Оценка распространения сигнала LTE с учетом лиственного леса

Лесная среда является одним из основных факторов, затрудняющих прохождение радиоволн практически во всех диапазонах частот. Создание современной инфраструктуры передачи голоса и данных на сложных по рельефу загородных трассах, отдаленных и труднодоступных населенных пунктов Хабаровского края является одной из важнейших проблем. Однин из возможных вариантов решения этой проблемы на таких территориях – применение малых земных станций спутниковой связи (далее – МЗССС) для организации канала связи и предоставление услуг связи с помощью стандартной базовой станции (далее – БС) сотовой связи.

В статье рассмотрены результаты расчетов параметров распространения радиоволн стандарта LTE-1800 и LTE-2600 на сложной по рельефу загородной трассе Хабаровского края. При планировании новых базовых станций важным вопросом является выбор диа© Д.В. Вегера, Г.В. Жиба, С.В. Сай, 2021

Вегера Денис Владимирович старший преподаватель кафедры вычислительной техники. Тихоокеанский государственный университет, город Хабаровск. Сфера научных интересов: телекоммуникационные системы, системный анализ, математическое моделирование. Автор более 20 опубликованных научных работ.

пазона частот для получения качественного покрытия. На примере уже существующего объекта связи рассматриваются методики расчета затухания и дальности распространения радиосигнала LTE-1800 с учетом лесных массиво, которые сравниваются с фактическими показателями. На основании полученных результатов производится выбор методики, наиболее совпадающей с фактическими показателями, и предварительного определяются подходящиекоординаты мест установки новых базовых станций. Выбранные методы используются для оценки затухания и зоны покрытия LTE-2600 и сравниваются с результатами LTE-1800. Для оценивания параметров используется метод имитационного моделирования. В качестве среды разработки имитационной модели выбран программный пакет Matlab.

Технология LTE

В отличие от GSM и UMTS, которые стали стандартами для 2G- и 3G-связи, технология LTE может использовать более широкий спектр частот. Помимо этого для улучшения качества сети возможно расширение спектра за счет использования агрегации частот или совместного использования полос частот, выделенных отдельными операторами [2–4; 10]. В России с учетом существующих ограничений для сотовых операторов выделено 5 частотных диапазонов стандарта LTE: 800; 900; 1800; 2100 и 2600 МГц. Размеры ширины канала для систем стандарта LTE стандартизованы 3GPP и включают в себя набор из шести значений: 1,4; 3; 5; 10; 15 и 20 МГц. Преимущества технологии позволяют также внедрить поддержку NB-IoT и VoLTE.

Оценка распространения сигнала LTE с учетом лиственного леса

Диапазон 800 МГц в отличии от других диапазонов имеет самый большой радиус покрытия радиосигнала, но низкие скорости передачи данных. Используется для обеспечения широкого покрытия в больших и малонаселенных городах. Ширина полосы – до 5 МГц. Преимущества покрытия позволяют также внедрить поддержку NB-IoT и VoLTE.

Диапазон 900 МГц ранее распределялся под использование GSM и UMTS. Переис-пользование частот для развития технологии LTE стало возможным благодаря решению Государственной комиссии по радиочастотам (далее – ГКРЧ). LTE-900 имеет высокую проникающую способность радиосигнала. Ширина полосы – до 5 МГц. Большой радиус покрытия и возможность переиспользования спектра частот GSM-900 позволяет обеспечивать сетью LTE небольшие города и населенные пункты в сельской местности, при этом затрачивается минимум средств. Может использоваться как альтернатива LTE-800.

Диапазон 1800 МГц первоначально предназначался для систем GSM-1800; с 2011 года по решению ГКРЧ появилось возможность использовать эти частоты для развертывания систем LTE. Эта частота является золотой серединой между частотами 800 и 2600 МГц, предоставляющей хороший радиус покрытия, скорость передачи данных и возможность обслуживания большего количества абонентов, которые будут потреблять больше ресурсов. Ширина полосы – до 15 МГц, что дает возможность разворачивать мультистандарт-ные базовые станции системы радиодоступа с одновременной поддержкой LTE и GSM.

Диапазон 2100 МГц ранее распределялся под использование сетями UMTS. Переис-пользование частот стало возможным после принятого в июле 2017 года решения ГКРЧ. Использование данного диапазона для технологии LTE позволяет обеспечить высокоскоростным мобильным интернетом территории удаленных российских деревень и сел, уже использующих технологию UMTS. Ширина канала – до 15 МГц, что дает возможность разворачивать мультистандартные базовые станции системы радиодоступа с одновременной поддержкой LTE и UMTS. Является хорошей альтернативой LTE-2600 за счет большего радиуса покрытия.

