автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Разработка методов исследования характеристик атмосферного канала телекоммуникационных систем с узкими пучками миллиметровых волн

УДК 621.396

На правах рукописи

Корбаков Денис Александрович

Разработка методов исследования характеристик атмосферного канала телекоммуникационных систем с узкими пучками миллиметровых волн.

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005

Работа выполнена в Московском Государственном Техническом Университете им. Н. Э. Баумана и Институте радиотехники и электроники РАН

Научный руководитель - Андреев Герман Андреевич, доктор технических

наук, профессор.

Официальные оппоненты: Лукип Дмитрий Сергеевич, доктор физико-

математических наук, профессор.

Ахияров Владимир Влерович,

кандидат технических наук, вед. науч. сотр.

Ведущая организация - ФГУП НГЩ «Вигстар»

Защита состоится «_» сентября 2005 г. в_часов на заседании Диссертационного совета Д 223.011.02 в Московском государственном техническом университете гражданской авиации (МГТУ ГА) по адресу: 125838, Москва, Кронштадтский бульвар, д.20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ ГА. Автореферат разослан «_»_2005 г.

Ученый секретарь J tAk^s

диссертационного совета jsAflfC ^ к.т.н., доц. Попов А. С.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время наблюдается тенденция использования миллиметровых волн (ММВ) в атмосферных радиолиниях различных цифровых систем передачи информации. Перспективность применения ММВ в атмосферных радиоканалах обусловлена многими преимуществами этого диапазона по сравнению с сантиметровым (СМ) и дециметровым (ДМ), особенно возможностью формирования узких пучков передачи и приема излучения с угловой шириной несколько градусов и с коэффициентами усиления 30...40 дБ при малых апертурах приемных антенн (0.2...0.5 м). В условиях насыщенности электромагнитного спектра в диапазонах ДМ и СМ волн использование ММВ эффективно решает проблему электромагнитной совместимости с радиосистемами ДМ и СМ диапазонов волн. Неоспоримыми преимуществами применения ММВ в системах связи являются, такие факторы как увеличение объема и скорости передачи информации, высокое усиление антенн при малой их апертуре, что позволяет снизить требования к мощности передатчика при сохранении энергетических характеристик.

Современные достижения в области создания полупроводниковой элементной базы и, прежде всего, интегральной схемотехники высоких функциональных возможностей, позволяют создавать аппаратуру радиосвязи ММВ для самых разных областей применения:

• Спутниковая связь - узкие диаграммы направленности антенн на ММВ способствуют повышению скрытности связи и подавлению интерференционных помех, а большой коэффициент усиления позволяет уменьшать мощность передатчика и улучшать массогабаритные характеристики радиоаппаратуры спутника. Применение узконаправленных многолучевых бортовых антенн позволяет осуществлять коммутацию линий спутнико-

вой связи, а также увеличивать надежность связи при плохих погодных условиях за счет разнесенного приема.

• Бортовые линии связи и передачи информации - обеспечение высокой скорости передачи информации, а также высокая надежность связи при малых весах и габаритах бортового передающего устройства и антенной системы.

• Наземные телекоммуникационные системы - организация микросотовых и пикосотовых линий передачи информации, беспроводного доступа в Интернет, функционирование мобильных систем связи в городских условиях, при реализации следующих преимуществ:

1. Применение узконаправленных пучков излучения с экологически безопасными уровнями мощности.

2. Использование большого числа информационных каналов с частотным, временным и пространственным разделением, в то время как более широкое применение диапазонов дециметровых и метровых радиоволн в системах городской связи создает трудности при конструировании приемопередающих и антен-но-волноводных систем, увеличивает уровень взаимных электромагнитных помех и ограничивает полосу передаваемых частот, что приводит к росту искажений при передаче информации, а так же к многопутевости (многолучевости).

3. Возможности оперативного изменения пространственной конфигурации трассы, электронного переключения между пользователями.

4. Высокая компактность оборудования, удобство его установки и настройки.

При функционировании современных телекоммуникационных систем в условиях города и пригорода часто возникают следующие ситуации:

• Приемная антенна пользователя часто оказывается затененной как зданиями, так и естественными препятствиями (лесные массивы, холмы и др.). Это обусловлено тем, что современные системы связи дециметрового диапазона не работают без ретрансляторов в зонах тени из-за дифракционного ослабления до 30 дБ.

• При распространении узких пучков миллиметровых волн над подстилающем покровом, вблизи зданий и других отражающих объектов наблюдаются интерференционные замирания, что приводит к искажению передаваемого сигнала. Для неискаженной передачи необходимо чтобы выполнялось следующее условие: ДПС <ДО05 = 2л • Р05, где интервал частотной корреляции (когерентности), т.е. полоса сигнала должна быть меньше чем полоса частотной когерентности приемной системы.

Несмотря на действующие атмосферные радиолинии ММВ и теорию распространения радиоволн вдоль земной поверхности в настоящее время не существует достаточно обоснованных математических моделей расчета полей направленных пучков радиоволн при приеме сигнала ММВ (с частотами от 30 ГГц и выше) на стационарные и мобильные терминалы в условиях мешающих отражений в различных городских и пригородных "сценариях" распространения (в т.ч. принятых в качестве стандартных Европейским институтом стандартов радиосвязи). Существующие модели, как правило, не учитывают особенностей распространения и приема пучков миллиметрового диапазона и применимы, в основном, для систем дециметрового диапазона с их всенаправ-ленными приемом и передачей.

Цель и задачи диссертации. Исходя из вышесказанного, в настоящее время является актуальным теоретическое и экспериментальное изучение особенностей функционирования телекоммуникационных систем с узкими пучками ММВ. Целью настоящей работы являлось разработка и реализация спектрального мето-

3

да решения задач распространения, дифракции и отражения узких радиопучков ММВ для установления характеристик атмосферного канала телекоммуникационных систем.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• разработан спектральный метод решения задач распространения, дифракции и отражения узких радиопучков ММВ.

