При сравнении основных параметров систем связи на основе данных стандартов в ряде источников приводятся сведения о том, что системы стандарта APCO 25 обеспечивают дальность связи в 2 раза, а зону покрытия базовой станции в 4 раза большую по сравнению с TETRA. На основании этого делается вывод о существенно большей экономической эффективности систем с FDMA, требующих установки значительно меньшего количества базовых станций на определенной ограниченной территории.
Важность проблемы выбора цифрового стандарта заставляет более подробно рассмотреть данную проблему.
Действительно, при прочих равных параметрах системы с FDMA обеспечивают большую дальность связи по сравнению с системами с TDMA. Это объясняется меньшей энергией сигнала на один бит информации. Известно, что энергия сигнала Ec определяется как
| (1) |
где Pc - мощность, а Tc - длительность сигнала. Понятно, что при уменьшении длительности сигнала (времени передачи одного информационного бита для цифровой системы) пропорционально уменьшается энергия. Поэтому если представить себе некий идеализированный вариант, при котором две системы отличаются только числом информационных каналов на одной физической частоте (в одной системе их 4, как в TETRA, а в другой - 1, как в APCO 25), то эквивалентная мощность на один бит информации будет отличаться в этих системах в 4 раза. Это приведет к различиям по дальности связи ориентировочно на 30-40 % (очевидно, не в 2 раза).
Вместе с тем, дальность связи зависит от параметров сигнала, способов его формирования и обработки, определяемых стандартом (метода модуляции, алгоритма речевого кодирования, способов помехоустойчивого кодирования и др.). Эффективность устанавливаемых стандартом методов интегрально отражается в характеристиках чувствительности приемного тракта радиостанций.
Следует отметить, что использование цифрового сигнала для передачи речевых сообщений требует иного подхода к определению чувствительности цифровых радиостанций, нежели аналоговых. Как правило, качество канала связи в цифровых системах характеризуют вероятностью ошибки приема на один бит, то есть отношением количества неправильно принятых бит информации к количеству переданных бит. В отличие от аналогового канала связи, в котором качество речи снижается (приблизительно) пропорционально отношению сигнал/шум, в цифровом канале наблюдается пороговый эффект. Здесь качество речи на значительном интервале отношений сигнал/шум остается практически постоянным, но при достижении порогового значения резко ухудшается.
Испытания рекомендуемого в стандарте TETRA речепреобразующего устройства в канале с ошибками показали, что приемлемое качество воспроизведения речи сохраняется до значений предельной вероятности ошибки на бит - 4%. Относительно этого значения при различных условиях распространения сигнала задана чувствительность базовой и мобильной радиостанции для речевого канала (см. таблицу 1).
Таблица 1
|
|||||||||||
В стандарте APCO 25 подход к определению чувствительности приемника, в основном, аналогичен подходу, принятому в TETRA. Следует только отметить, что предельная вероятность ошибок на бит принята равной 5%.
Чувствительность приемника указывается для двух классов аппаратуры: класс A определяет требования к аппаратуре специального назначения (полиция, спецслужбы и т. д.), класс В - к аппаратуре для коммерческого использования, при этом не производится деление на вид аппаратуры (базовую, портативную, мобильную). Требуемые значения чувствительности приемника для статических и динамических условий распространения сигнала для всех типов радиосредств указаны в таблице 2 .
Таблица 2
|
|||||||||||
Можно отметить, что в стандарте TETRA чувствительность мобильных радиостанций может быть на 3 дБм хуже, чем у базовых станций. Запас при динамических условиях распространения сигнала в стандарте APCO 25 соответствует 8 дБм, в стандарте TETRA - 9 дБм.
Немаловажным фактором при оценке дальности связи является мощность передатчика.
В стандарте TETRA предусмотрено 10 классов базовых станций, 4 - мобильных и 2 - носимых, различающихся выходной мощностью передатчика [1].
В стандарте APCO 25 не определены конкретные значения мощности передатчика, указано лишь, что мощность мобильной и носимой станций не должна превышать 10 Вт. Между тем, основываясь на общеизвестных принципах подхода к выбору мощности передатчиков транкинговых сетей связи с учетом биологической безопасности, автономности электропитания и ограниченности массогабаритных характеристик радиостанций, можно принять для дальнейшей оценки мощность базовой станции 25 Вт, мобильной - 10 Вт, носимой - 3Вт.
Для того чтобы оценить возможные зоны обслуживания для базовых станций различных стандартов и провести их сравнение, необходимо воспользоваться унифицированной методикой расчета обеспеченности связью и использовать при расчете одинаковые значения тех параметров, которые не зависят от технических характеристик стандартов радиосвязи.
Известно большое количество методик расчета обеспеченности радиосвязью абонентов в транкинговых сетях. Данные методики основаны на результатах теоретических и практических исследований распространения радиоволн в реальных условиях. Процесс оценки зоны обслуживания состоит из нескольких этапов.
На первом этапе определяют мощность сигнала, излучаемую в эфир. На втором - среднюю мощность сигнала на приемной антенне, при которой обеспечивается заданная чувствительность приемника. По результатам этих этапов определяют допустимый уровень потерь на трассе распространения радиосигнала. На третьем этапе выбирают модель расчета потерь на трассе и на ее основе строят зависимость потерь от расстояния. По данному графику определяют среднюю дальность радиосвязи с учетом запаса на обеспеченность связью по месту и времени.
