Расчёт распределения электромагнитного поля

Условия распространения радиоволн в мобильной радиосвязи могут варьироваться от простейшей ситуации однолучевого распространения радиоволн между приёмником и передатчиком в условиях прямой видимости до многолучевого распространения при многократных отражениях от искусственных сооружений и складок местности в условиях доплеровского изменения частоты при движении объекта или препятствий.

Целью анализа распространения радиоволн является расчет дальности радиосвязи и определение реальных характеристик принимаемого сигнала. Классический подход 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 города исключают возможность непосредственного применения такой методики. Непостоянство расположения приемников и передатчиков в мобильной сети радиосвязи, перемещение приемников, передатчиков и препятствий, огромное количество фиксированных препятствий сложной формы делают невозможным точный расчет распределения радиополя.

Напряженность электромагнитного поля в городских условиях уменьшается с расстоянием значительно быстрее, чем в свободном пространстве, из-за рассеяния электромагнитных волн на многочисленных препятствиях. В результате взаимодействия с препятствиями только некоторая часть мощности передатчика дойдет до приемника, остальная часть либо будет поглощена препятствием, либо отразится под произвольным углом и пройдет мимо приемника.

На начальном этапе проектирования радиопокрытия для расчета дальности связи проектная организация EIRINE рекомендует использовать эмпирическую модель Хата-Окамуры. Предложенная модель распространения сигнала позволяет оценить зависимость потерь от несущей частоты, высоты антенн базовой и подвижной станций и типа местности. Модель Хата-Окамуры хорошо отражает процессы распространения сигнала на расстояния, превышающие 1 км, и лучше всего подходит для частот до 1,5 ГГц.

Необходимо отметить, что согласно рекомендациям EIRINE минимальный уровень сигнала, принимаемый подвижной станцией от базовой станции не должен быть ниже следующих значений:

– для передачи голосовых сообщений (– 98 дБм);

 

– для передачи на линиях с уровнями ETCS 2/3 и скоростью движения ниже или равной 220 км/ч (– 95дБм).

Для расчета дальности радиосвязи изначально необходимо вычислить эффективную изотропную излучаемую мощность (EIRP) базовой станции. Согласно рекомендаций EIRINE типовые характеристики базовой станции следующие:

– усиление передатчика BTS (45дБм, регулируется);

– внутренние потери на разъёмах джамперов (-1дБ);

– потери на фильтре передатчика (-1дБ);

– потери на дуплексоре (-1дБ);

– потери на делителе мощности (-3дБ);

– потери антенного фидера (-3дБ);

– усиление антенны BTS (20дБи, в зависимости от типа).

Отсюда эффективная изотропная излучаемая мощность базовой станции (BTS EIRP) равна 56 дБм.

При проектировании сети GSM-R на участке железной дороги Жлобин – Тереховка – Закопытье закладывается возможность оборудования систем автоматического контроля и управления подвижным составом ETCS. Следовательно, минимальный уровень принимаемый подвижной станцией от базовой станции не должен быть ниже (– 95дБм).

Произведём расчёт затухания сигнала по модели Хата-Окамуры (1). Для примера возьмём перегон Ларищево – Добруш, расчёт для остальных участков будет аналогичен.

Pl = 69,55 + 26,16∙lgf – 13,83∙lg(hBSeff) – a(hMS) +
+ (44,9 – 6,55∙lg(hBSeff))∙lgd , (3.2)

где f – несущая частота излучаемого сигнала (925МГц);

hBSeff – эффективная высота антенны базовой станции (50м);

hMS – высота антенны мобильной станции (4м);

d – расстояние от базовой до мобильной станции;

a(hMS) – поправочный коэффициент зависящий от высоты мобильной станции.

a(hMS) = (1,1∙lgf – 0,7) hMS – 1,56∙lgf + 0,8 (3.3)

Расстояние от базовой до мобильной станции d определим по ординатам станций: Ларищево 264,0; Добруш 253,0.

d = 264,0 – 253,0 = 9,0 км

 

Определим поправочный коэффициент a(hMS):

a(hMS) = (1,1 ∙ lgf – 0,7) hMS – 1,56 ∙ lgf +0,8;

a(hMS) = (1,1 ∙ lg925 – 0,7) 4 – 1,56 ∙ lg925 +0,8

a(hMS) = 6,423дБ.

