5 Искажения, обусловленные явлениями, связанными с распространением радиоволн
Основная причина искажений на линиях прямой видимости в диапазонах УВЧ и СВЧ – это зависимость амплитуды сигнала и групповой задержки многолучевого распространения в условиях ясного неба от частоты. В аналоговых системах увеличение запаса на замирание будет улучшать характеристики системы, поскольку при этом уменьшается влияние теплового шума. Однако в цифровых системах использование большего запаса на замирание не поможет, если замирание является частотно-избирательным и вызывает ухудшение рабочих характеристик.
Наиболее часто канал распространения моделируется в предположении, что сигнал распространяется от передатчика к приемнику по нескольким трассам или в виде нескольких лучей. Это означает, что существует прямая трасса, проходящая через атмосферу, и может быть одна или несколько дополнительных трасс за счет отражения сигнала от земли и/или его преломления в атмосфере. Если прямой сигнал и отраженный сигнал примерно такой же амплитуды, но со значительной задержкой поступают на приемник, то могут возникнуть межсимвольные помехи, ведущие к ошибке при детектировании информации. Методы прогнозирования характеристик основаны на использовании такой многолучевой модели путем объединения различных переменных, таких как задержка (разница во времени прихода первого луча и остальных) и распределения амплитуд, при условии корректности моделей, описывающих элементы оборудования, такие как модуляторы, компенсаторы, схемы упреждающей коррекции ошибок (FEC) и т. п. Хотя существует множество методов, все их можно разбить на три основных класса в зависимости от того, на чем они основаны – на использовании данных о сигнатуре системы, о линейном амплитудном искажении (LAD) или о запасе на суммарное замирание. Подход, основанный на использовании данных о сигнатуре, часто базируется на имитационной двулучевой лабораторной модели в сочетании с другой информацией, как например, частота возникновения многолучевости и характеристики линии. Подход, основанный на данных о LAD, связан с оценкой распределения амплитудных искажений на рассматриваемой трассе, которые наблюдались бы на двух разных частотах радиодиапазона, и использованием характеристик модулятора и компенсатора и т. д. Аналогично, в методе, в котором за основу принят запас на суммарное замирание, используются оценки статистических распределений амплитуд сигналов, а также информация об оборудовании, как и в предыдущем методе. Метод, рекомендуемый для прогнозирования ошибок, основан на использовании данных о сигнатуре и изложен в п. 5.1.
Считается, что искажением, обусловленным осадками, можно пренебречь, во всяком случае, это значительно менее важная проблема, чем затухание из-за осадков. Известно, что искажение возникает в диапазонах миллиметровых и субмиллиметровых волн, но его влияние на работу систем пока до конца не ясно.
5.1 Прогнозирование сбоев в незащищенных цифровых системах
В данном случае вероятность сбоев определяется как вероятность того, что BER превысит заданное пороговое значение.
Шаг 1: Вычислить среднюю временную задержку по формуле:
, (73)
где d – длина трассы (км).
Шаг 2: Рассчитать параметр многолучевой активности, , по формуле, приведенной в п. 4.1, Шаг 2.
Шаг 3: Рассчитать вероятность селективных сбоев, используя соотношение:
, (74)
где:
Wx: ширина сигнатуры (ГГц);
Bx: глубина сигнатуры (дБ);
r,x: эталонное значение задержки (нс), которое используется при определении сигнатуры, причем индекс x означает замирание либо с минимальной (M), либо с неминимальной (NM) фазой.
Если известен только нормированный параметр системы, Kn, вероятность селективных сбоев в уравнении (74) может быть вычислена как:
, (75)
где:
T: период бода системы (нс);
Kn,x: нормированный параметр системы, причем индекс x означает замирание либо с минимальной (M), либо с неминимальной (NM) фазой.
Определения параметров сигнатуры и описание способа ее получения приведены в Рекомендации МСЭ-R F.1093.
6 Способы уменьшения влияния многолучевого распространения
При проектировании линии должно учитываться влияние относительно медленного не избирательного по частоте замирания (т. е. амплитудного замирания), возникающего вследствие расхождения лучей, и более быстрого частотно-избирательного замирания, обусловленного многолучевым распространением радиоволн. Существует ряд доступных методов для смягчения этих влияний, большинство из которых одновременно смягчают оба вида влияния. Те же методы зачастую смягчают также уменьшение избирательности по кроссполяризации. Их можно разделить на методы, не требующие применения определенного вида разнесенного приема или передачи, и методы, требующие разнесения.
