Содержание к диссертации
Введение
Раздел 1 Влияние атмосферных явлений на распространение радиоволн
1.1 Рефракция 13
1.1.1 Основные определения 13
1.1.2 Распространение радиоволн в условиях субрефракции 17
1.1.3 Распространение радиоволн в условиях повышенной рефракции 18
1.1.4 Атмосферная многолучевость 20
1.1.5 Тропосферное рассеяние 21
1.2 Ослабление в атмосферных газах 34
1.3 Ослабление в дождях 34
1.3.1 Особенности учета ослабления в дождях при проектировании сетей электросвязи 34
1.3.2 Модели, характеризующие статистические распределения интенсивности дождей 36
1.3.3 Модели, характеризующие пространственную неравномерность дождя на трассе 48
1.3.4 Коэффициент неготовности линии радиосвязи, обусловленный ослаблением в дождях 53
1.3.5 Риск превышения нормы на коэффициент неготовности линии радиосвязи за длительный период эксплуатации 58
1.3.6 Экспериментальные измерения показателей качества и готовности ЦРРЛ 61
1.4 Ослабление атмосферными образованиями, отличными от дождей 72
Выводы 74
Раздел 2 Цифровые модели местности и их применение для расчета ослабления радиосигнала
2.1 Способы получения цифровых моделей местности 77
2.2 Интерпретация ЦММ при расчете 83
2.2.1 Векторные карты 83
2.2.2 Матричные карты 92
2.3 Построение и анализ профиля местности 95
2.3.1 Общие сведения 95
2.3.2 Базовые понятия высшей геодезии 96
2.3.3 Построение профиля по ЦММ на основе векторной ЦКМ 99
2.3.4 Построение профиля по ЦММ на основе матричных данных 101
2.3.5 Примеры построения профилей 105
2.3.6 Классификация трасс 108
2.4 Алгоритм построения радиопокрытия (карты потерь) 112
Выводы 115
Раздел 3 Влияние подстилающей поверхности на распространение радиоволн на наземных трассах
3.1 Постановка задачи выбора моделей для расчета радиопокрытия системы электросвязи 117
3.2 Статистическая модель Окамура-Хата для расчета ослабления радиосигнала 119
3.2.1 Графики Окамура 119
3.2.2 Аппроксимация Хата 121
3.2.3 Теоретическое обоснование модели Окамура-Хата 124
3.2.4 Применение ЦММ при использовании модели Окамура-Хата 143
3.2.5 Увеличение точности прогноза статистической модели посредством калибровки 152
3.3 Физико-статистическая модель Рекомендации МСЭ Р.1546 160
3.3.1 Модель ослабления и применение ЦММ при расчете 160
3.3.2 Алгоритмы расчета ослабления 179
3.3.3 Зависимость напряженности поля от местоположения 186
3.4 Расчет ослабления радиосигнала детерминистскими методами 188
3.4.1 Модель Рекомендации МСЭ Р. 1812 188
3.4.2 Модели для коротких городских трасс 207
3.5 Моделирование ослабления радиосигналов зданиями и сооружениями. 219
3.5.1 Ослабление при проникновении внутрь объекта застройки, теория и эксперимент 219
3.5.2 Ослабление при распространении внутри объекта застройки 230
3.5.3 Сквозное прохождение радиоволны через объекты застройки 233
3.6 Определение мощности радиосигнала, рассеянного объектами естественного и искусственного происхождения 238
3.6.1 Определение мощности радиосигнала, рассеянного зданиями и сооружениями 238
3.6.2 Определение мощности радиосигнала, рассеянного земной поверхностью 249
3.7 Моделирование ослабления радиосигналов растительностью 253
3.7.1 Статистическая модель ослабления 253
3.7.2 Детерминистская модель ослабления 260
Выводы 262
Раздел 4 Достоверность прогноза ослабления радиосигнала по различным моделям. Алгоритм выбора модели при построении радиопокрытия
4.1 Экспериментальные измерения уровней радиосигналов на наземных трассах 269
4.1.1 Трассы измерений 269
4.1.2 ЦММ районов измерений 278
4.2 Сравнение результатов измерений и расчетов по модели Окамура-Хата 280
4.3 Сравнение результатов измерений и расчетов по модели 292
4.4 Сравнение результатов измерений и расчетов по детерминистским моделям 304
4.5 Выбор модели ослабления при построении радиопокрытия 317
Выводы 319
Заключение 323
Список литературы 326
Приложение Акты внедрения результатов диссертационной работы 336
- Риск превышения нормы на коэффициент неготовности линии радиосвязи за длительный период эксплуатации
- Построение профиля по ЦММ на основе матричных данных
- Увеличение точности прогноза статистической модели посредством калибровки
- Сравнение результатов измерений и расчетов по детерминистским моделям
Введение к работе
Актуальность темы. Все возрастающая потребность в передаче мощных потоков информации вызывает появление новых систем электросвязи.
Климатические особенности нашей страны, инфраструктура, особенности развития производства и необходимость в услугах связи обусловливают актуальность строительства сетей на основе радиооборудования.
Рост числа сетей подвижной радиосвязи (СИР) и беспроводных сетей передачи данных порождает рост числа цифровых радиорелейных линий (ЦРРЛ), с помощью которых осуществляется технологическая связь между базовыми станциями (БС).
Развитие и развертывание систем радиосвязи, работающих в УВЧ и СВЧ диапазонах, поставило перед наукой сложный комплекс задач по исследованию распространения этих волн в различных условиях. Еще большую значимость изучению распространения радиоволн придает все нарастающий дефицит радиочастотного спектра, в условиях которого вновь вводимые РЭС должны эксплуатироваться с минимальным частотным разносом.
