Planowanie systemów radiokomunikacyjnych

PROJEKT I

TYTUŁ PROJKETU:

Opracować arkusz kalkulacyjny wyznaczający dodatkowe tłumienie związane z opadami zgodnie z zalec. ITU_R P.530

CZWARTEK P 15.15

Łukasz STARKBAUER

Wstęp:

W systemach radiokomunikacyjnych, jako medium transmisyjne wykorzystywany jest

kanał radiowy. Informacja przenoszona jest przez rozchodzące się w atmosferze ziemskiej,

odpowiednio zmodulowane sygnały radiowe. Dzięki eliminacji kabla jako medium transmisyjnego otrzymujemy system, który zazwyczaj jest prostszy i tańsza od systemu opartego na kablu miedzianym lub światłowodowym. Dodatkowo, w niektórych przypadkach urządzenia nadawczo-odbiorcze są przenośne. Przykładem tego mogą być systemy telefonii komórkowej lub satelitarnej.

W chwili obecnej, telekomunikacja radiowa jest dziedziną rozwijającą się bardzo szybko. Tym istotniejsze wydaje się zwrócenie uwagi na trudności związane z jej specyfiką. Swoboda propagacji fal elektromagnetycznych w atmosferze ziemskiej oznacza, że stosunkowo łatwo może dojść do wzajemnego zakłócania się dwóch systemów, a brak osłony jaką daje przewód sprawia że system jest bardziej podatny na rozliczne czynniki zewnętrzne.

Problemem jest ciągła zmienność warunków propagacji fali elektromagnetycznych w atmosferze. W warstwie atmosfery najbliższej powierzchni Ziemi troposferze, zachodzą różne zjawiska meteorologiczne oddziałujące na fale elektromagnetyczne. Również ukształtowanie terenu w miejscu lokalizacji systemu radiokomunikacyjnego ma wpływ na rozchodzenie się fal elektromagnetycznych. Oddziaływania te są ściśle związane z częstotliwością fali elektromagnetycznej.

Podczas projektowania bezprzewodowych sieci należy minimalizować przypadkowość, gdzie przez nieuwzględnienie jakiegoś czynnika projekt może się okazać się bezużyteczny. Jednym z takich czynników, będący jednoczenie przedmiotem tegoż projektu, są opady atmosferyczne. Opady powodują tłumienie fali radiowej na skutek jej absorpcji i rozproszenia na kroplach wody. Tłumienie jest ściśle związane z intensywnością opadu, długością odcinka trasy radiowej, na której opad występuje, jak i częstotliwość fali radiowej. Ponadto, fala o polaryzacji horyzontalnej jest silniej tłumiona od fali o polaryzacji wertykalnej. W celu oszacowania wartości tłumienia fali radiowej przez opad deszczu konieczne jest określenie zależności między wyżej wymienionymi czynnikami a tłumieniem wyrażonym w decybelach. Taką zależność można otrzymać empirycznie, przez wykonanie odpowiednich pomiarów. Konieczne jest również stworzenie statystyk opadowych dla danego obszaru. Statystyki opadowe określają prawdopodobieństwo występowania opadów deszczu o danej intensywności. Statystyki te silnie zależą od lokalnych warunków klimatycznych i ukształtowania terenu.

Opis Modelu

Jednym z modeli tłumienia fali radiowej w deszczu, powstałym w oparciu o ściśle zdefiniowane statystyki, jest model zawarty w zaleceniu ITU-R P.530 dla którego tłumienie wyraża się zależnością:

gdzie:

Ap - tłumienie przekraczane przez p procent czasu w skali roku [dB],

γ_R - tłumienie jednostkowe [dB/km],

d_eff - współczynnik określający efektywną długość trasy na której występują opady opad deszczu [km],

Tłumienie jednostkowe wyraża się zależnością:

k, a - współczynniki zależne od częstotliwości i polaryzacji fali,

R - intensywność opadu deszczu w [mm/h] przekraczana przez p procent czasu w skali roku.

Θ - kat elewacji [°]

τ - polaryzacja, przyjmuje wartości 0° dla polaryzacji horyzontalnej, bądź 90° dla polaryzacji wertykalnej

k_H, k_V, a_H, a_V - współczynniki zdefiniowane dla odpowiednich częstotliwości, zawarte w rekomendacji Rec.838

Współczynnik efektywnej długości trasy:

d - długość trasy [km]

Dla naziemnych tras radiowych, odcinek d jest równy całej długości trasy radiowej.
W przypadku systemu satelitarnego, d jest równe części trasy radiowej liczonej od powierzchni Ziemi do maksymalnej wysokości występowania opadu deszczu.

Statystyki opadu deszczu podawane są jako intensywności opadu przekraczanego przez p procent czasu w skali roku.

Zatem intensywność opadu 32 mm/h przekraczana przez 0,01 % czasu w skali roku oznacza, że przez 99,99 % czasu w skali roku opad deszczu jest słabszy i w konsekwencji tłumienie fali radiowej jest niższe od wartości wyliczonej według zależności.

Oczywiście mamy możliwość konwersji wyniku w zależności od żądanego przez nas procentu czasu p:

W wyniku zastosowania tej formuły powinniśmy otrzymać współczynniki, odpowiednio: 0,12; 0,39; 1; 2,14; dla 1%, 0,1%, 0,01%, 0,001%

Metoda Obliczeniowa

Zgodnie z założeniami projektowymi, dokonałem analizy tłumienia spowodowanego opadami deszczu dla wybranych obszarów Polski północnej i południowej. Zgodnie z mapą rozkładu intensywności (Rys. 1.) opadów deszczu, zauważamy, że terytorium polski podzielone jest na dwa obszary E (polska północna), H (polska południowa).

