7988

Исследование надежности работы систем связи с подвижными объектами

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Исследование надежности работы систем связи с подвижными объектами. ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЙ Изучить особенности проектирования систем связи с подвижными объектами (ССПО). Определить на трассах распространения сигнала одного направления  медианные мощности...

Русский

2013-01-31

82.5 KB

13 чел.

Исследование надежности работы систем связи с подвижными объектами

11.1. ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЙ

Изучить особенности проектирования систем связи с подвижными объектами (ССПО). Определить на трассах распространения сигнала одного направления  медианные мощности сигнала и его замирания. Рассчитать надежность связи и определить дальность связи в следующих  условиях:

·       городской застройки,

·      пригородной застройки,

·       без застройки и лесных массивов в сельскохозяйственных районах.

Общие положения

В ССПО используются две трассы распространения сигнала: передатчик базовой станции (БС) – приемник подвижного объекта (ПО) и передатчик ПО – приемник БС. Из двух перечисленных трасс последняя является определяющей для расчета надежности связи на трассе БС-ПО, так как передатчик ПО, особенно в виде переносной трубки абонента сотовой связи, имеет значительно меньшую мощность по сравнению с передатчиком БС.

В отличии от трасс распространения сигнала на радиорелейных линиях в наземных ССПО антенна подвижного объекта располагается в зоне интерференционного минимума Френеля, обусловленного интерференцией падающей от передатчика волны и зеркально отраженной от поверхности земли в противофазе, что приводит к определенным  закономерностям ослабления сигнала. Так для плоской и гладкой поверхности земли мощность сигнала на входе приемника БС может быть рассчитана по следующей формуле:

,
 (11.1)

где Рпд– мощность передатчика ПО,

Gпд, Gпр - коэффициенты усиления, соответственно, передающей и приемной антенн ПО и БС,

hб, hп      - высоты подвеса антенн соответственно БС и ПО,

r            -  расстояние между ПО и БС.

Из (11.1) следует более быстрое уменьшение мощности сигнала на входе приемника в зависимости от расстояния, чем для РРЛ. Другой особенностью является квадратичная зависимость увеличения мощности сигнала на входе приемника БС от высот подвеса антенн БС и ПО. Третьей особенностью является меньшая точность определения мощности сигнала из-за неустойчивости расчетов вследствие вычитания близких по величине прямого и отраженного от поверхности земли сигналов, а также наличия большого количества факторов в виде экспертных оценок, влияющих на величину сигнала в точке приема. Поэтому погрешность расчетов мощности сигнала на трассе ПО-БС оценивается величиной, приблизительно равной 8 дБ.

Для ССПО наибольший интерес представляют районы с максимальной плотностью населения, а именно, в первую очередь центральные районы городских застроек. В общем случае исследование затухания сигнала можно провести на основе приближенного вычисления интеграла Кирхгофа. Для инженерных расчетов международный союз электросвязи (МСЭ) рекомендует использовать в качестве одного из возможных методов аппроксимацию Окамуры - Хата, согласно которой в диапазоне 150 – 2200 МГц  и расстояний до 100 км медианные потери сигнала для городских районов могут быть рассчитаны(дБ):

 


(11.2)

где

,
(11.3)

 b = 1 (для r £ 20 км);

b = 1 + (0,14 + 1,87 10-4 f + 1,07 10-3 hб) (lg r/20)0,8

(для r > 20 км).
(11.4)

В аппроксимации (11.2) – (11.4) частоты подставляются в мегагерцах, высоты подвеса антенн - в метрах, расстояние БС–ПО - в километрах. Аппроксимации могут использоваться для высот подвеса антенн БС 30 - 200 м и ПО 1 - 10 м и приблизительно соответствуют 4 этажной застройке с высотой зданий порядка 20 м и плотностью застройки 0,15.

Сопоставление (11.1) и (11.2) показывает, что ослабление сигнала пропорционально 1/r4 при высоте подвеса БС 5-6 м. При больших высотах антенн БС величина сигнала меняется медленнее. Так, при высоте антенны БС = 100 м величина сигнала меняется пропорционально 1/r3,18. При расстояниях более 20 км показатель степени r увеличивается.

