WWW.KONF.X-PDF.RU
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Авторефераты, диссертации, конференции
 

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

«МУАД ХАЛЕД МОХАМАД Радиосистемы и устройства связи с малыми искажениями для загородных и горных трасс Специальность 05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения ...»

-- [ Страница 1 ] --

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования «Московский государственный университет

информационных технологий, радиотехники и электроники» (МИРЭА)

На правах рукописи

МУАД ХАЛЕД МОХАМАД

Радиосистемы и устройства связи с малыми

искажениями для загородных и горных трасс

Специальность 05.12.04 –

Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения



Специальность 05.12.07 – Антенны, СВЧ устройства и их технологии

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор Нефедов В.И.

Москва – 2015.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение …………………………………………………………………… 4 Глава 1. Особенности применения радиосистем и устройств связи с малыми нелинейными искажениями на сложных по структуре трассах

1.1. Современные радиосистемы и устройства связи для загородных и горных трасс ……………………………………………………................ 13

1.2. Анализ условий распространения электромагнитных волн радиосистем связи на загородных и горных трассах с различным ландшафтом 17

1.3. Простые модели распространения электромагнитных волн на загородных трассах при отсутствии и наличии препятствий ……………. 28

1.4. Анализ типовых решений построения антенных устройств для сложной формы загородных и горных трасс ……………………………….. 41 Выводы по главе 1 ………………………………………………………….. 49 Глава 2. Распространение электромагнитных волн на трассах с неоднородной подстилающей поверхностью и горным ландшафтом

2.1. Поле излучающего диполя над импедансной поверхностью земли... 50

2.2. Модели подстилающей поверхности трассы и лесной растительности и их влияние на процесс распространения электромагнитных волн ……… 55

2.3. Распространение электромагнитных колебаний на горных трассах с пологими неровностями рельефа ………………………………………. 80

2.4. Пассивные ретрансляторы на трассах с горным ландшафтом ……… 92 Выводы по главе 2 ………………………………………………… 101 Глава 3. Разработка антенных устройств радиосистем связи для загородных трасс и горной местности ………………………………… 102

3.1. Анализ условий работы антенных устройств на загородных трассах и в горной местности ……………………………………………………… 102

3.2. Пути повышения эффективности антенных устройств радиосистем связи для загородных трасс ………………………………………………... 104

3.3. Синтез диаграмм направленности антенных устройств систем связи для загородных и горных трасс ……………………………………. 106

3.4. Разработка конструкций антенных устройств для загородных трасс 111 Выводы по главе 3 ………………………………………………………….. 114 Глава 4. Радиосистемы и устройства связи с интеллектуальными антеннами и АФАР и малыми нелинейными искажениями ……….. 115

4.1. Принципы и проблемы функционирования радиосистем и устройств связи с малыми нелинейными искажениями сигналов ……… 115

4.2. Искажения сигналов в горных радиосистемах связи с АФАР и ИА 123

4.3. Моделирование диаграммы направленности многолучевых АФАР в радиосистемах связи с малыми искажениями для горных трасс …….. 132

–  –  –

ВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Усложнение радиосистем и устройств связи с малыми нелинейными искажениями сигналов при наличии многолучевости распространения, включая системы радиосвязи, применяемые на сложных по рельефу загородных трассах и в горной местности, а также требования к миниатюризации аппаратуры, выдвигают на первый план проблему уменьшения габаритов антенн, так как во многих случаях проблема миниатюризации приемопередающих устройств уже практически решена [1, с.235]. Другая проблема при разработке таким радиосистем – снижение энергопотребления, что связано с большими расстояниями обеспечения радиосвязи по трассам. Наиболее перспективными в этом направлении являются управляемые адаптивные антенны [2, с.46], более известные как «интеллектуальные антенны» (ИА) систем подвижной радиосвязи, и активные фазированные антенные решетки (АФАР) с интегрированными (встроенными) в них малогабаритными интегральными усилительными СВЧ-модулями, применяемые в радиолокации, спутниковых системах связи, навигации, спутниковых и авиационных радиосистемах наведения и т.д. [3, с.115].





Технологии современных радиосистем и устройств связи с интегрированными СВЧ-схемами и малыми искажениями сигналов при распространении радиоволн на сложных по рельефу загородных трассах и в горном ландшафте находятся в непрерывном совершенствовании [4, с.26].

В настоящее время они стали вполне доступными и превратились в удобное средство абонентского доступа [5, с.236]. Это превращение основано на применении цифрового диаграммообразования, или цифрового формирования диаграмм направленности (ДН) многолучевых АФАР и интеллектуальных антенн систем радиосвязи [6, 432].

При этом возникла необходимость создания комплексных интегральных СВЧ-модулей для многолучевых АФАР радиосистем связи с целью реализации их сложных характеристик. Как правило, СВЧ-модули АФАР и интеллектуальных антенн содержат передающие тракты с мощными усилителями многочастотных (групповых) сигналов (МУМС), имеющих ограниченные энергетические ресурсы при наличии многолучевости распространения и удлиненных расстояний в зонах обслуживания [7, с. 124; 8, с.49].

На сложных по рельефу загородных трассах и в горной местности одной из наиболее серьезных и часто встречающихся проблем является пропадание или полное отсутствие радиосвязи. Подобные ситуации вполне естественны и допустимы, поскольку в таких местах ретрансляторы, а точнее, базовые приемопередающие станции, расположены существенно реже, чем в городе. Но проблему надо решать и для этого можно воспользоваться тремя способами [9, с.234; 10,с.213].

Первый способ – установка поблизости дополнительной базовой станции или ретранслятора. Второй – повышение КПД и выходной мощности за счет уменьшения уровня нелинейных внутрисистемных искажений. Третий – улучшение структуры антенных устройств и оптимизация существующих моделей процессов распространения радиоволны на загородных трассах и в горной местности.

