Оценка уровня групповой помехи от сети 3G на РЭС правительственного назначения по результатам измерений мощности сигналов передатчиков базовых станций UMTS

Оценка уровня групповой помехи от сети 3G на РЭС правительственного назначения по результатам измерений мощности сигналов передатчиков базовых станций UMTS

Ключевые слова: электромагнитная совместимость, радиоэлектронное средство, помеха, мощность сигнала, сети связи третьего поколения, базовая станция, доверительный интервал.

Предложена методика оценки величины групповой помехи на РЭС правительственного назначения от множества базовых станций сети 3G. В настоящее время продолжается существенное наращивание группировки базовых станций сетей 3G в территориальных районах, где уже функционируют продолжительное время РЭС правительственного назначения высокого приоритета с точки зрения обеспечения беспомеховой работы. Значения мощности сигнала от каждой базовой станции суммируются на входе приемников РЭС правительственного назначения, как в случае равенства сигналов от каждой базовой станции, так и в случае наличия доминирующих сигналов и не зависит от расстояния до базовых станций. Задача электромагнитной совместимости оценки помехи от всей группировки однотипных РЭС, функционирующих на одном номинале частот, приобретает особую актуальность. На практике мощность реального группового сигнала базовых станций ниже уровня, рассчитанного существующими ранее методами. Однако измерить групповую помеху на входе приёмника РЭС правительственного назначения от всей сети 3G по техническим причинам не представляется возможным. Представленная в статье методика позволяет более точно оценить данную величину на основе использовании статистических данных, полученных в ходе измерений потока мощности сигналов от единичных базовых станций UMTS. В методике были использованы математический аппарат доверительных интервалов и центральная предельная теорема. Для сравнения с существующими ранее методиками приведена оценка увеличения точности определения групповой помехи от действующей группировки базовых станций сетей 3G, функционирующих на одном номинале частот в заданном территориальном районе. Предложенный подход, по сравнению с разработанными ранее методами, предоставляет дополнительные возможности по развитию сети 3G в условиях гарантированного исключения помех средствам правительственного назначения.

Жуков А.О., д.т.н., доцент, с.н.с., ГАИШ МГУ, ozhukov@mail.ru

Сорокин С.А., к.т.н., с.н.с., Военная академия РВСН им. Петра Великого, sergej 1982@mail.ru

Коченко С.Н., с.н.с., Военная академия РВСН имени Петра Великого, kochsn@rambler. u

Кабешов А.В., преподаватель учебного военного центра при МАТИ (ФГБОУВПО "МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского"), cabeshov@mail.iv

Николаев А.В., дт.н., доцент, в.н.с. НИЧ МТУСИ

на территории страны мировых технологий радиосвязи, при этом развёртываемые радиосистемы используют оборудование иностранного производства. Одним из наиболее перспективных и стремительно развивающихся компонентов телекоммуникационных систем ЯВЛЯЮТСЯ еети сухопутной подвижной связи третьего поколения {30 или UMTS). Однако, в силу особенностей национального распределения полос радиочастот между радиослужбами РФ, планируемые для развития сетей 3G полосы частот (1900-1980 МГц, 2010-2025 МГц, 2110-2170 МГц), активно используются радиоэлектронными средствами (РЭС) правительственного назначения.

Функционирование сетей 3G в совпадающих диапазонах частот с РЭС правительственного назначения способно привести к оказанию на них неприемлемого помехового воздействия. Поэтому при развертывании сетей UMTS в общих территориальных районах со средствами правительственного назначения необходима разработка мероприятий по обеспечению их электромагнитной совместимости (ЭМС).

Перераспределение частот в пользу сетей 3G может привести к невозможности использования большинства РЭС правительственного назначения с требуемой для решения

задач эффективностью, вследствие сокращения рабочей полосы частот. Виду приоритета использования РЭС правительственного назначения перед гражданскими средствами на практике рассчитываются ограничения мощности на передатчики базовых станций (БС) сечей 30, при которых уровень помехи не превышает допустимого уровня с заданной вероятностью.

Особенностью методики расчёта является учёт группового воздействия помехи от всей группировки базовых станций сетей 30. 11ри развёртывании сети 30 в заданном территориальном районе мощности сигналов базовых станций работающих на одном номинале суммируются на входе приёмника РЭС правительственного назначения (формула 1 и рис, 1):

(О

где р - суммарное значение мощности помехи на входе приёмника РЭС правительственного назначения; р — мощность сигнала /-ой базовой станции UMTS на входе приёмника РЭС правительственного назначения; N - количество БС сети UMTS, развёрнутых в заданном территориальном районе и использующих один номинал частот.

Приведенная зависимость выполняется как в случае равенства сигналов от каждой базовой станции, так и в случае наличия доминирующих Сигналов и не зависит от расстояния до базовых станций.

Данный эффект установлен по результатам расчетной оценки и подтверждён экспериментально. На рисунке приведены графики зависимости суммарной мощности сигналов при последовательном включении БС стандарта UMTS, полученные в ходе испытаний на ЭМС в Московском регионе (рис.2а,б). При этом графики построены как по результатам измерений (Рреал), так и расчётным способом {Ртеор).

T-Comm #10-2014

27

F3C пр ИИТТСпТЬ Г ГИ Т1ПЮГ о

Рис, 1. Групповое воздействие помехи от базовых станция сети 30 на РЭС правительственного назначения

2 1

1-67

1 ь «и ribh _53 7

—1 ГЗЙм

пи*

а)

J -50

I i 0 1 1 1 2 13 1

ед,

Ml ш

/-6S.S5

-•-реал тсор

Однако на практике реальный уровень группового сигнала ниже расчётного. Такой эффект возникает из-ia использования математического аппарата доверительных интервалов в методике расчета ограничений мощности каждой БС сети UMTS, что обусловлено необходимостью обеспечения бес-помеховой работы РЭС правительственного назначения с высокой вероятностью.

Измерить на практике групповую помеху от всей сети 3G из-за малого значения плотности потока мощности не представляется возможным вследствие недостаточной чувствительности измерительной аппаратуры. Однако, косвенными методами были измерены уровни сигналов в точке размещения РЭС правительственного назначения от отдельных БС UMTS.

Таким образом, целью настоящей статьи является оценка реального уровня помехи от всей группировки сети 3G по результатам измерений отдельных БС.

По результатам испытаний на ЭМС сетей 3G с РЭС правительственного назначения в Московском регионе были измерены значения плотности потока мощности около 200 БС (количество измеренных БС обозначено L). Общее количество БС 3G на одном номинале в рассматриваемом территориальном районе составляет порядка 10000.

Расхождения между расчётными и измеренными значениями мощности для БС № 1, 2 ,,, L обозначены ди д, ...

д! соответственна

Ррлсч_\ ~ ~ А,

РрАСЧ 2 ~ Лгзм 3 = А;

Р - Р = д

РЛСЧ 1. ИЭМ 1 /.

б)

Рис. 2. Мощность группового сигнала от базовых станция сети ЗС Московского региона: а - в контрольной точке I; 6 - в точке 2

Существующие в настоящее время методики расчёта ограничений мощности передатчиков БС позволяют обеспечить суммарный уровень группового сигнала не превышающий допустимого уровня с требуемой вероятностью для заданного фиксированного количества БС в рассматриваемом регионе.

Однако использование такого подхода не позволяет увеличить количество БС, что обусловлено дальнейшим развитием сетей ЗО. Схожие трудности также возникают при модернизации РЭС правительственного назначения и изменения технических характеристик и условий функционирования.

Значения PMC4J, РРМ Ч 2 — РРАСЧ L вычислены па основе исходных данных (частотно-территориального плана сети 3G, физико-географических условий местности) согласно существующей методике, а Ртм ,, рщы 2---Pfm< L были

получены по результатам натурных испытаний.

Множество значений д д,... д; можно характеризовать случайной величиной Д, определяющей погрешность методики расчёта мощности сигнала БС на входе приёмника РЭС правительственного назначения.

По результатам проведённых испытаний на ЭМС в объёме L базовых станций сети 3G и накопленного статистического материала (2), проведена оценка математического ожидания т дисперсии дд и с.к.о, er х случайной величины Д:

¿Д.. ¿(Л; "'«л)3

т „ Л-; -;

л L л 1—1

= VÖT-

Групповой сигнал от всей сети 3G на заданном номинале частот па входе приёмника РЭС правительственного назначения согласно (I) составит:

ЛГ Н N N

РцЗЫ I =//>ИЗЫ i —^.(Рр.Н Ч —PpACVJL

Ш ~ /=1 " M J=t

где величина РГ1СЧ v рассчитывается по существующей методике, а величина расхождения реального и расчётного Значений группового сигнала д; оценивается с использованием математического аппарата доверительных интервалов.

28

T-Comm #10-2014

Случайная величина д, по формуле (5) в соответствии с

центральной придельной теоремой распределена по нормальному закону, так как является суммой большого количества одинаково распределённых случайных величин, а её математическое ожидание . дисперсия Dv и с,к.о, ¿т,

можно определить через значения n>s, D^ и сгА, полученные ранее:

V \Г

а " ' а

i=[

= £m* = N -'"л; = Z = N '

i=) n

= Е^л = л1

Реальный групповой сигнал от всей сети ЗО становится возможным численно оценить, рассчитав согласно формулам (6) значения и гт, , в соответствии с формулой

(4) и из нормальности распределения величины д, :

где Р1Ш/ ч (р) - уровень, который не превышает мощность группового сигнала сети 30 с вероятностью р\ РГ1СЧ т —

уровень группового сигнала, рассчитанный согласно существующей ранее методике и формулы (1); р - вероятность того, что суммарный групповой сигнал не превысит уровня риш £{у§|; значение р относится к исходным данным настоящей методики.

