Oddział we Wrocławiu Zakład Kompatybilności Elektromagnetycznej (Z-21) Wybrane problemy koordynacji transgranicznej systemów radiokomunikacji ruchomej Sprawozdanie nr Z21/21 30 004 1/1448/11 Wrocław, lipiec 2011
Metryka dokumentu Nr pracy : 21 30 004 1 Nazwa pracy : Wybrane problemy koordynacji transgranicznej systemów radiokomunikacji ruchomej Zleceniodawca : Instytut Łączności - Państwowy Instytut Badawczy Data rozpoczęcia : maj 2011 r. Data zakończenia : lipiec 2011 r. Słowa kluczowe Systemy radiokomunikacji ruchomej lądowej, kompatybilność elektromagnetyczna, koordynacja międzynarodowa Wykonawca pracy : dr inż. Maciej J. Grzybkowski Praca wykonana w Zakładzie Kompatybilności Elektromagnetycznej Instytutu Łączności we Wrocławiu Kierownik Zakładu: dr inż. Janusz Sobolewski Niniejsze opracowanie może być powielane i publikowane wyłącznie w całości Powielanie i publikowanie fragmentów wymaga uzyskaniu zgody Instytutu Łączności Copyright by Instytut Łączności, Wrocław 2011
Wybrane problemy koordynacji transgranicznej systemów radiokomunikacji ruchomej Spis treści 1 Wstęp... 2 2 Metody współużytkowania systemów radiowych na wspólnym bądź przylegającym obszarze działania... 4 3 Efektywność współużytkowania widma w pobliżu granic... 8 3.1 Efektywność wykorzystania widma przy koordynacji częstotliwości... 14 3.2 Efektywność wykorzystania widma przy koordynacji geograficznej... 16 4 Modele propagacyjne zalecane do użycia podczas koordynacji transgranicznej 19 4.1 Model propagacyjny 452... 22 4.1.1 Tłumienie trasy o bezpośredniej widoczności (LoS) przy propagacji w wolnej przestrzeni i tłumieniu fali radiowej w atmosferze... 26 4.1.2 Tłumienie trasy pozahoryzontowej (NLoS) związane ze zjawiskiem dyfrakcji... 26 4.1.3 Rozproszenie troposferyczne... 28 4.1.4 Propagacja w duktach troposferycznych... 29 4.1.5 Dodatkowe tłumienia ze względu na przeszkody otaczające anteny... 29 4.1.6 Tłumienie trasy z uwagi na rozproszenie w hydrometeorach... 32 4.2 Model propagacyjny 1546... 33 4.2.1 Krzywe propagacyjne... 34 4.2.2 Wyznaczenie skorygowanej wysokości anteny nadawczej... 38 4.2.3 Zastosowanie skorygowanej wysokości anteny nadawczej do wyznaczanie wartości natężenia pola... 40 4.2.4 Interpolacja wartości natężenia pola w funkcji odległości... 44 4.2.5 Interpolacja i ekstrapolacja natężenia pola w funkcji częstotliwości... 45 4.2.6 Interpolacja w funkcji procentu czasu... 46 4.2.7 Korekta wysokości anteny odbiorczej... 47 4.2.8 Korekta na trasy miejskie i podmiejskie... 49 4.2.9 Poprawka ze względu na kąt prześwitu terenu... 49 4.2.10 Zmienność miejsc w predykcji natężenia pola... 51 4.2.11 Korekcja ze względu na rozproszenie troposferyczne... 53 4.2.12 Natężenie pola dla trasy mieszanej... 54 5 Podsumowanie... 56 6 Literatura... 58 Wykaz ważniejszych skrótów i akronimów... 59-1 -
Maciej J. Grzybkowski Sprawozdanie Z21/21 30 004 1/1448/11 1 Wstęp Koordynacja transgraniczna systemów radiokomunikacyjnych, w tym systemów radiokomunikacji ruchomej lądowej (RRL) nosi potoczną nazwę koordynacji częstotliwości. Źródłem tego nazewnictwa jest koordynacja systemów analogowych, gdzie uzgodnienia sposobu pracy systemu i jego parametrów następowały dla określonych częstotliwości pracy systemu, w ramach wybranych uprzednio zakresów częstotliwości. Koordynacja pracy systemów na obszarach przygranicznych radiowych miała (i ma nadal) na celu ułożenie tam harmonijnego współużytkowania widma przez wszystkie sąsiadujące kraje. Wprawdzie uzgodnieniom transgranicznym podlegały parametry sieciowe stacji nadawczych, czy odbiorczych, jednak dotyczyło to zawsze pracy na tych określonych wyżej częstotliwościach. Dodatkowo, aby umożliwić w miarę swobodną pracę urządzeń radiowych na terenach przygranicznych, uzgadniano wcześniej, że podczas użytkowania pewnych wybranych po jednej stronie granicy państwa kanałów radiowych obowiązywać będą inne reguły emisji/odbioru sygnałów radiowych, niż przy użytkowaniu innych kanałów. Reguły dla kanałów wybranych były znacznie korzystniejsze, niż dla kanałów spoza tej puli. Taki sposób postępowania prowadził do wyselekcjonowania grupy kanałów wybranych do użytkowania na specjalnych warunkach (preferencyjnych) dla każdej ze stron. Kanały takie były zwane preferencyjnymi i wykorzystywane były na częstotliwościach również zwanych preferencyjnymi. Inne używane kanały były niepreferencyjnymi. Wystarczyło więc podzielić przez zainteresowane kraje dostępny zakres częstotliwości na grupy częstotliwości preferencyjnych i niepreferencyjnych, ustalić niezbędne parametry koordynacyjne (takim parametrem jest np. próg koordynacyjny, czyli dopuszczalne natężenie pola elektrycznego sygnału zakłócającego prace systemów sąsiednich na granicy kraju), aby dokonać wstępnych porozumień koordynacyjnych. Progowe wartości natężenia (czy gęstości) pola zwane progami koordynacyjnymi, które nie powinny być przekraczane na linii granicy międzypaństwowej lub w jej otoczeniu zwykle w pewnej, z góry określonej odległości od granicy stanowią miarę zachowania kompatybilności pomiędzy systemami radiokomunikacyjnymi rozmieszczonymi i użytkowanymi w różnych państwach. Przekroczenie tych wartości przez sygnał emitowany z sieci radiowej - 2 -
Wybrane problemy koordynacji transgranicznej systemów radiokomunikacji ruchomej umieszczonej w którymś z sąsiadujących państw skutkuje koniecznością wdrożenia procesu koordynacji transgranicznej [1]. Proces koordynacji transgranicznej nosi dwa oblicza. Obliczem pierwszym są czynności techniczne, które należy poczynić, aby dokonać stosownych uzgodnień możliwości pracy systemów radiowych na terenach przygranicznych. Uzgodnienia dotyczą każdej stacji radiowych (nadawczych, odbiorczych i nadawczo-odbiorczych) wchodzących w skład systemu (planowanego lub istniejącego). Parametry sieciowe tych stacji (np. lokalizacja, moc promieniowana, charakterystyka promieniowania anteny, zysk energetyczny anteny, wysokość jej zawieszenia, polaryzacja fali radiowej, rodzaj emisji, zajętość kanału, czy wysokość punktu odbioru bądź czułość odbiornika) są tak dobierane, aby uniknąć zakłóceń radiowych. W unikaniu zakłóceń ma pomóc wymóg nieprzekraczania progu koordynacyjnego na granicy kraju (lub na określonej odległości w głębi kraju sąsiedniego). Aby to sprawdzić, należy dokonać