Разпространение на радиовълни в пикоклетки

Весеслава Николаева Лалова*

*Национален Военен Университет, Факултет „Артилерия, ПВО и КИС”, 9700 Шумен, България, ул.”Карел Шкорпил №1, E-mail: smarfietka_13@abv.bg”

Резюме: Пикоклетките служат за покриване с радиосигнал във вътрешността на сградите. Тези устройства работят основно на два принципа: принципа на лъчевата оптика и на базата на разпределение на нивото на сигнала чрез емпирични уравнения.

Ключови думи: дисперсия, Френелови уравнения, диаграма на насоченост.

Пикоклетките са предназначени за покриване с радиосигнал на свободните пространства във вътрешносттa на сградите. Те се използват предимно за:

• 
  области с голяма гъстота на телефонния трафик (търговски центрове, летища, административни сгради),
  
• 
  приложения с големи преносни скорости (безжични локални мрежи WLAN).
  

В литературата разпространението на радиосигнала в сградите се означава като вътрешно (Indoor) разпространение и моделите, които го описват ще наричаме модели на вътрешно разпространение.

Моделите, които описват разпространението на вълните в пикоклетки, трябва да бъдат съобразени със следните особености:

• 
  съществува значително голямо влияние от геометричните форми,
  
• 
  в повечето случаи не е възможно да се използуват прости, евентуално многопътни модели на разпространение,
  
• 
  моделите трябва да вземат предвид минималните прониквания на сигнал през стените и подовете на сградите.
  

• 
  детерминирани модели;
  
• 
  емпирични модели;
  
• 
  семи-емпирични модели;
  
• 
  семи-детерминирани модели;
  
• 
  хибридни модели.
  

Най-използуваните детерминирани модели за предвиждане на разпределението на мощността на сигнала в сгради са моделите, които се основават на принципа на лъчевата оптика (накратко оптични модели, Ray-Optical models). Тези модели апроксимират електромагнитната вълна с лъч, който се разпространява по посоката на нейния нормален вектор.

Такова разглеждане на вълната води към значително опростяване на изчисляването на разпространението на вълната, при което например за изчисляване, както на отраженията, така и на преминаването през преградите, е възможно да се използуват Френеловите уравнения, а за изчисляване на дифракцията - теорията GTD или UTD. Обикновено обаче, са достатъчни само емпиричните уравнения на дифракцията.

Главната цел е да се опишат всички възможни лъчи, разпространяващи се от предавателя към приемниците, в следствие на отражения, дифракции и разсейвания от прегради.

Основен недостатък на тези модели е, че времето необходимо за изчисляване на мощността на сигнала в определена точка нараства значително, тъй като в действителност лъчите са безкрайно много. Поради това броят на лъчите се намалява чрез поставяне на ограничителни условия за максимален брой взаимодействия с прегради. Обикновено това са най-много шест взаимодействия, от които една дифракция. Това ограничение се основава на факта, че мощността на един лъч, след повече взаимодействия, може да се пренебрегне.

На практика за определяне на лъчите най-често се използуват два метода: метод на проследяване на лъчи и метод на изстрелване на лъчи. Първият метод търси лъчите на принципа на взаимната видимост и резултантния огледален образ на източника, което е много критично по отношение на времената. Вторият метод се основава на изстрелване на лъчи под различни ъгли, които при достигане на прегради създават нови фиктивни източници. По този начин отпада изчисляването на разстоянието, без обаче да се отчита, че в действителност лъчът може да премине през тънка преграда.