• осуществлено математическое описание амплитуды, фазы и расходимости ограниченного гауссова пучка с пьедесталом ММВ, распространяющегося в свободном пространстве.

• установлена теоретическая функция усиления дифракционного поля в зависимости от безразмерного параметра просвета и затенения относительно поля сферической волны в свободном пространстве и экспериментальная проверка модели.

• выявлена зависимость глубины интерференционных замираний от параметров узкого пучка, высоты антенн, дальности трассы при распространении вблизи подстилающего земного покрова и сопоставление теоретической модели с экспериментальными данными.

• определена полоса частотной когерентности приемной системы при многопутевом распространении узких пучков ММВ.

• произведена оценка энергетического потенциала атмосферной радиолинии цифровой телекоммуникационной системы передачи информации в зависимости от дальности связи, скорости передачи информации, характеристик и параметров передатчика и приемника, антенн, потерь из-за сферической расходимости радиоволны, поглощения газами атмосферы, ослабления дождями;

Методы исследования. Были использованы методы современной теории распространения, дифракции и отражения радиоволн, обработки сигналов, численного моделирования алгоритмов статистической радиотехники. 4

Научная новизна состоит в разработке совокупности методов, алгоритмов и их реализации в виде компьютерных моделей, позволяющих исследовать дифракцию и отражение узких пучков ММВ при распространении в свободном пространстве и городских условиях и их экспериментальное подтверждение. Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

• Спектральный метод решения задач распространения, дифракции и отражения узких радиопучков ММВ.

• Аналитические соотношения для амплитуды и фазы узкого пучка ММВ при наблюдении в геометрооптической, переходной (Френеля) и дальней (волновой) зонах, полученные спектральным методом Рэлея.

• Математическое описание дифракции пучка ММВ на затеняющем препятствии.

• Математическая модель интерференционных замираний пучка ММВ.

• Функция частотной когерентности приемной телекоммуникационной системы.

Практическая значимость. Практическое значение полученных результатов состоит в следующем.

1) Полученные спектральным методом выражения для комплексных амплитуд дают возможность производить расчеты по алгоритму быстрого преобразования Фурье (БПФ) с существенной экономией вычислительного времени.

2) Математические модели позволяют оценить возможность передачи информации на затененных трассах и прогнозировать интерференционные замирания в телекоммуникационных системах.

3) Разработанное программное обеспечение и предложенная методика позволяет исследовать возможности передачи информации телекоммуникационными системами с узкими пучками миллиметрового диапазона волн. Достоверность полученных автором результатов.

Достоверность математической модели характеристик атмосферного канала телекоммуникационных систем с узкими пучками миллиметровых волн подтверждается результатами численного моделирования и данными натурных экспериментов. При этом численная модель, составленная в пакете "MathCAD", является имитационной. Модель работоспособна для широкого диапазона значений большинства ее параметров.

Реализация результатов исследования. Результаты диссертационной работы включены в отчеты по НИР «Таннин», «Tac», «Илия», а также используются в учебном процессе кафедры СМ-5 МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены на IV международной конференции молодых ученых "Wave electronics and its application in the telecommunication systems" (28-31 мая, 2001, г. С.-Петербург); LVT научной сессии НТОРЭС им. А. С. Попова, посвященной дню радио, (16-17 мая, 2001, г. Москва); IV и VI международной научно-технической конференции "Перспективные технологии в средствах передачи информации- ПТСПИ" (15-17 августа, 2001-2003, г. Владимир- Суздаль); Всероссийской школе-конференции по дифракции и распространению волн (19-23 декабря, 2001, г. Москва); XX Всероссийской конференции по распространению радиоволн (2- 4 июля 2002, г. Нижний Новгород); 2-nd IEEE international conference on circuit and systems for communication (30 июня-2 июля, 2004, г. Москва).

Работа была поддержана грантами федеральной целевой программой «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки», направление: «1.5. Поддержка обучения и стажировок наиболее способных студентов и аспирантов в российских научных школах мирового уровня» (контракт №4, 2001); конкурса молодых ученых, аспирантов и студентов (конкурс МАС-2002, МАС-2003), отделение: «Создание и развитие информационных, вычислительных и телекоммуникационных ресурсов (02-07-06053, 2002, 03-0706094, 2003)»; федеральной целевой программой «Интеграция науки и высшего 6

образования России на 2002 - 2006 годы», направление: «1.2. Использование потенциала ведущих научных и научно-технических центров страны для стажировки молодых исследователей, аспирантов и докторантов высших учебных заведений» (контракт №34365,2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, четырех Глав, Заключения, списка литературы, включающего 52 наименования и Приложений. Объем диссертации составляет 140 страниц машинописного текста и. содержит 40 рисунков.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Введение содержит актуальность темы диссертации, цель и задачи диссертации, научную новизну. Перечислены методы исследования, основные положения, выносимые на защиту, кратко изложено содержание работы.

В Главе 1 приведено математическое описание амплитуды, фазы и расходимости ограниченного гауссова пучка ММВ, распространяющегося в свободном пространстве.

Показано, что в качестве альтернативы аппроксимации полиномами третьего порядка во избежание последующих громоздких вычислений целесообразно аппроксимировать экспериментальное распределение амплитуды поля по апертуре параболической антенны, конического рупора и зонированной линзы, ограниченным гауссовым пучком на пьедестале в виде:

Е(0,р)= Е0ехр

( Рг \АЕъ ехР(-А2),0<.р.<. 1,<р£(0,р,) = 0, (1)

0, р,=р/ре> 1.

