Введение к работе
Актуальность проблемы. Современные крупные города занимают огромные площади ( сотни и тысячи квадратных километров), сосредотачивая на них миллионы жителей, сотни крупных производств, служб и учреждений. Это крайне остро ставит вопрос о развитии городских коммуникационных служб, в том числе и радиосвязи. Особенно быстрыми темпами в последние двадцать лет разрабатываются и внедряются в эксплуатацию системы связи с подвижными объектами. Исходя из темпов роста числа радиостанций подвижной связи, можно заключить, что в недалеком будущем число абонентов систем связи с подвижными объектами сравняется, а возможно и превысит число абонентов городских телефонных сетей.
В то же время, как отмечалось еще в первых работах, посвященных изучению распространения радиоволн в городах, городская среда создает совершенно особые условия для формирования пространственной структуры электромагнитного поля, существенно отличающиеся от тех, что обычно наблюдаются на приземных радиотрассах. Эффекты отражения и рассеяния радиоволн на зданиях придают полю ярко выраженный многолучевый характер, при этом уровень сигнала в антенне подвижного пункта связи подвержен глубоким замираниям с частотой до сотни герц. Для обеспечения качественного приема сигналов в городских системах подвижной связи используются организация сотовой структуры зон обслуживания абонентов, различные методы разнесенного приема, остронаправленные антенные системы (на стационарных пунктах), цифровая связь с. помехоустойчивыми протоколами передачи сообщений и т.д. Проектирование таких систем, их модификация, связанная с увеличением числа абонентов и зон обслуживания или с повышением эффективности действующих систем, каждый раз приводят к необходимости в проведении исследований по оценке характеристик поля на конкретных городских радиотрассах. С другой стороны, сложность пространственной структуры поля в городе, многообразие факторов, существенно влияющих на уровень сигнала в точке приема, определили в основном статистический подход к решению задач по оценке характеристик поля в городе так, что известные из литературы к настоящему моменту количественные соотношения справедливы лишь в среднем для всей генеральной совокупности радиотрасс.
В диссертационной работе рассматриваются вопросы совершенствования методов прогноза характеристик поля УКВ на городских радиотрассах, позволяющих достаточно простыми средствами обеспечить оперативный расчет качества приема сигналов в городских системах связи, что и обуславливает ее актуальность для ряда государственных и коммерческих организаций.
Целью диссертационной работы является исследование возможности прогноза локальных средних характеристик УКВ полей на конкретных городских радиотрассах и разработка на этой основе методов и алгоритмов автоматизированного расчета на ЭВМ, учитывающих особенности застройки и рельефа местности вдоль линии связи.
В экспериментальных исследованиях значения локальных средних характеристик поля получают пространственным усреднением соответствующих параметров сигнала при перемещении приемного пункта на небольшие расстояния (несколько десятков длин волн). Процедура усреднения позволяет здесь сгладить быстрые интерференционные флуктуации с масштабом от половины до двух-трех длин волн и глубиной 10 - 12 дБ и выделить структуру более медленных замираний, обусловленных эффектами затенения. Получаемые после усреднения величины являются локальными характеристиками конкретных городских радиотрасс и могут существенно отличаться (например, по уровню сигнала различие может составлять более 20 дБ) от оценок параметров сигнала, полученных при усреднении по всей генеральной совокупности.
На защиту выносятся следующие защищаемые положения.
1. В диапазоне УКВ на расстояниях, больших 1 км, для 75% город
ских радиотрасс наиболее вероятной и наиболее энергетически значимой
компонентой многолучевого поля в точке приема является "боковая
волна", формирующаяся за счет переотражений и рассеяния волн на
элементах городской застройки в окрестности мобильного
радиоисточника в верхнее полупространство и распространяющаяся над
городским слоем.
2. Использование длинноволновой ассимптотики дифракционного
ряда В.А.Фока позволяет рассчитывать дополнительное ослабление
"боковой волны" на городских закрытых УКВ радиотрассах при ее
дифракции на сферической земной поверхности и на неровностях
рельефа местности в области глубокой тени. В области полутени сумма
ряда может быть аппроксимирована двумя экспоненциальными
слагаемыми с точностью не хуже 1-2 дБ.
3. Методы скользящего отношения энтропии спектральных отсчетов
в области определения спектра и за ее пределами и нелинейного
преобразования масштаба частотной осп спектра (по закону
arccos\ т = <р), предлагаемые в работе, дают возможность оценивать
V Стах )
скорость и направление движения источника УКВ излучения, движущегося в городском районе вне прямой видимости, по единичным реализациям спектра доплеровских частот с точностью не хуже 5% для скорости и 3 - 5 для направления движения.
4. На защиту также выносится пакет алгоритмов и программ об
работки топопланов городских районов, основанный на методах вы
числительной геометрии и предложенных в работе методах прогноза,
позволяющий создавать цифровые как дискретные, так и непрерывные
карты городской застройки и рассчитывать по этим данным локальные
характеристики поля на городских УКВ радиотрассах: уровня сигнала,
ширины углового энергетического спектра, интервала частотной
корреляции, полосы пропускания канала городской подвижной
радиосвязи, ширины и формы спектра доплеровских частот сигнала
подвижного источника излучения.
