Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ систем передачи информации 11
1.1 Функциональная блок-схема ИИС регистрации аварийных режимов 11
1.2 Системы передачи информации
1.2.1 Проводные системы связи 13
1.2.2 Беспроводные системы связи 24
Выводы по главе 1 30
Глава 2. Теория принятия решений в выборе систем передачи информации в иис регистрации аварий 32
2.1 Метод анализа иерархий для решения многокритериальных задач 32
2.2 Метод расстановки приоритетов 37
2.3 Методика повышения согласованности матриц парных сравнений 38
2.4 Выбор оптимальной системы передачи информации в электроэнергетике
2.5 Автоматизированная система выбора метода передачи информации в электроэнергетике 52
Выводы по главе 2 60
Глава 3 . Анализ процессов передачи и преобразования сигналов в сотовой связи 61
3.1 Структура ячейки и кластер 61
3.1. 1 Размер кластера и пропускной способности системы 62
3.1.2 Способ определения местоположения со-канальной ячейки 63
3.1.3 Расстояние повторного использования частоты 65
3.1.4 Со-канальная помеха и качество сигнала
3.2 Блок-схема преобразования и передачи информации 68
3.3 Помехоустойчивость и помехозащищённость GSM-каналов 70
3.4 Скорость передачи данных и пропускная способность GSM-канала 72
3.5 Оценка количества информации об аварийных режимах 73
3.6 Особенность распространения радиоволн 76
3.7 Анализ потерь радиосигнала сотовой связи 79
3.8 Модели потерь при распространении радиосигнала
3.8.1 Модель Хата 81
3.8.2 Модель COST-231-Хата 82
3.8.3 Модель Ли 83 3.8.4 Модель Д. Бертони-Уолфиш 85
3.9 Автоматизированная система для анализа потерь радиосигнала 86
Выводы по главе 3 89
Глава 4. Анализ надежности передачи информации в распределенной информационной системе 91
4.1 Надежность устройств распознавания аварийных режимов 91
4.1.1 Анализ блок-схемы системы распознавания 92
4.1.2 Построение дерева отказов 95
4.1.3 Оценка дерева отказов
4.2 Качество сети передачи данных в сотовой связи 99
4.3 Оценка надежности передачи данных связи 100
4.4 Экспериментальное определение показателей надежности передачи данных
4.4.1 Экспериментальная установка для определения надежности передачи данных 106
4.4.2 Алгоритм программы экспериментальной установки 109
4.5 Надежность обеспечения требуемой зоны покрытия 114
Выводы по главу 4 116
Глава 5. Методики проектирования системы передачи информации 118
5.1 Геоинформационный метод проектирования топологических схем передачи информации 118
5.2. Методика определения места установки антенны 121
5.2.1 Условие прямой видимости 121
5.2.2 Зависимости потерь сигнала от расстояния 123
5.2.3 Зависимости потерь сигнала от высоты антенны 124
5.3. Экспериментальное исследование затухания сигнала сотовой связи 125
5.4 Электромагнитные помехи от ЛЭП 136
Выводы по главу 5 141
Основные результаты и выводы 142
Список использованных источников 144
- Проводные системы связи
- Выбор оптимальной системы передачи информации в электроэнергетике
- Расстояние повторного использования частоты
- Качество сети передачи данных в сотовой связи
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из основных технических систем, обеспечивающих жизнедеятельность человека на земле, является энергетика и поэтому к ее надежности предъявляются высокие требования. Основным элементом энергетики являются воздушные линии электропередачи, которые осуществляют передачу энергии ко всем районам страны.
Из анализа надежности энергетических систем следует, что самыми ненадежными элементами энергосистем являются воздушные линии электропередачи (ЛЭП). Причины низкой надежности высоковольтных линий электропередачи это повреждения проводов, вызванные различными причинами. Эти повреждения приводят к обесточиванию больших территорий с жилыми массивами, промышленными предприятиями и т.д. Поэтому оперативное обнаружение места повреждения ЛЭП и его устранение позволяет повысить надежность электроснабжения. В России ликвидация аварийных режимов затруднена из-за большой протяженности ЛЭП и бездорожья, особенно в осеннее и зимнее время. Таким образом, разработка методов и средств обнаружения повреждений ЛЭП является весьма актуальной задачей.
