...ПОПОВ...ЛОСЕВ...СИФОРОВ...КОТЕЛЬНИКОВ...   русские ученые подвижники

                           

На 1 страницу

         

Диаграмма Смита

  Анализ радио-
технических систем

Touchstone

MMICAD

MMICAD LAYOUT

  Microwave Office

 LIBRA

Aplac

Sonnet

HFSS 

ADS

Ptolemy

IE3D

FIDELITY

SERENADE

 MOMENTUM

XFDTD

Уравнения Максвелла  

Ряды Вольтерра  

  Метод моментов

  Динамический диапазон

  Мощность насыщения

Шумы 

Синтез СВЧ структур

Расчет микро-
полосковых антенн сотовых телефонов

 Расчет мощности поглощаемой в голове пользователя сотового телефона

  FEKO

CST

 Analog Office_2003

Wireless InSite

Банков С.Е., проф., д.т.н.,
 Курушин А.А., к.т.н.

Расчет и моделирование распространения радиоволн в городской среде и пересеченной местности с помощью программы Wireless InSite


Рынок радиосвязи в последние годы значительно увеличился, и его рост ожидается и в дальнейшем. Это привело к тому, что многие поставщики услуг связи начали исследования в области  распространения радиоволн в ситуации плотной городской застройки и в горной пересеченной местности, с целью удовлетворения все возрастающих потребностей качественной связи.

Качество связи зависит от многих параметров, таких как усиление передающей и принимающей антенн, мощности передатчика, и коэффициента шума приемника. Все эти параметры находятся под контролем проектировщика системы и могут быть изменены, чтобы оптимизировать систему.

Один параметр, однако, не находится под контролем проектировщика системы. Этот параметр – потери распространения или потери на трассе. Эти потери приводят к ослаблению сигнала при его прохождении  от передатчика до приемника.

Имеется много методов моделирования потерь распространения сигнала [1]. Методы моделирования отличаются, но все они используют расстояние между передатчиком и приемником как основной (критический) параметр. Другими словами, потери распространения сильно зависят от расстояния между передатчиком и приемником. Другие эффекты могут также учитываться в дополнение к основному фактору [2]. Например, в спутниковой связи атмосферные эффекты и поглощение за счет осадков являются доминирующими в определении мощности принимаемого сигнала. Рассмотрим три традиционные модели распространения радиоволн: свободное пространство, модель Ли и модель Хата. 

Модель свободного пространства

 В свободном пространстве мощность электромагнитных волн уменьшается как квадрата расстояния между передатчиком и приемником или 1/d2. В линейной форме, затухание в свободном пространстве описывается формулой

 

                                                     (1),

где

l - длина волны сигнала,

d - расстояние между передатчиком и приёмником.

 Уравнение (1) может быть также записано в логарифмической форме:

                 Lp = -32.4 – 20 log(f) – 20 log(d)                                                 (2),

 где

f – частота сигнала в мегагерцах (МГц),

d  – расстояние в километрах (км),

Lp – потери распространения в децибелах (дБ).

Заметим, что при заданной несущей частоте сигнала f, первое и второе слагаемое (2) - константы, и Lp изменяется как логарифм расстояния. На логарифмическом график наклон зависимости (2) составляет -20 дБ/декада. Модель свободного пространства основана на концепции расширяющегося сферического фронта волны при излучении сигнала от точечного источника в пространстве. Эта модель используется, в основном, в спутниковых системах связи дальнего космоса, где сигналы распространяются сквозь «свободное пространство». В системе мобильной связи появляются дополнительные потери из-за препятствий и другие помехи, поэтому необходимы более сложные модели, чтобы предсказать потери при распространении.

Модель Ли

 Распространение радиоволн в наземной связи сопровождается большими потерями, чем в свободном пространстве, поскольку имеются препятствия между передатчиком и приемником. В результате принятый сигнал складывается из сигналов, перемещающихся через прямые и непрямые пути. Это сигналы, перемещающиеся по линии прямой видимости, и сигналы, перемещающиеся по ломаной линии, которая формируется на основании рассеяний и отражений от объектов, находящихся между передатчиком и приемником (строения, деревья, холмы и др.). Именно поэтому потери на трассе в приземной области выше, чем в свободном пространстве, и степень потерь находится в более сильной зависимости от расстояния между передатчиком и приемником. Для иллюстрации приведем упрощенную формулу в модели Ли для частот, используемых в сотовой связи [1]:

                                                                                       (3),

 где

d - расстояние (в километрах) между передатчиком и приемником,

h - высота (в метрах)  антенны базовой станции.

