Software & Systems

Международный союз электросвязи (далее – МСЭ) (глобальная организация, инициирующая и координирующая действия мирового сообщества в области развития телекоммуникаций) в целях обеспечения эффективной эксплуатации средств электросвязи разработал Регламент радиосвязи. Этот документ призван путем распределения различным службам различных частотных диапазонов свести к минимуму возможность их взаимного помехового воздействия. Однако, согласно ему, в ряде случаев один и тот же частотный интервал оказывается распределенным одновременно как сухопутной подвижной службе (СПС), так и воздушной радионавигационной службе (ВРНС).

Вследствие означенных причин встает вопрос о точных методах оценки состояния комплекса средств ВРНС в условиях помехового воздействия от средств СПС, а также при необходимости о координации новых частотных присвоений для станций указанных служб. В настоящее время удовле- творительных методик и алгоритмов в этой обла- сти не существует.

Основным показателем, по которому можно оценить защищенность станции ВРНС, является напряженность поля суммарной помехи, создаваемой средствами СПС в месте нахождения защищаемой станции. Множественная помеха рассчитывается по принципу суперпозиции электромагнитных полей, то есть результирующая мощность является суммой мощностей полей помех, создаваемых в этом месте каждой из станций СПС в отдельности:

                                                      (1)

где Pi – мощность поля помехи, создаваемой в месте размещения станции ВРНС i-й станцией СПС (Вт); Psum – результирующая мощность поля помехи от всех учитываемых станций СПС в месте размещения станции ВРНС (Вт); N – общее число учитываемых станций СПС.

Запишем принцип суперпозиции (1) для напряженностей поля, выраженных в дБмкВ/м [1]:

                                (2)

где Esum, Ei – соответственно результирующая и создаваемая i-й станцией СПС напряженности поля, выраженные в дБмкВ/м.

В качестве критерия защиты станций ВРНС [2] принимаются задаваемые разработчиками для каждого типа станций предельно допустимые значения поля суммарной помехи в месте размещения станции, приведенные в Рекомендации МСЭ-R M.1830 «Технические характеристики и критерии защиты систем воздушной радионавигационной службы в полосе частот 645–862 МГц».

Для расчета напряженности поля помехи Ei, создаваемой одиночной i-й станцией СПС, необходимо иметь следующие исходные данные:

-     расстояние (r) между станциями ВРНС и СПС;

-     эквивалентная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ) PMS передатчиков средств СПС: базовых станций (БС) и абонентских терминалов (АТ) (PBS, PST);

-     высота подвеса приемной антенны станции ВРНС (hARNS);

-     высота подвеса передающей антенны БС в конкретном секторе (hBS);

-     эффективная высота антенны БС по азимуту от БС на станцию ВРНС (heff);

-     характеристика диаграммы направленности (ДН) антенны БС.

Для оценки эффективности координации средств СПС со станциями ВРНС в полной мере необходимо учитывать не только совокупную мощность поля помех, но и требования, установленные соглашениями между администрациями связи граничащих государств по использованию определенных частотных диапазонов. В указанных соглашениях в основном рассмотрены приведенные выше параметры в виде заданных на их допустимые значения ограничений, определенных с учетом расстояния от средств СПС до государственной границы.

Для комплексной обобщенной оценки резуль- татов координации можем применить информационный подход [3], основанный на использовании информационной меры – энтропии покрытия [4]. Энтропия покрытия Hп в обобщенной форме характеризует степень соответствия/несоответствия реальных характеристик системы их нормативным значениям [5–7], учитывая возможность их изменения в сторону как уменьшения, так и увеличения. Для описания состояния станции ВРНС в предметной области в условиях множественной помехи от средств СПС в информационной области введем вектор реальных показателей Rр, компонентами которого будут являться действительные значения вышеприведенных характеристик. Аналогично вводится вектор нормативных показателей Rн, составленный из множества требуемых значений.

