WERYFIKACJA EKSPERYMENTALNA MODELI TŁUMIENIA FAL RADIOWYCH SŁUŻĄCYCH DO EFEKTYWNEGO WYZNACZENIA POZIOMU SYGNAŁU UŻYTECZNEGO I ZAKŁÓCAJĄCEGO

Transkrypt

1 WERYFIKACJA EKSPERYMENTALNA MODELI TŁUMIENIA FAL RADIOWYCH SŁUŻĄCYCH DO EFEKTYWNEGO WYZNACZENIA POZIOMU SYGNAŁU UŻYTECZNEGO I ZAKŁÓCAJĄCEGO EXPERIMENTAL VERIFICATION OF MODELS OF RADIO WAVE ATTENUATION TO EFFECTIVE DETERMINE OF LEVEL OF USEFUL AND JAMMING SIGNAL Robert MATYSZKIEL 1*, Paweł KANIEWSKI 1*, Bogusław GROCHOWINA 1*, Mateusz KUSTRA 1*, Rafał POLAK 2# 1 Wojskowy Instytut Łączności, Zegrze, ul. Warszawska 22A 2 TRANSBIT, Warszawa, ul. Łukasza Drewny 80 e mail: * {r.matyszkiel, p.kaniewski, b.grochowina, m.kustra}@wat.edu.pl; # rafal.polak@transbit.com.pl Streszczenie: W chwili obecnej, jednym z głównych zadań stawianych systemom odpowiedzialnym za przygotowanie bezprzewodowych systemów łączności jest wyznaczenie poziomów sygnału użytecznego i zakłócającego w miejscu odbioru sygnału. W tym celu potrzebna jest znajomość wiarygodnych modeli tłumienia fal radiowych uwzględniających szereg parametrów. Jednym z powszechnie używanych modeli tłumienia fal radiowych jest model Longley-Rice (L-R), który pozwala na wyznaczenie wartości poziomu sygnału (użytecznego, zakłócającego) w punkcie odbioru z uwzględnieniem profilu terenu od nadawcy do odbiorcy, w zakresie częstotliwości od 20 MHz do 40 GHz. W pierwszej części artykułu zamieszczono opis modelu L-R uwzględniający specyfikę działania systemu łączności bezprzewodowej. W drugiej części przedstawiono wyniki przeprowadzonych pomiarów tłumienia fal radiowych dla wybranych lokalizacji i przy zastosowaniu radiostacji szerokopasmowej, pracującej w zakresie MHz. W części trzeciej przedstawiono wartości tłumienia fal radiowych dla wybranych lokalizacji obliczone z wykorzystaniem modelu L-R i oprogramowania Radio Mobile oraz Brokera Częstotliwości (BCz) opracowanego w WIŁ. W podsumowaniu przedstawiono wartości parametrów modelu L-R, które trzeba przyjąć, aby wiarygodnie wyznaczyć wartość tłumienia fal radiowych dla wybranych lokalizacji i określonych parametrów pracy radiostacji. Słowa kluczowe: modele tłumienia fal radiowych, Longley-Rice, radiostacja szerokopasmowa. Abstract: Currently, one of major tasks of the systems responsible for initialising and maintenance of the wireless communications is evaluation of the exact levels of useful and jamming signals in the receive area. For this purpose reliable radio wave attenuation models are needed that take into account various parameters. One of the most commonly used radio wave attenuation model is the Longley-Rice (L-R) scheme, which enables to estimate signal level (both useful and jamming) in the receive area, taking into account terrain profile between the transceiver and the receiver within the frequency range from 20 MHz to 40 GHz. The first part of the article contains description of the L-R model that takes into account the specificity of the wireless communications system. The second part presents the results of measurements of the radio wave attenuations for chosen locations and broadband radios operating in MHz frequency range. The third part presents the attenuation of radio waves for chosen locations. They were calculated using the L-R model and Radio Mobile software and the Frequency Broker made in the Military Communication Institute. The summary includes the values of parameters for the L-R model that had to be assumed in order to determine reliably the attenuations of radio waves for specific locations and specific work parameters of radios. Keywords: radio waves attenuation model, Longley-Rice, broadband radio. 1

