Розрахунок напруженості поля на основі статистичної моделі

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОНІКИ

КАФЕДРА ЗВУКОТЕХНІКИ І РЕЄСТРАЦІЇ ІНФОРМАЦІЇ

ЕТДФ.232001.004 ПЗ

Курсова робота

по курсу «Технічна електродинаміка»

«Розрахунок напруженості поля на основі статистичної моделі»

Виконав: студент гр. ДЗ-01 Доля С.О.

Керівник проф. Пілінський В.В.

ас. Шмигін Д.А.

Київ-2011



Завдання

до курсової роботи з кредитного модуля ( дисципліни ) “Технічна електродинаміка та ПРХ-1” 3 семестр

Студента: Долі Сергія Олександровича

1.Тема роботи

Розрахунок напруженості поля на основі статистичної моделі

2. Термін здачі студентом роботи « 22 » грудня 2011 р.

3. Вихідні дані роботи Pпрд = 1000 Вт , f = 550 МГц , h1 = 18 м, h2 = 4 м, вертикальна, горизонтальна,Grпрд = 10 Grпрм = 2 .

пердав. Антена (43 17,733; 22 23,133) прийм.:( 43 13,431; 22 06,555)

Карта: M - 34-105

(визначаються кількісні та якісні показники яким повинен відповідати об`єкт проєктування)

4.Перелік питань, які мають бути розроблені :

а. Відповідно до індивідуального завдання скласти профіль траси та визначити основні її характеристики (середня висота, кут зазору та характер місцевості тощо) .

б. Розрахувати напруженість поля для конкретної траси на основі вхідних даних та топології траси.

в. Порівняти отриманні результати з розрахунками отриманими для ідеального випадку (за формулою ідеального радіозв'язку)

г. Обгрунтувати і детально описати розв'язання задачі планування зони покриття вказаного в індивідуальному завданні.

д. Зробити висновки

5. Дата видачі завдання «20 » жовтня 2011 р.

Керівник курсової роботи Шмигін Д.А.

Завдання прийняв до виконання Доля С.О.

УДК 621.398.4.



Реферат

Основна частина курсової роботи складається з листів 28, рисунків 12, таблиць 2, додатків 2.

Дана курсова робота складається з двох основних розділів. В першому виконується розв'язання електродинамічних задач. В другому -розрахунок напруженості поля для конкретної траси на основі топології місцевості . В ході виконання роботи було розраховано напруженість поля в точці прийому за формулою ідеального радіозв'язку та на основі статистичної моделі.

Сфера застосування: розрахунок потужностей приймальних та передавальних пристроїв, напруженості поля в різних частинах простору, в залежності від параметрів середовища з урахуванням втрат при поширенні радіохвиль в навколоземному просторі.

НАПРУЖЕНІСТЬ ЕЛЕКТРИЧНОГО ПОЛЯ, НАПРУЖЕНІСТЬ МАГНІТНОГО ПОЛЯ, ВЕКТОР ЕЛЕКТРИЧНОГО ЗМІЩЕННЯ, ПОТЕНЦІАЛ, ЕЛЕМЕНТАРНИЙ ВИПРОМІНЮВАЧ, КРИВІ ПОШИРЕННЯ РАДІОХВИЛЬ, ПОПРАВОЧНІ КОЕФІЦІЄНТИ, ПРОФІЛЬ ТРАСИ.

Вступ

В даній роботі розглянуто статистичний метод прогнозування електромагнітної обстановки в заданому районі. Проектування систем радіозв'язку, супроводжується визначенням зони покриття на основі статистичних і детермінованих методів, які враховують параметри географічного району розміщення мережі. Статистичні методи прогнозування широко використовуються.

