Введение

В ходе изучения дисциплины «Программные средства обработки информации» студенты знакомятся с пакетом математических и инженерных расчётов Mathcad. Для закрепления навыков работы студентам предлагается использовать программное обеспечение альтернативное данному, но бесплатное SMathStudio для выполнении контрольной работы. Контрольная работа посвящена первому знакомству студентов, обучающихся по профилю «Системы радиосвязи, мобильной связи и радиодоступа», с системами связи с подвижными объектами (ССПО). В дальнейшем полученные знания будут закрепляться в таких дисциплинах, как «Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства», «Теоретические основы систем мобильной связи», «Сети и системы мобильной связи».

В качестве результатов выполнения контрольной работы необходимо представить преподавателю:

  • SMathStudio -файл с комментариями проведенных расчетов;
  • пояснительную записку, содержащую:
    • титульный лист, оформленный с соблюдением требований ГОСТа;
    • содержание;
    • введение, включающее в себя описание основных характеристик стандарта ССПО, полученного в индивидуальном задании;
    • расчет характеристик антенны базовой станции (БС), таких, как коэффициента направленного действия (КНД), коэффициента усиления (КУ), диаграммы направленности (ДН) в горизонтальной и вертикальной плоскостях с построением их на графиках;
    • расчет характеристик антенно-фидерного тракта, а именно расчет потерь в питающем фидере;
    • расчет уровня затухания при распространении радиоволн (РРВ) в реальных условиях;

Варианты заданий содержатся в конце данного документа.

Исходными данными являются:

  • Стандарт ССПО.
  • Место расположения БС.
  • Тип антенны БС.
  • Высота мачты БС.
  • Тип радиокабеля.
  • Модель РРВ.

Описание основных характеристик стандарта ССПО

Стандарты (протоколы) систем связи с подвижными объектами (ССПО) отличаются большим многообразием.

В ходе проектирования любой ССПО возникает необходимость в определении зоны покрытия, где будет обеспечена связь с заданными качеством и надежностью. При решении этой задачи важно определение ожидаемой дальности связи, осуществляемой между стационарной базовой станцией (БС) и подвижными объектами (ПО).

Дальность действия ССПО или зона покрытия зависит от таких факторов как:

  • параметры передающей и принимающей аппаратуры:
    • мощность передатчика;
    • чувствительность приемника;
    • характеристики направленности передающей и приемной антенны;
    • высота подвеса антенны БС;
    • потери в антенно-фидерном тракте;
    • уровень внешних и внутренних шумов на входе приемника;
  • статистические закономерности распространения радиоволн (РРВ) в реальных условиях;
  • параметры радиоканала связи и т.д.

Первый раздел контрольной работы посвящен краткой характеристике стандарта ССПО, указанного в техническом задании вашего варианта контрольной работы.

В таблице 1 привести основные технические характеристики стандарта ССПО из задания к контрольной работе, которые используются или использовались операторами систем сотовой связи в России.

Таблица 1 – Технические характеристики стандарта ССПО

п/п

Стандарт ССПО

Частота работы стандарта ССПО

Максимальная мощность приемника

Чувствительность приемника

Отношение сигнал/шум

 

 

 

 

 

 

Следующим разделом контрольной работы является расчет характеристик антенны БС, а именно расчет КНД, КУ и ДН.

Расчет характеристик антенны БС

Направленные свойства передающей и приемной антенн определяются их пространственной характеристикой направленности. Но для лучшего восприятия характеристику направленности принято разделять на две плоскости: горизонтальную и вертикальную и рассматривать уже диаграммы направленности антенны. Диаграммой направленности называют зависимость напряженности поля, создаваемого антенной в дальней зоне от угла наблюдения. В вертикальной плоскости относительно поверхности земли используется обозначение угла φ, в горизонтальной - (рис.1).


Рисунок 1

Рассмотрим направленные свойства некоторых типов антенн, используемых в БС ССПО.

Антенна «Граунд-плейн»


Рисунок 2 – Антенна «Граунд-плейн»

Конструкция этой антенны схематично показана на рисунке 2. Антенна состоит из несимметричного вибратора длиною , противовеса, выполненного из равномерно ориентированных по азимуту проводников (от трех до шести), и антенной мачты, внутри которой проходит коаксиальный кабель.