Первый отмеченный способ улучшения связи на сложных по рельефу загородных и горных трассах – дорогой и это не всегда осуществимо.

Второй способ. Хотя направленные ИА и АФАР улучшают использование радиоканалов, они не избавлены от двух основных недостатков в многоканальных системах – межканальной и межсимвольной интерференции и наличия нелинейных искажений [11, с.46]. За счет того, что стандартные антенны не могут отслеживать местоположение абонента и поэтому должны излучать сигнал большей мощности. Это может повлиять за собой интермодуляцию между своими сигналами или сигналами соседних сот. Для получения больших мощностей МУМС работают в режиме насыщения и поэтому обладают ярко выраженными нелинейными передаточными характеристиками (ПХ): амплитудной (АХ) – зависимостью выходной мощности от входной и фазо-амплитудной (ФАХ) – зависимостью фазы от входной мощности усиливаемого сигнала. Это приводит к появлению интермодуляционных составляющих (ИМС), возникающих в усилительных трактах передатчиков, что вызывает в радиосистемах передачи информации снижение помехоустойчивости, уменьшение пропускной способности, снижение выходной мощности и КПД, увеличение фазовых искажений и пр. [12, с.87; 13, с.18]. Решение этих задач непосредственно связано с обеспечением линейности передающих модулей радиоустройств радиосистем связи с МУМС при ограниченных энергетических ресурсах. Значительный пикфактор групповых сигналов требует применения линейных МУМС, которые достаточно сложны в изготовлении и имеют очень низкий коэффициент полезного действия, в связи с чем неизбежны дополнительные энергетические затраты на передатчики.

По поводу ИМИ необходимо учитывать, что при связи на загородных трассах удаление от базовых станций или ретрансляторов, как правило, является большим (в городе около 500 м или меньше, за городом 5-10 км), затухание сигнала также большое, поэтому усилитель передатчика работает в форсированном режиме. Естественно, что существенно изменилось внимание к проблемам анализа, расчета и построения АФАР, включающих нелинейную модель МУМС. Интеграция мощных передающих устройств с цифровыми ИА и АФАР имеет много преимуществ по сравнению с пассивными антеннами, например, вследствие увеличения пропускной способности и скорости передачи сообщений системы связи [14, с. 98].

Третий способ. Реальная земная поверхность практически везде сложна и слоиста по структуре, поскольку создана из горных пород, обладающих неоднородными электрическими свойствами, имеет сложный рельеф и зачастую покрыта растительностью и т.д. Поэтому вопрос о прогнозировании поля поверхностной электромагнитной волны над реальной земной поверхностью с учетом рельефа местности, растительного покрова и электрических неоднородностей подстилающей среды в настоящее время остается не решенным.

На использовании электромагнитных волн, распространяющихся вблизи земной поверхности, амплитудно-фазовая структура которых достаточно стабильна, основана работа радиотехнических систем радиосвязи, радиовещания, навигации и службы единого времени.

Во многом эффективность применения таких радиотехнических систем связи при наличии многолучевости, межсимвольной интерференции и нелинейных искажений определяют знания закономерностей поведения электромагнитного поля у земной поверхности. Исследования, расчеты поля наземной волны и эксперименты показали, что существующие модели процессов распространения поля земной волны требуют серьезного дальнейшего анализа, уточнения и развития. Тут на помощь могут прийти специализированные антенны для сложных по рельефу загородных и горных трасс. Хотя направленные интеллектуальные антенны и АФАР улучшают использование радиоканалов, они не избавлены от двух основных недостатков в многоканальных системах – межканальной интерференции и наличия ИМС. За счет того, что стандартные антенны не могут отслеживать местоположение абонента и поэтому должны излучать сигнал большей мощности.

Это может вызвать за собой эффект интермодуляции между канальными сигналами или сигналами соседних сот. Поэтому и необходимы специализированные антенны. В связи с этим резко возрастает потребность в новых конструкциях антенн и методиках проектирования, способных обеспечить повышение эффективности радиосистем.

Дело в том, что операторы связи могут изменять интенсивность излучения в течение суток или в определенные дни недели. Обычно установленные на базовых станциях интеллектуальные антенны объединяются в антенные решетки с цифровой обработкой сигнала, что позволяет регулировать прием и передачу сигналов. Другими словами, этот тип системы может автоматически изменять направление излучения в ту сторону, где это необходимо.

Интеллектуальной антенны и АФАР находят пользователя, отслеживают его перемещение и обеспечивают его оптимальным уровнем радиосигнала, пока он находится в зоне действия данной станции или ретранслятора. Поэтому своевременный учет тонкостей распространения электромагнитных колебаний при выборе местоположения ретранслятора, является важной теоретической и практической задачей.

Эти вопросы тесно и органично связаны между собой, упираются в решение поставленных проблем и представляют собой комплексную задачу. Поэтому тема диссертации, посвященная вопросам построения высокоэффективных многоканальных радиосистем связи с малыми нелинейными искажениями и со специализированными антеннами для загородных и горных трасс, является актуальной.

Диссертация посвящена разработке радиосистем и устройств связи со сложными и управляемыми характеристиками направленности ИА и АФАР, а также развитию и усовершенствованию методики проектирования и оптимизации параметров таких антенных систем на основе применения электродинамического анализа распространения радиоволн в сочетании с экспериментами.

Целью работы и задачами диссертационного исследования является разработка оптимальных моделей специализированных антенных устройств для повышения эффективности и устройств связи и передачи информации с малыми нелинейными искажениями при распространении электромагнитных волн на сложных по рельефу загородных трассах в горном ландшафте.

