Software & Systems

Проектирование систем мобильной связи, работающих в городских условиях, сталкивает проектировщика со следующей проблемой: при заданных форме зоны обслуживания, ее географических особенностях и рабочем диапазоне частот требуется определить положение базовых станций, обеспечивающих уверенную связь в любой точке зоны. Количество базовых станций должно быть минимальным, кроме того, необходимо учесть влияние объектов застройки на распространение радиоволн.

Объекты жилой и административной застройки можно рассматривать как пассивные ретрансляторы и полупрозрачные экраны, препятствующие прямолинейному распространению радиоволн. Вследствие этого в некоторых зонах застройки возникают области, в которых невозможно обеспечить прием сигнала от базовой станции, – области тени. Они могут иметь различные форму и площадь, определяющиеся характером расположения объектов застройки, их размерами, свойствами материалов и длиной волны. Положение этих зон тени, как правило, определяется экспериментально. Следует отметить, что оно не является постоянным. Форма зоны тени и ее размеры могут существенно измениться в зависимости от погодных условий. Условия возникновения этих зон носят двоякий характер.

В первом случае, когда поверхность земли в зоне обслуживания можно считать относительно ровной и критерий Релея выполняющимся, теневые зоны носят интерференционный характер. Это связано с тем, что сигнал в точке приема можно представить как сумму двух сигналов: сигнала, напрямую пришедшего в точку приема, и сигнала, претерпевшего отражение от поверхности земли в зоне обслуживания. В этом случае в зависимости от фазовых соотношений между прямым и отраженным сигналом может возникнуть усиление или ослабление уровня сигнала в точке приема. Величина ослабления зависит от используемой поляризации и электрофизических свойств подстилающей поверхности в зоне обслуживания. Если антенна базовой станции не обладает направленными свойствами в горизонтальной плоскости, то зоны тени имеют форму концентрических колец увеличивающегося радиуса. Их число определяется высотой подвеса антенны базовой станции. При радиальном перемещении абонента в зоне обслуживания такие зоны приводят к возникновению быстрых замираний.

Во втором случае в зоне обслуживания не выполняется критерий Релея, и наряду с зонами интерференционных минимумов возникают зоны прямого затенения, положение которых определяется положением и размерами искусственных или естественных препятствий в зоне обслуживания. Следует отметить, что форма зон интерференционных минимумов в таком случае перестает быть кольцевой и также становится зависимой от положения препятствий и их размеров. При этом сигнал в точке приема будет состоять уже не из двух, и из большего числа составляющих, которое будет определяться законом распределения препятствий в зоне обслуживания и электрофизическими свойствами их поверхности. Следствием этого является зависимость качества сигнала, принимаемого мобильной станцией, от положения ее антенны в пространстве и направления перемещения абонента в зоне обслуживания. Кроме названных причин, это явление может объясняться образованием стоячих волн между различными объектами городской застройки. На перечисленные процессы также влияют погодные условия, поскольку они могут существенным образом изменять электрофизические параметры подстилающей поверхности и, следовательно, коэффициенты отражения от нее и поверхностей зданий. В городской черте может возникать также эффект анизотропного распространения радиоволн. При распространении волн вдоль улиц может возникать открытый волновод, существенно меняющий условия распространения электромагнитных волн вдоль и поперек улицы. Отсюда следует дополнительная возможность изменения качества приема сигнала при перемещении абонента в пределах городской черты.

Для обеспечения связи в теневых зонах приходится устанавливать дополнительные активные или пассивные миниретрансляторы, передающие сигналы базовых станций на зону тени, а также принимающие сигналы, порожденные мобильными станциями, расположенными в зоне тени, и передающие их на базовые станции. Количество вспомогательных антенн и их расположение в этом случае также подбирается экспериментально. При этом количество миниретрансляторов и их расположение в городской застройке зачастую оказывается неоптимальным (избыточным).

Для уменьшения влияния перечисленных эффектов на качество приема сигналов необходимо перед развертыванием системы связи оценить условия распространения радиоволн в зоне обслуживания, оптимизировать частотный диапазон, положение антенн базовых станций, форму зоны обслуживания одной базовой станции и ее размер, а также определить количество и наиболее вероятное положение затененных зон.

