Воздействие изменения температуры атмосферы на затухание сигналов сотовой связи

УДК 621.391.812.3

О. Н. Пищин, А. А. Волошин, О. Б. Буцкая

ВОЗДЕЙСТВИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ АТМОСФЕРЫ НА ЗАТУХАНИЕ СИГНАЛОВ СОТОВОЙ СВЯЗИ

Введение

Современные системы сотовой подвижной радиосвязи и широкополосного доступа используют диапазон ультравысоких частот (УВЧ): 300 МГц...3ГГц. Актуальность исследований распространения радиоволн в этом диапазоне подтверждается как для современных систем, так и для перспективных систем 3-го и 4-го поколения. Исследование физики процесса затухания уровня поля становится более важным ввиду существующей тенденции к снижению мощности радиопередающих устройств, экономии энергии и поиска оптимальных решений для обеспечения качества предоставления услуг в системах связи с наименьшими затратами.

В свете современного развития систем сотовой связи и широкополосного доступа более глубокое изучение зависимости процесса распространения радиоволн исследуемого диапазона (УВЧ) от внешних факторов, являющихся неуправляемой составляющей радиолинии, становится всё более актуальным. Знание особенностей распространения радиоволн, их зависимости от природных (неуправляемых) факторов, в свою очередь не зависящих от совершенства технических средств связи, позволит планировать и создавать центры контроля и управления качеством систем широкополосного доступа, а также даст основание для создания в последующем саморегулируемых или «Smart»-систем подвижной сотовой радиосвязи и широкополосного радиодоступа, реагирующих на изменение внешних факторов и удерживающих всю систему связи в состоянии необходимого равновесия.

Основной задачей системы подвижной радиосвязи общего пользования (СПР ОП) является обеспечение требуемого качества предоставляемых услуг. Одним из основных параметров качества СПР ОП является полнота радиопокрытия территории с требуемыми параметрами электромагнитной совместимости (ЭМС), на которой оператор оказывает услуги связи и сервис. Планирование систем подвижной радиосвязи происходит, как правило, посредством автоматизированных расчётных комплексов с использованием цифровых карт местности.

Математические модели, используемые комплексами, разнообразны и ориентированы на расчёты в различных условиях распространения радиоволн относительно земной поверхности (учёт местных предметов, рельефа местности и их особенностей). Моделей, учитывающих зависимость распространения радиоволн от температурных условий, как правило, нет, ввиду принятия за незначительное воздействие изменений температуры окружающей среды на уровень затухания радиоволн. Однако наблюдения за качеством радиопокрытия в системах подвижной радиосвязи посредством проведения периодического мониторинга показали явную сезонность отклонений параметров уровня поля от его ожидаемых (расчётных) значений. Массовые жалобы абонентов, обращающихся в службу качества (технической поддержки), подтверждают наличие проблем у оператора в эти периоды. Снижение качества оказываемых услуг, как правило, происходит вследствие усиления интерференционных процессов в тех областях и районах, где ситуация с качеством связи была достаточна стабильна в предшествующий сезон. Увеличение уровня интерференции, являющееся следствием, как правило, изменения уровня поля (как его ослабления, так и усиления) на некоторых участках, наблюдается в весенний период - период достаточно резкого в Астраханской области повышения температуры воздуха с 10-15 градусов тепла до 25.35 градусов тепла, а также в летний период - период стабилизации температуры воздуха в пределах 35.40 градусов тепла.

Интерференция в весенний период становится следствием разбалансировки частотного плана сети из-за неравномерного, особенно в городской черте, снижения проницаемости воздушных масс в период резкого разогрева земной поверхности, увеличения испарений и, как следствие, изменения зон ответственности между секторами базовых станций.

Поглощение сигнала в гидрометеорах вызвано в основном рассеянием энергии частицами. Интенсивность рассеяния зависит от количества частиц в единице объема, их формы, размеров частиц, электрических свойств частиц (зависят от их температуры и состояния).