2 1.WSTĘP XI Konferencja Naukowo-Techniczna W ramach niniejszej pracy dokonano porównania wyników badań tłumienia szerokopasmowego sygnału radiowego przeprowadzonych w warunkach poligonowych w okolicach miejscowości Greding (Niemcy) z wartościami tłumienia fal radiowych wyliczonymi na podstawie modelu Longley-Rice a. Pomiary prowadzone były w dniach maja 2016 r. na poligonie doświadczalnym sprzętu łączności i elektroniki (WTD-81) Bundeswehry. Jako źródło sygnału szerokopasmowego wykorzystywano radiostację R-450C. Ze względów formalnych (otrzymany przydział częstotliwości) została wykorzystana szerokość pasma sygnału radiowego równa 1 MHz. Jedna z radiostacji została zainstalowana w centrum radiowym z anteną na dachu budynku, a druga na pojeździe. Dla lokalizacji, w których wykonano pomiary tłumienia fal radiowych, obliczono wartości tłumienia z użyciem oprogramowania Radio Mobile wykorzystującego model L-R. Następnie dokonano porównania wyników pomiarów z wartościami otrzymanymi na podstawie obliczeń. Otrzymane wyniki wykorzystane zostaną w module wyznaczania macierzy tłumienia brokera częstotliwości w celu dokładnego wyznaczenia poziomu sygnału zakłócającego i poziomu sygnału użytecznego. Szczegółowy opis modelu L-R znajduje się w dokumencie ESSA (Environmental Science Services Administration) Technical Report ERL 79-ITS 67 Prediction of Tropospheric Radio Transmission Loss Over Irregular Terrain. 2.WARTOŚCI TŁUMIENIA UZYSKANE NA PODSTAWIE POMIARÓW Odbiornik radiostacji R-450C wyposażony jest w funkcję pomiaru mocy sygnału odbieranego. Moc podawana jest w dbm, w zakresie od około -100 dbm do -40 dbm. Okresowo (co 2 sekundy) poziomy sygnałów odbieranych od radiostacji R-450C znajdujących się w sieci radiowej były zapisywane do pliku tekstowego przy wykorzystaniu aplikacji MIDNet_getNeighbourhood opracowanej wcześniej w WIŁ. Dodatkowo zapisywane były informacje o położeniu radiostacji, przez co w kolejnym etapie stosunkowo łatwo można było określić lokalizacje radiostacji niezbędne do wykonania obliczeń tłumienia. 2

3 Widok okna aplikacji MIDNet_getNeighbourhood przedstawia rysunek 1. Rysunek 1. Widok okna aplikacji MIDNet_getNeighbourhood Na rysunku 2a przedstawiono otrzymane wyniki pomiarów mocy odbieranej dla patrolu nr 1. Kolorem białym zaznaczono poziomy mocy powyżej -90 dbm, a kolorem czerwonym równe -90 dbm oraz poniżej tej wartości. Znaki szare oznaczają przesłonięcie ikony przez inny pobliski punkt pomiarowy. Rysunek 2b przedstawia moc odbieraną pomierzoną w relacjach do punktów na trasie patrolu nr 2. Rysunek 2. Moc odbierana pomierzona w relacjach do punktów na trasie: a) patrolu nr 1; b) patrolu nr 2 3

4 3.WARTOŚCI TŁUMIENIA OBLICZONE NA PODSTAWIE MODELU L-R Do obliczenia tłumienia sygnału radiowego zgodnie z modelem Longley-Rice a wykorzystany został program Radio Mobile udostępniony przez firmę Transbit producenta badanych radiostacji R-450C. Określane było przy jego pomocy tłumienie sygnału na drodze między antenami radiostacji na stanowisku dowodzenia (na rysunkach oznaczone jako Command Post) oraz radiostacji w pojeździe poruszającym się po trasie patrolu nr 1 i patrolu nr 2. Współrzędne do obliczeń uzyskano na podstawie pomiarów przeprowadzonych w czasie testów terenowych, aby obliczone wartości można było porównać z wartościami pomierzonymi. Do obliczeń wprowadzono rzeczywiste wysokości zawieszenia anten, wykorzystywanej mocy nadajnika oraz parametry odbiornika radiostacji R-450C. Na rysunkach przedstawionych poniżej widoczne są linie prowadzone od stanowiska dowodzenia do punktów znajdujących się na trasie patrolu, dla których obliczane było tłumienie na podstawie modelu Longley-Rice a. Linie w kolorze zielonym między punktami na trasie patrolu oznaczają, że przestrzeń między antenami nie jest przesłonięta, kolor czerwony anteny się nie widzą. Obszar zakreskowany to teren WDT-81. Rysunek 3. a)pierwsze 50 relacji radiowych od stanowiska dowodzenia do punktów znajdujących się na trasie patrolu nr 1; b) pozostałe relacje radiowe z trasy patrolu nr 1 4