Метою роботи є поглиблення теоретичних знань технічних і програмних засобів при проектуванні систем радіозв'язку, розвиток навиків самостійної оцінки спроможності аналогових та цифрових систем радіозв'язку на основі статистичної моделі напруженості поля сигнала , набуття навиків роботи з технічною та довідниковою літературою з питань реалізації систем радіозв'язку, вибору програмного забезпечення, використання стандартних баз даних геоінформаційних систем (ГІС) ;

Вихідними даними для проектування є координати передавального та приймального пристрою, потужність передавального пристрою, висота антен та їх характеристики, характер місцевості та час за якого напруженість поля перевищує прогнозований рівень . Характер місцевості та вибір топології траси проводиться на основі картографічних даних для кожного окремого випадку за допомогою картографічних даних або систем використовуючих географічні бази даних



1. Побудова профіля траси. Методика прогнозування зон покриття мереж радіозв'язку

Під час планування мереж мобільного зв'язку зона покриття мережі визначається на основі статистичних та детермінованих методів, які враховують параметри, що описують географічний район розгортання мережі.

Статистичні методи прогнозування, основані на презентативному виборі вимірювань реальних сигналів, довгий час були основними в практиці фірм-операторів і не втратили своєї актуальності до сьогодні. У відповідності з ними зони покриття базових станцій моделюються кругом, радіус якого відповідає заданому проценту глобальних зон з якісним зв'язком на його границі, або визначається границя зони покриття як сукупність точок ЕППР від базових станцій по азимутальних кутах до досягнення в них показниками якості зв'язку своїх граничних значень.

Детерміновані методи прогнозування основані на врахуванні факторів впливу перешкод на шляху поширення сигналу від базових станцій до ЕППР та місцевих умов в ЕППР. Якщо обмежитись енергетичною моделлю в радіолінії мобільного зв'язку, то характер флуктуацій амплітуди сигналу в глобальній зоні визначається медіанним значенням поля, середньоквадратичним відхиленням його фклюктуацій та параметром, що характеризує наявність чи відсутність умов прямої видимості між фазовими центрами антен базової станції та абонента по умовах поширення на інтервалі.

Застосування ГІС-технологій, що працюють на основі використання географічної бази даних, дозволяє при розв'язку задач планування мереж більш точно моделювати конкретні умови місцезнаходження рухомих абонентів та середовище поширення на шляху радіозв'язку.

Отже розглянемо методики прогнозування зон покриття.

2. Розрахунок напруженості поля за формулою ідеального радіозв'язку

Радіохвиля поширюється у навколишньому просторі планети Земля. Земля має радіус, що приблизно дорівнює та неоднорідну поверхню. Землю охоплює газова оболонка, що обертається разом з нею ? атмосфера. Атмосфера складається з тропосфери, стратосфери та іоносфери. Фізичні параметри атмосфери є змінними, в залежності від відстані до поверхні поверхні Землі.

Траєкторія, вздовж якої енергія радіохвилі поширюється від джерела до точки спостереження, залежить від різних чинників. Основними з них є частота сигналу та електродинамічні параметри середовища.

В залежності від частоти радіохвилі розподіляються за діапазонами. Діапазони розподілу частот визначаються за формулою:

	(2.1)

де ? номер діапазону.

Радіохвилі, які поширюються безпосередньо біля поверхні Землі і частково огинають земну кулю, називають земними, або поверхневими (2).

Радіохвилі, що поширюються на значні відстані, внаслідок рефракції в тропосфері, називають тропосферними (3).

Радіохвилі, що поширюються на великі відстані і огинають Землю внаслідок відбиття від іоносфери називають іоносферними, або просторовими.

Радіохвилі, для яких іоносфера є прозорою , можна також віднести до прямих хвиль (5).



Рисунок 1.2.1 ? Область атмосфери та види поширення радіохвиль

Для початку з'ясуємо особливості процесу поширення радіохвиль у вільному просторі з параметрами: .

Проведемо процедуру отримання формули ідеального радіозв'язку:

Поширення радіохвиль відбувається з носійкою частотою та потужністю , що їх випромінює ізотропна антена (тобто випромінює однаково в усі сторони).