szeregu stosownych obliczeń propagacyjnych przy założeniu znajomości: parametrów sieciowych analizowanej stacji, położenia granicy, czy wreszcie ukształtowania terenu. Istnieje również potrzeba przeprowadzenia niezbędnych obliczeń zasięgów użytkowych i zakłóceniowych celem ustalenia sytuacji kompatybilnościowej na skraju obszaru obsługi każdej z analizowanych stacji. Obliczenia propagacyjne umożliwiające sprawdzenie spełnienia kryterium przekroczenia wartości progowych natężenia pola, lub w przypadku systemów szerokopasmowych gęstości natężenia pola, są wykonywane przy wykorzystaniu uzgodnionych miedzy zainteresowanymi krajami modeli propagacyjnych. Najczęściej używa się modeli propagacyjnych opracowanych i opublikowanych przez Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny ITU, korzystając z Zaleceń serii ITU- R P.xxxx. W krajach objętych Porozumieniem HCM (Harmonised Calculation Method) wykorzystywany jest model opracowany na rzecz tego porozumienia. Wybrane modele propagacyjne używane najczęściej do obliczeń koordynacyjnych będą przedstawione w dalszej części niniejszej pracy. Drugim obliczem koordynacji transgranicznej są czynności administracyjne, które należy wykonać podczas tego procesu. Należą do nich: akwizycja danych (przyjmowanie aplikacji petenta pragnącego uruchomić stację radiową w pobliżu granicy państwowej), osadzanie ich w bazie, przekazanie danych celem wykonania niezbędnych obliczeń technicznych, pozyskanie wyników tych obliczeń, utworzenie - 3 -
Maciej J. Grzybkowski Sprawozdanie Z21/21 30 004 1/1448/11 wniosku koordynacyjnego oraz wymiana informacji pomiędzy zainteresowanymi krajami (przesłanie wniosku, odbiór informacji zwrotnej). W wyniku przeprowadzenia procesu koordynacji transgranicznej aplikant uzyskuje wiedzę o możliwości instalacji swoich stacji radiowych (swojego systemu radiokomunikacyjnego) na obszarach przygranicznych, ewentualnie informację o konieczności wykonania niezbędnych działań o charakterze technicznym, mających na celu umożliwienie prawidłowego, kompatybilnego ich działania. Strona administracyjna procesu koordynacyjnego nie będzie przedmiotem niniejszych rozważań. Rozpatrując proces koordynacji stacji radiowych dokonywany przez operatora wspólnie z organem regulacyjnym (lub z innym organem upoważnionym przez regulatora) należy zwrócić uwagę na to, że niezmiernie rzadko, a nawet prawie wcale nie dokonuje się analiz efektywności widmowej implementacji systemów radiowych (sieci radiowych lub poszczególnych stacji) w pobliżu granic, które muszą współdzielić przestrzeń widmową. W ramach niniejszej pracy zaprezentowany będzie zarys takiej analizy. Z kolei o możliwości dokonania koordynacji każdej stacji radiowej decydują rezultaty obliczeń skutków jej oddziaływania na środowisko radiowe kraju sąsiedniego. Skutki te są wyrażone pośrednio poprzez obliczone wartości natężenia pola elektrycznego (bądź gęstości natężenia pola), którego źródłem jest analizowana stacja. Do wyznaczania wartości natężenia pola zakłóceń można użyć różnych metod propagacyjnych. Celowe będzie jednak użycie tylko metod wybranych pod kątem prowadzenia koordynacji. Reasumując, w kolejnych rozdziałach raportu określony będzie sposób prowadzenia wstępnych analiz efektywności widmowej, które towarzyszyć powinny procesowi koordynacji transgranicznej oraz przedstawiony będzie krytyczny przegląd niektórych metod propagacyjnych stosowanych podczas obliczeń koordynacyjnych dla systemów radiokomunikacji ruchomej lądowej. 2 Metody współużytkowania systemów radiowych na wspólnym bądź przylegającym obszarze działania Zakłócenia międzysystemowe mogą mieć miejsce wtedy, gdy widmo jest współużytkowane przez różnych użytkowników albo różne służby. Wielkość - 4 -
Wybrane problemy koordynacji transgranicznej systemów radiokomunikacji ruchomej szkodliwych oddziaływań międzysystemowych uzależniona jest od rodzaju technik użytych w radiokomunikacji a także od formy przestrzennego rozmieszczenia poszczególnych nadajników i odbiorników współużytkujących to widmo. Czynne wykorzystywanie widma po jednej stronie granicy zawsze oddziaływuje na użytkowanie widma po stronie drugiej. Nie ma bowiem możliwości takiego sterowania pracą (częstotliwościami pracy i parametrami sprzętu) użytkownika zagranicznego nie ingerując w rozwiązania systemowe po stronie rozpatrywanej, by całkowicie i bezkonfliktowo zapewnić właściwą pracę systemów po obu stronach granicy. Oddziaływanie to może być pomijalne jedynie w przypadkach użycia bardzo wielkich częstotliwości, gdy fizyka propagacji fal radiowych poważnie utrudnia rozchodzenie się sygnałów zakłócających pracę użytkownika systemów po drugiej stronie granicy, bądź w przypadkach eksploatowania sprzętu radiowego o takich parametrach, by zasięgi sygnałów zakłócających (zasięgi zakłóceniowe) były tak małe, żeby nie wykraczały poza granice. Z tego względu przy planowaniu nowych systemów należy tak konstruować architekturę rozlokowania przestrzennego poszczególnych elementów systemu radiowego oraz tak dobierać ich parametry, by prawdopodobieństwo zakłócania systemów pracujących (bądź nawet projektowanych do użytku) po sąsiedniej stronie granicy była jak najmniejsze. Już w momencie przyznawania użytkownikom licencji na wykorzystanie określonych porcji widma (rezerwacji częstotliwości) należy przewidzieć możliwość zakłócania systemów sąsiada i rozsądnie planować obszar działania tych użytkowników oraz przewidzieć możliwość występowania zakłóceń nie tylko we wspólnie użytkowanej części widma (kanały wspólne) ale i w zakresach sąsiednich (kanały sąsiednie) od góry i od dołu zakresu roboczego. Zakładając, że granica państwowa rozgranicza obszary działania systemów pracujących po obu jej stronach, ale nie rozgranicza obszaru obsługi każdego z tych systemów (jest prawie niemożliwe, by chcąc pokryć w pełni terytorium kraju, bez jakichkolwiek luk przy granicy, tak zaprojektować system, by jego obszar obsługi nie wychodził poza tę granicę) istnieje kilka scenariuszy współużytkowania takich systemów, które muszą być rozpatrzone, aby zapewnić ich kompatybilną pracę. Przede wszystkim przyjmuje się założenie, że tereny przygraniczne krajów sąsiadujących stanowią jeden wspólny obszar działania. Wtedy mamy do czynienia z następującymi przypadkami, które muszą być uwzględnione podczas koordynacji - 5 -
