Уравнение дуплексной радиосвязи сотовой системы

УДК 621.396.41 С.В. Мелихов

Уравнение дуплексной радиосвязи сотовой системы

Предложено уравнение дуплексной радиосвязи сотовой системы, в которое входят все основные параметры приемопередающей аппаратуры базовой станции и мобильной станции. Решение уравнения возможно относительно любого параметра приемопередающей аппаратуры. Определены условия сбалансированной радиосвязи в нисходящем и восходящем каналах соты. Обсуждена необходимость использования антенного малошумящего усилителя на базовой станции при существенных потерях в комбайнере или антенном фидере. Ключевые слова: сотовая система, дуплекс, базовая станция, мобильная станция, нисходящий канал, восходящий канал, малошумящий усилитель.

Упрощенные структурные схемы приемопередающей аппаратуры (ППА) базовой станции (БС) и мобильной станции (МС) изображены на рис. 1. В составе ППА БС может входить «комбайнер» -блок объединения-распределения радиосигналов, позволяющий нескольким передатчикам работать с одной передающей антенной и нескольким приемникам работать с одной приемной антенной. В состав приемного канала БС может входить антенный малошумящий усилитель (МШУ) с полосовым фильтром (ПФ) на входе. ПФ необходим для защиты МШУ от внеполосных мешающих радиосигналов. Структурная схема ППА МС, на которой изображены два фидера и две антенны, представлена в таком виде для вывода обобщенного уравнения сбалансированной дуплексной радиосвязи (что сделано ниже). Как правило, в малогабаритных переносных МС нет необходимости в фидерах и используется одна приемопередающая антенна.

БС

Ап

4х

П

I еьп РТ БС

УС

ф

ф

К 1

МШУ

1

ПФ

Апр

"•У

Нисходящий канал

Восходящий канал

4

Лпр

МС

А

Рис. 1. Упрощенные структурные схемы ППА БС и МС: П - передатчик; УС - усилитель-селектор (выполняет функции основного усиления и селекции радиосигнала); К - комбайнер; Ф - фидер; МШУ - малошумящий усилитель; ПФ - полосовой фильтр; Ап - передающая антенна; Апр - приемная антенна

При проектировании сотовой системы на «квазигладкой местности» [1] оценивается возможность радиосвязи в нисходящем канале: от БС к МС. Для этого определяется допустимое ослабление мощности радиоволны на трассе распространения (Ьр) из условия [1, 2]

РсвхМС = Рсвх0МС ,

где

РсвхМС =

РБС СдБС СдрМС

ПпБС Ьр

мощность радиосигнала на входе приемника МС (в антенне МС);

: 0 МС = Твых РТ МС Рш 0 МС - 2) + П пр Ф МС ^УС МС

реальная чувствительность приемника МС [3]; Рбс - мощность передатчика БС; б^БС - коэффициент усиления антенны БС в режиме передачи; бпр мс - коэффициент усиления антенны МС в режиме приема; ппБС = ПпФБСПпКБС - потери мощности радиосигнала в фидере (ппФБС ) и в комбайнере (ппКБС ) БС в режиме передачи (комбайнер - блок объединения-распределения радиосигналов, позволяющий нескольким передатчикам и приемникам БС работать с одной антенной); увых рт МС - отношение средней мощности сигнала к средней мощности шума на выходе радиотракта (РТ) приемника МС, которое характеризует качество связи нисходящего канала;

—23

Рш 0 = кТ0 Вш - номинальная мощность теплового шума; к = 1,38 -10 Дж/К - постоянная Больц-мана; То = 290 К (считается, что комнатная температура 17 °С); Вш - шумовая полоса приемника;

мс - результирующий коэффициент внешнего шума для приемника МС; п пр Ф МС - потери в фидере МС в режиме приема; Иусмс - коэффициент шума усилителя-селектора приемника МС.

По допустимому затуханию Ьр с использованием моделей Окамуры-Хата рассчитывается радиус соты г (т.е. радиус круговой зоны обслуживания БС для «квазигладкой местности» различного характера: «большой город»; «малый город»; «пригород»; «сельская местность»; «открытая местность»).