Выражение (3) можно представить в логарифмической  форме

 Lp = -129.45 – 38.4 log(d) – 20 log(h)                                                         (4).

 

Модель Хата

 Уточненная модель распространения радиоволн должна быть функцией различных параметров, необходимых для описания условий распространения. Рассмотрим модель Хата, чтобы пояснить более сложную модель потерь распространения, которые зависят от таких параметров, как частота, высоты антенн передатчика и приемника и плотность застройки. Модель Хата основана на обширных эмпирических измерениях в городских условиях. В логарифмической форме, обобщенная модель может быть записана как

 Lp = -K1–K2 log(f)+13.82 log(hb)+a(hm)-[44.9-6.55 log(hb)] log(d)-K0              (5),

 где

f - несущая частота (в мегагерц),

hb - высота антенны (в метрах) передатчика,

hm -  высота антенны приемника (в метрах),

d - расстояние (в километрах) между базовой станцией и подвижным пользователем.

 Для этих параметров, имеются только некоторые пределы, в которых модель справедлива;  hb должна быть между 30 м и 200 м, hm должна быть между 1 м и 10 м, и d должно быть между 1 км и 20 км. Коэффициенты a(hm) и K0 используются при распространении радиоволн в «городском» или «плотном городском» окружении. В частности

 a(hm) = [1.1 log(f)-0.7]hm-[1.56 log(f)-0.8]          для города

a(hm) = 3.2[log(11.75hm)]2 – 4.97              для города с плотной застройкой

и    K0= 0                                       для города

K0= 3dB                                  для города с плотной застройкой
Коэффициенты K1 и  K2 используются, чтобы учесть частотные диапазоны.

 K1= 69.55 для частотного диапазона 150 МГц £ f £  1000 МГц,

K1= 46.3 для частотного диапазона 1500 МГц £ f £  2000 МГц

и        K2= 26.16 для частотного диапазона 150 МГц £ f £  1000 МГц,

K2= 33.9 для частотного диапазона 1500 МГц £ f £  2000 МГц.

 

 

Рис. 1. График показывает потери на трассе в зависимости от расстояния для трех различных моделей распространения: свободное пространство, Ли, и Хата. Высота антенны 30 м и несущая частота 881.5 МГц, соответственно. Для модели Хата используется  высота антенны приемника 1.5 м и городская застройка

 

Численное решение задачи распространения
широкополосного сигнала в сложной среде

 Компания Remcon Inc. разработала программу Wireless InSite, которая анализирует распространение радиоволн в условиях городской среды и пересеченной горной местности. В результате можно найти оптимальное расположение передатчиков в пределах города или горной местности и рассчитать замирания сигнала при движении мобильного приемника, а также силу сигнала в любой точке анализируемого пространства. Программа моделирует физические характеристики грубого ландшафта и городских структур, выполняет расчеты на электродинамическом уровне, а затем выводит характеристики распространения сигнала.

 

Рис. 2. Начерченное пространство города в трехмерном виде в окне программы Wireless Insite. Красные кубики – расположения приемников, синие – передатчиков

 Wireless InSite – мощная программа, использующая электродинамические методы расчета для моделирования и предсказания влияния строений и местности на распространении электромагнитных волн. Она предсказывает, в частности, как размещения передатчиков и приемников в пределах городской зоны изменяет мощность сигнала в точке приема.  Wireless InSite моделирует физические свойства пересеченной местности и городских строений, выполняет электромагнитные расчеты и затем рассчитывает характеристики распространения сигнала.

Рис. 3. Нахождение и анализ нескольких лучей  в сложной горной поверхности

Рис. 4. Решение задачи распространения внутри помещений. Красной толстой линией посреди коридора обозначается предполагаемое расположение приемников

Черчение зданий и земляной поверхности выполняется, используя инструментальные средства редактирования InSite, или могут быть импортированы из файлов типа DXF, DTED и USGS. План поверхности земли составляется из отдельных треугольных площадок, координаты вершин которых можно устанавливать раздельно. Можно назначить материалы, включая диэлектрическую проницаемость и потери.

 Координаты передатчика и приемника  задаются, используя инструментальные средства InSite, или из внешнего файла данных. Могут быть заданы большие области городских и горных местностей. Отдельные расчеты могут быть выполнены,  используя графический редактор Study Areas.

 Вычисления выполняются,  исследуя и фиксируя лучи от передатчиков, и исследуя распространение лучей по начерченной модели городской или горной среды. Эти лучи взаимодействуют с элементами окружающей среды и формируют пути распространения до приемников. Распространяющийся луч может претерпеть отражение от земли или лицевой поверхности строения, дифракция от края строения, и просачивание через его стенку.
Wireless InSite использует приближенные электродинамические методы расчета (методы геометрической оптики) и обеспечивает, как утверждает компания Remcon Inc., точные результаты в диапазоне от 50 МГЦ до 40 ГГц. 