Во многих странах мира и в России ведутся активные работы по
внедрению интеллектуальных электрических сетей, представляющих собой
комплекс технических средств, которые в автоматическом режиме выявляют
наиболее слабые и аварийно опасные участки сети, а затем изменяют схему
сети в целях предотвращения аварии. Основу создания интеллектуальных сетей
составляют информационно-измерительные системы, позволяющие
регистрировать аварийные режимы системы и осуществлять передачу информации о координатах места и видах аварии.
В настоящее время разработано большое число приборов для определения
мест повреждения, которые можно разделить на две основные группы:
дистанционные и топографические приборы. Дистанционные приборы не
обеспечивают необходимой точности контроля аварийных режимов.
Топографические приборы обеспечивают необходимую точность контроля, но
они более трудоемкие. В связи с развитием современных систем
телекоммуникаций топографические методы все более широко применяются.
Для распознавания аварийных режимов воздушных линий электропередачи
разработана информационно-измерительная система, в которой, как и в других
системах, задача передачи информации решена на концептуальном уровне.
Поэтому для повышения надежности передачи информации необходимо
проведение исследований систем передачи информации в энергетике. В
настоящее время в различных распределенных информационно-измерительных
системах используются беспроводные радиотехнические способы передачи
информации. Наибольшее распространение получили системы сотовой связи.
Однако система контроля аварийных режимов располагается в
непосредственной близости к воздушной линии на радиосигнал оказывают влияние электромагнитные помехи от сети. На сигнал влияют также многие факторы, такие как погода, препятствия, холмы, леса, и т.д. При передаче
информации с помощью сотовой связи возникают некоторые проблемы, обусловленные физическими процессами. Таким образом, тема диссертации, посвященная анализу и проектированию систем передачи информации, является весьма актуальной.
Степень разработанности темы исследования. Одной из основных проблем в энергетике является разработка информационно-измерительных систем для определения вида и места вида аварии воздушных линий электропередач (ВЛЭП) и передачи информации на диспетчерский пункт. Значительный вклад в решение данной проблемы сделали отечественные ученые и инженеры Шалыт Г.М., Айзенфельд А.И., Арцишевский Я.Л., Угаров Г.Г., Кузнецов А.П., Минуллин Р.Г., Конюхова Е.А., Киреева Э.А., Дьяков А.Ф., Левченко И.И., Murari Mohan Saha, Qi Huang и другие.
Объектом исследования является ВЛЭП 6-35 кВ и системы определения вида и мест повреждений ВЛЭП и передачи информации на диспетчерский пункт.
Предметом исследования является система передачи информации об аварийных режимах воздушных линий электропередач (ВЛЭП).
Цель работы – разработка беспроводной система передачи информации об аварийных режимах воздушных линий электропередач (ВЛЭП) и методики выбора опор и координат установки на них измерительных преобразователей с антеннами, позволяющих передавать информацию с максимально возможной надежностью.
Задачи исследования:
1. Провести анализ существующих систем передачи информации об
аварийных режимах воздушных линий электропередач (ВЛЭП) и
сформулировать задачи дальнейших исследований, необходимых для
разработки системы.
-
Провести анализ процессов преобразования и распространения сигналов в выбранной на основе анализа беспроводной системе передачи информации.
-
Разработать методики выбора опор линий электропередач и координат установки на них измерительных преобразователей с антеннами, позволяющих передавать информацию с максимально возможной надежностью.
4. Разработать экспериментальную установку для исследования потерь
радиосигнала в зоне воздушных линий электропередач (ВЛЭП), позволяющую
корректировать результаты теоретических расчетов.
Методы и средства исследований.
При выполнении исследований и решении поставленных в работе задач использовались методы математического и физического моделирования, теории электромагнитного поля, электротехники, электроники, радиофизики, теории вероятностей и математической статистики.
