Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Проведён анализ качества предоставляемых услуг в системах сотовой подвижной радиосвязи при распределении уровней мощности сигнала внутри помещений. Исследованы методы расчёта затухания уровня поля в жилых и офисных зданиях. Проведены расчёты дополнительного затухания радиолиний внутри помещений. Предложена актуализация требований к условиям проведения контрольных вызовов (нормативных уровней затухания), изложенных в нормативном документе отрасли связи «РД 45.254–2002. Сети сотовой подвижной связи. Нормы на показатели качества услуг связи и методики проведения их оценочных испытаний».

Ключевые слова:
затухание уровня поля в помещениях, качество услуг радиосвязи, требований к условиям проведения контрольных вызовов, а
Текст
Введение В настоящее время качество оказания услуг в системах подвижной радиосвязи с требуемым уровнем является одним из тех вопросов, который оператор контролирует в основном амостоятельно (самоконтроль). Органы Федерального контроля (Главного радиочастотного центра) решают задачу контроля правовых вопросов в использовании радиочастот и вопросов электромагнитной совместимости с другими радиослужбами. Внутрисистемные вопросы оператора сотовой связи, такие как качество или спектр предоставления услуг, уровень доступа в сеть и другие технические параметры контролирующими органами не регулируются. Анализ качества оказываемых услуг в области подвижной радиосвязи, несмотря на высокий уровень развитости сетей, показал неполное их соответствие требованиям существующих нормативных актов [1], а также наличие проблем, связанных с неравномерным или низким уровнем мощности сигнала при одновременном соответствии требований [1] по предоставлению необходимого уровня сигнала цифровой сотовой связи по мощности вне помещений. Таким образом, необходим анализ складывающейся ситуации по качеству и корректирующие мероприятия по предоставлению услуг связи такого уровня, чтобы его заявленные качественные характеристики были доступны всем пользователям и на всей заявленной территории обслуживания. Глобальное предоставление услуг в подвижной радиосвязи происходит полностью на коммерческой основе. Конкурентоспособность оператора сотовой связи, безусловно, зависит от уровня качества предоставляемых им услуг и является основным требованием к техническим службам, отвечающим за оптимизацию технических параметров сети. Самоконтроль качества предоставляемых услуг в свете технической готовности системы подвижной связи (СПС) зависит от человеческого фактора (профессиональной подготовки) и требований нормативных документов, являющихся ориентиром для технических специалистов в регулировании параметров сети и вариантах проведения её настроек. Одна из основных претензий к качеству связи – отсутствие услуг, связанных с низким уровнем сигнала сотовой связи в помещениях жилых и офисных зданий, особенно на первых этажах или полуподвальных помещениях. Именно эти помещения, как правило, арендуются юридическими лицами и частными предпринимателями для ведения собственного бизнеса (магазины, кафе, небольшие офисы и т. п.) и нередко являются местами общего пользования (скопления абонентов). Оператор сотовой связи, проектируя собственную сеть, следует нормам руководящих документов [1] на распределение уровня поля (мощности сигнала излучения базовых станций (табл. 1), исходя из требований не менее –85 дБ вне помещений как для сельской местности, так и для всех вариантов городов (мегаполис, средний город, пригород). Наличие внутри здания стен, перегородок, мебели, радиоэлектронной аппаратуры, людей и других объектов создает сложную среду распространения радиоволн. Условия распространения радиоволн внутри помещений существенно отличаются от условий распространения радиоволн в свободном пространстве. При стандартном ограничении доступа в сеть подвижной радиосвязи с затуханием уровня поля в –102 дБ доступ к сети подвижной радиосвязи общего пользования из помещений будет зависеть от уровня затухания, вносимого строительными перегородками жилых или офисных помещений. Основными эффектами, наблюдающимися при распространении радиоволн внутри помещений, являются многолучевость, обусловленная многократными отражениями радиоволн от стен объектов помещений, дифракция на многочисленных острых кромках предметов, расположенных внутри комнат, и рассеяние радиоволн. Эти эффекты создают сложную интерференционную структуру электромагнитного поля, сильно изменяющуюся при перемещении людей и других объектов. Таблица 1 Требования к условиям проведения контрольных вызовов согласно РД.45 Источник контрольных вызовов Стандарт СПС Уровень приема Специализированное тестовое оборудование Цифровой –85 дБм Аналоговый: Городская застройка Сельская местность –85 дБм –95 дБм Тестовая абонентская станция Цифровой или аналоговый Максимальный уровень по индикатору Безусловно, прием сигналов от удаленного внешнего источника внутри здания можно прогнозировать только в самых общих чертах. Сложный интерференционный характер поля внутри помещения порождает резкие перепады в уровне принимаемого сигнала, превышающие зачастую 20 дБ, даже при небольшом перемещении приемника. Измерения, выполненные в Вашингтоне на частоте 900 МГц, указывают на почти линейную зависимость среднего уровня сигнала внутри здания от высоты расположения приемного пункта. Сравнивается средний уровень сигнала внутри здания последовательно на разных этажах с амплитудой сигнала на улице вблизи здания на высоте 1–1,5 м над поверхностью земли. На 1-м этаже сигнал внутри здания был ослаблен на 28 дБ на частоте 900 МГц. При поднятии приемного устройства внутри здания ослабление в среднем уменьшалось до 0 дБ на 14-м этаже [2]. Высотная зависимость ослабления сигнала внутри здания существенно зависит от высоты и плотности застройки. Измерения, выполненные в Чикаго и Шаумбурге, где антенна базовой