CHARACTERISTICS OF UHF WAVES DISTRIBUTION IN LAND AND WATER SURFACE TROPOSPHERIC WAVEGUIDE
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
2.
Astrakhan State Technical University
Astrakhan, Russian Federation
Astrakhan, Russian Federation
Type:
Article
Pages:
from 115
to 121
Status:
Published
Received:
05.10.2019
Accepted:
25.10.2019
Published:
25.10.2019
Subject area:
UDK 621.391.812.3
Language:
Russian
Keywords:
radio waves, tropospheric waveguide, cellular communication systems, ultra-long propagation of radio waves, height of a waveguide
Abstract (English):
The article considers examples of ultra-long propagation of UHF radio waves in mobile cellular communication systems. The phenomena are mainly observed in the Astrakhan region in the spring-summer period (May-June) and are presumably associated with sharp seasonal changes of air temperature followed by rains. The effect of temperature inversion results in changing the refraction index in the surface layer and, as a result, in changing the wave direction as the effect of superrefraction in the surface atmospheric layer. The properties of radio waves in their propagation in the land and sea-water surface waveguide are investigated. The values of the heights of land and sea-water surface tropospheric waveguides for cellular communication systems of different ranges are obtained. The features of existing of tropospheric land and sea-water surface tropospheric waveguides are described. The need to use their properties in the mobile communication systems design is stated.
The article considers examples of ultra-long propagation of UHF radio waves in mobile cellular communication systems. The phenomena are mainly observed in the Astrakhan region in the spring-summer period (May-June) and are presumably associated with sharp seasonal changes of air temperature followed by rains. The effect of temperature inversion results in changing the refraction index in the surface layer and, as a result, in changing the wave direction as the effect of superrefraction in the surface atmospheric layer. The properties of radio waves in their propagation in the land and sea-water surface waveguide are investigated. The values of the heights of land and sea-water surface tropospheric waveguides for cellular communication systems of different ranges are obtained. The features of existing of tropospheric land and sea-water surface tropospheric waveguides are described. The need to use their properties in the mobile communication systems design is stated.
Keywords:
radio waves, tropospheric waveguide, cellular communication systems, ultra-long propagation of radio waves, height of a waveguide
radio waves, tropospheric waveguide, cellular communication systems, ultra-long propagation of radio waves, height of a waveguide
Фиксирование случаев сверхдальнего распространении радиоволн в системе сотовой связи на территории Астраханской области происходит уже продолжительный период. Так, специалистами по оптимизации параметров сети сотовой связи были зафиксированы случаи устойчивой связи между абонентами на несущей частоте базовой станции, находящейся в Астрахани, с абонентом, находящимся в г. Ахтубинске Астраханской области, в диапазоне GSM-1800 (дальность связи между объектами оказалась 350 км при максимальной дальности связи в указанном стандарте 3-5 км для открытого пространства), в с. Цветное Астраханской области в диапазоне GSM-900 (дальность 56 км при максимальной дальности для указанного стандарта в свободном пространстве не более 35 км), а также в море, в верховьях Каспия, в диапазоне GSM-900 (с дальностью уверенного приема на расстоянии более 180 км). Более того, в весенне-летний период (как правило, май-июнь) в Астрахани и Астраханской области ежегодно фиксируются помехи от собственных радиоэлектронных средств (РЭС) в сети подвижной радиосвязи в районах, где связь в течение года стабильна и помех не наблюдается, как и жалоб абонентов на качество сотовой связи при постоянном мониторинге системы связи. Связывание начала периода массовых помех с повсеместным появлением листвы в весенний период, формированием из-за этих зон сниженной проницаемости для радиоволн систем сотовой связи основного сигнала и вероятностью увеличения помехового фона могло бы иметь основания, если бы помехи не прекращали свое отрицательное воздействие в период окончания дождей, как правило, с июня и на весь последующий период (примерно до мая будущего года). Из результатов наблюдений следует, что резкое повышение температуры воздуха в мае (до +30-35 °С) в Астраханской области с одновременными частыми дождями приводит к внезапному и продолжающемуся 4-6 недель возникновению помех. А так как основной помехой в системах сотовой связи являются излучения РЭС собственной сети при повторе использования частот, можно однозначно полагать, что в указанный период происходит не запланированное проектированием