Спосіб регулювання випромінюваної потужності радіопередавальних пристроїв стільникових мереж в залежності від кліматичних умов

Реферат: UA 84857 U UA 84857 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі бездротового зв'язку, зокрема до методів регулювання потужності передавальних пристроїв стільникових мереж для забезпечення високої якості зв'язку. Відомі способи організації стільникових мереж [1-3] та способи регулювання випромінюваної потужності базових станцій (БС) та мобільних станцій (МС) [4-8] передбачають зміну потужності передавачів БС та МС, в залежності від виміряного рівня прийнятого радіосигналу. Тоді приймається рішення про підвищення або зменшення випромінюваної потужності радіопередавачів БС та МС до рівня, необхідного для якісного зв'язку. Даний алгоритм успішно використовується в стільникових мережах другого, третього та четвертого поколінь. На якість зв'язку сильно впливає багатопроменевий характер розповсюдження радіохвиль. Тому при незначній зміні місцезнаходження МС рівень сигналу може значно зменшитись. Навіть може відбутися розрив зв'язку. Тому, крім керування потужністю, використовуються алгоритми хендоверу (передачі виклику від однієї БС до іншої) [3]. Виконання вищезгаданих алгоритмів відбувається відповідно до внутрішніх процедур конкретних технологій побудови стільникових мереж зв'язку. Важливу роль в процесі регулювання потужності радіопередавальних пристрої відіграють чутливість приймачів, потужність передавачів, відстань між передавачем та приймачем, кількість та характер перешкод, рельєф підстилаючої поверхні. При цьому якість зв'язку залежить від співвідношення сигнал/шум на вході приймальних пристроїв, яке зменшується внаслідок розповсюдження радіосигналу на відстань, поглинання атмосферними газами, гідрометеорами тощо. Існуючі алгоритми регулювання потужності передавачів радередавальних пристроїв надають змогу підвищити випромінювану потужність до того рівня, який необхідний для проведення якісного сеансу зв'язку шляхом вимірювання рівня потужності радіосигналу. Проте може виникнути ситуація, коли рівень сигналу може різко впасти нижче припустимого рівня, що призведе до обриву радіозв'язку (наприклад, в умовах сильного дощу, туману, снігопаду тощо). В цьому випадку вже буде неможливо проводити обмін керуючою інформацією між передавальними та приймальними пристроями. В стільникових мережах 4-го покоління також можливе використання алгоритмів автоматичного зрушення швидкості передавання даних в залежності від фактичного виміряного співвідношення сигнал/шум на приймальній стороні. Проте в цьому випадку при падінні рівня потужності радіосигналу внаслідок кліматичних умов (наприклад, підвищення температури, поглинання в атмосферних газах, гідрометеори, туман) можна зазнати значних втрат по швидкості передавання даних, що може не задовольняти кінцевих користувачів телекомунікаційних ресурсів стільникових мереж зв'язку. Задача корисної моделі є адаптивне регулювання потужності передавальних пристроїв стільникових мереж (МС та БС), в залежності від кліматичних умов. Це надасть змогу, ефективно плануючи структуру стільникових мереж зв'язку, змінюючи потужність передавачів МС та БС, підтримувати на належному рівні співвідношення сигнал/шум в межах окремих стільників та забезпечувати надання максимально можливої якості зв'язку користувачам стільникових мереж (висока швидкість передавання даних, мала імовірність бітової помилки, відсутність обривів зв'язку, наприклад, під час сильного дощу). Поставлена задача вирішується тим, що, згідно з корисною моделлю, керування потужності проводять в залежності від кліматичних умов, що надає змогу підтримувати якість зв'язку на належному рівні, навіть, за складних кліматичних умов. В способі регулювання випромінюваної потужності радіопередавальних пристроїв стільникових мереж в залежності від кліматичних умов використовують телеметричні датчики, які підключають до БС. Вони збирають інформацію щодо відхилення кліматичних умов від нормальних (температура оточуючого середовища: +20 +/- 5 град.