Научная новизна. При выполнении диссертационной работы получило дальнейшее развитие новое научное направление в современной радиофизике — теория распространения УКВ в городских и пригородных зонах. Новые научные результаты, полученные в этом направлении, кратко можно сформулировать следующим образом.
-
Разработан. новый метод прогноза локального среднего уровня поля, основанный на вероятностно-энергетическом анализе различных механизмов распространения УКВ ("прямая" волна, одно-, двукратно отраженные волны, "боковая волна", распространяющаяся над слоем городской застройки) в городе и позволяющий учитывать особенности планировки городских районов вдоль радиотрассы; получена оценка глубины замираний (вариаций) случайных значений локального среднего уровня поля относительно прогнозируемого (наиболее вероятного).
-
Предложена и обоснована модификация решения В.А.Фока дифракционной задачи (для сферической земной поверхности) применительно к городским УКВ радиотрассам; по экспериментальным данным получена оценка эффективного значения параметра характеристического уравнения, определяющего зависимость решения В.А.Фока от электрических характеристик подстилающей поверхности; на основе полученной оценки предложена аппроксимация решения,
позволяющая учитывать при расчетах дифракцию воли на сферической земной поверхности и неровностях рельефа местности; разработаны методика и алгоритмы расчета.
3. Впервые доказана возможность достоверной оценки параметров движения (направление движения, скорость) источника радиоизлучения в городе по единичным реализациям спектра доплеровских частот принимаемого сигнала; разработаны спектральные методы контроля параметров движения мобильного передатчика, проведена их апробация на смоделированных и реальных записях сигнала.
Научно-практическая значимость диссертационной работы определяется, во-первых, тем, что результаты проведенных исследований позволяют глубже понять физическую сторону явлений, протекающих при распространении УКВ в городских условиях, перейти от разработки методов расчета средних характеристик поля для однородных городских районов к прогнозу локальных характеристик для конкретных городских радиотрасс. Во-вторых, — результаты исследований доведены до алгоритмической и программной реализации разрабатываемых методов прогноза; создан интегрированный пакет программ по расчету локальных характеристик поля УКВ на городских радиотрассах, который может использоваться при решении задач проектирования систем связи, электромагнитной совместимости городских радиосредств, экологического контроля электромагнитной обстановки в городе и т.д.
Разработанный пакет программ использовался при разработке систем связи с подвижными объектами в г.Томске и в г.Ростове-на-Дону.
Достоверность полученных результатов. Все полученные в работе
результаты хорошо согласуются с известными из литературы
теоретическими представлениями о механизмах формирования
пространственной структуры многолучевого поля в городе. Это касается
прежде всего новых методов расчета ослабления поля на городских
радиотрассах, методах контроля параметров движения^мобильного
пункта связи по локальным спектрам доплеровских частот, развитых на
основе статистической модели городской среды распространения
радиоволн, разработанной сотрудниками кафедра радиофизики Томского
госуниверситета и лаборатории распространения радиоволн Сибирского
физико-технического института. Достоверность результатов
подтверждается также сопоставлением расчетных и известных из литературы экспериментальных данных, полученных в различных п'о характеру застройки и рельефу местности городах (например в г.Токио и г.Томске).
Апробация работы. Публикации. Результаты исследований по теме диссертации докладывались на XVI Всесоюзной конференции по распространению радиоволн ( г.Харьков, 1990 г.), Всесоюзном совещании по приземному распространению радиоволн и электромагнитной совместимости ( г.Улан-Удэ, 1990 г.), XLVI Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню радио (г.Москва 1991, г.), IV Российском научно-техническом семинаре "Распространение радиоволн в городах и лесных районах", на областной научно-технической конференции (г.Томск, 1987 г.). Кроме того, все результаты работы были получены при выполнении хоздоговорных работ, проводившихся в Сибирском физико-техническом институте и на кафедре радиофизики Томского госуниверситета при непосредственном участии автора.
Основные результаты опубликованы в 11 работах.
Личный вклад автора. Диссертационная работа является частью комплексных исследований по вопросам теории распространения УКВ в городе, которые проводились лабораторией распространения радиоволн СФТИ и кафедрой радиофизики ТГУ в 1989 - 1993 гг. Являясь одним из исполнителей этих работ, автор диссертационной работы принимал непосредственное участие в разработке аналитических методов и алгоритмов численного прогноза локальных характеристик поля УКВ в условиях города, их программной реализации, структурной и .функциональной схем всего интегрированного пакета программ и алгоритмов.
Основные выводы и результаты по вопросам, рассмотренным в главах 2-5, получены лично автором. Используемые в главах 3-4, для сопоставления с результатами расчетов, экспериментальные данные получены коллективом лаборатории распространения радиоволн СФТИ, при личном участии автора. Численная модель передаточной функции городского канала распространения радиоволн, используемая в главе 4 для исследования спектральных свойств сигналов, разрабатывалась совместно со старшим преподавателем кафедры радиофизики ТГУ Пономаревой Вероникой Николаевной. Идея метода скользящего отношения энтропии, используемого для определения скорости движения мобильного пункта по спектру доплеровских частот принимаемого сигнала, была подсказана доктором ф.-м. наук, профессором кафедры радиофизики Якубовым В.П., за что автор работы ему глубоко благодарен.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. В ней содержится 101 страница
основного текста, 20 страниц рисунков. Список литературы содержит 85 наименований.
