Влияние многолучевости при распространении радиоволн в минисотовых системах

ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ В СЕРВИСЕ

Предложенная структура ТКС использована в телемедицинской консультативно-диагностической системе (ТМКДС), предназначенной для дистанционного диагностирования и качественного лечения многих видов заболеваний в реальном масштабе времени непосредственно на местах без доставки заболевших (пострадавших) в специализированные медицинские центры, либо с быстрой доставкой в ближайшие медицинские учреждения для точного установления диагноза и выдачи рекомендаций ведущих врачей по лечению [4-

7]. ТМКДС позволила увеличить информативность и удобство медицинских консультаций, что особенно важно, когда нет возможности быстро доставить больных в крупные медицинские центры.

Экономический эффект от внедрения ТМКДС достигается за счет экономии на следующих статьях расходов: транспортировка больных, размещение больных в лечебных учреждениях, использование медицинского оборудования, зарплата медицинских работников.

Литература

1. Пятибратов А. П., Гудыно Л. П., Кириченко А. А. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: Учебник для вузов / Под ред. Пятибратова А. П. М.: Финансы и статистика, 2008.

2. Глушаков С. В. Программирование на Visual C++. М.: АСТ, 2003.

3. Вдовин В. М. Теория систем и системный анализ. М.: Изд.-торг. корп. «Дашков и К», 2010.

4. Корнеева Е. В. Особенности создания телемедицинских систем // Электронное периодическое издание «Сервис в России и за рубежом». Вып. 8. 2008. Материалы IV Межвузовской научно-технической конференции «Проблемы развития электротехнических комплексов и информационных систем». Номер гос. регистрации 0420800058/0046.

5. Белянина Н. В., Корнеева Е. В. Вопросы разработки глобальных телемедицинских консультативно-диагностических систем // Научный и обществнно-информационный журнал «Информационные и телекоммуникационные технологии». 2006. № 2. С. 77—79.

6. Белянина Н. В., Корнеева Е. В. Предварительная обработка медицинской информации в задачах анализа изображений // «Наука — сервису». XI Международная научно-практическая конференция. Секция «Применение информационных технологий в электротехнических комплексах и системах»: Сборник научных статей / Под ред. д. т. н., проф. В. М. Артюшенко. М.: ГОУВПО «МГУС», 2006. С. 122—126.

7. Белянина Н. В., Корнеева Е. В. Система ввода, хранения и обработки графических изображений в телемедицинской консультативно-диагностической системе // «Наука — сервису» XI Международная научно-практическая конференция. Секция «Технические средства сервиса»: Сборник научных статей / Под ред. д. т. н., проф. В. С. Шуплякова. М.: ГОУВПО «МГУС», 2006. С. 185-193.

УДК 621.326

I ВЛИЯНИЕ МНОГОЛУЧЕВОСТИ ПРИ РАСПРОСТРАНЕНИИ РАДИОВОЛН I В МИНИСОТОВЫХ СИСТЕМАХ

I Медведев Павел Александрович, аспирант, pmedvedev@list.ru,

I ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», г. Москва

The author describes the mechanisms of propagation for different variants of placement of antennas, base stations (BS): the external deployment — BS antenna is located outside the building, the internal accommodation — BS antenna is located inside the building.

Рассмотрены механизмы распространения радиоволн для различных вариантов размещения антенн базовых станций (БС): внешнее размещение — антенна БС располагается вне здания; внутреннее размещение — антенна БС располагается внутри здания.

Key words: radio wave propagation, multipath, wireless Internet access

Ключевые слова: распространение радиоволн, многолучевость, беспроводной доступ

80 научный журнал ВЕСТНИК АССОЦИАЦИИ ВУЗОВ ТУРИЗМА И СЕРВИСА 2010 / № 4

Влияние многолучевости при распространении радиоволн в минисотовых системах

Расположение антенн вне зданий

Рассмотрим случай, когда от БС до здания распространяется прямая волна и отраженная от Земли (рис. 1).

Рис. 1. Расположение антенн вне зданий

Данный случай наиболее распространен и является типичным в городских условиях для минисотовых сетей.

