Оценка ЭМС сетей радиосвязи

В настоящее время ввиду массового роста числа пользователей радиочастотным спектром, проблема ЭМС РЭС приобретает весьма важное значение не только в рамках отдельных служб радиосвязи, но и между разными службами. Успешное решение этой проблемы необходимо связывать прежде всего с развитием новых спектрально эффективных радиотехнологий, позволяющих при ограниченном частотном ресурсе существенно повышать потенциальную емкость сетей радиосвязи общего пользования. Эта комплексная проблема объединяет все элементы радиоинтерфейса современных сетей связи, включая радиосигналы как носители информации, средства их генерации, обработки и излучения (приема) и способы организации радиосвязи, - все в совокупности определяющее множественный (многостанционный) доступ в сети на основе методов частотного, временного, кодового и пространственного (или их совокупности) разделения каналов пользователей.

Под электромагнитной совместимостью РЭС понимается их способность одновременно функционировать в реальных условиях эксплуатации с требуемым качеством при воздействии на них непреднамеренных радиопомех, не создавая недопустимых радиопомех другим радиосредствам. Другими словами, ЭМС РЭС - это свойство РЭС функционировать без ухудшения качественных показателей ниже допустимого в заданной электромагнитной обстановке. Под электромагнитной обстановкой будем понимать совокупность электромагнитных полей РЭС различных служб радиосвязи в рассматриваемой области пространства. Оценка ЭМС РЭС является общей задачей и неотъемлемой частью процесса согласования условий совместной работы РЭС. В ходе оценки ЭМС РЭС вырабатываются условия, удовлетворяющие критерию ЭМС в данной электромагнитной обстановке. Эти условия могут включать: территориальные ограничения на размещение станции - источника помех; ограничение ЭИИМ станции - источника мешающих сигналов в направлении на станцию, подверженную помехе; защитные полосы и частотные ограничения РЭС; значение необходимого подавления боковых лепестков диаграмм направленности передающей и приёмной антенн; оптимизацию параметров расположения РЭС и ориентации антенн и др.

За критерий обеспечения ЭМС обычно принимают защитное отношение радиоприемника - минимальное допустимое отношение сигнал/радиопомеха на входе приемника, обеспечивающее требуемое качество функционирования в условиях воздействия непреднамеренных радиопомех. Численное значение защитного отношения, как правило, зависит от типа помехового сигнала. Иногда значение защитного отношения радиоприемника приводят к полосе пропускания его линейной части (совмещенный канал), т.е. не учитывают ослабление помехи за счет избирательных свойств приемника.

Для решения проблемы ЭМС РЭС используются организационные и технические меры. Технические меры обеспечения ЭМС обусловлены изменением технических параметров РЭС (например, снижение уровней внеполосных и побочных излучений передатчиков, повышение избирательных свойств приемников, снижение уровней боковых лепестков диаграмм направленности антенн и др.). Они достаточно эффективны, но могут быть применимы в основном при разработке новых типов оборудования. Для РЭС, находящихся в эксплуатации, наиболее приемлемыми и действенными мерами обеспечения ЭМС являются организационные меры. Они включают рациональное назначение рабочих частот, сочетаемое с введением частотных, территориальных, временных и пространственных ограничений, накладываемых на РЭС, - все вместе представляющее собой основу частотно-территориального планирования (ЧТП) сетей сухопутной подвижной связи, отвечающее требованиям эффективного использования спектра.

Уравнение ЭМС РЭС

Уравнение ЭМС РЭС устанавливает взаимосвязь энергетических, частотных и пространственных параметров РЭС полезного сигнала (рецептора радиопомех) и мешающих сигналов (источников непреднамеренных радиопомех), при которых обеспечивается требуемое качество функционирования РЭС. Обычно уравнение ЭМС составляют для "дуэльной" ситуации, когда оценка ЭМС производится для двух РЭС, одно из которых рассматривается в качестве приемника полезного сигнала, а второе РЭС является источником непреднамеренных радиопомех. В общем случае, возможно, учесть несколько источников непреднамеренных радиопомех.

Важнейшими факторами, которые необходимо учитывать при анализе ЭМС РЭС, являются потери при распространении радиоволн на трассе и флуктуации уровней принимаемых сигналов и радиопомех.

Считают, что качественная передача информации по радиоканалу обеспечивается в том случае, если выполняются следующие два условия:

• флуктуации уровня полезного сигнала, обусловленные его замираниями как вследствие многолучевости, так и вследствие препятствий, возникающих на пути распространения радиоволн, приводят к уменьшению интенсивности полезного сигнала ниже чувствительности РПМ (определяемой требуемой вероятностью ошибочного приема цифровых сигналов на выходе решающего устройства радиоприемника) не более чем в заданном η_s проценте времени;

• флуктуации уровня полезного сигнала и непреднамеренной радиопомехи приводят к снижению отношения сигнал/помеха ниже защитного на входе радиоприемника не более чем в заданном η_lпроценте времени.

