолютная разница значений между моделью для Астраханской области и моделью COST-231 – Hata, дБ

21

16

14

12

10

Абсолютная разница значений между моделью для Астраханской области и моделью Okumura, дБ

87

77

72

63

22

Относительная разница значений между формулами модели для Астраханской области и модели COST-231 – Hata, %

18

13

11

9

7

Относительная разница значений между моделью для Астраханской области и моделью Okumura, %

77

65

59

50

17

Таблица 7

Table 7

Сравнение моделей, применяемых для проектирования в диапазоне 2 100 МГц

Comparison of models used for design in the 2 100 MHz range

Показатель

Расстояние между БС и АТ, м

200

400

600

800

1 000

Затухание, полученное по новой модели для Астраханской области, дБ

115

121

125

128

130

Затухание, полученное по модели COST-231 – Hata, дБ

93

104

110

115

118

Абсолютная разница значений между формулами модели для Астраханской области на частоте 2 100 МГц и моделью COST-231 – Hata, дБ

22

17

15

23

12

Относительная разница значений между формулами модели для Астраханской области на частоте 2 100 МГц и моделью COST-231 – Hata, %

19

14

12

17

12

 

 

В результате проведенного сравнительного анализа эффективности «новой модели для Астраханской области» расчет, проводимый с помощью новой модели (рис. 1), на 11,5 % точнее определяет затухание сигнала в сельской (открытой) местности Астраханской области, чем модель COST-231 – Hata, и на 53,6 % точнее определяет затухание сигнала в сельской (открытой) местности Астраханской области, чем модель Okumura, для частот в диапазоне 1 800 МГц; для диапазона 2 100 МГц (рис. 2) «новая модель для Астраханской области» на 15 % точнее определяет уровень затухания сигнала в сельской (открытой) местности Астраханской области, чем модель COST-231 – Hata.

На рис. 1 и 2 линия «Модель для Астраханской области» соответствует эталонным значениям, полученным в ходе исследований (натурных испытаний) на территории Астраханской области. Графически наглядно видно, насколько классические модели могут вносить погрешности на малых дистанциях (до 1 000 м).

 

Рис. 1. Графическое сравнение результатов использования новой модели (для Астраханской области) с моделью COST-231 – Hata в диапазоне 1 800 МГц

Fig. 1. Graphical comparison of the results of using the new model (for the Astrakhan region) with the COST-231–Hata model in the 1 800 MHz range

 

 

Рис. 2. Графическое сравнение результатов использования новой модели с моделями расчета затухания в диапазоне 2 100 МГц COST-231 – Hata и Okumura

Fig. 2. Graphical comparison of the results of using the new model with the models for calculating attenuation in the 2 100 MHz range COST-231–Hata and Okumura

 

Поэтому, создавая проекты радиосвязи на малых дистанциях, что сейчас становится все более актуально, необходимо использовать корректирующие (новые) модели расчета. Полученные результаты будут использованы для внедрения в модуль математического аппарата программно-расчетного комплекса ONEPLAN RPLS-DB [17], позволяющего адаптировать математический аппарат под реальные условия функционирования сетей сотовой связи на цифровых картах.

Заключение

В результате проведенных исследований получены новые модели (эмпирические модели), позволяющие проводить расчеты затухания уровня электромагнитного поля систем подвижной радиосвязи для систем связи второго (2G) поколения в диапазоне 1 800 МГц и для систем третьего (3G) поколения на частотах 2 100 МГц.

Использование современных технологий и методов обработки информации при рассмотрении вопросов передачи этой информации по радиоканалам все более смещает вектор используемого частотного диапазона вверх – в более высокие участки диапазона. Для систем подвижной радиосвязи это диапазон от 2 до 5 ГГц. В связи с этим логично полагать, что это приводит к уменьшению дальности действия радиолуча, ограничивая его действие в зоне малых дистанций (от десятков до сотен метров). Таким образом, исследования в области распространения радиоволн на малых дистанциях (до 1 000 м) становятся все более актуальными.

Ввиду наличия подтвержденных исследований [15] о том, что для систем сотовой связи целесообразно в различные сезоны года использовать корректирующие коэффициенты, необходимо отметить, что разработанные модели могут быть рекомендованы для проектирования радиосистем в летний период для Астраханской области и аналогичных ей территорий.

References

1. Miliutin E. R., Vasilenko G. O., Sivers M. A., Volkov A. N., Pevtsov N. V. Metody rascheta polia v sistemakh sviazi detsimetrovogo diapazona [Field calculation methods in decimeter range communication systems]. Saint Petersburg, Triada Publ., 2003. 159 p.

2. Vesolovski K. Sistemy podvizhnoi radiosviazi [Mobile radio communication systems]. Pod redaktsiei A. I. Ledovskogo. Moscow, Goriachaia liniia – Telekom Publ., 2006. 536 p.

3. Popov V. I. Osnovy sotovoi sviazi standarta GSM [Basics of GSM cellular communication]. Moscow, Eko-Trenz Publ., 2005. 296 p.

4. Pishchin O. N., Puzankov D. S., Lydkina K. S. Metodika rascheta vliianiia faktora sezonnosti na rasprostranenie radiovoln v iuzhnykh regionakh Rossii vblizi gidrosfernykh ob"ektov v diapazone ul'travysokikh chastot [A method for calculating the influence of the seasonality factor on the propagation of radio waves in the southern regions of Russia near hydrosphere objects in the ultra-high frequency range]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Upravlenie, vychislitel'naia tekhnika i informatika, 2022, no. 3, pp. 51-60.