Достоверность результатов исследования основана на корректных теоретических построениях и строгих математических выводах, подтверждена результатами экспериментальных исследований.
Внедрение результатов работы. Основные результаты работы
используются в учебном процессе Волгоградского государственного технического университета.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Многокритериальный морфологический метод анализа существующих
систем передачи информации и синтеза системы по заданным критериям для
передачи информации в электроэнергетике.
2. Результаты анализа процессов преобразования и потерь при
распространении сигналов сотовой связи в системе передачи информации об
аварийных режимах воздушных линий электропередач.
3. Теоретические и экспериментальные методы оценки надежности
передачи информации об аварийных режимах в системе сотовой связи.
4. Методика выбора опор линий электропередач и координат установки на
них измерительных преобразователей с антеннами, позволяющих передавать
информацию с максимально возможной надежностью.
Научная новизна работы.
1. Предложен многокритериальный метод анализа и синтеза системы
передачи информации в электроэнергетике по заданным критериям, который
дважды использует операцию парных сравнений: при расстановке приоритетов
критериев и приоритетов вариантов технических решений по каждому
критерию и тем самым уменьшает влияние субъективного фактора при
проектировании системы.
2. Проведен анализ процессов преобразования и потерь при
распространении сигналов сотовой связи в системе передачи информации об
аварийных режимах воздушных линий электропередач, позволяющий
обоснованно проектировать топологическую схему системы и выбирать ее
элементный состав.
3. Разработаны теоретические и экспериментальные методы оценки
надежности передачи информации об аварийных режимах в информационно-
измерительной системе, позволяющие обоснованно выбирать параметры
системы.
Практическая ценность работы
1. Разработана методика выбора опор линий электропередач и координат
установки на них измерительных преобразователей с антеннами, позволяющих
передавать информацию с максимально возможной надежностью.
2. Разработан программно-аппаратный комплекс для оценки качества
передачи информации об аварийных режимах по сотовой связи, который
может быть так же широко использован для оценки качества услуг.
3. Разработана лабораторная установка для исследования потерь радиосигнала в зоне воздушных линий электропередач (ВЛЭП) и мероприятий по повышению уровня сигналов.
Соответствие паспорту специальности.
Указанная область исследования соответствует паспорту специальности 05.11.16 - «Информационно-измерительные и управляющие системы», а
именно: пункту 1 - «Научное обоснование перспективных информационно-измерительных и управляющих систем, систем их контроля, испытаний и метрологического обеспечения, повышения эффективности существующих систем» и пункту 4 - «Методы и системы программного и информационного обеспечения процессов отработки и испытаний образцов информационно-измерительных и управляющих систем».
Апробация результатов. Основные положения и материалы осуждались
на следующих научных конференциях: Внутривузовской научной конференции
ВолгГТУ (Волгоград, 2014, 2015), XVIII - XIX региональной конференции
молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2013, 2014),
Межрегиональной научно-практической конференции (г. Волжский, сентября
2013 г.), межвузовской научной конференции «Повышение надёжности и
энергоэффективности электротехнических систем и комплексов» (Уфимский
государственный нефтяной технический университет, Уфа, 2014), XI
международной научно-практической конференции (г. Сочи, 1-10 окт. 2014 г.).
Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное и основное
участие в разработке методов определения координат установки датчиков [3,
4], анализ потерь радиосигнала [6] и влияния электромагнитных помех [2].
разработке системы ИИС [1, 3-5, 7-11], алгоритм идентификации режимов [1], экспериментальный стенд [5].
Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 11 работ, из которых 6 статьей в журналах по списку ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пятых глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 150 страницах основного текста, содержит 72 рисунков, 31 таблици, 81 библиографических наименований.
