Разработка приемо-передающего радиокомплекса

В нисходящем канале первый символ – это преамбула. Несущие в символах преамбул модулируются посредством BPSK специальным псевдослучайным кодом, зависящим от используемого сегмента (в режиме PUSC) и переменной IDcell, задаваемой на МАС-уровне [3]. В преамбуле модулируется каждая третья несущая всего канала (кроме несущих защитных интервалов и центральной), причем начальный сдвиг [0..2] задается дополнительно. Распознав тип преамбулы, АС сразу определяет значение переменной IDcell и режим работы БС.

За преамбулой следуют два символа, передающие заголовок кадра FCH и карту распределения полей нисходящего канала DL-MAP. Заголовок транслируется посредством QPSK со скоростью кодирования 1/2. Он содержит префикс нисходящего канала (DL Frame prefix), в котором указываются используемые сегменты и параметры карты нисходящего канала DL-MAP (длина, используемый метод кодирования и число повторений), транслируемой сразу за заголовком кадра. Также в заголовке используется флаг, установка которого означает изменение в расположении области конкурентного доступа в восходящем субкадре по отношению к предыдущему кадру.

Далее транслируется карта восходящего канала UL-MAP и нисходящие пакеты данных для разных АС.

Режим FUSC означает, что используются весь диапазон физического канала (все возможные несущие). Это 1702 несущие информационные частоты и защитный интервал (173 и 172 несущих в верху и низу диапазона, соответственно). Центральная частота с индексом 1024 не используется.

 

Сети WiMAX предназначены для предоставления сервисов как неподвижным, так и подвижным пользователям. WiMAX поддерживает следующие виды мобильности:

1) фиксированный (fixed). В этом  случае с оператором согласовывается  положение пользователя, в котором  он получает обслуживание, н-р, конкретная  сота. Для этого хорошо подходят  пользовательские терминалы с  закрепленной снаружи здания антенной, направленной на базовую станцию.

2) блуждающий (nomadic), т.е. с  изменяемым местоположением. Пользователь  имеет возможность подключиться  к сети оператора из любого  места, где оператор предоставляет  покрытие. В течение одной сессии  пользователь должен быть неподвижен.

3) передвижной (portable). Пользователь  имеет возможность передвигаться  со скоростью до 5 км/ч без потери  установленной сессии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 3. Расчетная часть

3.1. Расчет потерь канала  связи

         3.2.  Расчет нисходящего канала связи на частоте 47,5 ГГц . . . . . .  41

         3.3.  Расчет восходящего канала связи на частоте 48,2 ГГц    . . . . .  44

        3.4. Расчет и выбор антенн   для высотной платформы    . . . . . . . . .  47

         3.5. Расчет и выбор антенн для стационарного абонента  . . . . . . . . .  51

         3.6. Структура  ППР     . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   53

 

Расчет  канала связи  между  ППР стратосферной высотной платформы (СВП) и мобильным телефоном пользователей необходимо начинать с расчета потерь мощности  на линий связи. Для этого определимся со следующими параметрами канала связи.

1. Дальность связи  от 20 до 28 км.

          2. Частота связи 

                 -  частоты нисходящего канала связи  47,5-47,8ГГц

     - частоты восходящего канала связи   48,9- 48,2 ГГц   

3. Мощность передатчика мобильного телефона   -  1 Вт,

4. Чувствительность приемника   -  1 МкВ

 

 

3.1. Расчет потерь на  линий связи

Для проведения расчетов используем общеизвестную формулу зависимости ослабления мощности сигналов зависящей от расстояния и частоты связи [  11].

Основыусиления антенн

Линия передачи соединяет радиопередатчик, имеющий радиочастотный (РЧ) усилитель мощности (УМ), с передающей антенной. В приемнике антенна соединяется с входом малошумящим усилителем (МШУ). Усиленный принятый сигнал поступает на преобразователь частоты вниз и демодулируется (Рис. ).

Рассмотрим схему связи приведенной на рис     .

Рис. 1.  Элементы приемо-передатчика

 

Предположим, что передающий РЧ усилитель отдает PT  ватт мощности изотропной передающей антенне, как показано на рис.    . Плотность излучаемой мощности  ρ, Вт/м2  , или исходящий поток электромагнитной энергии, измеренный на расстояний  r от антенны определяется формулой:

,     (3.1)

Направленная антенна концентрирует излучаемую мощность в определенном направлений.

