ISSN 1991-3087

Свидетельство о регистрации СМИ: ПИ № ФС77-24978 от 05.07.2006 г.

ISSN 1991-3087

Подписной индекс №42457

Периодичность - 1 раз в месяц.

Вид обложки

Адрес редакции: 305008, г.Курск, Бурцевский проезд, д.7.

Тел.: 8-910-740-44-28

E-mail: jurnal@jurnal.org

Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100
Яндекс.Метрика

Методика повышения точности расчётов радиопланирования сотовой подвижной радиосвязи.

 

Пищин Олег Николаевич,

соискатель института Информационных технологий и телекоммуникаций Астраханского Государственного Технического Университета,

руководитель группы частотно-территориального планирования и сопровождения радиочастотных заявок ЗАО «Астрахань GSM».

 

Введение.

 

В настоящее время планирование сетей подвижной радиосвязи и оптимизация уже построенных сетей не может проходить без автоматизированного расчёта на программных комплексах планирования (ПКП) подвижной радиосвязи. Расчёты планируемых зон радиопокрытия производятся ПКП с использованием трёхмерных цифровых карт. Цифровые карты, имея различную масштабность, имеют различные градации точности по полноте отображения местных предметов. Неполная информативность цифровых карт приводит к ошибкам в расчётах и впоследствии к ошибкам в принятии решений по планированию и строительству сетей сотовой связи. Необходимо разработать методику расчёта, с помощью которой можно было бы нивелировать недостаточную информативность цифровых карт  и снизить технический и финансовый риск сотовых компаний при планировании различных проектов.

 

Основная часть.

 

В качестве примера исследования был выбран ПКП «RPLS ONEGA» и цифровые карты масштабов: 1:100000 (для сельской местности) и 1:10000 (для городов). Основным их недостатком является отсутствие отдельно стоящих деревьев и лесных массивов, протяжённостью менее 10 м на картах масштаба 1:10000 для городов и отсутствие массивов древесных насаждений (ДН) протяжённостью менее 100 м для карт масштаба 1:100000.

Рекомендуемый масштаб для проведения расчётов в городской черте не менее 1:50000 [1], однако даже карты масштаба 1:10000 не отображают отдельно стоящих деревьев (рис. 1). Ввиду отсутствия на цифровых картах реально существующих ДН (рис. 1Б) при проведении расчётов радиопланирования накапливается значительная доля ошибки, увеличивающаяся с увеличением протяжённости радиотрассы.

 

Рис. 1.

Вид участка города цифровой карты  масштаба 1:10000 (А) и с искусственно нанесёнными,

реально существующими деревьями (Б).

 

Исследования протяжённости древесных насаждений, не отображаемых цифровыми картами, в городской черте (наличия крон деревьев) была рассчитана методом сравнения данных озеленения города (на примере города Астрахань) [3] и данных протяжённости ДН 30-ти радиолиний, построенных ПКП «RPLS ONEGA» в различных районах города. Другим способом исследования стали подсчёты необозначенных на цифровых картах ДН на местности, с учётом средней ширины крон деревьев. Среднее арифметическое значение протяжённости отдельно стоящих ДН, не обозначенных на цифровых картах, по результатам проведённых экспериментальных исследований, составило ≈ 256 м на каждый километр радиолинии.

Затухание радиосигнала в листве древесных насаждений, не отображаемых цифровыми картами, обозначим как: Zср и получим:

,                                                                                            (1)

где 256 – протяжённость радиолинии в метрах, реально существующих, но не отображённых ДН на цифровых картах и подлежащие для  дополнительного  расчёта затухания в листве; R – протяжённость радиотрассы в метрах; am ср – погонный коэффициент затухания в листве (дБ/м). Согласно исследованиям [2], затухание радиосигнала в листве ДН для различных стандартов составляет: .

Методика (1) уточнения расчёта затухания подходит только для населённых пунктов с 40% зелёных насаждений, которые являются нормой [3] для озеленения населённых пунктов. Для того, чтобы расчёт был более универсален необходимо дополнить методику возможностью её корректировки за счёт коэффициента озеленения любого из населённых пунктов, так как коэффициент озеленения различен для различных городов в различных регионах. Таким образом, необходимо правую часть формулы (1) разделить на нормативный и умножить на реальный коэффициент озеленения населённого пункта.

 ,                                                                          (2)

где Nнорм - коэффициент нормативной величины озеленения города в процентах (40%). Обозначив коэффициент реального озеленения населённого пункта как kоз , получим:

,                                                                                      (3)

где kоз  - коэффициент озеленения города (от 0 до 40%); R  - протяжённость радиотрассы в городской черте в км; kоз  - коэффициент озеленения города (от 10 до 40%); αm ср – средний погонный коэффициент затухания в листве.  

Полученная методика расчёта затухания радиосигнала (РЗР) верна в случае нахождения подвеса антенны базовой станции на уровне деревьев или ниже уровня зелёных насаждений.  Известно, в случае, если антенны базовой станции будет находиться выше уровня зелёных насаждений, то часть протяженности трассы радиолинии на некотором участке выйдет из так называемой лесной зоны и будет распространяться в свободном пространстве (рис.2). Таким образом, протяжённость радиотрассы в зелёных насаждениях будет сокращена на величину, зависимую от высоты деревьев (леса) hлеса, высоты подвеса антенны базовой станции hBS и высоты расположения антенны мобильной станции hMS .

Ввиду небольших расстояний, рассчитываемых для городской черты при проведении процесса оптимизации, земную поверхность можно считать  гладкой [2], тогда (из свойств прямоугольного треугольника) запишем:

, отсюда:

,                                                                                     (4)

где Rлеса  - протяжённость радиотрассы в лесу (км); R  - общая протяжённость радиотрассы (км); hBS  - высота подвеса антенны базовой станции (км); hлеса  - высота зелёных насаждений (леса) (км); tgθ - тангенс угла скольжения (угол входа радиоволны в лесной массив).

 

Рис. 2.

Трасса прохождения радиосигнала в случае подвеса антенн выше зелёных насаждений.

 

Таким образом, методика РЗР в ДН, не обозначенных на цифровых картах с учётом уточнения высокоподнятых антенн имеет вид:

                                    (5)

Методика расчёта Zср является сезонной, и, тем не менее, если листва, опадающая в зимний период,  увеличивает проницаемость радиоволн при прохождении через ДН, то стволы и ветви деревьев, продолжают представлять собой преграду для распространения радиоволн, так как расстояние между ветвями сравнимо с длинами волн, используемых в сотовой подвижной радиосвязи. Этот вопрос оставался до настоящего времени не исследован.

Ввиду того, что комплексная преграда из стволов деревьев и ветвей представляет собой своеобразную структуру, аналогичную сети с разомкнутыми ячейками, стволы и ветви деревьев будут вносить некоторое затухание для радиосигналов сотовой связи. Если не учитывать это свойство, то можно получить погрешности при проведении расчётов зоны радиопокрытия в зимний период при предварительном планировании, что практически подтверждается.

При исследовании затухания радиосигнала за счёт ДН в зимний период древесные насаждения рассматривались как сложная структура, представляющую собой вертикально ориентированную в пространстве слоистую структуру [2]. Смоделирован уровень затухания радиосигнала методом сравнения площадей, встающих на пути движения радиоволн и препятствующих их распространению в различные сезоны. Исходя  из того, что погонный коэффициент затухания в листве в летний период известен [2]. Разница затухания радиосигнала сотовой связи в ветвях получена по сравнению с листвой оказалась меньше приблизительно в 5 раз. Отсюда:

                             (6)

Проведённые эксперименты в зимний период показали математическое ожидание значение погонного затухания в ветвях деревьев на исследуемой частоте f = 1851,4 МГц: M( αm ср зим ) 0,065 (дБ/м), что не опровергает значений, полученных теоретическими исследованиями [2].

Полученный экспериментальный показатель αm ср зим (табл.1) достаточно близок по значению со значениями, полученными в ходе математического моделирования.

И, если учесть, что во время эксперимента использовалась частота 743-го номинала (действительная частота излучения передатчика:  fпер.=1851,4 МГц), то цифровое значение  αm ср зим, должно находиться между значениями стандартов, работающих на частотах 1800 и 1900 МГц (табл.1).

Таким образом, методика РЗР, учитывающая затухание радиосигнала в древесных насаждениях, не отображаемых цифровыми картами города эффективна, как для летнего, так и для зимнего периода. С условием, что при расчётах необходимо  использовать сезонные значения погонного затухания радиосигнала в листве - для летнего периода, а значения погонного затухания радиосигнала в ветвях - для зимнего.

 

Таблица 1.

Сравнительная таблица полученных средних значений погонного затухания в ветвях деревьев в зимний период.

f, МГц

m ср зим дБ/м

Теория [2]

Эксперимент

900

0,0324

 

1800

0,0648

 

1850

0,0665

0,0653

1900

0,0683

 

2000

0,0697

 

 

Для уточнения полученной методики РЗР при проведении расчётов в пригородной зоне или сельской местности был проведён анализ цифровых карт, используемых при расчётах уровня мощности сигнала внегородской черты. Основной используемой для проведения расчётов радиопланирования является карта масштабом: 1:100000. Это означает, что зелёные насаждения протяжённостью менее 100 м, и, тем более, отдельно стоящие деревья на цифровой карте не отображены. Методика (РЗР) за счёт не обозначенных на цифровых картах ДН (5) остаётся верной и для посёлков городского типа и сёл, с условием изменения числового коэффициента: 6,4, для цифровых карт масштаба 1:100000 до 10, и имеет вид:

                                                                           (7)

Для проверки достоверности методики РЗР были проведены натурные эксперименты измерения уровней затухания с учётом ДН комплексом мониторинга подвижной сотовой     радиосвязи «Agilent-E74» с использованием специализированных тестовых телефонов 3-х различных моделей. Результаты эксперимента проверены на адекватность. Относительная ошибка проведённых измерений за счёт эффекта быстрых замираний сигнала составляет: eср ≈ 14 %. Значение рассчитанной дисперсии () находится в доверительном интервале (3,56 <  < 11,6) дисперсии нормального случайного признака (по анализу «остатков» Пирсона). Расчёт коэффициента детерминации показывает, что около 60 % качественных изменений можно объяснить за счёт использования новой методики РЗР в ДН.

Проведён однофакторный дисперсионный анализ. Проверена нулевая гипотеза по F-критерию (критерий Фишера) о равенстве факторной и остаточной дисперсии. Дисперсия адекватности не отличается значимо от дисперсии воспроизводимости, то есть ошибка методики РЗР и ошибка, связанная с точностью эксперимента, на основе которого построена методика, адекватны: (1,34 < 19,3).

Вывод: Разработанная методика РЗР повышает эффективность расчётов ПКП, учитывая затухание радиосигналов в диапазоне сотовой  связи стандарта GSM/DCS/PCS в древесных насаждениях, не обозначенных на цифровых картах, вне зависимости от сезона, тем самым устраняющая ошибки расчётов комплексов планирования подвижной радиосвязи из-за недостаточной информативности цифровых карт.

Проведённые эксперименты в г. Астрахань показали повышение точности проведения расчётов на ПКП «ONEGA» за счёт использования методики РЗР с 79-82 % до 94-98 % (рис.3).

 

Рис. 3.

Повышение эффективности расчётов ПКП подвижной радиосвязи за счёт использования «Методики РЗР» при проведении экспериментов на удалении от базовой станции на 210, 400, 450 и 500 м.

 

Заключение.

 

Использование полученной методики в расчётах  позволит учесть затухание сигнала в древесных насаждениях и, тем самым, нивелировать неточности цифровых карт масштаба 1:100000 и 1:10000, используемых операторами сотовой подвижной радиосвязи.

Впервые получены значения погонного затухания радиосигнала в ветвях деревьев в зимний период, что позволит отслеживать сезонные изменения радиопокрытия сети и регулировать её параметры с целью повышения качества обслуживания абонентов.

Результаты работы могут быть использованы для уточнения расчетов предварительного планирования вне зависимости от сезона, как в городской черте, так и вне города.

Среднее увеличение точности проведения расчётов в зависимости от степени озеленения населённых пунктов  происходит на 15-25%.

 

Литература.

 

1.    Кирюшин Г. В., Маслов О. Н., Шаталов В. Г. Проектирование, развитие и электромагнитная безопасность сетей сотовой связи стандарта GSM. - М.: Радио и связь, 2000. - 148 с.

2.    Попов В. И. Основы сотовой связи стандарта GSM. – М.: Эко-Тренз. Москва, 2005. – 296 с.

3.    Генеральный план развития Астрахани: Транспорт и недвижимость / Региональный журнал – справочник «Земля и недвижимость» №4, 2007 г. c.12. (По материалам сайта www.astrakhan.urbanistica.ru).

 

Поступила в редакцию 15.06.2008 г.

2006-2018 © Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов.
Все материалы, размещенные на данном сайте, охраняются авторским правом. При использовании материалов сайта активная ссылка на первоисточник обязательна.