Тогда в качестве элемента покрытия множества нормативных характеристик множеством реальных введем следующий вектор [8]:

 (3)

где \ – операция разности множеств;  – первая норма; r – коэффициент приоритета элемента, для которого рассчитывается относительная энтропия покрытия, r (0; 1), обычно принимается равным в диапазоне от 0,9 до 0,999.

С учетом (3) энтропия покрытия Hп (бит) в обобщенном смысле определяется выражением

Нп = (log2Π1 + i log2Π2),                                          (4)

где i – мнимая единица; Π1, Π2 – компоненты вектора элемента покрытия.

Очевидно, что энтропия покрытия – это комплексная величина, при этом ее действительная часть характеризует запас по значениям отдельных показателей по сравнению с нормативными, а мнимая – повышенные значения других характеристик. Условие Hп = 0 соответствует либо идеальному случаю, когда реальные показатели совпадают с требуемыми, либо состоянию компромисса, при котором избыток по одним показателям сбалансирован пониженными значениями других.

В качестве демонстрации применения информационного подхода к анализу электромагнитной совместимости средств ВРНС со средствами СПС с использованием информационной меры – энтропии покрытия – была проведена информационная оценка характеристик БС сети мобильной связи одного из сопредельных государств, развертываемой в непосредственной близости от границы с Россией, на соответствие условиям, приведенным в соглашении между администрациями связи РФ и сопредельного государства по совместному использованию определенного частотного диапазона. Рассматриваемое соглашение призвано в том числе обеспечить защиту средств ВРНС от помех в соответствии с действующими критериями (ограничение на мощность помехи на входе приемника радиоэлектронного средства (РЭС) или ограничение на напряженность электромагнитного поля помехи в районе размещения приемной антенны РЭС ВРНС). Однако при координации размещения БС могут возникать ситуации, требующие компромиссных решений, учитывающих особые пожелания администрации связи сопредельного государства. Естественно, что учет этих пожеланий не должен приводить к невыполнению критериев уровня помех для действующих РЭС ВРНС. Превышение ограничений соглашения не обязательно приводит к нарушениям этих критериев, но может привести к ограничениям по развертыванию новых средств ВРНС. Поэтому необходим инструментарий, в полной мере оценивающий как запас, так и недостаток устойчивости к помехам ВРНС. Такая оценка ситуации может быть проведена в информационном пространстве.

Оценка проводилась для набора потенциально опасных БС, размещенных менее чем в 100 км от границы РФ. При этом для всех приведенных БС излучение сигнала происходит на центральной частоте 826 МГц в полосе шириной 5 МГц с ЭИИМ передатчиков 316 Вт.

Исходя из заданных в соглашении ограничений информационная оценка электромагнитной совместимости проводилась по следующим показателям:

1) heff, м – эффективная высота антенны БС по азимуту от БС на границу РФ (значения данного показателя не должны превышать нормативного (heff)норм= 60 м для всех БС, находящих не более чем в 60 км от границы);

2) d, шт. на 100 км2 – плотность развертывания БС (нормативное значение по этому показателю dнорм выбирается в зависимости от конкретных условий размещения БС из таблицы 1);

3) E, дБмкВ/м – прогнозируемая средняя напряженность электрического поля, создаваемого конкретной БС при передаче на границе РФ (нормативное значение по этому показателю Eнорм выбирается в зависимости от местоположения БС: в приграничном районе № 1 – 53 дБмкВ/м, в приграничном районе № 2 – 57 дБмкВ/м, в приграничном районе № 3 – 58 дБмкВ/м).

Эффективная высота антенны БС heff рассчитывалась программно [9] как сумма высоты подвеса антенны БС над поверхностью земли в конкретном месте ее размещения и высоты рельефа окружающей БС местности по азимуту на границу РФ, которая вычисляется на основании значений, взятых из БД SRTM3 (Shuttle Radar Topography Mission) [10], глобальной матрицы высот земной поверхности и усредненных на отрезке от 3 до 15 км удаления от передатчика БС. Расчет прогнозируемой средней напряженности поля, создаваемого отдельной БС на границе РФ, проводился в соответствии с Рекомендацией МСЭ-R P.1546-5 для 10 % времени и 50 % местоположений.