станции устанавливалась на высоте примерно 50 м над поверхностью земли на открытом месте (большей частью присутствовал прямой сигнал в точке приема на улице), подтвердили на частоте 900 МГц близкую к линейной высотную зависимость ослабления внутри здания (25 дБ на 1-м и 0 дБ на 12-м этажах) относительно уровня сигнала, зарегистрированного вблизи здания на улице. В то же время измерения в Манхеттене, где высота поднятия антенны была около 180 м (но в окрестности базовой станции в пределах полумили было много высотных зданий, создававших затенения в направлении на приемник), дают меньшее значение высотного градиента ослабления: 22 дБ на 1-м и 6 дБ на 20-м этажах. «Потери проникновения» внутрь здания во всех случаях составляли от 10 до 30 дБ, но, как правило, на нижних этажах были больше – 18–30 дБ. Распределение амплитуды сигнала было близким к логарифмически нормальному [2]. Проведём анализ наиболее ярких исследований современных учёных, посвящённых расчётам затухания уровня поля внутри строений, а также проведём собственные расчёты. Модели, используемые при описании канала связи внутри зданий, отличаются от традиционных моделей канала мобильной связи размерами зоны покрытия существенно меньшими, чем в городских условиях и большим многообразием условий распространения радиоволн. Распространение радиоволн внутри зданий в основном определяется планировкой здания, используемыми строительными материалами и типом здания. Существующие в настоящее время модели распространения сигналов внутри зданий можно условно разделить на 3 группы: 1. Статистические модели, не требующие подробной информации о здании, кроме общего описания его типа: производственное здание, гостиница, больница, торговый центр, здание старой постройки и т. п. [3, 4]. 2. Эмпирические одно- или многолучевые модели, основанные на анализе одного или нескольких лучей, соединяющих передающую и приемную антенны, для оценки уровня принимаемого сигнала [5]. 3. Лучевые модели, в которых используется квазиоптическое представление процессов распространения сигналов и учитываются отражения от стен помещения и дифракция на углах [6]. В моделях 1-й группы потери распространения сигнала имеют зависимость от расстояния между антеннами вида , (1) где – показатель степени определяется типом здания. Такая модель применяется в одном из программных пакетов и характеризуется быстротой расчетов, при выполнении которых требуется определить только расстояние между антеннами – все другие параметры и константы относятся ко всему зданию в целом и задаются предварительно. Модели 2-й группы (Motley-Keenan, Multi-Wall-Model) основаны на добавлении к (1) потерь во всех стенках на пути между приемной и передающей антеннами. В относящейся к этой же группе модели DPM (Dominant Path Model) к основному лучу добавляются дополнительные лучи, проходящие через соседние помещения по отношению к тем, что лежат на главном пути. При этом точный поиск точек отражения сигнала не производится. Модели 3-й группы, изложенные в [7], по возможности максимально полно учитывают информацию о планировке здания. В соответствии с ними определяются все возможные пути попадания сигнала из антенны передатчика в антенну приемника. Для уменьшения связанного с этим времени расчетов предложено несколько способов ускорения вычислительного процесса. Имеются две разновидности реализации данного рода моделей, называемые трассировкой лучей (ray tracing) и образованием лучей (ray launching). Число учитываемых итераций (отражений, препятствий) зависит от мощности компьютера. Большинство моделей ограничено максимум 6-ю итерациями, включая не более 2-х препятствий. Дифракционные потери сигнала вдоль каждого пути рассчитываются с использованием геометрической теории дифракции, а коэффициенты отражения – с помощью формул Френеля. Возможно также использование эмпирических соотношений, откалиброванных при помощи экспериментальных данных. Основным недостатком моделей 3-й группы является их чувствительность к точности исходных данных. В случаях, когда неточно указаны данные о параметрах стен или их местоположении, результаты расчета существенно ухудшаются. Эмпирическая модель (модель затухания сигнала, зависимая от расстояния; модель Раппапорта для предсказания потерь сигнала). Многообразие условий приводит к необходимости использовать некоторые эмпирические модели, основанные на многочисленных экспериментах по исследованию условий распространения радиоволн внутри помещений. Т. С. Раппапорт и его партнеры в ходе многочисленных исследований предложили несколько моделей, в которых за основу было принято соотношение , (2) где – потери при распространении внутри помещений; – потери при распространении на трассе прямой видимости, длиной ; – трасса прямой видимости для помещений; – расстояние между передатчиком и приемником; – величина, которая зависит от типа здания и окружающих построек (до расстояний около 10 м – , в интервале расстояний 10 < d < 20 м – , для 20 << 40 м – ). Абсолютные потери внутри зданий можно определить выражением , (3) где – потери распространения уровня сигнала в свободном пространстве на расстоянии 1 м, вычисляемые как , (4) где – случайная величина, подчиняющаяся нормальному распределению с дисперсией (табл. 2). Модель фактора ослабления может быть записана как , (5) где – показатель степени, характеризующий распространение между этажами. Затухание при распространении между разными этажами определяется внешними размерами и материалом здания, конструкцией перекрытий, окружающими местными предметами, количеством окон в здании и характером поверхности стен. В ходе исследований Т. С. Раппапорт и его партнеры получили показатели n для широкого диапазона местоположений внутри зданий на разных этажах и средние отклонения от нормального распределения с дисперсией [7]. С учетом всех вышеперечисленных факторов результаты n и занесены в табл. 