Указанные выше обстоятельства определяют актуальность исследования вопросов распространения радиоволн УВЧ и СВЧ диапазонов, среди которых одним из наиболее важных является вопрос о моделях ослабления радиосигнала на различных трассах. Данная научная проблема имеет множество аспектов. Одним из наиболее значимых является воздействие подстилающей поверхности на распространение радиоволн. В СВЧ диапазоне существенный вклад в ослабление радиосигнала вносят также атмосферные явления, в особенности, дожди.
В течение многих лет специалистами разных стран разрабатывались модели и методики расчета ослабления радиосигнала в различных условиях и диапазонах частот. Выдающаяся роль в изучении данного вопроса принадлежит Дж. Дейгауту, Й. Окамура, М. Хата, А. Исимару, Б.Р. Бину, Т.С. Раппапорту, У. Ли, Т. Тамиру, и, безусловно, советским ученым Б.А. Введенскому, В.А. Фоку, М.П. Долуханову, В.И. Татарскому, Ф.Г. Бассу, СМ. Рытову. На современном этапе следует выделить работы СР. Сондерса, Х.Р. Андерсона, Х.Л. Бертони, X. Ксиа, В.Н. Троицкого, Г.А. Андреева, Ю.В. Лаврентьева, А.Н. Куликова, Г.А. Пономарева, А.И. Калинина, В.Е. Панченко. Многое из работ этих ученых нашло применение в Рекомендациях Международного союза электросвязи (МСЭ) и документах Европейского института телекоммуникационных стандартов (ЕТСИ), в отечественных нормативных документах.
В современных условиях оценка зон обслуживания БС СИР и показателей качества ЦРРЛ должна производится на основе моделирования создаваемой радиосети на этапе ее проектирования. Результатом такой оценки является частотно-территориальный план (ЧТИ) сети, содержащий места установки радиоэлектронных средств (РЭС), высоты и пространственную ориентацию антенн, системно-технические параметры оборудования. Как правило, при подготовке ЧТИ используется специализированное программное обеспечение (ПО), которое позволяет на основе заложенных в него климатических и морфологических особенностей местности проводить вычисления характеристик радиосигналов.
Таким образом, одной из важнейших задач является создание аналитических моделей ослабления, с помощью которых обеспечивалась бы полная автоматизация расчетов.
Применение цифровых моделей местности (ЦММ), в том числе и цифровых карт местности (ЦКМ), при расчетах параметров моделей призвано улучшить прогноз, от которого, в свою очередь, зависит качество предоставляемой связи, соблюдение требований внутрисистемной и межсистемной ЭМС, а так же возможность повторного использования частот. Однако для вычисление любого параметра модели, описывающего местность, требуется методика, которая зависит от характеристик применяемой при проектировании ЦММ: типа, разрешения, семантики и т.п. Неправильное использование ЦММ при проектировании способно привести к серьезным ошибкам прогноза ослабления радиосигнала для отдельно взятой РЭС и сети радиосвязи в целом, следствием чего является снижение их технико-экономических показателей и усложнение эксплуатации. Таким образом, актуальной задачей является разработка методики применения ЦММ при построении сетей радиосвязи.
Выбор моделей ослабления при решении различных задач, связанных с проектированием сетей, должен проводиться на основе многокритериального анализа, поскольку он, зачастую, полностью определяет конечный результат. От него зависит не только количественное и качественное описание параметров и характеристик системы, полученных в ходе проектирования, но и себестоимость самого проекта сети, поскольку с усложнением модели возникает необходимость привлечения более точных и, соответственно, более дорогих ЦММ.
Проект сети электросвязи является юридическим документом, таким образом, все его составные части, в том числе касающиеся расчетов показателей качества сетей и радиопокрытий, должны выполняться на основе легитимного методического обеспечения. Это обстоятельство налагает соответствующие требования на модели, применяемые при проектировании. По возможности, должны использоваться модели, приведенные в Рекомендациях МСЭ и документах ЕТСИ, так как они базируются на достижениях современной науки и имеют экспериментальное подтверждение состоятельности.
Поскольку ни одна из существующих моделей не учитывает всех механизмов и явлений, влияющих на ослабление радиосигнала, необходима разработка алгоритма, который бы позволил осуществлять выбор наиболее подходящей модели для конкретных условий развертывания сети и имеющейся в распоряжении проектировщика ЦММ. При выявлении недостаточной точности модели, в частности и по причине выхода за границы применимости, необходимо провести ее модификацию или дополнение, или разработать новые модели.
Цель работы - разработка методик прогноза уровней радиосигнала и связанных с ним показателей качества для проектирования сетей электросвязи на основе существующих и разрабатываемых моделей ослабления с применением ЦММ.
Программа исследований Разработка процедур расчета дополнительного ослабления радиосигна-
ла атмосферными образования (газами, гидрометеорами и т.д.) для линий радиосвязи УВЧ и СВЧ диапазонов.
Разработка методики прямого расчета коэффициента неготовности трассы, обусловленного воздействием дождей, без использования вспомогательных графических зависимостей и промежуточных пересчетов, вносящих дополнительную погрешность. Экспериментальная проверка методики.
Разработка алгоритмов построения профилей местности с помощью ЦММ различного типа и разрешения. Количественная оценка погрешности представления информации о местности.
Разработка процедур классификации трасс на основе профиля местности.
Разработка алгоритмов построения карты ослабления (радиопокрытия) для БС СПР, беспроводного доступа и телевидения.
Исследование границ и условий применимости статистических моделей ослабления радиосигнала в УВЧ диапазоне. Разработка детерминистских поправок и технологий их расчета с помощью ЦММ различного разрешения для модели Окамура-Хата.
Разработка алгоритма калибровки статистических моделей на основе выборки экспериментальных данных.