В таблице 2 приведены результаты сопоставления требуемых значений показателей в сокращенном варианте для отдельных станций сети с реальными значениями, предложенными государством, на территории которого развернута сеть. Общий размер исследуемой сети – 871 станция. Реальные значения показателей, превышающие нормативные значения, выделены жирным шрифтом.

В условиях рассматриваемой задачи для i-й БС расчет составляющих вектора элемента покрытия множества нормативных значений j-го показателя множеством реальных (3) будем осуществлять следующим образом:

                         (5)

где (Rj)i – реальное значение j-го показателя для i-й БС; (Rнорм)j – нормативное значение j-го показателя; Kн – коэффициент нормировки, который выби- рается из соотношения  где (Rmax)i – максимальное значение j-го показателя.

Значение итоговой энтропии покрытия:

          (6)

Видно, что, согласно (6), действительная часть энтропии покрытия характеризует запас по устойчивости к деструктивным факторам отдельных показателей по сравнению с нормативными, а мнимая часть – недостаточность запаса устойчивости. Нулевое значение энтропии покрытия будет соответствовать случаю, когда достигается значение состояния полного компромисса.

Наглядно алгоритм информационной оценки деструктивного влияния конкретной мобильной сети на комплекс средств ВРНС представлен на рисунке 1.

Информационная оценка по приведенному выше алгоритму была выполнена для трех ситуаций:

-     исходные предложения администрации свя­зи сопредельного государства;

-     полное исключение станций СПС сопредельного государства, не удовлетворяющих условиям соглашения;

-     ситуация компромисса, учитывающая предложения администрации связи сопредельного государства и не допускающая запрещенного по критерию защиты уровня помех на РЭС ВРНС.

Результаты оценки этих ситуаций в значениях энтропии покрытия приведены в таблице 3. Необходимо отметить, что все три ситуации рассмотрены с условием обязательного выполнения требований по допустимому уровню помех для действующих РЭС ВРНС.

Таблица 3

Результаты информационной оценки

Table 3The results of information evaluation 

Приведенные результаты показывают следующее.

·      Предложения администрации связи сопредельного государства не в полной мере соответствуют условиям соглашения, обеспечивающим защиту РЭС ВРНС от вредного действия помех. Величина мнимой составляющей энтропии покрытия очень высока. Но в отдельных районах размещения РЭС СПС имеются достаточные ресурсы по запасу устойчивости к помехам, что показывает действительная составляющая энтропии покрытия.

·      При полном выполнении условий соглашения защита РЭС ВРНС обеспечивается в полном соответствии с критериями по допустимым уровням помех, при этом мнимая составляющая энтропии покрытия принимает нулевое значение. Несколько снижается запас устойчивости к вредному воздействию помех, действительная составляющая энтропии покрытия меньше, чем в первой ситуации.

·      При компромиссном решении значения действительной и мнимой составляющих энтропии покрытия снижаются по сравнению с первой ситуацией. Действительная составляющая энтропии покрытия снижается ненамного, а мнимая составляющая – довольно значительно, с 15,74 до 2,6 бит. Целесообразно установить для мнимой составляющей допустимое пороговое значение, которое сле- дует учитывать при проведении координации БС сопредельного государства.

Наличие мнимой составляющей характеризует возможные ограничения на размещение новых средств ВРНС в определенных приграничных районах, а достаточно большая величина действительной составляющей энтропии покрытия определяет довольно высокие потенциальные возможности обеих администраций связи по размещению но- вых РЭС.

