А1.0 ТИПЫ МОДЕЛЕЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ

А1.1 Модель Free space + RMD

А1.2 Модель FCC + RMD

А1.3 Модель CCIR + RMD

А1.4 Модель Okumura (Hata)

А1.5 Модель Hata/Davidson/Epstein-Peterson Diffraction

A1.6 Модель TIREM-EDX

А1.7 Модель FCC - EDX

А1.8 Модель FCC - FCC

А1.9 Модель CCIR - EDX

А1.10 Модель FCC - Pt.22

А1.11 Модель COST 231 - Hata

А1.12 Заказная модель

А2.0 Методы вычисления затухания на трассе.

А2.1 RMD.

А2.1.1 Вычисление коэффициента отражения.

А2.1.2 Определение потерь из-за дифракции.

А2.1.3 Потери из-за препятствий на местности

А2.3 Ослабление сигнала по причине поглощения в атмосфере.

А3.0 Нестабильность

А3.1 Временная нестабильность

При работе с программным обеспечением компании EDX можно выбрать одну из нескольких различных моделей распространения для выполнения расчетов затухания на трассе, принимаемой мощности, или напряженности поля. Кроме того, для большинства моделей вы можете независимо определить временную и пространственную статистику и доверительную маржу (запас). Вы можете также выбирать из семи различных климатических зон, которые оказывают воздействие на временную статистику.

1. Free space + RMD

12. Custom (заказная)

Каждая из этих моделей объясняется более подробно в следующих разделах этого Приложения. Выбор соответствующей модели и статистики уровня сигнала для вашей проектируемой системы будет зависеть от типа системы и области, где она будет использоваться. Может потребоваться некоторое экспериментирование с различными моделями, уровнями сигнала, и статистикой уровня сигнала, чтобы достигнуть удовлетворительных результатов для вашего типа системы.

Используя одну из этих моделей можно определить значение затухания на поверхности. Это потери, которые происходят на трассе в дополнение к потерям в свободном пространстве.

В данной модели при вычислении потерь на трассе можно учесть естественные препятствия на местности, фактор временной и пространственной статистики, застройку и деревья. Это все подробнее рассматривается ниже в разделах A2.1 - A2.4. Эта модель наиболее подходит для анализа прохождения радиоволн в микроволновом диапазоне, для систем типа MMDS, где используются стационарные приемные станции с направленными антеннами.

А1.2 Модель FCC + RMD

В этой модели потери на трассе определяются так же как и в методе Free space + RMD, за исключением того, что затухание увеличивается (уровень сигнала соответственно уменьшается) на величину в dB равную разности между значением напряженности поля, определенного по кривым распространения FCC (часть 73 или часть 22 правил FCC) и затуханием в свободном пространстве на эквивалентных расстояниях. В сущности, выбирая этот метод, Вы включаете дополнительные потери на трассе, основанные на информации, найденной на кривых FCC. Так как кривые FCC получены опытным путем, на основе измеряемых данных по широкому спектру возможных путей распространения (некоторые графики учитывают преграды местности или местные помехи), то FCC+RMD метод в определенной степени может делать "двойной подсчет" некоторых территориальных особенностей на местности (смотри описание RMD в пункте А2.1). Поэтому, этот метод может рассматриваться как оценочный, выполняющий предварительное определение фактических напряженностей поля или принимаемых уровней мощности. При использовании этого метода, средняя высота антенны будет автоматически ограничена программой значениями между 30.4м и 1523м, эти ограничения накладываются базами данных FCC, описывающими характеристики распространения.

Этот метод подобен FCC+RMD за исключением того, что вместо графиков FCC используются кривые, рекомендованные CCIR (Rec 370-5). Диапазоны расстояний от передатчика до приемника для характеристик FCC и кривых CCIR отличны. Кривые FCC могут использоваться в основном для расстояний в пределах от 1 до 200 или 300 км. Кривые CCIR начинаются с 10 км и простираются до 500 км. Если Вы выбираете CCIR + RMD метод, и расстояния меньше чем 10 км, программа назначит по умолчанию использование потерь на трассе свободного пространства. Это часто приводит к аномальной напряженности поля или полученным результатам уровня мощности при переходе от свободного пространства до кривых CCIR в отметке 10 км, особенно для низких эффективных высот антенн. При использовании этого метода, средняя высота антенны будет автоматически ограничена значениями между 37.5 и 1200 метрами. Это ограничение накладывается файлами данных на кривые CCIR.