Медианная мощность сигнала на входе  приемника БС в децибелах относительно милливатта (дБм) при мощности передатчика ПО в тех же единицах равна:

P = PпдLг + Gпд + Gпр - hафт, дБ,
(11.5)

где Gпр выбирается в пределах от 10 дБ (для круговых антенн) до 20 дБ  (для секторных антенн БС),

Gпд выбирается в пределах от 1 дБ до –6 дБ для ненаправленной антенны ПО. Для носимого варианта передатчика ПО должны быть дополнительно учтены потери порядка  2 дБ, обусловленные поглощением электромагнитных волн в теле человека около головы. При снижении высоты месторасположения передатчика ПО эти потери увеличиваются,

hафт - суммарные потери в антенно-фидерных трактах БС и ПО.

Мощность передатчика для ПО выбирается в соответствии с классом мощности согласно с таблицы 11.1

Таблица 11.1

Класс мощности

1

2

3

4

5

Мощность перед, дБм

43

39

37

33

29

Классы мощности 3, 4 и 5 соответствуют возимому варианту ПО, классы 1, 2 и иногда 3 соответствуют носимому человеком варианту ПО.

При нахождении ПО в пригородных  застройках можно воспользоваться следующей  аппроксимацией медианного множителя ослабления:

Lп = Lг – 2 [lg(f/28)]2 – 5.4, дБ, 
(11.6)

Аппроксимация (11.6) приблизительно соответствует одноэтажной застройке высотой 5 м и плотности застройки 0,1.

При нахожденнии ПО в сельскохозяйственных районах без застроек и лесных массивов можно воспользоваться другой аппроксимацией медианного множителя ослабления:

Lс = Lг – 4,78 (lg f)2 + 18,33 lg f – 40,94, дБ
 (11.7)

Радиус зоны обслуживания в городских районах приблизительно составляет 5 км в районах городских застроек и до 30 км в сельскохозяйственных районах без застроек и лесных массивов. Расчет мощности сигнала  в ССПО на расстояниях до 100 км необходимо выполнять для определения взаимных помех от сигналов БС, работающих на одинаковых частотах. Такую задачу необходимо решать при частотно-территориальном планировании ССПО с последующей оптимизацией последних и присвоением рабочих частот БС.

Конкретизация и уточнение ослабления сигнала на трассах производится расчетом экспертных оценок. Например, следующих:

1. Высота и плотность застроек в месте расположения подвижного объекта (МРПО).

2. Расположение ПО снаружи или внутри помещения.

3. Наклон местности в МРПО.

4. Высота расположения антенны ПО, которая обычно принимается равной 1,5 м при нахождении ПО на поверхности земли, но может быть выше для грузовых машин.

5. Расстояние подвижного объекта от кромки лесного массива и его высота.

6. Неровность местности на трассе.

7. Расстояние ПО от вершин холмов.

8. Величина  и размещение водных поверхностей на трассе.

9. Приведенная высота подвеса антенны БС.

 10.Высота земных поверхностей, на которых размещаются антенны БС и ПО, над уровнем моря.

 11.Наличие существенных препятствий на трассе распространения, приводящих к закрытию трассы.

В зависимости от величин экспертных оценок определяются величины дополнительных медианных затуханий или усилений сигнала на основе моделирования и экспериментальных исследований. Полученные величины суммируются с результатами расчета по аппроксимации Окамуры-Хата. В данных лабораторных работах изучается влияние перечисленных выше экспертных оценок для частных случаев.

В общем случае канал связи с ПО многолучевой, в котором среднеквадратичное значение отклонения мощности сигнала относительно медианного при перемещениях ПО статистически описывается логарифмически-нормальным законом распределения. Величину среднеквадратичного  отклонения сигнала относительно медианного значения в децибелах МСЭ рекомендует определять  следующей аппроксимацией:


(11.8)

где   l - длина волны сигнала,

Dh - неровность трассы распространения сигнала, определение которой приводится в следующих разделах.