Диапазон 2600 МГц является самым быстрым и распространенным среди LTE. Подходит для многолюдных районов, но обеспечивает малый радиус радиопокрытия. Ширина каналов – до 20МГц.

Методика проведения экспериментов

Для оценки влияния лесных массивов на распространение радиосигнала существуют различные виды моделей распространения радиоволн, которые учитывают электродинамические свойства растительности различных типов, а также другие факторы, влияющие на распространение в условиях неоднородной растительности. Для оценивания параметров используется метод имитационного моделирования. В качестве среды разработки имитационной модели выбран программный пакет Matlab. Разработанная программа позволяет выбрать модель распространения радиоволн и по заданным параметрам вычислить затухание и дальность распространения сигнала. Частотный диапазон выбранных моделей позволяет сделать анализ для LTE-800, LTE-900, LTE-1800, LTE-2100 и LTE-2600.

На Рисунке 1 представлен интерфейс разработанной программы.

Исходя из сложности трассы рассматриваются следующие методы: универсальная модель (далее – УМ) [5; 11], модель one woodland terminal (далее – OWTM) [5; 11], многолучевая модель (далее – ММ) и knife-edge (далее – KЕ) модели [6–9; 11]. Для оценки эффективности методов результаты сравниваются с фактическим покрытием LTE-1800. Лес лиственный. Измерения проводились летом 2021 года, в движении для выяснения ста- бильности сигнала, в конкретных точках – на внушительном отдалении от базовой станции. Расстояние мест контрольных измерений было выбрано таким образом, чтобы измерительный комплекс находился в зоне излучения антенны. В состав измерительного оборудования входили: измерительный комплекс для анализа радиопокрытия в сетях LTE; персональный компьютер со специальным программным обеспечениемдля мониторинга и контроля работы; 4 сотовых телефона c поддержкой LTE фирмы Huawei, LG, Samsung и Apple для тестирования работы.

Рисунок 1. Интерфейс разработанной программы

На Рисунке 2 представлен участок трассы, на котором проводились эксперименты, с указанием рельефа местности.

Рисунок 2. Участок трассы, на котором проводились эксперименты, с указанием рельефа местности

Оценка распространения сигнала LTE с учетом лиственного леса

Как видно по Рисунку 2, трасса имеет сложный рельеф, и из-за сильного перепада высот удается обеспечить сигналом связи лишь отдельный участок. За счет отражения от природных объектов при распространении сигнала сектора 1 покрытие трассы составляет 16,9 км. На пути распространения сигнала в секторе 2 встречается подъем, и прямую видимость ограничивает сопка, вследствие чего покрытие трассы составляет 4 км. Также необходимо учитывать, что на более дальних расстояниях телефон способен осуществлять скачивание и передачу данных, но возможно пропадание сигнала. В качестве источника сигнала использовалась двухсекторная антенна фирмы Kathrein: сектор 1 – 80 градусов и сектор 2 – 160 градусов. Для электроснабжения использовалась схема альтернативной энергетики [1]. Для анализа дальности распространения сигнала в Таблице 1 показаны значения уровня сигнала, которые предложено считать соответствующими очень плохому, плохому, хорошему и очень хорошему качеству сигнала.

Таблица 1

Значения уровня сигнала

Качество сигнала	Значение уровня сигнала, дБм
Очень хорошее	≥ –80
Хорошее	–80	–90
Плохое	–90 …	–100
Очень плохое	≤ –100

Результаты моделирования

На Риунке 3 показан общий график затухания радиосигнала на частоте 1800 МГц сектора 1 (C-1) и сектора 2 (C-2) для четырех моделей.

Рисунок 3. Общий график затухания сигнала на частоте 1800 МГц для сектора 1 и сектора 2

На Рисунке 4 показан общий график прогнозирования уровня радиосигнала на частоте 1800 МГц сектора 1 и сектора 2 для четырех моделей.

Рисунок 4. Общий график уровня радиосигнала на частоте 1800 МГц для сектора 1 и сектора 2 , рассчитанный выбранными методами

Так как на пути сектора 2 встречается помеха в виде большой сопки, полученные расчеты для этого сектора не учитываются при выборе подходящей модели, потому что с увеличением частоты зона покрытия не изменится.

Результаты моделирования и экспериментальные данные на частоте 1800 МГц для сектора 1 показаны на Рисунке 5.

Результаты распространения сигнала LTE-1800 в зависимости от модели для лиственного леса, полученные с помощью моделирования и экспериментальным путем, показаны в Таблице 2.