Метод Okumura , используемый в программе - это фактически компьютерная реализация Okumura метода, который был разработан Hata. Метод Okumura был разработан на основе данных измерений уровней сигнала от передатчика в нескольких частотных диапазонах в Токио и его пригородах. Выбор этого метода следовательно наиболее предпочтителен для урбанизированных областей, где расстояние анализа относительно не велико (меньше чем 30 км), эффективная высота передающей антенны - меньше чем 200 м, эффективная высота приемной антенны - меньше чем 10м, и местность относительно плоская. Использование этого метода для других случаев или при больших расстояниях может оказаться неприемлемым. Используя Okumura(Hata) метод, вы можете выбирать типы наземных помех - "нет", "пригородная зона" или "город". Эти выбор определит соответствующие выражение для затухания.

Формулы Hata:

Основные потери на трассе для городских зон:

, dB (А1)

где:

f - частота в МГц;

=высота антенны базовой станции (в метрах), превышающая усредненную высоту рельефа в направлении анализируемой трассы в пределах 3-15 км;

= поправочный коэффициент (см. ниже);

d = расстояние от передатчика до приемника, км.

Для среднего города:

Для большого города:

где:

= высота антенны мобильной станции над землей, м.

Для пригородных областей, городские потери, рассчитанные выше корректируются следующим образом:

Для сельских, квази -открытых участков:

Для сельских открытых участков:

Это - специализированная модель, которая основана на Hata модели, описанной в разделе A1.4. В данной модели для расширения частотного диапазона, диапазона расстояний и диапазона высот антенны базовой станции, Davidson (Motorola) использовал графические методы для экстраполяции кривых к частотам от 30 до 1500 MHz, диапазона расстояний до 300 км, и антенн базовых станций от 30 до 1000 метров. После определения потерь на трассе, используя модель Hata A1.5, используются следующие уравнения, чтобы корректировать потери на трассе:

Если d> 20 км,

Если d> 64.36 км,

Если > 300 метров,

После того, как эти исправления сделаны, выполняются следующие заключительные корректировки:

Если d> 40.2 км

Где:

= потери на трассе в dB, определенные по методу Hata

= потери на трассе в dB с расширением Davidson к методу Hata

f = частота в MHz

d = расстояние от передатчика до приемника в км.

= эффективная высота базовой станции в метрах

В дополнение к исправлениям, сделанным Davidson, эта модель включает дополнительное затухание на трассе из-за дифракционных потерь на рельефе. Используемый метод - Epstein-Peterson метод множественных потерь по причине дифракций на препятствиях, который является идентичным методу, описанному в разделе A2.1.2.

TIREM означает Terrain Integrated Rough Earth Model. Это одна из нескольких моделей распространения из пакета, разработанного Национальным Комитетом Передачи данных и Информации (NTIA) совместно с различными ветвями министерства обороны США. Эта модель широко используется в США правительственными и военными организациями также как и частными компаниями. Это одна из наиболее сложных моделей, используемых в настоящее время. Более полная информация может быть найдена в ссылках в конце этого Приложения. Настоящая версия TIREM поддерживается и модифицируется Центром исследования электромагнитной совместимости (ECAC).

В основном, TIREM рассматривает каждый путь и делает начальное решение есть ли прямая видимость (ПВ), или трасса закрыта. Базируясь на этом решении модель использует один из двух подходов, чтобы найти потери на трассе. В режиме ПВ, программа вычисляет степень закрытия зоны Френеля и использует это, чтобы пропорционально корректировать величину дополнительных потерь на трассе (добавляет к потерям в свободном пространстве), которые вычисляются по одной из следующих двух моделей потерь в свободном пространстве. Для частот более чем 200 MHz используется модель Longley-Reasoner . Для частот ниже 150 MHz используется модель Longley-Rice. В частотах между 150 и 200 MHz, потери, рассчитанные по двум методам пропорционально усредняются. Затухание, вычисленное этими двумя методами корректируется степенью закрытия зон Френеля. Если открыто меньше чем 0.5 радиуса зоны Френеля, то затухание 100 %. Если открыто больше чем 1.5 радиуса зоны Френеля, то никакое дополнительное ослабление не вносится, а учитываются только базисные потери на трассе свободного пространства. Если открыто от 0.5 до 1.5 радиуса зоны Френеля, то вносятся дополнительные потери на трассе как линейная пропорция между 0 и 100 процентами.

В случае ПВ модель TIREM определяет какая часть пути распространения проходит над над гладкой поверхностью, а какая над изрезанной. Если поверхность гладкая на протяжении всего пути, то вычисления выполняются по методу Буллингтона. Вычисление затухания над изрезанно-гладким путем по методам (Longley-Rice или Longley-Reasoner) пропорционально комбинируются основываясь на процентном соотношении длин изрезанного и гладкого путей.

Когда трасса закрыта, TIREM использует множественный метод потерь дифракции на режущей кромке, аналогичный описанному в разделе А2.1. Однако, для трасс, где средние потери на препятствие - меньше чем 10 dB, TIREM вычислят потери на гладкой поверхности (используя алгоритм Буллингтона, упомянутый выше) и объединят их пропорционально с потерями, найденными из вычислений потерь на режущей кромке. Этот метод подходит для закрытых трасс над океаном, где горизонт в каждой отметке может представлять низкое угловое препятствие. EDX версия TIREM полностью осуществляет этот подход для низких угловых множественных препятствий.

NTIA версия TIREM включает в себя еще один модуль, который вычисляет потери в линии тропосферной связи. Потери в линии тропосферной связи объединены с дифракционными потерями на трассе, описанными выше. Тропосфера, по существу, высоко не эффективный путь от передатчика до приемника, напряженность поля в точки приема при этом оказывается намного меньше чем при дифракционном пути. На расстояниях, представляющих интерес для пользователей EDX (то есть меньше чем 200 км), маршрут тропосферного рассеяния вносит относительно небольшую поправку к напряженности поля в месте приема по сравнению с дифракцией. По этой причине в EDX версии он не учитывается.

Более полное описание модели можно найти в [2-5].

Так как реализация TIREM в программном обеспечении EDX отличается от оригинала, то она получила название TIREM - EDX.

Этот метод похож на FCC - RMD метод (А1.2) за исключением того, что вычисление затухания здесь основано исключительно на характеристиках распространения FCC, без учета потерь на дифракцию и отражение (RMD). Этот метод вычисляет напряженность электрического поля точно следуя рекомендациям FCC (часть 73,22 и 90 правил FCC). Интерполяционные алгоритмы для нахождения напряженности поля между точками и между кривыми были разработаны EDX.

Этот метод идентичен предыдущему, за исключением того, что все точки данных, описывающих кривые распространения и интерполяционные алгоритмы для нахождения значений между точками взяты непосредственно из баз данных FCC. Поэтому могут иногда появляться небольшие различия между FCC - EDX и FCC - FCC методами. Так что если вы хотите делать расчеты, которые в точности соответствуют рекомендациям FCC, то используйте FCC метод.

Обратите внимание, что этот метод применяют только при расчетах систем радиовещания в США.

Этот метод такой же как и описанный в А1.3, за исключением того, что он не учитывает потери на дифракцию и отражение сигнала (RMD), и базируется только на CCIR характеристиках распространения.

Этот метод схож с FCC - EDX методом, и отличается только тем, что определенные контурные уровни напряженности поля вызывают специальные формулы для вычислений, взятые из правил FCC.

Данная модель - вариация Hata модели, описанной раннее. Эта версия была разработана для того, чтобы получить модель, которая работала бы в диапазоне частот 1.5-2 ГГц.

При этом формула для основных потерь на трассе в городе:

,dB (А24)

=0 dB для городов средних размеров и пригородов с умеренной плотностью деревьев

=3 dB для столичных центров

Переменные -те же что и в Hata модели.

Здесь используются те же корректировки для сельских квази-открытых и открытых районов. Корректировки для пригородных районов не используются.

Заказная модель основана на Cost 231-Hata методе. Эта модель позволяет вам независимо корректировать каждый из основных своих параметров С1-С10:

Ниже приводится подробное рассмотрение методов вычисления затухания сигнала, используемых в программном обеспечении компании EDX.

