Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы моделирования затухания сигнала в помещениях и многоэтажных зданиях для задач построения современных систем связи
1.1. Общие вопросы распространения радиоволн в помещениях
1.2. Влияние ограниченности объемов на распространение 15
1.3. Электромагнитные волны в свободном пространстве 19
1.4. Электромагнитные волны внутри помещения 28
1.5. Рекомендации по выбору модели распространения волн в помещениях 36
1.6. О классификации моделей распространения радиоволн в помещениях 38
1.7. Краткий обзор наиболее популярных моделей 43
1.8. Выводы и постановка задачи 54
Глава 2. Методы и аппаратура экспериментальных исследований 57
2.1. Описание экспериментов и помещений 57
2.2. Схема проведения экспериментальных исследований по измерению уровня сигнала-в пределах прямой видимости внутри здания при разной высоте расположения антенн 58
2.3. Схема проведения экспериментальных исследований по измерению уровня сигнала на разных этажах 59
2.4; Эксперименты по исследованию влияния людей на распространения радиоволн в помещении 61
2.5. Схема проведения эксперимента вне здания 62
2.6. Схема проведения эксперимента при низко расположенной антенне приемника 63
2.7. Используемые приборы и антенны 64
2.8. Методики измерений 66
2.9. Проверка модели для помещений COST231 68
2.10. Выводы 72
Глава 3. Построение пятилучевой модели 73
3.1. Обоснование приближений для расчета коэффициентов отражения 73
3.2. Пятилучевая модель для помещений и ее модификации
3.3. Моделирование с помощью пятилучевой модели для горизонтально поляризованной волны с учетом размеров и геометрии помещений
3.4. Моделирование с помощью пятилучевой модели для нормально поляризованной волны с учетом размеров и геометрии помещений
3.5. Выводы по предварительным результатам моделирования на основе пятилучевой модели 88
3.6. Моделирование затухания сигнала с учетом размеров и геометрии помещений 90
3.7. Расчеты по пятилучевой модели 97
3.8. Выводы №0
Глава 4. Построение и верификация гибридной модели
4.1. Особенности гибридной модели Ю1
4.2. Уточненные эмпирические коэффициенты для многоэтажных зданий 104
4.3. Учет эффектов затенения 104
4.4. Особенности моделирования потерь при переходе сигнала из открытого пространства в помещение 113
4.5. Выводы И8
Глава 5. Примеры применения гибридной модели 120
5.1 Моделирование для развертывания и эксплуатации сетей передачи данных в помещениях 1
5.2 Анализ потерь сигнала в многоэтажных зданиях в приложении к современным сетям связи 122
5.3 Анализ затенения неподвижными группами людей 124
5.4 Возможные приложения к системам MIMO и UWB 125
5.5 Выводы 127
Заключение 128
Список литературы
- Влияние ограниченности объемов на распространение
- Схема проведения экспериментальных исследований по измерению уровня сигнала на разных этажах
- Пятилучевая модель для помещений и ее модификации
- Особенности моделирования потерь при переходе сигнала из открытого пространства в помещение
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Стоящее на повестке дня внедрение систем сотовой связи 4-го поколения требует бесшовного объединения гетерогенных сетей при высоких скоростях потоков передаваемой (принимаемой) информации. Не за горами время, когда абонент сможет работать в едином телекоммуникационном пространстве, объединяющем как известные технологии (например, WiFi, WiMAX, ZigBee, сотовая связь, GP&TJ10HACC), так и новые решения. Причем эти технологии должны устойчиво работать независимо от места размещения приемника и передатчика, в стационарном и мобильном вариантах - в автомобиле, зале ожидания аэропорта, в самолете и т.д. Наиболее важными параметрами для анализа условий распространения обычно являются: характеристика затухания и ее среднеквадратичное отклонение, распределение задержек сигнала при многолучевом распространении.
Различают стационарные (статические) модели (описывающие усредненные параметры затухания сигнала в любой точке пространства в зависимости от расстояния от передатчика) и импульсные модели (изучающие динамику изменения сигнала, задержки при многолучевости, так называемые «углы прибытия» сигнала в приемник). Первые имеют наибольшее распространение, удобны как для оценок мощности сигнала в помещении, так и для прогнозирования минимальных и максимальных уровней мощности при построении систем связи. Вторые обычно используют в виде пакетов прикладных программ для изучения времязависимых параметров.