Поскольку по экономическим причинам желательно, по возможности, избегать применения разнесения, в п. 6.1 сначала рассматриваются стратегии и методы, которые не требуют разнесения. Впрочем, эти стратегии и методы подходят также для систем с разнесением и должны применяться в удобных случаях, даже если они могут оказаться менее необходимыми. Методы разнесения обсуждаются в п. 6.2.
6.1 Методы без разнесения
Для уменьшения влияния замираний вследствие многолучевости без разнесения существуют несколько методов, которые могут применяться, если линия проходит либо между существующими мачтами, либо между новыми мачтами, которые будут построены. Эти методы полезно рассмотреть при реализации одной или нескольких из нижеследующих стратегий:
Стратегия A: уменьшение случаев появления значительных амплитудных замираний из-за механизмов, происходящих в атмосфере (расширение луча, антенная развязка и многолучевость при распространении в атмосфере; см. п. 2.3);
Стратегия B: уменьшение случаев появления значительных отражений от поверхности;
Стратегия C: уменьшение относительной задержки отражений от поверхности по отношению к атмосферной волне.
6.1.1 Увеличение наклона трассы
Линии должны прокладываться с использованием неровностей местности такими способами, которые увеличивают наклон трасс (иногда это называется методом "высокий-низкий"), поскольку в данных случаях может быть реализована описанная выше стратегия A и в некоторой степени также стратегия B. Такой подход должен осуществляться совместно с более конкретными усилиями по использованию экранирования местностью для уменьшения уровней отражения от поверхности (стратегия B; см. п. 6.1.2), поскольку эти два метода тесно связаны друг с другом.
Когда мачты уже установлены на своих местах, высота антенны на одном конце трассы может быть уменьшена, чтобы осуществить указанный выше подход при условии выполнения правил просвета в п. 2.2.2.
6.1.2 Уменьшение влияния отражений от поверхности
Линии должны прокладываться там, где можно уменьшить случаи появления значительных зеркальных и диффузных отражений от поверхности (или, по крайней мере, превратить значительные зеркальные отражения в более мелкие диффузные отражения), тем самым уменьшая случаи появления замираний и искажений из-за поверхностной многолучевости (стратегия B). Для выполнения таких задач существуют несколько методов, большинство из которых связаны друг с другом. Поэтому использование одного метода не должно осуществляться без одновременного рассмотрения других. Эти методы заключаются в следующем.
6.1.2.1 Экранирование точки отражения
Один из методов заключается в том, чтобы воспользоваться холмами, горами или зданиями вдоль трассы для экранирования антенн от более опасных с точки зрения помех поверхностей с зеркальным отражением вдоль трассы (например, водные поверхности, равнины, гладкие вершины холмов, не покрытые деревьями, верхние части зданий; см. рисунок 7). В идеальном случае холмы или горы должны быть покрыты растительностью для дополнительного снижения уровня поля, дифрагированного на них. Безусловно, экранирование отражающих поверхностей легче выполнить при уменьшении просвета на трассе (см. п. 6.1.3).
рисунок 7
Пример экранирования антенны от зеркального отражения
Анализ путем отслеживания траектории лучей для определения подходящего экранирующего препятствия должен проводиться для некоторого диапазона эффективных коэффициентов k, изменяющихся от ke (99,9%) (или некоторой другой минимальной величины) до бесконечности (см. п. 2.2.2). Следует принять меры, чтобы отражение от поверхности блокировалось или, по крайней мере, частично экранировалось для больших значений эффективных коэффициентов k, а также для медианного значения. Очевидно, что польза от экранирования препятствием в определенной степени теряется, если одна или несколько радиоволн, отраженных поверхностью, являются суперрефрагированными при прохождении над препятствиями, поскольку замирания и искажения из-за поверхностной многолучевости с большей вероятностью наблюдаются при наличии таких условий. Следует также принять меры, чтобы прямая волна не дифрагировала сильнее, чем это допустимо в рамках критериев просвета на трассе при низких значениях эффективных коэффициентов k, наблюдающихся в условиях субрефракции.
6.1.2.2 Перенос точки отражения на поверхность с худшими коэффициентами отражения
Другим методом является регулирование высоты антенны на одном или обоих концах трассы для переноса точек отражения на более неровную местность или поверхность, покрытую растительностью, чем это было бы возможно в других обстоятельствах. На надводных трассах, например, можно было бы отрегулировать наклон трассы для размещения точек поверхностного отражения на поверхности суши, а не на воде, и даже лучше – на поверхности суши, покрытой деревьями или иной растительностью. Точка отражения перемещается в направлении более низкой антенны и удаляется от поднятой антенны.
Метод определения местоположения возможных зон отражения приведен в п. 6.1.2.3 (Шаги 1–3). На достаточно коротких трассах этот метод должен применяться в полном объеме в целях уяснения, может ли быть выбрана высота одной или обеих антенн таким образом, чтобы избежать появления деструктивных помех от зеркальных поверхностных отражений.