Расширение условий применимости физико-статистической модели Рек. МСЭ Р. 1546 путем введения дополнительных детерминистских поправок и разработки процедуры расчета ослабления на коротких трассах.
Анализ существующих и разработка новых детерминистских моделей ослабления радиосигнала.
Модификация существующих моделей ослабления радиоволны при проникновении внутрь застройки.
Разработка методики вычисления уровней сигнала, обусловленных рассеянием на объектах естественного и искусственного происхождений.
Экспериментальное исследование дополнительного ослабления радиосигнала УВЧ диапазона растительным покровом. Уточнение параметров модели Рек. МСЭ Р.833 для растительности средней полосы России.
Экспериментальные исследования распространения сигнала УВЧ диапазона в условиях города. Анализ точности прогноза ослабления радиосигнала по наиболее применяемым моделям и разработка на его основе алгоритма выбора модели для построения радиопокрытия БС СПР.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы сопоставительного анализа данных, имитационного моделирования на ЭВМ, теории распространения радиоволн, теории случайных процессов и математической статистики, геометрической теории дифракции, а также натурные измерения уровня сигнала.
Научная новизна.
Отличительной особенностью разработанной методики расчета коэф
фициента неготовности радиолинии при воздействии дождей является то, что:
погрешность описания усредненного распределения интенсивности дождей не превышает 10% вблизи значений времени «среднего» года около 0.01%, то есть в области, где погрешность самих методик и приборов, используемых в метеорологии для измерения интенсивности дождей составляет порядка 10-15%;
зависимость от широты и долготы места отражается в явном виде и представляется в форме отдельного блока в общей расчетной формуле;
модель интенсивности дождя содержит корректирующий коэффициент, дополнительно учитывающий специфику климатического района размещения трассы.
Проведенное исследование требований по точности, предъявляемых при создании ЦКМ различного масштаба, позволяет не только выявить основные источники погрешностей прогноза ослабления радиоволн, связанных с описанием местности, но и оценить их количественно.
Впервые разработана аналитическая процедура определения сферичности трассы по профилю местности, что позволяет проводить выбор соответствующих моделей ослабления.
Для учета дифракционного множителя ослабления, обусловленного сферичностью земной поверхности, разработана специальная процедура вычисления, позволяющая избежать разрыва результата на границе промежуточной и дифракционной зон. Для дифракционной зоны получено аналитическое выражение, увеличивающее точность расчета.
Выполнен анализ статистических и детерминистских методов расчета для различных трасс с использованием единого подхода к описанию местности с помощью ЦММ.
Проведена, в том числе и экспериментальная, оценка точности расчета дифракционного ослабления по модели Дейгаута, принятой в качестве базового метода в методике Рек. МСЭ Р. 1812. Определены условия применимости модели, которые серьезно ограничивают ее использование при расчете ослабления на трассах, характерных для СПР. Выявлен ряд существенных недостатков методики расчета результирующего ослабления.
На основании синтеза различных детерминистских моделей ослабления для СПР разработана модель, позволяющая получить более точный прогноз ослабления сигнала.
Предложен метод оценки ослабления радиоволны в условиях прямой видимости на городских трассах, поскольку формальное применение модели ослабления в свободном пространстве может привести к серьезным ошибкам (как правило, недооценке) прогноза ослабления.
Для используемой при расчете ослабления зданиями и сооружениями модели ЕТСИ на основе проведенных экспериментов уточнены параметры для диапазона 950, 1850, 2100 МГц, расширена граница применимости по расстоянию, решен вопрос о «полуосвещенных» зданиях.
Для анализа «освещенности» здания разработана специальная процедура, позволяющая выявить наиболее вероятный путь прохождения радиоволны до
терминала, находящегося внутри здания.
Экспериментально доказана значимость механизма прохождения сквозь
здание радиоволны при формировании поля вне зданий и сооружений. Предло
жен способ учета указанного механизма.
Разработана методика количественной оценки уровня сигнала, обусловленного рассеянием, на поверхности здания, при этом получен алгоритм обнаружения потенциальных рассеивателей и определена функциональная зависимость индикатрисы рассеяния от угла наблюдения.
Проведен вывод соотношений для вычисления элементарной зоны рассеяния Рек. МСЭ F.1096, который положен в основу новой версии этой Рекомендации.
Проведено уточнение функциональной зависимости максимального ослабления радиосигнала в растительном покрове.
На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований ослабления сигнала в УВЧ диапазоне разработан алгоритм выбора модели при отсутствии ЦММ, а также при наличии ЦММ определенного типа.
Практическая значимость.
Разработанные в диссертации модели, алгоритмы и методики позволяют эффективно, на основе системного подхода, решать задачи, возникающие при проектировании сетей электросвязи.
Применение разработанных в диссертации, а также модернизированных моделей повышает точность расчета ослабления радиосигнала.
Проведенные исследования позволяют провести выбор наиболее приемлемого сочетания «Модель ослабления-ЦММ», что повышает технико-экономическую эффективность проектируемых сетей и одновременно снижает стоимость проекта.
Разработанные методики являются аналитическими и доведены до алгоритмов и формул, поэтому расчет может быть полностью автоматизирован.
Реализация результатов работы.
Предложенная в диссертации модель интенсивности дождей использована в нормативном документе ГКРЧ РФ «Методика расчёта электромагнитной совместимости земных станций фиксированной спутниковой службы и радиорелейных станций фиксированной службы гражданского назначения в полосах частот совместного использования от 1 до 40 ГГц». Указанная методика разработана при личном участии автора в соответствии с Комплексной программой работ по исследованию вопросов использования радиочастотного спектра, одобренной решением ГКРЧ от 04.04.2005 № 05-05-03-001. Методика является составной частью методической базы расчетов параметров электромагнитной совместимости РЭС при решении радиочастотными органами задач частотных присвоений.