Для достижения этой цели в диссертации:

• проведен анализ влияния формы поверхности многослойной структуры подстилающей трассы со статистически неровными границами на процесс формирования отраженного электромагнитного поля;

• исследованы условия распространения метровых и дециметровых радиоволн на трассах в загородной и горной местности;

• проведена сравнительная оценка расчетных и экспериментальных данных для сложных по рельефу загородных и горных радиотрасс в метровом диапазоне, подтвердившая применимость предложенных моделей и методов расчета электромагнитного поля;

• разработаны модели специализированных антенных устройств для повышения эффективности радиотехнических систем связи с малыми нелинейными искажениями для загородных и горных трасс.

Областями исследований диссертации являются:

• моделирование распространения электромагнитных волн на различных трассах в природных средах и влияние условий распространения и вида подстилающей поверхности на характеристики антенн;

• решение внешних дифракционных задач электродинамики для анализа и синтеза высокоэффективных антенн и возможных путей их моделирования и построения;

• исследование характеристик антенн для их модернизации, что позволяет создавать высокоэффективную технологию передачи данных на загородных трассах и в условиях горного ландшафта;

• изыскание рациональных путей построения, исследование и разработка новых антенных систем с существенно улучшенными параметрами для применения на загородных трассах в горном ландшафте;

• принцип интегрирования МУМС в модули передающих ИА и АФАР радиосистем связи с малыми нелинейными искажениями.

Методы исследования. В диссертации использовались аналитический аппарат электродинамики и распространения радиоволн, метод математического моделирования излучающих систем, численные методы решения интегральных уравнений, численные и аналитические методы проектирования специализированных антенных устройств и радиотехнических систем связи с малыми нелинейными искажениями.

Кроме того применялся спектральный анализ групповых усиленных сигналов и методы аппроксимации нелинейных характеристик усилителей мощности цилиндрическими функциями.

Научная новизна. Научная новизна заключается в следующем:

1. Исследовано и проведено моделирование процесса распространения электромагнитных волн на различных сложных по рельефу трассах в природных средах и их влияние на характеристики антенн.

2. Проведен численный анализ структуры электромагнитного поля вблизи места размещения антенной системы для сложных по рельефу загородных и горных трасс.

3. Созданы новые методы моделирования диаграмм направленности АФАР с интегрированными МУМС; разработаны модели специализированных антенных устройств для повышения эффективности радиотехнических систем связи для загородных и горных трасс.

4. Разработаны и испытаны линеаризированные усилительные тракты с малыми нелинейными искажениями, интегрированные в интеллектуальные антенны и АФАР радиосистем и устройств связи.

Практическая ценность. Результаты работы в виде предложенных методов, моделей и технических решений позволяют создать новые антенные системы с существенно улучшенными параметрами для применения на загородных трассах и в горном ландшафте.

Предложенные методы, модели и технические решения позволяют учесть распространение радиоволн уже на этапе проектирования радиосистем и устройств связи, что обеспечивает заданную зону покрытия с более качественным обслуживанием и с меньшими энергетическими затратами.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Новые методы исследования и моделирования распространения радиоволн на сложных по рельефу трассах в природных средах и их влияние на характеристики антенных устройств радиотехнических систем связи.

2. Результаты численного анализа структуры электромагнитного поля вблизи места размещения антенных устройств радиотехнических систем связи для сложных по рельефу загородных и горных трасс.

3. Новые методы моделирования диаграмм направленности АФАР и ИА с интегрированными МУМС.

4. Линеаризированные усилительные тракты с малыми нелинейными искажениями, интегрированные в интеллектуальные антенны и АФАР радиосистем и устройств связи.

Внедрение результатов работы Отдельные результаты диссертации применены в институте общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук.

Результаты работы внедрены в учебный процесс на кафедре телекоммуникационных систем МИРЭА.

Материалы предназначены для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» и используются в курсовом проектировании по дисциплинам «Общая теория связи» и «Антенны и устройства СВЧ».

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:

- X, XI и XII Международные научно-практические конференции «Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий» (ИНФО), Г.Сочи, 1-10 октября 2013,2014,2015 г.

–  –  –

Международная научно-практическая конференция «Актуальные

-II проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем «Радиоинфоком-2015», МИРЭА, Г. Москва, 14-18 апреля 2015 г.

Достоверность результатов диссертации. Достоверность результатов подтверждается соответствием теоретических и экспериментальных характеристик исследуемых устройств.

При проведении диссертационных исследований использованы известные и проверенные математические методы; совпадением результатов с данными, полученными другими авторами, а также актами об использовании результатов диссертации.

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 13 работах. Из них 3 статьи в ведущих научных изданиях, рекомендуемых ВАК минобрнауки РФ для публикации материалов диссертаций, представляемых на соискание ученой степени кандидата наук; 10 докладов в трудах международных, российских и Вузовских конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников информации, включающего 134 наименования, и приложения; содержит 167 страницы текста, 65 рисунков и 3 таблицы.

Личный вклад. Все результаты и положения, составляющие основное содержание диссертации, разработаны и получены лично автором или при его непосредственном участии.

Глава 1. Особенности применения радиосистем и устройств связи с малыми нелинейными искажениями на сложных по структуре трассах

–  –  –

Современные радиосистемы и устройства связи со специализированными антеннами для сложных рельефу загородных и горных трасс один из видов радиосвязи, основанный на использовании базовых станций (БС) и ретрансляторов (РТР) путем вынесения их в определенные точки местности (рисунок 1.1).

То есть радиосистемы связи для сложных рельефу загородных и горных трасс – особый вид спутниковых (ССС) или радиорелейных линий связи, если антенну РТР подвесить на опору, высота которой обеспечивает радиосвязь с мобильным абонентом на заданной дальности. В спутниковой радиосистеме связи (рисунок 1.1,а) значительно увеличивается зона прямой видимости поверхности Земли, просматриваемой с ИСЗ и, соответственно, размеры земной территории, с которой он виден в один и тот же момент времени. Располагаясь на геоцентрической орбите (35 786 км), ИСЗ может «освещать» большую территорию – около трети поверхности Земли, поэтому через его бортовой ретранслятор могут непосредственно связываться любые станции, находящиеся на этой территории.