Аббревиатура RMD означает "Reflection plus Multiple Diffraction Loss" (отражение плюс множественные дифракционные потери). RMD часть вычислений потерь на трассе использует метод дифракционных потерь на препятствиях, взятый из технических замечаний NBS №101. В случае прямой видимости, когда нет препятствий, которые бы блокировали прямой луч от передатчика до приемника, затухание определяется путем рассматривания вклада одиночного отраженного луча от земли и векторного сложения его с прямым лучом. Для трасс, где рельефные препятствия достаточно высоки чтобы частично закрывать 0.6 от первой зоны Френеля, RMD метод включает дополнительные потери в диапазоне от 0 до 6 dB в зависимости от степени закрытия первой зоны Френеля ( при затухании 6 dB прямой луч уже "царапает" препятствие). Если вы желаете игнорировать отражение от земли, введите "-1" для проводимости земли в соответствующем меню.

В загоризонтной или закрытой препятствиями местности, затухание на трассе вычисляется с помощью подхода Эпштейна-Петерсона путем объединения дифракционных потерь над десятью стоящими одно за одним рельефными препятствиями. Потери вычисляются отдельно для каждого препятствия, при этом для каждого последующего препятствия, выступающего в роли "приемника" , предыдущее препятствие является "передатчиком".

Специфичность метода и формулы для вычислений вклада отражения и дифракции при определении затухания на трассе рассматриваются в следующих разделах.

Коэффициент отражения принимается во внимание в модели RMD когда приемник и передатчик находятся на линии прямой видимости. Если проводимость земной поверхности не установлена равной -1, то программа находит точку отражения на трассе от передатчика до приемника, в которой угол падения равен углу отражения. Обычно нет таких точек, в которых бы угол падения в точности совпадал с углом отражения, поэтому программа допускает некоторую небольшую угловую погрешность. В том случае, если не существует точек отражения, никакого вклада мощности от отраженного луча не допускается.

Если точка отражения найдена, программа вычислит комплексный коэффициент отражения для горизонтальной или вертикальной поляризации, используя следующие формулы:

(А28)

(А29)

Перпендикулярные и параллельные индексы показывают коэффициенты отражения для излучения которое является перпендикулярным или параллельным плоскости падения. Когда луч отражается от земли, то перпендикуляр относится к горизонтальной поляризации, а параллель - к вертикальной поляризации.

Комплексные коэффициенты отражения данные выше - для гладкой поверхности.

Комплексная диэлектрическая проницаемость вычисляется так:

(А30)

где - относительная диэлектрическая постоянная отражающей поверхности, - проводимость отражающей поверхности в Сименс/метр (обе величины вводятся в меню Prop_Info) и - длинна волны, излучаемая передатчиком. Коэффициент отражения на гладкой отражающей поверхности изменяется в случае изрезанной поверхности, принимая во внимание коэффициент затухания на неровностях:

(А31)

(А32)

где - среднеквадратичное отклонение неровностей поверхности.

Дифракционные затухания в алгоритме RMD вычисляются, принимая во внимания отдельно стоящие препятствия на пути, которые могут быть смоделированы как изолированные округленные препятствия. Потери от каждого изолированного препятствия затем объединяются используя принцип Эпштейна-Петерсона, упомянутую выше.

Потери из-за каждого отдельного округленного препятствия вычисляются, при помощи формул, взятых из [1]. Это функции параметра n ,который связан с прозрачностью пути над препятствием. Общие дифракционные потери в dB - это сумма трех частей

Уравнения для вычисления каждой части следующие:

(А33)

(А34)

(А35)

(А36)

(А37)

(А38)

(А39)

(А40)

где коэффициент кривизны:

(А41)

Радиус препятствия R - в километрах, частота f - в MHz. Расстояние d - это длинна пути от передатчика (или предыдущего препятствия) до приемника (или следующего препятствия), d1 - расстояние от передатчика (или предыдущего препятствия) до текущего препятствия, d2 - расстояние от текущего препятствия до приемника (или следующего препятствия). Когда радиус R равен нулю, препятствие - режущая кромка, иОбычно TIREM и RMD алгоритмы рассматривают препятствия как режущею кромку. Параметр в вышеприведенных уравнениях принимает во внимание геометрию трассы, и представляет собой угол склонения трассы радиосвязи над препятствием. Он вычисляется так:

(А42)

При выборе определенного типа помех программа добавляет соответствующий коэффициент ослабления при вычислении напряженности поля и уровня принимаемой мощности. При вычислении потерь этот коэффициент учитывает ослабление сигнала из-за строений и лесопосадок вокруг места приема. Эти потери будут учитываться во всех точках области анализа.