Научно-прикладные результаты диссертационной работы использованы при разработке Национального Стандарта Российской Федерации ГОСТ Р 53363-2009 «Цифровые радиорелейные линии. Показатели качества.
Методы расчета». Методы расчета, установленные в стандарте, в том числе и разработанный диссертантом метод расчета коэффициента неготовности ЦРРЛ, применяют на стадиях технико-экономического обоснования и рабочего проектирования при строительстве ЦРРЛ.
3. Разработанные в диссертации:
методика расчета ослабления радиосигнала при его рассеянии зданиями и сооружениями;
методика оценки ослабления радиосигнала при его проникновении в здания и сооружения;
уточненная модель ослабления радиосигнала растительным покровом;
модифицированные модели затенения рельефом местности и искусственными сооружениями;
внедрены, при активном участии автора, в научно-исследовательской работе «Старт-08-ГУТ», выполненной в интересах Государственного научно-исследовательского института проблем технической защиты информации Федеральной службы по техническому и экспортному контролю.
Отдельные результаты диссертационной работы использованы при разработке документа «Методика построения модифицированного частотно-территориального плана наземного цифрового вещания в Российской Федерации с учетом ограничений Минобороны России и ФСО России». Методика разработана автором в рамках работ по формированию и согласованию модифицированного частотно-территориального плана наземного цифрового вещания Российской Федерации (Распоряжение Правительства Российской Федерации от 25.05.2004 №706-р).
На основе проведенных в диссертации исследований внесены изменения в Рек. MC3P.833hF.1096.
Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы во многих проектах СПР и ЦРРЛ, разработанных автором.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным учетом различных факторов, оказывающих существенное влияние на результаты прогноза, применением физических и математических моделей, адекватных исследуемым проблемам распространения радиоволн, и подтверждается данными эксперимента.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены и обсуждались на:
55-й, 62-й, 63-й НТК СПбГУТ (СПб., 2001, 2010, 2011);
Международной конференции «СПЕКТР-2006», (Москва, 2006);
Международном телекоммуникационном симпозиуме «Мобильная связь» (СПб., 2007);
-НТК «Физика и технические приложения волновых процессов» (СПб., 2009);
-65-й НТК СПбНТОРЭС им. А.С. Попова (СПб., 2010).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 29 работах, в числе которых 17 научных статей, из них 13 в периодических изданиях, находящихся в перечне ВАК или находившихся в этом перечне на момент опубликования, одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, две монографии.
Вклад автора в исследование проблемы. Представленные в диссертации основные научные положения, теоретические выводы и рекомендации получены автором самостоятельно. В работах, которые опубликованы с соавторами, диссертанту принадлежит основная роль в постановке и решении задач, в обобщении полученных результатов, их реализации и внедрении.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, библиографического списка, включающего 158 литературных источника, и приложения. Работа изложена на 342 страницах и содержит 166 рисунков и 48 таблиц.
Основные положения, выносимые на защиту.
Методика расчета коэффициента неготовности радиолинии, обусловленного ослаблением в дождях.
Новые модели расчета ослабления радиосигнала для трасс СПР.
Методики вычисления параметров моделей по профилям местности, построенным с помощью ЦММ.
Алгоритм построения радиопокрытия СПР с предварительным выбором наилучшего сочетания «Модель ослабления - ЦММ».
Результаты экспериментальных измерений.
Риск превышения нормы на коэффициент неготовности линии радиосвязи за длительный период эксплуатации
Стандартная рефракция обусловлена средним состоянием тропосферы, которое наблюдается чаще в дневные часы. В вечерние, ночные и утренние часы летних месяцев, а иногда и в эти же часы весной и осенью наблюдаются повышенные значения рефракции. Причиной этого являются температурные инверсии (увеличение температуры с высотой) и резкое уменьшение влажности с высотой ввиду испарений с почвы и смена теплых и холодных масс воздуха. Зачастую указанные явления выражены столь сильно, что вызывают преломление волн к поверхности земли с последующим переотражением (сверхрефракцию). Распространение радиоволн при сверхрефракции называют волноводным, так как оно происходит в пределах тропосферного волновода. Волноводные условия распространения возникают также при резких изломах высотного профиля є. вызывающих сильные отражения радиоволн. Волноводные условия возникают в основном над теплыми морями, реже - над сушей, при ровной подстилающей поверхности. В южных морских районах в летние месяцы волноводы могут наблюдаться до 50 % времени, в сухопутных - до 10 % [4]
Несмотря на значительное увеличение дальности связи при волноводном распространении, это явление не может быть использовано для практических целей из-за своей неустойчивости. Его следует, прежде всего, рассматривать как источник дополнительных замираний и помех, поскольку в присутствие волноводного слоя радиус кривизны траектории волны становится меньше радиуса Земли, и волна распространяется практически горизонтально между двумя поверхностями волновода.
Оценить вероятность возникновения волноводов во всемирном масштабе можно на основе графиков из [13]. на которых приведены значения процента времени существования сверхрефракции для различных месяцев года В [8] на рис. 8-11 приведен процент времени. для которого градиент не превышает значений -100 JV-ед/км, то есть условий при которых может возникнуть волноводный слой.