Диаграммы направленности такой антенны в разных плоскостях определяются с помощью следующих выражений:


, где - волновое число (постоянная распространения),

λ – длина волны ; с- скорость света; f – частота стандарта ССПО;

- длина несимметричного вибратора; (рекомендуется 0,5λ);

Коэффициент направленного действия антенны (КНД) характеризует направленные свойства антенны и является количественной оценкой выигрыша по излучаемой мощности при использовании направленной антенны вместо изотропной. КНД для данного типа антенны вычисляется по следующей формуле:

где Dнорм(φ) и Dнорм(θ) – нормированные диаграммы направленности в соответствующих плоскостях.

Кольцевая антенна


Рисунок 4 – Вариант построения кольцевой антенны

Одна из конструкций кольцевой антенной решетки показана на рисунке 4. Антенна представляет собой вертикальную решетку из поперечных вертикальных полуволновых (т.е., λ - рабочая длина волны) бивибраторов (шлейф вибраторов Пистолькорса), размещенных на металлической мачте, которая служит и как рефлектор и как опорная конструкция. Число бивибраторов на этаже - 4, остальные обозначения ясны из рис.4.

Диаграммы направленности в свободном пространстве решетки, возбуждаемой с одинаковыми амплитудами и фазами, выражается следующими уравнениями:

где k=2*π/λ - постоянная распространения;

λ – длина волны ; с- скорость света; f – частота стандарта ССПО;

n - это число этажей антенны;

dреф =1,5*λ - расстояние между бивибраторами;

dэт = 0,35*λ - расстояние между этажами антенны;

В горизонтальной плоскости:

E1(θ):=sin(k*dреф*cos(θ))

E2(θ):=sin(k*dреф*cos(π/2-θ))

ɣ:=k*1/2(dреф+D)*( cos(θ)-cos(π/2-θ))

D- диаметр антенной мачты взять равным 0.1 м

dреф =1,5*λ - расстояние между бивибраторами;

Коэффициент направленного действия (КНД) кольцевой антенной решетки определяется следующим выражением:

где Dнорм (φ) и Dнорм(θ)- нормированные диаграммы направленности в соответствующих плоскостях .

Панельная антенна


Рисунок 5 – Вариант построения панельной антенны

Одна из возможных конструкций панельной антенны изображена на рисунке 5. Металлический кожух квадратного сечения, на каждой стороне которого размещены два симметричных полуволновых вибратора, представляет собой панель антенны. С целью увеличения КНД панели монтируются на антенной мачте друг над другом на одинаковых расстояниях dэт. Число панелей на практике выбирается в пределах от 2 до 8. Металлический кожух играет роль апериодического рефлектора и, кроме того, служит элементом крепления симметричных вибраторов. Питание антенны осуществляется коаксиальным кабелем, проходящим внутри антенной мачты.

Если предположить, что все симметричные вибраторы панельной антенны возбуждаются синфазно, то диаграммы направленности данной антенны могут быть рассчитаны с помощью следующих выражений:

В вертикальной плоскости:

где

λ – длина радиоволны;

(λ=с/f; где с- скорость света; f – частота стандарта в МГц ССПО (см. характеристики стандарта ССПО по заданию к РГР);

n- число этажей;

dэт – расстояние между этажами ( рекомендуется брать 1,2*λ);

dреф- расстояние между вибратором и металлическим кожухом (рекомендуется брать 0,25*λ);

В горизонтальной плоскости

Максимальный коэффициент направленного действия(КНД) панельной антенны определяется с помощью следующего выражения:

где Dнорм (φ ) и Dнорм(θ)- нормированные диаграммы направленности в соответствующих плоскостях .

В заключении данного раздела рассмотрим расчет коэффициента усиления G антенн БС.

Коэффициент усиления (КУ) любой антенны в максимуме излучения определяется следующим соотношением:

Dнорм(θ) – нормированная диаграмма направленности:

Dнорм(θ)=D(θ)/D(θmax),

где θmax - направление максимального излечения антенны.