2. Таблица 2 Зависимость уровня поля от расположения абонентской радиостанции Расположение АР в помещении дБ На этаже совместно с АР 2,76 12,9 Через 1 этаж 4,19 5,1 Через 2 этажа 5,04 6,5 Через 3 этажа 5,23 6,7 Если передающая антенна расположена внутри комнаты, то независимо от ее положения многократное отражение радиоволн от стен, пола, потолка, мебели и других объектов приводит к увеличению мощности принимаемого сигнала по сравнению со свободным пространством. Это напоминает явление реверберации, хорошо изученное в акустике. Несмотря на то, что наша задача – исследовать средний уровень дополнительного затухания радиосигналов сотовой связи в помещении от антенн базовых станций, размещённых вне исследуемых объектов, расчёт угасания уровня поля с учётом явления реверберации будет наиболее адекватен реальному его состоянию. Идентичность заключается в расположении антенны базовой станции на границе входа в помещение (или оконном проёме) или её аналога в виде приходящего от реальной антенны базовой станции некоторого уровня электромагнитного поля с точки границы входа в помещение (оконного проёма). Исходя из условия местонахождения антенны базовой станции (вне здания) логичным будет предположение, что для каждого этажа верно значение (табл. 2), за исключением подвальных и полуподвальных помещений, где . Проведём расчёты с помощью модели фактора ослабления (5) для диапазонов современных СПС. В качестве исходных данных выбраны усреднённые помещения в жилых домах, размеры комнат 5 × 4 м. В соответствии с методикой Раппапорта получаем затухания в помещениях в свободном пространстве (за счёт протяжённости прямой видимости в комнатах) на частотах 900 и 1 800 МГц соответственно: ; . Результаты заключительных расчётов с учётом этажности строений и эффекта, аналогично реверберации в помещении, внесены в табл. 3. Таблица 3 Дополнительное затухание уровня поля в системах сотовой связи, рассчитанное для среднестатистических помещений жилых домов с учётом этажности Расположение АР Уровень затухания в диапазоне 1 800 МГц (дБ) Уровень затухания в диапазоне 900 МГц (дБ) Верхние этажи зданий 19,2 13,9 1-й этаж или полуподвальные помещения 23,51 18,2 На основании аналогичных исследований, проведённых в [9], были использованы рекомендации ITU-R [8], которые сопоставляются с результатами наших экспериментов. Считается установленным, что вероятностной моделью пространственной структуры поля сигнала является логарифмически нормальный закон с параметром (который именуется стандартным отклонением). Значения показателя n, являющегося показателем типа здания (см. табл. 2) на частотах, используемых в системах сотовой связи, подтверждаются экспериментами и имеют отклонения для типовых помещений от 2 до 3,3 в диапазоне GSM 900 и от 2,2 до 3 в диапазоне DCS 1800. Величина потерь при разных значениях, по экспериментальным данным, на частотах 0,7...2 ГГц зависит от показателя , который меняется в широких пределах, достигая значений 3,8...6,5. В то же время в пустом коридоре имеет место [10]. Величина потерь передачи на частотах 1...2,7 ГГц в сухих деревянной и кирпичной стенах достигает 5...8 дБ; в железобетонной стене – 6...12 дБ (во влажных стенах потери возрастают в 3–4 раза). При прохождении межэтажных перекрытий сигнал в кирпичном здании ослабляется на 7,5 дБ; а в железобетонном здании – на 12 дБ. В пригороде на частотах 0,2–1 ГГц медианное значение ; в сельской местности на частотах 0,1–2,7 ГГц потери. Несмотря на отмеченный большой разброс приводимых справочных и экспериментальных данных, они дают представление о физических процессах, сопровождающих распространение радиоволн в помещениях на частотах, используемых в системах сотовой связи. Заключение Исследования уровня затухания сигналов сотовой связи, проведённые нами, а также в [2, 4, 9], показывают, что затухание, вносимое стенами строений, с учётом этажности приводит к поправкам от 10…23 дБ (для 4-этажного здания) до 24…33 дБ и более (для 12-этажного здания и подвала). Получаемые значения являются критичным для доступа в сеть мобильной связи в помещениях исходя из уровня сигнала –85 дБ вне помещений в городской черте и –95 дБ в сельской местности. На основании результатов исследований предлагается актуализация «Руководящего документа отрасли… (РД.45)» в свете изменения требований к условиям проведения контрольных вызовов. Данные, указанные в табл. 1, предлагается заменить данными, предлагаемыми в табл. 4. Таблица 4 Новые требования к условиям проведения контрольных вызовов согласно РД.45 Источник контрольных вызовов Стандарт СПС Уровень приема Специализированное тестовое оборудование Городская застройка, f до 1 ГГц Сельская местность, f до 1 ГГц –75 дБм –85 дБм Городская застройка, f до 2 ГГц Сельская местность, f до 2 ГГц –70 дБм –80 дБм Такой источник контрольных вызовов, как АР со ссылкой на максимальный уровень сигнала по индикатору целесообразно из табл. 2 исключить, ибо значения максимального уровня по индикатору не на всех АР адекватны показаниям на измерительном оборудовании. В связи с этим ошибочно считать максимальные показания на шкале индикатора АР (без указания требований к техническим характеристикам самих АР) нормой, отображающей реальное качество предоставления услуг в СПС. Ссылки в колонке «Стандарты СПС» на стандарты аналоговые или цифровые целесообразно исключить ввиду отсутствия актуальности аналоговых стандартов и всеобщего распространения цифровых стандартов в настоящее время и обозримом будущем. Значения требований по уровню затуханий сигнала вне помещений, указанные в табл. 4, резервируют необходимое проникновение уровня поля внутрь помещений, обеспечивая гарантированное качество получаемых услуг (по уровню мощности) пользователям не только на верхних этажах зданий, но и в полуподвальных помещениях и помещениях, расположенных на первых этажах жилых и офисных строений.
Список литературы