Загрузка...

Трех ИСЗ с мощным электропитанием, находящихся на геостационарных орбитах, может быть достаточно для создания почти глобальной системы спутниковой связи (иногда достаточно и одного). В то же время современные средства позволяют сформировать очень узкий луч диаграммы направленности антенн, чтобы при необходимости сконцентрировать энергию передатчика ИСЗ на ограниченной площади, например на территории небольшого государства, или области. Это дает возможность использовать ИСЗ и для обслуживания небольших зон. Следует отметить, что трасса луча между ИСЗ и земной станцией (ЗС) проходит обычно под значительными углами к земной поверхности, что уменьшает влияние затенений и шумового излучения Земли на прием сигналов земной станции.

Рис.1.1 – Радиосистемы связи:

а – орбиты ИСЗ (1 – геостационарная; 2 – высокая эллиптическая;

3 – низковысотная); б – структурная схема спутниковой и сотовой подвижной системы с МГН-сигналом; в – БПС; г – радиорелейные подвижные системы; д – с усилительным нелинейным трактом Оборудование спутниковой системы связи, расположенное на РТР, называют космической радиостанцией, а оборудование, расположенное на Земле – наземной радиостанцией.

Канал передачи радиосигнала от наземной станции на спутник называют восходящим, а канал передачи сигналов в обратном направлении – нисходящим.

Энергетическое снабжение электрическим напряжением самого спутника и других его устройств и систем осуществляется от солнечных батарей, работающих от Солнца.

На спутниках, помимо ретрансляционной аппаратуры, размещают оборудование, обеспечивающее стабилизацию положения спутников на орбите и ориентирование его в пространстве (антенны РТР направляют в сторону Земли, солнечные батареи – в сторону Солнца) [15, с 27; 16, с. 8; 17, с.56]. Искусственные спутники Земли информационного (связного) назначения широко используются для передачи различных сообщений, организации ТВ, телефонных, телеграфных и других каналов связи. Спутниковая связь осуществляется между земными станциями, которые могут быть как стационарными, так и подвижными – в частности, сотовыми (рисунок 1.1,б).

Для экономичности связи применяют многоканальные линии радиосвязи, что приводит к необходимости увеличения полосы пропускания частот в линии. Широкая полоса требуется также для ретрансляции телевизионных сигналов. С расширением полосы пропускания растет опасность искажения сообщений помехами радиоприему.

Поэтому прием сообщений с допустимыми искажениями – важнейшая задача, решаемая увеличением мощности радиосигналов, выбором частот связи, уменьшением уровня шумов радиоприемников, применением эффективного кодирования, выбором типа модуляции, способа приема и обработки радиосигналов при малом отношении сигнал/помеха и др. Например, частоты радиосигналов выбирают в пределах от 1 до 10 ГГц, так как на меньших частотах резко растут помехи от шумов космоса, а на больших – от шумов атмосферы; в первых каскадах усилителей радиоприемников земных станций используют малошумящие квантовые усилители и параметрические усилители, охлаждаемые жидким гелием.

В настоящее время почти во всех областях радиосистем связи широкое распространение получили радиорелейные линии (РРЛ), которые служат для организации надежных подвижных цифровых каналов передачи данных (рисунок 1.1, в, г): при создании магистральных линии связи, транспортных сетей, а также локальных ответвлений для реализации «последней мили» (GSM, CDMA, 4G, Wi-max и др.), при построении корпоративных сетей связи и передачи мультимедийной информации, а также для передачи цифровых телевизионных каналов [18, с.12].

Однако наземные радиорелейные линии не могут в полной мере удовлетворить обмен радиовещательных и телевизионных программ, особенно если они сильно удалены друг от друга.

Между ретрансляторами радиосистемы связи не может быть больших расстояний, поэтому размещение наземных РТР и базовых станций связано со значительными техническими и экономическими сложностями, а связь через океаны и труднодоступные территории просто невозможна.

От этих недостатков как раз и свободны ССС, которые обладают достаточно высокой пропускной способностью и позволяют обеспечить экономичную круглосуточную связь между любыми оконечными пунктами, обмен радиовещательными и телевизионными программами, одновременную работу без взаимных помех большого числа линий [18, с. 123; 19, с.146].

Решение задачи совершенствования многообразных радиосистем связи и повышения качества их функционирования при наличии нелинейных искажений и многолучевости распространения на сложных по рельефу загородных и горных трассах непосредственно связано с обеспечением высокого динамического диапазона и линейных свойств всех трактов прохождения многочастотного сигнала, особенно линейности характеристик МУМС [20, с. 23-25].

В противном случае в приемопередающих трактах возникают ИМС, создающие взаимные помехи во всех каналах передачи информации и мешающие нормальному функционированию радиосистемы связи.

1.2. Анализ условий распространения электромагнитных волн радиосистем связи на загородных и горных трассах с различным ландшафтом Во многих регионах земного шара предоставление услуг подвижной радиосвязи затруднено из-за национальных особенностей застройки и основного вида сложных по рельефу ландшафтов. Примером таких условий для радиосистем связи может служить Сирийская республика.

Рассмотрим эти особенности. Площадь Сирийской республики составляет около 185,2 тысяч км2. Горная цепь плато Ансаря (Ан-Нусайря) разделяет страну на влажную западную часть и засушливую восточную. Плодородная прибрежная равнина расположена на северо-западе республики Сирия и простирается на 130 км с севера на юг вдоль берега Средиземного моря от турецкой до ливанской границы [21, с.4-12]. Здесь сосредоточено практически все сельское хозяйство страны.

Большая же часть сирийской территории расположена на засушливом плато, испещренном горными цепями Дажабль-ар-Рувак, Джабаль-АбуРуджмайн и Джабаль-Бишри. Средняя высота горных плато над уровнем моря колеблется от 200 до 700 метров. К северу от гор расположена пустыня Хамад, к югу – Хомс.