Следует также отметить, что при оптимизации сетей и при проведении координации энтропия покрытия обеспечивает возможность применения математических методов, основанных на ее использовании. Примеры решения оптимизационных задач с использованием энтропии покрытия приведены в работах [3, 5–9].

Наряду с приведенным выше анализом комплексного помехового воздействия не менее актуальной задачей является оценка вклада излучения, создаваемого единичной БС СПС. Решение этого вопроса позволяет адекватно реагировать на из- менение помеховой обстановки в приграничном регионе, то есть в зависимости от характеристик проектируемой станции СПС, указанных в запросе на координацию частотного присвоения для нее, обоснованно удовлетворять или отклонять указанный запрос. При этом необходимо учитывать как ограничения, заданные в действующем соглашении между запрашивающей и затронутой администрациями связи, так и прогнозируемое среднее значение напряженности поля помех от станций СПС в месте размещения станции ВРНС (с учетом помехового вклада ранее скоординированных станций).

При расчетах напряженности поля помехи принимаются следующие допущения:

-     средства СПС используют режим частотного разделения каналов (FDD – friquency division duplex), который подразумевает, что БС и АТ работают в разных частотных диапазонах;

-     антенны АТ являются всенаправленными;

-     эффективная высота антенн АТ равна 1,5 м;

-     БС одной сети могут одновременно работать на одной частоте;

-     АТ, расположенные в различных секторах антенны БС, могут одновременно работать на одной частоте;

-     суммарная ЭИИМ всех АТ, работающих в одном секторе антенны БС, соответствует максимальной ЭИИМ одного АТ;

-     в целях обеспечения безопасности полетов воздушного судна для расчетов напряженности поля помех, создаваемых средствами СПС в месте размещения воздушной станции ВРНС, используется уравнение распространения радиоволн в свободном пространстве, приведенное в Рекомендации МСЭ-Р Р.525-2 «Расчет ослабления в свободном пространстве»;

-     для расчета напряженности поля помех от станций СПС в месте размещения наземной стан- ции ВРНС используется Рекомендация МСЭ-Р Р.1546-5 для 10 % времени и 50 % местоположений.

Возможны два характерных сценария помеховой обстановки:

-     сценарий 1: помеха от средств СПС на воздушные станции ВРНС;

-     сценарий 2: помеха от средств СПС на наземные станции ВРНС.

В случае реализации 1-го сценария алгоритм для проведения расчетов заключается в следующем:

-     определяется место размещения воздушной станции ВРНС путем размещения на минимальном удалении от границы в пределах зоны обслуживания соответствующей наземной станции ВРНС;

-     определяется положение АТ (работающего с максимальной мощностью) в каждом секторе БС путем размещения АТ на минимальном удалении от воздушной станции ВРНС в пределах зоны обслуживания рассматриваемого сектора БС;

-     рассчитывается напряженность поля помехи от каждого АТ в месте размещения воздушной станции ВРНС по формуле, приведенной в Рекомендации МСЭ-R P.525-2:

Ei = Pi – 20 lg ri + 74,8 + GARNS,                    (7)

где Ei – напряженность поля помехи, создаваемой i-й станцией СПС в месте размещения станции ВРНС (дБмкВ/м); Pi – максимальная ЭИИМ i-й станции СПС (дБВт); ri – расстояние от i-й станции СПС до станции ВРНС (км); GARNS – коэффициент усиления антенны станции ВРНС (дБи);

-     по закону суперпозиции электромагнитных полей (2) рассчитывается суммарная помеха от всех АТ в месте размещения воздушной станции ВРНС;

-     суммарная помеха от всех АТ в месте размещения воздушной станции ВРНС сравнивается с предельно допустимым уровнем суммарных помех, и делается вывод о возможности совмещения с рассматриваемой воздушной станцией ВРНС.

При реализации сценария 1 со стороны БС воздействия на бортовые станции не происходит. Это объясняется тем, что ввиду высокой мощности передатчиков БС нет возможности их совместного использования с воздушными станциями ВРНС. Рабочие частоты указанных станций должны находиться на разных неперекрывающихся диапазонах радиочастот.