Енергія радіохвилі розподіляється рівномірно по поверхні уявної сфери і визначає потужність випромінювання

	(2.2)

Якщо потужність випромінювача відома, то у будь-якій точці зони поширення радіохвиль можна знайти значення модуля ветора Пойнтінга:



,	(2.3)

де ? вектор Пойнтінга, ? площа сфери.

Для сфери значення модуля вектора Пойнтінга дорівнює:

	(2.4)

Вектор є векторним добутком векторів напруженості електричного та магнітного полів та , які в дальній зоні взаємно перпендикулярні та змінюються синфазно, а його напрямок співпадає з напрямком поширення електромагнітної хвилі, тому модуль :

,	(2.5)

де та ? амплітудні значення складових напруженості електричного та магнітного полів.

Скористаємося поняттям хвольового опору, що є коефіцієнтом пропорційності між та :

	(2.6)

Для вільного простору отримаємо:



	(2.7)

Тепер запишемо діюче значення вектора Пойнтінга:

	(2.8)

Тоді з формули для діючого значення вектора Пойнтінга отримаємо діюче значення напруженості поля:

	(2.9)

Дану залежність значення напруженості поля від потужності випромінювання називають формулою ідеального радіозв'язку.

Для зручності практичного застосування використовують одиниці виміру для потужності ? кіловати, а для відстані ? кілометри, вони є пристосовані до реальних умов. Тоді формула (2.9) набуде вигляду:

	(2.10)

Але ізотропні випромінювачі ? це ідеальні випромінювачі, їх неможливо реалізувати на практиці. Замість них використовують антени, що випромінюють лише в задано напрямі. Ступінь концентрації потужності визначає коефіцієнт спрямованої дії антени ? .

Спрямована антена, що випромінює потужність , створює таку ж напруженість поля , як ізотропна антена, що випромінює потужність більшу в раз. Тобто застосування спрямованих антен дозволяє зменшити потужність передавача в раз.

	(2.11)

Звернемо увагу також на те, що значення потужностей передавача та приймача різняться на декілька порядків, для полегшення розрахунків доцільно використати логарифмічні одиниці.

,	(2.12)

у випадку коли значення .

Аналогічно отримаємо для напруженості поля:

,	(2.13)

де .

Використовуючи формулу (2.11) ? знайдемо значення напруженості поля. Для цього спочатку знайдемо коефіцієнт D:

Тепер скористаємося формулою (2.13) та запишемо значення напруженості поля в логарифмічних одиницях:



3. Оцінювання напруженості поля на основі статистичної моделі

В реальній ситуації процес поширення радіохвилі над поверхнею Землі та в навколоземному просторі супроводжується відбиттям, заломленням та поглинанням, що призводить до втрат енергії. Додаткові втрати, які зумовлені вищезгаданими явищами враховуються у розрахунку напруженості поля за формулою:

де - медіанне значення напруженості поля сигналу, що знаходять з кривих поширення (рис.2.8.3.1);

Р - випромінювана потужність, дБ (Вт);

G(и) - коефіцієнт підсилення антени у напрямі, що визначає кут и, дБ;

- коефіцієнт, що залежить від ступеня нерівності місцевості, дБ, і визначають за графіком, який наведено на рис. 2.3.2), тут характеризує нерівність місцевості;

- коефіцієнт, який залежить від висоти приймальної антени, та характера місцевості в зоні приймання, дБ;

- коефіцієнт, що залежить від процента пунктів приймання, для яких напруженість поля перевищить прогнозований рівень, дБ (рис.2.6.1).

- коефіцієнт, що залежить від кута зазору місцевості.

- кут зазору місцевості, град (рис. 2.9.1);

- коефіцієнт, який враховує кліматичні зони, дБ.

За рекомендаціями 370 та 529 МСЕ, - це функціональна залежність (крива поширення):



Де R - довжина траси, км;

F - робоча частота (смуга частот), МГ

h1 - ефективна висота передавальної антени, м;

t - час, впродовж якого напруженість поля перевищує прогнозований рівень (50, 10, 5, 1), %

4. Визначення профіля траси за допомогою цифрових карт місцевості

Профіль траси має включати висоти точок місцевості над середнім рівнем моря, що відповідають положенню передавача та приймального пристрою.