Методы расчета или измерения уровня зеркальных поверхностных отражений приведены в п. 6.1.2.4.
6.1.2.3 Оптимальный выбор высоты антенн
На достаточно коротких трассах высота одной или обеих антенн может иногда регулироваться так, чтобы любая(ые) волна(ы), отраженная(ые) от поверхности, не создавала(и) деструктивных помех прямой волне для значительного диапазона эффективных значений k. Как отмечалось в п. 6.1.2.2, регулировка высоты антенн может также использоваться для перемещения точек отражения на поверхность с худшими показателями отражения. Пошаговая процедура для применения обоих методов и определения необходимости разнесения заключается в следующем:
Шаг 1: Рассчитать предварительную высоту передающей и приемной антенн, используя правило просвета для неразнесенных систем в п. 2.2.2.1.
Шаг 2: Рассчитать высоту передающей и более высокой приемной антенн над возможными зонами зеркального отражения на профиле трассы или вблизи него. Такие зоны, как водоемы, равнины, гладкие вершины холмов, не покрытые деревьями, или верхние части зданий, могут вызывать значительные зеркальные отражения. Эти зоны, конечно, могут быть, а могут и не быть горизонтальными, и их может быть несколько (см. Примечание 1). В то время как некоторые зоны можно определить по картам, другие могут потребовать детального обследования местности вдоль трассы и в непосредственной близости от нее.
Высота h1 и h2 антенн над зоной отражения с углом наклона (см. Примечание 1) определяется следующим образом (см. рисунок 8):
h1 h1G y1 y0 x0 103 tan м, (76)
h2 = h2G y2 – y0 – (d x0) 103 tan м, (77)
где:
y1, y2 : высота земли над уровнем моря на станциях 1 и 2, соответственно (м);
h1G, h2G : высота антенн над землей на станциях 1 и 2, соответственно (м);
y0 : высота средней точки зоны отражения над уровнем моря (м);
x0 : расстояние от средней точки зоны отражения до станции 1 (км).
Если зона отражения приходится на море, то необходимо учитывать приливные колебания.
рисунок 8
Трасса с отражающим рельефом местности
Шаг 3: Для диапазона эффективных коэффициентов k, изменяющихся от ke (99,9%) до бесконечности (см. п. 2.2.2; на практике может быть выбрано большое значение k, такое как k = 1,0 109), вычислить расстояния d1 и d2 от каждой возможной отражающей поверхности до станций 1 и 2, соответственно, из выражений (см. Примечание 2):
d1 d (1 + b) / 2 км, (78)
d2 d (1 – b) / 2 км, (79)
где:
, (80)
, (81)
c (h1 – h2) / (h1 h2), (82)
причем ae ka – это эффективный радиус Земли для заданного коэффициента k (a = 6375 км представляет собой фактический радиус Земли); в уравнении (81) d указывается в километрах, а h1 и h2 – в метрах.
Если зон зеркального отражения можно избежать путем регулирования высоты одной или обеих антенн в приемлемых границах, соблюдая одновременно правила просвета (Шаг 1), приблизительно следует подсчитать изменение и начать снова с Шага 2.
Шаг 4: В отношении зеркально отражающих поверхностей, которых невозможно избежать, рассчитать разность длин трасс между прямой и отраженной волнами (или лучами) в длинах волн для одного и того же диапазона эффективных значений коэффициента k из выражения:
. (83)
Каждый раз, когда число длин волн, , является положительной целой величиной по мере изменения k (т. е. 1, 2 и т. д.), уровень принимаемого сигнала проходит через минимум. Таких условий следует по возможности избегать. Чем больше число целых значений разности max – min при изменении k в пределах его диапазона, тем выше вероятность того, что потребуется поиск компромисса для эксплуатационных характеристик и необходимо будет применить определенный вид разнесения.
Если max – min 1 при изменении k в пределах соответствующего диапазона, то почти наверняка разнесения можно избежать. Однако на трассах длиной более чем примерно 7,5 км наилучший способ удостовериться в отсутствии необходимости защиты с помощью разнесения – это применить процедуру расчета случаев появления многолучевости согласно п. 2.3, а также процедуру прогнозирования сбоев для незащищенных цифровых систем согласно п. 5.1. В любом случае высота одной или обеих антенн должна регулироваться так, чтобы 0,5 для медианного значения k.