Вызовет ли волноводный слой рассеяние, отражение или рефракцию радиоволны, которая пересекает этот слой снизу вверх, в основном зависит от градиента и его флуктуации, а также от угла падения волны и отношения длины волны к толщине слоя. Волноводы возникают при углах падения меньше критического значения [5] где AM - величина изменения модуля рефракции в волноводном слое толщиной 5. Для эффективного распространения вдоль волновода длина волны должна быть меньше критической Коэффициент отражения падающей волны можно представить как 4 л V о ) где аа - вертикальный масштаб неоднородности. Отражение может так же вызвать и тонкий турбулентный слой, если его вертикальный масштаб больше, чем вертикальный масштаб внешней турбулентности. В зависимости от частоты и угла падения волны такой слой может вызвать: образование волновода, отражение от слоя в целом, рассеяние в объеме за счет турбулентности в пределах слоя. При распространении радиоволн в свободном пространстве энергия волны, проходящей через единицу площади, уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. При распространении радиоволны по волноводу рассеяние энергии в вертикальном направлении не происходит, и энергия уменьшается обратно пропорционально расстоянию, то есть потери распространения на расстоянии R: где потери в свободном пространстве равны где/-рабочая частота, МГц, R в км. Конечно, такое значительное уменьшение потерь может быть нивелировано за счет члена А, который отражает вклад различных механизмов ослабления сигнала в общие потери, включая, например, потери на утечку за счет неоднородности волновода, или потери на отражение от Земли и т.д. Однако было замечено, что в частотном диапазоне от 0.8 до 3 ГГц при распространении над водой напряженность принимаемого поля на высоте 370 м значительно выше, чем в свободном пространстве, а на высоте 1000 м - такая же как в свободном пространстве [5]. Такие явления необычны, но не редки и могут сохраняться на протяжении нескольких часов или даже дней, в особенности над и около больших водных пространств. Наблюдения за распространением радиоволн на трассе протяженностью 920 км над Черным морем на частотах 150, 821, 4800 и 6000 МГц показали, что напряженность поля зависит от частоты, а максимальные потери Lb возникают на частоте 821 МГц [14]. Могут возникнуть также и дополнительные потери, которые зависят от других атмосферных условий: потери в атмосферных газах, утечка из неоднородных волноводов (волноводов с непостоянными горизонтальными характеристиками). Кроме того, существуют потери, связанные с взаимодействием радиоволн внутри и снаружи волновода. Энергия зеркально отраженных от поверхности Земли волн меняется в зависимости от характеристик волновода, в особенности приземного. Теоретически можно показать, что на трассах распространения радиоволн, расположенных над плоской поверхностью, значения коэффициентов отражения мало меняются при изменении рефракционных условий от стандартных до сильной рефракции [3]. Небольшие плоские участки местности даже на изрезанном профиле, тоже могут вызывать сильные отражения, но в данном случае рефракция играет уже заметную роль, поскольку уже при небольшом смещении зоны отражения условия отражения могут сильно изменится. В целом значения коэффициентов отражения зависят от: условий рефракции, характеристик антенн (диаграммы направленности, усиления), углов наклона трассы, свойств подстилающей поверхности (типа, неровности). Механизмы распространения радиоволн, которые вызывают сильное замирание сигнала и фазовые эффекты на горизонтальных и наклонных трассах с небольшим углом наклона, могут стать причиной возникновения многолучевого распространения и связанных с ним явлений (радиоокна, интерференция). Возникновение таких механизмов принципиально возможно при отрицательном градиенте индекса рефракции и расслоении тропосферы. Многолучевость обычно означает, что распространение радиоволн происходит по нескольким трассам с разной задержкой и амплитудой, при условии, что они соединяются в точке приема. Возможно существование вплоть до семи компонент(лучей) с разницей в задержках до 12 не [15]. Однако при измерениях в Японии на частотах 500, 750 и 4000 МГц на трассах от 20 до 80 км было обнаружено, что в период замираний существует не более 3-х лучей [16]. Результаты эксперимента позволили предположить, что нормированная амплитуда луча уменьшается при увеличении задержки, но четкой зависимости установлено не было. При имитационном моделировании лучевой траектории, проводится моделирование именно физического явления. Многолучевая модель -это физическая модель, которая наиболее часто используется для точного описания данного процесса. Имитационные методы исследования подтверждают ее адекватность. Амплитуды лучей в модели обычно нормируются по отношению к эталонному уровню, например, к уровню свободного пространства, при этом передаточная функция принимает вид: где ( = 2nf, aQ,ctj- нормированные амплитуды лучей, 7 ,Ф,- задержки распространения и сдвиги фаз лучей, нормированные по отношению к основному лучу. Количество лучей N считается параметром модели. На отдельно взятой частоте принимаемый сигнал представляет собой векторную сумму различных лучей. Одно из важных соображений заключается в предположении о существовании направленного основного сигнала. Если такого сигнала нет, то справедливо распределение Рэлея. При наличии основного сигнала и распределении всех остальных по Рэлею, получаем распределение Раиса. Более полно описание распределений представлено в [17].
Построение профиля по ЦММ на основе матричных данных
Понятно, что характеристики любых климатических явлений, в том числе интенсивность выпадения дождей и общее количество осадков, меняются от года к году, от сезона к сезону, от месяца к месяцу. В силу этого при нормировании качества работы радиолиний приняты контрольные периоды, называемые "наихудший месяц" и "средний год". То есть для нормируемой величины определяется наибольший среднегодовой процент времени превышения для наихудшего месяца или среднегодовой процент времени превышения.
Нормы на показатели готовности задаются значениями допустимого коэффициента неготовности Кнег, который определяется как отношение времени, в течение которого тракт находится в состоянии неготовности, к общему времени наблюдения контрольного периода -одному году. В них учтены вклады различных причин [30], приводящих к неготовности тракта: неблагоприятное воздействие среды распространения (в том числе ослабление сигнала в дожде), многолучевое распространение сигнала, отказы оборудования и ряд других явлений. При этом ослабление в дождях особенно проявляется в диапазоне частот выше 8 ГГц, а на частотах, превышающих 17 ГГц, становится основной причиной отказов, поскольку при дожде высокой интенсивности ослабление сигнала возрастает до такой степени, что перестает обеспечиваться необходимый для качественной работы радиолинии уровень сигнала. Это приводит к резкому увеличению коэффициента ошибок, и связь прерывается.
