Модели распространения, рекомендованные МСЭ

Для расчета напряженности поля РЭС различных служб в диапазоне от 30 МГц до 1000 МГц в МСЭ была разработана рекомендация ITU-R P.370. Кроме того имеется рекомендация непосредственно для сухопутной подвижной службы ITU-R Р.529, разработанная на основе ITU-R P.370 (в эту рекомендацию включены кривые Okumura) и рекомендация ITU-R P.1146, которая явилась следствием расширения результатов ITU-R P.370 на диапазон волн до 3 ГГц.

Рекомендация ITU-R P.370 является наиболее ранней и наиболее разработанной рекомендацией для расчета напряженности поля радиоволн в диапазоне от 30 до 1000 МГц. Она основана на огромном экспериментальном материале, полученном в основном в Западной Европе и Северной Америке. Рекомендация предоставляет возможность определять напряженность поля на расстояниях от 10 км до 1000 км. Эта рекомендация позволяет учесть высоту передающей антенны в пределах от 37 м до 1200 м и приемной антенны от 1,5 м до 40 м, а также неровности земли от 25 м до 400 м. Кроме того, в рекомендации имеется возможность определения параметров пространственных и временных флуктуаций напряженности поля, а также могут учитываться углы закрытия со стороны приемной и передающей антенн и климатические особенности регионов.

Сфера действия рекомендации ITU-R P.529, предназначенной для расчета напряженности поля применительно к сухопутным подвижным системам связи, практически совпадает с частью сферы действия рекомендации ITU-R P.370, но она не учитывает многих особенностей распространения радиоволн, которые учитываются в рекомендации ITU-R P.370. Расчеты напряженности поля, проведенные по методам рекомендаций ITU-R P.370 и ITU-R P.529 для высоты приемной антенны 1,5 м на частоте 900 МГц примерно совпадают для городской местности до 100 км. Для других частот и больших расстояний рекомендация ITU-R P.529 не содержит никаких данных. Высотная зависимость в рекомендации ITU-R Р.529 приведена лишь в пределах 1…10 м и несколько отличается от данных рекомендации ITU-R P.370.

Рекомендация ITU-R Р.1146 предназначена для расчета напряженности поля в диапазоне от 1 ГГц до 3 ГГц. На частоте 1 ГГц расчеты по этой рекомендации должны были бы совпадать с расчетом по методу рекомендаций ITU-R P.370 и ITU-R P.529. Однако, различие в расчетах достигает 20 дБ для расстояний в области 25-120 км. Это вызвано, по-видимому, тем, что в рекомендации ITU-R Р. 1146 выбран неудачный метод классификации трасс по числу препятствий, дающий возможность произвольного выбора того или иного варианта расчета без надлежащего учета условий распространения радиоволн.

По-видимому, методы рекомендации ITU-R P.370 следует в большинстве случаев считать более предпочтительными по сравнению с другими методами ввиду того, что эта рекомендация основана на очень большом экспериментальном материале и учитывает большее число факторов, влияющих на распространение радиоволн. Однако для условий городской местности и для малых расстояний (менее 10 км) целесообразно пользоваться рекомендацией ITU-R Р.529.

Модель Okumura - Hata

Среди многочисленных экспериментальных исследований, связанных с прогнозом распространения радиоволн для мобильных систем, исследования Okumura считаются наиболее исчерпывающими. На основе измерений им построены кривые напряженности поля сигналов для различных условий городской и пригородной местности. Эмпирические формулы, аппроксимирующие кривые Okumura для медианного значения ослабления радиосигнала между двумя изотропными антеннами (передающей и приемной), были получены Hata и известны как эмпирическая модель Hata для ослабления.