В случае реализации сценария 2 учитывается помеховое воздействие от всех типов средств СПС, расчеты ведутся по следующему алгоритму:

-     по координатам БС и высоте подвеса антенны БС в конкретном секторе вычисляется эффективная высота антенны БС по азимуту на наземную станцию ВРНС программным способом с использованием матрицы высот земной поверхности (данные SRTM3);

-     определяется положение АТ (работающего с максимальной мощностью) в каждом секторе БС путем размещения АТ на минимальном удалении от станции ВРНС в пределах зоны обслуживания рассматриваемого сектора БС;

-     рассчитывается напряженность поля помехи от каждой БС и от каждого АТ в месте размещения наземной станции ВРНС по формуле, приведенной в Рекомендации МСЭ-R P.525-2:

Ei = Pi – Li + 20 lg f + 167,2 + GARNS ,          (8)

где Ei, Pi, GARNS – аналоги величин, приведенных в (7); f – частота излучения станции СПС (ГГц); Li – потери при распространении помехи от станции СПС до станции ВРНС (дБ), рассчитываются в соответствии с Рекомендацией МСЭ-R P.1546-5;

-     по закону суперпозиции электромагнитных полей (2) рассчитывается суммарная помеха от всех средств СПС в месте размещения наземной станции ВРНС;

-     полученная суммарная помеха в месте размещения наземной станции ВРНС сравнивается с предельно допустимым уровнем суммарной помехи и делается вывод о возможности совмещения с рассматриваемой наземной станцией ВРНС.

Наглядно алгоритм координации нового частотного присвоения для единичной БС СПС и комплекса средств ВРНС показан на рисунке 2.

Таким образом, в настоящей работе представлен алгоритм комплексной информационной оценки состояния комплекса средств ВРНС в условиях деструктивного помехового воздействия средств СПС, позволяющий математически определить степень неудовлетворенности параметрами рассматриваемой сети мобильной связи с помощью введения информационной меры – энтропии покрытия. Кроме того, предложена удовлетворительная методика (с приведением соответствующего алгоритма) координации отдельных станций СПС.

Литература

1.     Пудовкин А.П., Панасюк Ю.Н., Иванков А.А. Основы теории антенн. Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2011. С. 7.

2.     Юрков Н.К., Андреев П.Г., Жумабаева А.С. Проблема обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств // Надежность и качество: тр. Междунар. симпоз. Пенза. 2015. Т. 1. С. 201–203.

3.     Сухов А.В., Новиков О.П., Прокопенко В.С. Динамика информационных потоков в системе управления сложным техническим комплексом в информационном пространстве, основанном на энтропии покрытия // Межотраслевая информационная служба. 2012. № 1. С. 16–21.

4.     Ломакин М.И., Коровайцев А.А., Сухов А.В. Информационно-энтропийный подход к оценке метрологического ресурса средств измерений // Измерительная техника. 2014. № 12. С. 14–17.

5.     Сухов А.В., Мячин А.В. Методы и технологии выработки управленческих решений при создании сложных технических комплексов. М.: Изд-во ВА РВСН им. Петра Великого, 2008. С. 53–54.

6.     Calculation of effective antenna heights using the SRTM3 Terrain Database. URL: http://www.itu.int/SRTM3/ (дата обращения: 04.04.2017).

7.     Farr T.G., Rosen P.A., Caro E., Crippen R., Duren R., Hensley S., Kobrick M., Paller M., Rodriguez E., Roth L., Seal D., Shaf- fer S., Shimada J., Umland J., Werner M., Oskin M., Burbank D., Alsdorf D. The shuttle radar topography mission. Reviews of Geophysics, 2007, vol. 45, is. 2. URL: http://onlinelibrary.wiley.com/ doi/10.1029/2005RG000183/epdf (дата обращения: 04.04.2017).