3.7. Вплив лісових масивів на поширення радіохвиль.
Існує велика кількість факторів, що впливають на поширення радіохвиль крізь дерева і над ними: залежність від густоти крони (літо-зима), відмінності висоти дерев, вологості, розмірів листя, розташування дерев, їх породи і т.д .; залежність від діапазону радіохвиль і пов'язаного з цим впливу гілок, стовбурів, листя на ослаблення і розсіювання радіохвиль.
Можливість порівняльної оцінки експериментальних даних між собою і з теоретичними результатами по поширенню радіохвиль різних діапазонів в лісових масивах надзвичайно складні з огляду на те, що багато експерименти проводилися без належного еталонірованія як за характеристиками вимірювальної апаратури, так і за параметрами лісових масивів, а математичні моделі поширення досить громіздкі .
Розглянемо вплив лісових масивів на умови поширення радіохвиль дециметрового діапазону, що використовується в системах стільникового мобільного зв'язку.
Як відомо, під час проектування системи мобільного зв'язку виникає проблема рівномірного радіопокриття територій, які можуть включати значні площі, вкриті лісовою рослинністю [3.13]. У зв'язку з цим необхідно мати досить точну інформацію про вплив лісів на умови поширення радіосигналів дециметрового діапазону між BTS і MS.
Як показано в роботах [3.9, 3.25], головними причинами зміни електромагнітного поля, що поширюється крізь лісовий масив, в точці прийому є:
- процеси загасання за рахунок втрат енергії в стовбурах, гілках, листках і ін .;
- процеси дифракції на елементах структури дерев, що призводить до флуктуацій амплітуди і фази сигналу, до зміни його спектру при вітрових навантаженнях на дереві;
- результуюче електромагнітне поле в точці прийому являє собою інтерференційне поле, складовими якого є:
■ розсіяні після дифракції компоненти поля;
■ виникають додаткові (наприклад, ортогональні) складові електромагнітного поля, що призводять до крос-поляризації сигналу;
■ відображення поля від підстильної поверхні лісу, що приводить до додаткових флуктуацій радіосигналу;
■ зміна щільності лісових масивів зі зміною пори року, що приводить до зміни питомої коефіцієнта загасання;
■ зміна вологості лісу зі зміною погодних умов;
■ зміна положення елементів дерев в залежності від вітрового навантаження, що призводять до флуктуацій поля;
■ зміна положення мобільної станції MS щодо BTS і лісового масиву та ін.
Зміна спектра радіосигналу при розповсюдженні в лісовому масиві при вітрових навантаженнях.
При вітрових навантаженнях на лісові масиви стовбури, гілки і листя дерев роблять складні просторові коливання під дією змінюється в часі повітряного тиску.
Розподіл повітряного потоку уздовж довжини лісового масиву має такі особливості (рис. 3.31).
Мал. 3.31. Розподіл повітряного потоку уздовж довжини лісового масиву: область / - узлісся (передня кромка лісу); область II - область основного вітрового потоку і дифузії всередині лісу; область III - тильна кромка лісу
При швидкості набігання повітряного потоку U0 на лісовий масив потік повітря починає обтікати кромку лісу, піднімаючись до крон дерев, і на відстані (50. 80) м від кромки швидкість вітру зростає, далі рух повітряного потоку над кронами дерев (при малому опорі) як би розщеплюється, при цьому частина цього потоку дифундує всередину лісового масиву. Як показали експерименти, швидкість потоку всередині лісу має порядок Г //
1 м / с, а над лісом - може досягати 10. 20 і більше метрів в секунду. На тильній крайці стороні лісу відбувається зрив ліній струму повітряного потоку і вихорі-освіту.
Потік повітря всередині лісу, зважаючи на значний аеродинамічного опору, має швидкість Uf
(0,02. 0,03) ^ вже на відстані 200. 250 м від передньої кромки лісу, але може, як зазначалося вище, досягати 1 м / с.
Зрив ліній струму повітряного потоку відбувається приблизно на відстані Lm
15h / (при hf = 20 м Ьш
При наскрізному поширенні радіохвилі коливання елементів лісу призводять до зміни коефіцієнта загасання а й фазового коефіцієнта (3 із застосуванням ефективної діелектричної проникності, а значить амплітуди і фази сигналу в точки прийому.
В результаті впливу вітру на ліс відбувається зміна спектра радіосигналу, що поширюється в лісі. До доплеровским частотам, які виникають при русі мобільних станцій щодо BTS, додаються низькочастотні складові, що виникають внаслідок дії вітру на елементи лісу.