Если max – min 1, глубина замираний из-за поверхностной многолучевости и оценка необходимости использования определенного вида разнесения зависят от того, насколько хорошо отражается сигнал (см. пп. 6.1.2.2 и 6.1.2.3) и имеются ли значимые показатели избирательности в отношении поверхностных отражений на одной или обеих антеннах (см. п. 6.1.2.5). Однако следует помнить, что на достаточно протяженных трассах аномальные слои с предельно отрицательными градиентами индекса рефракции могут вызывать замирание прямой волны в результате расширения луча и что отраженная(ые) от поверхности волна(ы) может (могут) одновременно усиливаться в результате энергии, отклоненной от прямой волны в направлении поверхности. Наилучший способ установления необходимости использования защиты с помощью определенного вида разнесения – это применить процедуру расчета случаев появления многолучевости согласно п. 2.3, а также процедуру прогнозирования сбоев для незащищенных цифровых систем согласно п. 5.1.
ПРИМЕЧАНИЕ 1. Поскольку профиль трассы основан на выборочных высотах с определенными расстояниями между ними, фактический наклон местности будет несколько отличаться на участках между точками выборки на профиле. Считается допустимым небольшое изменение угла наклона, относительно значения, рассчитанного исходя из цифрового профиля (например, значений, соответствующих изменениям на ±10 м высоты профиля на одном конце рассматриваемого сегмента профиля). При необходимости может быть проведен визуальный контроль трассы между выборочными точками местности.
В некоторых случаях, когда профиль трассы имеет характер слегка пересеченной местности и его обработка на отдельных сегментах трассы представляется неадекватной, то в этом случае на профиль трассы должна быть помещена кривая регрессии согласно способу, указанному в п. 6.1.2.4.1, и для расчета высот над точками отражения и расстояний от них должны рассматриваться отражения, происходящие от этой кривой. В таком случае шаги в данном пункте и в п. 6.1.2.4.1 нужно рассматривать совместно.
ПРИМЕЧАНИЕ 2. Для некоторых проектов линий связи может оказаться желательным использование минимального значения эффективного коэффициента k, меньшего чем ke (99,9%).
6.1.2.4 Выбор вертикальной поляризации
На надводных трассах на частотах выше примерно 3 ГГц целесообразно выбирать вертикальную поляризацию вместо горизонтальной. При углах скольжения более чем примерно 0,7 можно ожидать снижения поверхностного отражения на 2–17 дБ по сравнению с горизонтальной поляризацией.
Более точную оценку эффективного коэффициента отражения площади поверхности, задействованной в зеркальном отражении, можно получить посредством либо вычислений, либо измерений следующим образом:
6.1.2.4.1 Расчет эффективного коэффициента отражения поверхности
Эффективный коэффициент отражения поверхности может быть рассчитан согласно следующей пошаговой процедуре (см. Примечание 1):
Шаг 1: Рассчитать комплексную диэлектрическую проницаемость поверхности Земли вблизи зон отражения поверхностью из выражения:
r j18/f, (84)
где r относительная диэлектрическая проницаемость и проводимость почвы (См/м). Определите r и из информации, приведенной в Рекомендации МСЭ-R P.527.
Шаг 2: Рассчитать угол скольжения для диапазона значений эффективного коэффициента k, полученных на Шаге 3 в п. 6.1.2.3, по формуле:
. (85)
Шаг 3: Рассчитать коэффициент отражения поверхности для того же самого диапазона значений k по формуле:
, (86)
где:
горизонтальная поляризация, (87)
вертикальная поляризация. (88)
Шаг 4: Рассчитать коэффициент расхождения поверхности Земли из выражения:
. (89)
Шаг 5: Рассчитать длину L1 эллипса 1-й зоны Френеля на поверхности Земли вдоль трассы из выражения:
. (90)
и ширину W1 этого эллипса в поперечном направлении из выражения:
, (91)
где h1 и h2 указываются в метрах, а d в километрах. Допустим, что центр эллипса 1-й зоны Френеля помещен в геометрическую точку отражения в пределах очевидной поверхности отражения (см. Примечание 2).
Шаг 6: Если четко имеется только часть(и) эллипса 1-й зоны Френеля, которая является зеркально отражающей, определить длину x (км) этой части. Затем вычислить коэффициент зеркального отражения из выражения (см. Примечание 2):
, (92)
где, как и ранее, h1 и h2 указываются в метрах, а d в километрах. В иных случаях предполагается, что Rs = 1.
Шаг 7: Если поверхность в пределах эллипса 1-й зоны Френеля имеет характер слегка пересеченной местности, рассчитать коэффициент неровности поверхности из выражения:
, (93)
где:
, (94)
при этом h (м) стандартное отклонение высоты поверхности относительно кривой регрессии на той части профиля трассы, которая находится в пределах эллипса 1-й зоны Френеля (см. Примечание 3). В иных случаях предполагается, что Rr = 1.