 

Определим ослабление сигнала на расстоянии d = 9,0 км:

Pl = 69,55 + 26,16 ∙ lg925 – 13,83 ∙ lg(50) – 6,423 + (44,9 – 6,55 ∙ lg(50)) ∙ lg9,0;

Pl = 149,451 дБ.

Определим уровень сигнала, принимаемого подвижной станцией на расстоянии d = 9,0 км

PR = (BTS EIRP) – Pl = 56 – 149,451 = – 93.451 дБм.

Полученная в результате расчёта величина принимаемого сигнала не превышает минимально допустимого уровня (–95дБм), что удовлетворяет требованиям. При получении значений уровня принимаемого сигнала ниже допустимого уровня возникает необходимость установки дополнительной базовой станции. При получении значений уровня принимаемого сигнала выше допустимого минимального уровня имеет смысл понизить эффективную высоту базовой станции или мощность передатчика. В данном случае понизим мощность передатчика до 44 дБм, тогда получаем:

PR = (BTS EIRP) – Pl = 55 – 150,37 = – 94.451 дБм.

Полученная в результате расчёта величина принимаемого сигнала не превышает минимально допустимого уровня (–95дБм), что удовлетворяет требованиям.

Так как, при высоко поднятой станции и обеспечения хорошей связи с неё на большие расстояния, где уже действуют другие соты, большинство мобильных станций будут подключаться на соту с хорошим сигналом и «испортят» её нормальную работу.

При расчёте дальности радиосвязи удобно воспользоваться программой Mathcad 14 . Данные полученные при расчёте сведены в таблицах 3.2 – 3.4. Усиление передатчика BTS переведено в ватты по формуле 3.4. Эскизный проект радиопокрытия сети GSM-R на проектируемом железнодорожном участке, согласно данных таблицы 3.2 – 3.4, приведён на рисунке 3.10 .

 

, Вт (3.4)

 

Таблица 3.3 – Расчёт радиопокрытия Гомель – Тереховка – гос. граница

    Участок   Позиция станций, км Позиция BTS, км Расстояние между BTS, км Усиление передатчика BTS, дБм Мощность передатчика BTS, Вт Высота BTS, м Уровень сигнала, принимаемого MS от противоположной BTS, дБм
Гомель пасс. – Новобелицкая 196,0 191,3 196,0 191,3 4,7 -94,967 -94,689
Новобелицкая – Кореневка 191,3 183,6 191,3 183,6 7,7 -94,066 -94,066
Кореневка – Зябровка 183,6 175,4 183,6 175,4 8,2 -94,006 -94,006
Зябровка – дополнительная BTS 4 (о. п. Борок) 175,4   166,8 175,4   166,8 8,6       -94,718   -94,784
дополнительная BTS 4 (о. п. Борок) – Тереховка 166,8   156,9 166,8   156,9 9,9       -94,918   -94,918
Тереховка – дополнительная BTS 5 (гос. Граница) 156,9 148,8 156,9 148,8 8,1 -94,906 -94,906

 

 

Таблица 3.3 – Расчёт радиопокрытия Гомель – Лазурная

    Участок   Позиция станций, км Позиция BTS, км Расстояние между BTS, км Усиление передатчика BTS, дБм Мощность передатчика BTS, Вт Высота BTS, м Уровень сигнала, принимаемого MS от противоположной BTS, дБм
Гомель пасс. – Светоч 196,0 203,1 196,0 203,1 7,1 -94,278 -94,278
Светоч – Костюковка 203,1 207,2 203,1 207,2 4,1 -94,878 -94,878

 

Как видно из расчёта для организации сети GSM-R на проектируемом участке необходимо установить 16 базовых станций. Одинадцать BTS будут установлены на станциях и пять на перегоне.

 

 

Рисунок 3.10 – Эскизный план радиопокрытия сети GSM-R на проектируемом участке железной дороги