Maciej J. Grzybkowski Sprawozdanie Z21/21 30 004 1/1448/11 transgranicznej: praca w tym samym zakresie częstotliwości, na tym samym obszarze skutkuje zakłóceniami wspólnokanałowymi; praca w sąsiednich zakresach częstotliwości, na tym samym obszarze skutkuje zakłóceniami sąsiedniokanałowymi. Możliwe są rzadkie przypadki, gdy praca w sąsiednich zakresach częstotliwości, na tym samym obszarze skutkuje zakłóceniami wspólnokanałowymi. Natomiast częstszym przypadkiem będzie praca w tych samych zakresach częstotliwości na obszarach sąsiadujących (gdy obszary obsługi poszczególnych systemów są nieco oddalone od granicy) co może skutkować również zakłóceniami wspólnokanałowymi, ale z reguły relatywnie słabszymi. Poziom tych zakłóceń można redukować, gdy wprowadzona zostanie separacja sąsiadujących systemów. Skutkuje to polepszeniem efektywności wykorzystania widma, która skutkiem istnienia zakłóceń była dość ograniczona. Separacja ta może odbyć się na kilka sposobów. Najważniejsze z nich to [2]: Separacja częstotliwościowa cały zakres przeznaczony do użytku dzielony jest na kilka podzakresów. W każdym z tych podzakresów może pracować inna służba radiowa (np. w jednym telewizja naziemna, w drugim radiokomunikacja ruchoma lądowa, w trzecim służba stała satelitarna itp.). Łatwiejszą separację uzyska się, gdy pomiędzy sąsiadującymi podzakresami wprowadzi się pasmo (ew. kanał) ochronne. Wtedy jednak utracona jest część widma, która nie może być przeznaczona do użytku. Podobnie, każdy z tych podzakresów może być używany przez innego operatora. Przy skoordynowanej pracy różnych operatorów po obu stronach granicy można uniknąć stosowania pasm ochronnych, wówczas widmo w skali będzie w pełni wykorzystane, czyli można wtedy uzyskać maksymalną efektywność wykorzystania widma. Jednak ze względu na podział zasobów widmowych pomiędzy tych operatorów, po każdej stronie granicy efektywność wykorzystania danego zakresu częstotliwości będzie mniejsza, bo część widma (jeden lub kilka podzakresów) będzie przydzielona będzie dla potrzeb operatorów w sąsiednim kraju. Separacja geograficzna w tym przypadku każdy z operatorów może wykorzystywać całe przydzielone do dyspozycji widmo, jednak lokalizacje stacji radiowych muszą być tak dobrane, aby nie powodować zakłóceń systemu pracującego po drugiej stronie granicy. Z lokalizacjami nieodłącznie - 6 -
Wybrane problemy koordynacji transgranicznej systemów radiokomunikacji ruchomej związane są morfologia i pokrycie terenu a ponadto parametry sieciowe stacji radiowych, takie jak: rodzaj emisji, moc promieniowana, wzniesienia anten nadawczych/odbiorczych, rodzaje i usytuowanie przestrzenne charakterystyk promieniowania anten. Jest oczywiste, że używanie dużych mocy i wysoko wzniesionych anten nie pozwala na użytkowanie danej stacji radiowej w pobliżu granicy z uwagi na duże prawdopodobieństwo powodowania zakłóceń interferencyjnych a nawet blokowania odbiorników po drugiej stronie. W stosunku do stacji wspólnokanałowych musi być zachowana odległość koordynacyjna, czyli taka odległość, przy której zasięg zakłóceniowy stacji potencjalnie zakłócającej nie nakładały się na zasięg użytkowy stacji potencjalnie zakłócanej. Łatwiejsza jest separacja geograficzna (mniejsze odległości) w przypadkach, gdy rozpatrywane stacje po obu stronach granicy nie pracują nas tych samych kanałach radiowych, czyli gdy dodatkowo występuje separacja częstotliwościowa. Brak koordynacji transgranicznej prowadzi do dużych strat możliwości użytkowania obszarów położonych w otoczeniu granic państwowych. Istotne zyski może przynieść podział całego terenu na pewną liczbę rejonów, w których można zastosować zróżnicowane techniki radiowe. W takim przypadku użycie technik oferujących dużą wydajność widmową w niektórych rejonach może znacznie podwyższyć efektywność użytkowania całego obszaru przygranicznego. W pewnych przypadkach można zrównoważyć, a nawet przewyższyć straty związane z brakiem możliwości wykorzystania tego obszaru w 100% z uwagi na konieczność stosowania separacji geograficznej. Separacja czasowa może być dokonana albo organizacyjnie albo na poziomie technicznym. W tym przypadku systemy radiowe użytkowane po obu stronach granicy mogą wykorzystywać te same zakresy częstotliwości, może być nawet zaniedbana separacja geograficzna. Zachowany jednak musi być harmonogram czasowy pracy wszystkich środków radiowych systemów rozlokowanych na obszarach przygranicznych. W innych warunkach systemy muszą dokonywać automatycznej detekcji odbieranych sygnałów (realizować monitoring i analizę widma) i wykorzystywać dane częstotliwości tylko wtedy, gdy nie są używane przez systemy kraju sąsiedniego. Taki sposób separacji - 7 -
Maciej J. Grzybkowski Sprawozdanie Z21/21 30 004 1/1448/11 nie pozwala na ciągłe i bezprzerwowe użytkowanie całego dostępnego widma, ale umożliwia zwiększenie efektywności wykorzystania resursów widmowych. Separacja techniczna w takim przypadku możliwe jest wspólne, w tym samym czasie, w tym samym zakresie częstotliwości, w bezpośredniej bliskości granicy, wykorzystanie przestrzeni widmowej przez systemy pracujące po rożnych stronach granicy. Tego typu użytkowanie widma wymaga stosowania takich technik redukcji zakłóceń pochodzących od rożnych systemów, by możliwa była praca z zachowaniem kompatybilności, czyli powstałe zakłócenia nie powodowałyby znaczącej degradacji jakości tej pracy. Możliwe jest wtedy stosowanie różnych emisji radiowych, z jednej strony np. systemów szerokopasmowych o niewielkiej gęstości mocy promieniowanej w rozległym zakresie częstotliwości a z drugiej strony - systemów wąskopasmowych, również o niewielkiej mocy. Innym sposobem jest np. użycie kierunkowych anten o szpilkowych charakterystykach promieniowania (ew. anten o nachylonych charakterystykach) umożliwiających dotarcie pożądanego sygnału tylko do wybranego korespondenta i znacznie ograniczających obszar potencjalnych zakłóceń. Jeszcze innym sposobem jest stosowanie różnych polaryzacji fal radiowych. We wszystkich tych przypadkach wymagane jest jednak precyzyjne i skoordynowane planowanie wykorzystania obszarów przygranicznych, co prowadzi do zwiększenia możliwości wykorzystania widma poprzez unikanie zakłóceń pochodzących od stacji radiowych należących do rożnych systemów radiokomunikacyjnych. 3 Efektywność współużytkowania widma w pobliżu granic Widmo elektromagnetyczne wykorzystywane jest przez wielu użytkowników. Jego zasoby są ograniczone. Z tego względu eksploatacja widma powinna się odbywać w sposób racjonalny i efektywny. Efektywność wykorzystania widma stała się od dawna celem nadrzędnym organów regulacyjnych. Komisja Europejska w swoim Wniosku do Parlamentu Europejskiego i Rady [3] diagnozuje sytuację następująco: - 8 -