Наиболее сложно проблема моделирования (предсказания) уровня сигнала стоит для систем связи, используемых в помещениях, в которых (кроме указанных) возникают дополнительные факторы «случайности»: затенение (OLOS, obstructed line-of-sighf) сигналов оборудованием, мебелью (фиксированное затенение) или людьми (мобильное затенение). В соответствии с рекомендациями Международного союза электросвязи (МСЭ) в помещениях модель должна учитывать множество дополнительных факторов: потери распространения и отражений от стен и потолков, потери распространения в здании, дифракция на препятствиях, затенение и перемещение абонента, несовпадение поляризации, распределение задержек, размещение антенн. Кроме этого, следует учитывать и корректно предсказывать (для бесшовных систем связи) особенности перехода сигнала снаружи
вовнутрь помещений, в том числе через проемы окон, дверей, и наоборот.
Цель работы:
Построение и экспериментальная верификация стационарной модели распространения сигнала в помещениях сложной формы, в которой:
параметры отраженных от поверхностей сигналов рассчитываются на основе описания конфигурации помещения и используемых материалов,
- для оценки затухания сигнала учитывается затенение сигнала фиксированными и мобильными объектами с помощью экспериментальных коэффициентов.
Научная новизна:
Данная задача решается путем построения на основе известных решений (модель открытого пространства, модель Г-образных помещений, модель многоэтажных зданий, модель проникновения сигнала из открытого пространства в помещение) так называемой гибридной (объединяющей разные подходы) модели.
На защиту выносятся:
упрощенная модель для расчета коэффициентов отражения (и потерь) сигнала на основе соотношений Френеля, с помощью которой легко осуществляется учет влияния высоты приемной и передающей антенн на мощность принимаемого сигнала;
базовая «пятилучевая» модель распространения радиоволн в замкнутых помещениях с учетом их реальной конфигурации. Такой вариант позволяет проводить расчет реальных потерь сигнала в помещениях сложной формы с учетом их размеров и высоты размещения антенн вместо использования эмпирических коэффициентов;
экспериментальная оценка влияния факторов фиксированного и мобильного затенения в помещениях на дополнительное затухание сигнала;
4) гибридная модель распространения радиоволн в помещениях.
Для разрешенных диапазонов частот (145, 433, 900 МГц)
проведена экспериментальная верификация гибридной модели, которая продемонстрировала высокую точность согласования с экспериментом.
Методы исследования.
Все представленные в диссертационной работе аналитические результаты были получены с использованием следующих математических аппаратов: геометрической оптики, теории статистической радиотехники и теории информации. Расчеты и математические исследования выполнены методом моделирования с использованием программы MatLab. Для экспериментов использовалось аттестованное оборудование фирмы Rohde & Schwarz.
Практическая ценность работы.
Разработана гибридная модель, которая объединяет достоинства эмпирических моделей и моделей, учитывающих реальную конфигурацию помещений и зданий. Экспериментальная верификация показала, что модель обеспечивает для ряда приложений более высокую точность, чем известные модели для помещений.
Созданные программные решения в среде Matlab могут эффективно использоваться для выбора наилучшего покрытия в задачах размещения точек доступа (базовых станций) современных систем связи внутри помещений.
Реализация и внедрение результатов работы.
Результаты работы использованы в научно-исследовательской работе «Распространение высокочастотных электромагнитных сигналов в условиях многократного отражения и затухания в замкнутых объемах», выполненной в 2008-2010 гг. по заказу Федерального агентства по образованию (per. номер 01200806951) и учебном процессе МИЭТ в лекционных курсах «Распространение радиоволн и АФУ», «Приемо -передающие устройства» и соответствующих новых лабораторных работах.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы были апробированы на международных, всероссийских и межвузовских научно-технических конференциях и семинарах (проведенных в МИЭТ и МИФИ в 2007-2010 гг.), что отражено в списке литературы.
Публикации. Содержание диссертации отражено в 12 печатных работах, в том числе в трех статьях, и одном отчете по НИР.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения, списка сокращений, списка литературы и приложений. Диссертация изложена на 144 странице, включает 70 рисунков и 18 таблиц. Список литературы содержит 105 источников.