Рассмотрим эту процедуру долее детально.
Излучаемая мощность сигнала
|
(2) |
где PS - мощность передатчика; GА - коэффициент усиления антенны; BС - коэффициент передачи фидера и других цепей между передатчиком и антенной.
Необходимая мощность сигнала на приемной антенне:
|
(3) |
где PПР - чувствительность приемника; GПА - коэффициент усиления приемной антенны; BПС - коэффициент передачи фидера и других цепей между антенной и приемником; ΔС - коэффициент обеспеченности связью по месту и времени. Данный коэффициент вносит поправку для обеспечения с заданной вероятностью превышения мощности сигнала на входе антенны относительно среднего значения. Значение коэффициента определяется многими факторами, в том числе, характером распространения радиоволн, плотностью застройки территории, требуемой обеспеченности связью. Например, при Δс=0 дБ мощность сигнала на входе приемника будет превышать заданный уровень в 50% случаев приема, при Δс=10 дБ - в 90%.
Допустимый уровень потерь на трассе распространения радиосигнала:
|
(4) |
Из (4) можно показать, что при одинаковых мощностях передатчиков, параметрах антенн, фидеров и условиях распространения сигнала в системах TETRA и APCO 25 разность в допустимом уровне потерь сигнала на трассе
|
(5) |
где LД АРСО, LД TETRA - допустимые потери на трассе для систем стандарта APCO 25 и TETRA; PД АРСО, PД TETRA - чувствительность приемников соответствующих стандартов.
В таблице 3 приведена разность допустимых потерь, полученная из (5) и таблиц 1 и 2.
Таблица 3
|
||||||||||||||||||||
Из таблицы видно, что наибольший выигрыш в 5 дБ наблюдается для мобильной станции класса А стандарта APCO 25 и динамических условий распространения сигнала.
Оценим абсолютные значения дальности связи в сетях связи рассматриваемых стандартов.
Для оценки дальности связи воспользуемся методикой оценки LД, основанной на модели Хаtа, которая позволяет прогнозировать усредненные потери при распространении радиосигнала в открытом пространстве, сельской местности и в городе.
Исходными данными для оценки потерь служат:
Коэффициент потерь в свободном пространстве LOA определяется выражением:
|
(6) |
где R - расстояние от передатчика до точки оценки потерь.
В соответствии с методикой Хата коэффициент потерь при распространении сигнала в сельской местности
|
(7) |
а при распространении сигнала в городе
|
(8) |
Например, при hm=1,5 м, fc=400 МГц и трех значениях hm=30; 50; 100 м на рис. 1 и 2 построены графики зависимости LOA=f(R) для сельских и городских условий распространения радиоволн
Рис. 1. График зависимости LOA=f(R) для сельских условий.
Рис. 2. График зависимости LOA=f(R) для городских условий.
В соответствии с приведенной методикой оценим дальности связи в системах обоих стандартов для сельских и городских условий распространения сигнала при заданных в таблице 4 исходных данных, одинаковых для APCO 25 и TETRA.
Таблица 4
|
||||||||||||||||||||||||
Поскольку, как правило, энергетический потенциал радиолинии снизу вверх (от подвижного абонента к базовой станции) ниже, чем в обратном направлении, то оценку дальности связи целесообразно провести для данного направления при динамических условиях распространения сигнала.
Для обоих типов радиостанций, которыми может пользоваться подвижный абонент (носимая радостанция, мобильная), с учетом условий распространения сигнала вычислим допустимый уровень потерь на трассе, подставив соответствующие значения в (4). Затем из (8) или по графикам на рис. 1 и 2 найдем дальности связи. Результаты для стандарта TETRA, а также классов аппаратуры стандарта APCO 25, при двух значениях обеспеченности связью по месту 50% и 90% представлены в приведенных ниже таблицах. В таблице 5 указаны рассчитанные дальности связи (в км) в сельской местности, в таблице 6 - для города .
Процент обеспеченности связью, показанный в таблицах, выполняется на границе зоны обслуживания, внутри области обслуживания обеспеченность будет составлять 75% и 95% соответственно.
Таблица 5
|
|||||||||||||||||||||||||||||
Таблица 6
|
|||||||||||||||||||||||||||||
Таким образом, при работе в одном частотном диапазоне, одинаковых мощностях передатчиков носимой и мобильной радиостанций и других параметрах оборудования радиосвязи в системах стандарта APCO 25 с радиосредствами класса А обеспечивается дальность связи по направлению "подвижный абонент - базовая станция" на 10-15% больше, чем в системах стандарта TETRA. Для оборудования класса В дальности связи будут меньше, чем в TETRA.
Конечно, данные расчеты носят идеализированный характер. В реальных сетях возможно получение в сетях APCO 25 больших зон покрытия по сравнению с TETRA за счет больших мощностей базовых и мобильных станций или работы в других диапазонах частот. В условиях сложной помеховой обстановки дальность связи может, во многом, определяться параметрами избирательности приемника. Кроме этого, для определения дальности связи необходимо учитывать не только чувствительность радиостанций для речевого канала, но и допустимые вероятности искажения команд, передаваемых по другим логическим каналам.
Однако, несмотря на идеализированный характер расчетов, возможно, что для специалистов, занимающихся вопросами проектирования сетей транкинговой радиосвязи, полученные результаты будут представлять определенный интерес.
Авторы: Воробьев С.В., Овчинников А.М.
