Дипломное проектирование сети ШПД г. Казань на основе технологии WiMAX

1.5 Влияние негативных факторов внешней среды на качество передачи

В пределах прямой видимости основными факторами, негативно влияющими  на качество приема электромагнитных волн, являются:

- потери в свободном пространстве;

- состояние атмосферы;

- наличие отражающих объектов;

- шумы.

Потери в свободном пространстве

Потери в свободном пространстве вызваны тем, что с ростом расстояния от передающей антенны до приемной антенны излученная энергия распределя­ется по все большей площади, и на приемную антенну приходится лишь ма­лая часть излученной энергии. В наиболее простом случае, когда передающая антенна является всенаправленной (изотропное излучение), энергия излуче­ния как бы "размазывается" по сферической поверхности. С ростом расстоя­ния (радиуса сферы) площадь поверхности сферы увеличивается, а плотность электромагнитной энергии, приходящаяся на единицу поверхности, умень­шается. Такие потери определяются по формуле:

где Ри ,  Рпр — мощности излучения и приема соответственно; d — расстояние между передающей и приемной антеннами. Чаще всего это отношение мощ­ностей выражают в децибелах:

Для любого типа беспроводной связи передаваемый сигнал рассеивается по мере его распространения в пространстве. Следовательно, мощность сигнала, принимаемого антенной, будет уменьшаться по мере удаления от передающей антенны. Для спутниковой связи упомянутый эффект является основной причиной снижения интенсивности сигнала. Даже если предположить, что все прочие причины затухания и ослабления отсутствуют, переданный сигнал будет затухать по мере распространения в пространстве. Причина этого - распространение сигнала по все большей площади. Данный тип затухания называют потерями в свободном пространстве и вычисляют через отношение мощности излученного сигнала к мощности полученного сигнала. Для вычисления того же значения в децибелах следует взять десятичный логарифм от указанного отношения, после чего умножить полученный результат на 10.

где Pt - мощность сигнала передающей антенны; Pr - мощность сигнала, поступающего на антенну приемника; λ - длина волны несущей; d - расстояние, пройденное сигналом между двумя антеннами; Gt - коэффициент усиления передающей антенны; Gr - коэффициент усиления антенны приемника.

Следовательно, если длина волны несущей и их разнесение в пространстве остаются неизменными, увеличение коэффициентов усиления передающей и приемной антенн приводит к уменьшению потерь в свободном пространстве.

Для нашей аппаратуры примем  расстояние 7,5 км:

L = 20lg(4π*7500м) -20 lg(0,085м)-13,5-15=92,4 дБ – потери в среде

С ростом частоты (уменьшением длины волны) и уменьшением коэффициен­та усиления антенн затухание увеличивается.

Бюджет потерь

Направление передачи БС → АК

Тип БС: VectaStar 3500

Мощность передатчика БС:

Рпрд = 33,5 дБм

Тип антенны БС: высокоэффективная микрополосковая панельная антенна с круговой поляризацией, усиление 13,5 дБм,

Высота подъема антенны БС: hБС = 30 м (с учетом невысокой застройки города антенна БС будет устанавливаться на здании).

Рис. 1.5 - Предварительная оценка высоты установки антенн для случая гладкой Земли проводится по графику

Излучаемая мощность Ризл, дБм:

где Вф прд = 2,2 дБ - потери в фидере антенны ПРД БС,

ηк = 3,5 дБ - потери в комбайнере БС,

ηкопл = 3 дБ - потери в коплере БС,

G0 и = 13,5 дБи - максимальный КУ антенны ПРД БС.

Необходимая мощность полезного сигнала с вероятностью 50%:

где Рпрм = -91 дБм - чувствительность приёмника,

ηф прм = 0 дБ - потери в фидере антенны ПРМ,

G0 п = 15 дБи - максимальный КУ антенны ПРМ.

Направление передачи АК → БС

Тип АК: CPE Cambridge Broadband (Англия)

Мощность передатчика МС Рпрд,

Рпрд = 33,5 дБм

Параметры антенны:

Поляризация – правосторонняя круговая

Высота подъема антенны МС: hМС = 1,5 м. (мин)

Излучаемая мощность Ризл, дБм:

где Вф прд = 0 дБ - потери в фидере антенны ПРД МС,

ηк = 0 дБ - потери в комбайнере МС,

ηкопл = 0 дБ - потери в коплере МС,

G0 и = 15 дБи - максимальный КУ антенны ПРД АК

Необходимая мощность полезного сигнала с вероятностью 50%:

где Рпрм = -91 дБм - чувствительность приемника,

ηф прм = 2,2 дБ - потери в фидере антенны ПРМ,

G0 п = 13,5 дБи - максимальный КУ антенны ПРМ.

