Глава 9. Определение норм частотно-территориальных разносов для различных радиослужб

9.1. Основные положения по определению норм ЧТР для различных систем радиосвязи

Одной из главных задач анализа ЭМС является определение минимально допустимых территориальных разносов (ТР) потенциально независимых радиопередатчиков и радиоприемников совмещаемых радиослужб при различных частотных расстройках и при различных вариантах взаимной ориентации их антенн. Такой минимально допустимый ТР при заданной частотной расстройке называется координационным расстоянием. Если реальное значение ТР больше координационного расстояния, то считается, что условие ЭМС рассматриваемых РЭС выполняется. В противном случае нужно либо увеличивать ТР, либо изменять расстройку частот (обычно в сторону увеличения).

Из сказанного следует, что при планировании в определенном районе размещения совокупности радиопередатчиков и радиоприемников совмещаемых радиослужб (например, при проектировании радиорелейной линии и/или размещении новых земных станций системы спутниковой связи в случае совместного использования ими полос частот) у проектировщиков есть возможность варьировать точки расположения соответствующих станций и используемые ими частоты. При этом должны обеспечиваться координационные расстояния между станциями взаимодействующих систем. Следовательно, необходимо рассчитать такие сочетания частот и территориальных разносов станций взаимодействующих систем, называемые частотно-территориальными разносами (ЧТР), при которых соблюдаются условия их ЭМС. Для различных вариантов взаимодействия радиослужб определены соответствующие нормы ЧТР, применение которых является одним из эффективных способов согласования условий ЭМС между взаимодействующими РЭС. Нормы ЧТР представляют собой совокупность взаимосвязанных значений координационного расстояния (КР), частотного разноса (ЧР) и углового разноса (УР), при которых обеспечивается ЭМС рассматриваемых РЭС. На основе норм ЧТР определяют конкретные рабочие частоты приемопередатчиков РЭС совмещаемых радиослужб на заданной территории. Кроме того, нормы ЧТР позволяют более конкретно сформулировать требования к характеристикам направленности и ориентации антенн взаимодействующих РЭС при заданных рабочих частотах. Определение норм ЧТР производится из условия выполнения критерия ЭМС, который учитывает случайный характер замираний полезного и мешающего сигналов. Так, критерий ЭМС в случае аналоговых радиосистем допускает превышение допустимого значения мощности помех на выходе системы Р _{п доп} в течение заданного процента времени Т _{п доп.} При этом условие выполнения ЭМС имеет вид:

Т_п (Р_{п доп}) ≤ Т_{п доп} , (9.1)

где Т _п (Р _{п доп}) - процент времени, в течение которого мощность помех на выходе системы Р _п ≥ Р_{п доп.}

Для некоторых служб в качестве критерия ЭМС используют защитное отношение q_{м доп} на входе рецептора помехи, ниже которого текущее значение отношения сигнал/помеха q _м может быть в течение не более Т_{п доп} процентов времени месяца. В этом случае условие ЭМС, эквивалентное (9.1), имеет вид:

Т_п (q_{м доп}) ≤ Т_{п доп} , (9.2)

где Т_п (q_{м доп}) - процент времени, в течение которого q_м < q_{м доп,,} не превышает Т_{п доп..}

Отметим, что с математической точки зрения Т_п (q_{м доп}) представляет собой значение интегральной функции распределения F(q _м) отношения сигнал/помеха q_м при q _м = q _{м доп}. Случайный процесс q _{м (t)} может быть представлен в виде: q _{м (t) =} Pпс (t)/ Pмс (t) = {Pпс 0 / Pмс 0} * (t) / (t)], где (t) – квадрат множителя ослабления ПС, (t) -- квадрат множителя ослабления МС а {Pпс 0 / Pмс 0} – отношение мощностей ПС и МС на входе рецептора помехи при условии распространения ПС и МС в свободном пространстве (т.е. при

. В случае известных распределений вероятностей замираний ПС и МС величина Т_п (q_{м доп}) может быть математически строго определена после нахождения F(q _м) с учетом указанных распределений [ our ].

Иногда в качестве критерия ЭМС используется допустимое значение напряженности поля мешающего сигнала Е_{м доп} в точке размещения антенны рецептора помехи. В этом случае условие ЭМС, эквивалентное (9.1), имеет вид:

Т_п (Е_{м доп}) ≤ Т_{п доп} , (9.3)

где Т_п (Е_{м доп}) - процент времени, в течение которого Е_м ≥ Е_{м доп}.