Шаг 8: Рассчитайте эффективный коэффициент отражения поверхности для соответствующего диапазона значений эффективного коэффициента k по формуле:
. (95)
Уровень отраженной(ых) волны (волн) относительно уровня прямой волны можно тогда определить по методу, указанному в п. 6.1.2.5.
ПРИМЕЧАНИЕ 1. – Установлено, что на многих трассах над сушей (особенно на более высоких частотах) будет затруднительно получить точную оценку величины эффективного коэффициента отражения поверхности вследствие наличия различных неопределенностей, таких как проводимость почвы, неровность поверхности и т. д., а также степени субъективности, необходимых в настоящее время для проведения расчетов. В таких ситуациях процедура расчетов может служить лишь приблизительным ориентиром, помогающим определить проблемы на трассе или выбрать одну трассу вместо другой, даже если такая возможность существует в первую очередь. В случае если поверхность отражения находится на земной поверхности, может оказаться желательным предположить наличие влажной земли в зонах, где такая почва преобладает в те же часы и месяцы, когда часто возникают замирания.
ПРИМЕЧАНИЕ 2. – Уравнение (92) является наиболее точным, если ни один из краев зеркально отражающей зоны не находится далеко от точки зеркального отражения. В некоторых случаях наилучшим возможным подходом является разделение площади 1-й зоны Френеля на две области: первая область помещается на очень неровную часть поверхности, которая явно не является отражающей (из-за крутого угла местности под трассой или из-за экранирования местностью), а вторая область на более ровную часть поверхности, частично способную отражать радиоволны, но для которой расчет коэффициента неровности поверхности производится способом, описанным в Шаге 7.
В качестве руководства, если зона отражения на поверхности Земли точно охватывает площадь 1-й зоны Френеля вдоль трассы, амплитуда отраженной волны на 2,6 дБ больше амплитуды прямой волны (не учитывая влияние коэффициента расхождения, D, и избирательности антенны, что рассматривалось в п. 6.1.2.5). Эта цифра составит 6 дБ, если зона отражения точно охватывает 1-ю зону Френеля не только в продольном направлении, но также и в стороны. С другой стороны, если в зоне отражения не содержится геометрическая точка отражения, то относительная амплитуда отраженной волны будет составлять не более чем –3,4 дБ. Если зона отражения целиком расположена вне 1-й зоны Френеля, то относительная амплитуда отраженной волны будет меньше чем –11,5 дБ.
ПРИМЕЧАНИЕ 3. – Если профиль трассы достаточно неровный, то наилучшим возможным подходом является наложение кривой регрессии на профиль трассы вдоль длины, соответствующей длине самой 1-й зоны Френеля, что будет служить основой для определения местоположения точки отражения и последующего расчета стандартного отклонения высот профиля, h (м), относительно этой кривой. Поскольку первоначальное местоположение 1-й зоны Френеля неизвестно, указанная выше процедура может быть итеративным процессом. Если эллипс 1-й зоны Френеля находится на воде, то следует принять для расчетов гладкую поверхность.
6.1.2.4.2 Измерения эффективного коэффициента отражения поверхности
Эффективный коэффициент отражения отражающей поверхности можно измерить в нормальных условиях распространения (см. п. 8 для наилучшего времени суток; см. также Примечание 1) при помощи получения диаграммы выигрыша за счет высоты для уровня принимаемого сигнала, когда либо передающая антенна, либо приемная антенна регулируется по высоте в достаточно широком диапазоне, чтобы наблюдались как максимумы, так и минимумы этой диаграммы. Если E (дБ) – это разность между максимальным и минимальным уровнями (см. рисунок 9), то эффективный коэффициент отражения определяется по формуле:
. (96)
ПРИМЕЧАНИЕ 1. Земная поверхность может быть более сухой в течение части суток, когда ожидаются нормальные условия распространения, чем она может быть в течение той части суток, когда ожидаются условия многолучевости. В таких ситуациях может быть желательно ввести поправку, основанную на уравнениях в п. 6.1.2.4.1 и известных различиях проводимости почвы во влажном и сухом состояниях. Материал в пп. 6.1.2.4.1 и 6.1.2.4.2 предназначен для использования лишь в качестве ориентировочного руководства.