„7 V Ре 7

Зависимость комплексной амплитуды Е(х,р) поля узкого пучка в приближении Френеля была получена как решение волнового уравнения по Релею в виде преобразования Фурье-Бесселя произведения углового спектра £(») пло-

ских волн, комплексной амплитуды поля Е(х, 0) на апертуре антенны и угловой частотной характеристики К(х,и) слоя свободного пространства трассы в виде:

£(*,/>)=-7- ¡Ё(и)К(х,и)и^(ир)с1и

о

где в приближении Френеля К(х,,

(2)

(3)

Зависимость от расстояния х нормированной амплитуды А(х, 0) на оси пучка получается из (2) при р = 0 как модуль преобразования Френеля углового спектра в виде:

2 \ .и X

и ¿и

(4)

На рис. 1 приведена зависимость от расстояния х амплитуды |Л(*,0)( ограниченного гауссова пучка в геомстрооптической, френелевской и на начальном участке волновой зоны при рь=0.11 ми Х-7.5 10-3 м.

Мл 01 лВ

Рис 1 Зависимость от расстояния х амплитуды Л(х, 0) ограниченного гауссова пучка в геометрооптической, френелевской и на начальном участке волновой зоны.

Кривая на рис.1 иллюстрирует границу перехода от осциллирующей зоны

Френеля 0,\<Р = —<1 к волновой зоне Р>I (Р- волновой параметр), где за-Р.

висимость амплитуды на оси пучка обратно пропорциональна расстоянию .г как у направленной сферической волны.

Излучение параболической антенны с апертурой Ро = ре и с распределением амплитуды в виде коллимированного гауссова пучка обусловлено, в основном, кругом с радиусом первой зоны Френеля р1 = ^^ на апертуре

Рй = ре антенны. В волновой зоне комплексная амплитуда гауссова пучка описывается выражением:

Е{х,р)--

Г .2 V]

Е0ехI - —г—------ ¡кх

-

(5)

(1 + 1/))

Амплитуда А(х,р) может быть получена как модуль комплексной функции

(5) и определена по соотношению А(х, р) =---в виде:

¿о

А{х,р)--

л4\+Ъ2

а фаза в форме:

ехр

<Рг{х,р) = кх+

Ор2 _ , п

—-—г—агсгви ~ кх--

Л2(1 + £»2) 5 2

(6)

(7)

где £> = —- =--число Френеля передающей апертуры.

щ>. К

В дальней (волновой) зоне применимы выражения (6), (7). В переходной (френелевской) зоне из-за 1>-1 вычисление углового спектра на интервале ре[0,1] и амплитуда поля определяется численным методом.

Из формулы (5) после преобразования комплексной амплитуды в виде Е{х, р) = \Е(х,р)\ ехр(г>,) получено выражение:

Л(х,р) =

(8)

Как следует из соотношения (8), в отличие от нормированной амплитуды сферической волны амплитуда ограниченного гауссова пучка в волновой зоне увеличивается на коэффициент усиления С0 антенны на оси пучка (*,0) в плоскости х, р и уменьшается в соответствии с гауссовой функцией по мере отклонения по оси р (или угла 9) от оси х.

Учитывая, что для узкого параксиального (приосевого) пучка в малоугловом приближении р/х*9 аргумент экспоненциальной зависимости амплитуды (5) может быть представлен как функция угла 9, т.е. описываться диаграммой направленности передающей антенны

В Главе 2 изложена теория и экспериментальная проверка дифракции узкого пучка миллиметровых волн в зоне тени клинообразного препятствия.

Предложен математический метод описания дифракции узкого пучка мм-волн в зоне глубокой геометрической тени препятствия с использованием принципа Бабине: комплексная амплитуда дифракционного поля определялась как разность между комплексной амплитудой излучения антенны в свободном про-

/4,9) = ехр--^

2

(9)

где:

Я

яре

странстве и комплексной амплитудой, соответствующей излучению затеняющего силуэта (препятствия) как апертуры.

Комплексная амплитуда поля в плоскости апертуры приемной антенны описывается выражением:

я 1

Ег(х,р,(х)) = С0,Са,Г(&,)Г(ЭгУ

ехр| А кх—

Ах

к{&<2(х)У

лМ

1+1-

|ехр (/яргр,2(х))ар.

ргех\

(х)

(10)

Для проверки теоретической модели на базе Воронежского научно-исследовательского института связи (ВНИИС) были проведены эксперименты по передаче информации на закрытых трассах.

В качестве приемопередатчика использовалась телекоммуникационная система семейства «ЛУЧ», имеющая следующие технические характеристики: Х=8 мм, р(г=0,05 м, Со=30 дБ. Результаты представлены на рис.2

^'йт

(а)

(б)

Рис.2 Сплошная линия - теоретическая модель функции усиления гауссова пучка, вычисленной по формуле (9), точки - экспериментальные данные.

Также для апробации модели были использованы данные экспериментов, полученные Институтом радиотехники и электроники РАН и Вирджинским политехническим Университетом (США).

Экспериментальные данные, полученные в натурных условиях, хорошо согласуются с данньми моделирования и подтверждают усиление дифракционного поля узкого пучка мм-волн в зоне тени препятствия.

В Главе 3 приведена математическая модель интерференционных замираний узкого гауссова пучка миллиметровых волн на пьедестале, распространяющегося вблизи подстилающего земного покрова. Показано, что данная модель применима для прогнозирования замираний в телекоммуникационных системах, работающих вблизи подстилающего покрова. Выполнены расчеты для опубликованных интерференционных замираний при распространении пучка миллиметровых волн вблизи асфальтовой дороги на несущей частоте 28.5 ГГц на расстоянии до 1600 м (рис.3).

В{х\дБ

1 1 1 ; 1 1 1

Ч _ '"Ч 1 1 1 |

! 1 1

о 30» 440 «И 000 МОО 1ЭЮ 1400 юю

Рис.3 Модуль нормированной комплексной амплитуды суперпочиции прямого и отраженного пучков на выходе приемной антенны.

Глава 4 посвящена оценке коэффициента и полосы частотной когерентности атмосферного радиоканала телекоммуникационной системы с многопутевым распространением функционирующей в городских условиях.