В контрольной работе следует принять КПД антенн БС равным 0,92÷0,96.

Третий раздел контрольной работы посвящен

Расчет потерь в питающем фидере

Потери в фидере, соединяющем передатчик с антенной, определяются как произведение длины фидера на величину погонного затухания (затухание на одном метре) радиокабеля, примененного для фидера.

(величину погонного затухания данного в задании на расчетную работу радиокабеля найти самостоятельно).

Четвертый раздел контрольной работы посвящен

Расчет уровня затухания при распространении сигнала в реальных условиях

Максимально допустимые потери (МДП) – это потери, которые сигнал может претерпеть при распространении от базовой станции до оборудования пользователя и все еще может быть распознан мобильным устройством. Полученные значения МДП используются в модели по прогнозу затухания радиоволны для различных условий, чтобы найти радиус действия базовой станции и площадь покрытия.

Для прогноза радиуса действия в городах и загородных областях, используется различные модели.

Определение среднего уровня затухания при распространении радиоволн над квазиплоской поверхностью.

а) модель Хата

Средний уровень потерь при распространении радиоволн над квазиплоским городом, согласно эмпирической модели Хата, определяется следующим образом:

L(r)= - [ 69.55+56.16*lg(f)-13.82*lg(Hbc)+ [44.9-6.55*lg(Hbc)]*lg(r)+ah-aUr]

где f – частота работы стандарта ССПО (в Мгц);

r – расстояние от БС до ПО (км);

Hbc – высота антенны БС ( над уровнем земли, т.е. высота здания + высота мачты антенны);

ah=4.97-3.2*lg2(11.75* hpo); - поправочный коэффициент, учитывающий высоту антенны подвижного объекта

где hpo = среднему росту человека;

aUr=(1-Ur)*[(1-Ur*2)*γ1+4Ur*γ2];- вспомогательный коэффициент, учитывающий характер местности.

где γ1=4.78*lg2(f) - 18.33*lg(f) + 40.94;

γ2=1*lg2(f/28)+5.4;

Ur- параметр, характеризующий тип местности;

Ur=0, для сельской местности

Ur=0,5 для пригорода

Ur=1, для города

Расчет функции потерь ( L(r) ) провести для r∈[0..5]; ∆r=0.01 по четырем направлениям света: север, юг, восток и запад, анализируя покрываемую территорию. Построить графики функции.

b) Модель COST 231 – Hata (Mogensen)

Могенсен с соавторами совместно с европейской ассоциацией EVRO-COST предложили новую версию метода Hata, верную для частот от 1,5 ГГц до 2 ГГц. Стандартная формула для расчета средних потерь мощности в условиях города.

, (дБ),

Где

Gms = 0 дБ постоянная для городов средних и крупных размеров с умеренной растительностью ;

Gms= 3 дБ для столичных центров.

Допустимые границы параметров:

f0: 1500 – 2000 МГц ;

hbs : 30 – 200 м ; высота базовой станции;

hm:1 – 10 м ; высота мобильной антенны;

r: 1 – 20 км .

Эта формула позволяет рассчитать широкий класс радиоканалов связи с учетом конкретных условий распространения радиоволн (частота несущей, высота подвеса приемной и передающей антенн, окружающего пространства и сильно зависит от практического опыта специалиста).

Модели Hata и модель COST231 –Hata можно использовать при hbs>30 м, но можно и на более низких высотах при условии, что соседние строения ниже антенны. Не подходит эта модель для оценки затухания сигнала, если r< 1 км. В этом случае затухание сильно зависит от топографии местности, в которой происходит распространение. Нельзя использовать на улицах с высокими строениями (по так называемым уличным каньонам).