Отметим, что согласно (11.8) для идеально гладкой поверхности sl = 6 дБ. Среднеквадратичное отклонение медианной мощности по времени st также определяется экспертными оценками трассы распространения и приблизительно равно:

st = s r,
(11.9)

где  s = 0,04 дБ/км для сухопутных трасс,

s = 0,14 дБ/км для морских трасс.

Суммарная величина среднеквадратичного отклонения медианной мощности сигнала для ССПО равна:


 (11.10)

Величина надежности связи ПО с БС может быть определена величиной вероятности превышения мощности порогового уровня сигнала Рпор на входе приемника ССПО, задаваемого техническими характеристиками системы в дБм:

рсв  = 0,5 – 0,5 erf(Y),
(11.11)

где ,

 - интеграл вероятности.

Для аналоговых ССПО Рпор » –113 дБм, а для цифровых
–118 дБм. Рассчитанная по (11.12) надежность связи определяет дальность обслуживания БС для одного направления передачи с заданными значениями требуемой надежности связи и классом передатчика ПО. Задаваемая надежность связи превышает 0,9. Совокупность расчета дальностей связи вокруг БС определяет зоны обслуживания БС, необходимые для выбора мест расположения БС. Зоны обслуживания не являются однозначными при смене экспертных оценок трасс одного направления, например, при переходе от городских застроек к сельскохозяйственным районам. Так в городских застройках дальность связи относительно БС может оказаться приблизительно равной 5 км, дальше которой устойчивая  связь с ПО прекращается. Однако при увеличении расстояния от БС в условиях отсутствия застроек на равнинной местности увеличивается медианная мощность сигнала, уменьшаются среднеквадратичные колебания мощности сигнала и создаются условия устойчивой связи с ПО.

11.3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторная работа выполняется на персональном компьютере 586-й серии и выше, на которую может быть установлена система MATHCAD 8.

Для выполнения лабораторной работы используется пакет из трех программ:

·        моделирование рельефа местности трасс распространения ПО - БС (МодТр),

·       расчет экспертных оценок трасс распространения БС – ПО (ЭкспОцТр),

·       расчет надежности связи на трассах распространения БС - ПО (НадСв).

Рельеф местности трасс распространения сигнала для сельскохозяйственных районов без застроек и лесных массивов в виде высотных отметок местности в зависимости от расстояния моделируется сложением с задаваемыми весовыми коэффициентами трех функций: случайной с равномерным законом распределения, периодическими  пространственными sin(z) и пилообразной. В системе MATHCAD 8 случайные числа с равномерным законом распределения создаются встроенным датчиком случайных чисел rnd(x) в интервале [0,x]. Пространственный период и сдвиг гармонической и пилообразной функций задаются пользователем независимо. Расстояния точек рельефа местности трасс задаются кратными 0,5 км. Параметры трассы записываются в виде матрицы, состоящей из 50 значений высотных отметок и  50 значений расстояний с шагом 500 м до расстояния 25 км. Отдельные значения матрицы могут редактироваться. Рельеф трассы распространения строится в виде графика на экране дисплея, который по требованию пользователя должен быть распечатан принтером, подобно графику на рис. 11.1, и записан в виде файла данных в директории хранения учебных профилей ПрофУч.

 

Рис. 11.1

При считывании файла данных в программу расчета экспертных оценок ЭкспОцТр выполняются расчеты следующих экспертных оценок:

·       приведенной высоты подвеса антенны БС hб,

·       неровностей рельефа местности Dh,

·       расстояния ПО от вершин холмов hн,

·       наклона местности Q в МРПО,которые показаны на рис. 11.1.

Согласно одной из методик приведенная высота подвеса антенны БС определяется суммарной величиной высоты антенной опоры БС и высоты возвышения места расположения антенной опоры относительно средней высоты рельефа местности на расстоянии 5 - 10 км в направлении расположения ПО, как показано на рис.11.1 линией с. Расчет средней высоты рельефа местности для выбранного пользователем места расположения антенны БС на интервале, заданном пользователем, производится с помощью встроенной функции mean(v). Рассчитывается возвышение места расположения антенны БС над средней высотой рельефа местности. Приведенная высота антенны БС находится сложением рассчитанным возвышением и заданной высотой опоры антенны БС.