Показано, что при функционировании телекоммуникационных систем миллиметрового диапазона длин волн в условиях города выходной сигнал представляет совокупность пучков, запаздывающих по разным путям относительно прямого пучка. Из-за интерференции у пары (отраженный и сигнал прямой видимости) наблюдаются замирания. Для неискаженной передачи сигнала мобильной телекоммуникационной системой необходимо чтобы выполнялось следующее условие: Д£2С <ДПо5 =2x-F05, где F0 5- интервал частотной корреляции (когерентности) атмосферного радиоканала, т.е. полоса сигнала должна быть меньше чем полоса частотной когерентности радиоканала.

Для расчета атмосферного радиоканала с многопутевым распространением, использовалась типичная схема межтранспортной мобильной связи Европейского проекта "PROMETEUS", США - "PATH (Partners for Advanced Transit and Highway)" и Японии- "RACS (Road Automobile Communication Systems)".

Показано, что в отличие от метрового и дециметрового диапазонов длин волн, где профиль многопутевого распространения, из-за наличия большого числа сигналов рассеянных тропосферой и ионосферой, строится на применении законов распределения многопутевого сигнала Рэлея, Райса, Накагами. В миллиметровом диапазоне из-за малого числа нефлуктуирующих отражателей рассматриваемые замирания по вероятностным свойствам существенно отличаются от замираний метрового и дециметрового диапазонов. В связи с вышеуказанной спецификой распространения узконаправленных пучков (пучки могут быть выделены отражениями от дискретных рассеивателей, такими, как: асфальтовая дорога, бетонная стена, автомобиль и т.д.), распространение радиоволн можно описать с использованием модели интерференционных замираний, предложенной во второй главе диссертации.

Функция частотной когерентности представляет Фурье-

преобразование зависимости средней мощности запаздывающих пучков как функции времени запаздывания, поэтому по зависимости средней мощности на выходе приемной антенны получены коэффициент и полоса частотной когерентности атмосферного радиоканала с многопутевым распространением. Полоса когерентности составила около 2.3 ГГц, что обеспечивает неискаженную пакетную передачу информации.

Рис. 4 Коэффициент частотной когерентности (корреляции).

Заключение содержит основные результаты и выводы.

В Приложениях представлены использованные методы статистической теории передачи информации и методы теории распространения радиоволн, которые применялись при подготовке диссертации, а также некоторые промежуточные расчеты и исследования, которые в виду их «громоздкости» было целесообразно поместить именно в Приложения.

В завершении диссертации прилагаются копии Актов о внедрении, подтверждающие использование результатов диссертации в ряде НИР.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные и представленные в данной работе результаты расширяют представление об использовании миллиметровых волн в приемопередающих системах. Результаты и рекомендации могут быть использованы при расчете и построении стационарных и мобильных наземных телекоммуникационных систем. В соответствии с целью диссертации и поставленными задачами получены следующие основные результаты.

1. Разработан спектральный метод решения задач распространения, дифракции и отражения узких радиопучков ММВ.

2. Во френелевском (квазиоптическом) приближении с использованием углового спектра распределения комплексной амплитуды на ограниченной апертуре передающей антенны и частотной характеристики среды распространения получено интегральное выражение и исследованы зависимости амплитуды и фазы от расстояния, волнового параметра.

3. Предложено математическое описание дифракции узкого пучка мм-волн в зоне глубокой геометрической тени препятствия с использованием принципа Бабине: комплексная амплитуда дифракционного поля определялась как разность между комплексной амплитудой излучения антенны в свободном пространстве и комплексной амплитудой, соответствующей излучению затеняющего силуэта (препятствия) как апертуры.

4. Предложена математическая модель интерференционных замираний узкого гауссова пучка миллиметровых волн на пьедестале, распространяющегося вблизи подешлающего земного покрова.

Основные выводы, сделанные на основе полученных результатов, следующие.

• Аппроксимация распределения комплексной амплитуды коллимирован-ным гауссовым пучком с пьедесталом согласуется с экспериментальными данными.

• Подтверждено усиление дифракционного поля узкого пучка мм-волн в зоне тени препятствия.

• Двухпучковую структуру интерференционных замираний удобно описывать во Френелевском (малоугловом) приближении.

• Математическая модель интерференционных замираний может быть использована для прогнозирования замираний в телекоммуникационных системах, работающих вблизи подстилающего покрова, а также для моделирования многопутевого распространения радиоволн миллиметрового диапазона.

• Установлены зависимости комплексной амплитуды прямого и отраженных запаздывающих пучков асфальтовой дорогой, бетонным ограждением, автомобилем и средняя мощность их суперпозиции. По зависимости средней мощности на выходе приемной антенны и согласованного фильтра получены коэффициент и полоса частотной когерентности атмосферного радиоканала с многопутевым распространением.

По теме диссертации имеются следующие труды

1. Andreev G.A., Korbakov D.A. Propogation of the LASER beam Field Upon Fres-nel zone in troposphere. // Тезисы докладов IV International Conference for Young Researchers "Wave electronics and its application in the telecommunication systems", 28-31 May, 2001 St. Peterburg, p.38.

2. Андреев Г.А., Корбаков Д.А. Дифракция пучка ММВ на крыше и углу здания. // Труды LVI Научной сессии, посвященной дню радио, Москва-2001, т. II, с. 242, Издательское предприятие редакции журнала «Радиотехника».

3. Андреев Г.А., Корбаков Д.А. Поле пучка ММВ во френелевской зоне. // Труды LVI Научной сессии, посвященной дню радио, Москва-2001, т. II, с. 240, Издательское предприятие редакции журнала «Радиотехника».

4. Андреев Г.А., Корбаков Д.А. Дифракция пучка ММВ на здании. // Труды IV международной научно-технической конференции "Перспективные технологии в средствах передачи информации- ПТСПИ'2001", 15-17 августа, Владимир- Суздаль, 2001, с. 34, Изд. ВООО ВОИ ПУ «РОСТ».