Рассмотрим задачу в следующей постановке. Пусть задана форма зоны обслуживания, ее географические и электрофизические параметры. Известен тип передатчиков и приемников, используемых в базовых станциях, их частотный диапазон, чувствительность приемника и выходная мощность передатчика. Также заданными считаются чувствительность приемника и мощность передатчика мобильной станции. Необходимо определить число базовых станций и их расположение в зоне обслуживания.

Прежде чем приступить к решению задачи о размещении базовых станций, необходимо определить характеристики приемо-передающих антенн базовых станций. Как правило, такие антенны не должны обладать направленными свойствами в горизонтальной плоскости. Поэтому для них могут использоваться одиночные штыревые антенны или вертикальные решетки из них. Следует заметить, что использование вертикальной решетки не всегда целесообразно. Это происходит потому, что увеличение коэффициента усиления (КУ) антенны происходит за счет сужения главного лепестка в вертикальной плоскости, что может привести к увеличению диаметра зоны, в которой невозможен прием из-за низкого уровня сигнала. После того как установлен тип используемой антенны и ее КУ, можно определить радиус зоны, обслуживаемой одной базовой станцией [1]:

,                                  (1)

где  – чувствительность приемника;  – мощность передатчика, подводимая к передающей антенне;  – КПД приемной антенны;  – КПД передающей антенны; Rmax – расстояние между приемной и передающей антеннами; l – рабочая длина волны передатчика.

Полученная оценка радиуса зоны, обслуживаемой базовой станцией, оказывается завышенной, поскольку в (1) не учитываются потери в фидерных линиях, КПД антенн, погодные условия и влияние урбанистической застройки на условия распространения радиоволн. Последнее может быть учтено изменением степени при Rn max в знаменателе (1). Как показано в [7], учет затухания в стенах зданий городской застройки приводит к увеличению степени n c 2 до 3,5–4. Поэтому в расчетах целесообразно брать радиус зоны обслуживания базовой станции следующим образом:

.

Зная радиус зоны обслуживания одной станции, можно определить ее площадь и оценить необходимое количество базовых станций. Эта оценка выполняется по формуле:

N=INT(1,2*Sоб/Sоб1),

где Sоб – полная площадь зоны обслуживания; Sоб1=pR2об – площадь зоны, обслуживаемой одной базовой станцией.

При этом полагалось, что антенна базовой станции не имеет направленных свойств в горизонтальной плоскости и форма ее зоны обслуживания представляет собой круг. Поправочный коэффициент 1,2 взят для учета неизбежного перекрытия зон обслуживания. Это необходимо для построения целевой функции, которая будет использована для поиска оптимального размещения базовых станций. После этого можно перейти к решению задачи об их размещении в зоне обслуживания. Для оптимизации размещения использованы генетические алгоритмы [2]. Использование методов эволюционного моделирования позволило разработать новые подходы к проектированию антенн [3-6]. В данной статье рассматривается применение генетических алгоритмов для оптимизации расположения базовых станций систем подвижной связи с учетом географии места расположения зоны обслуживания и урбанистической застройки.

На первом этапе решения производится генерация начальной популяции решений при помощи генераторов случайных чисел, позволяющих по заданной площади зоны обслуживания и ее форме сгенерировать положение N точек размещения базовых станций. Затем из полученного множества решений для уменьшения времени счета исключаются неприемлемые. Такими решениями являются те, для которых больше половины полученных точек размещения оказываются на расстоянии, не превосходящем 0,3 Rоб от края зоны обслуживания. Это условие вводится из необходимости повысить КПД проектируемой системы связи. При круговой форме зоны обслуживания одиночной базовой станции и произвольной форме зоны обслуживания проектируемой системы невозможно, используя конечное число станций, обеспечить отсутствие сигнала за пределами общей зоны обслуживания. После этого следует сформировать хромосомы, необходимые для работы генетических алгоритмов. Для этого выбираются признаки для формирования генов, отвечающих за положение точки размещения базовой станции в зоне обслуживания. В прямоугольной системе координат такими координатами являются Xi и Yi. Высота точки размещения базовой станции над уровнем моря хотя и является важным параметром для работы базовой станции, но при использовании серийно выпускаемого оборудования ее нельзя регулировать, поэтому информация о высоте антенны не включается в хромосому, но она используется для вычисления целевой функции. Затем можно применять к решению задачи метод генетических алгоритмов. Алгоритм решения задачи показан на рисунке 1. Здесь Imax – максимальное количество поколений.