5. Dmitriev V. N., Pishchin O. N. Rasprostranenie radiovoln i antenno-fidernye ustroistva v sistemakh podvizhnoi radiosviazi: uchebnoe posobie [Radio wave propagation and antenna-feeder devices in mobile radio communication systems: a textbook]. Astrakhan', Izd-vo AGTU, 2022. 156 p.

6. Rekomendatsiia MSE-R R. 1546-4. Metod prognozirovaniia dlia trass sviazi «punkta s zonoi» dlia nazemnykh sluzhb v diapazone chastot ot 30 MGts do 3000 MGts. Seriia P. Rasprostranenie radiovoln (10/2009) [Recommendation ITU-R R. 1546-4. A forecasting method for “point-to-zone” communication routes for ground services in the frequency range from 30 MHz to 3000 MHz. Series P. Radio wave propagation (10/2009)]. Available at: https://studylib.ru/doc/2033269/rekomendaciya-mse--r-p.1546-4 (accessed: 10.08.2023).

7. GOST 55897-2013. Sistemy podvizhnoi radiosviazi. Zony obsluzhivaniia. Metody rascheta [ISS 55897-2013. Mobile radio communication systems. Service areas. Calculation methods]. Moscow, Standartinform Publ., 2014. 16 p.

8. GOST R 53363-2009. Tsifrovye radioreleinye linii. Pokazateli kachestva. Metody rascheta [ISS R 53363-2009. Digital radio relay lines. Quality indicators. Calculation methods]. Moscow, Standartinform Publ., 2010. 39 p.

9. Puzankov D. S., Pishchin O. N. Analiz matematich-eskikh modelei dlia UVCh diapazona dlia sovremennykh i perspektivnykh sistem mobil'noi sviazi [Analysis of mathematical models for the UHF band for modern and promising mobile communication systems]. 73-ia Mezhdunarodnaia studencheskaia nauchno-tekhnicheskaia konferentsiia (Astrakhan', 17–22 aprelia 2023 g.): materialy. Astrakhan', Izd-vo AGTU, 2023. Pp. 646-648.

10. Dvornikov S. V., Balykov A. A., Kotov A. A. Up-roshchennaia model' rascheta poter' signala v radiolinii, poluchennaia putem sravneniia kvadratichnoi formuly Vvedenskogo s sushchestvuiushchimi empiricheskimi modeliami [A simplified model for calculating signal losses in a radio line obtained by comparing Vvedensky's quadratic formula with existing empirical models]. Sistemy upravleniia, sviazi i bezopasnosti, 2019, no. 2, pp. 87-99. DOI:https://doi.org/10.24411/2410-9916-2019-10204.

11. Mamchenko M. V., Zorin V. A., Romanova M. A. Empiricheskaia model' rascheta zatukhaniia signala s uchetom koeffitsienta zastroiki mestnosti dlia bespilotnykh transportnykh sredstv [An empirical model for calculating signal attenuation taking into account the coefficient of terrain development for unmanned vehicles]. Izvestiia Kabardino-Balkarskogo nauchnogo tsentra RAN, 2022, no. 1 (105), pp. 59-73.

12. Babkov V. Iu. Sotovye sistemy mobil'noi radiosviazi [Cellular mobile radio communication systems]. Saint Petersburg, BKhV-Peterburg Publ., 2013. 432 p.

13. Dvornikov A. S., Dvornikov S. V., Kotov A. A., Muravtsov A. A. Analiz modelei zatukhaniia radiosignalov detsimetrovykh voln [Analysis of decimeter wave radio signal attenuation models]. Informatsiia i kosmos, 2018, no. 2, pp. 6-11. Available at: https://infokosmo.ru/file/article/16629.pdf (accessed: 01.19.2024).

14. Sargsyan E. R., Ryndin A. A. Research into calculation models of radio signals losses in radio access networks. Modeling, Optimization and Information Technology, 2021, vol. 9 (4). Available at: https://moitvivt.ru/ru/journal/pdf?id=1078 (accessed:12.09.2023). 15. Pishchin O. N., Voloshin A. A., Butskaia O. B. Vozdeistvie izmeneniia temperatury atmosfery na zatukhanie signalov sotovoi sviazi [The effect of changes in atmospheric temperature on the attenuation of cellular signals]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Upravlenie, vychislitel'naia tekhnika i informatika, 2011, no. 2, pp. 132-136.

15. Pischin O. N., Voloshin A. A., Buckaya O. B. Vozdeystvie izmeneniya temperatury atmosfery na zatuhanie signalov sotovoy svyazi // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Upravlenie, vychislitel'naya tehnika i informatika. 2011. № 2. S. 132–136.

16. Pechatkin A. V. Sistemy mobil'noi sviazi: uchebnoe posobie [Mobile communication systems: a textbook]. Rybinsk, Izd-vo RGATA im. P. A. Solov'eva, 2009. Part 1: Printsipy organizatsii, funktsionirovaniia i chastotnogo planirovaniia sistem mobil'noi sviazi. 121 p.

17. Programmnyi kompleks ONEPLAN RPLS-DB planirovaniia i optimizatsii podvizhnoi i fiksirovannoi sviazi (setevaia versiia) [ONEPLAN RPLS-DB software package for planning and optimizing mobile and fixed communications (network version)]. Available at: https://reestr.digital.gov.ru/reestr/310318/ (accessed: 19.09.2023).


Login or Create
* Forgot password?