5. Андреев Г.А., Корбаков Д.А. Характеристики радиоканала наземной межтранспортной телекоммуникационной системы ММВ. // Труды XII Всероссийской школы-конференции по дифракции и распространению волн, Москва 19-23 декабря 2001, с. 460, Изд. Московский физико-технический институт (государственный университет).

6. Андреев Г.А., Корбаков Д.А. Многопутевое распространение пучка ММВ в городских и пригородных условиях. // Труды XX Всероссийской конференции по распространению радиоволн, Нижний Новгород, 2- 4 июля 2002, с.217, Изд. Научно- исследовательский радиофизический институт.

7. Андреев Г.А., Корбаков Д.А. Интерференционные замирания узкого пучка ММ-волн, распространяющегося вблизи подстилающего покрова.// Труды VI международной научно-технической конференции "Перспективные технологии в средствах передачи информации- ПТСПИ'2003", 15-17 августа, Владимир- Суздаль, 2003, с. 34, Изд. ВООО ВОИ ПУ «РОСТ».

8. Andreyev G.A., Korbakov D.A. «The interference fading of the millimeter waves in terrestrial telecommunication systems». // 2nd ICCSC 2004, file: 80.pdf, June 30 - July 2, 2004, Moscow, Russia.

Андреев Г.А., Корбаков Д.А. «Интерференционные замирания узкого пучка миллиметровых волн при распространении вблизи подстилающего земного покрова». // Радиотехника и электроника, 2005, т.50, №5, с. 564-570.

Лицензия М-020056 от 22/11/96 I. Подписано в печать 01/07/05 г. Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная. Печ. л. 1,0

Тираж 50 экз. Отпечатано ООО «Риза», МО, г. Коломна, ул. Астахова, 25 Тел.: 18-43-39. Лиц. ПЛД № 53-507

í

f

ЦМ70 96

РНБ Русский фонд

2006-4 14932

Введение.

Глава 1. Спектральный метод. Комплексная амплитуда узкого пучка миллиметровых волн.

1.1. Постановка задачи.

1.2. Метод Кирхгофа.

1.3. Спектральный метод.

1.4. Эволюция параметров гауссова пучка при распространении в невозмущённой тропосфере.+.

1.5. Выводы.

Глава 2. Дифракция узкого пучка миллиметровых волн в зоне тени клинообразного препятствия.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Математическая модель дифракции пучка миллиметровых волн.

2.3. Результаты моделирования и сопоставление модели с экспериментальными данными.

2.4. Дифракционное поле миллиметровых волн при загоризонтном положении низколетящих искусственных спутников Земли.

2.5. Выводы.

Глава 3. Интерференционные замирания узкого пучка миллиметровых волн при распространении вблизи подстилающего покрова.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Интерференционные замирания.

3.3. Выводы.

Глава 4. Частотная когерентность атмосферного радиоканала мобильной наземной телекоммуникационной системы миллиметровых волн.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Функция частотной когерентности.

4.3. Энергетический потенциал атмосферной радиолинии.{.

4.4. Выводы.

Актуальность темы. По российской классификации радиоволны с крайне высокими частотами (КВЧ) от 30 до 300 ГТц (длины волн (101)-103 м) относят к диапазону миллиметровых волн (ММВ).

В зарубежной классификации интервал частот 30.300 ГТц и 1. 18 ГТц разделяется на диапазоны:

Таблица 1.1

Диапазон Интервал частот, ГГц Длины волн, 10"J м Полоса частот, ГТц

Ка 27-40 11,1-7,5 13

V 40-75 7,5-4,0 35 < »

W 75-100 4,0-2,72 35

ММ 110-300 2,75 -1 190

L 1-2 300-150 1

S 2-4 150-75 2 с 4-8 75-37,5 4

X 8-12 37,5-25 4

Ки 12-18 25-16,7 6

Интерес к ММВ возник сразу же, как только стали известны опыты v

Герца. В России первые опыты генерации излучения на волне 0,6-10~3 м были осуществлены в Московском университете П.Н. Лебедевым в 1895 г., Гла-гольевой-Аркадьевой в 1924 г. в диапазоне от 0,129 мм до 5 см.

Однако трудности в создании элементов устройств на ММВ с одной стороны и значительные успехи в освоении волн декаметрового, метрового и дециметрового диапазонов с другой стороны уменьшили в то время внимание и заинтересованность в использовании ММВ в зародившихся в двадцатые годы наиболее важных и перспективных отраслях: радиосвязи, радиолокации, радиоуправлении, навигации и т.д. Для названных применений до сих пор остаются актуальными проблемы, особенно взаимодействия ММВ при распространении с газами атмосферы, отражения и рассеяния подстилающими земными покровами, объектами, эффекты дифракции и многие другие.

Существенный приоритетный вклад в теории тропосферного распространения, отражения и рассеяния декаметрового и метрового диапазона радиоволн подстилающими покровами внесли труды Российских ученых: Ввеt денский Б.А. (1934 г.), Щукин А.Н. (1940 г.), Исакович М.А. (1952 г.), Арен-берг Г.А. (1957 г.), Фейнберг E.JI. (1961 г.) и др.

В наше время с развитием радиосистем спутниковой, наземной и других видов радиосвязи, навигации, локации и радиоуправления почти все участки от L до Ки диапазонов частот оказались загруженными. В результате этого наблюдается тенденция использования миллиметровых волн в атмосферных радиолиниях различных цифровых систем передачи информации. Перспективность применения ММВ в атмосферных радиоканалах обусловлена многими преимуществами этого диапазона по сравнению с сантиметровым (СМ) и дециметровым (ДМ), особенно возможностью формирования узких пучков передачи и приема излучения с угловой шириной насколько градусов и с коэффициентами усиления 30.40 дБ при малых апертурах приемных антенн (0.2.0.5 м). В условиях насыщенности электромагнитного спектра в диапазонах дециметровых (ДМВ) и сантиметровых (СМВ) волн использование ММВ эффективно решает проблему электромагнитной совместимости с радиосистемами ДМ и СМ диапазонов волн. Неоспоримыми преимуществами применения ММВ в системах связи являются, такие факторы как увеличение объема и скорости передачи информации, высокое усиление антенн при малой их апертуре, что позволяет снизить требования к мощности передатчика при сохранении энергетических характеристик.