Угол падения волны будет изменяться в зависимости от высоты антенны БС, высоты антенны АРБ и расстояния между ними. Исходя из геометрических соотношений, угол падения волны можно вычислить по формуле

Ф (,h1,h2 ) = П - arctg\h+JbL

Длины путей прямого и отраженного распространения также зависят от указанных параметров и будут, соответственно, равны

rj (l,hj,h2 ) = sj(h2 -hj)2 +12 r211, hj, h2 ) = ^(h2 + h1 )2 +12

В рассматриваемом случае h: >> X отражение осуществляется от полупроводящей поверхности Земли. Коэффициент отражения для вертикально и горизонтально поляризованной волны могут быть найдены из выражений [1]. Результирующая напряженность поля в точке приема

r v отр

Е = Е + Е (1).

С пр отр v 7

При мощности P, подводимой к передающей антенне БС, и коэффициенте усиления Gj = 1 в точке приема напряженность электрического поля прямой волны [1]

E 460P

Eпр =-----еХР

-J [т Jr

(2).

1

Отраженная волна распространяется по пути r2 и создает в точке приема напряженность электрического поля [1]

ЕвоР

.

F exp —'It I r2

2

где F — комплексный коэффициент отражения.

Отсюда, используя выражения (2), (3), получим

Eс = ^60P \,1 + ФрFexp

ri [ Г2

.

-j [т 1Д r

(4),

где Ar = r2 — r — разность хода прямой и отраженной радиоволн.

Выражение внутри фигурных скобок (4) называют комплексным множителем ослабления в освещенной зоне [2, 3]

W = 1 + ^ F exp r

(2 п) д - j — 1Д r

[ т I

(5).

Модуль множителя ослабления согласно (5) будет иметь вид

\W\

+ 2—1F\ cos

r21 1

1 т J

Д r + argF

(6).

Обозначим квадрат модуля ослабления напряженности волны как

S

+ Я F

+ 2—1F cos

ri' 1

2 п)

т J

Д r + argF

и будем считать данное выражение модулем ослабления волны по мощности.

Коэффициент ослабления является функцией длины пути (l), высоты антенны БС (h), высоты антенны АРБ (h), а также коэффициента m = 60уХ и диэлектрической проницаемости среды е. Учитывая вышесказанное и в зависимости от поляризации волны, где необходимо подчеркнуть зависимость коэффициента от данных параметров, будем обозначать его соответственно Sv (m, e, l, h, h) и Sg (m, e, l, h, h).

На рис. 2 показана зависимость модуля ослабления суммарной волны с вертикальной поляризацией от удаления антенн при различных значениях высоты подъема антенны БС.

Как видно из рис. 2, с увеличением расстояния увеличивается амплитуда колебания квадрата модуля множителя ослабления. Это объясняется тем, что с увеличением расстояния между антеннами угол падения приближается к 90о и коэффициент отражения F после прохождения угла Брюстера возрастает.

81

ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ В СЕРВИСЕ

Рис. 2. Зависимость модуля ослабления суммарной волны с вертикальной поляризацией от удаления антенн при различных

значениях высоты подъема антенны БС

В зависимости от высоты антенны БС ht изменяется частота колебаний.

Чем выше антенна БС, тем больше частота, а с увеличением расстояния между антеннами частота колебаний уменьшается. Расчеты показали, что при изменении m и е колебания множителя ослабления изменяются лишь по амплитуде.

На рис. 3 показана зависимость модуля ослабления суммарной волны с горизонтальной поляризацией от удаления антенн при различных значениях высоты подъема антенны.

В данном случае амплитуда колебаний модуля множителя ослабления по мощности суммарной волны постоянно возрастает.

В общем случае поляризация волны неизвестна, потому что при отражении поляризация изменяется, а ориентация антенны АРБ случайна.

Зависимость квадрата модуля множителя ослабления при произвольной поляризации найдем из выражения

Sv (m, e, l, h, h2 £) =

= ^(Sv(m,e,l,hI,h2)cos(£))2 + )Sv(m ,e,l,hj,h2)sin(0)2

На рис. 4 показана зависимость модуля ослабления при различном угле поляризации волны.

Как видно из рис. 4, от угла поляризации зависит только амплитуда множителя ослабления.

Рис. 3. Зависимость модуля ослабления суммарной волны с горизонтальной поляризацией от удаления антенн

при различных значениях высоты подъема антенны

82 научный журнал ВЕСТНИК АССОЦИАЦИИ ВУЗОВ ТУРИЗМА И СЕРВИСА 2010 / № 4

Влияние многолучевости при распространении радиоволн в минисотовых системах

Рис. 4. Зависимость модуля ослабления суммарной волны от удаления антенн при различном угле поляризации волны

и различных значениях высоты подъема антенны

Таким образом, исследования показали, что мощность суммарной волны на входе приемного устройства носит колебательный характер, частота зависит от высот подъема антенн и их удаления, а амплитуда — от поляризации волны и от свойств отражающей поверхности.