Далее с помощью встроенной функции hist(intervals, data) определяется показанная на рис.11.1 линия b, соответствующая  10% высоты неровностей рельефа местности на интервале r от места расположения БС до МРПО, например, ПО1 . Аналогично определяется прямая а, соответствующая 90% высоты неровностей рельефа местности. Неровность местности или холмистость местности на трассе распространения сигнала определяется разностью между высотами линий а и b. Статистическая величина дополнительного медианного затухания в холмистой местности в зависимости от расположения ПО относительно вершин холмов hх показана на рис. 11.2. Уровень вершин холмов приблизительно соответствует прямой а на рис. 11.1. Зависимость Lх  верна в среднем для множества реальных рельефов местности.  Для частных случаев, отличных от этих усредненных условий требуется проводить моделирование трассы распространения сигнала, аналогичное тому, которое будет выполнено в работе 12.

Величина наклона рельефа местности в МРПО Q для ПО определяется ее средним значением на интервале 5 км от точки расположения ПО по направлению к БС. Расчет наклона производится с помощью встроенной функции intercept(vx,vy), аналогично показанному на рис. 11.1 для ПО2. Статистическая зависимость дополнительного затухания на трассе Lн от величины Q показана на рис. 11.3. При подъеме ПО с удалением от БС > 0 происходит увеличение медианной мощности сигнала. При опускании ПО < 0 происходит уменьшение медианной мощности сигнала.

Рассчитанные экспертные оценки для совокупности мест расположения ПО записываются в файл данных экспертных оценок в директорий ЭкспОЦ .

Для расчета надежности связи по программе НадСв считывается файл с данными совокупности экспертных оценок на трассе. Вводятся параметры:

·       мощность передатчика ПО,

·       коэффициенты усиления антенн БС и ПО,

·       потери в антенно-фидерных трактах БС и ПО,

·       пороговая мощность приемника,

·       требуемая надежность связи.

 

Рис. 11.2

 По формулам (11.2) – (11.12), последовательно для всех точек производится расчет:

·       медианных потерь на трассе распространения ПО-БС,

·       мощностей сигнала на входе приемника,

·       среднеквадратичных отклонений мощностей сигнала на входе приемника;

·       надежности связи.

Для расчета надежности связи используется встроенная функция erf(x). Расчеты проводятся для сельскохозяйственных районов без лесных массивов и застроек, однородных городских и пригородных районов. Для районов застроек при расчетах sl величина неровностей в (11.8) увеличивается на высоту зданий, т.е. на 5 м в пригородных застройкахи на 20 м в городских застройках. По результатам расчета в зависимости от длины трассы ПО – БС r строятся графики вышеупомянутых параметров, которые должны быть распечатаны на принтере по требованию пользователя.

Рис. 11.3

11.4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ИССЛЕДОВАНИЯ

12.Включить компьютер и загрузить систему MATHCAD 8.

·       Из директория, указанного преподавателем, запустить программу моделирования рельефа местности трасс распространения сигнала ПО-БС МодТр. 

·       По указанию преподавателя ввести весовые коэффициенты трех моделирующих функций* , а также пространственный период и сдвиг синусоидальной и пилообразной функций.

·       Распечатать смоделированный рельеф местности трасс распространения сигнала и записать его в директорий хранения учебных программ ПрофУч с названием, соответствующим вашей фамилии.

13.Получить у преподавателя значение высоты антенной опоры БС. Сдвигая место расположения антенны БС на распечатанном рельефе местности относительно начала в пределах 1,5 км, выбрать место, в котором обеспечивается максимальная приведенная высота подвеса антенны БС. Для указанного преподавателем места расположения ПО относительно БС, которое выбирается кратным 500 м, определить:

·       Приблизительную оценку средней высоты рельефа местности на трассе распространения, аналогично линии с на рис. 11.1.

* Примечание: выполнение моделирования может быть заменено вводом хранящегося файла данных рельефа местности по указанию преподавателя.