Рис. 5. Лучи, которые дифрагируют и отражаются от  верхних и нижних рядов двух-расположенного ярусами, слоями строения. “R” обозначает отражение, “D” дифракцию

Рис. 6. Установка глубины моделирования процессов распространения:

 -отражения перед первой дифракцией,

-отражения за последней дифракцией,

-отражения между дифракциями,

-передачи перед первой дифракцией,

-передачи за последней дифракцией,

-передачи между дифракциями

 

Программа учитывает множество важных характеристик местности, и параметров учитывающих потери в пути, отражение, прохождение через препятствия и дифракцию. Количество и глубина учета этих характеристик задается в окне на рис. 6.

Окончательная формула мощности в точке приема , где Np – число линий связи,  а Pi – усредненная по времени мощность в точке приема от отдельного луча, причем

             (6),

где    l - длина волны, b - коэффициент формы сигнала, h0  - характеристический импеданс свободного пространства, - диаграмма направленности передающей и приемной антенны.

 Результаты действия каждого луча на приемник суммируются, чтобы определить уровень окончательного сигнала. В каждой точке, где находится приемник, лучи суммируются и рассчитываются, чтобы определить сигнальные характеристики типа потерь на трассе, задержки сигнала,  направление максимального усиления, и импульсной характеристики. Пользователь может задать когерентность лучей, и задать вычисление характеристики замирания. Траектории лучей могут быть отображены для каждой пары передатчика / приемника.

 

Рис.7. Построение лучей и анализ сигналов от передатчика к приемникам в городских условиях

InSite рассчитывает и показывает пути распространения лучей, количество которых задается в начале расчета. Программа обеспечивает воспроизведение на экране результатов расчета, типа зон действия передатчика (рис. 7), мощности сигналов, потери распространения (рис. 8), показывая эти данные визуально в пределах моделируемой среды. На этих графиках имеется возможность сравнения с экспериментальными данными, или с предыдущими вычислениями InSite. Все выходные файлы, рассчитанные InSite, находятся в читаемом формате ASCII.

 

 

Рис. 8. Потери распространения от передатчика к приемникам, находящимся вдоль улицы

 Последовательность анализа распространения радиоволн состоит из следующих шагов:

 -описание земной поверхности, а если это внутренняя задача – то и создание стен, потолка и описание материалов. Поверхность может быть получена из готового файла, иcпользуя файл с расширением .dxf,

-установка координат антенн передатчиков и приемников,

Рис.9. Списки анализируемых антенн и их параметры для расчета путей распространения и потерь распространения

Рис. 10. Окно установки параметров антенны

 

-задание параметров антенн, включая параметры трехмерной диаграммы направленности, усиления, поляризации (рис. 9, 10),

-установка частоты, ширины полосы рабочего сигнала и  мощности,

-установка параметров расчета: количество отражений, глубина дифракции,

 В результате расчета пользователь получает:

-количество и направления всех лучей распространения,

- потери распространения, а также мощности в точках приемника,

 

Далее возможно выполнить оптимизацию точек расположение передатчиков и приемников.

 

Рис.  10. График потерь распространения вдоль трассы AOB показывающий изменение потерь при движении мобильного телефона вдоль трассы. Точки – экспериментальные значения. Голубая линия – расчет на Wireless InSite

 

Итак, мы рассмотрели, как Wireless Insite может использоваться для предсказания распространения радиоволн и планирования городской сотовой телефонии. Этот  современный подход к  анализу гарантирует успех проектирования. Чтобы достигнуть подобных результатов, обычно требуется  несколько минут расчета на компьютере Pentium 4  с частотой 1 ГГц.

 

Выводы

 

Программа Wireless Insite дает в руки исследователей новый мощный инструмент для исследования распространения радиоволн через сложную среду, и в окружении проводящих и поглощаемых объектов. Таким образом появляется возможность решения задач распространения через водную среду, оптимизации связи в горной и лесной пересеченной местности, решения задачи связи в метро, горной местности, шахтах и в других сложных условиях.

 

Литература

1. Yang, Samuel C. CDMA RF system engineering. Artech House, 1998

2. Марков Г.Т., Петров Б.М., Грудинская Г.П. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Сов.радио, 1979.

 

 

Если Вы хотите получить полное описание программы на русском языке, пошлите e-mail по адресу kurushin@mail.ru.
© 2003 СВЧ проектирование
Последняя модификация: марта 27, 2004