Расположение антенны БС внутри зданий

Рассмотрим среду распространения радиоволн внутри здания, где сигнал от антенны БС, располагающейся в помещении, претерпевает отражения как от пола, так и от потолка.

Геометрические соотношения для данной ситуации показана на рис. 5, где Н — высота потолка; h2 — высота подвеса антенны БС; h2 — высота подвеса антенны АРБ; l — разнесение антенн; r2 — путь прямого распространения; r2 — путь распространения при отражении от пола; r3 — путь распространения при отражении от потолка.

Рис. 5. Распространение волн внутри здания

Воспользовавшись геометрическими соотношениями, можно записать следующие выражения для разностей длин путей распространения волн между прямым и отраженными лучами

r =V(h 2- hi )2 +12 (9),

r2 =^l(t1 + h2) +12 (10),

Ar2 = r2 - r1 Ar3 = r3 - ri

r3 =V(2H - hi-h )2 +i2 (11).

Разность хода отраженных лучей и прямого луча можно записать как

(12), (13),

Результирующая напряженность поля в точке приема Е складывается из напряженности прямой волны Е , напряженности отраженной от пола волны Е . и от потолка Е .

Г отр2 отр3

Е = Е + Е 2+Е 3 (14).

с пр отр2 отр3 4 '

Записав по аналогии с (3), (4) выражения для напряженностей прямой и отраженных волн, найдем напряженность суммарной волны и далее выражение для комплексного множителя ослабления в освещенной зоне

W = 1 + r F2 exp

Г2

2

, r

+ — F3 exp

r3

(15).

В рассматриваемом случае комплексные коэффициенты отражения находятся для диэлектрика для горизонтальной и вертикальной поляризации по формулам [1].

Для расчета коэффициента отражения необходимо знать угол, под которым волна падает на отражающую плоскость. В соответствии

83

ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ В СЕРВИСЕ

с геометрическими соотношениями угол отражения от пола вычисляется как:

9г ( К h2 )=П - arC‘g[h‘^hL^ (16),

а от потолка, соответственно, по формуле:

hlyh2) = П-arctg^2Я h h j (17).

Квадрат модуля ослабления напряженности волны согласно (15) будет иметь вид

S = 1 +

+

Г

— F3I | + 2 Г li&i I COS

rl' 'I r! 1 |

2П

T

Г + arg F&2

+

+ 2r \F3

2п 1

A J

Д Г3 + argF

+

+ 2-^ IFJF31 cos

2 3

2n

T

(2 - Ar3) + arg F2 - arg F3

(18),

На рис. 6 показана зависимость модуля ослабления суммарной волны с вертикальной поляризацией Sv (s, l, h, h) от удаления антенн при различных значениях высоты подъема антенны БС для помещения с высотой потолка H = 3 м.

Из рисунка видно, что график множителя ослабления существенно зависит от высоты подъема антенны. При высотах h1 = 1 м и h1 = 2 м графики совпадают, так как при высоте потолка H = 3 м длина пути отраженной волны от пола (при h1 = 1 м) становится равной длине пути отраженной волны от потолка (h1 =

2 м) и наоборот. При закреплении антенны БС у потолка или около пола присутствуют только две волны, которые из-за разности путей распространения, как видно из графика, почти компенсируют друг друга.

Существует также такое положение антенны БС, при котором отраженные волны при заданной высоте АРБ проходят одинаковое расстояние и складываются в фазе.

На графике при высоте потолка H = 3 м и высоте АРБ 1,5 м данному случаю соответствует кривая при высоте антенны БС 1,5 м.

Зависимость модуля ослабления суммарной волны с горизонтальной поляризацией от удаления антенн при различных значениях высоты подъема антенны БС для помещения с высотой потолка H = 3 м показана на рис. 7.

В данном случае наблюдаются те же закономерности при распространении радиоволн в помещении, как для случая волны с вертикальной поляризацией. Отличие заключается лишь в величинах напряженности полей.

В общем случае поляризация волны неизвестна. Выражение для квадрата модуля множителя ослабления при произвольной поляризации будет иметь вид:

S (s, l, h, h, Q) =_________________

= 2(( (e,l,hl, h2)cos(C)) + (((e,l,hl,h1)sin(i))1 (19),

На рис. 8 показана зависимость модуля ослабления Sv (s, l, h, h, Q) при различном угле поляризации волны.

