ОЦЕНКА РАСПРОСТРАНЕНИЯ LTE СИГНАЛА НА ЧАСТОТЕ 1800 МГЦ В СЕЛЬСКОМ НАСЕЛЁННОМ ПУНКТЕ

​АННОТАЦИЯ

На примере существующей базовой станции, расположенной в населённом пункте Хор муниципального района имени Лазо Хабаровского края, в данной статье выполнены расчеты затуханий и дальности распространения сигнала подвижной радиотелефонной связи для технологии LTE, дается сравнительный анализ, используются методы математического моделирования и системного анализа.

Ключевые слова: LTE, потери радиосигнала, распространение радиоволн, модель COST-231 Уолфиша-Икегами, модель Кся-Бертони.

Введение

В настоящее время все больше населенных пунктов имеют доступ к высокоскоростному мобильному интернету. Это способствует развитию экономической активности: созданию новых возможностей для бизнеса, туризма и образования. Доступ в глобальную сеть влияет на общее качество жизни в поселениях, появляется возможность использования онлайн-образования, развлекательных ресурсов и других сервисов.

Технология LTE (Long-Term Evolution) – стандарт беспроводной высокоскоростной передачи данных для мобильных телефонов и других терминалов, работающих с данными. Данная технология позволяет организовать радиоканал со скоростями в десятки и сотни мегабит/с, чем не могут похвастаться более ранние стандарты беспроводной связи.

При проектировании базовых станций (далее – БС) стандарта LTE учитывается множество факторов. Оценка потерь радиосигнала в зависимости от расстояния и местности, на которое он распространяется, является важным этапом проектирования.

В данной работе будет производиться анализ затуханий сигнала от установленной базовой станции в рабочем посёлке Хор муниципального района имени Лазо Хабаровского края.

Описание исследования

Рабочий поселок Хор – это населенный пункт, в котором проживает 9952 человек [1]. Большинство зданий и сооружений здесь – это частные дома, школы и детские сады, то есть преобладают невысокие постройки. Рельеф преимущественно равнинный, с небольшим уклоном в сторону реки Хор, которая протекает через поселок. На территории нет значительных возвышенностей или впадин, однако в окрестностях можно встретить небольшие холмы и овраги.

Рисунок 1. Расположение выбранной базовой станции

Для оценки затуханий сигнала на местности с вышеперечисленными параметрами можно использовать различные математические модели расчёта затуханий радиоволн.

Моделирование необходимо для определения среднего значения мощности принимаемого сигнала. Для подобной оценки, как правило, требуется определить расстояние от абонентской станции (далее - АС) до БС, высоты, на которых они расположены. Модели распространения учитывают рельеф местности, плотность застройки, высоту зданий, мощности приёмо-передающих антенн и другие параметры. Помимо всех этих величин для любой модели важна частота несущего сигнала, задающаяся диапазоном.

Среди самых популярных моделей можно отметить:

Модель COST231-Хата (COST231 Hata model) [2]. Является расширением для модели Хата. Охватывает больший спектр частот: 150 – 2000 МГц. Высоты подъёма антенн БС и АС сохранились от исходной модели (30-200 м для высоты антенны БС и 1-10 м для антенны подвижной станции). Расстояние связи до 20 км.

Модель COST231 Уолфиша-Икегами (COST231 Walfisch-Ikegami model) [2]. Подходит для расчётов затуханий при следующих характеристиках: частота несущей 800-2000 МГц, высота подвеса антенны БС h_БС = 4 - 50м, высота антенны абонентской станции (АС) h_МА = 1-3м, расстояние от БС до АС d = 20м – 5км. Также для данной модели учитывается высота близлежащих к базовой станции зданий h = 60 м.

Модель Кся (Xia-Bertoni) [3]. Модель Кся–Бертони построена на основе уравнений волновой оптики и, также как и модель Уолфиша–Икегами, рассматривает различные механизмы распространения радиоволн в условиях городской застройки: распространение в свободном пространстве, дифракцию на кромках крыш зданий, отражение от стен зданий. Когда антенна БС расположена выше среднего уровня крыш зданий с БС на АС приходят два луча: один — в результате дифракции на кромке крыши здания, другой — после переотражения от стены.

Результаты моделирования

Для расчета затухания сигнала в диапазоне LTE-1800 были выбраны модели Кся–Бертони и COST231 Уолфиша-Икегами. В [4] эти два метода сравнивались с другими статистическими моделями и показали приемлемые результаты при вычислении ослабления радиосигнала. Основной областью их практического использования ограничена небольшими расстояниями: 1,5 км для первой, 5 км для второй, соответственно. Другим ограничением указанных моделей является то, что они изначально ориентированы на расчет зон покрытия систем мобильной связи, поэтому предполагают использование антенн базовых станций с высотами  от 4 м до 50 м, и высоты антенн абонентских станций  до 3 м.

Проведем расчет по модели Кся–Бертони, при условии расчета для частоты сигнала равной 1800 МГц.

Модель основана на уравнении волновой оптики подходит для учета влияния урбанистической среды на распространения радиоволн.

Величина средних потерь:

где  – длина волны(м) ( , где  – скорость света;

 – расстояние между БС и АС (м);

 – разность высот антенны БС и среднего уровня крыш (м);

  – угол падения преломленного луча на антенну АС;

  – разность высот среднего уровня крыш и антенны

АС (м);

 – средняя ширина улиц, обычно ;

 – расстояние по горизонтали между мобильной станцией и краем крыши, на которую попадает волна (м), обычно  ;

 – средний интервал между кварталами, обычно d = 50 м;

R – расстояние от точки преломления луча до антенны МС.

