Анализ особенностей среды распространения сигналов в телекоммуникационных каналах подземных сооружений

Анализ особенностей среды распространения сигналов в телекоммуникационных каналах подземных сооружений

Ключевые слова:

телекоммуникационные каналы, многолучевое распространение радиоволн, быстрые и медленные замирания, электромагнитные помехи, промышленные помехи.

Представлен анализ некоторых особенностей и характеристик среды распространения радиосигналов в каналах связи в подземных сооружениях, описаны условия распространения информационного сигнала в телекоммуникационных каналах с учетом влияния на радиосигнал промышленных электромагнитных помех. Кратко охарактеризованы основные источники электромагнитных промышленных помех и спектральные и частотные особенности их излучений. Дается краткий анализ статистических характеристик телекоммуникационных каналов подземных сооружений с учетом разных вариантов ведения радиопередачи. Показано, что радиоканал является неидеальным, для него характерна некоторая динамика при любых условиях распространения (подвижные или статичные приемное и передающее устройства). Описаны наиболее характерные виды мешающих воздействий, типичные для телекоммуникационных каналов подземных сооружений. С точки зрения наличия или отсутствия прямой видимости между приемником и передатчиком, рассмотрены основные статистические характеристики канала радиопередачи. Дан анализ возможности описания телекоммуникационных каналов подземных сооружений с помощью классических законов распределения вероятностей. Поставлена научная задача дальнейшего изучения вопросов распространения радиосигналов в подземном пространстве и обеспечения устойчивости телекоммуникационных каналов подземных сооружений.

Шабалина НА,

Аспирант кафедры электронных систем, энергетический факультет Национальный минерально-сырьевой университет "Горный", г Санкт-Петербург

Для создания эффективных систем передачи данных в сложных условиях распространения сигналов и при воздействии помех необходимо исследовать помехоустойчивость и предварительно изучить существующие модели и особенности телекоммуникационных каналов.

Построение и функционирование каналов связи подземных сооружений связано с определенными трудностями, обусловленными особенностями помещения, в котором происходит передача информации. Транспортные автомобильные и железнодорожные тоннели, забои шахт и рудников, помещения подземных хранилищ имеют некоторые особенности распространения сигнала. Радиоканал не является некой статической постоянной системой с неизменными характеристиками, его которого можно определить с определенной долей вероятности. Всегда наблюдается явление многолучевости - то есть особого варианта распространения сигнала в канале связи и переотражениями, при котором сигнал от передатчика к приемнику передается по траекториям разной протяженности [5, с. 26].

Действие каждого электроприбора сопровождается паразитным электромагнитным излучением. Индустриальные электромагнитные помехи в подземных сооружениях могут создаваться промышленными силовыми установками, электротехническим и энергетическим оборудованием, силовыми линиями передачи, электрическим транспортом. Все источники помех, как правило, достаточно компактно размещены в пространстве. Типичными помехами подземных объектов являются шум, создаваемый в сети питания аппаратуры при работе импульсного блока питания, импульсы, создаваемые при коммутационных операциях, переходные процессы в сетях высокого и низкого напряжения, поля промышлен-

ной частоты, создаваемые силовым оборудованием станций и подстанций, проводными линиями электропередач.

Интенсивность и спектральные характеристики всех вышеперечисленных мешающих воздействий разнообразны. Помехи могут возникать в виде периодически повторяющихся или случайно распределенных во времени величин. В обоих этих случаях речь может идти как о узкополосных, так и о широкополосных помехах: синусоидальная, постоянно действующая помеха частотой 50 Гц или высокочастотная несущая волна представляет собой узкополосный процесс; последовательность тактовых импульсов - пример широкополосного процесса с дискретным спектром; периодические затухающие однократные импульсы - узкополосный процесс; одиночные импульсы (разряды статического электрического) - пример широкополосного процесса.

Для описания модели распространения сигнала в подземном помещении не применима модель гауссовского канала, так как его особенностью является то, что он не вносит каких либо линейных или нелинейных искажений в передаваемый сигнал за исключением добавления белого шума, который имеет нормальную плотность распределения вероятностей. Однако в описываемых телекоммуникационных каналах имеются еще и переотраже-ния от стен, то есть многолучевое распространение сигналов, а так же затухание радиосигналов из-за поглощения в среде. В совокупности с многолучевым распространением сигнала с отражениями от потолков и стен в зоне прямой видимости между приемником и передатчиком возможет так же вариант, когда прямая видимость отсутствует полностью, и прием ведется только с помощью переотраженных сигналов. Канал с наличием прямой видимости представляет собой канал Райса, а при ее отсутствии говорят о канале Релея [2, 3].

Сигнал, распространяющийся по трассе прямой видимости, обладает постоянной мощностью в масштабе замираний. Интерференция прямых и отраженных волн создает интерференционную картину, которая приводит к быстрым замираниям сигнала в подвижном приемнике, а отражения от движущихся объектов (транспорта, меха-

низмов, персонала) могут привести к замираниям и в стационарном приёмнике [2].

Даже в случае статической ситуации, то есть когда положение приемника и передатчика зафиксировано и постоянно, для телекоммуникационного канала характерна определенная динамика, так как предметы, на которых происходит рассеяние, преломление и отражение могут перемещаться в пространстве с некоторой скоростью. При этом грубую оценку вероятного времени задержки можно дать, зная размеры помещения. В этом случае время прохождения радиоимпульса в наносекундах, весьма приближенно, равно 3.3с/. где с! — расстояние, преодоленное радиоимпульсом [3].

При распространении радиосигнала в неидеальном канале, в результате взаимодействия сигнала со стенами и потолком, обладающими диэлектрическими или проводящими свойствами, возникает явление затухания сигнала, степень которого зависит от отношения между параметрами сигнала и параметров канала связи.