Если вы выбираете тип помехи "None", то никакие дополнительные потери из-за строений или лесопосадок не вносятся. При выборе типа помехи "Urban" (центр города), дополнительное затухание по причине помех вычисляется по следующей формуле:

где f - частота в МГц, d - расстояние от передатчика до приемника в км. Это выражение было взято из "Radio Propagation in Urban Areas. Report 78-144 Anita Longley." При выборе типа помехи "Suburban" (пригород), дополнительное затухание, вычисленное по предыдущей формуле уменьшается на 12 dB. Если вы выбираете тип помехи "Dense foliage" (плотная листва), дополнительное затухание вычисляется при помощи следующего выражения:

,dB (А44)

Это эмпирическая формула была получена для наиболее широкого представления (систематизации) данных, извлеченных из различных опубликованных статей по теме ослабления сигнала из-за деревьев, леса и кустарников. Если вы выбираете тип помехи "Sparse foliage" (Редкая листва), то потери из-за присутствия помехи уменьшаются на 6 dB относительно помех (А44).

Оценки ослабления по причине помех, данные выше должны рассматриваться с известной долей скепсиса т.е. как приблизительные, так как они получены чисто статистическим путем, и не могут гарантировать точных вычислений в некоторых случаях.

Для модели распространения сигнала, базирующейся на методе Okumura (Hata), "Urban" и "Suburban" коэффициенты вычисляются в соответствии с оригинальной методикой Hata, и при этом поправочные коэффициенты, данные выше не применяются.

Формулы для временной и пространственной нестабильности, используемые в программе взяты из [6].

Временная нестабильность - изменение уровня сигнала как функции времени в фиксированном месте приема при постоянных других параметрах среды. Строго говоря, изменение уровня сигнала происходит из-за зависимых от времени изменений в атмосфере, в основном из-за преломлений. Эти изменения могут приводить к изменению зон уверенного приема. Это называется "медленное изменение уровня мощности" и определяется из ежечасных измерений уровней мощности сигналов, что усредняет быстрые замирания, которые обсуждаются ниже.

Второй тип временной нестабильности - быстродействующее изменение, наблюдаемое в микроволновых системах, в которых переменные атмосферные условия изменяют относительную длину, и сдвиги фазы сигнала на трассе так, что прямые и отраженные лучи складываются либо в фазе, либо нет в зависимости от времени. Результирующий сигнал в месте приема имеет временную нестабильность которая подобна классическому распределению замираний Рэлея. Обычное ослабление мощности в таких случаях несколько dB, причем с большими изменениями при увеличении длины пути. Быстрые замирания Рэлеевского типа могут быть до 40dB и больше, это зависит от времени дня, сезона, типа климата.

Вы можете выбрать тип климата, что будет затем оказывать влияние на вычисление временной нестабильности. Для коротких трасс временная нестабильность приводит к изменению уровня сигнала на несколько dB. Быстрые временные изменения не учитываются в программах MSITE/SHDMAP и CVR, FMSR, и TVSR. Программы TPATH и RPATH принимают во внимание этот тип нестабильности.

Многое из, что описывается как временная нестабильность - фактически пространственная нестабильность, пространственная нестабильность в общем случае любое изменение в расположении приемника относительно любого элемента в среде. Так, например, уровень мощности в фиксированном месте приема может меняться по причине отражения сигнала от проезжающего мимо автомобиля, автомобиль - часть среды распространения, и поэтому изменение уровня сигнала, которые он вызывает должно рассматриваться как пространственная нестабильность, даже если при этом не изменяется местоположение приемника.

Обратите внимание, что изменения уровня сигнала, наблюдаемые в точках на трассе, которые затенены или, например, находятся на линии взгляда - не является пространственной нестабильностью, здесь различие в уровнях сигнала объясняется либо ситуацией прямой видимости, либо затенением. Другими словами, пространственная нестабильность обусловлена изменением уровня сигнала, которое определяется изменением в среде распространения, и она явно не рассматривается. Если в среде распространения все фиксировано, как и местоположение приемника , то пространственная нестабильность будет нулевой. Изменение уровня сигнала будет происходить по причине временной нестабильности.