Флуктуации интенсивности полезного и мешающего сигналов в диапазонах волн, выделенных для подвижной связи, подчиняются логнормальному закону, т.е. мощность полезного P_S и мешающего Р _I сигналов в месте приема (на входе приемника) может быть записана следующим образом:

Ps=Pos + X_S,

P_I = P_OI + X_I.                                             (3.1)

где Pos , P_OI - медианные значения мощности сигнала и радиопомехи; X_S , X_I - случайные гауссовские величины с нулевым средним значением и с дисперсией σ², определяющей глубину флуктуации этих уровней (обычно принимают, что для городов с малой и средней этажностью застройки стандартное отклонение σ = 6 дБ, а для пригородов и сельской местности σ = 4 дБ).

Тогда η_S и η_I выраженные в процентах, определяются интегралами вероятности:

,               (3.2)

.                            

где Р_мин - чувствительность радиоприемника; А_ВХ - защитное отношение на входе радиоприемника; k_{S ,} k_I - коэффициенты, учитывающие допустимый процент времени ухудшения качества радиосвязи ниже заданного уровня.

Отметим, что если η_S = η_I = 5% (что обычно принимается в качестве вероятностного критерия оценки границы зоны покрытия сотовой сети), то     k_{S ,} = k_I = k = 1.65, которое характеризует пороговые уровни сигнала и отношения сигнал/помеха. Снижение пороговых уровней может привести к увеличению времени некачественного обслуживания абонентов.

Условия, указанные в формулах (3.2), выполняются в процентах времени η_S и η_I в том случае, если имеют место следующие соотношения:
Р _OS = Р_МИН + k σ                                                 (3.3)

.                            (3.4)

где k σ - запас на замирания полезного сигнала, обеспечиваемый в системе радиотелефонной связи на входе РПМ.

Баланс мощности в сетях подвижной связи должен быть выбран таким образом, чтобы на границе зоны обслуживания сети всегда выполнялось требуемое соотношение, а территориальный и/или частотный разнос между совмещаемыми сетями должен быть таким, чтобы выполнялось соотношение (3.4). Принятый выше запас на замирания полезного сигнала соответствует требованиям обеспечения минимальной напряженности поля сигнала для защиты мобильных станций цифровых и аналоговых систем сотовой связи, указанным в Рекомендации СЕРТ.

Необходимо учитывать, что энергетические параметры РЭС сотовых сетей связи должны выбираться из условия обеспечения требуемого радиуса зоны покрытия базовой станции (БС) каждой сети. Радиусы зон покрытия БС должны быть учтены при расчете величины территориального разноса между РЭС.

Таким образом на основании (3.3) и (3.4) уравнение ЭМС РЭС может быть
записано в следующем виде:                                       

                          (3.5)

где                                                                             

Р_МИН - чувствительность РПМ (рецептора радиопомех), дБВт;  

А - защитное отношение РПМ в совмещенном канале, дБ;

 - запас на замирания сигнала и радиопомехи, дБ;
P_OI - мощность радиопомехи на входе РПМ, дБВт.
P_OI = P _РПД + G _РПД (φ_РПМ) + G _РПМ (φ_РПД) + U _РПД + U _РПМ + N (δ f ) - L ( R ),      (3.6)

где

P _РПД - мощность радиопередатчика источника радиопомех, дБВт;

G _РПД (φ_РПМ) - к-нт усиления антенны РПД в направлении на РПМ, дБ;

G _РПМ (φ_РПД) -  к-нт усиления антенны РПМ в направлении на РПД, дБ;

U _РПД, U _РПМ — затухание в антенно-фидерном тракте РПД и РПМ, дБ;

N ( δ f ) - ослабление радиопомехи в линейном тракте РПМ, дБ;

δ f = f _рпд - f _ргм -  частотная расстройка, МГц;

L ( R ) - потери на трассе распространения сигналов от РИД (в данном случае источника радиопомех) к РПМ (рецептору радиопомех), дБ. Эти потери принято называть основными потерями передачи, которые рассчитываются от входа передающей изотропной антенны до выхода приемной изотропной антенны. На рис. 13 показана структура линии радиосвязи и основные термины, используемые для представления о потерях передачи.

Рис. 13. Структура линии радиосвязи.

Зависимость ослабления помехи от расстройки δf вычисляется по формуле

.     (3.7)

Здесь

С - нормировочный коэффициент;

S ( f ) - спектр сигнала радиопередатчика;

K ( f ) - нормированная функция избирательности радиоприемника (амплитудно-частотная характеристика)[32].

Спектр сигнала и функция избирательности являются важнейшими техническими характеристиками РЭС, существенно влияющими на условия их ЭМС. Поэтому к уровням внеполосных и побочных излучений радиопередатчиков предъявляются особые требования.

При оценке ЭМС РЭС с целью проверки соответствия параметров сигналов РЭС установленным требованиям необходимо руководствоваться едиными нормами на внеполосные и побочные излучения радиопередающих устройств гражданского назначения.

По мнению ERC рекомендации CEPT/ERC 74-01E для уровней побочных излучений РЭС сухопутной подвижной службы должны пересматриваться каждые три года в соответствии с изменениями технологий и регулирующих требований и должны быть использованы администрациями в качестве руководства для разработки соответствующих стандартов.