дальнее распространение радиоволн частот, которые становятся мешающими (т. к. они повторяются) в районах, где их действие не предполагалось и в течение иных сезонов (кроме резкого потепления в мае-июне ежегодно) не фиксировалось. Приземный тропосферный волновод Известно, что системы сотовой связи работают в диапазоне ультравысоких частот (УВЧ) 300-3 000 МГц. Распространение радиоволн происходит направленно - вдоль земной поверхности, поэтому часто волны в системах сотовой связи называют «земными» волнами. В связи с тем, что все современные направленные антенны систем сотовой связи имеют электрический наклон диаграммы направленности от 2-х до 10°, направление электромагнитной волны распространяется средствами РЭС сотовой связи под углом к земной поверхности (рис. 1). Рис. 1. Отражение радиоволны систем сотовой связи от земной поверхности при нормальном состоянии атмосферы В обычных условиях волны, отражаясь от земной поверхности, рассеиваются, и основную энергетическую нагрузку несут прямые и отраженные волны. Природа же временного сверхдальнего распространения сигналов сотовой связи, описанного во введении, заключается в том, что излучаемая радиоволна попадает в приземный тропосферный волновод. На примере Астраханской области, с очень жарким летом, этот процесс можно описать следующим образом: в период жаркой погоды и ливневых дождей температура земли сильно и быстро снижается, а температура воздуха понижается значительно медленнее или не успевает снизиться, поэтому с увеличением высоты (на некотором расстоянии от земной поверхности) температура воздуха не уменьшается, как в нормальной тропосфере[4], а увеличивается. Этот процесс называется температурной инверсией, из-за нее изменяется и индекс рефракции в приземном слое и, как следствие, волна изменяет свое направление и возвращается к земной поверхности - наступает сверхрефракция в приземном атмосферном слое (рис. 2). Рис. 2. Захват радиоволны систем РЭС сотовой связи в приземный тропосферный волновод А прекращается этот эффект по мере прогрева земли и восстановления рефракционных свойств нормальной тропосферы. Высота приземного тропосферного волновода определяется по аналогии с металлическим волноводом. Исходя из выражения, представленного в [1], имеется некоторая критическая длина волны λкр, длиннее которой волны быстро затухают и не распространяются. Критическая длина волны связана с высотой волновода, hв, соотношением Тогда форма расчета высоты волновода в зависимости от частоты излучения имеет вид или Отсюда можно рассчитать высоту волновода для определенных систем сотовой связи. Таким образом, высота волновода для систем сотовой связи с различным диапазоном имеет следующие значения: - GSM-900 - - DCS-1 800 - - CDMA (2 100 МГц) - - LTE (2 600 МГц) - Эти значения подтверждаются документом [2], где приведены соответствия высоты (верхней границы) от поверхности земли поверхностного слоя приземного тропосферного волновода и частоты излучения передатчика (рис. 3). Рис. 3. Минимальная частота захвата сигнала в атмосферные радиоволны с постоянными градиентами рефракции [2] Уникальным случаем для систем сотовой связи, работающих в дециметровом диапазоне (с длинами волн 12-33 см), является то, что излучатель РЭС находится в системах сотовой связи практически всегда внутри волновода, т. к. размещение антенн базовых станций, как правило, планируется и является оптимальным на высотах 20-40 м (рис. 4). Рис. 4. Стандартное размещение антенн базовых станций в системах сотовой связи Следует отметить, что сверхдальнему распространению сигнала подвергается энергия не только основного лепестка диаграммы излучения антенны, но иногда и заднего лепестка диаграммы направленности. Как правило, это происходит в случае, когда физический (электрический) наклон антенны приближается к своему максимуму в 10°. Операторы сотовой связи, управляя углом наклона антенны относительно горизонта, ограничивают зону обслуживания одного (или нескольких) секторов базовой станции (рис. 5). Рис. 5. Распространение сигнала от заднего лепестка диаграммы направленности в поверхностном тропосферном волноводе Однако не рассеяние, а дальнее распространение сигнала заднего лепестка при возникновении тропосферного волновода также может привести к незапланированному внесению внутрисистемных помех в сеть сотовой связи. Происходить это может в случае, когда граница приземного тропосферного волновода близко расположена к месту размещения антенны и сама антенна находится внутри тропосферного волновода. Приво́дный тропосферный волновод Встречаются явления, когда в тропосфере создаются условия, при которых коэффициент преломления изменяется с высотой необычно. Например, после захода солнца поверхность земли может быстро охлаждаться; охлаждаются и нижние слои воздуха, верхние же слои еще остаются нагретыми. Значит, температура воздуха в этом случае не убывает, а растет с увеличением высоты, а коэффициент преломления