Wybrane problemy koordynacji transgranicznej systemów radiokomunikacji ruchomej Optymalne i efektywne wykorzystanie widma wymaga ciągłego monitorowania rozwoju sytuacji i aktualnych informacji dotyczących wykorzystania widma w całej Unii. Chociaż w decyzji Komisji 2007/344/WE w sprawie jednolitego dostępu do informacji o wykorzystaniu widma radiowego we Wspólnocie nałożono na państwa członkowskie wymóg publikowania informacji o prawach do użytkowania, to szczegółowy wykaz dotyczący obecnego stanu wykorzystania widma wraz z efektywnym przeglądem i metodyką oceny są niezbędne w Unii w celu poprawy efektywności wykorzystania widma radiowego i urządzeń radiowych, szczególnie w zakresie częstotliwości od 300 MHz do 3 GHz. Powyższe działanie pomoże w identyfikacji niewydajnych technologii i niewydajnego wykorzystania widma w sektorze komercyjnym i publicznym oraz niewykorzystywanych przydzielonych częstotliwości i możliwości wspólnego wykorzystania, jak również w ocenie przyszłego zapotrzebowania ze strony konsumentów i przedsiębiorstw. Komisja zaleca więc krajom członkowskim m.in. a) wspieranie efektywnego wykorzystania widma w celu jak najlepszego zaspokojenia popytu na korzystanie z częstotliwości; b) stosowanie neutralności technologii i usług w zakresie wykorzystania widma do celów sieci i usług łączności elektronicznej zgodnie z art. 9 dyrektywy 2002/21/WE (dyrektywa ramowa), a w możliwych przypadkach w odniesieniu do innych sektorów i aplikacji, tak aby promować efektywność wykorzystania widma, w szczególności poprzez wspieranie elastyczności, i aby promować innowacje; c) stosowanie najmniej uciążliwych systemów wydawania zezwoleń, tak aby maksymalizować elastyczność i efektywności wykorzystania widma; d) zapewnianie funkcjonowania rynku wewnętrznego, w szczególności poprzez zapewnienie efektywnej konkurencji. Polski regulator telekomunikacyjny Urząd Komunikacji Elektronicznej w swoim sztandarowym dokumencie, jakim jest Strategia regulacyjna prezesa UKE w zakresie gospodarki częstotliwościowej [4] również w wyraźny sposób podkreśla konieczność zapewnienia dużej efektywności wykorzystania zasobów widmowych. Jest to jeden z celów strategicznych gospodarki widmem, w ramach którego ma nastąpić promowanie efektywnej eksploatacji widma poprzez: - 9 -
Maciej J. Grzybkowski Sprawozdanie Z21/21 30 004 1/1448/11 a) dążenie do optymalnego wykorzystania zasobów widma poprzez promowanie systemów radiowych oszczędnie wykorzystujących widmo oraz poprzez przydzielenie systemom najodpowiedniejszego pasma częstotliwości, b) podjęcie działań zmierzających do wprowadzenia systemu opłat zachęcającego do efektywnego użytkowania widma i zrównania podaży i popytu na widmo radiowe, c) udostępnianie mechanizmów rynkowego obrotu prawami do wykorzystywania widma radiowego, d) wprowadzenie skutecznych mechanizmów prawnych, umożliwiających odzyskiwanie nieefektywnie wykorzystywanego widma przy równoczesnym opracowaniu i skonsultowaniu z rynkiem obiektywnych, przejrzystych i porównywalnych kryteriów oceny efektywności wykorzystania posiadanych zasobów częstotliwości. Efektywne wykorzystanie widma radiowego przeznaczonego na potrzeby systemów radiokomunikacyjnych, jak przedstawiono w poprzednim rozdziale, uzależnione jest od wielu czynników. To, czy widmo jest wykorzystane w dostatecznym stopniu, czy jest racjonalnie zagospodarowane czy jest marnotrawione, można stwierdzić używając jakiejś syntetycznej miary. Taka miarą racjonalnego gospodarowania widmem jest współczynnik wykorzystania widma [5]. Współczynnik wykorzystania widma U związany jest z pojęciem czasoprzestrzeni elektromagnetycznej, stanowiąc kombinację szerokości zajmowanego pasma częstotliwości, rozmiarów przestrzeni geograficznej (geometrycznej, zwykle powierzchni) oraz czasu niezbędnego do spełnienia funkcji komunikacji drogą radiową. U = B A T (1) gdzie: B szerokość niezbędnego pasma (zakres częstotliwości), A wymiar przestrzeni (powierzchni) geometrycznej, T czas. Pojęcie czasu użyte w wyrażeniu (1) dotyczy czasu niedostępnego dla innych potencjalnych użytkowników widma. W wielu rozważaniach dotyczących efektywności wykorzystania widma czynnik ten jest pomijany, przy milczącym - 10 -
Wybrane problemy koordynacji transgranicznej systemów radiokomunikacji ruchomej założeniu wykorzystywania systemów radiowych w sposób ciągły, przez 24 godziny na dobę. Natomiast dla wielu służb radiokomunikacyjnych czynnik czasu jest istotny i przy rozważaniu efektywności wykorzystania widma uwzględniać trzeba równocześnie wszystkie trzy czynniki i poddawać je optymizacji. Jak zauważono w [5], badając zasoby widmowe, zwykle następuje odniesienie do nadajników, które wypełniają przestrzeń widmową mocą fal radiowych. Ale to odbiorniki decydują o wykorzystaniu przestrzeni dla potrzeb niezakłóconych transmisji radiowych. Odbiorniki decydują o wykluczaniu szkodliwych nadajników, czyli takich nadajników, które generują szkodliwe zakłócenia właśnie w stosunku do nich. Z tego względu licencje (koncesje, pozwolenia, zezwolenia) przyznawane są dla nadajników, które muszą być precyzyjnie lokalizowane, aby unikać szkodliwych zakłóceń. W analizach efektywności nie bierze się pod uwagę przestrzeni efektywnie wykorzystywanej przez dany system, tylko przestrzeń niedostępną dla innych systemów. Do oceny przestrzeni efektywnie wykorzystanej służy zasięg użytkowy danej radiostacji (sumy zasięgów użytkowych w systemie), natomiast powierzchnia przestrzeni niedostępnej jest określona przez zasięg zakłóceniowy (sumę zasięgów zakłóceniowych). W przypadku systemów radiokomunikacji ruchomej lądowej, a w szczególności systemów komórkowych, powierzchnia przestrzeni zajętej przez jedną stację radiową znacznie przekracza obszar zasięgu użytkowego. Natomiast cały system zajmuje niewiele więcej przestrzeni, niż wynosi jego efektywny obszar działania [6]. Efektywność wykorzystania widma radiowego (efektywność widmowa η w ) przez konkretny system radiowy wyrażana jest przez złożone kryterium: η = { M, U} = { M, B A T} (2) w gdzie M miara uzyskanego efektu. Zgodnie z [3], jeżeli jest to potrzebne, powyższe złożone kryterium można uprościć do postaci prostego wskaźnika efektywności widmowej M M η w = = (3) U B A T Jeżeli wyeliminowany zostanie czas (co ma miejsce wtedy, gdy nie odgrywa roli we współużytkowaniu przestrzeni widmowej, np. przy założeniu bezprzerwowej, - 11 -
Maciej J. Grzybkowski Sprawozdanie Z21/21 30 004 1/1448/11 całodobowej pracy systemu, czas wchodzi w pojęcie ruchu lub pojemności) oraz jeden z wymiarów geometrycznych (wysokość nad powierzchnią ziemi), wówczas miarą uzyskanego efektu M może być całkowite natężenie ruchu radiotelefonicznego [Erl] (w analogowych systemach telefonicznych), liczba kanałów telefonicznych, czy pojemność transmisyjna systemu (cyfrowego) [np. Gb/s, Mb/s lub kb/s]. Miara uzyskanego efektu zawiera w sobie zależność od takich czynników jak jakość usługi, struktura sieci, rodzaj emisji, sposób dostępu do abonenta, rodzaj użytej techniki przy wykonaniu interfejsów, czy wreszcie nawet sposób unikania (lub skuteczność ograniczania) własnych zakłóceń wewnątrzsystemowych Natomiast miarą nakładów U będzie zajęta przestrzeń elektromagnetyczna, mierzona np. w [MHz km 2 ]. W pewnych przypadkach istotne jest odniesienie do jakiegoś systemu wzorcowego, którego efektywność widmowa jest znana. Wówczas można stosować pojęcie względnego (relatywnego) wskaźnika efektywności widmowej η rw. Wskaźnik ten używany jest do porównania właściwości podobnych systemów oferujących te same usługi. η ww η rw = (4) ηwa gdzie: η ww wskaźnik efektywności widmowej systemu wzorcowego, η wa wskaźnik efektywności widmowej systemu rozpatrywanego. Jako system wzorcowy powinien być użyty ogólnie stosowany system, który teoretycznie zapewnia możliwie największą efektywność. Może nim być np. system jednokanałowy spełniający klasyczne równanie Shannona [7]: PC C w = Bw log 2 (1 + ) (5) P gdzie: C w pojemność wzorcowego kanału radiowego w [b/hz], B w szerokość pasma zajmowana przez wzorcowy kanał w [Hz], P C moc sygnału użytecznego na wyjściu odbiornika, P I moc sygnału zakłócającego na wyjściu odbiornika. Tak zdefiniowany system odniesienia może być użyty do określania różnych parametrów systemu aktualnie używanego, o ile są to systemy podobne. Przykładem może być wyznaczanie minimalnej wartości współczynnika ochronnego. Jeżeli stosunek sygnału użytecznego do zakłócającego na wyjściu odbiornika w pewnym I - 12 -
Wybrane problemy koordynacji transgranicznej systemów radiokomunikacji ruchomej rozpatrywanym systemie będzie równy współczynnikowi ochronnemu ρ a, a szerokość pasma będzie równa B a, to pojemność rozpatrywanego systemu wyniesie C = log 2 (1 + ρ ) (6) a B a Pojemność ta powinna być większa, a w granicznym przypadku co najmniej równa pojemności systemu odniesienia (w którym ma się odbywać transmisja radiowa). Jeżeli teraz oznaczymy stosunek sygnału użytecznego do zakłócającego na wyjściu odbiornika w systemie wzorcowym (P C /P I ) przez ρ w, to w przypadku równych pojemności obu systemów minimalna wartość współczynnika ochronnego wynosić będzie [5]: B w a Ba ρ = ( 1+ ) 1 (7) a ρ w Poważną zaletą względnego wskaźnika efektywności widmowej η rw jest to, że w wielu przypadkach można go prościej wyznaczyć, niż wskaźnik zwykły η w. Omówione powyżej współczynniki efektywności wykorzystania widma radiowego można optymalizować, gdy jest możliwość ingerencji w tzw. substancję radiową, czyli np. użyć innej techniki radiowej, aby zwiększyć natężenie ruchu, zagęścić strukturę komórkową, zwiększyć przepływność w poszczególnych kanałach radiowych itp. Problem powstaje wówczas, gdy radiowe systemy ulokowane są w okolicach granic państwowych. Zakładając, że systemy te są już zoptymalizowane widmowo, czyli posiadają wysokie współczynniki widmowe, okazuje się że ze względu na wzajemne oddziaływanie systemów pracujących po dwóch stronach granicy następuje utrata efektywności. Wiadomo przy tym, że prawidłowa i niezakłócona praca tych systemów może nastąpić jedynie wówczas, gdy są one kompatybilne z systemami kraju sąsiedniego. Ponieważ kompatybilność ich jest zapewniana na drodze koordynacji transgranicznej, w grę wchodzi jeden (lub kombinacja kilku z możliwych czterech) z rodzajów separacji sąsiadujących systemów. Oczywiste jest, że separacja taka spowoduje pogorszenie efektywności wykorzystania widma w stosunku do przypadku, gdyby za granicą nie byłaby wykorzystywana jakakolwiek służba radiowa, ale skutkuje również polepszeniem efektywności wykorzystania widma w odniesieniu do przypadku, gdyby po obu stronach granicy eksploatowano nieskoordynowane, różne systemy radiowe. - 13 -
Maciej J. Grzybkowski Sprawozdanie Z21/21 30 004 1/1448/11 W ramach koordynacji transgranicznej w praktyce najczęściej stosowana jest separacja częstotliwościowa następuje wtedy podział zasobów częstotliwościowych pomiędzy zainteresowane strony i określa się wartości progowe natężenia pola elektrycznego (lub gęstości mocy), które nie powinny być przekraczane na linii granicy (lub na wyznaczonych liniach transgranicznych w głębi kraju sąsiedniego). Rzadko dokonuje się separacji geograficznej wykorzystuje się wtedy wspólne zakresy częstotliwości ustalając jedynie wartości progowe. Pozostałe rodzaje separacji w koordynacji transgranicznej praktycznie nie są stosowane, gdyż separacja czasowa choć najłatwiejsza z oczywistych przyczyn nie może mieć miejsca chociażby ze względu na całodobowe usługi oferowane przez systemy radiokomunikacji ruchomej, a separacja techniczna najtrudniejsza do wykonania nie jest zawsze możliwa i wymaga przy tym wykonania wstępnych, kosztownych badań kompatybilnościowych. Z tego względu poniżej zaprezentowana jest analiza jakościowa wykorzystania widma radiowego dla dwóch rodzajów separacji systemów prowadzonych w wyniku procesu koordynacji transgranicznej: częstotliwościowej i geograficznej. 3.1 Efektywność wykorzystania widma przy koordynacji częstotliwości Podczas procesu transgranicznej koordynacji częstotliwości dostępne widmo w danym zakresie częstotliwości zostaje podzielone na podzakresy, bądź cząstki widma, które przeznaczone są do wykorzystania przez zainteresowane kraje na prawach pierwszeństwa (tzw. częstotliwości preferencyjne). Zakres ten jest wtedy współużytkowany. I mimo tego, że dany operator radiokomunikacyjny uzyskał na terenie całego swojego kraju licencję (koncesję, rezerwację, pozwolenie itp.) na wykorzystywanie pewnego zakresu częstotliwości w celu dostarczania abonentom określonych usług telekomunikacyjnych, to w okolicach granic państwowych pula przydzielonych jemu częstotliwości, które może w tym zakresie swobodnie i bez ograniczeń użytkować, zostanie uszczuplona na rzecz operatora zagranicznego. Jest więc oczywiste, że w rejonach przygranicznych efektywność wykorzystania widma, w odniesieniu do całego zakresu częstotliwości na który została przydzielona licencja, zmaleje. Zakładając, że system radiokomunikacyjny otrzymał licencje na pracę na całym terytorium kraju, jest zoptymalizowany pod względem efektywności widmowej maksymalnie wykorzystując swój obszar działania i nie ma potrzeby dokonywania - 14 -
Wybrane problemy koordynacji transgranicznej systemów radiokomunikacji ruchomej koordynacji np. ze względu na brak wykorzystania danego zakresu częstotliwości przez systemy zagraniczne, to efektywność tego systemu (pomijając czas) można wyrazić jako: U nk = η w B A lic (8) gdzie: U nk efektywność niekoordynowanego systemu, η w wskaźnik efektywności widmowej, B szerokość wykorzystywanego pasma częstotliwości, A lic powierzchnia całego użytkowanego obszaru. Po ukończonym procesie koordynacji, na obszarach przygranicznych szerokość wykorzystywanego pasma (w podzakresach z częstotliwościami preferencyjnymi dla danego kraju zakłada się brak jakichkolwiek ograniczeń użytkowania widma) ulega ograniczeniu, część rozpatrywanego pasma przypada w użytkowanie sąsiadom, część c (częstotliwości preferencyjne) pozostaje do dyspozycji operatora (operatorów) w rozpatrywanym kraju. Maleje również dostępny obszar, na którym użytkowanie całego zakresu jest nieograniczone. Unika się jednak w ten sposób niepożądanych zakłóceń. Obszar, w którym w wyniku przeprowadzonej koordynacji nastąpiło ograniczenie puli częstotliwości, A koor, rozciąga się w bliskości granicy państwowej, w pasie przygranicznym. Strata efektywności systemu, który został skoordynowany, wynosi L koor = η w (1 c) B A koor (9) W związku z tym efektywność systemu skoordynowanego U koor zmaleje w stosunku do efektywności systemu nieskoordynowanego U koor = U nk L koor (10) gdyż w następstwie koordynacji, skutkiem ograniczenia dostępnej puli częstotliwości, zredukowana jest użyteczność rozpatrywanego systemu. Natomiast efektywność wykorzystania widma przy koordynacji częstotliwości będzie równa Może być przy tym wyrażona inaczej: U koor E koor = (11) Unk E koor U = U koor nk U = nk L U nk koor = η w B Alic ηw (1 c) η B A w lic B A koor (12) - 15 -
Maciej J. Grzybkowski Sprawozdanie Z21/21 30 004 1/1448/11 lub w prostszej postaci [2] E koor A = c) A koor 1 (1 (13) lic Jak wynika z prostej analizy zależności (13), efektywność wykorzystania widma będzie tym większa, im mniejszy będzie obszar (przygraniczny), którego dotyczy koordynacja i dla którego dokonano podziału puli częstotliwości oraz im większa część zakresu częstotliwości wykorzystywanego przez dany system przydzielona zostanie jego operatorowi podczas procesu koordynacji transgranicznej 1. Należy dążyć do tego, aby obszar objęty porozumieniem koordynacyjnym A koor był możliwie jak najmniejszy. 3.2 Efektywność wykorzystania widma przy koordynacji geograficznej Eliminację szkodliwych zakłóceń w strefie przygranicznej można osiągnąć dokonując separacji geograficznej. Separację taką uzyskuje się koordynując lokalizacje stacji radiowych po obu stronach granicy. Podczas koordynacji musi być przestrzegana zasada umieszczania stacji wspólnokanałowych w odległości większej niż tzw. wspólnokanałowa odległość koordynacyjna. Zasada ta dotyczy również stacji sąsiedniokanałowych, lecz w takich przypadkach sąsiedniokanałowe odległości koordynacyjne są zawsze dużo mniejsze niż wspólnokanałowe, gdyż zakłócenia sąsiedniokanałowe są zawsze dużo mniejsze, nawet o kilka rzędów, od zakłóceń wspólnokanałowych. Z tego względu bardziej krytyczną dla zachowania kompatybilności międzysystemowej jest wspólnokanałowa odległość koordynacyjna, zwana dalej po prostu odległością koordynacyjną. Odległość tę wyznacza się w prosty sposób, znając zasięgi zakłóceniowe R i stacji radiokomunikacyjnych (ograniczające obszar, na którym rozpatrywana stacja może zakłócać pracę innych stacji) oraz ich zasięgi użytkowe R s (ograniczające obszar obsługi danej stacji tzn. obszar zapewniający komunikację z innymi stacjami z wystarczającą jakością usługi). Przy zachowaniu odległości koordynacyjnej D pomiędzy dwoma stacjami zasięg użytkowy jednej stacji nie powinien się nakładać na zasięg zakłóceniowy innej stacji wspólnokanałowej. Zasada ta przedstawiona jest na Rys. 1. Na rysunku tym założono dla uproszczenia, że radiostacje A i B dysponują 1 Należy zauważyć, że podczas dokonywania porozumień koordynacyjnych dostępną pulę częstotliwości (zakres częstotliwości) dzieli się na dwie (w zależności od liczby sąsiadów) lub trzy równe części, przez co trudno jest wpływać na zmianę współczynnika c ze wzoru (13) - 16 -
Wybrane problemy koordynacji transgranicznej systemów radiokomunikacji ruchomej antenami o charakterystyce dookólnej, teren jest płaski, propagacja fal jednorodna, w związku z tym przedstawione zasięgi są w kształcie kół współśrodkowych. R sa D A B R sb R ia R ib Rys. 1. Odległość koordynacyjna D pomiędzy stacjami radiowymi A i B oraz ich zasięgi użytkowe i zakłóceniowe Zachowanie odległości koordynacyjnej pomiędzy stacjami po obu stronach granicy prowadzi do utraty obszaru w pasie przygranicznym, na którym swobodnie mogłyby być eksploatowane systemy radiokomunikacyjne. Problem ten można objaśnić na przykładzie scenariusza pracy dwóch systemów komórkowych (operator A i operator B) rozlokowanych w pobliżu granicy [2]. Zakłada się przy tym, że struktura systemów jest regularna i składa się z zespołów grupujących po siedem komórek 2, a każda komórka dysponuje jednym zestawem częstotliwości roboczych f 1-7 składa się z siedmiu elementów. Rozmiary komórek i parametry sieciowe nadajników i odbiorników radiowych po obu stronach granicy są takie same, więc zasięgi użytkowe R sa i R sb są sobie równe, równe są także zasięgi zakłóceniowe R ia oraz R ib. Operator A rozwinął swoją sieć w pobliżu granicy jako pierwszy, w związku z tym swobodnie może dysponować przydzieloną pulą częstotliwości i swobodnie lokalizować swoje stacje. Stacje radiowe operatora B po drugiej stronie granicy nie mogą więc pracować na tych częstotliwościach wzdłuż pasa przygranicznego o 2 są to zespoły o jednym pierścieniu ochronnym zapewniającym kompatybilność wewnętrzną systemu [6], [8] - 17 -
Maciej J. Grzybkowski Sprawozdanie Z21/21 30 004 1/1448/11 głębokości równej odległości koordynacyjnej D. Maksymalna głębokość strefy zabronionej, w której pasmo operatora A nie może być użyte przez operatora B jest równa, (Rys. 2), w koor = D R s. Ponieważ jednak operator A nie ma interesu, by stawiać swoje stacje na granicy i obejmować swoim zasięgiem użytkowym terytorium kraju operatora B, więc może odsunąć lokalizacje swoich stacji od granicy w głąb własnego terytorium na odległość zasięgu użytkowego R s. Wtedy minimalna odległość pomiędzy stacjami operatora B a granicą kraju wyniesie w koor = D 2R s, lecz stacje te trzeba będzie koordynować. Rys. 2. Scenariusz współużytkowania obszarów przygranicznych przez dwa systemy komórkowe [2] W przypadku, gdy linia graniczna o długości L gr ma nieskomplikowaną geometrię (prawie prosta, obła, niepowyginana) nietrudno jest wyznaczyć obszar przygraniczny A koor (w pasie o głębokości w koor ), gdzie stacje radiowe będą podlegać koordynacji geograficznej. A koor = L gr w koor (14) Jednak wtedy, gdy linia graniczna ma kształt bardziej skomplikowany, powyższa zależność przewymiarowuje omawiany obszar przygraniczny. Obszar ten - 18 -
Wybrane problemy koordynacji transgranicznej systemów radiokomunikacji ruchomej jest trudno wyznaczyć, ponieważ stanowi funkcję f gr, która nie jest liniową zależnością od długości granicy i szerokości pasa przygranicznego. A koor = f gr (L gr, w koor ) < L gr w koor (15) Ponadto przy skomplikowanym kształcie granicy nie można też jednoznacznie określić maksymalnej głębokości strefy zabronionej w koor, wtedy: f gr (L gr, D 2 R s ) A koor f gr (L gr, D R s ) (16) Przy założeniu maksymalnych rozmiarów obszaru, na którym trzeba będzie dokonać uzgodnień transgranicznych, efektywność wykorzystania widma przy koordynacji geograficznej można oszacować jako: E f ( L, D R ) gr gr s koor 1 (1 c) (17) Alic Z zależności (17) wynika wprost, że efektywność wykorzystania widma będzie dla powyższego przypadku tym większa, im odległości koordynacyjne będą mniejsze. Ważne jest również, aby zasięgi użytkowe stacji były możliwie duże. Jak widać, z uwagi na geometrię (kształt) granicy państwowej, w przypadku koordynacji geograficznej nie można w sposób prosty dokonać obliczenia efektywności wykorzystania widma. Można ją tylko oszacować, próbując możliwie precyzyjnie określić obszar przygraniczny A koor. 4 Modele propagacyjne zalecane do użycia podczas koordynacji transgranicznej Obliczenia zasięgowe wykonywane podczas koordynacji transgranicznej mają na celu ustalenie, czy natężenie pola sygnału zakłócającego generowanego przez element systemu radiowego po jednej stronie granicy przekroczy wartość dopuszczalną (próg koordynacyjny [1]) na ustalonej rubieży. Rubieżą tą może być linia granicy państwowej lub tzw. linia transgraniczna położona na ustalonej odległości od granicy, w głębi kraju sąsiedniego [7]. Można również dokonywać takich obliczeń dla wybranych punktów charakterystycznych na terenie tego sąsiedniego kraju. - 19 -
Maciej J. Grzybkowski Sprawozdanie Z21/21 30 004 1/1448/11 Do obliczeń zasięgowych używane są różne modele propagacyjne. Obecnie znanych jest kilkadziesiąt modeli propagacyjnych, z których tylko kilka, z górą kilkanaście może być wykorzystanych do obliczeń zasięgów zakłóceniowych w radiokomunikacji ruchomej lądowej. Głównymi ogranicznikami zastosowań są zakresy częstotliwość pracy urządzeń nadawczo-odbiorczych w systemach RRL, zakres odległości w którym wzory opisujące propagację fal radiowych mogą być wykorzystane oraz wzniesienia anten nadawczych i odbiorczych. Ważne jest również, czy w konkretnym przypadku mogą być stosowane deterministyczne metody obliczeń, czy metody statystyczne, czy obliczenia mają dotyczyć pojedynczych tras radiowych (typu punkt-punkt) czy obszarów (typu punkt-wiele punktów lub punkt-obszar. W metodach deterministycznych istotne jest np. ukształtowane terenu i obecność przeszkód terenowych (jedne modele dopasowane są do terenów płaskich, inne do pofałdowanych, jeszcze inne do terenów górskich) W metodach statystycznych ważne są z kolei odniesienia do statystyk (najczęściej mediany, decyli i percentyli) rozkładu obliczanej wartości i to zarówno w dziedzinie czasu jak i miejsca. Chociaż w Regulaminie Radiokomunikacyjnym ITU [9] oraz w dokumentach (Zaleceniach i Sprawozdaniach) CEPT jest mowa, że państwa zainteresowane koordynacją transgraniczną mogą uzgodnić między sobą do zastosowania w obliczeniach koordynacyjnych wygodny dla nich stosowny model propagacji, to jednak zaleca się do użytku tylko kilka z nich. Preferuje się przy tym metody opisane w Zaleceniach ITU-R. W Europie, w krajach objętych Porozumieniem HCM [10] przyjęto do użytku metodę propagacyjną opisaną w Dodatku 5 do tego Porozumienia. Każda z tych metod jest bardzo skomplikowana, bo musi uwzględnić w obliczeniach szeroki wachlarz parametrów wejściowych. Jak opisano w [7], obliczenia koordynacyjne wykonywane są w dwóch możliwych sytuacjach. W pierwszej z nich dokonywana jest ogólna ocena sytuacji możliwości zakłócenia systemu radiowego położonego w sąsiednim kraju, elementy którego mogą się znaleźć nawet na granicy międzypaństwowej. Badane są wtedy możliwości przekroczenia progów koordynacyjnych na samej granicy, ale również w głębi terytorium kraju sąsiedniego na niewielkiej odległości od granicy. W drugiej sytuacji dokonywane są szczegółowe obliczenia poziomu zakłóceń na trasie radiowej pomiędzy konkretnym nadajnikiem zakłócającym (stacji bazowej lub umieszczonego - 20 -