Каналы с затуханиями характеризуются временными импульсными откликами СДт) или временными фильтрами С/О,/). В случае, когда есть принимаемый сигнал

с несущей частотой /0 который передается через канал с затуханиями, принимаемый сигнал описывается с помощью следующего уравнения [5]:

IV

п: 1

Л(0)“ [с,(*.т)в|(С,т)Л + г,(0 ^

Распространения радиосигнала в канале с многолучевостью приводит не только к временной и частотной дисперсии, но и к угловой дисперсии. Что касается угловой дисперсии, то ее физический смысл может быть трактован как представление точечного единичного источника сигналов приемной антенной неким протяжённым источником. Наиболее характерными среди всех видов мешающих воздействий, встречающихся при передаче радиосигналов, являются бысгрые и медленные замирания [1, с. 59].

Причина быстрых замираний — многолучевая структура распространения сигнала, наличие интерферирующих лучей. В случае, если приемник затенен каким-то крупным объектом, находящимся на пути распространения сигнала между передатчиком и приемником, говорят медленных замираниях, которые характеризуются изменением средних значений коэффициента ослабления за несколько минут в течение длительного периода времени. Их легко можно описать с помощью нормального закона распределения вероятностей, в соответствии с которым амплитуда сигнала Б имеет плотность вероятностей следующего вида

ся по многим путям, и п-й луч будет характеризоваться некоторой задержкой сигнала т„(1) и комплексным коэффициентом передачи а„(1).

Если абонент перемещается, или перемещаются объекты, создающие картину многолучевого распространения сигнала, то соответственно изменяется и число лучей, коэффициенты передачи канала вдоль лучей, время задержки сигналов. Следовательно, постоянному изменению подвержена и импульсная характеристика канала передачи подземного объекта, причем это изменение происходит непрерывно и случайным образом в соответствии с перемещением абонента или других объектов.

В таком случае, значение одномерной плотности вероятности распределения значений амплитуды сигнала р(А) записывают в качестве релеевского закона распределения вероятностей.

Г2

Р(Л) =

'О

где

1 А

А2

Р

2тг а

В этих формулах А и у - соответственно параметры амплитуды и фазы сигнала, передаваемого по каналу связи. Канал связи, описываемый законом (4), называют релеевским каналом [6, 79].

Рис. 1. Форма распределения плотности вероятности Релея

Чтобы найти закон распределения фазы сигнала, необходимо выражение (5) проинтегрировать по с/А.

р(4<М ла = 2~т[о <*Р(“)АМ

1 , (1п(5)-ш)2л

рС5) = 57етехр(------

Р(Ф)=^

В ходе практических экспериментов было установлено, что время крупномасштабных замираний зависит от скорости перемещения абонентского устройства и составляет от десятых долей до единиц секунд.

Многолучевой канал так же может быть описан вполне однозначно своей импульсной характеристикой во временной области или передаточной функцией в частотной области. Сигнал в данном случае распространяет-

Можно легко заметить, что распределение фазы представляет собой равномерную величину, и не зависит от распределения амплитуды сигнала в конкретный момент времени.

Было установлено, что если на вход абонентского устройства, помимо отраженных сигналов, поступает еще и сигнал, непосредственно излученный передатчи-

3. Рекомендация МСЭ-R Р/1238-4 Данные о распространении радиоволн и методы прогнозирования для планирования радиосвязи внутри помещений и локальных зоновых радиосетей в частотном диапазоне 900 МГц - ЮОГГц (вопрос МСЭ-R 211/3) 1999-2005

4. Charalambous, C.D. and MenemenHs, N. Multipath Channel Models for Shortterm Fading. 1999. International Workshop on Mobile Communications, Crete, Greece, June 1999. - 248 c.

5. Davis. М. H. A. and Vinter, R B. Stochastic Modeling and Control. Chapman and Hall, 1985.-213 c.

The analysis of features of the env'ronment of distribution of signals in telecommunication channels of underground constructions

Shabalina NA.

Abstract

The analysis of some features and characteristics of the environment of distribution of radio signals is presented in article in communication channels in underground constructions, conditions of distribution of information signal in telecommunication channels taking into account influence on a radio signal of industrial electromagnetic hindrances are described. The main sources of electromagnetic industrial hindrances both spectral and frequency features of their radiations are briefly characterized. In article the short analysis of statistical characteristics of telecommunication channels of underground constructions taking into account different options of maintaining a broadcast is given. It is shown that the radio channel is nonideal, for it some dynamics is characteristic under any conditions of distribution (mobile or static reception and transferring devices). The most characteristic types of stirring influences typical for telecommunication channels of underground constructions are described. From the point of view of existence or lack of direct visibility between the receiver and the transmitter, the main statistical characteristics of the channel of a broadcast are considered. The analysis of possibility of the description of telecommunication channels of underground constructions by means of classical laws of distribution of probabilities is given. The scientific problem of further studying of questions of distribution of radio signals in underground space and ensuring stability of telecommunication channels of underground constructions is as a first approximation set.

Keywords: telecommunication channels, multibeam distribution of radio waves, fast and slow dying down, electromagnetic hindrances, industrial hindrances.

6. ЗюкоА.Г. Помехоустойчивость и эффективность систем связи. - М.: Связь, 1972. - 360 с.

7. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. -М.: Сов. Радио, 1970. - 728 с.

8. Маковеева М.М.. Шинаков Ю.С. Системы связи с подвижными объектами. - М.:Радио и связь, 2002. - 440 с.

9. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. - М.: Радио и связь, 1982.-624 с.

160

T-Comm, #8-2013