в Ар) — граница доверительного интервала случайной величины дч , вычисляется по формуле:

Еь

где ф~'(#) - функция, обратная функции Лапласа, то ссгь такое значение аргумента, для которого функция Лапласа равна р.

Таким образом, окончательное выражение для оценки группового сигнала сети 30 примет вид:

Р„3„лф = Ррл,ч2  Ф"1 №

Выражение (9), является результатом численной оценки групповой помехи от сети 30 па РОС правительственного назначения, что и составило научную задачу настоящей методики. При этом точность оценки ртм , (р) вычисленное

по формуле (9) по отношению к значениям, полученным по существующем ранее методикам, составит 5-10 дБ:

iÖ-lg

1 тм Е

т

= 5-10

,дБ

' РЛГЧ _ I

Полученный выигрыш (10) возможно использовать для наращивания численности сети ЗО, увеличения мощности передатчиков БС UMTS, а также модернизации РЭС правительственного назначения в рассматриваемых полосах частот.

Литература

1. Recommendation ITU — К Р.452 - 13. Prediction procedure for the evaluation of microwave interference between stations on the surface of the Earth at frequencies above about 0.7 GHz,

2. Recommendation ITU - R P.1546 - 13. Method for point-to-area predictions for terrestrial services in the frequency range 30 MHz to 3 000 MHz.

3. Управление радиочастотным спектром и электромагнитная совместимость радиосистем. Учебное пособие / Под ред. М.Д. Быковского. - М.: Эко-Трендз, 2006. - 373 с,

4. Баскаков СИ. Радиотехнические цепи и сигналы: учеб. Для вузов по специальности «Радиотехника» / Баскаков С.И. — 2-е изд., перераб. И доп. — М.: Высш. шк., 1984. - 448 с.

5. Вентцеяь Е.С. Теория вероятности. — М.: Наука, 1964.

Impact assessment of cumulative noises issued by 3G network on state electronic warfare based on measuring signals power of UMTS base stations transmitters

Zhukov A.O., SAIMSU (Shternberg State Astronomical institute of Lomonosov Moscow State University), senior researcher, doctor of technical sciences, docent, aozhukov@mail.ru Sorokin SA, Military Academy of Strategic Rocket Forces, senior researcher, Candidate of Engineering Sciences (PhD), sergejl982@mail.ru Kochenko S.N., Military Academy of Strategic Rocket Forces, senior researcher, kochsn@rambler.ru Kabisov A.V., instructor, training military center in MATI, cabeshov@mail.ru Nikolaev A.V., doctor of technical sciences, docent, leading researcher SRD MTUCI

Abstract

The paper proposes a method of estimating the degree of the group interference power from multiple 3G network base stations influence to the governmental radio electronic systems. There is an ongoing substantial 3G networks base stations groups increasing in regional areas where are governmental radio electronic systems are already functioning for a long time with high priority in terms of interference absence. Signals power from each base station are summed at the input of governmental receiver, as in the case of equality of the signals from each base station and in case of presence of the dominant signal and does not depend on the distance to the base stations. Interference level estimation from the group of similar radio electronic systems operating at the same frequency domain become especially actual EMC problem. In practice, the baseband signal real power of the base station below the level calculated by existing methods. However, it is not possible to measure the group interference power from the entire 3G network at the governmental receiver input by technical reasons. Provided in the article technique allows a more accurate measurement of this value based on the use of statistical data collected during the flow measurements of signal power from single UMTS base station. Mathematical apparatus of the confidence intervals and the central limit theorem were used in the described method. In this paper, for comparison with easting methods the estimate of increasing accuracy of determining the group interference from the 3G network base stations group operating on the same frequency band in a given territorial area is given. The proposed approach in the paper, in comparison wth previously developed methods, provides additional opportunities for the development of 3G networks in terms of guaranteed avoid noise for governmental radio electronic systems.

Keywords: electromagnetic compatibility, radio electronic device, interference, signal power, Third Generation (3G), Universal Mobile Telecommunications Services (UMTS), base station, confidence interval.

References

1. Recommendation ITU - R P452-13. Prediction procedure for the evaluation of microwave interference between stations on the surface of the Earth at frequencies above about 0.7 GHz.

2. Recommendation ITU - R P1546-13. Method for point-to-area predictions for terrestrial services in the frequency range 30 MHz to 3 000 MHz.

3. Management of the radio frequency spectrum and electromagnetic compatibility of radio / Bykhovsky M.A., Eco-Trendz, Moscow, 2006.

4. BaskakovS.I. Radio Circuits and Signals, High School, Moscow, 1984.

5. Wentzel E.S. Theory of probability, Science, Moscow, 1964.

T-Comm #10-2014 29