Rys. 1. Mapa intensywność opadów przekraczanych w 0.01%

Odpowiednie wartości intensywności opadów, zgodne z mapą rozkładu intensywności opadów, uzyskujemy dla z tabeli 1.

Tabela. 1. Intensywność opadów (mm/h), dla 0.01% czasu

Zgodnie z założeniami projektowymi otrzymujemy:

E = R_NORTD = 22 [mm/h]

H = R_SOUTH = 32 [mm/h]

Odczytawszy odpowiednie wartości z tabeli, przystąpiłem do dalszej analizy problemu. Kolejnymi elementami niezbędnymi dla wyznaczenia tłumienia jednostkowego są współczynniki k, a. Ich wartości są związane z częstotliwością, dla dalszej analizy przyjąłem częstotliwość f = 10 GHz, polaryzację horyzontalną i kąt elewacji wynoszący θ = 5°.

Zgodnie z tymi założeniami, w oparciu o tabelę 2 wyznaczyłem odpowiednie wartości wyżej wymienionych współczynników.

Tabela 2. Współczynniki regresji dla oszacowania tłumienia jednostkowego.

Podstawiwszy odpowiednie wartości parametrów do wzoru otrzymałem następujące wartości współczynników:

Zatem tłumienie jednostkowe, dla odpowiednich współczynników ma wartość:

Kolejnym niezbędnym elementem jest wyznaczenie efektywnej długości trasy d_eff dla d = 25 km,

Po wyznaczeniu wszystkich niezbędnych czynników, mogę obliczyć całkowite tłumienie. Które to wynosi :

Tabela 3. Wartości tłumienia dla wybranych częstotliwości i procentów czasu.

Region Polski	Częstotliwości [GHz]	Tłumienność
				1%	0,1%	0,01%	0,001%
	Polska północna	10	1	2	7	14
		30	7	21	55	118
		70	15	47	124	265
	Polska południowa	10	1	4	10	21
		30	9	29	75	160
		70	19	59	154	330

Wykres 1. Zależności tłumienia częstotliwości dla 0.01% czasu, d=25km

Wykres 2. Zależności tłumienia od częstotliwości dla 0,001%, d=25km

Wykres 3. Zależność tłumienia od częstotliwości dla 0.1% czasu, d = 25km

Wykres 4. Zależność tłumienia os częstotliwości dla 1% czasu, d=25km

Wykres 5. Zależność tłumienia od częstotliwości dla różnych polaryzacji sygnału. Polska północna

Wykres 6. Zależność tłumienia os częstotliwości dla różnych polaryzacji sygnału, Polska południowa

Wnioski

Tworzący nowy system jesteśmy zobowiązani minimalizować przypadkowość, gdzie przez nieuwzględnienie jakiegoś czynnika projekt może się okazać się bezużyteczny. Jednym z wielu czynników jaki ma wpływ na transmisje sygnału w wolnej przestrzeni są opady deszczu. Postępując zgodnie z zaleceniem ITU-R P.530 możemy zanalizować wpływ warunków atmosferycznych na nasz system, a zyskane przez nas wynik pozwalają na ma na korekcję parametrów tak aby zapewni poprawne działanie systemu.

W projekcie przeprowadziłem analizę zależności tłumienia w funkcji częstotliwości, dla dwóch obszarów polski. Zgodnie z mapami rozkładu intensywności opadów, tłumienie sygnału, w Polsce północnej jest mniejsze niż na południu, co potwierdzają wszystkie wykresy. Wynika to z wartości współczynnika intensywności opadów R wyrażony w mm/h, która dla polski południowej ma wyższą wartość. Zatem tłumienie, które silnie zależy od intensywności opadów na południu polski również będzie znacznie wyższe.
Ponadto zbadałem wpływ polaryzacji na wartość tłumienia i zgodnie z wykresem 5. i 6. fala spolaryzowana horyzontalnie jest silniej tłumiona niż fala spolaryzowana wertykalnie.

Badania przeprowadzone dla częstotliwości f = 10 GHz, 30GHz, 70GHz wykazały znaczny wzrost tłumienia wraz ze wzrostem częstotliwości sygnału. Poziom tłumienia dla częstotliwości 70 GHz przy d = 25km wyniósł niemalże 160 dB, zatem praktycznie niemożliwe jest przesłanie sygnału takim kanałem. Jednakże przypadek ten należy uznać za czysto teoretyczny gdyż dla takiej częstotliwości mamy do czynienia z transmisja satelitarna a maksymalna odległość na której występują opady w takim przypadku to 5 km. Analiza tłumienia w stosunku do % czasu również wykazała spory wpływ na poziom tłumienia, z zależności od częstotliwości sygnału. Ponownie dla f = 70 GHz osiągamy niebotyczne tłumienie rzędu 330 dB , oczywiście w tym przypadku wyniku traktujemy bardziej jako teoretyczne niż wiążące.

Wykonanie tegoż projektu pozwoliło mi na lepsze zrozumienie istoty problemu, jakim jest wpływ opadów na tłumienie sygnału, ponadto zwróciło uwagę na to jak istotne jest uwzględnienie wszystkich czynników podczas procesu projektowania systemu.

---