Системное усиление определяется как: System Gain = Tx - Rx;

где Tx - выходная мощность передатчика системы; Rx - чувствительность приемника системы

БС-АК:

System Gain = Tx – Rx = 38,3 +106= 144,3 дБм

АК-БС:

System Gain = Tx – Rx = 48,5 +103,8= 152,3 дБм

Для определения дальности связи смотрим следующий график для частоты 3,5 ГГц:

Рис. 1.6 - Определение дальности связи беспроводных устройств

  Если на участке максимальное системное усиление равно 144,3 дБм (БС-АК), то максимальный радиус зоны покрытия БС порядка 18 км.

Атмосферное поглощение

Причиной дополнительных потерь мощности сигнала между передающей и принимающей антеннами является атмосферное поглощение, при этом основной вклад в ослабление сигнала вносят водные пары и кислород. Дождь и туман (капли воды, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе) приводят к рассеиванию радиоволн и в конечном счете к ослаблению сигнала. Указанные факторы могут быть основной причиной потерь мощности сигнала. Следовательно, в областях, для которых характерно значительное выпадение осадков, необходимо либо сокращать расстояние между приемником и передатчиком, либо использовать для связи более низкие частоты.

Наличие отражающих объектов

Наличие отражающих объектов, находящихся в стороне от прямой, связы­вающей приемную и передающую антенны, может привести к попаданию на приемную антенну отраженных сигналов, являющихся копиями основного сигнала. Поскольку прямой и отраженный сигналы проходят разные по вели­чине пути (что равносильно сдвигу фаз колебаний относительно друг друга), то в точке приема происходит их интерференция. При этом амплитуда сигна­ла на приемной антенне может как суммироваться (при разности путей на длину волны), так и вычитаться (при разности путей на половину длины вол­ны). Такие явления называют замираниями. Для движущихся объектов эти замирания носят меняющийся во времени характер. Причем могут происхо­дить изменения амплитуды как относительно медленные, так и очень быст­рые. На частотах порядка единиц гигагерц длина волны составляет единицы-десятки сантиметров, поэтому быстрые замирания могут происходить да­же при малых перемещениях антенны приемника. Характер медленных и бы­стрых замираний хорошо описывается законом Релея. Динамический диапа­зон замираний может достигать 40 дБ. Из-за быстрых замираний амплитуда принимаемого сигнала на доли секунды то увеличивается, то уменьшается относительно некоего среднего уровня. В городских условиях количество таких скачков амплитуды может происходить десятки-сотни раз в секунду.

Шум

Для любой передачи данных справедливо утверждение, что полученный сигнал состоит из переданного сигнала, модифицированного различными искажениями, которые вносятся самой системой передачи, а также из дополнительных нежелательных сигналов, взаимодействующих с исходной волной во время ее распространения от точки передачи к точке приема. Эти нежелательные сигналы принято называть шумом. Шум является основным фактором, ограничивающим производительность систем связи.

Шумы можно разделить на четыре категории:

                    тепловой шум;

                    интермодуляционные шумы;

                    перекрестные помехи;

                    импульсные помехи.

Тепловой шум является результатом теплового движения электронов. Данный тип помех оказывает влияние на все электрические приборы, а также на среду передачи электромагнитных сигналов.

При формировании радиосетей определенную проблему составляет интерференция сигналов смежных каналов и наложении перекрестных наводок с тепловыми шумами. Для таких каналов отношение I/N (отношение сигнала интерференции к тепловому шуму) лежит в диапазоне -6 ÷ -10 дБ. Следует, разумеется, учитывать, что уровень интерференционного сигнала варьируется в очень широких пределах.

Радиоволны в диапазоне 3-66 ГГц распространяются прямолинейно и подвержены поглощению при наличии дождя или сильного снега. Любые строения или объекты ландшафта препятствуют их распространению, даже если перекрывают видимость между передающей и принимающей антеннами частично. Рекомендуются вертикальная или горизонтальная ориентации поляризации. Предельное расстояние связи (RH) для высоты положения антенн H1 и H2, сопряженное с кривизной земной поверхности, определяется формулой RH = 4.12( ), где RH измеряется в км, а Н1 и Н2 в метрах.