Wybrane problemy koordynacji transgranicznej systemów radiokomunikacji ruchomej w specyficznym miejscu terminala ruchomego) a umieszczonym na terenie sąsiedniego kraju takim odbiornikiem (stacji bazowej lub terminala ruchomego), który potencjalnie może ulec zakłóceniu. Do obliczeń wykonywanych w pierwszej sytuacji stosowane są metody propagacyjne specjalizowane w relacjach typu punkt-obszar, natomiast w sytuacji drugiej wykorzystuje się metody typu punkt-punkt. Tab. 1. Zestawienie metod propagacyjnych używanych do obliczeń w koordynacji systemów RRL Nr Zalecenia ITU-R /nazwa metody Parametr wyjściowy Zakres częstotliwości Zakres odległości % czasu % miejsc Wzniesienia anten Dane wejściowe Rec. ITU-R P 452 Tłumienie trasy 100 MHz do 50 GHz Niewyszcze gólniony od dołu, do 10000 km 0,001 do 50 Średni rok, najgorszy miesiąc Nie dotyczy Nie ograniczono Dane profilu trasy radiowej, częstotliwość, proc. czasu, wznies. ant. nad., wznies. ant. odb., położenie geogr. nad., położenie geogr. odb., dane meteo Rec. ITU-R P 1546 Natężenie pola 30 MHz do 3000 MHz 1 do 1000 km 1 do 50 1 do 99 Nadajnik bazowy: efekt. wys. od poniżej 0 do 3000 m; odbiornik ruch. 1m Dane wysok. i pokrycia terenu, odległość, moc nad., częstotliwość, proc. czasu, proc. miejsc, wznies. ant. nad., wznies. ant. odb., położenie geogr. nad., położenie geogr. odb., kąt elewacji terenu, Rec. ITU-R P 1822 Natężenie pola 30 MHz do 3000 MHz Niewyszcze gólniony lecz przed- i pozahoryzontowy 1 do 50 1 do 99 Nie ograniczono Dane profilu trasy radiowej, częstotliwość, proc. czasu, wznies. ant. nad., wznies. ant. odb., położenie geogr. nad., położenie geogr. odb., dane meteo HCM Natężenie pola 29,7 MHz do 3000 MHz 1 do 1000 km 1, 10, 50 50 Nadajnik bazowy: efekt. wys. od poniżej 0 do 3000 m; odbiornik ruch. 3m Dane wysok. i pokrycia terenu, odległość, moc nad., częstotliwość, proc. czasu, wznies. ant. nad., wznies. ant. odb., położenie geogr. nad., położenie geogr. odb., kąt elewacji terenu, - 21 -
Maciej J. Grzybkowski Sprawozdanie Z21/21 30 004 1/1448/11 W dalszej części bieżącego rozdziału będą przedstawione będą w skrócie dwie z czterech metody obliczeń zalecanych do użytku w różnych dokumentach europejskich. Jedna z nich, metoda ITU 452 3 dotyczy obliczeń typu punkt-punkt [11], natomiast metody pozostałe: ITU 1546 [12], ITU 1812 [13] i HCM związane są z przeprowadzaniem obliczeń typu punkt-obszar. Najważniejsze cechy tych metod zestawiono w Tab.1, m.in. na podstawie informacji zawartych w Zaleceniu ITU-R P.1144-5 [14]. W niniejszej pracy opisane będą dwie pierwsze z nich, pozostałe będą zaprezentowane w drugiej części tej pracy. Zastosowanie wszystkich wyszczególnionych w Tab.1 metod propagacyjnych do obliczeń koordynacyjnych związane jest z wykorzystaniem numerycznego modelu terenu NMT. Dokładność prowadzonych obliczeń i ich zbieżność z danymi pomiarowymi w dużej mierze uzależniona jest od dokładności odwzorowania terenu w użytym NMT. Znajomość ukształtowania i pokrycia terenu pozwala przewidywać, w jaki sposób rozchodzić się będą fale radiowe i umożliwia rozplanowanie sieci radiowych. Oczywiste jest więc, że dokładność danych topograficznych, wykorzystywanych w procesie koordynacji sieci (podobne problemy muszą być rozwiązane na etapie planowania), musi bezpośrednio wpływać na dokładność uzyskiwanych predykcji, co przekłada się na liczbę możliwych do skoordynowania elementów sieci i systemów radiowych. Jest to szczególnie ważne w przypadku koordynowania systemów radiokomunikacyjnych nowej generacji (3G i 4G), działających lub planowanych do uruchomienia w tzw. wysokich (bliskich 3 GHz) zakresach częstotliwości. W przypadku tych nowych systemów zasięgi użytkowe stacji bazowych mogą się zawierać (w miastach) w zakresie od 20-40 m do ok. 100 m, dlatego też przy ich planowaniu występuje konieczność posługiwania się bardzo dokładnymi i szczegółowymi danymi topograficznymi. 4.1 Model propagacyjny 452 Procedury obliczeniowe zawarte w tym modelu propagacyjnym typu punktpunkt uwzględniają następujące mechanizmy rozchodzenia się zakłóceń: a) długotrwałe (Rys.3) 3 ogólnie przyjęto, że metody propagacyjne zalecane przez ITU opisane są numerami tych Zaleceń ITU-R P.XXX, w których są przedstawione - 22 -
Wybrane problemy koordynacji transgranicznej systemów radiokomunikacji ruchomej - do linii bezpośredniej widoczności, - dyfrakcja, - rozproszenie troposferyczne, b) krótkotrwałe (Rys. 4) - propagacja anormalna (dukty troposferyczne, odbicie/rozproszenie od wyniesionych warstw troposfery), - rozproszenie w hydrometeorach. Rozproszenie troposferyczne Dyfrakcja Linia bezpośredniej widoczności Rys. 3. Mechanizmy rozchodzenia się zakłóceń (długotrwałe) Aby można było dokonać obliczeń propagacyjnych należy ustalić: - dane sieciowych parametrów wejściowych, - wymagania dotyczących najgorszego miesiąca lub średniego roku, - dane radiometeorologiczne (tj. wskaźniki refrakcji troposferycznej, strefy klimatyczne, obszary dużych powierzchni wód śródlądowych, wartość przyjętego zastępczego promienia Ziemi), - profil trasy radiowej, - która ze szczegółowych metod propagacyjnych będzie użyta do obliczeń, w zależności od warunków i środowiska propagacji. - 23 -
Maciej J. Grzybkowski Sprawozdanie Z21/21 30 004 1/1448/11 Rozproszenie w hydrometeorach Warstwa wyniesiona odbicie i refrakcja Propagacja duktowa Bezpośrednia widoczność ze zjawiskiem wielodrogowości Rys. 4. Nieregularne (krótkoterminowe) mechanizmy propagacji zakłóceń Dane sieciowe użyte do obliczeń powinny być wyznaczone z dość dużą dokładnością, tak aby zapewnić możliwie dużą precyzję obliczeń. Przedstawione to jest w Tab. 2. Parametr Tab. 2. Wymagane dane wejściowe Preferowana dokładność f 0,01 Częstotliwość (GHz) Opis p 0,001 Wymagany procent czasu, którego nie powinno przekraczać obliczone podstawowe tłumienie trasy ϕ t, ϕ r 0,001 Szerokość geograficzna stacji (stopnie) ψ t, ψ r 0,001 Długość geograficzna stacji (stopnie) h tg, h rg 1 Wzniesienie anteny ponad poziomem terenu (m) h ts, h rs 1 Wzniesienie anteny ponad poziomem morza (m) G t, G r 0,1 Zysk energetyczny anteny w kierunku horyzontu wzdłuż ortodromy trasy radiowej (dbi) UWAGA Oznaczenia stacji: t : zakłócająca r : zakłócana. Profil trasy pomiędzy nadajnikiem zakłócającym a odbiornikiem zakłócanym opisywany jest przy pomocy kilku parametrów. Są one wyszczególnione w Tab. 3 i na Rys.5. - 24 -