Емпиричните модели описват разпределението на нивото на сигнала чрез емпирични уравнения, създадени на базата на множество измервания. В случай, че разпределението на преградите (стени, подове, мебели, ...) е хомогенно или нямаме на разположение база данни за тяхното местоположение и параметри, е удобно да се използува моделът с една стръмност (Опе-Slope model). Този опростен модел описва разпространението на сигнала като сферична вълна, нивото на която намалява линейно с логаритъма на разстоянието в хомогенно пространство, причиняващо загуби на сигнала, пропорционални на количеството и свойствата на преградите. Стръмността на намаляването на сигнала е по-голяма от тази в свободно пространство и е изразена чрез коефициента на загуби а в уравнението (1), описващо този модел

(1)

За коефициентите в повечето случаи съществуват таблици в зависимост от видовете сгради ( до ). По-точна стойност за коефициента а може да се получи чрез многократни измервания.

В случаите, когато антените на базовите станции в сградите са разположени в дълги коридори, които причиняват вълноводен ефект или в случаите, когато има различни видове стени и помещения с различна големина, точността на модела с една стръмност е недостатъчна. Тогава е необходимо да се използуват по-точните семи-емпирични модели, които се съобразяват с конкретното разположение на стените и подовете. Един от тези модели е линейният многостенен (Multi Wall) модел, който замества многопътното разпространение на сигнала с един фиктивен приет лъч, загубите на който могат да се опишат чрез емпиричното уравнение

(2)

където са загубите от стените, са загубите от пода, е броя на подовете, през които преминава прекият лъч.

Първите две събираеми са еднакви с този на модела с една стръмност. Третото събираемо отчита влиянието на стените, в съответствие с уравнението (4). Последното събираемо отчита влиянието на броя на етажите (подовете), през които е преминал прекият лъч. Обикновено се приема, че подовете са направени от един и същ материал.

Моделът, който отчита влиянието на различните видове подове, се нарича модел на Keenan-Motley, който се различава от многопътния модел по последното събираемо

(3)

където е броят на различните видове подове. Стойността на е по-малка от тази в модела с една стръмност, защото не би трябвало да бъде прекалено силно повлияна от броя и разположението на стените. Поради това често се приема, че , което съответства на разпространение на сигнал в свободно пространство. В сгради с дълги коридори коефициентът обикновено намалява още повече поради вълноводния ефект на коридорите.

Загубите, причинени от стените могат да се изчислят чрез уравнението

(4)

където са загубите на прекия лъч при преминаването му през стени от тип , е броят на стените от тип , през които преминава прекият лъч и е броят на типовете стени.

С увеличаване на броя на етажите линейната зависимост на загубите става неподходяща и за е по-добре да се използува по-точният нелинеен многостенен (Multi Wall) модел COST 231

(5)

където е емпиричен параметър.

В този модел коефициентът на загуби се приема за константа равна на две, което съответства на разпространение в свободно пространство. Тук обаче е добавен емпиричният параметър , който определя скоростта на увеличаване на загубите с увеличаване на броя на етажите. Обикновено стойностите на са около 0,46.

Обикновено точността на семи-емпиричните модели е достатъчна. В случаите на сгради с по-голям брой структури, или цели комплекси от сгради с много крила, големи зали и дълги коридори, използуването на един набор от емпирични константи за целия комплекс е недостатъчно и точността на изчисленията намалява. Проблемът се решава чрез използуването на различни набори емпирични константи за различни части на сградите или използуването на други, по-универсални модели (семи-детерминирани или детерминирани).

Тези модели са възникнали в резултат на усилията да се комбинират предимствата на детерминираните и емпиричните модели. Обикновено се основават или на лъчевите модели, допълнени с емпирични изрази, или подхождат към разглеждане на въпроса за разпространение на сигнала чрез изцяло други способи, като например моделът XYZ.

Алгоритъмът на модела XYZ се основава на метода за изстрелване на лъчи, метода Монте Карло и статистиката. Анализираното 3D (3 Dimentional - тримерно) пространство се разделя на равномерни паралелепипеди, в които е заложен характерът на пространството в определено място.