Очевидно, что этот критерий можно применять при достаточно стабильном уровне полезного сигнала, когда изменения qм определяются в основном изменениями Eм. Это замечание относится и к случаю, когда в качестве критерия ЭМС используется допустимое значение уровня мощности мешающего сигнала Р_{м доп} на входе приемника РЭС, подвергающегося воздействию помехи. При этом условие ЭМС, эквивалентное (9.1), имеет вид:

Т_п (Р_{м доп}) ≤ Т_{п доп} , (9.4)

где Т_п (Р_{м доп}) - процент времени, в течение которого мощность помех на входе приемника Р_м ≥ Р_{м доп.} Рассмотрим определение координационного расстояния Rк -- минимального допустимого расстояния Rм, при котором выполняется условие (9.4).

Рис. 9.1 Взаимное расположение передатчиков и приемников основной и мешающей систем радиосвязи (СРС). ПРС – приемник полезного радиосигнала (рецептор).

В соответствии с рис. 9.1, отражающим геометрию расположения станций двух РЭС взаимодействующих систем радиосвязи, уровень мощности МС на входе рецептора определяется выражением:

Р_{м (t)} = Рм_пд + Gм_пд(α) + G_пр(ϕ) – а_{ф пд} - а_{ф пр} - В_п - а_{м 0}(Rм) + 20lg Vм(t), (9.5)

где: Рм_пд – мощность передатчика МС; Gм_пд (α) – коэффициент усиления передающей антенны МС в направлении на рецептор; G_пр(ϕ) – коэффициент усиления приемной антенны ПС в направлении на источник МС; аф пд и аф пр --- соответственно, потери в антенно-фидерном тракте передачи МС и в антенно-фидерном тракте приема рецептора; Вп – дополнительное ослабление МС в рецепторе из-за различия поляризаций ПС и МС; ам0(Rм) – ослабление МС на трассе его распространения в условиях свободного пространства; Vм (t) – множитель ослабления МС на трассе его распространения к рецептору. Все постоянные величины, характеризующие энергетические показатели МС, заменим одним членом Z_м – обобщенным энергетическим параметром мешающего сигнала:

Z_м(α, ϕ) = Р_пд + G_пд(α) + G_пр(ϕ) – а_{ф пд} - а_{ф пр} - В_п , дБВт, (9.6)

Тогда (9.5) примет вид:

Р_{м (t)} = Z_м(α, ϕ) -- а_{м 0}(Rм) + 20lg Vм (t) (9.7)

Выражение а_{м 0}(Rм) - 20lgVм (t) = а_м (R_м ,t) представляет собой случайный процесс, описывающий результирующее ослабление МС на трассе его распространения к рецептору.

Очевидно, что при координационном расстоянии между источником МС и рецептором имеем Rм = Rк. C учетом (9.4) получим выражение для допустимой мощности МС на входе рецептора Р_{м доп} (Т_{п доп} ), которая может превышаться лишь в течение заданного малого процента времени Tп доп:

Р_{м доп} (Т_{п доп} ) = Z_м(α,φ) – а_к (R_к,Т_{п доп}), дБВт, (9.8)

где Z_м – обобщенный энергетический параметр мешающего сигнала, дБВт; а_k (R_к,Т_{п доп}) – минимальные допустимые потери мешающего сигнала на трассе его распространения длиной R_м = R_к, которые не превышаются лишь в течение Т_{п доп} процентов времени (“координационные потери”).

При расчете норм ЧТР параметры углового разноса α и φ являются неизвестными, ввиду чего задаются несколькими вариантами взаимной ориентации антенн РЭС – источника помех и рецептора. При этом возможна следующая ориентация ДНА этих РЭС:

а) Г-Г – главные лепестки ДН антенн обеих РЭС направлены друг на друга. Такой вариант ориентации ДНА называют "дуэльной ситуацией", в этом случае α = 0 и φ = 0;

б) Г-Б – мешающая станция ориентирована своим главным лепестком на боковой лепесток ДНА станции, подвергающейся воздействию помех. В этом случае α = 0 и φ = φ ₁, где φ ₁ – угол, определяющий ориентацию первого бокового лепестка ДНА станции, подвергающейся воздействию помех.

в) Б-Г – мешающая станция ориентирована своим боковым лепестком на главный лепесток ДНА станции, подвергающейся воздействию помех. В этом случае α = α₁ и φ = 0, где α₁ – угол, определяющий ориентацию первого бокового лепестка ДНА станции – источника помех;

г) Б-Б – мешающая станция ориентирована своим боковым лепестком на боковой лепесток ДНА станции, подвергающейся воздействию помех. В этом случае α = α₁ и φ = φ _{Пр. 3.}

Из выражения (9.8) находят координационные потери:

а_к = Z_м(α,φ) – Р_{м доп} (Т_{п доп} ), дБВт, (9.9)

откуда можно найти координационное расстояние R_к:

R_к = ξ^-1 (a_к, Т_{п доп}), м, (9.10)

где ξ^-1 (a_к, Т_{п доп}) – функция, обратная функции а_к (R_к,Т_{п доп}).