Жилая загородная застройка в основном представлена малоэтажными каменными зданиями, расположенными на холмистой местности в окружении гор. При этом в районах жилой застройки достигается высокая плотность населения и большая часть трафика связи связана с этими районами [2, с. 128]. Отметим, что сотовая связь и передача и мультимедийной информации частотного диапазона GSM-900/1800в настоящее время затруднена из-за условий гражданской войны.

В условиях будущего возрождения Сирийской республики многоканальная спутниковая подвижная, радиорелейная и сотовая связь в основном будет создаваться заново из-за появления новых радиосистем передачи информации и связи, передачи данных и систем мультимедиа, из-за замены морально устаревших радиосистем связи и с очевидной необходимостью восстановления разрушенных участков.

При этом должны быть учтены все новейшие достижения в области радиосистем передачи информации, и в том числе систем телекоммуникаций, радиовещания и телевидения, в частности, в адаптации, применении и разработке новых методов территориально-частотного планирования нескольких зон покрытия.

Существующие условия загородной застройки и изрезанности территории из-за преобладающих горных ландшафтов приводят к созданию условий интенсивной многолучевости при образовании каналов мобильной связи, что создает проблемы в обеспечении качества связи и обеспечения условий выполнения хэндовера. Фактически любую радиотрассу при наличии многолучевости распространения можно представить в виде набора нескольких основных путей, по которым сигнал от ретранслятора, или базовой станции доходит до антенны мобильного телефона и наоборот.

На каждом из этих путей находятся различные объекты, влияющие на распространение электромагнитных волн.

В городских и загородных условиях можно выделить следующие основные элементы:

• направляющие структуры (проспекты, улицы, участки рек, контактные линии городского электротранспорта и др.);

• отдельное здание или группы зданий;

• поверхность Земли и препятствия на ней (неровности поверхности, автомобили, столбы, стены и т.п.);

• участки растительности (леса, парки, скверы и пр.).

Моделирование влияния перечисленных объектов и путей на распространение электромагнитных волн можно осуществлять двумя основными способами [22, с.15-18; 23, с.236]:

• детерминированными;

• статистическими и комбинированными.

К первым относят в основном методы геометрической оптики, физической и геометрической теорий дифракции, метод параболического уравнения, а также численные методы электродинамики. Они позволяют произвести расчеты напряженности поля с большой степенью точности, но предъявляют высокие требования к точности задания модели среды.

Статистические методы анализа и расчетов учитывают случайный характер распределения неоднородностей среды, оказывающих влияние на процесс распространения электромагнитных волн. Они позволяют предсказать некоторые средние характеристики сигналов.

Применение современных методов расчета зон покрытия систем подвижной связи обеспечивает высокое качество связи и значительную экономическую выгоду из-за экономии средств на создание сооружений связи с равномерной загрузкой.

При анализе распространения электромагнитных волн в радиоканале системы передачи информации или радиосвязи часто используется модель свободного пространства. В рамках этой модели предполагается, что в канале отсутствуют такие процессы, как отражение, преломление, поглощение, рассеяние и дифракция электромагнитных волн. Если ли же рассматривается распространение электромагнитных волн в земной атмосфере, то она предполагается однородной для распространения радиоволн и удовлетворяющей указанным выше условиям.

Предполагается, что земная поверхность находится достаточно далеко от радиотрассы, так что ее влиянием можно пренебречь. Модель свободного пространства является эталонной при анализе распространения электромагнитных волн на различных трассах.

В рамках этой модели энергия сигнала зависит только от расстояния между передатчиком и приемником и убывает обратно пропорционально квадрату расстояния.

Достоверность и надежность передачи аналоговой или цифровой информации определяется несколькими факторами, среди которых можно выделить отношение сигнал/шум, а также искажения сигнала, вызванные межсимвольной интерференцией.

В цифровых радиосистемах связи вероятность ошибки зависит от нормированного отношения сигнал/шум [8, с. 25-31].

Уменьшение отношения сигнал/шум может быть вызвано снижением мощности излучаемого передатчиком радиосистемы связи сигнала, повышением мощности шума или мощности сигналов, интерферирующих с полезным сигналом.

Эти механизмы называются, соответственно, потерями (ослаблением) и шумом (интерференцией). Ослабление может происходить в результате поглощения энергии передаваемого полезного сигнала, отражения части энергии сигнала или рассеяния.

Существуют несколько источников шумов и интерференции – тепловой шум, галактический шум, атмосферные и промышленные помехи, интермодуляционные, перекрестные и интерферирующие сигналы от других источников.

Перечислим некоторые причины потерь.

1. Потери, связанные с ограничением полосы канала.

2. Межсимвольная интерференция.

3. Модуляционные потери.

3. Интермодуляционные искажения, возникающие в мощных каналах радиопередающих устройств.

5. Поляризационные потери.

6. Пространственные потери.

7. Помехи соседнего канала.

8. Атмосферные и галактические шумы.

9. Собственные шумы приемника.

10. Потери в антенно-фидерном тракте.

Рассмотрим основные причины и последствия многолучевости распространения радиоволн в каналов связи [24, с. 354; 25, с.126; 26, с. 424].

Физические процессы распространения электромагнитных волн в условиях образования интенсивной многолучевости.

–  –  –

Основными физическими процессами, определяющими многолучевый характер распространения электромагнитных колебаний в радиосистемах беспроводной связи в пригороде и городе, являются отражение, дифракция и рассеяние (рисунок 1.2) [27, с.56; 28, с.187].

Отражение электромагнитных волн происходит при наличии на трассе гладкой поверхности с размерами, намного превышающими длину волны радиочастотного сигнала. В системах беспроводной связи отражение электромагнитных волн может происходить от земной поверхности, стен зданий, холмистых неровностей земной поверхности.