Для успешной работы канала нужно обеспечить достаточно большое отношение уровней несущей и интерференционного сигнала (C/I). На практике приходится учитывать отношение C/(I+N), где N - уровень теплового шума, а также уровень шумов приемника (~6дБ). Чрезмерное увеличение мощности передатчика (с целью улучшения отношения сигнал-шум) не желательно, так как это приводит к возрастанию уровня интерференционного сигнала.

Кроме тепловых шумов в системах связи значительное мешающее воздейст­вие имеют импульсные помехи. Они могут быть вызваны молниями, работой электросварочного оборудования, искрением электрооборудования, неис­правностями в самой аппаратуре связи или даже могут быть искусственно созданы для злонамеренной постановки помех. Импульсные помехи имеют значительную амплитуду и широкий спектр частот. При передаче голосового сигнала влияние импульсных помех довольно незначительно. Оно проявля­ется в появлении щелчков и потрескиваний. При передаче цифровых данных этот вид помех может стать определяющим. За время длительности импульс­ной помехи могут быть потеряны все биты, преданные за это время. Борьба с импульсными помехами представляет весьма сложную задачу. В основном решение заключается в отфильтровывании во входных цепях приемника всех частотных составляющих вне используемой полосы частот канала. При этом отфильтровывается часть мощности импульсной помехи и ослабляется дей­ствие помехи на сигнал. В противном случае необходимо снижать скорость передачи и увеличивать длительность передаваемых символов, чтобы за вре­мя длительности импульсной помехи оказалась пораженной незначительная часть символа.

Другим источником помех являются интермодуляционные шумы. Действие таких помех проявляется в том, при взаимодействии на нелинейных элемен­тах двух (или более) сигналов, например, на частотах f1и f2, появляются па­разитные сигналы на частотах f1±f2. Если полезный сигнал окажется равен также f1±f2, то полезный и паразитный сигналы будут интерферировать, а принимаемый сигнал станет искаженным. Подобный эффект интермодуля­ции возникает и на частоте зеркального канала, когда паразитный сигнал создает при демодуляции сигнал на промежуточной частоте приемника. Ин­термодуляционные шумы могут возникать из-за нелинейных элементов в це­пях передатчика (возможно постороннего) и приемника или неисправности в приемном оборудовании. При больших уровнях принимаемого сигнала в усилителях, работающих при нормальном уровне сигнала в линейном режи­ме, могут возникать перегрузки, при которых усилитель может перейти в не­линейный режим. Паразитные сигналы в результате нелинейного преобразо­вания могут оказаться в полосе полезного сигнала. Допустимый уровень сигнала (точка насыщения) на входе современных высокочувствительных приемников составляет приблизительно минус 55 дБм (~ 1,8 мкВ). При более высоком уровне входной усилитель начинает работать в нелинейном режиме. В серийном оборудовании систем подвижной связи чувствительность прием­ников несколько ниже. Для систем подвижной связи типичным является си­туация, когда одна мобильная станция находится вблизи границы зоны по­крытия, а другая — вблизи базовой станции. При одинаковой мощности передатчиков мобильных станций передатчик второй станции может пере­грузить входной усилитель приемника базовой станции, обслуживающий удаленного абонента. Продукты нелинейного преобразования могут попасть в полосу пропускания соседнего канала и создадут там помехи. Таким обра­зом, высокая мощность ближнего передатчика может вызвать помехи сразу в нескольких приемниках базовой станции. На практике проблему дальнего и ближнего пользователя решают адаптивным регулированием мощности пе­редатчиков. Чем ближе подвижная станция подходит к базовой, тем автома­тически уменьшается взаимная мощность их передатчиков. Разумеется, сис­тема автоматического контроля и регулирования взаимной мощности является сложной и дорогостоящей. Для систем с фиксированным располо­жением базовых и пользовательских станций (WiMAX-2004) взаимные мощ­ности можно просчитать заранее и установить нужные уровни в процессе инсталляции оборудования. Влияние интермодуляционных помех удается заметно ослабить с помощью фильтров во входных цепях приемника. Ис­пользование входных фильтров с крутыми скатами частотных характеристик позволяет ослабить и паразитные сигналы по соседним каналам.