Рис. 6. Зависимость модуля ослабления суммарной волны с вертикальной поляризацией от удаления антенн при различных значениях высоты подъема антенны БС для помещения с высотой потолка H = 3м

84 научный журнал ВЕСТНИК АССОЦИАЦИИ ВУЗОВ ТУРИЗМА И СЕРВИСА 2010 / № 4

Влияние многолучевости при распространении радиоволн в минисотовых системах

Рис. 7. Зависимость модуля ослабления суммарной волны с горизонтальной поляризацией от удаления антенн при различных значениях высоты подъема антенны БС для помещения с высотой потолка H = 3м

Для случая двух лучей при трех лучах от угла поляризации зависит только амплитуда множителя ослабления.

При распространении волны в помещении отражение происходит не только от пола и потолка, но и от стен и других предметов. Отражение от различных предметов, находящихся в помещении, очень трудно поддается прогнозу, особенно тогда, когда абонент перемещается. Однако если учесть небольшие раз-

меры предметов по сравнению с дальностью связи, то вероятность попадания отраженного от предметов луча на антенну АРБ очень мала, поэтому данными лучами можно пренебречь и учесть только отражения от стен. Таким образом, необходимо найти сумму напряженности прямой волны, отраженных от пола, потолка и двух стен.

Геометрические соотношения рассматриваемого случая показаны на рис. 9, где H — вы-

Рис. 8. Зависимость модуля ослабления суммарной волны с произвольной поляризацией от удаления антенн при различных значениях угла поляризации \ для помещения с высотой потолка H = 3 м

85

ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ В СЕРВИСЕ

сота помещения, K — ширина помещения, hj — высота антенны БС, h2 — высота антенны АРБ, к} — расстояние от боковой стены до БС, к2 — расстояние от боковой стены до АРБ, l2 — расстояние от стены, на которой расположена БС, до АРБ, l — расстояние между БС и АРБ, r j — прямой путь распространения, r2 — путь распространения волны, отраженной от пола, r3 — путь распространения волны, отраженной от потолка, r4 — путь распространения волны, отраженной от задней стены, r5 — путь распространения волны, отраженной от передней стены.

Рис. 9. Распространение волн внутри здания

Исходя из сделанных обозначений, запишем выражения для вычисления путей распространения радиоволн по различным путям:

+ 1 II (20);

Г1 V Е1 h2 ) + l2 (21);

Г2 = VE + h2 f + l2 (22);

+ -sf 1 -sf 1 ,<N, II c (23);

к = tJ(e - h2 f +122 (24);

r4 = д/(2K - k1 - к2 f + к (25);

r5 =tJ (k1 + k2 f + к (26).

Обозначим разности хода отраженных лучей и прямого луча, запишем как

Ar = r — r 2 2 j (27);

/\r = r — r 3 3 J (28);

/\r = r — r 4 4 j (29);

/\r = r — r 5 5 j (30).

Результирующая напряженность поля в точке приема (Е) складывается из напря-

женности прямой волны (Епр), напряженности волны отраженной от пола (Е ) от потолка (Ёотр), от задней стены (Ё^о1р4) и передней стены

(0 . . ^ .

Е = Е + Е + Е + Е 4+ Е 5 (31).

Записав по аналогии с (2), (3) выражения для напряженности прямой и отраженных волн, найдем напряженность суммарной волны и далее выражение для комплексного множителя ослабления в освещенной зоне

W = 1 + — F2exp

Г2

Г .(2n] . r ^ " (2n \ "

I-1 tJ 4 + — F3 exp r3 _ Я ) _

+

+ — F4exp —

—

+ — F5 exp

—

—5

(32).

В рассматриваемом случае, так же как и в предыдущем, комплексные коэффициенты отражения также находятся для диэлектрика для горизонтальной и вертикальной поляризации и по формулам [1].