Дополнительным фактором, влияние которого на уровень поля обосновано, могло бы служить увеличение в весенний период лиственной массы деревьев на территории обслуживания оператора. Однако ежегодно собираемая статистика поступления максимального (пикового) количества жалоб клиентов в службу качества компании оператора показывает, что ухудшение качества связи происходило именно в период резкого повышения температуры, когда листва деревьев являлась уже сформированной в течение 2-, 4-х недель. Продолжительность периода, как правило, 20-40 дней. Далее, после прогрева земной поверхности, ситуация стабилизируется (приближается к расчётным данным - предварительно планируемым при проведении частотного планирования сети). Но дальнейшее повышение температуры воздуха до 35.40 градусов выше нуля приводит к повторной дестабилизации частотного плана из-за отсутствия учёта современными системами радиопланирования зависимости изменения проводимости воздуха от температуры. Дальность распространения радиоволн в жаркий период увеличивается за счёт уменьшения затухания уровня поля в вышеописанных условиях для систем сотовой подвижной радиосвязи, особенно в диапазоне 1 800 МГц.

Ослабление радиоволн в УВЧ-диапазоне, зависящие от таких параметров, как рабочая частота сигнала, наличие прямой видимости и др., является зависимым также и от молекулярного состава кислород и наличия водяного пара.

Зависимость величины поглощения радиоволны в паре и кислороде на частотах от 100 МГц до 50 ГГц зависит от давления, частоты, температуры и влажности и была получена Ван-Влеком в разработанной им теории поглощения радиоволн [1].

Коэффициент ослабления в кислороде у0, дБ/км, для диапазона частот менее 57 ГГц при нормальном атмосферном давлении и температуре 15 °С можно определить из выражения [2]:

(

Уо =

7,19-10-3 + М9 + 4,81

f2 + 0,227 (f - 57 )2 +1,5

f2 -10-3,

где / - частота, ГГц.

Для оценки величины ослабления радиоволн в водяном паре ув, дБ/км, у земной поверхности при температуре воздуха ^ = 15 °С для частот до 350 ГГц можно использовать выражение

Ув =

0,05 + 0,0021р +

3,6

- + -

10,6

(f - 22,2)2 + 8,5 (f -183,3)2 + 9

+

+-

8,9

\f 2рю4:

(f - 325,4)2 + 26,3

где р - абсолютная влажность воздуха; г/м3; f - частота, ГГц.

В зависимости от температуры окружающей среды t, °С, значения У0 и ув могут сильно отличаться от получаемых из вышеприведенных выражений. С учетом коррекции температуры общий коэффициент ослабления радиоволн выглядит следующим образом:

У£ = [1 -(t-15)0,01]У0 + [1 -(t-15)0,006]Ув .

Как видно из формулы, оба коэффициента, вызывающие ослабление, снижают свое влияние на радиоволны с ростом температуры [2].

Согласно экспериментам, проведённым средствами измерительного комплекса радиомониторинга на базе Agilent EA74, установлено, что затухание сигнала в диапазоне 1 800 МГц на дистанции 0,5... 3,5 км в жаркий период в » 1,5_1,7 раза ниже, чем в период сильных моро-

зов и в » 1,3 раза ниже, чем в осенний (весенний) периоды (табл.).

Измеренное сезонное изменение уровня поля на частотах 1 848... 1 850 МГц

Условия сезонности; t °С Удалённость от излучателя, м

5GG 1 GGG 2 GGG 3 GGG

Математическое ожидание уровня поля в точке измерения, дБ

+40...+42 -38,8 -42,9 -49,8 -56,5

+1...+10 -36,6 -5,6 -49,0 -60,3

3 7 -31 -33,1 -38,5 -47,7 -62,7

Измерения проводились в пригородной зоне на равнинном участке местности при практически полном отсутствии строений и древесной растительности, способных внести дополнительные затухания в распространение земных радиоволн. Прямая видимость присутствовала на протяжении всей измерительной трассы (рис. 1).