Проводные системы связи
Для регистрации аварийных режимов воздушных линий электропередачи была разработана ИИС [1,2,3], которая представлена на рисунке 1. Система содержит блок первичной обработки информации, в состав которого входят датчики двух величин: напряженности электрической поля Е и индукции магнитного поля В. Датчики электрического поля представляют собой конденсаторы емкостью С, а датчики магнитного поля представляют собой катушки индуктивности с ферромагнитным сердечником. При монтаже системы конденсаторы устанавливаются таким образом, чтобы обкладки конденсатора были перпендикулярны вектору напряженности Е, а ось катушки совпадала с вектором индукции В. Датчики 1 и 2, регистрируют суммарную напряженность электрического поля Е, создаваемую всеми проводами линии. Датчики 1 и 2 устанавливаются в плоскости, которая перпендикулярна проводам ВЛЭП, с угловым относительным смещением по окружности. Датчик магнитного поля 3, регистрирует индукцию магнитного поля В, создаваемую проводами линии. Кроме того, блок первичной обработки информации содержит датчик тока короткого замыкания (КЗ) по опоре ВЛЭП 4, который регистрирует магнитное поле тока короткого замыкания (КЗ).
Сигналы с датчиков 1, 2, 3, 4 поступают на входы блока обработки сигналов 5, который содержит набор усилителей 6, 7, 8, 9 и устройство определения сдвига фаз сигналов 10, на вход которого поступают сигналы с усилителей 6 и 7. При нормальном режиме вектор электрического поля Е вращается с угловой скоростью ю = 2%f относительно центра окружности, проходящей через три провода ВЛЭП. Сигналы датчиков электрического поля 1 и 2 отличаются сдвигом фаз , определяющимся угловым смещением.
Необходимо отметить, что вращение вектора электрического поля Е обусловлено временным сдвигом фаз напряжений в трехфазной системе и пространственным расположением проводов [1,4,5]. Поэтому в нормальном режиме работы воздушной линии на выходе устройства 10 определения сдвига фаз сигналов инициируется единичный сигнал. При работе двух фаз вектор электрического поля пульсирует, но не вращается и его значение максимально по направлению линии, проходящей через оси проводов двух работающих фаз, а минимально по направлению оси симметрии этих двух проводов. Поэтому по анализу сигналов с усилителей 6 и 7 можно определить фазу, в которой произошел обрыв. Устройство определения сдвига фаз сигналов 10 позволяет повысить достоверность распознавания двух режимов: режим нормального функционирования ВЛЭП и режим полного отключения сети. Поскольку в трехфазной системе при нормальной работе суммы токов и напряжений близки к нулю, а при полном отключении сети суммы токов и напряжений равны нулю, т.е. отличаются незначительно, то при некоторых случайных факторах распознать два режима с помощью сигналов с датчиков 1, 2 и 3 практических сложно. Сигналы с усилителей 6, 7, 8, 9 и устройства определения сдвига фаз сигналов 10 поступают на блок обработки информации 11. Сигналы об аварийном режиме и его координате с блока 11 передаются с помощью блока передачи информации 12, выполненного в виде GSM/GPRS модема, на диспетчерский пункт. Сигнал с блока обработки информации 11 в нормальном режиме не инициирует передачу информации на диспетчерский пункт. Если происходит аварийный режим (например, замыкание одной фазы по опоре на землю), то соответственно изменяются сигналы на выходах датчиков 1, 2, 3 и 4. Кроме того, в этом случае отсутствует сигнал на выходе устройства 10. Эта комбинация сигналов обрабатывается блоком 11 и вырабатывается сигнал, соответствующий аварийному режиму. Этот сигнал инициирует передачу информации блоком 12 на диспетчерский пункт. Блок обработки информации представляет собой логическую схему. Рисунок 1.1 - Функциональная блок-схема ИИС
Для передачи информации в настоящее время используется различные линии (каналы) связи, отличающиеся физической природой передаваемых сигналов. Существуют две основные группы каналов связи – проводные и беспроводные. Проводная связь может осуществляться по электрическому кабелю или по оптоволоконной линии, а беспроводная с помощью радиосвязи различных диапазонов без применения ретрансляторов, по спутниковым каналам с применением космических ретрансляторов, по радиорелейным линиям с применением наземных ретрансляторов и по сотовой связи с использованием сети наземных базовых радиостанций.
