Россия
Россия
Обосновано утверждение, что для проектирования систем подвижной радиосвязи на малых дистанциях до 1 000 м основные рекомендованные модели расчета имеют значительную погрешность, т. к. они были созданы для расчетов больших дистанций (как правило, от 1 до 50 км) и имеют ограничения в примене-нии. В связи с тем, что на современном этапе развития систем подвижной радиосвязи в интенсивном исследовании и использовании находятся диапазоны частот не только 900 и 1 800 МГц, но и участки 450–800 МГц, а также от 2 100 до 6 000 МГц, которые ранее для систем сотовой связи не применялись, необходимо предложить дополнительные модели, необходимые для предварительного проектирования систем 3–5 поколений в диапазоне от 2 100 МГц. Дальность распространения радиоволн в диапазонах от 2 100 до 6 000 МГц значительно снижена по сравнению с диапазонами 1 800 или 900 МГц. Применение классических моделей расчета, таких как модели Okumura и COST-231 – Hata на дистанциях менее 1 км отличается значительными погрешностями и не рекомендовано самими авторами моделей к использованию на малых дистанциях. Для решения этой проблемы разработаны новые модели расчета затухания радиосигналов, предназначенные для оценки затухания на малых дистанциях.
распространение радиоволн, системы сотовой связи, системы подвижной радиосвязи, затухание сигнала, проектирование систем радиосвязи, малые дистанции, натурные испытания, Астраханская область
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 |
Измеренный |
Уровень сигнала |
Разница между значениями, дБ |
«Погрешность модели Okumura», % |
|
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.
1. Милютин Е. Р., Василенко Г. О., Сиверс М. А., Волков А. Н., Певцов Н. В. Методы расчета поля в системах связи дециметрового диапазона. СПб.: Триада, 2003. 159 с.
2. Весоловски К. Системы подвижной радиосвязи / под ред. А. И. Ледовского. М.: Горячая линия – Телеком, 2006. 536 с.
3. Попов В. И. Основы сотовой связи стандарта GSM. М.: Эко-Тренз, 2005. 296 с.
4. Пищин О. Н., Пузанков Д. С., Лыдкина К. С. Методика расчета влияния фактора сезонности на распространение радиоволн в южных регионах России вблизи гидросферных объектов в диапазоне ультравысоких частот // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. 2022. № 3. С. 51–60.
5. Дмитриев В. Н., Пищин О. Н. Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства в системах подвижной радиосвязи: учеб. пособие. Астрахань: Изд-во АГТУ, 2022. 156 с.
6. Рекомендация МСЭ-Р Р. 1546-4. Метод прогнозирования для трасс связи «пункта с зоной» для наземных служб в диапазоне частот от 30 МГц до 3000 МГц. Сер.: P. Распространение радиоволн (10/2009). URL: https://studylib.ru/doc/2033269/rekomendaciya-mse--r-p.1546-4 (дата обращения: 10.08.2023).
7. ГОСТ 55897-2013. Системы подвижной радиосвязи. Зоны обслуживания. Методы расчета. М.: Стандартинформ, 2014. 16 с.
8. ГОСТ Р 53363-2009. Цифровые радиорелейные линии. Показатели качества. Методы расчета. М.: Стандартинформ, 2010. 39 с.
9. Пузанков Д. С., Пищин О. Н. Анализ математических моделей для УВЧ диапазона для современных и перспективных систем мобильной связи // 73-я Междунар. студенч. науч.-техн. конф. (Астрахань, 17–22 апреля 2023 г.): материалы. Астрахань: Изд-во АГТУ, 2023. С. 646–648.
10. Дворников С. В., Балыков А. А., Котов А. А. Упрощенная модель расчета потерь сигнала в радиолинии, полученная путем сравнения квадратичной формулы Введенского с существующими эмпирическими моделями // Системы управления, связи и безопасности. 2019. № 2. С. 87–99. DOI:https://doi.org/10.24411/2410-9916-2019-10204.
11. Мамченко М. В., Зорин В. А., Романова М. А. Эмпирическая модель расчета затухания сигнала с учетом коэффициента застройки местности для беспилотных транспортных средств // Изв. Кабардино-Балкар. науч. центра РАН. 2022. № 1 (105). С. 59–73.
12. Бабков В. Ю. Сотовые системы мобильной радиосвязи. СПб.: БХВ-Петербург, 2013. 432 с.
13. Дворников А. С., Дворников С. В., Котов А. А., Муравцов А. А. Анализ моделей затухания радиосигналов дециметровых волн // Информация и космос. 2018. № 2. С. 6–11. URL: https://infokosmo.ru/file/article/16629.pdf (дата обращения: 19.01.2024).
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. V. 9 (4). URL: https://moitvivt.ru/ru/journal/pdf?id=1078 (дата обращения: 12.09.2023).
15. Пищин О. Н., Волошин А. А., Буцкая О. Б. Воздействие изменения температуры атмосферы на затухание сигналов сотовой связи // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. 2011. № 2. С. 132–136.
16. Печаткин А. В. Системы мобильной связи: учеб. пособие. Рыбинск: Изд-во РГАТА им. П. А. Соловьева, 2009. Ч. 1: Принципы организации, функционирования и частотного планирования систем мобильной связи. 121 с.
17. Программный комплекс ONEPLAN RPLS-DB планирования и оптимизации подвижной и фиксированной связи (сетевая версия). URL: https://reestr.digital.gov.ru/reestr/310318/ (дата обращения: 19.09.2023).