Суммарная за год длительность нахождения радиолинии в состоянии неготовности из-за воздействия интенсивных дождей, отнесенная в процентах ко времени к длительности одного года, позволяет рассчитать коэффициент неготовности в дождях А нег д . Обычно для расчетов Кнега используют статистические распределения интенсивности дождей Ja в "среднем" годе [20] или "худшем" месяце [31] (распределения описывают значения интенсивностей (в мм/ч), превышаемых в заданном проценте времени контрольного периода). На основе известного распределения рассчитывают максимально допустимую интенсивность дождя ./ДТШХ, при которой ослабление сигнала на линии становится равным значению запаса на замирания F . Далее рассчитывается длительность превышения значения интенсивности дождя Jamax.
Сложность (и приемлемая точность) расчета Кнегя обусловлена тем, что кроме статистических характеристик интенсивности дождей необходимо учитывать параметр пространственной локализации дождей на интервале Кг. Этот параметр зависит не только от длины трассы, но также от интенсивности дождей. Поэтому основное уравнение, определяющее состояние радиолинии при воздействии дождей, получается сложным, с неявным заданием функции KHer!X(JЯ,КГ). Кроме того, если используется распределение интенсивности /Д(РХМ) для "худшего" месяца, то для расчета Кнегд для "среднего" года приходится вычислять значения переводного множителя Q. При этом расчет, как правило, ведется с использованием вспомогательных графиков, что весьма неудобно и связано с дополнительными погрешностями до ±10%. Следует учитывать и то обстоятельство, что, как отмечается в [5], для надежной оценки Q путем измерения необходима многолетняя выборка данных по каждому из рассматриваемых регионов. При оценивании Q по данным за 4 года погрешность может находиться в пределах от 10 до 20 %, а при оценивании за 1 год - до 30%. Поэтому дополнительные погрешности, вносимые при нахождении А негд через
Таким образом, имея в своем распоряжении накопленный отечественный опыт проектирования и соответствующую детальную информацию по распределению интенсивности /Д(РХМ) желательно было бы получить методику расчета -Кнегд, используя подход "среднего" года, снизив тем самым трудоемкость и погрешность расчетов. Модели, характеризующие статистические распределения интенсивности дождей Очевидно, что функция распределения интенсивности дождя Ja(Pcr) для «среднего» года, дает возможность наиболее быстрого расчета Кнег д. Достаточно подробная информация по функциям распределения УД(РСГ) в «среднем» годе содержится в Рекомендациях МСЭ [32,33] и в монографии [34]. В [34] и первых редакциях [32] для 15 дождевых климатических районов мира (дождевых зон) информация задана в виде таблиц. Гораздо большую степень детализации дают редакции [32], начиная с третьей. В ней, с использованием разработанных пакетов прикладных программ и предлагаемой модели, можно провести расчеты Ja(Pcr) с минимальным шагом в 1,5 по широте и долготе места. Эта работа опирается на 15 летний период наблюдений, и, возможно, содержит наиболее точные данные о функции распределения. Для значения Рсг =0.01% в ней приведены также карты с нанесенными на них изоплетами соответствующих значений интенсивности дождей, в том числе достаточно подробно и для России. В [33] для укрупненных дождевых зон (А, В; С, D, Е; F, G, Н, J, К; L, М; N, Р, Q) приведены графики Ja(Pcr) и формулы, аппроксимирующие их. К сожалению, во всех перечисленных работах не приводятся данные о точности, которую обеспечивают приводимые материалы. Дело в том, что они дают информацию об усредненных функциях распределения, «полученных с использованием самых точных экспериментальных данных, доступных на сегодняшний день». Между тем, при проектировании надо учитывать возможные ошибки, а также изменчивость функции распределения интенсивности дождя из года в год за достаточно длительный период времени. Возможные расхождения результатов расчетов, выполненных с использованием перечисленных материалов, с результатами, которые могут быть получены за длительный период эксплуатации (порядка 10 лет), имеют несколько источников: Первый из них - это погрешности методик и приборов, используемых в метеорологии для измерения интенсивности дождей. Наибольшие ошибки (примерно, 25 н- 35%) получаются в области малых значений Рсг, при интенсивности дождей 50 и более мм/ч. Это объясняется тем, что речь идет о регистрации и измерениях весьма редких событий, длящихся непродолжительное время. В области средних интенсивностей дождей, порядка 15 -г- 30 мм/ч, что примерно соответствует Рсг « 0.01%, при большом периоде наблюдения (5 лет и более), погрешности снижаются до 10 -г- 15%, а при еще меньших интенсивностях дождей погрешности снова возрастают [5]. Ясно, что с точки зрения проведения расчетов - нег д эти погрешности следует отнести к погрешности исходных данных.
Увеличение точности прогноза статистической модели посредством калибровки
Поэтому, применительно к конкретной ситуации, задание расчетной нормы медианного значения К нет для пролета должно сопровождаться еще и указанием допустимого риска превышения этого значения для определенного длительного интервала времени. В отечественных нормативных документах такой подход пока не отражен. Поскольку задание величины допустимого риска превышения требуемого медианного значения Кнегз прямо связано с вопросами технико-экономического обоснования, с оценкой стоимости простоев из-за влияния дождей, с одной стороны, и окупаемостью расходов, требуемых для повышения стойкости к воздействию дождей, с другой стороны, эти вопросы должны решаться совместно проектной организацией и оператором связи.