Линии электросвязи возникли одновременно с появлением электрического телеграфа. Первые линии связи были кабельными. Они прокладывались под землей. Однако вследствие несовершенства конструкции подземные кабельные линии связи вскоре уступили место воздушным линиям. Проводные системы можно разделить на три группы: пара проводов, коаксиальный кабель, волоконно-оптический кабель [6].
В качестве среды для передачи информации некоторые компании используют обычный медный кабель (витые пары). Самым простым примером системы пары проводов является пара проводов, обеспечивающая двустороннее распространение электрических сигналов. В первых телеграфных системах обычно в качестве второго провода использовалась земля (рис. 1.2, а). С целью уменьшения уровня шума и степени затухания в канале связи стала использоваться согласованная двухпроводная линия (рис. 1.2, в).
Выбор оптимальной системы передачи информации в электроэнергетике
В России в последнее время наблюдается политическая стимуляция инновационной активности, в том числе в электроэнергетике. В обязательном порядке начинается внедрение новейших технологий, растет внимание к энергоэффективности, возобновляемым источникам энергии, а также к системе Smart Grid [22].
В большинстве индустриально развитых стран, как было показано в работе, в качестве основного решения этих проблем принят переход на путь инновационного развития электроэнергетики, который заключается в радикальном изменении системы взглядов на ее роль и место в современном обществе.
Повышенное внимание уделяется теме интеллектуальных сетей. Это лишь один из сигналов смены технологических приоритетов в электроэнергетике. Интеллектуальная сеть это автоматически балансирующая и самоконтролирующаяся энергетическая сеть, которая основана на «умных технологиях» и способна преобразовывать энергию из любого источника в конечный продукт для потребителей при минимальном участии людей. «Умные технологии» содержат передовые сенсорные, коммуникационные и управляющие устройства для повышения эффективности энергетических систем. Интеллектуальные сети это комплекс технических средств, которые в автоматическом режиме выявляют наиболее слабые и аварийно опасные участки сети, а затем изменяют характеристики и схему сети с целью предотвращения аварии и снижения потерь. Очевидно, что такая сложная система должна использовать возможности современной информационной техники, которая существенно повышает уровень «интеллекта» и позволяет решать задачу системной оптимизации [23].
SmartGrid представляет собой комбинацию электроэнергетических и коммуникационных инфраструктур. Многие приложения Smart Grid могут быть разработаны с использованием существующих инфраструктур. Например, потребитель подключен к существующей системе распределения электроэнергии и может использовать существующие телефонные и интернет-системы.
При проектировании SmartGrid систем возникает проблема обоснованного выбора системы передачи информации, поскольку в настоящее время существует довольно большое количество вариантов альтернативных решений. Необходимо отметить, что все эти варианты характеризуются нечеткой информацией. Поэтому, необходима методика обоснованного выбора систем передачи информации. Рассмотрим системы: ВОЛС, xDSL, PLC,GPRS, FSO, Спутниковая связь.
Из проведенного анализа следует что, существует большое разнообразие различных вариантов подсистем и большое количество критериев (характеристик) их оценок. Причем характеристики относятся к различным физическим величинам и не могут быть сравнены. Основные характеристики систем передачи информации приведены в таблице 2.2. Рассмотрим методику выбора способа передачи данных с учетом частных критериев d1, d2… d10 из семи вариантов технических решений X1, X2,…, X6. Каждому варианту соответствует метод передачи данных, а именно X1 – ВОЛС, X2 – HDSL, X3 – GPRS, X4 – PLC, X5 – FSO, X6 – Спутниковая связь.