В соответствии с геометрическими соотношениями, показанными на рис. 9, углы падения волн на потолок, пол и стены вычисляются по формулам

92 Е Е Е, К h2) = П - arctg\ А.+А j (33);

93 (А Е Е К h2 ) = П - arctg\ 2Я h h ) (34);

9 (Е Е к2> Е h2 )=П - arcts\2К h h j (35);

9 Е > (2 > к2 > Е h2 )=П - arctg( hL+hl j (36);

Квадрат модуля ослабления напряженности волны согласно (23) будет иметь вид

/ \2 / \2 / \2 / \2

S = 1 + М F2 +I-1 F3 +\-L\F4 I +мF,

Г2 ' ) l Г3 ' ) l Г4 '

-2—F2 cos

rJ 1

|д r2 + arg F2

, A J

-2—Ш cos

|д r3 + arg F3

, A J

-2— F. cos

2n 1 •

A |Д r4 + arg F4

-2— F5 cos

rE 1

2n E . Л

— 1Д r5 + arg F5 „ A J

4

+

86 научный журнал ВЕСТНИК АССОЦИАЦИИ ВУЗОВ ТУРИЗМА И СЕРВИСА 2010 / № 4

Влияние многолучевости при распространении радиоволн в минисотовых системах

+ 2—^ IFJIFJ cos

2п

Лг2 - Лгг)+ argi&2 - argF,

+ 2 + 2-^— FJ FJcos f -Лг5 ) + arg F4 - arg F5

- r4r5 ' " ' \Я )

(37).

2

Я

2 3

+ 2^— Ii2 IIF5ICOS

Г2Г5 ' " '

+2^— FI FJcos

r3r4' 11 1

2n

Лг2 -Ar)+argF2 -argF4

-ЛГ5 )+ arg F2 - arg F5

( -ЛГ4)+arg F3 - arg F4

Я ^ - ЛГ5 ) + arg F3 - arg F5

+

Я

2 4

2

+

2

+

Я

2

+ 2^— IF3IIF5ICOS

+

На рис. 10 показана зависимость квадрата модуля ослабления суммарной волны с вертикальной поляризацией Sv (m, a, hp h2, кр к2, 12) от удаления антенны АРБ от антенны БС по стене (/2) при различных значениях удаления от стены антенны АРБ (к^) для помещения с высотой потолка H = 3 м.

Как видно из графика, при смещении АРБ от стены квадрат модуля множителя ослабления также изменяется, потому что изменяются расстояния прохождения отраженных от стены радиоволн.

Рис. 10. Зависимость квадрата модуля ослабления суммарной волны с вертикальной поляризацией от удаления антенны АРБ от антенны БС по стене (/) при различных значениях удаления от стены антенны АРБ (k2) для помещения

с высотой потолка H = 3м

Рис. 11. Зависимость квадрата модуля ослабления суммарной волны с горизонтальной поляризацией от удаления антенны АРБ от антенны БС по стене (/2) при различных значениях удаления от стены антенны АРБ (k2) для помещения

с высотой потолка H = 3м

87

ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ В СЕРВИСЕ

Рис. 12. Зависимость квадрата модуля ослабления суммарной волны с произвольной поляризацией от удаления антенны АРБ от антенны БС по стене (l2) при различных значениях угла поляризации (Е) для помещения

с высотой потолка H = 3 м

На рис. 11 показана зависимость квадрата модуля ослабления суммарной волны с горизонтальной поляризацией Sg (m, e, h,, h, k,, k2, l2) от удаления антенны АРБ от антенны БС по стене (l2) при различных значениях удаления от стены антенны АРБ (k2) для помещения с высотой H = 3 м.

На рис. 12 показана зависимость квадрата модуля ослабления суммарной волны с произвольной поляризацией S (m, e, h,, h, k,, k2, l2, x) от удаления антенны АРБ от антенны БС по стене (Р) при различных значениях угла поляризации (Е) для помещения с высотой потолка H = 3 м.

Литература

Как видно из графика, квадрат модуля множителя ослабления незначительно изменяется от угла поляризации. Поэтому так же, как в предыдущих случаях можно в дальнейшем рассматривать неполяризованную волну.

Таким образом, получены выражения для нахождения напряженности поля на входе приемника в условиях многолучевого распространения радиоволн при размещении БС вне здания и внутри помещения. Результаты расчетов по данным формулам показывают, что характер колебания напряженности существенно зависит от расположения БС и АРБ, в то же время поляризация волны сказывается лишь на амплитуде колебаний.

1. Долуханов М. П. Распространение радиоволн. Учебник для вузов. М.: Связь, 1972. 234 с.

2. Черникова Е.Л., Чернышев О. В. Распространение радиоволн: Учебник для вузов связи. М.: Радио и связь, 1984. 272 с.

3. Никольский В. В., Никольская Т. И. Электродинамика и распространение радиоволн: Учебн. пособие для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1989. 544 с.

88 научный журнал ВЕСТНИК АССОЦИАЦИИ ВУЗОВ ТУРИЗМА И СЕРВИСА 2010 / № 4