°С; відносна вологість: 60 +/15 %; атмосферний тиск: від 84 кПа до 107 кПа). Зокрема, визначають температуру оточуючого середовища, вологість повітря, характеристику та кількість опадів (дощ, сніг, їх інтенсивність), наявність туману (його характеристики). Обов'язково встановлюють початковий рівень випромінюваної потужності радіопередавачів Р прд0 (в дБ або дБм) за певних початкових умов (наприклад, за температури +20 град.°С, відносній вологості повітря 60 +/- 15 %, за відсутності гідрометеорів). Цей рівень потужності випромінювання буде прийнятий за еталонний, відносно якого відбуватиметься зміна рівня потужності передавальних пристроїв на величину ΔР, в залежності від кліматичних умов. Виміряну телеметричну інформацію зберігають в спеціалізованій базі телеметричних даних (СБТД). Після запису інформацію обробляють за допомогою спеціалізованого програмного забезпечення (СПЗ) в обчислювальному центрі базової станції, яке приймає рішення про необхідність збільшення або зменшення випромінюваної потужності радіопередавальних пристроїв. 1 UA 84857 U 5 Величина зміни рівня потужності радіопередавальних пристроїв стільникових мереж ΔР включає в себе потужність на компенсацію затухань від гідрометеорів ΔРгм, на компенсацію затухань радіосигналу в атмосферних газах ΔР аг, на температурну компенсацію ΔРтк, на компенсацію затухань в тумані ΔРтум. Спочатку за допомогою телеметричних датчиків встановлюють наявність гідрометеорів, туману. Якщо вони присутні, то рівень їх погонної компенсації обчислюють за допомогою СПЗ: - для туману [10]: gc  K 1 M дБ/км, 10 (1) gc : погоне послаблення (дБ/км) в умовах хмарності; 3 K 1 : коефіцієнт погонного послаблення ((дБ/км)/(г/м )); 3 M : густина рідкої води в хмарності або тумані (г/м ). Для обчислення значення коефіцієнта погонного послаблення K 1 для частот до 1000 ГГц використовують математичну модель: 15 K1  0,819 f  " 1   2  3 (дБ/км) (г/м ), (2) де f - частота (ГГц) і  20 2  ' . " (3) Комплексна діелектрична проникність води задається виразами: " f   ' f   f  0  1    fp 1  f / fp  0  1  2 f 1   2   f 1 f / f    s s 1   2 2 1 f / f   1 f / f     p 2  s 2 2 , (4) , (5) де: 25 (6) 1  5,48 ; (7)  2  3,51 ; (8)   300/ T , 30  0  77,6  103,3   1 ; (9) а T - температура (К). Головні та вторинні частоти релаксації: fp  20,09  142  1  294   12 ГГц, fs  590  1500   1 ГГц. 35 (10) (11) - для гідрометеорів [9]:  R  kR  . (12) 2 UA 84857 U Коефіцієнти k і  можуть альтернативно визначать в функції частоти з нижченаведених рівнянь:    log f  b  2    j   log k    a j exp   mk log f  c k ,     cj j 1        (13)   log f  b  2   4   i   ,     ai exp      m log f  c    ci    i 1    (14) 3 5 10 де: f : частота (ГГц) k : або k H або k V  : або H або  V . Повний рівень компенсації потужності: - для туману: Pту м  gc  lеф , (15) - для гідрометеорів: 15 Pгм   R  l еф , (16) У виразах (15) та (16) l еф - це ефективна довжина траси розповсюдження сигналу. Для 20 стільникових мереж зв'язку за значення l еф приймають теоретично розрахований радіус стільника, який визначають під час планування стільникової мережі. Якщо гідрометеори або туман відсутні, то рівень компенсації приймають рівним 0, тобто Pту м  0 та/або Pгм  0 . Потім за допомогою СПЗ обчислюють величину згасання радіохвиль, викликане молекулярним поглинанням їх у газах атмосфери на інтервалі радіолінії, яке є еквівалентом: Pаг  VГ   АГ R0 , дБ, (17) 25 де  АГ , дБ/км, - погонне затухання радіохвиль в газах атмосфери із урахуванням температурної корекції (18).  АГ  1 0,01t  15  0  1 0,006 t  15  в , 30 (18) де  0 , дБ/км, - погонне затухання радіохвиль в кисні;  в , дБ/км, - погонне затухання радіохвиль в водяній парі атмосфери; t - температура повітря, °C. Спрощений вираз для погонного затухання в кисні атмосфери, дБ/км, для діапазону частот менше за 57 ГГц за нормального атмосферного тиску і температурі 15 °C має наступний вигляд: 35   2 6,09 4,81 f  10  3 ,  О   7,19  10  3    f 2  0,227 f  57 2  15  ,   (19) де f - частота, ГГц. Для оцінки  в , біля земної поверхні за температури t=15°С для частот до 350 ГГц використовують співвідношення: 40 3 UA 84857 U   2 3,6 10,6 8,9 f   10  4 ,  в   0,05  0,0021    2 2 2  f  22,2  8,5 f  183,3  9 f  325,4  26,3    (20) 3 5 де  - абсолютна вологість повітря, г/м ; f - частота, ГГц. У виразі (17) R 0  l еф . Потім за допомогою СПЗ обчислюють величину температурної