Для выбора технических решений из большого количества вариантов и с большим количеством параметров и характеристик целесообразно использовать метод парного сравнения (например, важности свойств, параметров, функций, элементов). Результаты такой экспертизы представляются в соответствующей матрице в форме таблицы. Номера свойств последовательно записываются в столбец и строку. На пересечении строки и столбца фиксируются номера тех свойств, которые оказываются более важными при парном сравнении. Последняя графа матрицы содержит величину количества предпочтений, полученных каждым свойством по отношению ко всем остальным. Результаты служат для распределения свойств по рангам. Максимальной величине предпочтений соответствует первый ранг важности. Нормированное количественное представление значимости каждого из них может быть получено путем присвоения каждому рангу соответствующего значения. Существует метод, описывающий более точно соотношение предпочтений, а именно при заполнении матрицы смежности знаки соотношений ,=, заменяются соответственно коэффициентами предпочтениями 1,5; 1,0; 0,5. Причем число градаций может быть и больше и очевидно, что при этом увеличивается вероятность выбора наиболее оптимального решения. Однако при увеличении числа градаций усложняется задача выбора коэффициента предпочтения [24].
Приведенный выше системы позволяет осуществлять последовательный выбор по каждому определенному параметру без учета их весовых коэффициентов для каждого варианта технического решения. В тоже время определенный вариант решения с различной степенью легкости может обеспечить необходимое свойство системы, а какие-то свойства этим вариантом вообще не могут быть обеспечены. Поэтому необходим метод, который учитывал бы не только приоритеты каждого свойства или критерия, но и степень легкости обеспечения этого свойства вариантом решения, т.е. необходимо введение весовых коэффициентов для каждого варианта решения. Для решения этой задачи целесообразно использовать метод расстановки приоритетов.
Расстояние повторного использования частоты
Могенсен (англ. Mogensen) с соавторами предложил расширить модели Окамуры и Хата на частотный диапазон от 1,5 до 2 ГГц. В этом диапазоне использование упомянутых моделей приводит к недооценке затухания сигнала. Модель COST#231-Хата справедлива для несущих частот в диапазоне от 1,5 до 2 ГГц, высоте антенны базовой станции от 30 до 200 м, высоте антенны подвижной станции от 1 до 10 м и расстоянию между ними от 1 до 20 км. Модель позволяет оценивать затухание по формуле LdB= 46.3 + 33.9lgf- 13.82lghb – ahm + (44.9 - 6.55lghb) lgd + Cm . (3.18) где ahm = (1.1lgf- 0.7)hm - (1.56lgf - 0.8); Cm – постоянная величина: для средних городов и пригородных районов с умеренной растительностью Cm= 0 и для центров крупных городов Cm = 3. Формально модели Окамуры, Хата и COST#231-Хата можно использовать только для высоты антенны базовой станции, превышающей 30 м, однако их применение возможно и для более низких высот при условии, что соседние строения значительно ниже антенны.
Модель COST#231-Хата не подходит для оценки затухания сигнала при расстояниях между подвижной и базовой станциями менее 1 км. В этом случае затухание сильно зависит от топографии местности, в которой происходит распространение сигнала. Эту модель также нельзя использовать для оценки распространения сигнала по улицам с высокими строениями (по так называемым уличным каньонам) [40,41].
Ли (англ. W.C.Y. Lee) предложил очень простую модель распространения сигнала, основанную на серии проведенных в США измерений на несущей частоте fс= 900 МГц. Эта статистическая модель состоит из двух частей. Первая часть используется для предсказания потерь при распространении радиоволн над относительно плоской поверхностью, без принятия во внимание территориальных особенностей. Во второй части в качестве основы используется результат, полученный в первой части, но выполняется более точное предсказание с учетом влияния окружающей среды. При прямой видимости между приемником и передатчиком учитывается только влияние отраженных радиоволн. Если условие прямой видимости не выполняется, то моделируется дифракция радиоволн на препятствиях вдоль пути распространения сигнала. Согласно модели Ли, основная часть потерь при распространении определяется выражением , (3.19) где Pr - мощность сигнала в ваттах на расстоянии r от передатчика; f - частота сигнала; - мощность сигнала в точке пересечения линии распространения с препятствием на расстоянии r0 =1,6 км от передатчика; – параметр, учитывающий степень кривизны поверхности; n - степень частотной зависимости; 0 - поправочный коэффициент, зависящий от высоты установки антенн, мощности передатчика, коэффициентов усиления передающей и приемной антенн. Модель позволяет также определить мощность принимаемого сигнала в дБ: Модель Ли может быть применена для более общего случая, когда радиоволны распространяются в различных условиях. В этом случае должны быть известны коэффициенты кривизны поверхностей областей и их границы [42,43].