Можно только заметить, что значения риска порядка 30 н- 50 %, скорее всего, допустимы для трасс, относящихся к местной сети и сети доступа. Для трасс, работающих на внутризоновой сети, риск может быть порядка 20 %, а для магистральной сети речь идет о допустимом риске 5н-10%. Но этот вопрос требует специального изучения с учетом современных требований к качеству и надежности обеспечения услуг электросвязи потребителям независимо от их местонахождения.
Особого внимания требуют также работы по созданию различных технологических линий, особенно тех, которые используются в целях управления и контроля быстротекущих процессов и объектов в реальном масштабе времени. Один из примеров - это использование РРЛ в системах управления воздушным движением, когда речь идет о безопасности полетов. В подобного рода проектах формирование технических требований к допустимому коэффициенту неготовности, в частности, обусловленному влиянием дождей, является крайне важным уже на этапе предпроектных оценок. И здесь вполне возможны случаи, когда требования к Кнега могут оказаться значительно более жесткими, чем в системах обычной электросвязи. Правильно решать такие задачи можно только с учетом изменчивости Кнег д, с обоснованием приемлемого значения риска превышения. Существует несколько методик расчета показателей качества и готовности радиолиний. Например, для линий прямой видимости, наиболее распространенными представителями которых являются РРЛ, проектировщикам хорошо известна методика МСЭ, изложенная в [20], которая постоянно совершенствуется и уточняется, что находит отражение в ее новых редакциях. Имеется также ряд отечественных методов расчета, которые собраны в единую методику, разработанную при участии автора и изложенную в [22], в более подробном виде материалы представлены в [3]. В методиках изложена последовательность расчета показателей качества и готовности трактов. Целью проводимого эксперимента являлось определение точности прогноза по методикам в целом, в том числе и значений коэффициентов неготовности в дождях. Для этого результаты расчета сравнивались с экспериментальными данными для ЦРРЛ диапазонов 18 и 23 ГГц [47]. Наиболее важным из нормируемых показателей качества является коэффициент "пораженных" секунд - SESR, определяемый, как отношение времени, с наибольшим количеством пораженных секунд (SES) за определенное время наблюдения, к этому времени наблюдения. Долговременный показатель SESR устанавливается для периода длительностью в один "наихудший" месяц (30 дней), и обусловлен воздействием среды распространения радиоволн. Готовность ЦРРЛ характеризуется коэффициентом готовности Кг, определяемым, как отношение времени, в течение которого тракт находится в состоянии готовности, к общему времени наблюдения (один год). На практике чаще используется описанный ранее коэффициент неготовности Кнег. При этом сумма Кг и Кнег равна единице, а для трактов ЦРРЛ выполняется условие Кнег « Кг. Влияние среды распространения на работу ЦРРЛ Влияние обусловлено возникновением замираний различной природы, а именно: - дифракционными замираниями радиосигнала в условиях субрефракции; - интерференционными (многолучевыми) замираниями, вызывающими ослабление и искажение радиосигнала; - замираниями из-за ослабления радиосигнала в дождях. Для рассматриваемых диапазонов частот характерны сравнительно небольшие, менее 20 км, длины интервалов ЦРРЛ, а запас на замирания обычно превышает 30 дБ. Как следствие, если в условиях средней рефракции интервал ЦРРЛ является открытым (минимальная зона Френеля вдоль линии визирования антенн свободна от препятствий), то дифракционные замирания не могут оказать какого либо влияния на его работу. В подобных условиях многолучевость и замирания в дождях являются определяющими, поэтому рассмотрим их более подробно. В [20] и [22] существенно различаются способы расчета различных составляющих неустойчивости работы ЦРРЛ, вызванной многолучевостью, то есть вероятности возникновения в передаваемом цифровом потоке серьезных ошибок. Так, в [22] для вычисления неселективной составляющей неустойчивости применяется выражение: где dN — градиент рефракции для нижнего слоя атмосферы, км" ; s- параметр. характеризующий неровность местности, по которой проходит интервал. Параметр неровности в [20] предлагается рассчитывать для точки середины интервала ЦРРЛ с помощью глобальной базы данных о высотах местности - GTOPO30, что сопряжено с довольно громоздкой последовательностью действий, которые необходимо повторять для каждой точки. В [3] приведены результаты вычислений параметра s, которые представлены в виде таблицы по регионам России. Также для его определения можно использовать рис. 1.3.6, который получен в результате специализированной обработки GTOPO30 для всей территории России. В [20] указанно, что лежащая в основе выражения (1.3.42) статистика накапливалась на интервалах, характеристики которых лежат в следующих пределах: 7.5 Д 185, 0.45 / 37, є 37, -860 o5V -150, 6 5 850. Характеристики интервалов, на которых собиралась статистика для выражения (1.3.41) автору точно не известны, однако по временным рамкам его получения можно с определенной уверенностью говорить, что верхняя граница частотного диапазона не выходила за 17 ГГц.
Сравнение результатов измерений и расчетов по детерминистским моделям
Для наземных трасс учет ослабления в туманах более актуален, нежели ослабление в облаках. Дополнительное ослабление в тумане необходимо учитывать при расчетах субрефракционных замираний, связаных с возникновением "радиационных" туманов.
Радиационный туман - это туман, возникший над поверхностью почвы, выхолодившейся путем излучения (чаще всего ночного, или зимой - круглосуточного). Такое излучение - часть радиационного обмена между нижними слоями атмосферы и подстилающей поверхностью. Разновидностями радиационного тумана являются высокий и поземный туманы. Высокий туман возникает на больших площадях в устойчивых антициклонах над сушей в холодное время года, главным образом, вследствие длительного выхолаживания земной поверхности. Называется высоким потому, что возникает преимущественно сверху, как слоистые облака под слоем инверсии оседания, и затем постепенно распространяется вниз, до земной поверхности. Поземный туман простирается на сравнительно небольшой высоте над почвой (это метры и десятки метров) и является результатом радиационного выхолаживания поверхности почвы в ночную часть суток. Образованию такого тумана способствует и рельеф местности - низины, близость болот и др. Летом быстрый прогрев подстилающей поверхности обычно обеспечивает рассеяние радиационного тумана через 1-2 часа после восхода солнца. Осенью туман может сохраняться в течение 3-5 часов после восхода солнца. Зимой же, когда дневной прогрев над снежной поверхностью невелик, возникший туман может сохраняться в течение всего дня, если не произойдет смены синоптической обстановки.