Дифракция электромагнитных волн наблюдается при наличии между передатчиком и приемником объекта с размерами, превышающими длину волны, и препятствующего прямому распространению сигнала. В результате дифракции электромагнитных волны могут достигать приемной антенны в отсутствии прямой видимости между передатчиком и приемником.

В городских условиях электромагнитных волны дифрагируют на кромках зданий, автомобилях и многих других объектах. В загородных условиях дифракция наблюдается на кромках препятствий, например, на вершинах горных образований, кромках леса, скал и т.п.

Рассеяние электромагнитных волн встречается при наличии шероховатой поверхности или объектов, размеры которых малы по сравнению с длиной волны. В условиях города рассеяние электромагнитных волн может происходить на фонарных столбах, дорожных знаках, деревьях и т.п. В загородных условиях рассеяние наблюдается при взаимодействии электромагнитных волн с мелкой растительностью, ветками кустарника, мелкими неровностями почвы, например на пашне.

На рисунке 1.3 показаны примеры образования многолучевости электромагнитных волн на загородных трассах.

Рисунок 1.3 – Примеры распространения электромагнитных волн на загородной трассе Многолучевость приводит к интерференционным изменениям амплитуды, фазы сигналов, к появлению замираний и пространственного эха.

Рассмотрим аналитическое представление этих процессов.

Запишем передаваемый сигнал в комплексной форме [1, с.143; 29, с.120] s(t) = Re[g(t)]eit, (1.1) где g(t) – огибающая, а – угловое значение несущей частоты.

Огибающую при использовании амплитудной или фазовой модуляции удобно представить в виде g(t) = |g(t)|ei(t) = R(t)ei(t). (1.2) В процессе распространения сигнала на трассе происходит изменение огибающей сигнала, которую можно записать в следующем виде:

g (t ) = (t )ei (t ) g (t ), (1.3) где (t) ei(t) – множитель затухания сигнала на трассе.

Амплитуда измененной огибающей (1.3) может быть представлена в виде произведения трех сомножителей [8, с.129] (t)R(t) = m(t)r0R(t), (1.4) где первый сомножитель описывает крупномасштабное замирание огибающей, второй сомножитель – мелкомасштабное замирание.

Иногда величину m(t) называют локальным средним или логарифмически нормальным замиранием, поскольку его значения можно статистически описывать с помощью логарифмически нормальной функции распределения вероятностей.

При этом выраженное в децибелах значение m(t) будет описываться гауссовой функцией распределения вероятностей. Второй сомножитель описывает релеевское замирание.

Характерное смещение приемной антенны, соответствующее мелкомасштабным замираниям, примерно равно половине длины волны. Локальное среднее m(t) можно оценить путем усреднения огибающей сигнала по 10…30 длинам волн.

–  –  –

чевое распространение). С каждым направлением распространения сигнала связано свое время задержки n (t) и свой амплитудный множитель n (t).

Принимаемый антеннами радиосистемы сигнал в этом случае можно записать в виде

–  –  –

Рисунок 1.4 – Изменение суммарного сигнала при наложении отраженного сигнала на желательный прямой сигнал В результате многолучевости происходит изменение амплитуды и фазы принимаемого сигнала.

Это условно показано на рисунке 1.4 для случая двух лучей распространения.

Если принимаемый сигнал является суммой множества многолучевых сигналов и значительного по амплитуде прямого сигнала (при наличии прямой видимости между передающей и приемной антеннами), то амплитуда огибающей в этом случае имеет райсовскую функцию распределения плотности вероятности.

Мелкомасштабное замирание проявляется двумя способами:

• путем расширения цифровых импульсов сигнала;

• посредством переменного во времени поведения канала, вызванного движением мобильной станции.

Каждый из возможных механизмов замираний можно рассматривать в двух областях – временнй и частотной [32, с.346; 33, с.31-33]. Во временнй области расширение сигнала, связанное с многолучевостью, характеризуется временем задержки, а в частотной области – полосой когерентности. Подобным образом нестационарный механизм во временнй области будет характеризоваться временем когерентности сигнала, а в частотной области – скоростью замирания или доплеровским расширением.

Основным мотивирующим фактором этой работы является необходимость развития точной и общей модели распространения электромагнитных волн в системах беспроводной связи.

Способность точно предсказать влияние среды распространения на канал связи имеет важное значение в разработке и оптимальном проектировании радиотехнической или телекоммуникационной системы.

Современные методы проектирования канала радиосвязи, имея преимущество в простоте, не в полной мере учитывают все влияющие факторы и существует необходимость для существенного улучшения прогноза распространения электромагнитных волн.

Широко используемые методы моделирования канала радиосвязи могут быть разбиты на два направления: эмпирические модели, которые имеют высоко эвристический характер, и упрощенные аналитические модели. Эмпирические модели строятся на основе статистической обработки измеренных данных, и не учитывают реальные физические процессы распространения электромагнитных волн.

Это ограничивает применение этих методы моделирования очень специфическими условиями окружающей среды на момент измерения, а также особенностями методики измерения (применяемые антенны, полосы пропускания, используемые поляризации). Примером часто используемых эмпирических моделей канала радиосвязи для городской среды являются модель распространения Окумуры [30].

Эта модель использует простые алгебраические уравнения для расчета, не учитывающее особенности физических процессов. Она не учитывает согласованности пропускной способности, затухания в атмосфере, эффекты деполяризации.

Кроме того, она дает большую ошибку, если высоты антенн или ориентации антенн изменяются [34, с.45-58]. Статистические методы дают ошибки оценки затуханий сигналов сравнимые с промахами [35, с. 12]. Аналитические модели вводятся для того, чтобы учесть реальные эффекты распространения, но допускают упрощения до такой степени, что делает их недействительными для большинства практических приложений. Примером является нерегулярная модель рельефа Лонгли-Райса [36, с.1297-1302].