рисунок 9
Измерение E (дБ) исходя из диаграммы выигрыша за счет высоты
6.1.2.5 Использование избирательности антенны
На трассах с достаточно большим наклоном или трассах с естественным значительным просветом углы между прямой волной и отраженной(ыми) от поверхности волной(ами) становятся достаточно большими, чтобы можно было использовать диаграмму излучения одной или обеих антенн для обеспечения избирательности в отношении отраженной(ых) волны (волн). Даже без этого естественного преимущества может оказаться полезным немного наклонить вверх одну или обе антенны для увеличения доступной степени избирательности. Пошаговая процедура заключается в следующем:
Шаг 1: Рассчитать углы между прямой волной и отраженной(ыми) от поверхности волной(ами) на станциях 1 и 2 для соответствующего диапазона значений эффективного коэффициента k, полученных в Шаге 3 в п. 6.1.2.4, по формулам:
. (97)
. (98)
Шаг 2: Оценить потери уровня отраженного от поверхности сигнала (сигналов) относительно прямого сигнала, вносимые избирательностью антенны, из выражения (см. Примечание 1):
, (99)
где a1 и a2 значения ширины луча антенн по половинной мощности.
Если отраженная(ые) от поверхности волна(ы) продвигается(ются) дальше и входит(ят) в пределы половинной ширины луча одной или обеих антенн, соответствующие антенны должны, как правило, иметь наклон вверх примерно на половину ширины луча, так чтобы ввести дополнительную избирательность антенны (см. Примечание 2). Даже если углы прихода волны, отраженной от поверхности, немного выходят за пределы половины ширины луча антенны, небольшой наклон вверх может принести определенную пользу (см. Примечание 2). Общие потери из-за избирательности антенны можно тогда рассчитать из выражения (см. Примечание 1):
, (100)
где t1 и t2 углы наклона антенн вверх.
Шаг 3: На некоторых трассах может оказаться полезным примерно рассчитать или измерить эффективный коэффициент отражения поверхности, с тем чтобы получить общую оценку уровня отражения (отражений) от поверхности в нормальных условиях распространения. Это можно сделать с использованием информации в п. 6.1.2.4. Общие потери уровня волны (волн), отраженной(ых) от поверхности, затем определяются как:
, (101)
где La можно получить из уравнения (99) или (100), в зависимости от ситуации. Хотя эффективный коэффициент отражения поверхности может быть увеличен в условиях поверхностной многолучевости, тем не менее нет необходимости точно или полностью оценивать величину этого коэффициента, с тем чтобы рассчитать соответствующие углы наклона для антенн (см. Шаг 5).
Шаг 4: Если одна или обе антенны имеют наклон вверх, то соответствующие потери по уровню для прямой волны в нормальных условиях распространения (k = 4/3) определяются из формулы (см. Примечание 1):
. (102)
В условиях суперрефракции или субрефракции величину Ld (k) можно рассчитать из уравнения (см. Примечание 1):
, (103)
где угол прихода прямого сигнала определяется приблизительно по формуле (см. Примечание 2):
. (104)
Шаг 5: Максимальную возможную глубину замираний в нормальных условиях распространения (k 4/3) в результате действия ослабляющей (деструктивной) интерференции между прямым и отраженным от поверхности сигналами можно вычислить по формуле:
, (105)
где Ld определяется из уравнения (102), а Ls из уравнения (101) (см. Примечание 2). В условиях суперрефракции или субрефракции, в которых прямой сигнал также испытывает дополнительные потери 0,5Ladd (например, из-за расширения луча в условиях суперрефракции), а отраженный от поверхности сигнал получает усиление 0,5Ladd, максимальная возможная глубина замираний задается по формуле:
, (106)
где Ld определяется из уравнения (103), а Ls из уравнения (101) (см. Примечание 2).
Углы наклона антенн могут быть оптимизированы для сведения к минимуму замираний, или амплитудных искажений из-за поверхностной многолучевости, или сочетания этих двух эффектов. Оптимизацию с целью сведения к минимуму замираний можно осуществить посредством подстановки значения Ladd в уравнении (106) таким образом, чтобы Ld было меньше, чем Ls при k ∞ (на практике может быть выбрана большая величина k, например k 1 109) примерно на 0,3 дБ, и минимизации Amax путем подбора углов наклона. В качестве альтернативы, значение eff в уравнении (101) можно установить равным значению, приближающемуся к 1,0 или более, так чтобы получить ту же самую разность примерно в 0,3 дБ (см. Примечание 2), а затем провести оптимизацию. При этом исключается ситуация, когда значение eff неизвестно. Запас на потери из-за замираний для такого подхода составляет величину в диапазоне 2,54 дБ.