Песок и пыль, содержащиеся в воздухе, ослабляют электромагнитные волны так же, как и гидрометеоры. Характеристики ослабления в частицах песка и пыли можно рассчитать для сантиметровых волн с помощью теории рассеяния Рэлея и теории Ми для более коротких волн. Данных о статистике песчаных и пыльных бурь в настоящее время недостаточно, чтобы произвести точные расчеты ослабления, но их влияние, как ожидается, будет крайне незначительным для большинства пунктов [53].
Погонное ослабление, дБ/км, в песчаных и пыльных бурях обратно пропорционально видимости. Уровни ослабления в значительной степени зависят от содержания влаги [63]. Для вероятных распределений размеров частиц величина ослабления составляет приблизительно 0.03 и 0.15 дБ/км на частотах 14 и 37 ГГц, соответственно, для сухих частиц и видимости в пределах 100 м. Для влажных частиц (содержание влаги 20%) соответствующие значения составляют приблизительно 0.65 и 1.5 дБ/км.
Лабораторные измерения на частоте 10 ГГц для смоделированных условий песчаной и пыльной бурь показывают, что для концентраций менее 10 г/см" коэффициенты ослабления не превосходят 0.1 дБ/км для песка и 0.4 дБ/км для частиц глины. В данном разделе рассмотрено влияние атмосферных явлений и метеорологических параметров на распространение радиоволн, приведены различные методы расчета ослабления сигнала и связанных с ним показателей работы систем электросвязи: 1. рассмотрены рефракция и атмосферная многолучевость; 2. приведено описание механизма распространения в условиях субрефракции, повышенной рефракции и атмосферных волноводов; 3. представлена методика расчета ослабления радиосигнала при тропосферном рассеянии; 4. рассмотрено ослабление поля радиоволны в атмосферных газах и атмосферных образованиях (дожде, снегопаде, тумане, облаках) и представлена методика расчета для различных типов трасс. Особое внимание в проведенных исследованиях уделено дождям, как самому важному типу гидрометеоров, влияющих на распространение радиоволн СВЧ диапазона. Выполненные в диссертационной работе исследования позволили осуществить прямой расчет коэффициента неготовности трассы, обусловленного воздействием дождей, без использования вспомогательных графических зависимостей и промежуточных пересчетов, вносящих дополнительную погрешность. При этом: - погрешность описания усредненного распределения интенсивности дождей не превышает 10 % вблизи значений времени «среднего» года около 0.01%, то есть в области, где погрешность самих методик и приборов, используемых в метеорологии для измерения интенсивности дождей составляет порядка 10-15 %; - зависимость от широты и долготы места получена в явном виде и представлена в виде отдельного блока в общей расчетной формуле; - модель интенсивности содержит корректирующий коэффициент, дополнительно учитывающий специфику климатического района размещения трассы. Для расчетов необходимо иметь следующую информацию по трассе: длина, географические координаты середины, значение рабочей частоты и вид используемой поляризации, величина запаса на замирания в условиях средней рефракции. Полученные расчетные соотношения действительны для территории Российской Федерации и Республики Беларусь.
Отличительной особенностью разработанной автором инженерной методики расчета коэффициента неготовности трассы при воздействии дождей является использование в качестве дополнительных исходных данных значения ослабления сигнала в дождях, соответствующего 0.01 % времени «среднего» года, а также некоторых дополнительных расчетных параметров, вычисляемых для указанного процента времени. Учет пространственной неравномерности интенсивности дождя на работу трассы осуществляется с использованием известной отечественной модели, для которой в работе получено аналитическое выражение
Кроме решения прямой задачи - расчета коэффициента неготовности по исходным данным, указанным выше, полученные соотношения позволяют решать и обратную задачу -расчет требуемого значения запаса на замирания на трассе для обеспечения необходимого коэффициента неготовности в дождях.
Проведенные сравнения расчетов показателей качества и готовности на 23-х интервалах ЦРРЛ, расположенных в Санкт-Петербурге и Ленинградской области, с данными многомесячного эксперимента, выполненного под руководством автора, выявили преимущества отечественной методики расчета перед методикой МСЭ. Указанная методика положена в основу национального стандарта ГОСТ Р 53363-2009 [22], разработанного при участии автора. Стандарт устанавливает методы расчета основных показателей качества цифровых радиорелейных линий, связанных с надежностью аппаратуры и условиями распространения радиоволн. Методы расчета, установленные в стандарте, применяют на стадиях технико-экономического обоснования и рабочего проектирования при строительстве ЦРРЛ.
Предложенная в диссертации модель интенсивности дождей внедрена в нормативном документе ГКРЧ РФ "Методика расчёта электромагнитной совместимости земных станций фиксированной спутниковой службы и радиорелейных станций фиксированной службы гражданского назначения в полосах частот совместного использования от 1 ГГц до 40 ГГц"[26]. Указанная методика разработана, при личном участии автора, в соответствии с Комплексной программой работ по исследованию вопросов использования радиочастотного спектра, одобренной решением ГКРЧ от 04.04.2005 № 05-05-03-001. Методика является составной частью методической базы расчетов параметров электромагнитной совместимости РЭС при решении радиочастотными органами задач частотных присвоений.