·       Приблизительные высоты расположения линий а и b, аналогичных рис. 11.1, которые соответствуют 90% и 10% расположения рельефа местности ниже этих кривых.

·       Рассчитать неровность рельефа местности на трассе распространения Dh как разность уровней расположения прямых а и b. 

·       Аналогично рис. 11.1 рассчитать расположение ПО относительно вершин холмов hх, если трасса распространения сигнала закрывается холмами.

·       Аналогично рис. 11.1 оценить угол наклона трассы Q  в МРПО.

14. Ввести из указанного преподавателем директория в систему MATHCAD 8  программу расчета экспертных оценок трассы распространения ЭкспОцТр.

·       Ввести указанную в п.2 высоту антенной опоры БС. Программа рассчитывает место расположения антенны БС в пределах 1.5 км и выводит его значение на экран дисплея.

·       Ввести название записанного с вашей фамилией и смоделированного вами файла данных  из директория хранения учебных профилей и считать его в вышеупомянутую программу.

·       Программа рассчитает изучаемые экспертные оценки с максимального расстояния до места расположения антенны БС.

·       Записать расчетные значения экспертных оценок в файл данных с именем, содержащим Вашу фамилию, и расположить его в директории, указанном преподавателем.

·       Сравнить результаты ваших оценок с результатами машинных расчетов для указанного в п.2 преподавателем места расположения ПО.

·       Распечатать величины изучаемых экспертных оценок.

4. Ввести программу в систему MATHCAD 8 из указанного преподавателем директория расчета надежности связи НадСв.

Ввести указанные преподавателем значения:

·       частоты ССПО,

·       мощности передатчика ПО Рпер,

·       коэффициенты усиления антенн БС и ПО Gпд и Gпр,

·       высоту расположения антенны ПО относительно земли,

·       потери в антенно-фидерных трактах БС и ПО aафт,

·       пороговой мощности приемника Рпор,

·       требуемой надежности связи.

Ввести имя записанного вами файла данных расчетных экспертных оценок с вашей фамилией и выполнить его считывание. Программа рассчитает и построит в зависимости от расстояний до БС графики следующих параметров:

·       медианных потерь на трассе распространения ПО-БС,

·       мощностей сигнала на входе приемника,

·       среднеквадратичных отклонений мощностей сигнала на входе приемника,

·       надежности связи.

Построения будут проведены для трасс в следующих районах: сельскохозяйственных без застроек и лесных массивов, пригородных и городских с однородными постройками.

Результаты работы нужно распечатать.

11.5 СОДЕРЖИМОЕ ОТЧЕТА

1. Распечатка смоделированного рельефа местности трасс распространения сигнала ПО-БС с указанием расчетных значений изучаемых экспертных оценок в точке, заданной преподавателем.

2. Распечатка значений экспертных оценок для смоделированного рельефа местности.

3. Исходные данные для расчета.

4. Распечатки графиков расчета надежности связи для районов: сельскохозяйственного без застроек, городской и пригородной застройки.

5. Значения дальности связи для трех вышеперечисленных районов.

6. Основные соотношения для расчета надежности связи для ССПО.