Множитель n принимает следующие значения: n = 2 для пригородов и диапазона f 450 МГц, n = 3 для городов и f 450 МГц. Параметр вычисляется по следующей формуле: , (3.21) где Pпрд – мощность передатчика БС, Вт; Gпрд Gпрм – коэффициенты усиления антенн; hБ и hM – высоты антенн базовой и мобильной станций; m = 1 при hM 3м и m = 2 при hM 10м. 3.8.4 Модель Д. Бертони-Уолфиш
Компактная модель Бертони-Уолфиш прекрасно решает задачи расчета потерь радиосигнала в различных городских районах. Эта модель позволяет рассчитывать потери не только на трассе свободного пространства, но и потери, учитывающие влияние крыш и высоты зданий. Частотный диапазон модели в городской среде составляет 800 МГц 2000 МГц.
В этой модели кроме основных параметров, таких как частота связи - f, расстояние между передатчиком и приемником - D, высоты передающей и приемных антенн - h, hm, есть еще два других ключевых параметра: высота здания - hb и расстояние между зданиями - db. Эффективность модели Бертони-Уолфиш выше, чем других, поскольку она использует как экспериментальные и так и теоретические подходы. Однако модель расчета потерь Бертони-Уолфиш подходит не для каждого городского района, из-за различия параметров hb и db. Поэтому при применении этой модели необходимо учитывать конкретные значения этих двух параметров. Потери на трассе по модели Бертони-Уолфиш определяются с помощью выражения , (3.22) где L0 потеря на трассе в свободном пространстве; f – частота (МГц); А – член, учитывающий воздействие здания и который определяется с помощью выражения , (3.23) где db - расстояние между рядами зданий (по центрам) в метрах; hb - средняя высота здания в метрах; hm- высота мобильной антенны в метрах; h- высота высоты антенны передатчика базовой станции в метрах. Бертони-Уолфиш модель показана на рисунке 3.9. Рисунок 3.9 - Схема модели распространения Бертони-Уолфиш Для модели Бертони-Уолфиш рекомендуются следующие условия: диапазон частот f - 800 МГц 2000МГц; диапазон расстояний D - 0.2 5 км. Параметры hb и db очень важны для расчета потерь на трассе по модели Бертони-Уолфиш и они могут варьироваться для конкретной городской среды. Поэтому при использовании модели Бертони-Уолфиш эти параметры должны быть обобщены [44,45,46].
На основе проведенного анализа моделей, которые наиболее применимы для решения задачи передачи информации об аварийных режимах воздушных линий электропередач, разработана компьютерная программа. Эта программа позволяет для конкретных условий выбрать модель и по заданным параметрам вычислить потери сигнала и, соответственно, выбрать опору для установки датчиков и координаты установки их на опорах. Интерфейс программы показан на рисунке 3.10, в окнах которого указаны модели и параметры расчета: расстояние станциями БС и МС; частота сигнала; высоты антенн.
Качество сети передачи данных в сотовой связи
В большинстве случаев, радиус первой зоны Френеля должны быть выбран с 100% ясностью. Это означает, что не будет никакого снижения уровня сигнала из-за рельефа местности. Если первая зона Френеля была заблокирована, тогда процент потери будет прямо пропорционален количеству процента блокирования в зоне Френеля. На практике, инженеры по планированию передачи пытаются сохранить некоторые “зазор” между зоной Френеля и самым высоким препятствием в пути радиосвязи [64,65,66].
Сигнал, передаваемый по радиосвязи, ослабляется вдоль пути распространения. В городах существуют также потери в мощности из-за отражения, дифракции вокруг структур и преломления в них.