Например, для «квазигладкого пригорода» («квазигладкий пригород» - крупный населенный пункт с низкой плотностью застройки жилых домов и хозяйственных построек высотой 3, 4 этажа) затухание радиоволны по модели Окамуры-Хата [4]:

Ьр [дБ] = {б3,35-13,821д(ЙБс) + 27,721д(/)-2[1д(//28)]2 -[1,11д(/)-0,7] %с} +

+{44,9-б,551в

где ^бс , ^МС - высоты антенн БС и МС, м; /- несущая радиочастоты, МГц;

А = {б3,35-13,82) + 27,721д(/)-2[ 1д(//28)]2-[1,11ё(/)-0,7]Имс] ;

В = {44,9-6,551В(Абс)} . Из (4) радиус круговой зоны обслуживания БС (радиус соты):

г [км] = 10

Однако при такой методике расчета зоны обслуживания БС не учитываются особенности восходящего канала: от МС к БС.

Целью настоящей работы является получение уравнения, связывающего технические параметры ППА БС и МС с учетом особенности как нисходящего, так и восходящего каналов. Использование такого уравнения позволяет определить условия для сбалансированной дуплексной радиосвязи соты.

Уравнение сбалансированной дуплексной радиосвязи сотовой системы. Под термином «сбалансированная дуплексная радиосвязь» будем понимать одинаковое качество радиосвязи в нисходящем и восходящем каналах (увыхРТМС = УвыхРТБС, где увыхРТБС - отношение средней

мощности сигнала к средней мощности шума на выходе РТ приемника БС) при максимальном удалении МС от БС (т.е. при нахождении МС на границе соты).

По аналогии с (1)-(3) запишем следующие выражения для восходящего канала:

РсвхБС = Рсвх0БС ,

где

Р = РМС бп МС бпр БС

Рс вх БС = ' /-тч

п п Ф МС Ьр

мощность радиосигнала на входе приемника БС (в антенне БС, рис. 1);

Рс вх 0 БС = Увых РТ БС Рш 0 {

реальная чувствительность приемника МС (данное выражение получено с использованием методики, предложенной в [3]); Рмс - мощность передатчика МС; б^мс - коэффициент усиления ан-

тенны МС в режиме передачи; Сдр бс - коэффициент усиления антенны БС в режиме приема; П пФ МС - потери мощности радиосигнала в фидере МС в режиме передачи; бс - результирующий коэффициент внешнего шума для приемника МС; п ПФ - потери полосового фильтра; N^7^, ¿МШУ - коэффициент шума и коэффициент усиления по мощности МШУ; ПпрБС =ПпрФБСПпрКБС - потери мощности радиосигнала в фидере (ппрФБС) и комбайнере (П пр К БС) БС в режиме приема; Nyc бс - коэффициент шума усилителя-селектора приемника БС.

Заметим, что в силу принципа взаимности значение Ьр в (2) и (7) равновелико.

Поделим (1) на (6) с учетом (2), (3), (7), (8), считая, что качество радиосвязи в нисходящем и восходящем каналах одинаково (увых РТ МС = Увьк РТ БС). Получим:

РБС Сп БС Спр МС п п Ф МС ( ^ МС - 2) +п пр Ф МС ^С МС

РМССпМССпрБСппБС ((бс -2) + ППФ^МШУ + (l/%Шy)(nпрБcNycБС -1)]

Поскольку уравнение (9) связывает основные параметры ППА БС и МС при дуплексной радиосвязи, то целесообразно назвать его «уравнением дуплексной радиосвязи сотовой системы».

Заметим, что уравнение (9) может быть решено относительно любого параметра ППА БС и МС.

Необходимая мощность передатчика БС. Исходными параметрами ППА БС и МС, которые определяются разработчиком при проектировании сотовой системы, являются:

СпБС; СпрБС; ппБС; ппрБС; пПФ; ^МШУ; NМШУ; СпМС; СпрМС; ппФМС; ппрФМС; РМСмакс, где Рмс макс - максимальная мощность передатчика МС.

Если известны перечисленные исходные параметры, то из (9) следует, что оптимальная мощность передатчика БС ( Рбс опт), необходимая для сбалансированной дуплексной радиосвязи на

максимальном удалении МС от БС (т. е. при нахождении МС на границе соты), выражается следующим образом:

РМС макс Сп МС Спр БС п п БС [(^Е МС - 2) + п пр Ф МС NУС МС ]

РБС опт =-Г---[---Т^".