Для расчётов примем высоту подвеса антенны базовой станции h_BS = 28 м, а высоту антенны абонентской станции h_MA = 1,7 м. Среднюю высоту зданий h_R возьмём по высоте пятиэтажного здания 15 м. Оставшиеся параметры оставим равными среднестатистическим значениям.

Вычислим коэффициент R по формуле:

Вычислим коэффициент θ по формуле:

Рассчитаем потери при распространении сигнала на 1км:

                                                       (5)

На рисунке 2 представлен график проведенных расчетов по модели Кся–Бертони для понимания степени ослабления сигнала в зависимости от расстояния и местности.

Рисунок 2. Величина потерь при распространении сигнала от базовой станции по модели Кся-Бертони

Далее рассмотрим эмпирическую модель COST231 Уолфиша-Икегами.

Модель Уолфиша–Икегами предназначена для расчета уровня сигнала в малых сотах.

Рисунок 3. Путь распространения радиосигнала согласно модели Уолфиша-Икегами

Проведём расчёт потерь по данной модели для расстояния 1 км.

В зоне прямой видимости («line of sight», LOS) для вычисления величины потерь при распространении используется формула:

В зоне расположения БС и АС вне зоны прямой видимости:

 – потери при распространении в свободном пространстве (без препятствий):

 – потери на стороне АС, вызванные рассеиванием радиосигнала при отражении от поверхности зданий улицы, на которой находится АС:

где  = 15 – 1,7 = 13,3 – разница между высотой зданий и высотой размещения АС (м);  – cоставляющая потерь, зависящая от ориентации улиц относительно направления прихода сигнала (дБ):

где   – ориентация улицы по отношению к трассе распространения сигнала (в градусах). Диапазон изменения значений потерь от ориентации улиц составляет не более 14 дБ. Для расчёта примем φ = 45, тогда:

 – оценка величины потерь, вызываемых многократным переотражением и рассеиванием радиосигнала от крыш домов (впервые опубликована Уолфишем и Бартони);

где  – расстояние между АС и БС (км).

Составляющая L_bsh определяется высотой подвеса БС относительно крыш окружающих зданий:

где  – разность высот антенны БС и среднего уровня крыш соответственно (м). Так как , то:

Параметр  задает увеличение потерь при уменьшении высоты антенны по отношению к средней высоте окружающих зданий:

Применительно к заданным условиям:

Параметры  и  определяют зависимость величины потерь при распространении от частоты сигнала, а также от рассеивания и отражения при прохождении через последовательные экраны:

Таким образом, , а

В указанных уравнениях следует использовать частоту в мегагерцах, расстояние между БС и АС — в километрах, остальные параметры модели — в метрах. Эти уравнения позволяют определить средние потери и для случаев, где антенна базовой станции установлена над городской застройкой, и там, где антенна базовой станции установлена на уровне крыш или ниже этого уровня.

На рисунке 4 представлен график проведенных расчетов по модели Уолфиша-Икегами для понимания степени ослабления сигнала в зависимости от расстояния и местности.

Рисунок 4. Величина потерь при распространении сигнала от базовой станции по модели Уолфиша-Икегами

Заключение

В работе проведен анализ распространения радиоволн в рабочем поселке Хор муниципального района имени Лазо. Показаны результаты расчета дальности связи. Оценка показывает, что различные модели расчёта затухания сигнала могут быть эффективны, однако оптимальным подходом является комбинированное использование этих моделей, учитывая контекст применения и внешние факторы.

В случае, если измерение происходит на небольшом расстоянии, то модель Кся-Бертони не подходит для определения затухания, так как требует дистанцию до 1,5 км. Однако, на одном и том же участке показывает меньшее ослабление сигнала, в отличие от модели Уолфиша-Икегами.

Модель Уолфиша-Икегами, в свою очередь, требует большего количество входных параметров для расчёта, соответственно, может не подходить для быстрых вычислений затухания сигнала. Тем не менее, если этот метод использовать при условиях распространения волны в свободном пространстве, результат схож с вычислениями по модели Кся-Бертони.

Таким образом, обе представленные модели могут использоваться обособленно для вычисления затухания радиосигнала, однако анализ и объединение результатов обоих методов позволит проводить более точный расчёт в конкретной местности.

Список литературы:

1. Всероссийская перепись населения 2020 года, опубликованная на сайте Федеральной службы государственной статистики (Электронный ресурс) https://rosstat.gov.ru/vpn/2020
2. Исследование зон затенения сигналов систем сотовой связи в районах г. Йошкар-Олы [Электронный ресурс]. https://studbooks.net/2346228/tehnika/issledovanie_zon_zateneniya_signalov_sistem_sotovoy_svyazi_v_rayonah_g_yoshkar-oly (Свободный доступ)
3. Владимиров С.С. Практикум Беспроводные системы передачи данных. Расчёт потерь на трассе радиоканала по моделям Уолфиша-Икегами и Кся-Бертони [Электронный ресурс]. https://studfile.net/preview/17171900/page:2/ (Свободный доступ)
4. Утц Вячеслав Альбертович Исследование потерь при распространении радиосигнала сотовой связи на основе статистических моделей // Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. Серия: Физико-математические и технические науки. 2011. №5. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-poter-pri-rasprostranenii-radiosignala-sotovoy-svyazi-na-osnove-statisticheskih-modeley (дата обращения: 09.04.2024).