Подобные модели рельефа земной поверхности требуют использования аппарата геометрической оптики (ГО) и трассировку лучей для учета отраженных полей и дифракцию Зоммерфельда на идеально проводящем клине или дифракцию Кирхгофа для учета препятствия на пути луча [36, с.1297-1302]. Такие приближения не учитывают затенение, а дифракция на клине является недопустимой аппроксимацией в областях пространства в переходе между светом и тенью и в теневой области.

Из-за рассмотренных недостатков существующих методов прогнозирования распространения перспективным представляется более строгий подход, основанный на применении электромагнитной волновой теории. Электродинамический подход, использующий численные методы, непосредственно связан с физическими процессами, происходящие в среде распространения электромагнитных волн и поэтому более точным и может дать более широко применимые результаты моделирования.

Разработка более точной и общей модели для прогнозирования распространения электромагнитных волн требует, разработки частных моделей отдельных электродинамических задач, которые могут быть совмещены для учета различных наборов факторов, влияющих на процесс распространения электромагнитных волн. Такие частные модели должны отражать все превалирующие факторы, влияющие на распространение.

Из-за обилия подобных факторов необходимо ограничиться, например, условиями загородных трасс и горного ландшафта.

1.3. Простые модели распространения электромагнитных волн на загородных трассах при отсутствии и наличии препятствий В реальных условиях электромагнитные поля распространяются в ограниченных средах [37, с.231-238]. Например, электромагнитных волна базовой станции системы сотовой связи, возбуждаемая антенной, расположенной в воздухе, в процессе распространения взаимодействует с земной поверхностью, с поверхностями зданий и сооружений.

Поэтому важным для практики является вопрос о том, что происходит в процессе взаимодействия распространяющихся электромагнитных волн с земной поверхностью.

Рассмотрим эту задачу для исходной плоской электромагнитной волны.

Пусть линейно–поляризованная плоская электромагнитная волна падает на бесконечную плоскую границу раздела двух сред, как это упрощенно показано на рисунке 1.5.

Для определения задачи введем ряд понятий.

Плоскость падения – плоскость, образованная волновым вектором падающей электромагнитной волны kпад и единичным вектором нормали n 0 к границе раздела двух сред.

–  –  –

Поляризация преломленной волны совпадает с поляризацией падающей волны только в двух частных случаях: для перпендикулярной и параллельной поляризации.

Рассмотрим процесс возникновения задачи преломления и отражения плоской волны от плоской границы раздела сред для случая горизонтальной поляризации.

–  –  –

Геометрия задачи преломления и отражения плоской волны от плоской границы раздела сред показана на рисунке 1.6, где обозначено:

kпад, kотр, kпр – волновые векторы падающей, отраженной и преломленной волн, соответственно;

E0пад, E0отр, E0пр – векторные амплитуды напряженностей электрического поля падающей, отраженной и преломленной волн соответственно;

H 0пад, H 0отр, H 0пр – векторы амплитудных напряженностей магнитного поля падающей, отраженной и преломленной волн;

0пад, 0отр, 0пр – углы относительно нормали к границе раздела, под которыми распространяются падающая, отраженная и преломленная волны (см. рисунок 1.6).

Учитывая, что справедливы равенства [38, 221-224]

–  –  –

Так как коэффициент отражения Г плоской электромагнитной волны от границы раздела двух различных сред – это отношение комплексной амплитуды напряженности электрического поля отраженной волны к комплексной амплитуде напряженности электрического поля падающей волны, вычисляемое на границе раздела, имеем

–  –  –

2 1 µ 2 2 Это формулы Френеля для горизонтальной поляризации плоской электромагнитной волны.

Аналогично получаются формулы для вертикальной поляризации электромагнитной волны [1, с. 450-456; 39, с.45-48]:

–  –  –

2 µ 2 2 Рассмотрим простую модель многолучевости, трассу, на которой антенны находятся на расстоянии прямой видимости (рисунок 1.7).

–  –  –

Значения проницаемостей сред имеют примерные значения, приведенные в таблице 1.1 [1, с. 450-456; 40, с. 45-48; 41, с.9-42].

При этом радиосвязь осуществляется за счет прямой и отраженной от поверхности земли электромагнитных волн.

Таблица 1.1.

Значения проницаемостей сред При анализе обычно упрощают решение задачи РРВ, пологая первоначально, что поверхность земли достаточно гладкая (высоты неровностей удовлетворяют критерию Релея) и плоская.

Напряженность поля в точке приема будет определяться интерференцией прямой и отраженной радио волн

–  –  –

где Р – мощность, подводимая к передающей антенне;

GM – максимальное значение коэффициента усиления передающей антенны;

F() – значение нормированной функции направленности передающей антенны для угла между направлением максимума диаграммы направленности и направлением на точку приема;

k – волновое число для свободного пространства.

Напряженность поля отраженной волны в точке наблюдения, очевидно, будет равна

–  –  –

волн от земной поверхности для угла скольжения ; – угол между направлением максимума ДН передающей антенны и направлением на точку зеркального отражения С [42, с. 545-549].

Предположим, что максимум ДН передающей антенны ориентирован параллельно поверхности земли, передающая антенна излучает, а приемная антенна принимает волны, у которых E ориентирован нормально относительно поверхности земли. Учитывая только составляющие, которые могут быть приняты, можно записать, используя (1.28) и (1.29)

–  –  –

На реальных трассах расстояние r между антеннами сетей связи велико по сравнению с высотами антенн и разница расстояний rпр и rотр, выраженная в долях от r, незначительна, хотя может по абсолютной величине превышать значение 0.

Поэтому в знаменателях (1.31) можно с небольшой погрешностью положить rпр rотр r.