Сп БС Спр МС п пФМС {(Е БС - 2) + п ПФ |^МШУ + (1/¿МШУ )(п пр БС NУС БС -

На основе (10) можно сделать очевидные выводы:

1) если мощность передатчика БС Рбс будет больше, чем Рбсопт (Рбс >Рбсопт), то дальность радиосвязи нисходящего канала будет больше, чем дальность радиосвязи восходящего канала;

2) если мощность передатчика БС Рбс будет меньше, чем РбСотг ( Рбс < РБСотг), то дальность радиосвязи нисходящего канала будет меньше, чем возможная дальность радиосвязи восходящего канала.

При коэффициенте усиления МШУ ¿МШУ и (40 -100) и (16 -20) дБ слагаемым (1/¿МШУ )(п прБС Nус БС -1) в (10) можно пренебречь. Тогда

РМС макс Сп МС Спр БС п п БС РБС опт = —

Сп БС Спр МС п пФМС

(( БС - 2) + п ПФ ^МШУ

Если дуплексная радиосвязь осуществляется на радиочастотах / > 500 МГц (при этом ^ МС = ^БС = Nзем = 2 [3]), то выражение (11) упрощается:

„ РМС макс СпМС СпрБС п пБС п прФМС NУСМС

РБС опт =-------.

Сп БС Спр МС п пФМС п ПФ Я МШУ

На пр^же как правило: СпБС иСпрБС ; СпМС иСпрМС ; ппрФМС =ппФМС =1 (в малогабаритных переносных МС антенный фидер отсутствует). При этом из (12) следует, что

п п NУСМС

РБС опт = РМС макс п пБС---.

п ПФ «МШУ

Если п ПФ » 1 и NycMC » ^мттту , то из (13) следует, что оптимальная мощность передатчика БС должна быть больше максимальной мощности передатчика МС приблизительно в п пБС раз:

РБСопт »РМСмаксПпБС •

Потери мощности радиосигнала в комбайнере и фидере БС могут достигать существенного значения ( п пБС =П пКБСП пФБС = 10 = 10дБ и более).

Существенные потери п пКБС » (2-5) » (3-7) дБ характерны для многоканальных комбайнеров

[5], объединяющих радиосигналы с различными частотами от нескольких передатчиков БС (использование нескольких передатчиков позволяет повысить возможный трафик БС).

Существенные потери в фидере (ппФБС ) имеют место при большой высоте антенн БС (в этом

случае длина фидера может достигать несколько десятков метров [6]) или при высокой радиочастоте (потери фидера увеличиваются с ростом радиочастоты). Например, для фидера RFA 1/2"-50 при его длине 100 м и радиочастоте 1000 МГц ппФБС »5,3»7,2 дБ, а при радиочастоте 2000 МГц -

п п Ф БС » 11,8 » 10,7 дБ [7]. Большая высота подъема антенн БС характерна для соты с большим

радиусом обслуживания (1 км и более).

Как правило, потери в комбайнере и фидере БС в режиме приема равны потерям в режиме передачи ( п прБС =п п БС ). Поэтому для компенсации существенных потерь фидера и комбайнера БС

в режиме приема (т.е. для обеспечения работы восходящего канала) необходимо использование антенного МШУ (с ПФ на входе), имеющего коэффициент усиления ¿мттту »(40 -100) »(16 - 20) дБ.

При этом для оценки чувствительности приемника БС, как следует из (8), необходимо использовать формулу

Р.

с вх

0 БС = Увых РТБС Рш0 [

Если на БС МШУ с ПФ не используется, то оптимальная мощность передатчика БС выражается из (10) при п ПФ = 1, Жмшу = 1, %ШУ = 1:

РМСмакс^пМС^прБСппБС I (NZМС -2) + ппрФМС^УСМС ,

РБСопт =---ff-Г1---й-^ .

G БС^прМС пп Ф МС [(БС -2) + ппрБС^УСБС

В этом случае при дуплексной радиосвязи на частотах / > 500 МГц

РМС макс СдМС СдрБС П пБС П прФМС ЖУСМС

РБС опт =-------•

^пБС^ирМСП пФМСП прБСЖ УСБС

Если вдБС ~СпрБС , 6пМС ~СпрМС , ПпБС ~ПпрБС , ПпрФМС = ПпФМС =1, то

РБС опт = РМС макс УСМС .