7.   Выводы. 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

26256. Управление продукционным процессом сельскохозяйственных культур и агроценозами 54 KB
  В процессе генерации технологических решений с помощью специально разработанного интерфейса СППР автоматически формируется задание на выполнение конкретной операции в режиме точного земледелия которое затем загружается в бортовой компьютер сельскохозяйственной техники. В зависимости от режима реализации операции различают два типа задания: Карта операции режим функционирования offline Карта агротребований на выполнение операции режим online Карта операции электронная карта поля где для каждого однородного участка поля указана...
26257. Защита растений от вредителей и болезней в агроценозах 327.5 KB
  Практическое занятие Защита растений от вредителей и болезней в агроценозах Цели и задачи. Развить способность практиковать интегрированный подход к защите растений и умение использовать современные методы и средства борьбы с вредителями и болезнями. Рассматриваются агротехнические химические и биологические методы защиты растений от болезней и вредителей при различных уровнях интенсификации агротехнологий и интегрированном подходе. Разработать систему мер по защите растений в заданном севообороте при заданной фитосанитарной ситуации.
26258. Создание картограмм агрофизического состояния почв и интерпретация результатов в геоинформационных системах (ГИС) 384 KB
  Практическое занятие Создание картограмм агрофизического состояния почв и интерпретация результатов в геоинформационных системах ГИС Цели и задачи. Приобретение навыков картографирования агрофизического состояния почв с использованием педотрансферных функций и ГИСтехнологий. Рассматривается методика разработки картограмм агрофизических свойств почв в геоинформационных системах на примере плотности почв и запасов продуктивной влаги. Освоить методику картографирования физических и воднофизических свойств почв на конкретном первичном...
26259. Понятия природного ландшафта и агроландшафта и принципы ландшафтно-экологического анализ территории 102.5 KB
  Формируются определения природного ландшафта сельскохозяйственного ландшафта рассматриваются задачи ландшафтноэкологического анализа территории и географическая классификация ландшафтов. Ключевые слова: геосистема геосистемные уровни региональный локальный местности урочище подурочище фации агроэкологическая группа земель элементарный ареал агроландшафта классификация ландшафтов. Географическая классификация природных и природносельскохозяйственных ландшафтов. В качестве базовой категории в ландшафтоведении используется понятие...
26260. Особенности проектирования защиты растений в агроценозах и перспективы ее экологизации 63.5 KB
  Лекция Особенности проектирования защиты растений в агроценозах и перспективы ее экологизации Цели и задачи. Проектирование защиты растений в агротехнологиях различных уровней интенсификации. Принципы и возможности экологизации защиты растений. Проектирование защиты растений в агротехнологиях различных уровней интенсификации Проектирование систем защиты осуществляется на основе определения видового состава вредных организмов в рамках агроэкологической группы земель и их потенциальной вредоносности которая устанавливается с помощью...
26261. Особенности проектирования обработки почвы под основные культуры в связи с различными агроэкологическими условиями 99 KB
  Практическое занятие Особенности проектирования обработки почвы под основные культуры в связи с различными агроэкологическими условиями Цели и задачи Сформировать представление о современных системах обработки почвы в севооборотах и основных направлениях ее совершенствования. Рассматриваются особенности обработки почвы в различных агроэкологических условиях в соответствии с требованиями сельскохозяйственных культур. Ключевые слова: оптимальная и равновесная плотность почвы отвальная плоскорезная чизельная комбинированная основная...
26262. Оценка агроклиматических условий 285.5 KB
  Температура воздуха почвы и растения всегда зависит от количества солнечной радиации. В зависимости от длительности промерзания почвы и ее среднегодовой температуры выделяются четыре типа температурного режима почв: мерзлотный характерен для районов вечной мерзлоты среднегодовая температура почвы отрицательная; длительно сезонно промерзающий с длительностью промерзания не менее 5 месяцев среднегодовая температура почвы положительная глубина проникновения отрицательных температур более 2 м; сезонно промерзающий с длительностью...
26263. Подготовка семян к посеву 609.5 KB
  Домашнее задание Подготовка семян к посеву Цели и задачи. Освоить систему подготовки семян к посеву приобрести навыки сортировки калибровки и обработки семян различными препаратами и физическими средствами стимуляции. Аннотация Рассматриваются различные виды подготовки семян к посеву: сортировка калибровка тепловой обогрев протравливание инкрустация дражирование скарификция стратификация и др. Приводятся нормативные требования к качеству семян.
26264. Расчет потребности в элементах питания на планируемую урожайность 109 KB
  Развить умение рассчитывать дозы минеральных и органических удобрений на планируемую урожайность с использованием различных методов. Рассматриваются три группы способов расчета доз удобрений под планируемую урожайность: нормативные балансовые и статистические. Ключевые слова: нормативы затрат удобрений вынос элементов коэффициент использования запасы потери газообразные вымывание прибавка урожая балансовые коэффициенты нормативы расхода поступление. Нормативный метод расчета доз удобрений на планируемую урожайность.