Имея готовую зависимость затухания (или “потерь”) сигнала а_к от длины трассы данного типа (Rк) и статистические данные о проценте времени Т_{п доп,} в течение которого это затухание а_к не превышается, по заданным значениям а_к и Т_{п доп} легко найти значение координационного расстояния Rк.

При использовании в качестве критерия ЭМС защитного отношения отношение сигнал/помеха на входе приемника РЭС, подвергающегося воздействию нескольких статистически независимых помех, мощность суммы МС равна сумме их мощностей, ввиду чего результирующее отношение сигнал/помеха на входе рецептора равно:

q_м = 10· ℓg (Q_мΣ), дБ, (9.11)

где Q _мΣ - результирующее отношение сигнал/помеха, определяемое соотношением:

, (9.12)

где Q _{м i} - отношение сигнал/помеха, определяемое i -м мешающим сигналом.

, (9.13)

где æ_ачх – коэффициент ослабления мощности мешающего сигнала АЧХ приемника, зависящий от формы АЧХ приемника РЭС, подвергающегося воздействию помех и частотной расстройки между полезным и мешающим сигналами; ΔV _с – глубина замираний полезного сигнала; ΔV _{м i} - глубина замираний i -го мешающего сигнала; V _{с мед} - медианное значение множителя ослабления полезного сигнала; V _{м мед i} - медианное значение множителя ослабления мешающего сигнала; Р _с0 - мощность полезного сигнала при его распространении в свободном пространстве; Р _{м0 i} - мощность i -го мешающего сигнала при его распространении в свободном пространстве.
Для определения процента времени, в течение которого Qм < Qм min доп, в (9.13) следует подставлять выражения для наиболее подходящих для данных трасс распространения ПС и МС математических моделей быстрых и медленных замираний ПС и МС, находить интегральную функцию распределения случайного процесса Qм(t) и лишь тогда получать значение процента времени, в течение которого Qм < Qм min доп. Задача такого рода была решена в [ Мы с АС…! Выше уже было подобное!]. А о Рек МСЭ и практ расчетах? В конце главы сказать?

9.2 Особенности определения норм ЧТР для аналоговых систем

Под аналоговыми системами радиосвязи ниже будем понимать важнейший и наиболее распространенный вид наземных аналоговых систем фиксированной связи – радиорелейные линии радиосвязи с частотной модуляцией несущей многоканальным телефонным сообщением и частотным разделением каналов (ТФ стволы РРЛ с ЧРК-ЧМ) или аналоговым телевизионным сигналом (ТВ стволы РРЛ).

При анализе ЭМС аналоговых систем радиосвязи используется понятие коэффициента ослабления помех æ, определяющего, во сколько раз отношение мощностей полезного сигнала и помехи на выходе канала связи больше, чем на входе приемника-рецептора:

æ = [Pc/Pп]вых.кан. /[Pc/Pм]вх.пр. = [Pc/Pп]вых.кан./Qм, (9.14)

где Qм = [Pc/Pм]вх.пр. – отношение мощностей ПС и МС на входе рецептора.

Коэффициент ослабления помех æ зависит от расстройки несущих частот полезного и мешающего сигналов, параметров их энергетических спектров и характеристик рецептора. Из (9.14) следует, что

Рп вых.кан = Pc вых.кан./ æ Qм (9.15)

Мощность помех в определенной точке на выходе телефонного канала, называемой точкой с нулевым относительным уровнем (т.ОНУ), соотносится по уровню с мощностью специального измерительного гармонического сигнала частотой 1 КГц и мощностью 1 мВт в этой точке. Поскольку мощность помех Рп вых.кан выражается в пВт, а Pc вых.кан = 1 мВт, получаем:

Pп вых. кан. (пВт0) = 10(9) /(æQ_м), (9.16)

,

Рис. 9.2 Статистическое распределение глубины замираний мешающего сигнала на открытых трассах с прямой видимостью.

Рис. 9.3 Статистическое распределение глубины замираний мешающего сигнала на дифракционных трассах распространения с открытой местностью.

 

Рис. 9.4 Статистическое распределение глубины замираний мешающего сигнала на сухопутных трассах распространения из-за тропосферного рассеяния.