ЖУС БС

При Жусмс ~ Жусбс из (18) следует, что, в случае отсутствия антенного МШУ с ПФ, оптимальная мощность передатчика БС должна быть приблизительно равна максимальной мощности передатчика МС:

РБС опт ~ РМС макс •

Из (8) следует, что чувствительность приемника БС при отсутствии антенного МШУ с ПФ

Рс вх 0 БС = Твых РТБС Рш0 БС - 2) + П пр БС ЖУС БС] •

Из сравнения (20) и (15) следует, что при существенных потерях ппрБС (ПпрБС >П ПФ ~1 дБ [8]) чувствительность приемника БС без МШУ хуже, чем чувствительность приемника БС с МШУ, т-е- (Рс вх 0 БС)Без МШУ > (Рс вх 0 БС)МШУ , поскольку при Жус БС ~ ЖМШУ

ПпрБСЖУСБС >ППФЖМШУ •

Вывод: использование на БС антенного МШУ увеличивает дальность радиосвязи восходящего канала (см^ формулу (5)), тк, исходя из (6) и (7), допустимое ослабление мощности радиоволны на

трассе распространения Ьр увеличивается при уменьшении Рсвх0 бс (при улучшении чувствительности приемника БС):

Заключение. Полученное уравнение (9) связывает между собой основные технические параметры приемопередающей аппаратуры базовой станции и мобильной станции. Его использование при проектировании сотовой сети позволяет обеспечить сбалансированную дуплексную радиосвязь (с одинаковым качеством приема) в нисходящем и восходящем каналах соты за счет выбора оптимальной мощности передатчика базовой станции.

Полученное уравнение сбалансированной радиосвязи может быть использовано и для других систем, работающих, например, в полудуплексном режиме или в симплексном режиме.

Литература

1. Маковеева М.М. Системы связи с подвижными объектами / М.М. Маковеева, Ю.С. Шина-ков. - М.: Радио и связь, 2002. - 440 с.

2. Попов В.И. Основы сотовой связи стандарта GSM. - М.: Эко-Трендз, 2005. - 296 с.

3. Мелихов С.В., Кологривов В.А. Оценка чувствительности радиоприемников с настроенными антеннами // Труды ТУСУРа (Томск). - 2006. - №6. - С. 63-67.

4. Милютин Е.Р. Методы расчета поля в системах связи дециметрового диапазона / Е.Р. Милютин, Г.О. Василенко, М.А. Сиверс, А.Н. Волков, Н.В. Певцов. - СПб.: Триада, 2003. - 159 с.

5. Что такое комбайнер и для чего он нужен [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.r2c-pro.ru/info/, свободный (дата обращения: 29.12.2014).

6. Стандарты и технологии сотовой связи [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://celnet.ru/standarts.php, свободный (дата обращения: 29.12.2014).

7. Кабель 50 Ом RFA 1/2"-50 [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.tt-telecom.ru/catalog/sistemy_radiosvyazi/kabel-aksessuary/kabel-s-malymi-poteryami-0-4000-mgts-/9275/, свободный (дата обращения: 29.12.2014).

8. Пивоваров И., Похвалин А. Опыт проектирования высокочастотных фильтров [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.kit-e.ru/assets/files/pdf/2007_04_190.pdf, свободный (дата обращения: 29.12.2014).

Мелихов Сергей Всеволодович

Зав. каф. средств радиосвязи (СРС) ТУСУРа, д-р техн. наук, профессор Тел.: (382-2) 41-37-09, 8-913-820-02-58 Эл. почта: mrc@main.tusur.ru

Melikhov S.V.

The equation of duplex radio cellular system

The paper deals with the equation of a duplex cellular radio communication system, which includes all key parameters of transmit equipment of a base station and mobile station. The solution of the equation is possible with respect to any parameter of transmission equipment. The conditions of the balanced radio communication in the descending and ascending channels of cells are defined. The need of use of the antenna low-noise amplifier on a base station at essential losses in the combine operator or an antenna feeder is discussed. Keywords: cellular system, duplex, base station, mobile station, downlink, uplink, a low noise amplifier.

L

РМС макс G'ii МС бдр БС П п Ф МС Рс вх 0 БС