авпускі IW^S^MelT^

Рис. 1. Информационное поле измерительного комплекса Agilent EA74 (V.2009), поддерживающее одновременное отображение местоположения (координаты в WGS84), уровня измеряемого радиосигнала, наличия и уровня интерференции

Уровень затухания в период сильных морозов в Астраханской области (-31...-33 °С) полностью соответствует уточнённой модели Окамура - Хата, разработанной для Токио без учёта сезонности:

Lo = 46,3 + 33,9lg(f)-13,82lg(/*) + (44,9 + 6,55lg(h))lg(r)-a(h)-Q ,

где a( h2 ) = (1,1lg ( f )-0,7 ) h2 - 1,56lg ( f ) + 0,8 ; О, - для исследуемой местности принимается равным нулю; /^- высота подвеса антенны базовой станции, используемая в эксперименте: 45 м; h2- высота расположения антенны абонента или абонентской радиостанции: 1,5 м; f - частота, используемая для эксперимента: 1 850 МГц. На рис. 2 представлены зависимости затухания уровня поля от температуры окружающей среды (использованы программные средства MathCad).

Уточненная модель Окамуры - Хата

260 250 240 230 220 210 200

500 Ю00 1500 2000 2500 3000 3500

100

Я

Рис. 2. Зависимость уровня затухания поля от температуры окружающей среды:

Ь0Ц = -31...-33 °С), 1Х

Таким образом, для уточнённой модели расчёта затухания уровня поля Окамура - Хата для диапазона 1 800 МГц проведена корректировка с учётом высоких значений температуры воздушных масс:

11 = 86,3 + 33,91в (/)- 13,811в (Ъ) + (14,9 + 6,551ё (Ъ)) 1в (г )-а( к2)-С,,.

На основании полученных уточнений составляется зависимость затухания радиосигналов от температуры или дополняются справочные базы автоматизированных программных комплексов сезонной зависимостью площадей зон радиопокрытия в СПР ОП.

Заключение

Высокие темпы развития систем подвижной радиосвязи и широкополосного радиодоступа, острая конкурентная борьба и стремление операторов получить преимущества как можно быстрее зачастую приводят к ошибкам в строительстве сетей и эффекту, обратному конкурентным преимуществам. Контроль выходных параметров системы особенно важен на этапе предварительного планирования строительства радиосистем. Существующие системы автоматизированного радиопланирования (например, ОКБРЬЛК ЯРЬ8) достаточно гибки, и их математические модели расчётов могут корректироваться как разработчиком, так и опытным пользователем. Разработанные рекомендации, касающиеся как предварительного планирования, так и оптимизации построенных сетей, направлены на стабилизацию параметров СПР ОП и систем широкополосного радиодоступа и повышение качества предоставления услуг.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. К вопросу о распространении УКВ на космических радиолиниях / А. В. Хорхордин, Седки Сусси, И. Л. Щербов и др. // Донец. нац. техн. ун-т /http://www.msnauka.com/TIP/A11/Technica/25.htm1 - дата обращения: 28.05.2011.

2. Микроволновые технологии в телекоммуникационных системах / В. Ф. Михайлов, Т. Н. Нарыт-ник, И. В. Брагин, В. Н. Мошкин: учеб. пособие / СПбГУАП. - СПб., 2003. - 337 с.

Статья поступила в редакцию 31.05.2011

INFLUENCE OF ATMOSPHERE TEMPERATURE CHANGES ON SIGNALS ATTENUATION OF CELLULAR COMMUNICATION

O. N. Pishchin, A. A. Voloshin, O. B. Butskaya

The influence of atmosphere temperature on radio signals attenuation in systems of cellular communication and broadband radio access is investigated in the paper. The results of the experiment enable to suggest a calculation correction based on the model Okamura - Hata, which considers the dependence of atmosphere permeability changes on the temperature.

Key words: radio signals attenuation, radio waves distribution, atmosphere temperature, air conductive properties.