Особенности рельефа местности влияют на эти потери распространения. Поэтому, когда существует потери на трассе, должен быть предсказаны, все особенности рельефа местности следует принимать во внимание, чтобы получить точный результат. Потери на трассе относительно легко вычислить, если существует прямой путь между двумя антеннами:
LdB = 32 + 20logf + 20logd , (5.2) гдеf - частота в МГц; d - расстояние в км. Это уравнение для идеального случая, а в реальности, потери на трассе всегда будут выше из-за особенностей рельефа местности [67]. Методики расчета потерь для более сложных случаев рассмотрены в 3 главе. Для расчета потерь была разработана автоматизированная система.
Применение в городских районах, высота столба антенны BTS и абонента, обычно равны соответственно 100 и 10 м, расстояние от абонента к BTS 20 км, частота сигнала 900 МГц, зависимость потери сигнала в высоты антенны абонентов показаны на рисунке 5.9. Рисунок 5.9 - Ослабление сигнала от высоты антенны абонентов Высота установки антенны зависит от следующих факторов [68,69,70]: 1. Расстояние между станциями: чем больше расстояние, тем выше должна быть антенна (связана с кривизной земли). 2. Зоны Френеля: 60% территории зоны Френеля должны быть открытыми с учетом кривизны земли. 3. Объекты в пути: необходима прямая видимость (LOS). Верхушки деревьев отражают и поглощают некоторые из сигналов. Поэтому необходимо учитывать высоту самого высокого объекта на пути сигнала и высоту зазора кривизны Земли. 4. При установке антенны на открытом воздухе необходимо использовать минимальную длину кабеля между антенной и точкой доступа или точки подключения.
Измеритель уровня GSM сигнала Cellular Meter 2G/3G. Установка содержит прибор CellularMeter 2G/3G (рис. 5.10) является портативным измерительным тестером, и предназначен для монтажа и обслуживания сотовых ретрансляторов (репитеров) и антенн, усилителей и т.п.
Прибор позволяет исследовать радиочастотную обстановку в эфире в основных сотовых диапазонах: EGSM 900, GSM 850, DCS 1800, PCS 1900, 3G 2100 (3GPPBandI) и 3G 900 (3GPPBandVIII). Рисунок 5.10 - Измеритель уровня GSM сигнала Cellular Meter 2G/3G Функциональные возможности: 1. Прибор рассчитан на работу с 6-тью SIM-картами, которые устанавливаются внутрь прибора, что позволяет работать практически со всеми операторами связи. 2. Измерение потерь (изоляции) от 0 до 100 дБ для определения правильности расположения антенн (развязки), их работоспособности (прохождение сигнала) и т.п. 3. Измерения качества сигнала методом измерения количества ошибок (BER) и изменения уровня сигнала во времени. Конструктивные особенности: 125 1. Индикаторным устройством прибора может служить любой планшетный компьютер или смартфон на основе ОС Android и с разрешением дисплея не менее 800 точек. 2. Связь между прибором и смартфоном осуществляется дистанционно через Bluetooth. 3. Прибор имеет внутренние разъемы для установки 6-ти SIM карт разных операторов, которые переключаются с помощью программы. 4. Динамический диапазон приемника прибора (INPUT) составляет от -100 дБм до -20 дБм, при этом уровень выходного тестового сигнала (OUTPUT) регулируется в пределах от -20 дБм до +10 дБм, что позволяет измерять затухание сигнала между разъемами INPUT и OUTPUT в пределах от 0 дБ до 110 дБ. 5. Прибор имеет разъемы N-female, как и большинство оборудования. 6. Прибор питается от встроенного LiPo/LiOn аккумулятора. 7. Для долговременного наблюдения за радиочастотной обстановкой с ПК под Windows, предусмотрено питание (зарядка) и связь с ПК по USB кабелю.
Антенна KP9-900. Экспериментальная установка содержит антенну KP9-900, которая используется в приёмопередающих системах диапазона 880-960 МГц. Антенна предназначена для эксплуатации в сетях мобильной связи стандартов GSM и CDMA, а также в системах мобильной сигнализации, мобильного 3G интернета, и т. д. Антенна выполнена в герметичном корпусе, поэтому она устойчива к погодным условиям. Направление поляризации вертикальное. Основные параметры антенны приведены в таблице 5.1.