Оптимизацию с целью сведения к минимуму амплитудных искажений из-за поверхностной многолучевости можно осуществить за счет еще большего увеличения углов наклона до тех пор, пока относительная избирательность антенны по отношению к отраженной от поверхности волне (волнам) не достигнет максимума. Это будет выполнено, когда различие в величине избирательности между прямой и отраженной от поверхности волнами станет максимальным. Однако для точной оптимизации углов наклона для борьбы с искажениями из-за поверхностной многолучевости должны быть доступны диаграммы направленности антенны, так как модель согласно уравнению (100) является менее точной за пределами половины ширины лепестков антенн, особенно когда достигается край главного лепестка (см. Примечание 1). Поскольку оптимизация для снижения амплитудных искажений осуществляется на фоне дополнительного запаса на потери из-за амплитудных замираний, рекомендуется, чтобы углы наклона, полученные при оптимизации в отношении замираний, были увеличены в тех же пропорциях, пока не будет достигнут максимальный запас на потери из-за замираний примерно равный 6 дБ. Хотя результирующие углы наклона менее оптимальны для борьбы с самим замиранием, увеличение глубины замирания составляет лишь доли децибела (см. Примечание 3).
Следует отметить, что оптимальная избирательность по отношению к поверхностной многолучевости за счет увеличения угла наклона антенны вверх будет также способствовать повышению избирательности в отношении атмосферной многолучевости (см. Примечание 4).
ПРИМЕЧАНИЕ 1. Эта гауссова аппроксимация луча наиболее точная в пределах ширины лепестков антенн. За пределами ширины лепестков, если желательно получить более точную оценку, можно использовать реальные диаграммы направленности. Это особенно важно при приближении к краю главного лепестка.
ПРИМЕЧАНИЕ 2. Увеличение угла наклона антенн в направлении вверх желательно для улучшения эксплуатационных характеристик в условиях замираний из-за поверхностной многолучевости, независимо от уровня волны (волн), отраженной(ых) от поверхности в нормальных условиях распространения (т. е. k 4/3). Целью оптимизации для сведения к минимуму замираний является уменьшение уровня волны (волн), отраженной от поверхности, на более значительную величину по сравнению с прямой волной, тогда как снижение уровня последней достаточно лишь, для того чтобы уменьшить до минимума общую глубину замираний. Целью оптимизации для сведения к минимуму амплитудных искажений является максимальное повышение относительной разности между амплитудами прямой волны и волны (волн), отраженной(ых) от поверхности, за счет небольшого увеличения максимальной глубины замираний. Обе эти цели могут быть достигнуты путем перемещения угла прихода волны (волн), отраженной(ых) от поверхности, в точки на диаграммах направленности антенн, где они (диаграммы) более крутые. При необходимости, снижение запаса на амплитудные замирания в нормальных условиях распространения в результате снижения избирательности антенны в направлении прямой волны при увеличении угла наклона вверх может быть компенсировано за счет увеличения размеров антенн.
Углы наклона антенны для минимизации влияния отражения(й) от поверхности в нормальных условиях распространения будут меняться в зависимости от геометрии трассы, значений ширины лепестка антенны и относительного уровня поверхностного отражения(й). Хотя чем больше ширина лепестка, тем больше требуется угол наклона для получения нужного эффекта в нормальных условиях распространения, соответствующее отношение угла наклона к ширине лепестка будет уменьшаться при увеличении ширины лепестка.
Углы наклона антенны для минимизации влияния поверхностного отражения(й) в условиях поверхностной многолучевости будут больше соответствующих углов для нормальных условий распространения, и обычно должны выбираться именно эти углы. Когда экстремальный слой, например волновод, вызывает потери уровня прямого сигнала из-за расширения пучка, возрастает вероятность того, что одновременно увеличится уровень отраженного от поверхности сигнала(ов) и в результате появятся значительные замирания из-за многолучевости. Это будет сопровождаться увеличением искажений при распространении.
С целью выбора соответствующих углов наклона для минимизации глубины замираний на основе уравнения (106), может быть выполнена имитация способом, описанным в Шаге 5. (Независимо от того, выбираются ли потери Ld и Ls с целью сближения друг с другом в пределах 0,3 дБ путем изменения одной величины или другой, или обеих одновременно, по-видимому, это не самый важный фактор для получения результата.) Оптимальные углы наклона будут изменяться в зависимости от углов прихода волн, отраженных от поверхности, как определено в уравнениях (97) и (98). Бóльшие углы наклона антенны соответствуют большему углу поверхностного отражения от этой антенны. Как отмечалось ранее, типичное снижение запаса для оптимальных углов наклона лежит в диапазоне 2,5–4 дБ. В любом случае при увеличении размеров антенн для компенсации снижения запаса на амплитудные замирания должна выполняться другая оптимизация для определения новых оптимальных углов наклона.
Как уже отмечалось, оптимизации для сведения к минимуму амплитудных искажений должно предшествовать выполнение шага по минимизации замираний и увеличению углов наклона в равных пропорциях. Использование одного или другого набора углов наклона или какого-то промежуточного варианта будет зависеть от системных соображений (см. Примечание 3).
