2. Модели для оценки потерь на трассах распространения и цифровые карты местности

Модели, используемые для оценки потерь на трассах распространения, делят на статистические и детерминистские.

Статистические модели получают на основе обработки результатов экспериментальных измерений. Статистические модели могут быть графическими, когда результаты измерений представлены графиками, которые отражают зависимость напряженности поля от расстояния от передатчика при определенных условиях, или аналитическими. В последнем случае модели представляют собой набор формул для расчета потерь на трассе распространения с указанием условий применения каждой формулы. Модели могут быть эмпирико-статистическими или полуэмпирическими. Эмпирико-статистические модели часто получают, используя линейную регрессию результатов измерений. Полуэмпирические модели основываются на теоретической модели, которую модифицируют в соответствии с результатами измерений для определенных условий распространения. Статистические аналитические модели, представленные формулами, позволяют получить оценку медианного значения, так называемых базовых или основных потерь. Базовые или основные потери – это потери между изотропными антеннами.

Большинство статистических аналитических моделей описывается выражением вида

L = A+B lg (d),

где L – основные медианные потери на трассе распространения, дБ; А и В – параметры, зависящие от высот подъема антенн передатчика и приемника и частоты сигнала.

Для каждой аналитической модели характерны свои значения параметров А и В и свои условия применимости. При фиксированных высотах передающей и приемной антенн и фиксированной частоте излучения затухание на трассе распространения в статистической аналитической модели зависит только от расстояния от передатчика (источника излучения) и, как правило, не зависит от направления, в котором распространяется электромагнитная волна. Хотя сегодня существуют статистические аналитические модели, которые, например, для городских условий учитывают направление распространения радиоволн по отношению к направлению улиц. Статистические модели дают удовлетворительный прогноз, если применяются в условиях достаточно близких к тем, в которых набирались экспериментальные данные для модели. В противном случае необходима калибровка параметров А и В аналитической модели.

Детерминистские модели являются теоретическими моделями. Детерминистские модели основаны на учете влияния рельефа местности и препятствий на каждом конкретном направлении распространения электромагнитной волны и местных условий в точке приема. При определении потерь на трассе распространения и напряженности поля в интересующих точках территории во внимание принимается путь лучей, приходящих от передатчика в эти точки. При этом необходима информация о рельефе местности вдоль трассы распространения радиосигнала, а для городских условий еще и информация о застройке территории (высоте зданий, их расположении, ширине улиц и т. п.).

При расчете потерь на трассе распространения с помощью статистических моделей возможно, а при расчете с помощью детерминистских моделей необходимо использование цифровых карт местности (ЦКМ).

По способу организации данных ЦКМ делят на матричные и векторные.

В матричных ЦКМ оцифровка рельефа и типов подстилающей поверхности производится квадратами NN м², где величина N может составлять от 1м до 1000м. Такое представление картографической информации неудобно для решения задач оценки потерь на трассах распространения, и поэтому при их решении используются векторные ЦКМ.

В векторных ЦКМ оцифровка производится так, что информация хранится в виде описания изолиний, например, кривых равных высот. Информация делится на однородные смысловые части. Каждая часть представлена в виде отдельного слоя карты.

При использовании ЦКМ для оценки потерь в городе и за его пределами карта должна иметь минимум два слоя:

– слой линий высоты уровня местности;

– слой застройки с указанием типа застройки (городская, пригородная, сельская), очертаний кварталов или отдельных зданий и, желательно, свойств строительных материалов (касающихся отражения и поглощения электромагнитных волн).

При выполнении более точных расчетов в ЦКМ добавляют:

– слой водоемов;

– слой лесных массивов с указанием типа и высоты леса, плотности расположения деревьев;

– слой дорог и спецмагистралей (ЛЭП, линий связи и т. п.);

– слой, содержащий данные о почвах, и т. п.

Работа с цифровыми картами местности при частотно-территориальном планировании РЭС и при оценке их ЭМС осуществляется с помощью геоинформационных систем (ГИС). Геоинформационная система представляет собой совокупность компьютерных средств и программного обеспечения, которые позволяют поддерживать, анализировать и показывать все виды географических и пространственных объектов, а также другие данные, связанные с ними. ГИС позволяет выполнять сложные пространственные операции над множеством объектов и над данными, связанными с этими объектами. ГИС является хранилищем картографической информации, необходимой для выполнения расчетов ЭМС и частотно-территориального планирования сетей связи и РЭС.

В настоящее время для задач автоматизированного проектирования сетей мобильной радиосвязи и оценки ЭМС РЭС наряду с другими ГИС достаточно широкое применение находит геоинформационная система MapInfo, разработанная фирмой Mapping Information Systems Corporation в начале 90-х годов прошлого века. MapInfo обладает рядом достоинств, которые позволяют использовать ГИС в различных информационных системах. MapInfo может работать в различных вычислительных средах и располагает обширными средствами геоинформационного анализа и отображения данных на карте. Встроенный язык MapBasic, который существует также в виде отдельного программного продукта, позволяет программировать сложные алгоритмы частотно-территориального планирования и оценки ЭМС.

Подробные описания рассматриваемых ниже математических моделей, используемых для оценки потерь на трассах распространения, можно найти не только в Рекомендациях МСЭ, но и в литературе, посвященной методам расчета радиотрасс и электромагнитных полей в системах связи, например в [81].