В роботі [3.21] досліджуються зміни спектрів монохроматичних радіосигналів при відображенні від лісових масивів, елементи яких коливаються під дією вітру, при малих кутах ковзання (0 <5. 6°), при этом для усредненной зависимости энергетического спектра S(F) от частоты (в диапазоне от 0 до 100 Гц) характерны следующие области (рис. 3.32):
S (Fs<10 Гц) (-10) дБ — описывается гауссовым законом (то есть распределение скоростей движения близко к нормальному);
S (Fs> 10 Гц) - форма S (Fs) може бути описана статечним законом S (Fs)
1 / FS4, причому статечної закон зміни S (Fs) зберігається аж до частоти Fs ^ 200 Гц.
Мал. 3.32. Усереднена залежність енергетичного спектра S (F) від частоти
Залежність ширини спектрів (що характеризують зміну Fs при зміні швидкості вітру Uw) в залежності від Uw представлена на рис. 3.33 [3.21], з якого випливає, що основний внесок у формування спектру відбитого сигналу вносять гілки і вершини дерев, так як графік FS (UW) побудований як залежність ширини спектру при певному значенні дисперсії і функції кореляції для заданої швидкості вітру Uw.
Як зазначається в роботі [3.21], при відображенні радіосигналів від тих, хто вагається елементів лісу спостерігалася істотна деполяризация сигналів, слабка кореляція між елементами матриці зворотного розсіювання, тобто елементарні відбивачі, що формують відбитий радіосигнал, мають розміри малі або співмірні з довжиною хвилі.
Мал. 3.33. Залежність доплеровской частоти від швидкості вітрового навантаження на лісовій массівіс.
Таким чином, в системах стільникового мобільного зв'язку, в яких використовується дециметровий діапазон хвиль, необхідно враховувати, що в лісовому масиві з вітрової навантаженням в спектрі радіосигналу можуть з'явитися низькочастотні складові, які можуть викликати спотворення при демодуляції.
Таким чином, проходження радіохвиль крізь лісові масиви супроводжується, як це випливає з попереднього розгляду, не тільки інтегральним загасанням енергії хвилі, але і зміною площини поляризації, результуючої амплітуди і фази хвилі в точці прийому, зміною її спектра, при цьому всі ці явища також змінюються в залежності від пори року, погодних умов, розташування BTS і MS, висоти антени BTS і т.п.
Отримані результати доводять сильний вплив лісових масивів на загасання радіохвиль, викликаючи крос-поляризацію, зміна спектра сигналів (так зване «розширення смуги частот») при вітрових навантаженнях і ін. Ці результати становлять основу для отримання фундаментального фізичного уявлення про те, як протікають процеси поглинання радіохвиль дециметрового діапазону в лісових масивах, і можуть бути використані при проектуванні стільникових систем мобільного зв'язку (по розділу - радіопокриття території).
Так як для стандарту GSM стільникового мобільного зв'язку використовуються хвилі на частотах 900, 1800 і 1900 МГц, спробуємо узагальнити експериментальні дані щодо впливу лісових масивів при наскрізному поширенні радіохвиль цих діапазонів.
Мак Патрі і Форд [3.21] досліджували коефіцієнт ослаблення при поширенні радіохвиль через товщу лісу глибиною L
85 м (ліс - листяний, час - літній, дере-ров'я повністю покриті листям) на частоті / = 1200 МГц для вертикальної поляризації радіохвиль і отримали значення погонного коефіцієнта загасання для вертикально поляризованої хвилі порядку ав
0,35 дБ / м, а для горизонтально поляризованої - аг
ОД дБ / м, при цьому з ростом частоти зростає загасання:
Експерименти, проведені за оцінкою фактора кроссполярізаціі (рівного відношенню амплітуди напруженості електричного поля вертикально поляризованої хвилі до горизонтально поляризованої XPD = Emv / Emh), показали, що на частотах 900, 1000 МГц величина XPD змінюється в межах -10 3 до 16 м і зміні довжини радиолуча від 150 до 1000 м. Деполяризація радіохвиль в лісах проявляється в залежності від відношення висоти приймальної антени мобільного станції до довжини хвилі так як Emv різко послаблюється (наводяться струми в вертикальних стовбурах дерев), a Emh - менш ослаблена, тому фактор кроссполярізаціі XPD <0 дБ. В діапазоні частот від 500 МГц до 3000 МГц і для відстаней, що перевищують більш ніж в 5 разів висоту дерев, експериментальні результати досить добре узгоджуються з теоретичними розрахунками для моделі дифракції на ідеальному гострому клині в припущенні, що відстань і висоти обрані одними і тими ж. Таким чином, лісові масиви на частотах, які використовуються в стандарті GSM, надаютьнаступне вплив на умова поширення радіохвиль: - поширення радіохвиль завжди супроводжується кроссполярізаціей при факторі кроссполярізаціі, що лежить в межах: XPD «від 0 до (-10) дБ; - проявляється різка зміна ефективного робочого загасання в залежності від висоти розташування прийомної антени і її орієнтації в просторі та ін.