Современные достижения в области создания полупроводниковой элементной базы и, прежде всего, интегральной схемотехники высоких функциональных возможностей, позволяют создавать аппаратуру радиосвязи ММВ для самых разных областей применения:

• Спутниковая связь - узкие диаграммы направленности.антенн на ММВ способствуют повышению скрытности связи и подавлению интерференционных помех, а большой коэффициент усиления позволяет уменьшать мощность передатчика и улучшать массогаба-ритные характеристики радиоаппаратуры спутника. Применение узконаправленных многолучевых бортовых антенн позволяет осуществлять коммутацию линий спутниковой связи, а также увеличивать надежность связи при плохих погодных условиях за счет разнесенного приема.

• Бортовые линии связи и передачи информации — обеспечение высокой скорости передачи информации, а также высокая надежность связи при малых весах и габаритах бортового передающего устройства и антенной системы.

• Наземные телекоммуникационные системы - организация микросотовых и пикосотовых линий передачи информации, беспроводного доступа в Интернет, функционирование мобильных систем связи в городских условиях, при реализации следующих преимуществ:

1. Применение узконаправленных пучков излучения с экологически безопасными уровнями мощности.

2. Использование большого числа информационных каналов с частотным, временным и пространственным разделением, в то время как более широкое применение диапазонов дециметровых и метровых радиоволн в системах городской связи создает трудности при конструировании приемопередающих и антенно-волноводных систем, увеличивает уровень взаимных электромагнитных помех и ограничивает полосу передаваемых частот, что приводит к росту искажений при передаче информации, а так же к многопутевости (многолучевости).

3. Возможности оперативного изменения пространственной конфигурации трассы, электронного переключения между пользователями.

4. Высокая компактность оборудования, удобство его установки и настройки.

При функционировании современных телекоммуникационных систем в условиях города и пригорода часто возникают следующие ситуации: V i

• Приемная антенна пользователя часто оказывается затененной как зданиями, так и естественными препятствиями (лесные массивы, холмы и др.). Это обусловлено тем, что современные системы связи дециметрового диапазона не работают без ретрансляторов в зонах тени из-за дифракционного ослабления до 30 дБ.

• При распространении узких пучков миллиметровых волн над подстилающем покровом, вблизи зданий и других отражающих объектов наблюдаются интерференционные замирания, что приводит к искажению передаваемого сигнала. Для неискаженной передачи необходимо чтобы выполнялось следующее условие:

АОс <АО0.5 =2^-^0 5, где 5 — интервал частотной корреляции (ко герентности), т.е. полоса сигнала должна быть меньше Чем полоса частотной когерентности приемной системы.

Несмотря на действующие атмосферные радиолинии ММВ и теорию распространения радиоволн вдоль земной поверхности в настоящее время не существует достаточно обоснованных математических моделей расчета полей направленных пучков радиоволн при приеме сигнала ММВ (с частотами от 30 ГГц и выше) на стационарные и мобильные терминалы в условиях мешающих отражений в различных городских и пригородных "сценариях" распространения (в т.ч. принятых в качестве стандартных Европейским институтом стандартов радиосвязи). Существующие модели [1-5], как правило, не учитывают особенностей распространения и приема пучков миллиметрового диапазона и применимы, в основном, для систем дециметрового диапазона с их всенаправленными приемом и передачей.

Цель и задачи диссертации. Исходя из вышесказанного, в настоящее время является актуальным теоретическое и экспериментальное йзучение особенностей функционирования телекоммуникационных систем с узкими пучками ММВ. Целью настоящей работы являлось разработка и реализация спектрального метода решения задач распространения, дифракции и отражения узких радиопучков ММВ для установления характеристик атмосферного канала телекоммуникационных систем.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• разработан спектральный метод решения задач распространения, дифракции и отражения узких радиопучков ММВ.

• осуществлено математическое описание амплитуды, фазы и расходимости ограниченного гауссова пучка с пьедесталом ММВ, распространяющегося в свободном пространстве. ^ *

• установлена теоретическая функция усиления дифракционного поля в зависимости от безразмерного параметра просвета и затенения относительно поля сферической волны в свободном пространстве и экспериментальная проверка модели.

• выявлена зависимость глубины интерференционных замираний от параметров узкого пучка, высоты антенн, дальности трассы при распространении вблизи подстилающего земного покрова и сопоставление теоретической модели с экспериментальными данными.

• определена полоса частотной когерентности приемной системы при многопутевом распространении узких пучков ММВ.

• произведена оценка энергетического потенциала атм9сферной радиолинии цифровой телекоммуникационной системы передачи информации в зависимости от дальности связи, скорости передачи информации, характеристик и параметров передатчика и приемника, антенн, потерь из-за сферической расходимости радиоволны, поглощения газами атмосферы, ослабления дождями;

Методы исследования. Были использованы методы современной теории распространения, дифракции и отражения радиоволн, обработки сигналов, численного моделирования алгоритмов статистической радиотехники [116].

Научная новизна состоит в разработке совокупности методов, алгоритмов и их реализации в виде компьютерных моделей, позволяющих исследовать дифракцию и отражение узких пучков ММВ при распространении в свободном пространстве и городских условиях и их экспериментальное подтверждение.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

• Спектральный метод решения задач распространения, дифракции и отражения узких радиопучков ММВ.

• Аналитические соотношения для амплитуды и фазы узкого пучка ММВ при наблюдении в геометрооптической, переходной (Френеля) и дальней (волновой) зонах, полученные спектральным методом.

• Математическое описание дифракции пучка ММВ на затеняющем препятствии.