Приемная антенна с эффективной апертурой  А  и на расстояний r от всенаправленной антенны  принимает мощность PR, Вт, определяемую выражением:

,      (3.2)

Из [ ]   и других руководств по антеннам и излучению следует, что коэффициент усиления антенны G связан с апертурой антенны и длиной волны  λ , м, радиосигнала:

 

                                           G= 4 /                                                       (3.3)

где

                                                                                                        (3.4)

Здесь с - 3*108 м/с – скорость распространения света; f - частота несущей при передаче.

У идеальных всенаправленных антенн G=1; следовательно, из (3.3.4) имеем:

                                                      (3.3.6)

 Характеристики распространения радиоволн

Из  (3.3.1)-(3.3.6) можно получить формулу для расчета потерь передачи в свободном пространстве (или потерь при распространении) для всенаправленных передающих и принимающих антенн с единичным коэффициентом усиления (G = 1), расположенных друг от друга на расстояний r метров. Эта формула имеет вид [ ]:

 

  (3.4.1)

Для двух антенн, разнесенных друг от друга на r метров, с коффициентом усиления передающей антенны

 

               (3.4.2)

и коэффициентом усиления приемной антенны

              (3.4.3)

формула для потерь при распространении в свободном пространстве принимает следующий вид:

              (3.4.4)

Из (3.4.4) получаем выражение для потерь при распространении в свободном пространстве (Lf , дБ):

 

(3.4.5)

   дБ       (3.4.6)

Для изотропных антенн и при отсутствии препятствий в пределах прямой видимости (LOS)  основные потери передачи рассчитываются по формуле:

     (3.4.7)

Из этих соотношений для основных потерь при распространении в пределах прямой видимости (LOS) следует, что принимаемая мощность уменьшается (относительно переданной мощности)  на  6 дБ при  каждом удвоении расстояния и при каждом удвоении значения радиочастоты.

При использовании штыревой антенны наведенное напряжение V, В/м, связано с напряженностью поля    E  следующим образом:

,    (3.5)

Максимальная мощность     PR , Вт/м2,  подводимая к полному сопротивлению нагрузки    RL  , в системе с согласованным выходом равна

,   (3.6)

Предполагается, что эквивалентная наведенная антенной напряжение равно V . Входное полное сопротивление нагрузки Za   равно полному сопротивлению нагрузки ZL , а  RL - активное сопротивление ZL , как показана на рис. 3.2.

 

Рис. 3.2.  Эквивалентная схема антенны

Таким образом, принимаемая мощность может быт выражена в ваттах на метр в квадрате.

Из вышеприведенных выражений можно получить:

,    (3.7)

 

Определим мощность PR, выраженную в децибелах относительно 1 Вт:

 

Для стандартного сопротивления нагрузки RL=50 Ом имеем:

 

; таким образом,

Формула для мощности PR , выраженной в децибелах относительно мощности 1 мВт, имеет вид:

 

Или, переходя к радиочастоте f с помощью соотношения , получаем

 

 

 

 

 

 

 

 Расчет параметров ВСП по отношению к приемной антенне

Эффективная изотропно-излучаемая мощность

 

Расстояние от 20км до 30 км

Частота связи   fн - 47,2-47,5 Ггц

                          fв - 47,9-48,2 Ггц

 

Эффективная мощность  -  1 кВт

Диаметр передающей антенны стратосферной платформы -  1 м.

Диаметр приемной антенны стратосферной платформы -  12 м.

Передающая антенна  мобильного абонента – изотропная антенна, мощность передатчика – 1 Вт.

Приемная антенна  мобильного абонента – изотропная антенна, мощность передатчика – 1 мкВт.      

   Определить,  при  условии что у пользователя  изотропная антенна типа штырь  с коэффициентом усиления = 1, основные  параметры ППР расположенные  на стратосферной высотной платформе (СВП): 

-  диаметр принимающей  антенны;

-  чувствительность приемника;

-  размер  передающей  антенны;

-  мощность передатчика .

 

 

 

Рис. 3.3.   Канал мобильной связи  высотной стратосферной платформы

 

       Мобильный телефон является малогабаритным приемопередатчиком Передача ведется в диапазоне частот 47,2 – 48,2 ГГц. Мощность излучения  является величиной переменной, в значительной степени зависящей от состояния канала связи "мобильный радиотелефон – СВП", т. е. чем выше уровень сигнала базовой станции в месте приема, тем меньше мощность излучения сотового телефона. Максимальная мощность находится в границах 0,125–1 Вт.