Расчет функции потерь (L(r)) провести для r∈[0..5]; ∆r=0.01 по четырем направлениям света: север, юг, восток и запад, анализируя покрываемую территорию. Построить графики функции.

c) Средний уровень потерь при распространении радиоволн над квазиплоским городом, согласно эмпирической модели Ли , определяется следующим образом:

L(r)= - Po - µ*lg(r) – Lдоп;

Где Lдоп=n *10*lg(f/900) + 20*lg( Hbc/30.48) + m*10*lg(hpo/3) - 65.6;

Где f – частота работы стандарта ССПО (в Мгц);

r – расстояние от БС до ПО (км);

Hbc – высота антенны БС ( над уровнем земли, т.е. высота здания + высота мачты антенны);

hpo = среднему росту человека;

Po=61.7;

n=-3;

m=1.5;

µ- угол наклона характеристики потерь (определяется в зависимости от характера местности;

µ=28, если территория имеет плотную городскую застройку;

µ=38.4. если территория частного сектора;

µ=43.5 , если трасса пролегает над водой;

µ=20, если свободное пространство (сельская местность);

Расчет функции потерь (L(r)) провести для r∈[0..5]; ∆r=0.01 по четырем направлениям света: север, юг, восток и запад, анализируя покрываемую территорию. Построить графики функции.

Список литературы

1. Бабков В.Ю., Цикин И.А. Сотовые системы мобильной радиосвязи: учеб. пособие. -2-е изд. – СПб.: БХВ-Петербург, 2013. – 432 с.

Варианты заданий для контрольной работы

по курсу «Программные средства обработки информации»

Задание для контрольной работы:

На базе пакета SMathStudio создать файл, автоматизирующий расчет следующих характеристик:

1. Расчет КНД и КУ антенны БС. Построение диаграмм направленности антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

2. Расчет потерь в питающем фидере.

3. Расчет уровня затухания при распространении радиоволн (РРВ) в реальных условиях по заданной в исходных данных модели.

Исходные данные для контрольной работы студент выбирает из таблицы, приведенной ниже. Ваши данные находятся в строке, номер которой совпадает с двумя последними цифрами вашего пароля.

Если вы студент иногородний, место положение базовой станции (БС) выберите на самом высоком здании центра вашего населенного пункта (на жилых здания нельзя),

Исходные данные для контрольной работы  по курсу "Программные средства обработки информации"

Стандарт ССПО

Место расположения БС

Тип антенны БС

Высота мачты БС

Тип радиокабеля(для фидера)

Модель РРВ

1

GSM 900

ГУМ

"Грауд-плейн"

3

РК-50-2-11

Ли

2

WiMAX

Гостибирь

Кольцевая

4

РК-50-4-11

Сost231-Хата

3

GSM 1800

плалинина

Панельная

5

РК-50-7-11

Ли

4

LTE

дккалова

Коллинеарная

6

РК-50-9-11

Сost231-Хата

5

WiMAX

НГТУ

"Грауд-плейн"

2

РК-50-2-11

Хата

6

GSM 1800

Ун-маг Октябрьский

Кольцевая

3

РК-50-7-11

Ли

7

NMT-450

дкорького

"Грауд-плейн"

4

РК-50-2-11

Ли

8

AMPS

пл. Станиславского

Панельная

5

РК-50-9-11

Хата

9

LTE

Центрелеграф

Кольцевая

6

РК-50-4-11

Ли

10

WiMAX

Сибрмарка

Коллинеарная

2

РК-50-2-11

Хата

11

NMT-450

СибГУТИ

"Грауд-плейн"

3

РК-50-7-11

Хата

12

AMPS

МДМ Банк

Кольцевая

4

РК-50-9-11

Ли

13

GSM 1800

Управление Метрополитена

"Грауд-плейн"

4

РК-50-2-11

Ли

14

LTE

НГАЭиУ

Коллинеарная

5

РК-50-4-11

Сost231-Хата

15

WimMAX

ГПНТБ

Панельная

6

РК-50-9-11

Сost231-Хата

16

AMPS

ЦУМ

Кольцевая

4

РК-50-7-11

Хата

17

GSM 900

гост. Новосибирск

Коллинеарная

5

РК-50-2-11

Ли

18

LTE

НГПУ

"Грауд-плейн"

3

РК-50-4-11

Ли

19

NMT 450

НГАУ

"Грауд-плейн"

6

РК-50-7-11

Ли

20

GSM 1800

ТК "Континент"

Панельная

4

РК-50-9-11

Хата

21

LTE

ТК "АУРА"

Коллинеарная

5

РК-50-7-11

Сost231-Хата