Модель Hata описывает особенности распространения радиоволн над квази­плоской местностью и не учитывает особенности рельефа. Кроме того предполагается, что антенны базовых станций расположены выше окружающих строений, а размер ячеек при формировании макросотовой структуры сети составляет около 1 км и более. В этом случае потери распространения определяются главным образом процессом дифракции и рассеяния радиоволн на высоте крыш зданий, окружающих абонентскую станцию. Распространение основных лучей от базовой станции происходит выше крыш строений.

Область применения формулы Hata ограничена следующими значениями параметров:

рабочая частота f, МГц                       150... 1000;

высота антенны базовой станции h _БС , м      30...200;

высота антенны абонентской станции h _АС , м 1... 10;

протяженность трассы R , км                       1 ...20.

В рекомендации ITU-R Р.529 дано уравнение Hata для напряженности поля в следующем виде:
, (3.12)

где f - рабочая частота РЭС в МГц; h_БС, h_AC - высота расположения антенн БС и АС в метрах.

В формуле (3.12) используется поправочный коэффициент на высоту абонентской станции.
.          (3.13)

Коэффициент к в (3.12) позволяет расширить действие модели для протяженности трассы до 100 км:

к = 1   для R < 20 км,

для 20 км <R < 100 км.

Формула (3.12) может быть использована и в диапазоне от 1 ГГц до 2 ГГц с ограничением по дальности до 20 км.

Основные потери передачи L ( R ) [дБ] при распространении на трассе протяженностью R [км] от радиопередатчика к радиоприемнику в соответствии с этой моделью определяются формулой

,                                        (3.14)

где α, β — коэффициенты, зависящие от типа местности, рабочей частоты и высоты расположения антенн РЭС. Формулы для расчета L ( R ) для различных типов местности представлены ниже.

Потери в городе:

.    (3.15)

Потери в пригороде;
.                                          (3.16)

Потери в сельской местности:
.             (3.17)

Потери на открытом пространстве:
.             (3.18)

В формулах (3.15)-(3.18) используются те же поправочные коэффициенты, что и в (3.12). Для больших городов с плотной городской застройкой коэффициент a ( h_AC ) равен:

 для < 200 МГц, (3.19)

для > 400 МГц.(3.20)

Для корректного использования формул Hata необходимо придерживаться следующего соответствия между типами моделей и характеристиками местности:

7. Плотная городская застройка (большой город) - плотная застройка в
основном высокими зданиями (выше 20 этажей) с малой площадью зеленых
насаждений. Покрытие ячеек в значительной мере определяется дифракцией и
рассеянием сигнала на ближайших к абоненту зданиях.

7. Городская застройка - многоэтажная административная и жилая
застройка, индустриальные районы. Плотность зданий достаточно высокая, но
может быть разбавлена зелеными насаждениями, небольшими скверами.

7. Пригород - одиночные жилые дома, административные здания, магазины высотой 1-3 этажа. Большие площади зеленых насаждений (деревьев), парковые зоны с отдельными группами зданий плотной застройки.

7. Сельская местность - открытое пространство с несколькими зданиями, фермы, кустарниковые насаждения, шоссе.

7. Открытое пространство - озера, водохранилища, открытые участки
без насаждений, неплодородные земли.

На рис. 15, 16 представлены графики для медианного значения ослабления радиоволн по модели Hata и свободного пространства в диапазонах 450 МГц и 850 МГц. Значения параметров h _БС, h _АС , указаны на рисунках. Цифрами обозначены: 1 - свободное пространство; 2 - открытая местность; 3 - пригород; 4 - город; 5 - большой город.

Рис. 15. Графики для медианного значения ослабления радиоволн по модели Hata в диапазонах 450 МГц и 850 МГц.

Рис. 16. Графики для медианного значения ослабления радиоволн свободного пространства в диапазонах 450 МГц и 850 МГц.

Как видно из анализа формул (3.15) - (3.20) для модели Okumura-Hata спад функции основных потерь передачи L ( R ) существенно зависит от высоты расположения антенны БС и может составлять 30...35 дБ на декаду для R < 20 км и более 50 дБ при 20 км < R < 100 км.