Кроме того, из простейших геометрических соотношений, следующих из рисунка 1.6, можно получить ряд приближенных выражений [42, с. 545-549]:

–  –  –

Обозначим комплексное выражение, стоящее в (1.34) в фигурных скобках через Ф(h, h2, r) ; оно получило название интерференционного множителя. Тогда 1 (1.34) можно представить в виде

–  –  –

но, вводя интерференционный множитель, можно учесть влияние земли на РРВ при высоко поднятых антеннах, находящихся на расстоянии прямой видимости.

Свойства земной поверхности на трассе распространения учитываются в интерференционном множителе коэффициентом отражения r ( ), определяемым формулой Френеля для параллельной поляризации.

Поскольку в реальных случаях земля обладает потерями, то коэффициент отражения является комплексным и с учетом сделанных приближений

–  –  –

где, – относительная диэлектрическая проницаемость и электропроводность земли; – фаза коэффициента отражения.

Используя (1.32) и (1.36), выражение для интерференционного множителя можно привести к более удобному виду [43, с. 157-165]

–  –  –

Если ввести так называемый дифракционный множитель, определяющий поведение потенциала

–  –  –

Рисунок 1.8 – График зависимости дифракционного множителя Недостатком этой модели влияния препятствий на распространение электромагнитных волн является полное пренебрежение реальной его формой, отсутствие учета свойств материала препятствия.

Кроме того значительное влияние оказывает и чрезмерно упрощенная модель распространения электромагнитных волн, не учитывающая в полной мере волновые свойства собственно электромагнитного поля.

1.4. Анализ типовых решений построения антенных устройств для сложной формы загородных и горных трасс Для количественного описания свойств антенн применяются величины, характеризующие антенны как излучатели и величины, характеризующие антенны как нагрузки фидеров.

К основным величинам, характеризующим антенны как излучатели относятся перечисленные ниже.

Нормированная характеристика излучения. Нормированная характеристика излучения (графическое изображение) антенны – зависимость амплитуды излучаемого антенной поля от угловых координат, определяемая при постоянном расстоянии от антенны в дальней зоне излучения, нормированная к единице [44, с.611-616; 45, с.347-378; 46, с. 299-302]:

<

–  –  –

где a – константа.

Для удобства изображения обычно используют плоские ДН, определяемые в главных плоскостях, проходящих через геометрическую ось антенны F(, = 0) и F(, = 90), или (F(), F( = 90)).

Главные плоскости, как правило, совмещают с плоскостями векторов E и H в дальней зоне излучения. Они являются секущими плоскостями, проходящими через начало координат и направление на максимум диаграмм направленности, пересекающими объемную ДН.

Поэтому плоские диаграммы направленности являются сечениями объемной ДН.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
Похожие работы:

«Попов Александр Сергеевич ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ИНТЕРАКТИВНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМ ЭФИРНОГО ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО ВЕЩАНИЯ Специальность 05.12.04 – радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения Диссертация на соискание учёной степени кандидата...»

«УДК 621.371 ШУЛЯТЬЕВ Аркадий Андреевич МОДЕЛИРОВАНИЕ АКТИВНЫХ МЕТОДОВ РАДИОМОНИТОРИНГА ЛЕСНЫХ ПОКРОВОВ Специальность 05.12.04 – радиотехника, в т.ч. системы и устройства телевидения ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата технических наук Научный руководитель доктор технических наук, профессор Никитин О. Р. Владимир 2015 г. Содержание Введение 1. Анализ методов радиомониторинга лесных покровов....»

«СМИРНОВА ЛАРИСА ПЕТРОВНА ДИЗАЙН ИЗДЕЛИЙ ПО УХОДУ ЗА РЕБЁНКОМ ПЕРВОГО ГОДА ЖИЗНИ Специальность: 17.00.06 – Техническая эстетика и дизайн ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата искусствоведения Научный руководитель: доктор искусствоведения, профессор Грашин Александр...»

«АЛЕКСАНДР ЛЕОНИДОВИЧ ЗАЙЦЕВ РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АСТЕРОИДОВ, СБЛИЖАЮЩИХСЯ С ЗЕМЛЁЙ (специальность 01.04.03 – радиофизика) Диссертация в виде научного доклада на соискание учёной степени доктора физико-математических наук ФРЯЗИНО – 1997 Официальные оппоненты: С. М. Копейкин, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, Астрокосмический центр ФИАН, Москва; В....»

«Самищенко Алексей Сергеевич Научные основы дактилоскопии и перспективы их развития Специальность 12.00.12 — криминалистика; судебно-экспертная деятельность; оперативно-розыскная деятельность Диссертация на соискание ученой степени кандидата юридических наук Научный руководитель:...»

«Пушкин Антон Михайлович МНОГОКРИТЕРИАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ ОДНОПРОЦЕССОРНОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ СТАЦИОНАРНЫХ ОБЪЕКТОВ: ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИМИЗАЦИОННЫХ ЗАДАЧ, ПОСТРОЕНИЕ РЕШАЮЩИХ АЛГОРИТМОВ Специальность 05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка информации (в науке и промышленности) по техническим наукам Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель:...»

«Туляков Юрий Михайлович РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ Специальность 05.12.04. Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук Научный консультант доктор технических наук, профессор М.Д. Венедиктов Москва 2015 г. ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ГЛАВА 1. Анализ развития передачи данных в системах и сетях 25 подвижной наземной...»

«Торгашин Михаил Юрьевич Разработка и исследование джозефсоновских генераторов терагерцового диапазона на основе распределенных туннельных переходов (01.04.03 – Радиофизика) Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Научный руководитель проф., д.ф.-м.н. В.П. Кошелец Москва 2013 Список использованных...»

«Попов Александр Сергеевич ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ИНТЕРАКТИВНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМ ЭФИРНОГО ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО ВЕЩАНИЯ Специальность 05.12.04 – радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения Диссертация на соискание учёной степени кандидата...»









 
2016 www.konf.x-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, диссертации, конференции»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.