Особый интерес при решении поставленной задачи представляет формирование целевой функции. В простейшем виде она может быть выбрана следующим образом:

O(S)=aSпокр-bSпер-cSнеос-dSвых.                          (2)

Здесь Sпокр – площадь, покрываемая базовыми станциями; Sпер – площадь взаимных перекрытий; Sнеос – неосвещенная площадь; Sвых – освещенная поверхность за пределами зоны обслуживания; а,b,c,d – весовые коэффициенты.

Смысл указанных величин поясняется на рисунке 2.

Выбирая величину коэффициентов a,b,c,d, можно влиять на размещение базовых станций в зоне обслуживания. С точки зрения уменьшения числа дополнительных миниретрансляторов коэффициент с должен быть достаточно велик. Возникающее при этом увеличение площади перекрытия между зонами обслуживания базовых станций не является столь существенным. Необходимо также отметить, что при круговой форме зоны обслуживания одиночной базовой станции невозможно избежать перекрытия зон и сделать Sпер нулевой. В связи с этим для вычисления коэффициента с была предложена следующая формула:

                                      (3)

Аналогичная формула используется и для вычисления коэффициента d. Такая расчетная формула объясняется тем, что даже при гексагональной форме зоны обслуживания одиночной базовой станции для произвольной формы сервисной зоны системы связи не удается при конечном числе базовых станций обеспечить нулевую величину Sвых.

Тем не менее, следует заметить, что полученное решение может рассматриваться только в качестве предварительного. Дело в том, что при построении хромосомы не учитывались возможности изменения высоты подвеса антенны за счет использования мачты и условия приема в точках зоны обслуживания. Учет первого условия приведет к росту длины хромосомы и увеличению времени расчетов. Учет второго условия существенно усложняет вычисление целевой функции. Хотя ее структура остается той же, но усложняется процедура ее вычисления. Учет географических условий и структуры городской застройки приведет к тому, что форма зоны обслуживания базовой станции станет отличаться от круговой. Это приведет к усложнению формы неосвещенных участков и зон взаимного перекрытия, в результате дополнительно увеличится время, необходимое для расчетов. Учет погодных условий приводит к еще большему росту объема вычислений. Вычисления радиуса зоны обслуживания с учетом только подстилающей поверхности и погодных условий необходимо проводить с использованием следующей формулы:

        (4)

Здесь R1 и  R2 – расстояния до точки наблюдения поля, а величина Rв – это коэффициент отражения электромагнитной волны от земной поверхности. Выражение (2) существенно сложнее, чем (1), и расчеты по нему носят статистический характер. Однако использование усложненных формул и уточнение положения базовых станций позволяет существенно сократить объем экспериментальных работ при настройке системы мобильной связи.

Список литературы

1.   Марков Г.Т., Петров Б.М., Грудинская Г.П. Электродинамика и распространение радиоволн. - М., Сов. радио. - 1979. - 376 с.

2.   Курейчик В.М. Генетические алгоритмы. - Изд-во ТРТУ. - 1998. - 242 с.

3.   Jones E.A. and Joines W.T. Design of Yagi-Uda Antennas Using Genetic Algorithms, IEEE Transactions. on Antennas and Propagation, vol. 45, no. 9, pp.1386-1392, Sept. 1997.

4.   Haupt R.L. Thinned arrays using genetic algorithms,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 42, pp. 993-999, July 1994.

5.   Boag, Michielson E. and Mittra R. Design of electri- cally loaded wire antennas using genetic algorithms, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 44, pp.687-695, May 1996.

6.   Johnson J., Y Rahmat Samii. Genetic algorithms and method of moments (GA/MoM): A novel integration for antenna design,” IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium 1997, vol. 3, pp 1664-7, 1997.

7.   Betroni H.L., Honcharenko W., Maciel L.R., Xia H.H. UHF Propagation Prediction for Wireless Personal Communication. Proceedings of the IEEE, vol. 82, N 9, p.1333-1359, 1994.