• Математическая модель интерференционных замираний пучка ММВ.

• Функция частотной когерентности приемной телекоммуникационV ной системы. * ,

• Экспериментальные данные подтверждающие теоретические модели.

Практическая значимость. Практическое значение полученных результатов состоит в следующем.

1) Полученные спектральным методом выражения для комплексных амплитуд дают возможность производить расчеты по алгоритму быстрого преобразования Фурье (БПФ) с существенной экономией вычислительного времени.

2) Математические модели позволяют оценить возможность передачи информации на затененных трассах и прогнозировать интерференционные замирания в телекоммуникационных системах.

3) Разработанное программное обеспечение и предложенная методика позволяет исследовать возможности передачи информации телекоммуникационными системами с узкими пучками миллиметрового диапазона волн.

Достоверность полученных автором результатов.

Достоверность математической модели характеристик атмосферного канала телекоммуникационных систем с узкими пучками миллиметровых волн подтверждается результатами численного моделирования и данными натурных экспериментов. При этом численная модель, составленная в пакете "MathCAD", является имитационной. Модель работоспособна для широкого диапазона значений большинства ее параметров.

Реализация результатов исследования. Результаты диссертационной работы включены в отчеты по НИР «Таннин», «Тас», «Илия», а также используются в учебном процессе кафедры СМ-5 МГТУ им. Н.Э. Шумана.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены на IV международной конференции молодых ученых "Wave electronics and its application in the telecommunication systems" (28-31 мая, 2001, г. С.Петербург); LVI научной сессии НТОРЭС им. А. С. Попова, посвященной дню радио, (16-17 мая, 2001, г. Москва); IV и VI международной научно-технической конференции "Перспективные технологии в средствах передачи информации - ПТСПИ" (15-17 августа, 2001-2003, г. Владимир- Суздаль); Всероссийской школе-конференции по дифракции и распространению волн (19-23 декабря, 2001, г. Москва); XX Всероссийской конференции по распространению радиоволн (2- 4 июля 2002, г. Нижний Новгород); 2-nd IEEE international conference on circuit and systems for communication (30 июня-2 июля, 2004, г. Москва).

Работа была поддержана грантами федеральной целевой программой «Государственная поддержка интеграции высшего образования и .фундаментальной науки», направление: «1.5. Поддержка обучения и стажировок наиболее способных студентов и аспирантов в российских научных школах мирового уровня» (контракт №4, 2001); конкурса молодых ученых, аспирантов и студентов (конкурс МАС-2002, МАС-2003), отделение: «Создание и развитие информационных, вычислительных и телекоммуникационных ресурсов (02-07-06053, 2002, 03-07-06094, 2003)»; федеральной целевой программой «Интеграция науки и высшего образования России на 2002 — 2006 годы», направление: «1.2. Использование потенциала ведущих научных и научно-технических центров страны для стажировки молодых исследователей, аспирантов и докторантов высших учебных заведений» (контракт №3436$, 2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, четырех Глав, Заключения, списка литературы, включающего 41 наименование и Приложений. Объем диссертации составляет 120 страниц машинописного текста и содержит 40 рисунков.

Основные выводы, сделанные на основе полученных результатов, следующие.

• Аппроксимация распределения комплексной амплитуды коллимированным гауссовым пучком с пьедесталом согласуется с экспериментальными данными.

Подтверждено усиление дифракционного поля узкого пучка мм-волн в зоне тени препятствия.

Двухпучковую структуру интерференционных замираний удобно описывать во Френелевском (малоугловом) приближении.

Математическая модель интерференционных замираний может быть использована для прогнозирования замираний в телекоммуникационных системах, работающих вблизи подстилающего покрова, а также для моделирования многопутевого распространения радиоволн миллиметрового диапазона. Установлены зависимости комплексной амплитуды прямого и отраженных запаздывающих пучков асфальтовой дорогой, бетонным ограждением, автомобилем и средняя мощность их суперпозиции. По зависимости средней мощности на выходе приемной антенны и согласованного фильтра получены коэффициент и полоса частотной когерентности атмосферного радиоканала с многопутевым распространением. V 4

Заключение

Полученные и представленные в данной работе результаты расширяют представления об использовании миллиметровых волн в приемопередающих телекоммуникационных системах. Результаты и рекомендации могут быть использованы при расчете и построении стационарных и мобильных наземных телекоммуникационных систем. В соответствии с целью диссертации и поставленными задачами получены следующие основные результаты.

1. Разработан спектральный метод решения задач распространения, дифракции и отражения узких радиопучков ММВ.

2. Во френелевском (квазиоптическом) приближении с использованием углового спектра распределения комплексной амплитуды на ограниченной апертуре передающей антенны и частотной характеристики среды распространения получено интегральное выражение и исследованы зависимости амплитуды и фазы от расстояния, волнового параметра.

3. Предложено математическое описание дифракции узкого пучка мм-волн в зоне глубокой геометрической тени препятствия с использованием принципа Бабине: комплексная амплитуда дифракционного поля определялась как разность между комплексной амплитудой излучения антенны в свободном пространстве и комплексной амплитудой, соответствующей излучению затеняющего силуэта (препятствия) как 4 апертуры.

4. Предложена математическая модель интерференционных замираний узкого гауссова пучка миллиметровых волн на пьедестале, распространяющегося вблизи подстилающего земного покрова.

1. Виноградова М.Б., Руденко О.В., Сухорукое А.П. Теория^волн. М.: Наука, 1990.

2. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. М.: Мир, 1981.

3. Фейнберг E.JI. Распространение радиоволн вдоль земной поверхности. М.: Физматлит, 1999.

4. Рекомендации международного союза электросвязи МСЭ-R Р.526-6.

5. Freeman R.L. Radio System Design for Telecommunications (1-100 GHz), N.Y.: Wiley&Sons, Inc. 1987.

6. Драбкин A.JL, Зузенко B.JI., Кислое А.Г. Антенно-фидерные устройства.1. М.: Сов. радио, 1974.