5 Rysunek 4. Relacje radiowe z trasy patrolu nr 2 Na kolejnym rysunku przedstawiony został przykładowy profil terenu, na którym występują przeszkody terenowe przesłaniające widoczność anten. Rysunek 5. Przykładowy profil terenu z przeszkodami przesłaniającymi widoczność 5

6 Rysunek 6. Tłumienie obliczone w relacjach do punktów na trasie a) patrolu nr 1; b) patrolu nr 2 4.PORÓWNANIE WYNIKÓW POMIARÓW TŁUMIENIA Z WARTOŚCIAMI OBLICZONYMI Do wizualizacji wyników wykorzystano podkład mapowy Google Maps, a wyniki zapisano w plikach *.kml. Kolor czerwony użyty został do wskazania punktów, w których różnica pomiędzy tłumieniem obliczonym i pomierzonym przekracza 20 db. Rysunek 7. Porównanie tłumienia zmierzonego i obliczonego dla a) patrolu nr 1; b) patrolu nr 2 6

7 Na rysunku 7 przedstawione zostało porównanie tłumienia zmierzonego i obliczonego dla patrolu nr 1 i nr 2. Na podstawie powyższych wyników obliczono dla trasy nr 1 i trasy nr 2 [db]: wartość średnią 12,60 i 17,78 medianę 11,05 i 18,10 odchylenie standardowe 13,11 i 10,60 odchylenie średnie 10,43 i 7,60 Dla wszystkich pomiarów łącznie parametry te wynoszą [db]: wartość średnia 15,50 mediana 16,05 odchylenie standardowe 12,01 odchylenie średnie 9,36 5. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Największą wartość praktyczną przy wyznaczaniu poziomu sygnału zakłócającego i poziomu sygnału użytecznego posiadają odchylenie średnie i standardowe, ponieważ pokazują nieusuwalny fizycznie rozrzut wartości mierzonych w stosunku do wartości wynikających z modelu propagacyjnego. Z kolei wartość średnia i medianowa są obciążone nieznanym dokładnie zyskiem antenowym na danej częstotliwości, stratami fidera i złączy. Przy obliczeniach poziomu mocy sygnału odbieranego przyjęto zysk antenowy równy 0 dbi, co tłumaczy obserwowaną różnicę. Przy założeniu, że rozkład różnicy tłumienia obliczonego i zmierzonego jest rozkładem normalnym, z prawa trzech sigm wynika, że: w 68,27 % przypadków uzyskane wartości różnią się od wartości oczekiwanej o mniej niż 12 db; w 95,45 % przypadków uzyskane wartości różnią się od wartości oczekiwanej o mniej niż 24 db; w 99,73 % przypadków uzyskane wartości różnią się od wartości oczekiwanej o mniej niż 36 db. Ponieważ rozkład nie był znany, sprawdzono liczności powyższych przedziałów na podstawie wyniku pomiarów wykonanych w 132 punktach oraz tej samej liczby obliczeń. W badanej próbie uzyskano: 7

8 w 68,18 % przypadków obserwowane różnice tłumienia odbiegają od różnicy średniej o mniej niż 12 db; w 95,45 % przypadków obserwowane różnice tłumienia odbiegają od różnicy średniej o mniej niż 24 db; w 99,24 % przypadków obserwowane różnice tłumienia odbiegają od różnicy średniej o mniej niż 36 db. Z powyższego wynika, że rozkład różnicy tłumienia obliczonego i zmierzonego można z bardzo wysoką dokładnością przybliżyć rozkładem normalnym. Otrzymane wyniki pomiarów mogą z powodzeniem zostać zastosowane do poprawnego obliczenia wartości tłumienia ścieżki w celu wyznaczenia poziomu sygnału zakłócającego i poziomu sygnału użytecznego w celu zapewnienia prawidłowej pracy systemów łączności radiowej (zapewnienie kompatybilności wewnętrznej systemów łączności radiowej). Pomiar poziomu mocy odbieranej dokonywany przez radiostację R-450C może być stosowany w Brokerze Częstotliwości dla sensingu, dobierania parametrów regulowanych modelu L-R i dynamicznego przydziału częstotliwości. 8