За допомогою пакету OziExplorer побудуємо профіль висот, з кроком 250 метрів, даної в завданні траси, задавши координати передавача(), приймача() та карту ( ). Отримаємо результат у виді графіка залежності висот від відстані від передавача (див. рис. 1.4.1).

Рисунок 2.4.1-Профіль траси отриманий за допомогою пакету OziExplorer та перенесений в пакет Excel2010.



З урахуванням сферичності Землі, з метою збереження висот точок лінії висот над нульовим рівнем нанесемо на графік лінію, яка буде відображати нульовий рівень, ця лінія має вигляд параболи, її визначає рівняння:

де - відношення відстані від початку координат до точки, в якій визначають значення z, до відстані між початковим мулевим рівнем та кривизною Землі;

Rекв - ефективний радіус землі з урахуванням стандартної рефракції (Rекв = 8500 км).

Для того щоб точно побудувати кривизну Землі та продовжити розрахунок траси не зручно використовувати пакет OziExplorer, тому для зручності скористаємось математичним пакетом Excel2010, за допомогою цього пакету побудуємо графік інтерполяційного многочленна який буде проходити через точки, значення яких попередньо буде взяте з вже побудованого у пакеті OziExplorer профіля траси. Потім кожне значення висоти буде збільшено відповідно до значення кривизни в цій точці (див.рис.1.4.2).



Рисунок 1.4.2-Профіль траси з урахуванням кривизни Землі, побудований в пакеті Excel2010.

Висновок: Отримавши профіль траси з урахуванням кривизни Землі, було уточнено висоти, що використовуються для подальших розрахунків стану електромагнітної обстановки у заданому регіоні, тобто в результаті буде отримано більш точний результат.

5. Визначення

Коефіцієнт для розрахунку напруженості поля для висот приймальної антени h2 від 1 до 40 м визначають за формулою:

, [дБ]

де с наведено в табл. 1.5.1.



Таблиця 1.5.1 - Значення коефіцієнта с

Зона	с, дБ
	ДВЧ	УВЧ
Сільська	4	4
Приміська	5	6
Міська	6	8

Частота коливання сигналу, за умовою курсової роботи є рівною 550 МГц, оскільки проміжок ультра високих частот включає в себе частоти 300--3000 МГц, то коефіцієнт с треба брати із розрахунку для УВЧ. Судячи з характеру місцевості для якої був побудований профіль траси, лінія, що з'єднує передавач та приймач проходить через кілька приміських зон, отже можна зробити висновок що коефіцієнт с треба брати для приміської зони. Отже, в нашому випадку с=6.

Відповідно:

Висновок: Значення коефіцієнту, який залежить від висоти приймальної антени, та характера місцевості в зоні приймання, вийшло від'ємним, тобто цей коефіцієнт зменшує напруженість поля у точці прийому, це зумовлено тим, що висота приймальної антени менша за 10 м. Відповідно у формулі значення логарифму стає від'ємним.

траса радіозв'язок цифровий статичний

6. Визначення

Коефіцієнт , що характеризує нерівномірність місцевості Dh. Нерівність поверхні Dh визначають як різницю висот, що перевищують на 10% й 90 % відповідно висоти місцевості, вимірюваних у межах від 10 км до 50 км від передавача в напрямі місця розташування приймача. Якщо траса від передавача до приймача коротше 50 км, то необхідно враховувати фактичну відстань до приймача(рис. 1.6.1).

Рисунок 1.6.1-Визначення нерівності поверхні

Отже: ?h = 0,8•(1024-243,1) = 624,72 м;

Рисунок 1.6.2- Залежність поправного коефіцієнта



Для розрахунку поправного коефіцієнту в діапазоні 80…250 МГц, можна скористатись формулами:

Отже:

R=26400 м,

Для розрахунку поправного коефіцієнту в діапазоні 450…10000 МГц, потрібно отриманий результат домножити на 1.5. Отже:

Висновок: Значення виявилось додатне, це зумовлено тим, що нерівномірність місцевості більша за 50 метрів, і довжина траси більша за 10 кілометрів, відповідно при підрахунку d значення логарифму та при підрахунку значення різниці не приймають від'ємні значення.