7. Андреев Г.А., Гладышев Г.А., Хохлов Г.И. «Распределение поля пучка миллиметровых волн в зоне тени препятствия»// Радиотехника и электроника, 1997, т.42, №3.

8. Willis M.J. «Trans-horizon propagation at 42 GHz» // Electronics Letters. 17th September 1998, Vol. 34, No. 19.

9. Батороев A.C., Чимитцыденов Э.Р. «Учет дифракционного вклада профилей препятствий на закрытых трассах» // Труды XX всероссийской конференции по распространению радиоволн. Нижний Новгород, 2-4 июля 2002г.i

10. Рытов С.М., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. Введение в статистическую радиофизику. 4.2. М.: Мир, 1981.

11. Гуткин JI. С. Теория оптимальных методов радиоприема при флуктуаци-онных помехах. 2-е изд., пер. и доп. М.: Советское радио, 1972.

12. Спилкер Дж. Цифровая спутниковая связь. — М.: Связь, 1979.

13. Тихонов В. И. Статистическая радиотехника. — 2-е изд. пер. и доп. — М.: Сов. радио, 1966.

14. Цейтлин Н.М. Антенная техника и радиоастрономия. М.: Сов. Радио, 1976.

15. Зверев В.А. Радиооптика. М.: Сов. радио, 1975.

16. Щукин А.Н. Распространение радиоволн. Связьиздат 1940.

17. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1968. v

18. Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и таблицами.// Под ред. Абромовица А. и Стиган М. М.: Наука, 1977.

19. Янке Е., Эмиде Ф., Леш Ф. Специальные функции, формулы, таблицы. М: Наука, 1977.

20. Андреев Г. А. «Миллиметровые волны в перспективных средствах передачи информации»// Труды II международной научно-технической конференции "Перспективные технологии в средствах передачи информации-ПТСПИ'1999", Владимир, 1999.

21. Андреев Г.А. «Пучки миллиметровых волн в наземных телекоммуникационных системах»// Радиотехника и электроника, 2001, т.46, №9.4

22. Андреев Г.А., Корбаков Д.А. «Поле пучка ММВ во френелевской зоне» // Труды LVI Научной сессии, посвященной дню радио, Москва-2001, т. И.

23. Andreyev G.A., Korbakov D.A. «The interference fading of the millimeter waves in terrestrial telecommunication systems»// 2nd ICCSC 2004, file: 80.pdf, June 30 July 2, 2004, Moscow, Russia.

24. Андреев Г.А., Анцелевич M.A., Архипов B.JL, Журавлев, А.В. «Обнаружение наземных движущихся целей просветным радиолокатором» // Радиотехника и электроника, 2005, т.50, №8.

25. Андреев Г.А., Корбаков Д.А. «Интерференционные замирания узкого пучка миллиметровых волн при распространении вблизи подстилающего земного покрова»// Радиотехника и электроника, 2005, т.50, №5.

26. Андреев Г.А., Корбаков Д.А. «Дифракция пучка ММВ на крыше и углу здания»// Труды LVI Научной сессии, посвященной дню радио, Москва-2001, т. II.

27. Tenerelli Р.А. «Measurements of 28 GHz Diffraction Loss by Building Corners»// Proc. of the "9th IEEE PIMRC'98 Sympos." Boston, МД, U$A, September 8-11, 1998.

28. Андреев Г.А., Огарев C.A., Хохлов Г.И. «Характеристики поля пучка миллиметровых волн в тени лесопарковой зоны»// Радиотехника и электроника, 1998, т.43, №11.

29. Андреев Г.А., Фролова Е.В. «Помехи в атмосферных радиолиниях ММ диапазона волн цифровой сотовой сети связи»// Электросвязь, 1997, №3.

30. Андреев Г.А., Корбаков Д.А. «Многопутевое распространение пучка ММВ в городских и пригородных условиях»// Труды XX Всероссийской конференции по распространению радиоволн, Нижний Новгород, 2- 4 июля 2002.

31. Violette E.J. at all «Millimeter Wave Propagation at Street L^vel in an Urban Environment»// IEEE Transactions on Geoscience and remote sensing, vol. 26, No. 3, May 1988.

32. Прокис Дж. Цифровая связь. М.: Радио и Связь, 2000.

33. Андреев Г.А., Jleyc В.И., Пожидаев В.Н. «Линии радиосвязи «Космос-Земля» в терагерцовом диапазоне» // Радиотехника и электроника, 2004, т.49, №7.

34. Wada Т., Maeda М., Okada М., Tsukamoto К., Komaki S. «Theoretical Analysis of Propogation Characteristics in Millimeter Waves Inter-Vehicle Communication System»// Proc. of the "9 IEEE PIMRC'98 Sympos. Boston,

35. MA, USA. September 8-11,1998. Paper № 398h008. ^ 4

36. Kurner Т., Cichon D., Wiesbeck W. «Evaluation and Verification of the VHF/UHF Propogation Channle Based on 3-D-Wave Propogation Model»// IEEE Trans, on Ant. and Propogation, March 1996, Vol. 44. №3.

37. Tank Т., Linnartz J. «Vehicle-to-vehicle communications for AVCS platoon-ing» // IEEE Trans. Veh. Technol., vol.46, no.2, May 1997.

38. Yamamoto K., Horikoshi K., Maruyama N. at all «Radio LAN System at 60 GHz Millimeter Band» // IEEE, Vol.IM- 95, no. 41,1995.

39. Немировский M.C. Цифровая передача информации в радиосвязи. М.: Связь, 1980.V

40. Misme P., Fimbele J. Ann. Telecommun., 1975, v.30, №5-6. 4 .

41. Андреев Г.А., Андрианов M.H. «Вероятность ошибок кодированных фа-зоманипулированных сигналов с логнормальными амплитудными флук-туациями в гауссовом шуме» // Радиотехника и электроника, 2003, т.48, №12.