9.Пр. 3. Особенности определения норм ЧТР для цифровых систем

Для цифровых систем связи методика анализа ЭМС и определения ЧТР подобна рассмотренной методике для аналоговых систем, но показателем качества приема здесь является вероятность ошибочного приема Рош, которая в отличие от аналоговых систем зависит не только от к отношения мощностей ПС и МС на входе приемника, но и от отношения мощности ПС к мощности теплового шума, приведенной ко входу приемника Q_ш(t). Эта зависимость представляется в виде функционала:

Р_ош = ψ[Q_ш(t), Q_м (t)], (9.18)

где Q_ш(t) -- отношение сигнал/шум, приведенное ко входу рецептора помехи, а Q_м (t) – отношение мощностей ПС и МС на входе приемника.

Отношение сигнал/шум Q_ш(t) может быть найдено следующим образом:

Q_ш (t) = Q_{ш 0} ∙ (t)= [Р_с0 /Р_{т ш} ] * (t), (9.19)

где Q _ш0 - значение отношения сигнал/шум при распространении ПС в условиях свободного пространства, Р _с0 - мощность полезного сигнала при его распространении в свободном пространстве; Р _{т ш} - мощность теплового шума, приведенная ко входу приемника; (t) -- случайный процесс, отражающий изменение во времени квадрата множителя ослабления ПС.

В графическом виде зависимость (9.18) для 64-КАМ представлена на рисунке (9.5), а для 256-КАМ – на рисунке (9.6).

 

Рис. 9.5. Вероятность ошибок в цифровой системе связи с модуляцией

64-КАМ.

 

 

Рис. 9.6. Вероятность ошибок в цифровой системе связи

с модуляцией 256-КАМ.

По аналогии с (9.16) и (9.17)??? можем записать формулы для определения Т _{м доп}, ΔV _{с доп} и ΔV _{м доп}: ; (9.20)

(9.21)

Эти формулы позволяют определять ЧТР, используя графики на рис.9.Пр. 3...9.Пр. 3.

9.4. Особенности определения норм ЧТР для систем сотовой подвижной связи

При анализе межсистемной ЭМС РЭС сотовой подвижной связи необходимо рассматривать влияние базовых станций (БС) одной сети на абонентские станции (АС) другой сети, а также и обратное воздействие АС одной сети на БС другой. Например, при наличии на одной территории двух сетей сотовой подвижной связи, созданных на базе различных стандартов, влияние между ними можно описать следующими ситуациями (они схематично показаны на рисунке 9.7):

АС_CDMA → БС_AMPS; БС_CDMA → АС_AMPS; АС_AMPS → БС_CDMA; БС_AMPS → АС_CDMA.

Рис. 9.7

Возможные помеховые ситуации при взаимодействии двух сетей сотовой подвижной связи

(R₁, R₂, R₃, и R₄ – территориальные разносы между РЭС совмещаемых сетей).

Из рис. 9.7 следует, что величина max(R₁, R₄) определяет необходимое расстояние между БС_AMPS и АС_CDMA, а территориальный разнос max(R₂, R₃) обеспечивает ЭМС между БС_CDMA и АС_AMPS. С практической точки зрения целесообразно определить минимально допустимое расстояние между БС рассматриваемых сетей, при котором обеспечивается совместная работа всех РЭС этих сетей с заданным качеством.

Для обеспечения ЭМС РЭС необходимо, чтобы территориальный разнос между БС_CDMA и БС_AMPS выбирался из следующего условия:

, (9.22)

где R_{0 CDMA} и R_{0 AMPS} – радиусы зон обслуживания БС в сетях CDMA и AMPS, соответственно.

Обеспечение ЭМС РЭС сотовых сетей связи стандартов CDMA и AMPS в совмещенных частотных каналах возможно только в том случае, если установлены ограничения на энергетические параметры этих РЭС, а зоны покрытия сетей разделены некоторой нейтральной областью, определяемой требуемым территориальным разносом между границами сетей. Необходимый территориальный разнос между границами зон обслуживания сетей AMPS и CDMA показан на рис. 9.8 и может быть определен из выражения:

. (9.23)

 

Рис. 9.8

Необходимый территориальный разнос между границами сот двух сетей.

 

Значения территориального разноса, рассчитанные по описанным соображениям, приведены в табл. 9.1.

Таблица 9.1.

	R0 CDMA, км	R0 AMPS, км	R1, км	R2, км	R3, км	R4, км	D, км	d, км
В направлении максимума ДН антенны БС в гориз. пл., Gmax=13 дБ	1,8	5,3	4,0	3,1	15,4	6,1	20,7	13,6
В направлении первого бокового лепестка ДНА БС в гориз. пл., уровень бокового лепестка -7 дБ	0,5	1,4	1,0	0,82	4,0	1,6	5,4	3,5
В направлении первого бокового лепестка ДНА БС с уровнем -27 дБ в гориз. пл.	0,12	0,37	0,27	0,21	1,0	0,42	1,37	0,88