7. Визначення

Коефіцієнт, який враховує кліматичні регіони . Відомо, що напруженість поля в різних кліматичних регіонах різна. Спостерігається кореляція значень середньої напруженості поля з градієнтом індексу рефракції в першому кілометрі атмосфери над рівнем землі. Якщо коефіцієнт рефракції для певного регіону помітно відрізняється від 40, то для розрахунку напруженості поля необхідно використати поправний коефіцієнт:

,

Якщо невідомо, але є певна інформація стосовно середнього значення , де , можна застосовувати альтернативний поправний коефіцієнт , для помірного клімату.

Для даного в завданні регіону вважатимемо коефіцієнт рефракції близьким до 40, а отже:

Висновок: Оскільки при підрахунку, коефіцієнт рефракції було взято за 40,

Значення коефіцієнту, що враховує кліматичні регіони, не впливає на кінцеву відповідь напруженості поля.

8. Визначення

Коефіцієнт , який враховує характер профілю траси. Зміни сигналу виникають через зміну геометрії всієї траси поширення. Непостійність розташувань оцінюють для квадратних зон зі стороною 100...200

Рисунок 1.8.1 - Відношення (дБ) напруженості поля для заданого проценту пунктів прийому до напруженості поля для 50% пунктів прийому

Аналогові системи

Цифрові системи (ширина смуги > 1.5 МГц)

Аналогові системи для > 50м

Коефіцієнт залежний від заданого процента пунктів прийому Т визначається за формулою:

Отже:



Для частот вище 300 МГц, та >50 метрів треба домножити на:

Висновок: Значення коефіцієнту виявилось досить малим, оскільки, судячи з рис. 1.5.1 при 50 відсотках пунктів прийому він близький до 0, з чого можна зробити висновок не вагомості впливу цього коефіцієнту на кінцеву

9. Визначення G(и)

Коефіцієнт визначимо з таблиці поляризації (див. табл. 1.9.1).

Таблиця 1.9.1-Залеж ність коефіцієнту від поляризації передавальної та приймальної антени

Поляризація	Гориз.	Вертик.	Накл. 450.	Права кругова	Ліва кругова
Гориз.	0	-20	-3	-3	-3
Вертик.	-20	0	-3	-3	-3
Накл 450.	-3	-3	-20	-3	-3
Права кругова	-3	-3	-3	0	-25
Ліваткругова	-3	-3	-3	-25	0



За умовою поляризація передавальної та приймальної антени - вертикальна та горизонтальна відповідно , ,отже, відповідно:

Висновок: Значення коефіцієнту виявилось від'ємним,це випливаеє з різних поляризацій приймально та передавальної антен. тобто це зменшує напруженість поля в точці прийому.

10. Визначення

За рекомендаціями 370 та 529 МСЕ, - це функціональна залежність (крива поширення):

деR - довжина траси, км;

F - робоча частота (смуга частот), МГц;

h1 - ефективна висота передавальної антени, м;

t - час, впродовж якого напруженість поля перевищує прогнозований рівень для різних смуг частот та характеру довкілля.

(50, 10, 5, 1), % . На кривих поширення зображено рівні напруженості поля, яке генерує джерело, на 50 % розташувань для різного відсотку часу (50, 10, 5, 1 %),

Ефективну висоту передавальної антени базової станції h1 визначають як висоту над середнім рівнем місцевості в межах від 1 до 15 км від передавача в напрямі місця розташування приймача.

h1 = hn - hm ,

де h1 - ефективна висота передавальної антени (базової станції), м;

hn - фізична висота передавальної антени над рівнем моря, м;

hm - середня висота місцевості, м.