1. РД 45.254-2002. Сети сотовой подвижной связи. Нормы на показатели качества услуг связи и методики проведения их оценочных испытаний.

2. Rappaport T. S., Seidel S. Y. 914 MHz Path Loss Prediction Models for Indoor Wireless Communications in Multifloored Buildings // IEEE Transactions On Antennas And Propagation. – 1992. – February. – Vol. 40, N 2. – P. 207–217.

3. Saunders S. R. Antennas and Propagation for Wireless Communication Systems. J. Wiley&Sons, NewYork, 1999.

4. Дмитриев В. Н., Сорокин А. А., Пищин О. Н. Сотовая связь с использованием подвижных базовых станций // Инфокоммуникационные системы и технологии: проблемы и перспективы / СПбГТУ. – СПб., 2007. – C. 59–118.

5. Bertoni H. L. Radio Propagation for Modern Wireless Systems. Prentice Hall PTR, New Jersey, 2000.

6. Turkmani A. M. D., Toledo de A. F. Modeling of radio transmission into and within multistory buildings at 900, 1800, and 2300MHz // IEE Proc.-1. – 1993. – Vol. 40. – P. 462–470.

7. Yarkoni N., Blaunstein N. Prediction of Propagation characteristics in Indoor Radio Communication environments // Progress In Electromagnetic Research, PIER. – 2006. – 59. – P. 151–174.

8. Propagation data and prediction models for the Planning of indoor radiocommunication systems and radiolocal area networks in the Frequency range 900 MHz to 100 GHz. Draft new recommendation (document 3/2) ITU Doc. 3/B1/1-E 19, Febr., 1997.

9. Кирюшин Г. В., Маслов О. Н., Шаталов В. Г. Проектирование, развитие и электромагнитная безопасность сетей сотовой связи стандарта GSM. – М.: Радио и связь, 2000. – 148 c.

10. Троицкий В. Н., Шур А. А. Особенности распространения радиоволн УВЧ и СВЧ диапазонов внутри зданий // Электросвязь. – 1998. – № 8. – С. 26–29.