убывает с увеличением высоты более резко, чем при нормальной рефракции. Резкое убывание коэффициента преломления с увеличением высоты наблюдается постоянно над водной поверхностью: вблизи воды влажность воздуха велика и резко убывает с изменением высоты. Тогда температура убывает с высотой быстрее, чем обычно, а коэффициент преломления убывает с высотой медленнее, чем обычно, или может даже возрастать. Если в случае образования приземных тропосферных волноводов этот процесс носит случайный характер и может возникать над любыми территориями суши в зависимости от погодных условий, то места возникновения приво́дного тропосферного волновода известны заблаговременно, т. к. местоположение водных объектов и их береговой линии можно считать неизменным, и особенности распространения радиоволн над такими участками местности, как реки, озера, водохранилища и акватории морей, необходимо учитывать при проектировании сетей подвижной сотовой радиосвязи. В работе [3] проведены натурные испытания с измерением уровней радиосигнала систем сотовой связи в диапазоне DCS-1800 над водной гладью (в приводном тропосферном волноводе), а в работе [4] получены уточняющие модели затухания радиоволн: а для систем, использующих диапазон частот 1 800 МГц, модель имеет вид где LAW_900, LAW_1 800 - потери передачи (затухание) в соответствующих диапазонах над водной поверхностью (приво́дном тропосферном волноводе); f - рабочая частота, ГГц; r - дистанция от передатчика базовой станции до приемника абонентской радиостанции, м; 0,95 - коэффициент отражения сигнала от водной поверхности (табл.). Усредненные значения коэффициентов отражения Вид поверхности Ф при длинах волн, см 18-15 8-7 5 3-1,5 Водная поверхность 0,99-0,95 0,95-0,85 0,85-0,63 0,45-0,2 Равнина, пойменные луга, солончаки 0,99-0,95 0,8-0,6 - - Ровная лесистая местность 0,8-0,6 0,6-0,5 0,5-0,3 0,3-0,1 Среднепересеченная лесистая местность 0,5-0,3 0,3-0,2 - - Наличие, свойства и использование в некоторых системах связи особенностей приво́дного тропосферного волновода описаны в работах [5-8]. Для Астраханской области и районов с идентичными климатическими особенностями появление привóдного (морского) тропосферного волновода - явление сезонное, что необходимо учитывать в системах проектирования для мобильной радиосвязи. Заключение Таким образом, для проведения адекватного проектирования радиосистем в диапазоне систем мобильной связи необходимо учитывать особенности распространения радиоволн с учетом тропосферных волноводов. Нестандартная дальность распространения сигналов может оказывать как положительное, так и отрицательное воздействие на качество связи внутри системы. Полезный (ожидаемый) сигнал в предсказуемой области является элементом стабилизации систем связи, остальные сигналы могут являться помехой в новой зоне. Не только управление стабильностью системы связи, но и возможное использование недостаточно изученных процессов должно стать повышением уровня качества при предоставлении услуг связи.
1. Rasprostranenie UKV na bol'shie rasstoyaniya v usloviyah sverhrefrakcii. URL: http://rateli.ru/ books/item/f00/s00/z0000000/st028.shtml (data obrascheniya: 15.07.2019).
2. Rekomendaciya MSE-R P.834-6. Vliyanie troposfernoy refrakcii na rasprostranenie radiovoln.
3. Pischin O. N. Analiz i eksperimental'nye issledovaniya zatuhaniya radiosignala sistem sotovoy podvizhnoy radiosvyazi nad vodnoy glad'yu // Izv. Yuzh. feder. un-ta. Ser.: Tehnicheskie nauki. 2009. № 1. S. 43-49.
4. Pischin O. N., Bestaeva N. V., Zubova A. D., Orlova A. A. Analiz modeli rasprostraneniya radiovoln nad vodnoy poverhnost'yu i ih ispol'zovanie pri raschetah urovney elektromagnitnogo polya v sistemah podvizhnoy radiosvyazi // Prikaspiyskiy zhurnal. Upravlenie i vysokie tehnologii. 2017. № 3. S. 121-130.
5. Karlov V. D., Misaylov V. L., Petrushenko N. N. Svoystva morskogo troposfernogo volnovoda kak elementa radiokanala // Sistemi obrobki іnformacії. 2008. Vip. 6. S. 54-58.
6. Svetlichnyy V. A., Smirnova O. V. Issledovanie osobennostey rasprostraneniya ul'trakorotkih radiovoln v privodnom volnovode v zavisimosti ot ego parametrov i dliny radiovolny // Radiotehnika i elektronika. 2018. T. 63. № 7. S. 682-690.
7. Ivanov V. K., Shalyapin V. N., Levadnyy Yu. V. Rasseyanie ul'trakorotkih radiovoln na troposfernyh fluktuaciyah v privodnom volnovode // Izv. vysshih uchebnyh zavedeniy. Radiofizika. 2009. T. 52. № 4. S. 307-317.
8. Mihaylov M. S., Volkova A. A., Borodko E. A., Kozhevnikov K. Yu. Zagorizontnoe rasprostranenie radiovoln v troposfernyh volnovodah // Sovremennye problemy distancionnogo zondirovaniya, radiolokacii, rasprostraneniya i difrakcii voln: materialy II Vseros. nauch. konf. po problemam radiofiziki i distanc. zondirovaniya sred, provodimoy v ramkah VIII Vseros. Armandovskih chteniy (Murom, 26-28 iyunya 2018 g.). Murom: Izd-vo Murom. in-ta (filiala) VGU im. A. G. i N. G. Stoletovyh, 2018. S. 181-186.