Следует отметить, что в условиях поверхностной многолучевости происходит некоторое восстановление потерь избирательности антенны в направлении наибольшего по уровню луча (обычно прямой волны) в результате наклона антенны; это обусловлено тем фактом, что этот луч стремится иметь положительный угол прихода.
ПРИМЕЧАНИЕ 3. – Если увеличения размера антенны можно избежать путем оптимизации углов наклона антенны для сведения к минимуму наибольшей глубины замирания (с сопутствующим снижением запаса на амплитудное замирание порядка 2,5–4 дБ), то это могло бы быть наилучшей альтернативой. С другой стороны, если оптимизация углов наклона для сведения к минимуму амплитудных искажений улучшит в достаточной степени эксплуатационные характеристики, чтобы избежать использования разнесения, то это также могло бы стать наилучшей альтернативой. Выбор будет зависеть от качества выравнивания, используемого в системе. Третьей альтернативой был бы выбор углов наклона антенны, что приведет к снижению запаса на амплитудное замирание где-то между крайними значениями 2,54 дБ и примерно 6 дБ. Необходимо отметить, что при оптимизации в целях сведения к минимуму искажений имеет место лишь небольшое отклонение от оптимального условия замираний (т. е. минимальной глубины замираний).
ПРИМЕЧАНИЕ 4. – Как анализ путем отслеживания траектории лучей, так и широкие экспериментальные измерения углов прихода и амплитуд трех наибольших по уровню возникших в результате многолучевости волн показывают, что волна, созданная в результате атмосферной многолучевости, с более высоким углом прихода имеет тенденцию быть большей по уровню, чем вторая по уровню волна из указанных трех волн. Это означает, что пока антенны устанавливаются с углами наклона вверх, превышающими этот больший из двух углов прихода (обычно менее 0,3° для длин трасс в диапазоне 3151 км), избирательность антенны в отношении атмосферной многолучевости также увеличится. Таким образом, оптимальный наклон луча антенны должен, как правило, основываться на сведении к минимуму влияния поверхностной многолучевости.
6.1.3 Уменьшение просвета трассы
Другой метод, который не вполне понятен или не определен количественно, как другие методы, заключается в уменьшении просвета трассы, с тем чтобы обеспечить прогнозируемую величину потерь из-за дифракции, по крайней мере, в условиях субрефракции. Считается, что этот метод в основном работает за счет:
– уменьшения вероятности и/или серьезности потерь из-за расширения луча, которые несет прямая волна из-за влияния экстремального слоя (такого как волновод) возникающего непосредственно ниже или частично ниже полной длины трассы (метод согласно стратегии A);
– одновременного снижения вероятности того, что один и тот же слой будет усиливать поверхностные отражения (метод согласно стратегии B).
Это, в свою очередь, снижает вероятность того, что прямая волна будет объединяться деструктивно с одним или несколькими поверхностными отражениями, вызывая сильные частотно-избирательные замирания.
Еще один способ, с помощью которого, как предполагается, работает данный метод, заключается в том, что задержки между прямой волной и волной(ами), отраженной(ыми) от поверхности, уменьшаются, если экстремальный слой, вызывающий расширение луча прямой волны, лишь частично расположен ниже трассы (т. е. стратегия C). В результате это приводит к более слабым частотно-избирательным замираниям, чем в случае, если бы данный слой полностью располагался ниже трассы.
Этот метод требует нахождения компромисса между уменьшением влияния замираний из-за поверхностной многолучевости, с одной стороны, и увеличением замираний вследствие потерь на дифракцию в условиях субрефракции, с другой стороны. Правило просвета трассы в п. 2.2.2.1 имеет целью избежать потерь на дифракцию в нормальных условиях рефракции (т. е. медианный эффективный коэффициент k), но разрешить потери на дифракцию величиной примерно 6 дБ в условиях, соответствующих ke (99,9%). В принципе, для систем с достаточно большими запасами на амплитудные замирания могут быть допущены более значительные величины потерь на дифракцию как в нормальных условиях, так и в условиях субрефракции.
Данный метод наиболее целесообразно использовать на трассах с небольшим наклоном или при отсутствии наклона. Однако даже на трассах с определенным наклоном может оказаться полезным уменьшить просвет трассы для дополнительного снижения влияния поверхностной многолучевости.
Этот метод безопаснее применять к более низким антеннам в конфигурации с пространственным разнесением, и он рекомендуется к использованию как нечто само собой разумеющееся в методике, представленной в п. 6.2.1.
<предыдущая страница | следующая страница>