Середню висоту місцевості hm розраховують за рівнянням:

Для hi необхідно застосовувати висоти на відстанях , м від передавача в напрямі приймача.

Якщо траса від передавача до приймача менша 15 км, то враховують фактичну відстань до приймача.

Визначення середньої висоти місцевості

Як вже описувалось: hm = 852,8125

Визначення ефективної висоти антени

Ефективна висота визначається як різниця фізичної висоти антени над рівнем моря і середньої висоти місцевості:

h1=hn - hm = 1102 - 897,806 = 204,191 м.

Визначення

Визначимо з кривих поширення(рис.1.10.3.1).



Рисунок 1.10.3.1-Криві поширення для частоти 450…1000 МГц, 50% часу

Оскільки ефективна висота передавальної антени дорівнює метра, на кривих поширення можемо розраховувати трохи більше для 150 метрів і менше для 300 метрів, відповідно: Есд =60дБ.

Висновок: Значення виявилось досить великим, що зумовлено ефективна висота передавальної, та наявність морської ділянки на шляху траси, що значно покращує напруженість поля в точці прийому.



11. Визначення

Кут зазору на трасі. Якщо на місцевості між передавальною станцією й місцем прийому є підйоми та спуски, то необхідно скорегувати в місці прийому значення напруженості поля. Кут просвіту зображено на рис.2.8.1. Поправний коефіцієнт визначають для максимальної відстані 16 км за графіком поправки для кута просвіту (рис.2.8.1 ).

Рисунок 2.11.1 - До визначення кута зазору на трасі.

Якщо на базовій або фіксованій станції, що створює завади, застосовують спрямовані або похилі антени, - ці фактори необхідно приймати до уваги під час визначення напруженості поля радіозавод.

Поправні коефіцієнти для різних значень кутів просвіту місцевості розраховують за формулами:

для ДВЧ,

для УВЧ.



Визначення кута просвіту

Для визначення кута просвіту скористаємось рисунком 2.8.1.1

Рисунок 2.11.1.1-Профіль траси з наміченим кутом

Оскільки середня частота коливання за умовою складає 550МГц, скористаємось формулою для УВЧ:

Висновок: Коефіцієнт суттєво впливає на відповідь, оскільки втрати енергії суттєво залежать від наявності пагорбів та спусків на трасі.



12. Розрахунок напруженості поля

За відомою формулою:

Висновок: Отримане значення виявилось менше за розраховане в ідеальному випадку, що зумовлене втратами енергії.



Висновки

В даній роботі на основі топологічної карти було побудовано профіль заданої траси та визначено її основні характеристики.

Основною метою було порівняння значення напруженості поля, обчислену для ідеального випадку, тобто за формулою ідеального радіозв'язку та напруженості поля, знайденої на основі топологічних особливостей місцевості.

Було знайдено, що для ідеального випадку , а на основі топологічних особливостей місцевості , тобто реальна напруженість менше ніж в ідеальному випадку, це зумовлено нерівномірністю місцевості, у чому ми могли впевнитися побудувавши профіль траси за допомогою пакету OziExplorer, і відповідно тим, що процес поширення радіохвилі над поверхнею Землі та в навколоземному просторі супроводжується відбиттям, заломленням та поглинанням, що призводить до втрат енергії.



Перелік посилань

1. Сети мобильной связи. Частотно - териториальное планирование /В.Ю. Бабков , М.А. Вознюк , П.А. Михайлов . -2изд.,-М.:Горячая линия-Телеком, 2007.-244с

2. Петров Б.М. Электродинамика и распространение радиоволн.-М.: Горячая линия - Телеком, 2004.-558 с.

3. Соглашение между администрациями связи, 16 европейских стран, о координации частот между 29.7 МГц и 43.5 ГГц для фиксированных и сухопутных подвижных служб. Вена, 30 июня 2000 г

4. Никольский В.В., Никольская Т.И. Электродинамика и распространение радиоволн. - М.: Наука, 1989. - 544 с.

5. ГОСТ 7.9-95 Реферат и аннотация.

Размещено на Allbest.ru