компенсації за формулою [11]: Pтк  10  lgkTR  (дБ), 10 (21) де k  138  10 23 Дж/к - стала Больцмана; , - абсолютна температура (К); T R - швидкість передавання даних в тільниковій мережі (біт/с). Потім визначають величину зміни рівня потужності радіопередавальних стільникових мереж P : P  Pтк  Pту м  Pгм  Pаг . пристроїв (22) 15 20 25 30 35 40 45 При цьому в (22) доданки Pту м, Pгм , Pаг  0 ; Pтк може бути як додатним так і від'ємним. Тобто, за останнім параметром випромінювана потужність може як збільшуватись, так і зменшуватись. Після проведених обчислень P приймають рішення про зміну потужності передавачів БС стільникових мереж зв'язку саме на величину P . Потім вже БС формують керуюче повідомлення, в якому передають рекомендації щодо зміни потужності передавачів МС на величину P . Структурна схема системи регулювання випромінюваної потужності радіопередавальних пристроїв стільникових мереж в залежності від кліматичних умов представлена на схемі. Введення до існуючих способів регулювання потужності передавачів МС та БС стільникових мереж зв'язку блока для визначення кліматичних умов навколишнього середовища та корекції потужності передавачів БС та МС надає змогу підтримувати постійну швидкість передавання даних по стільниковій мережі, при цьому забезпечуючи допустиму імовірність бітової помилки та підтримуючи необхідне відношення сигнал/шум на приймальній стороні, що надає змогу отримувати користувачам стільникових мереж високу якість зв'язку, при цьому не збільшується негативний вплив електромагнітного випромінювання від БС, оскільки збільшена потужність тільки компенсує зменшення потужності радіосигналу під впливом кліматичних умов. Джерела інформації: 1. Патент РФ № 2269872, МПК Н04В7/26 (2006.01), 2004. 2. Патент РФ № 2248098, МПК Н04В7/26, 2002. 3. Патент РФ № 2114508, МПК Н04В 7/005, 1994. 4. Патент РФ № 2212119, МПК H04Q7/38, Н04В7/26, 2003. 5. Патент РФ №2387075, МПК Н04В1/00 (2006.01), 2010. 6. Патент US № 6765897 В2, МПК Н04В7/216, 2004. 7. Mung Chiang, Prashanth Hande, TianLan, Chee Wei Tan Power Control in Wireless Cellular Networks // Foundations and Trends in Networking sample. Volume x Issue y, 2008, Editorial Board. 8. AN-1433 Base Station Closed-Loop RF Power Control with LMV232 Crest-Factor Invariant Detector // Texas Instruments. Application report, January, 2006. 9. Рекомендация МСЭ-R P. 838-2 Модель погонного ослабления в дожде, используемая в методах прогнозирования, 2003. 10. Рекомендация МСЭ-R Р. 840-5 Ослабление из-за облачности и тумана, 02/2012. 11. Г.Ф. Конахович, М.Г. Луцький, Р.С. Одарченко / Методика визначення радіусу зони обслуговування точки доступу стандарту IEEE 802.11 g / // Сб. научн. трудов НАУ "Защита информации" - К.: НАУ, 2010 – Вып. № 17. - С. 269-277. 50 4 UA 84857 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 Спосіб регулювання випромінюваної потужності радіопередавальних пристроїв стільникових мереж в залежності від кліматичних умов, що складається із послідовних операцій: визначення початкового рівня випромінюваної потужності радіопередавачів за певних початкових кліматичних умов, визначення поточних кліматичних умов за допомогою телеметричних датчиків (вологість повітря, температура повітря, наявність та інтенсивність гідрометеорів), обчислення за допомогою спеціалізованого програмного забезпечення потужності на компенсацію затухань від гідрометеорів Pгм , на компенсацію затухань радіосигналу в атмосферних газах Pаг , на температурну компенсацію Pтк , на компенсацію затухань в тумані Pту м , визначення величини зміни рівня потужності радіопередавальних пристроїв стільникових мереж P , зміна рівня випромінюваної потужності передавачем базової станції на величину P , формування керуючого повідомлення, в якому містяться рекомендації щодо зміни потужності передавачів МС на величину P та передача в напрямі мобільних станцій, які знаходяться в зоні обслуговування даної базової станції, який відрізняється тим, що керування потужності проводять в залежності від кліматичних умов, що надає змогу підтримувати якість зв'язку на належному рівні, навіть, за складних кліматичних умов. Комп’ютерна верстка М. Ломалова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5