Влияние ограниченности объемов на распространение
Модели для описания распространения радиоволн внутри помещений, как правило, заметно сложнее моделей для сигналов в открытом пространстве (вне помещений), что обусловлено такими обстоятельствами, как ограниченность пространства между передатчиком и приемником и его сложная конфигурация (коридоры, повороты, переходы, многоэтажные здания) и необходимость учета эффектов многолучевости (сигналы в приемник поступают как в результате отражений от поверхностей, так и за счет дифракции, а также проникновения сквозь перегородки, стены). Результаты измерений затухания электромагнитного поля при распространении между этажами зависят даже от количества открытых дверей на этажах [32-40].
Параметры распространения в сильной степени зависят от - типа здания, - конфигурации внутренних помещений, - материалов перекрытий пола и потолка, - наличия затеняющих объектов (фиксированных и мобильных). Многолучевость в помещении (в отличие от среды вне помещения) отличается тем, что во многих случаях исходный сигнал может «вернуться» в передатчик. Имеет место эффект интерференции (рис. 1.4).
Основными механизмами распространения радиоволн в помещениях (рис. 1.5) являются [21, 41-42]: отражение от поверхностей, дифракция на краях затеняющих объектов, рассеяние на шероховатых плоскостях и проникновение через затеняющие препятствия.
Пример распространения радиосигналов внутри помещения Отражение является основным механизмом распространения вне прямой видимости, и определяет многолучевую природу распространения сигнала внутри помещения. Отражение возникает, когда электромагнитная волна встречает на своем пути среду с различными, параметрами (диэлектрическая проницаемость и магнитная восприимчимость, а также электропроводимость). Амплитуды компонентных лучей в ограниченном объеме определяются значениями коэффициентов отражения, которые (в свою очередь) зависят от частоты сигнала, его поляризации, угла падения и свойств материала отражающей поверхности.
Дифракционный компонент принимаемого сигнала обычно мал по сравнению с отраженными составляющими. Механизм дифракции имеет место, когда радиоволна «натыкается» на край «затеняющего» объекта, из-за чего возникает вторичное излучение во все стороны. Дифракционные компоненты отличаются ПО і амплитуде и форме от многолучевых компонентов, отраженных от гладких поверхностей, и также определяются коэффициентами дифракции. Последние зависят как от типа объекта затенения, так и от углов падения и «преломления».
Для «негладких» поверхностей (характерные размеры на них обычно сравнимы с длиной волны) вступает в действие механизм рассеяния, который с достаточной степенью точности определяется геометрическими размерами взаимного размещения передатчика и приемника, а также параметрами рассеивающей поверхности и ее электромагнитными свойствами.
Между разными этажами 5 Потери из-за проникновения через полы, потолки, стены Другими словами, на практике следует учитывать потери распространения и отражений от стен и потолков, потери распространения в здании, дифракцию от перегородок и других препятствий, затенение при перемещении абонента, несовпадение поляризации до и после отражения, распределение задержек, высоту размещения антенн передатчика и приемника и др. Для корректного описания принимаемого сигнала в приемнике в условиях многолучевости и иных помех из-за ограниченности объема важно уметь моделировать основные составляющие такого сигнала (см. рис. 1.6) [44].
Классический подход [45] к расчету распределения электромагнитного поля в присутствии отражающих и поглощающих объектов заключается в расчете напряженности поля в однородном изотропном пространстве на основе законов отражения, дифракции и рассеяния. Однако специфические условия распределения электромагнитного поля внутри помещений исключают возможность непосредственного применения такой методики. Непостоянство расположения приемников и передатчиков в мобильной сети радиосвязи, перемещение преемников, передатчиков, огромное количество фиксированных препятствий сложной формы делают невозможным точный расчет распределения электромагнитного поля. Возникающие при таких расчетах трудности описания реальной планировки помещений и расположения препятствий увеличивают требуемый объем вычислений. Поэтому точный расчет распределения поля используется только в исключительных, простейших случаях, например при расчете теневой зоны за большим препятствием при точно известном расположении передатчика.
В настоящее время принято разделять все модели [44] распределения электромагнитного поля на две категории: модель большого расстояния и модель малого расстояния. Модель большого расстояния применяется для расчетов поля вне помещений, а модель малого расстояния - внутри помещений.
В модели большого расстояния рассматривается влияние на электромагнитное поле макроэффектов, обусловленных препятствиями большого размера (по сравнению с длиной волны). Согласно этой модели электромагнитное поле в городских условиях описывается теми же самыми уравнениями, что и для свободного пространства, но с иными параметрами распространения, а также некоторой вероятностью отклонения реальных значений распределения электромагнитного поля от расчетных. Предполагается, что наличие препятствий в среднем не влияет на структуру электромагнитного поля, которое остается таким же, как и в свободном пространстве, а именно стационарным, монотонным и гладким. Стационарность означает неизменность структуры поля во времени, монотонность - непрерывное убывание величины поля с увеличением расстояния от приемника до передатчика, гладкость - соответствие малых изменений расстояния малым изменениям напряженности поля.
Модель малого расстояния отражает интерференционную структуру электромагнитного поля, возникающую вследствие взаимодействия когерентных волн, излученных передатчиком. Суммарная величина электромагнитного поля в каждой точке пространства определяется амплитудами и фазами нескольких волн, которые за счет многократных отражений прошли путь различной длины от 1 передатчика; амплитуды и фазы волн статистически независимы, и в результате получается интерференционная картина поля в виде случайного чередования максимумов (сложение в фазе) и минимумов (сложение в противофазе) поля (см. [ рис. 1.4). Поскольку расстояние между минимумами и максимумами в интерференционной картине поля равно четверти длины волны, то и существенные изменения величины напряженности поля таюке происходят на очень малых расстояниях, порядка нескольких сантиметров в диапазоне УКВ. Очевидно, что структура поля на малых расстояниях является не гладкой, не монотонной и не стационарной. Увеличение или уменьшение напряженности поля не связано с расстоянием до передатчика, так как определяется случайным состоянием радиоканала (взаимным расположением и передвижением приемника, передатчика и препятствий) в текущий момент времени. В результате возможны очень сильные изменения величины электромагнитного поля на небольших расстояниях и в короткие промежутки времени. С точки зрения теории сигналов нестационарная интерференционная структура поля соответствует приему нескольких копий одного и того же сигнала. Идеальный сигнал передатчика достигает приемника в виде нескольких копий сигнала, каждая из которых имеет собственное время распространения.
Схема проведения экспериментальных исследований по измерению уровня сигнала на разных этажах
На рис. 2.2 представлены схема проведения экспериментальных исследований по измерению уровня сигнала в пределах прямой видимости внутри здания и фотография типового коридора. Ширина коридора - 3 метра, длина -более 41 метра. Высота передающей антенны относительно пола (точка 1), согласно методике испытаний, составляет 1 метр. Высота передатчика изменялась от 0,17 до 1 м. Что позволило провести исследования внутри помещения при низко расположенных антеннах. Измерения проводятся через каждые 5 метров.
Исследования проводились в трехэтажном здании при фиксированном положении передатчика (на рис. 2.3 обозначен квадратом), с перемещением приемника (положения измерительных точек на рис. 2.3 обозначено кружками)
Схема проведения эксперимента на разных этажах Измерения проводились в трёхэтажном офисном здании, и результаты были использованы для воспроизведения контуров мощности сигнала на схеме здания. Результаты измерений также обрабатывались с использованием модели потерь на трассе. Дополнительно можно было оценить показатель степенной.зависимости от расстояния, для одно- и многоэтажных конструкций помещений. Значение этого показателя необходимо для расчета свойств внутренней среды при беспроводном покрытии системами связи.
Здание, в котором проводились эксперименты, состоит из кирпичных стен, толщиной 0.2 м. Некоторые комнаты огорожены стеклянными перегородками с металлическим каркасом, толщиной - 0.08 м. Ширина бетонного пола 0.25 м. Расстояние между двумя межэтажными перекрытиями составляет 2,7 м.
Передатчик был установлен на 3-м этаже здания, в точке 1 (см. рисунок 2.3). Приемник внутри здания был мобильным, и измерения мощности сигнала были выполнены при его разных местоположениях. В процессе экспериментов приемник перемещался на одном этаже с передатчиком и на разных.
Для начала были измерены показатели ослабления из-за перегородок. Их величины зависели от строительных материалов стен и межэтажных перекрытий. Чтобы выяснить, какое ослабление привносит стена, проводилась следующая процедура. Передатчик с сигналом прямой последовательности на частоте 433 МГц был расположен около стены с одной стороны, а приемник был расположен около стены с другой стороны. Так были определены дополнительные потери, привносимые перегородкой.
Аналогично проводились эксперименты по исследованию затухания радиоволн при выходе из помещения во внешнюю среду (приемник располагался на улице) [95-103]. 2.4. Эксперименты по исследованию влияния людей на распространения радиоволн в помещении
В методике проведения экспериментов по затенению радиосигнала людьми учитывается затенение не только прямого луча, но и лучей, отраженных от элементов конструкции помещения. На рис. 2.4 представлен пример подобного затенения, где р\, р2н рз- это углы, характеризующие направление прямого луча и углы падения отраженных лучей.
Схема проведения экспериментов по затенению радиосигналов людьми внутри помещения представлена на рис. 2.5. Количество людей в экспериментах менялось от 1 до 8. В отдельных опытах принимала участие полная группа студентов.
На рис. 2.6 представлена схема проведения эксперимента в пределах прямой видимости вне здания. Эксперимент проводился на футбольном поле. Максимальное расстояние между приемником и передатчиком составило 125 м.
Приемник и передатчик находятся в зоне прямой видимости. Местоположение передатчика фиксировано, приемник перемещается вдоль всей длины поля согласно методике. Высота антенны передатчика 1, 0.5, и 0.17 м; высота антенны приемника 1м; коэффициент усиления антенн равен 1,5 дБ. Аналогично проводились эксперименты по изучению ослабления сигнала при переходе сигнала во внутрь помещений (приемник располагался в помещенииЭксперимент проводился в условиях высокоподнятой антенны передатчика (на крыше здания) и низко расположенной антенны приемника. Целью настоящего эксперимента являлась оценка уровня сигнала в беспроводной сети, работающей на частоте 433 МГц и состоящей из приемопередатчика базовой станции и приемопередатчиков датчиков для мониторинга местности. Эти данные впоследствии использовались как для сравнения параметров затухания вне помещения и внутри его, так и для выявления поправочных коэффициентов Ki0 гибридной модели (Глава 4).
Пятилучевая модель для помещений и ее модификации
При симметричном расположении антенн, т.е. при одинаковых расстояниях ох антенн до пола, потолка и стен возможно образование лучей с многократным: отражением, но при этом общее расстояние, проходимое этими лучами, дополнительно возрастает в соответствии с выражениями d = К.Ш или d = К.В, где К - количество отражений, Ш - ширина помещения, В - высота помещения, причем оно больше зависит от ширины или высоты помещений, чем от положения: антенн по отношению к стенам, полу и потолку помещений. Кроме уменьшения уровня сигнала из-за увеличения расстояния для лучей с многократным отражением, необходимо учитывать его уменьшение из-за влияния диаграммы направленности антенн при увеличенных углах скольжения и уменьшение коэффициентов отражения.
В пятилучевой модели на вход приемной антенны приходят следующие сигналы, образующие общий сигнал как векторную сумму: прямой луч (на рис. 3.6 обозначен как луч 0), отраженный луч от пола (луч 1), отраженный луч от потолка (луч 3), отраженный луч от правой стены (луч 2), отраженный луч от левой стены (луч 4).
Каждое слагаемое, образующее полный сигнал, может быть записано в общем, виде следующим образом U,(t) = Л, sin coKt-r +p,] (3.5) где Д - амплитуда напряженности поля /-го луча (3.8), которая зависит от расстояния проходимого каждым лучом и коэффициента отражения для /-го луча, со - круговая частота сигнала, / - текущее время, г, - задержка /-го луча по времени при различных расстояниях d, от антенны передатчика до антенны приемника, pt — угол потери фазы при отражении /-го луча зависит от фазового множителя коэффициента отражения. Тогда векторная сумма мгновенных значений сигналов, действующая на входе приемной антенны равна
В дальнейшем влиянием углов ц/ и в на амплитуду излучаемого сигнала пренебрегаем, по следующим причинам: 1. При достаточно длинных помещениях угол скольжения однократно отраженных лучей мал, и у/ и 9 отличаются от углов ц/0 и 0О, соответствующих направлению максимального излучения. 2. Для лучей с многократным отражением учитывать влияние формы диаграмма направленности необходимо, но влиянием лучей с многократным отражением можно пренебречь, так как их уровень значительно меньше уровня лучей с однократным отражением по двум причинам: уменьшением угла скольжения и уменьшением амплитуды из-за увеличения расстояния.
Нормируя амплитуду напряженности поля относительно величины 60Puz,GMaxF{y/,6) и вводя зависимость от длины волны, размеров коридоров и места расположения антенн получим следующие выражения для амплитуд «0 - коэффициенты отражения лучей от соответствующих поверхностей, зависящие от угла скольжения, диэлектрической проницаемости и угла поляризации волны по отношению к плоскости отражающей поверхности. Соответственно для задержек т,- получим: где С - скорость света в вакууме, do,d],d2,d3, 4 соответствуют выражениям (3.8). Углы потери фазы р{, входящие в (3.4) в случае непроводящих отражающих поверхностей могут принимать только два значения 0 или п в зависимости от угла скольжения у. Комплексная амплитуда сигнала на входе антенны приемника для пятилучевой модели может быть записана следующим образом (основному лучу присвоен индекс "О").
Формула (3.5) является самым общим выражение, которое можно использовать и для учета многократно отраженных лучей. В этом случае их число может быть любым. Моделирование с помощью пятилучевой модели проведено для горизонтально поляризованной волны в соответствии с формулами:
На основании результатов моделирования [105] с помощью пятилучевой модели распространения электромагнитных волн в помещении можно сделать следующие выводы: 1. Все пространство распространения в помещении условно можно разделить на две зоны - зону интерференции, соответствующую значениям Ah1 Л d где d, Я - приведены ранее, h - максимальное расстояние от антенны до отражающей поверхности (по аналогии с двулучевой моделью можно считать, что h - высота расположения антенны над отражающей поверхностью) и зону плавного уменьшения напряженности поля по закону затухания для свободного пространства. Подробный анализ выражения (3.1) показывает, что вторая зона начинается: , приближенно при d = -—:—-—. Очевидно, что для помещений реальных размеров t Л и для частот / 400 МГц удаленность второй зоны значительна. Так, например э даже для узкого коридора шириной и высотой 2м, для частоты сигнала, / = 400 МГц и расположения антенн приемника и передатчика в середине коридора, получим d 5м.
Таким образом, для сигнала не ниже 400МГц в помещении всегда будет зона. интерференции. В диапазоне частот УКВ радиовещания, KB связи, низкочастотны? диапазонов RFID работа радиосредств будет происходить во второй зоне Среднее (медианное) значение напряженности поля в помещение всегда больше, чем в свободном пространстве, и значительно больше, чем прц; распространении над Земной поверхностью (при использовании двухлучевоі5: модели распространения). Это объясняется тем, что поле в точке расположение приемной антенны есть результат суммирования мгновенных значений пяти независимо распространяющихся лучей.
Можно показать, что для достаточно длинных и узких помещений, которых один размер помещения значительно превосходит два других, при расчете; напряженности поля можно учитывать только три любых отраженных луча (прц условии, что диэлектрические проницаемости отражающих поверхностей близка по величине). Это объясняется тем, что основной, прямой, луч почти полностью компенсируется одним из отраженных лучей. Причем степень компенсации зависит от угла скольжения отраженного луча, чем он меньше, тем больще компенсация. Так как угол скольжения приблизительно равен расстояние от антенн до стены, то при антеннах расположенных вблизи одной из стен компенсация прямого луча отраженным будет больше. Этим объясняется тот факт, что уровень напряженности поля при расположении антенн вблизи отец меньше, чем при расположении антенн в центре коридора.
Особенности моделирования потерь при переходе сигнала из открытого пространства в помещение
Объяснение различий в численных значения ослабления сигнала на Р :цЬт частотах может быть проведено с использованием понятий зон Фре г аел Эксперимент по влиянию людей, находящихся в помещении, на изменение ур» радиосигнала проведен в 25-ти метровом коридоре шириной и высотой 3Vl „ частотах 145 МГц, 400 МГц и 900 МГц (длины волн соответственно 2м„ Q J 0.33м). Данные, полученные в результате эксперимента и представленные ш _ 4.13, подтверждают факт влияния количества людей в помещении на Ус=лови распространения радиосигнала. Причем изменение уровня радиосигьі ІЛІа зависимости от количества людей и места их расположения может быть не тод ько сторону его уменьшения, но и в сторону увеличения. Такое поведение тэовн радиосигнала зависит от величины той части основной зоны распростри цени радиосигнала (основной зоны Френеля), которая перекрывается людьм , т -известно, радиус основной зоны Френеля может быть определен из выр» i?, =JZ-L - где Л- длина волны излучения, d\ - расстояние от передат гика ло препятствия, Й?2 - расстояние от приемника до препятствия, d - рассто ц передатчика до приемника.
Количество людей Рисунок 4.13 - Нормированные зависимости влияния количества людей в помещении на изменение уровня радиосигнала
В нашем случае для середины коридора получим: і = 3.3л/,1.7.м,ш ДЛЯ tIacTOT 145, 400, 900 МГц соответственно. Очевидно, никакое количество людей не может полностью закрыть основную зону распространения на частоте 145 МГц, так как диаметр основной зона Френеля больше шины коридора. Это означает, что наличие людей в коридоре приведет только к некоторому уменьшению радиосигнала при увеличении количества людей.
При частоте сигнала 400МГц для небольшого количества людей наблюдается небольшое увеличение радиосигнала из-за того, что частичное перекрытие основной зоны распространения увеличивает роль отраженных лучей (которые теперь не компенсируются полностью прямым лучом). При дальнейшем увеличении количества людей уровень сигнала значительно падает, так как перекрываются как отраженные лучи, так и прямой. На максимальной частоте 900 МГц все описанные выше эффекты подчеркиваются еще больше.
Особенности моделирования потерь при переходе сигнала из откры- - пространства в помещение Исследование затухания вне помещений На основании анализа полученных расчетных и экспериментальных Д -ЇЇ Т зависимости мощности принимаемого сигнала от расстояния между приемнц:есо;м передатчиком на открытом пространстве (рис. 4.14), можно сделать следу выводы:
Зависимость мощности принимаемого сигнала от расстояния между приемником и передатчиком на открытом пространстве
При распространении сигнала вне помещения с низким расположением антен показатель степени для прямой видимости п = 2 не соответствует экспериментальным данным. Лучше всего модель совпадает с экспериментом при и=3,5, что соответствует распространению вне прямой видимости. Это можно объяснить сильным влиянием земной поверхности на распространение при высотах антенн, близких к нулю.
При распространении в здании общий характер распространения близок к распространению в прямой видимости (п-2), но отклонения очень значительны от логарифмического закона. Это объясняется множественными отражениями, характерными для помещений, которые могут, как усилить, так и ослабить сигнал. Также сильное влияние оказывает интерференция, преломление волн при прохождении через стены и перекрытия из различных материалов, расположение мебели, закрытое или открытое положение дверей и передвижение людей.
Затухание мощности сигнала при высоте расположения антенны приемника Ъг = Л и при достаточно высоком расположенной антенне передатчика \ »Л близко к значениям, предсказываемым моделью распространения в свободном пространстве.
Данные, полученные при проведении измерений затухания, могут быть полезны при территориальном планировании сенсорных сетей при расположении приемопередатчиков вблизи поверхности Земли (рис. 4.15).
Собственно, отдельной модели для описания изменения сигнала в помещении в гибридной модели не существует - сама модель сделана для помещений. В ряде случаев, когда система связи имеет оборудование (включая мобильные станции), размещенной как в помещении, так и на улице, для описания дополнительных потерь используют дополнительные слагаемые в виде Кю.
В качестве- модели для описания затухания сигнала между помещением и открытым пространством (вне-внутри помещений) в гибридной модели используется известный подход (рис. 1.15), близкий к рассмотренному выше учету углов скольжения, но для дверных и оконных проемов зданий. Ki0 - коэффициент затухания, обусловленный потерями сигнала с учетом переходов из открытого пространства внутрь помещений или обратно. Показано, что более точный (в сравнении с традиционными моделями) расчет мощности в приемнике возможен с использованием полной гибридной модели в виде программы, реализованной, например, в среде Matlab. Результаты экспериментов и расчетов (гибридная модель) по затуханию сигнала при проникновении в здание извне представлены на рис. 4.16.