В зависимост от диаграмата на насоченост на предавателната антена се изстрелват лъчи в изследвания ЗD растер, в който лъчите се разпространяват по прости, 3D (пространствени) траектории. Когато лъчът попадне в паралелепипед, представляващ преграда, в зависимост от нейната околност, наричана мотив, се избира правдоподобна функция, която определя по-нататъшната посока на лъча, или неговата липса (абсорбция от преградата).

Във всеки паралелепипед се записват броят, ъгълът на падане и дължината на преминалите лъчи, от които данни, след достатъчно количество изстреляни лъчи, се изчислява резултантната мощност на сигнала, импулсната реакция и ъгъла на падане в определеното място.

Семи-детерминираните модели са компромис между детерминирания подход, произтичащ от точното математическо описание и емпирическия подход, основаващ се на уравнения получени чрез оптимизирани измервания. Например моделът XYZ е приблизително толкова точен, колкото лъчевите модели. При това скоростта на изчисление не е значително по-малка в сравнение с емпирическите модели.

Голямо влияние върху разпространението на вълните в сградите имат мебелите и тяхното разположение.

Ако предавателят и приемникът са разположени на такова разстояние, че Френеловият елипсоид е свободен, сигналът затихва по същия начин както в свободно пространство.

Ако разстоянието между предавателя и приемника се увеличи, увеличава се и широчината на Френеловия елипсоид и различните отражатели ще попаднат в неговата вътрешност. В резултат на това се получава бързо нарастване на загубите (почти експоненциално). Разстоянието, при което елипсоидът докосва отделните отражатели, се определя чрез израза

(6)

където S е широчината на свободното пространство и е пропорционална на честотата.

При разпространението на сигнали във вътрешността на сградите трябва да се разгледа и разпространението на сигнала между етажите на сградите.

В случая на железобетонни панели загубите достигат до 10 dB и повече, което означава, че сигналът в точките на приемане прониква по-скоро чрез дифракция (през прозорци, врати и др.), отколкото чрез разпространение през подовете.

Проникване на сигнал в сгради

При изчисленията трябва да се отчита обстоятелството, че при преминаването на сигнала през стените на сградите той затихва в зависимост от класификацията на средата (област с пряка видимост, град, център на град), от вида на отделните сгради (тухлени постройки, панелни сгради, небостъргачи) и тяхното разстояние от базовата станция.

Ориентировъчните стойности на фактора FVP са:

• 
  10 dB за област с пряка видимост,
  
• 
  18 dB за градска област.
  

• 
  мощността на сигнала нараства (във вътрешността на сградата) с нарастване на височината (долни етажи - големи загуби, горни етажи - възможен път LOS),
  
• 
  проникването на сигнала е функция на честотата на сигнала и височината на сградата (загубите при проникване намаляват с нарастване на честотата),
  
• 
  в помещение с прозорци загубите при проникване са с 6 dB по-малки отколкото в помещение без прозорци.
  

Удобно е да се използуват разпределени антени. В този случай областта на покритието се разпределя между повече антени, което има редица предимства:

• 
  по-малка обща необходима мощност и по-малка необходима мощност на една антена,
  
• 
  по-голяма вероятност за съществуване на пряка видимост между предавателя и приемника, в следствие на което се намалява разпространението на сигнала със закъснение и с това се дава възможност да се използуват по-големи скорости на пренасяне по канала.
  

• 
  сигналът се разпространява чрез отражения и около прегради в помещенията (мебели, хора), но не преминава през стените на помещението,
  
• 
  този честотен обхват се използува много малко от други комуникационни системи, което дава възможност да се отдели широка честотна лента за всеки канал (~ 100 MHz),
  
• 
  антените са много малки,
  
• 
  голямата широчина на честотната лента дава възможност да се постигнат високи преносни скорости на пренасяне по канала (използувани при B-ISDN ATM).
  

• 
  висока цена на устройствата (технологията не е още напълно развита),
  
• 
  възможна опасност за здравето на абонатите (необходимо е излъчваните мощности да са много малки).