Таблица 2

Результаты распространения сигнала в зависимости от модели для лиственного леса

Модель	Дальность распространения сигнала LTE-1800
	Теория		Практика
	Сектор 1 , км	Сектор 2 , км	Сектор 1 , км	Сектор 2 , км
Универсальная	19,9	5	16,9	4
Многолучевая	19,7	5
One woodland terminal	15,1	4,3
Knife-edge	19,9	5

На основе полученных данных можно сделать следующие выводы. Так как на пути сектора 2 встречается помеха в виде большой сопки, полученные расчеты для этого сектора не учитываются при выборе подходящей модели, так как с увеличением частоты зона по-

Оценка распространения сигнала LTE с учетом лиственного леса крытия не изменится. Модель one woodland прогнозирует хороший уровень сигнала до 14,7 км и с возможным пропаданием до 15,1 км. Данная модель подходит не для всех условий, но, не смотря на это, позволяет учитывать, на каком километре будет неустойчивый сигнал, что тоже важно при планировании новых базовых станций. Многолучевая, knifeedge и универсальная модели показывают похожие результаты и прогнозируют хороший уровень сигнала до 17,5 км с возможным пропаданием до 19,9 км. Однако точность результатов математической knife-edge и многолучевой моделей зависит от входных данных, поэтому без учета каких-либо параметров рассматриваемой местности можно получить некорректные результаты.

Рисунок 5. Результаты моделирования и экспериментальные данные на частоте 1800 МГц для сектора 1

Основываясь на практических показаниях покрытия, полученных в результате экспериментальных исследований на реальном участке автодороги Лидога – Ванино в Хабаровском крае, для дальнейшего анализа на территории загородных трасс края рекомендуется использовать универсальную и многолучевую модели. В связи с этим для анализа LTE-2600 будут использоваться именно эти модели.

Прогнозирование покрытия для LTE-2600

Для расчета дальности распространения радиосигнала LTE-2600 используются те же ключевые параметры, что и для LTE-1800.

Результаты затухания радиосигнала на частоте 2600 и 1800 МГц, рассчитанные при помощи универсальной и многолучевой моделейдля сектора 1 , показаны на Рисунке 6.

Результаты прогнозирования уровня радиосигнала на частоте 2600 и 1800 МГц, рассчитанные при помощи универсальной и многолучевой моделей для сектора 1 , показаны на Рисунке 7.

Результаты распространения сигнала LTE для сектора 1 в зависимости от диапазона и модели для лиственного леса показаны в Таблице 3.

Рисунок 6. Результаты затухания радиосигнала на частоте 2600 и 1800 МГц, рассчитанные при помощи универсальной и многолучевой моделей для сектора 1

Рисунок 7. Результаты расчетов уровня радиосигнала на частоте 2600 и 1800 МГц, рассчитанные при помощи универсальной и многолучевой моделей для сектора 1

Таблица 3

Результаты распространения сигнала LTE для сектора 1 в зависимости от диапазона и модели для лиственного леса

Модель	Дальность распространения сигнала LTE
	LTE-2600, км	LTE-1800, км
Универсальная	7,7	19,9
Многолучевая	7,8	19,7

Оценка распространения сигнала LTE с учетом лиственного леса

Результаты проведенных измерений показывают, что при использовании технологии LTE-1800 можно достигнуть большего покрытия местности со сложным рельефом, чем при использовании LTE-2600. Если в приоритете высокая скорость передачи данных, то для этого подойдет технология LTE-2600; если перед оператором стоит цель по обеспечению территории хорошим покрытием, то необходимо использовать LTE-1800. Помимо этого для улучшения качества сети возможно расширение спектра за счет использования агрегации частот или совместного использования полос частот, выделенных отдельными операторами.

Заключение

В работе проведен анализ распространения радиоволн на сложной по рельефу автомобильной трассе Лидога – Ванино Хабаровского края, окруженнойлиственным лесом. Исходя из сложности трассы рассматриваются следующие методы для расчета дальности связи: универсальна, one woodland terminal, многолучевая и knife-edge модели. Полученные в работе результаты подтверждаются экспериментально. Анализ представленных методов показывает, что для дальнейшего использования при размещении базовых станций на территории загородных трасс Хабаровского края стандарта LТЕ рекомендуется использовать универсальную и многолучевую модели.

Анализ результатов распространения радиосигналов LTE показывает, что на сложных по рельефу загородных трассах для обеспечения максимально устойчивого покрытия необходимо использовать стандарт LTE-1800.

Предложенные методы, модели и технические решения позволяют учесть распространение радиоволн еще на этапе проектирования радиосистем и устройств связи для практической реализации современной инфраструктуры передачи голоса и данных на сложных по рельефу загородных трассах.