        Согласно существующим в Беларуси и России временным допустимым уровням электромагнитных излучений  плотность потока (ПП) на пользователей мобильных телефонов не должна превышать 100  мкВт/см2. Необходимо отметить, что в природных условиях значение плотности потока высокочастотного излучения исчезающе мало и составляет  лишь 10-15 мкВт/см2.

               Будем считать что стратосферный дирижабль находится геостационарно на высоте 20 км над поверхностью земли. Допустимый область перемещения стратосферного дирижабля составляет куб со сторонами в 1 км. Ближняя зона обслуживания мобильных абонентов составляет в радиусе 20 км от центральной точки над которым "висит"  ВСП. Этого достаточно для обеспечения связью территорию крупного мегаполиса с пригоролом.

 

      

 

 

Рис.3.4.       Схема расположения ВСП

 

 

 

Этапы расчета энергетического баланса на линий связи "мобильный телефон-СВП"

 

Скорость передачи данных 1Мб/с  при мощности передатчика -12 dBW и чувствительность приёмника  -94 dBW. Дальность действия радиомоста в ясную погоду - до 30 км,

На данный момент диапазон 47.2-48.2 ГГц миллиметровых длин волн является практически неосвоенным из-за сложности разработок. И в то же время, выделяемый в этом диапазоне канал в 300 МГц  даёт возможность использования широкополосного сигнала, благодаря чему увеличивается пропускная способность канала и скорость передачи данных.

 

 

Этап 1.  Расчет потерь на линий 20-30 км.

        Изотропный излучатель определяется как излучающий равномерно по всем направлениям. Используя отражатель, изотопный излучатель может концентрировать всю свою энергию в виде узкого луча, который кажется некоторому отдалённому наблюдателю, находящемуся на другом конце луча, изотропным источником со значительно большей выходной мощностью. Таким образом, понятие эффективной изотропно излучаемой мощности (ЭИИМ) используется в качестве меры напряжённости (силы) сигнала, который передаётся спутником на Землю. ЭИИМ измеряется в децибелах относительно одно ватта (дБВт) и достигает наивысшего значения в центре луча. Данная величина уменьшается логарифмически по мере удаления от центра луча. Значение ЭИИМ для любого спутника можно получить из соответствующих карт зоны обслуживания, где указаны контуры с равными значениями ЭИИМ.

Номинальное значение ЭИИМ для спутников средней мощности системы полу-СНВ, таки как системы Astra, составляет 52 дБВт. Спутники высокой мощности системы СНВ (DBS) имеют значение ЭИИМ, превышающее 60 дБВт.

ЭИИМ стратосферной высотной платформы    примем равной - 10 дБВт.

Следовательно можно рассчитать такое значение ЭИИМ в ватах каким его «видит» антенна. (его нужно найти)

  ЭИИМ = 10 log (эффективной мощности)

эффективная мощность = 10(ЭИИМ / 10) = 1049 / 10 = 79432,823 Вт = 79,4 кВт

 

Этап 2. Протяженность линии связи   20-28,284 км.

Протяженность линий связи (см. рис.  3,4  )  составлят:

,

где  h - высота ВСП, а   r - радиус зоны обслуживания. Оба эти параметры равны 20 км.

l = 28,284 км.

 

Таким образом, для дальнейших расчетов примем  максимальную протяженность равной 30 км. Минимальная = 20 км.

 

Этап 3. Длина волны  

                                       

         Во многих выражениях для упрощения вычислений вместо частоты чаще используется величина длины волны. Преобразование частоты в длину волны осуществляется следующим образом:

                                                                   λ = с / f     ,                                    

где с – скорость света (2,998 х 108 м/c);

 f – частота, Гц.                                      

Центральная частота нисходящей линий  fн  = 47,35 ГГц , а восходящей     fв  = 48,05 ГГц                                   

λн= 2,998 * 10 8 / 47,35 * 10 9 = 0,00633 м = 6,33 мм  

λв= 2,998 * 10 8 / 48,05 * 109 = 0,00624 м = 6,24 мм  

 

Этап 4. Потери при прохождении сигнала в свободном пространстве  

Потери при прохождении сигнала в свободном пространстве LFS, или потери на трассе распространения, выражают ослабление микроволновых сигналов по мере их продвижения к Земле и происходят из-за расходимости луча. Потери на трассе распространения возрастают с увеличением частоты и становятся тем больше, чем ниже угол возвышения антенны (угол места). Выражение для вычисления величины потерь: