Прогноз локальных характеристик поля УКВ в городе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

ОД

IV О

Пономарев Олег Геннадьевич

УДК 621.373.3

ПРОГНОЗ ЛОКАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛЯ УКВ В ГОРОДЕ

(01.04.03 радиофизика)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск - 1995г.

Работа выполнена в Томском государственном университете

Научный руководитель доктор ф.-м. наук, профессор

Фортес Валерий Борисович

Официальные оппоненты:

доктор ф.-м. наук Таращук 10. Е.

доктор ф.-м. наук, профессор Шарыгин Г.С.

Ведущая организация институт Радиотехники и электроники Российской

академии наук (г.Москва)

Защита состоится "8" июня 1995 года в 14— на заседании Специализированного совета К 063.53.03 при Томском госуниверситете (г.Томск). 634010, Томск, пр.Ленина, 36

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Томского госунпверситета.

Автореферат разослан 27 апреля 1995 года Ученый секретарь

Специализированного совета К 063.53.03 Г.М.Дейкова

О'

ОНЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Современные крупные города занимают огромные площади ( сотни и тысячи квадратных километров), сосредотачивая на них миллионы жителей, сотни крупных производств, служб и учреждений. Это крайне остро ставит вопрос о развитии городских коммуникационных служб, в том числе и радиосвязи. Особенно быстрыми темпами в последние двадцать лет разрабатываются н внедряются в эксплуатацию системы связи с подвижными объектами. Исходя из темпов роста числа радиостанций подвижной связи, можно заключить, что в недалеком будущем число абонентов систем связи с подвижными объектами сравняется, а возможно п превысит число абонентов городских телефонных сетей.

В то же время, как отмечалось еще в первых работах, посвященных изучению распространения радиоволн в городах, городская среда создает совершенно особые условия для формирования пространственной структуры электромагнитного поля, существенно отличающиеся от тех, что обычно наблюдаются на приземных радиотрассах. Эффекты отражения и рассеяния радиоволн на зданиях придают полю ярко выраженный многолучевый характер, при этом уровень сигнала в антенне подвижного пункта связи подвержен глубоким замираниям с частотой до сотни герц. Для обеспечения качественного приема сигналов в городских системах подвижной связи используются организация сотовой структуры зон обслуживания абонентов, различные методы разнесенного приема, остронаправленные антенные системы (на стационарных пунктах), цифровая связь с. помехоустойчивыми протоколами передачи сообщений и т.д. Проектирование таких систем, их модификация, связанная с увеличением числа абонентов и зон обслуживания или с повышением эффективности действующих систем, каждый раз приводят к необходимости в проведении исследований по оценке характеристик поля на конкретных городских радиотрассах. С другой стороны, сложность пространственной структуры поля в городе, многообразие факторов, существенно влияющих на уровень сигнала в точке приема, определили в основном статистический подход к решению задач по оценке характеристик поля в городе так, что известные из литературы к настоящему моменту количественные соотношения справедливы лишь в среднем для всей генеральной совокупности радиотрасс.

В диссертационной работе рассматриваются вопросы совершенствования методов прогноза характеристик поля УКВ на городских радиотрассах, позволяющих достаточно простыми средствами обеспечить оперативный расчет качества приема сигналов в городских системах связи, что и обуславливает ее актуальность для ряда государственных и коммерческих организаций.

Цслыо диссертационной работы является исследование возможности прогноза локальных средних характеристик УКВ полей на конкретных городских радиотрассах и разработка на этой основе методов и алгоритмов автоматизированного расчета на ЭВМ, учитывающих особенности застройки и рельефа местности вдоль линии связи.

В экспериментальных исследованиях значения локальных средних характеристик поля получают пространственным усреднением соответствующих параметров сигнала при перемещении приемного пункта на небольшие расстояния (несколько десятков длин волн). Процедура усреднения позволяет здесь сгладить быстрые интерференционные флуктуации с масштабом от половины до двух-трех длин волн и глубиной 10 - 12 дБ и выделить структуру более медленных замираний, обусловленных эффектами затенения. Получаемые после усреднения величины являются локальными характеристиками конкретных городских радиотрасс и могут существенно отличаться (например, по уровню сигнала различие может составлять более 20 дБ) от оценок параметров сигнала, полученных при усреднении по всей генеральной совокупности.

На защиту выносятся следующие защищаемые положения.

1. В диапазоне УКВ на расстояниях, больших 1 км, для 75% городских радиотрасс наиболее вероятной и наиболее энергетически значимой компонентой многолучевого поля в точке приема является "боковая волна", формирующаяся за счет переотражений и рассеяния волн на элементах городской застройки в окрестности мобильного радиоисточника в верхнее полупространство и распространяющаяся над городским слоем.

2. Использование длинноволновой ассимптотики дифракционного ряда В.А.Фока позволяет рассчитывать дополнительное ослабление "боковой волны" на городских закрытых УКВ радиотрассах при ее дифракции на сферической земной поверхности и на неровностях рельефа местности в области глубокой тени. В области полутени сумма ряда может быть аппроксимирована двумя экспоненциальными слагаемыми с точностью не хуже 1-2 дБ.

3. Методы скользящего отношения энтропии спектральных отсчетов в области определения спектра и за ее пределами и нелинейного преобразования масштаба частотной оси спектра (по закону

скорость и направление движения источника УКВ излучения, движущегося в городском районе вне прямой видимости, по единичным реализациям спектра доплеровских частот с точностью не хуже 5% для

Зо -о

- 5 для направления движения.

4. На защиту также выносится пакет алгоритмов и программ обработки топопланов городских районов, основанный на методах вычислительной геометрии и предложенных в работе методах прогноза, позволяющий создавать цифровые как дискретные, так и непрерывные карты городской застройки и рассчитывать по этим данным локальные характеристики поля на городских УКВ радиотрассах: уровня сигнала, ширины углового энергетического спектра, интервала частотной корреляции, полосы пропускания канала городской подвижной радиосвязи, ширины и формы спектра доплеровских частот сигнала подвижного источника излучения.

Научная новизна. При выполнении диссертационной работы получило дальнейшее развитие новое научное направление в современной радиофизике — теория распространения УКВ в городских и пригородных зонах. Новые научные результаты, полученные в этом направлении, кратко можно сформулировать следующим образом.

1. Разработан. новый метод прогноза локального среднего уровня поля, основанный на вероятностно-энергетическом анализе различных механизмов распространения УКВ ("прямая" волна, одно-, двукратно отраженные волны, "боковая волна", распространяющаяся над слоем городской застройки) в городе и позволяющий учитывать особенности планировки городских районов вдоль радиотрассы; получена оценка глубины замираний (вариаций) случайных значений локального среднего уровня поля относительно прогнозируемого (наиболее вероятного).

2. Предложена и обоснована модификация решения В.А.Фока дифракционной задачи (для сферической земной поверхности) применительно к городским УКВ радиотрассам; по экспериментальным данным получена оценка эффективного значения параметра характеристического уравнения, определяющего зависимость решения В.А.Фока от электрических характеристик подстилающей поверхности; на основе полученной оценки предложена аппроксимация решения,

предлагаемые в работе, дают возможность оценивать

позволяющая учитывать при расчетах дифракцию волн на сферической земной поверхности и неровностях рельефа местности; разработаны методика и алгоритмы расчета.

3. Впервые доказана возможность достоверной оценки параметров движения (направление движения, скорость) источника радиоизлучения в городе по единичным реализациям спектра догшеровских частот принимаемого сигнала; разработаны спектральные методы контроля параметров движения мобильного передатчика, проведена их апробация на смоделированных и реальных записях сигнала.

Научно-практическая значимость диссертационной работы определяется, во-первых, тем, что результаты проведенных исследований позволяют глубже понять физическую сторону явлений, протекающих при распространении УКВ в городских условиях, перейти от разработки методов расчета средних характеристик поля для однородных городских районов к прогнозу локальных характеристик для конкретных городских радиотрасс. Во-вторых, — результаты исследований доведены до алгоритмической и программной реализации разрабатываемых методов прогноза; создан интегрированный пакет программ по расчету локальных характеристик поля УКВ на городских радиотрассах, который может использоваться при решении задач проектирования систем связи, электромагнитной совместимости городских радиосредств, экологического контроля электромагнитной обстановки в городе и т.д.

Разработанный пакет программ использовался при разработке систем связи с подвижными объектами в г.Томске и в г.Ростове-на-Дону.

Достоверность полученных результатов. Все полученные в работе результаты хорошо согласуются с известными из литературы теоретическими представлениями о механизмах формирования пространственной структуры многолучевого поля в городе. Это касается прежде всего новых методов расчета ослабления поля на городских радиотрассах, методах контроля параметров д в иже н ия мобил ы ю го пункта связи по локальным спектрам доплеровских частот, развитых на основе статистической модели городской среды распространения радиоволн, разработанной сотрудниками кафедра радиофизики Томского госуниверситета и лаборатории распространения радиоволн Сибирского физико-технического института. Достоверность результатов подтверждается также сопоставлением расчетных и известных из литературы экспериментальных данных, полученных в различных п'о характеру застройки и рельефу местности городах (например в г.Токио и г.Томске).

Апробация работы. Публикации. Результаты исследований по теме диссертации докладывались на XVI Всесоюзной конференции по распространению радиоволн ( г.Харьков, 1990 г.), Всесоюзном совещании по приземному распространению радиоволн и электромагнитной совместимости ( г.Улан-Удэ, 1990 г.), ХЬУ1 Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню радио (г.Москва 1991, г.), IV Российском научно-техническом семинаре "Распространение радиоволн в городах и лесных районах", на областной научно-технической конференции (г.Томск, 1987 г.). Кроме того, все результаты работы были получены при выполнении хоздоговорных работ, проводившихся в Сибирском физико-техническом институте и на кафедре радиофизики Томского госуниверситета при непосредственном участии автора.

Основные результаты опубликованы в 11 работах.

Личный вклад автора. Диссертационная работа является частью комплексных исследований по вопросам теории распространения УКВ в городе, которые проводились лабораторией распространения радиоволн СФТИ и кафедрой радиофизики ТГУ в 1989 - 1993 гг. Являясь одним из исполнителей этих работ, автор диссертационной работы принимал непосредственное участие в разработке аналитических методов и алгоритмов численного прогноза локальных характеристик поля УКВ в условиях города, их программной реализации, структурной и .функциональной схем всего интегрированного пакета программ и алгоритмов.

Основные выводы и результаты по вопросам, рассмотренным в главах 2-5, получены лично автором. Используемые в главах 3-4, для сопоставления с результатами расчетов, экспериментальные данные получены коллективом лаборатории распространения радиоволн СФТИ, при личном участии автора. Численная модель передаточной функции городского канала распространения радиоволн, используемая в главе 4 для исследования спектральных свойств сигналов, разрабатывалась совместно со старшим преподавателем кафедры радиофизики ТГУ Пономаревой Вероникой Николаевной. Идея метода скользящего отношения энтропий, используемого для определения скорости движения мобильного пункта по спектру доплеровских частот принимаемого сигнала, была подсказана доктором ф.-м. наук, профессором кафедры радиофизики Якубовым В.П., за что автор работы ему глубоко благодарен.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. В ней содержится 101 страница

основного текста, 20 страниц рисунков. Список литературы содержит 85 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении сформулирована цель работы, ее актуальность, новизна и практическая ценность полученных результатов, кратко изложено основное содержание диссертации.

Первая глава диссертационной работы представляет собой аналитический обзор современного состояния методов прогноза характеристик поля УКВ на радиотрассах городской подвижной связи. Выделяются три основных их вида: эмпирический, основанный на анализе и обобщении богатого экспериментального материала, накопленного к настоящему времени; теоретический, где расчет строится на основе модельного описания городской среды, как- среды распространения радиоволн, и численный — основанный на трассировке отраженных зданиями лучей на ЭВМ по цифровому топоплану города. Первые два подхода позволяют рассчитывать средние или наиболее вероятные значения характеристик поля при усреднении по всей генеральной совокупности городских радиотрасс в статистически однородном городском районе. Третий же,, дает возможность прогнозировать локальные средние характеристики поля, но без учета влияния вариаций высоты рельефа мест-, ности вдоль радиотрассы, так как при трассировке используется гео-метрооптическое приближение. На основе проведенного обзора ставится вопрос о необходимости разработки методов прогноза локальных характеристик поля для городских радиотрасс, лишенных недостатков метода трассировки лучей.

Во второй главе разрабатываются новые методы прогноза локальных средних характеристик поля. В §2.1 на основе анализа вероятностных и энергетических весов различных компонент многолучевого поля (прямая волна, проходящая непосредственно от передающего пункта к приемному; волны, отразившиеся от зданий один, два или несколько раз; "боковая волна", формирующаяся за счет высвечивания электромагнитной энергии в пространство над слоем городской застройки при отражениях и рассеянии волн на зданиях в ^окрестности излучателя) доказывается определяющая роль для формирования поля в точке приема "боковой волны". Это дает возможность учитывать при расчетах только ближайшее окружение корреспондирующих пунктов (аналог концепции "взлетных и посадочных площадок") и использовать

соответствующие аналитические методы прогноза. Для локальной средней интенсивности поля на городских радиотрассах предлагается аппроксимационное выражение вида:

2яГЛ/л

где Дг) =--—ту', (1 - длина радиотрассы; - высоты

А-г1

2 п1

в ~Р

2 л*

расположения антенн приемного и передающего пунктов; к = -г- -

А

модуль волнового вектора, X - длина волны излучения. Среднее

расстояние прямой видимости в городском районе -' р = —(км) -

2 уЬ

определяется плотностью застройки к(км"2) и средней длиной зданий Z (км); Г - средний по мощности коэффициент отражения от зданий; 1в -средний масштаб неоднородностей отражающих поверхностей зданий в вертикальном направлении; И - средняя высота слоя городской

- и Ь"й' ПРИ г2*Н' К гтГ^ застройки; Я = при ^ ; .

В §2.2 получено выражение для наиболее вероятного значения локального среднего уровня сигнала в виде:

< А(е/) >= 10б • ^ХЪяРЛ^п)1 < Г > [мкВ/м], где Р - мощность источника излучения [Вт]; О - коэффициент направленного действия передающей антенны.

В §2.3 проведена оценка глубины замираний (вариаций) локального среднего уровня сигнала относительно прогнозируемого значения. Оценка получена с учетом многомасштабности пространственной структуры поля УКВ в городе. Предполагается, что случайная амплитуда быстрых интерференционных замираний поля распределена по Рэлеевскому закону, а для уровня сигнала на интервале пространственного усреднения выполняются условия эргодической теоремы. При указанных предположениях глубина замираний, определяемая как отношение значений 90% и 10% квантилей нормального распределения локального среднего уровня поля, оценивается из выражения:

4Гк+Ат -(4-71) А, =2018 у), (ДБ),

где /- масштаб пространственного усреднения, тп = (18 -=- 20) м.

Третья глава посвящена методам учета влияния локальных особенностей городской застройки вдоль радиотрассы на уровень поля УКВ в городе (рельефа местности, особенностей планировки городских районов). Представление о "боковой волне", распространяющейся над слоем городской застройки, позволяет использовать для учета влияния рельефа местности на уровень поля дифракционную формулу В.А.Фока, как это обычно делается на приземных радиотрассах.

В §3.1 по экспериментальным данным проводится оценка эффективного значения параметра характеристического уравнения, играющего важную роль в теории В.А.Фока и характеризующего электрические свойства подстилающей поверхности (в данном случае слоя городской застройки). Показано, что этот параметр с большим основанием можно считать равным нулю. В результате анализа предлагается формула, совпадающая с дифракционным рядом в области глубокой тени и аппроксимирующая его для городских радиотрасс с точностью 1 - 2 дБ в области полутени сферической земной поверхности:

1, при с! <*/„- — ;

Г(</)= аЬ

+С е-2'^], при ГДС ^=Тп2' С = а{е2 -2)' = 2(</0 + С)' а = 1т/1 первый корень

/> 1а2Я

производной функции Эйри /. = 1,01879 е'1, Я1 = 2/-, а - радиус Земли.

V

В §3.2 разрабатываются методика и алгоритмы аппроксимации неровностей рельефа местности выпуклыми телами. Предложено проводить окружность, аппроксимирующую неровности рельефа вдоль радиотрассы через точку радиогоризонта и точку на поверхности городского слоя над антенной мобильного пункта связи. При этом учитывается, что линия, проведенная из точки расположения антенны стационарного пункта связи через точку радиогоризонта, является касательной к аппроксимирующей рельеф окружности.

В §3.3 рассматривается вопрос о влиянии особенностей планировки районов (расположения и ориентации улиц относительно радиотрассы) на уровень поля. Расчет проводится на основе представлений о дифракции прямой волны на "кромке" улицы, на которой находится один из корреспондентов. Расчет дифракционной компоненты показал

определяющую роль на уровень поля угла укрытия мобильного пункта связи. Предложено простое аппроксимационное выражение:

(/„) = 15-2tga, при tgа е[0,7.5], где а - угол укрытия, определяющее интенсивность прямой волны в децибелах по отношению к интенсивности поля в свободном пространстве на расстоянии 1 км от источника. Интенсивность прямой . волны в расчетах должна добавляться к интенсивности "боковой волны".

В §3.4 результаты расчета дифракционного множителя ослабления и локального среднего уровня поля сопоставляются с результатами экспериментальных исследований, проводившихся Окамурой в Токио, и с результатами экспериментальной оценки локального среднего уровня поля на радиотрассах в Кировском районе г.Томска' полученными коллективом лаборатории распространения радиоволн СФТИ. Показано, что расхождение результатов расчет-эксперимент не превышает 1-2 дБ при сопоставлении с данными Окамуры для медианного уровня поля и 3 дБ для локального среднего уровня в г.Томске.

В четвертой главе проводится детальный теоретико-экспериментальный анализ таких локальных спектральных характеристик сигналов городской подвижной связи как угловой энергетический спектр, характеризующий распределение энергии парциальных волн в азимутальной плоскости и спектр доплеровских частот.

В §4.1 на основе анализа экспериментальных данных показано, что изрезанность формы единичных реализаций углового энергетического спектра (УЭС) эффективно сглаживается пространственным усреднением при перемещении приемного пункта на интервал пространственной когерентности поля ( около 20 - 30 м). Проводится оценка формы и ширины локального среднего УЭС, получаемого после такого усреднения. Показано, что форма УЭС хорошо аппроксимируется однопараметрическим выражением для углового распределения Коши: sin 9

<y¡

ы=

2л{\ - eos 9 eos ер)'

, и Л (i-o4

= 6

п л а,9,+а797 где 9 » - • -!—!-2-2-;

4 ах + а2

Р

{d + 2p){l + C) п Í я2 (Ъ\Щ arceos, ; —92 = arctg\ 1 р 1 1

с=

(d + 2p)(i + Ó + p' 2~ 5 l^+l U

zi-h ¿2

9

В §4.2 для исследования основных закономерностей в поведении случайных реализаций спектра доплеровских частот сигнала подвижного источника излучения в городе предлагается численная модель передаточной функции городского канала подвижной УКВ радиосвязи. При движении в городе источника излучения в каждый момент времени в точку приема приходит несколько лучей. Их число N за время измерения сигнала /"случайно. Время жизни каждого //-ого луча тп определяется временем незатенения отражающего объекта относительно передатчика и приемника и также является случайным. Различные условия отражения и пути распространения сигнала в лучах придают случайный характер значениям амплитуды Ап и фазы фп, а перемещение передатчика в определенном направлении вызывает в различных лучах различные доплеровские смещения частоты сод„, зависящие от того, насколько направление на отражающие объекты отличаются от направления движения.

Таким образом, при монохроматическом излучении на частоте а>0 сигнал на входе приемника можно рассматривать. как суперпозицию сигналов в Ж лучах:

характеризующая "время жизни" л-ого луча в точке приема; tn — момент его появления. В параграфе определены функции распределения случайных величин, входящих в выражение для передаточной функции, получены выражения для параметров распределений, связывающие искомые значения с характеристиками городской застройки в окрестности радиотрассы. Обработка, анализ и сопоставление с экспериментом модельных реализаций показали возможность определения по реализациям локальных спектров скорости и направления движения мобильного пункта' связи, позволили оценить необходимый пространственный интервал перемещения излучателя (около 200 м), разработать методику проведения экспериментальных исследований и требования к аппаратуре.

В §4.3 на основе спектрального анализа модельных и экспериментальных реализаций сигнала предлагаются методы пассивного контроля параметров движения источника излучения: метод скользящего отношения энтропий — для определения модуля скорости по ширине

N

Х\

где

функция единичного импульса,

спектра, метод нелинейного преобразования масштаба частотной оси спектра - для оценки направления движения.

Метод скользящего отношения энтропии основан на различной степени случайности, характеризуемой количественно энтропией, интенсивности спектральных отсчетов внутри и вне полосы,

занимаемой спектром. В результате предлагается искать максимум функционала, определяемого выражением:

М =

•Л.

/ = 0,

, где / определяет текущий номер спектрального

отсчета, принимаемый за предполагаемую границу полосы спектра;

/ • \ / л

ЛУ2 Ш

Г - у ■/

иМ - ¿_, N¡1

к=1

Л=1

1п

1п

Л72 Ш. V " 1

¿и Ж/2

-Л'/2 ¡у_

+ У '

^ ¿-I -Л'/2

•1п

х-=-/

-Л^/2 ИЛ J

-/У/2

-'1Ж

X-

Величина определяет энтропию за

пределами предполагаемой на /-ой итерации полосы спектра, У2/ — энтропию внутри нее.

Метод нелинейного преобразования масштаба частотной оси спектра

по закону <р=агссоз-

а>>

сол

где о)дтпх — полуширина полосы спектра,

позволяет определять направление перемещения источника излучения относительно радиотрассы .по единичной реализации спектра доплеровских частот.

Проводится оценка точности определения скорости и направления движения. Обработка 900 модельных и экспериментальных записей сигнала, показала, что точность определения модуля скорости движения предлагаемым методом Не хуже 5%, а направление движения источника

Зо го

- 5 .

Методы прогноза, разработанные в первых главах диссертационной работы, послужили основой для создания интегрированного пакета алгоритмов и программ по расчету локальных средних характеристик поля УКВ в городе (уровня сигнала, ширины углового энергетического спектра, интервала частотной корреляции и полосы пропускания радиоканала городской подвижной связи), описание которого приводится в пятой главе.

/

В §5.1 этой главы проводится выбор усредненных параметров застройки, необходимых для прогноза (Г ~ 0.1, /, и 1м), рассматриваются вопросы об интервалах усреднения, разрабатываются методы обработки топопланов города и занесения данных в ЭВМ, построения дискретных и непрерывных цифровых карт таких параметров застройки, как среднее расстояние прямой видимости в городском районе, средние высота и периметр зданий, высота рельефа местности.

На основе статистической обработки топопланов г.Томска и анализа известных из литературы данных показано, что достаточная точность расчетов может быть обеспечена при масштабе дискретизации равном 500 м для определения ~р и //, и 100 м при оцифровке высоты рельефа местности. Для хранения в цифровом виде информации о координатах и размерах зданий застройки предлагаются структура данных (диаграмма Вороного), широко используемая в вычислительной геометрии для структуризации двумерных данных, и быстрые алгоритмы определения средней высоты зданий и среднего расстояния прямой видимости в городском районе в окрестности пунктов связи.

В §5.2 рассматриваются вопросы, связанные с алгоритмизацией методов прогноза, влиянием дискретности цифровых карт высоты рельефа местности на точность прогноза. Предлагается процедура триангуляции поверхности рельефа, сглаживающая шумы дискретизации.

В §5.3 приводится описание программной реализации разработанного пакета алгоритмов,' структурной схемы всего комплекса программ, написанного на языке С++ в операционной среде MS Windows 3.1.

В заключении приведены основные результаты работы:

1. На основе анализа и сопоставления энергетических и вероятностных весов различных компонент многолучевого поля УКВ в городе показано, что наиболее вероятной и наиболее энергетически значимой компонентой поля в точке приема является "боковая волна". Пространственная структура многолучевого поля "боковой волны" определяется характером застройки только в непосредственной близости от точек расположения передающего и приемного пунктов; размер окрестности, определяющей уровень и структуру многолучевого поля, равен среднему расстоянию прямой видимости в городском районе. Предложена аппроксимация зависимости интенсивности "боковой волны" от высоты расположения антенны приемного пункта над слоем города.

2. На основе анализа многомасштабной структуры пространственных флуктуации поля к окрестности мобильного приемного пункта получена оценка глубины замирании локального среднего уровни поля относительно прогнозируемого среднего (эта величина характеризует отношение значений 90% и 10% квантилей функции плотности распределения локального среднего уровня поля), позволяющая рассчитывать точность прогноза уровня сигнала для различных масштабов пространственного усреднения. При усреднении по 100 м участкам расчетная точность прогноза составляет 4-5 дБ.

3. Доказана возможность модификации дифракционной формулы В.А.Фока для описания дополнительного ослабления, вносимого дифракцией "боковой-волны" на сферической земной поверхности. На основе анализа известных экспериментальных результатов показано, что ослабление нарастает экспоненциально по мере погружения в область тени вторичных (виртуальных) источников, находящихся на поверхности слоя городской застройки в окрестности мобильного пункта связи и создающих "боковую волну"-; проведена оценка параметра харак-теристичекого уравнения, определяющего зависимость членов дифракционного ряда В.А.Фока от электрических свойств подстилающей поверхности. Для области полутени сферической земной поверхности предложена аппроксимация суммы членов дифракционного ряда, обеспечивающая расчет ослабления с точностью 1-2 дБ.

4. Разработаны методы и численные алгоритмы аппроксимации неровностей рельефа местности вдоль городских радиотрасс сферическими поверхностями. Предложены расчетные выражения и методика расчета дифракционного ослабления поля УКВ в городе, учитывающие как вариации высоты рельефа вдоль радиотрассы, так и сферичность земной поверхности.

5. На основе анализа известных теоретических результатов определены основные компоненты многолучевого поля на городских улицах: "боковая волна", на уровень которой практически не сказывается (с точностью 1 - 2 дБ) присутствие улицы в окрестности корреспондирующих пунктов; ' волна обратного рассеяния, наблюдающаяся только на радиальных улицах; прямая волна, дифрагирующая на кромке улицы. Предложено эмпирическое выражение, позволяющее переходить к численному прогнозу локального среднего уровня поля на конкретных городских радиотрассах с учетом расположения и ориентации улиц.

6. Проведено сопоставление расчетных и экспериментально полученных значений локального среднего уровня поля на радиотрассах Кировского района г.Томска, подтвердившее расчетную точность прогноза (4 - 5 дБ при усреднении по 100 м участкам) и, таким образом, доказавшее адекватность используемых при расчетах модельных представлений (о формировании "боковой волны", экспоненциальном характере дифракционного ослабления по мере погружения в область тени, существенной роли прямой волны на городских улицах) реальным механизмам формирования многолучевого поля в городе.

7. Получена оценка ширины и формы локального среднего углового энергетического спектра, характеризующего распределение энергии парциальных волн в азимутальной плоскости на конкретных городских радиотрассах. Показано, что форма УЭС хорошо аппроксимируется однопараметрической кривой и полностью определяется интегральным масштабом спектра. Расчетное выражение для интегрального масштаба позволяет учитывать при прогнозе расположение и ширину улиц в городском районе в окрестности радиотрассы, плотность и высоту застройки, рельеф местности ' и кривизну земной^ поверхности, конечность разрешающей способности приемной антенны базовой станции.

8. Разработана модель передаточной функции городского канала УКВ подвижной радиосвязи. Показано, что сигнал в приемном тракте от движущегося в городе источника излучения можно рассматривать как пуассоновский поток радиоимпульсов со случайными амплитудами, фазами и частотами заполнения. Проведено обоснование выбора вида распределений случайных параметров сигнала, оценка значений параметров распределений,' что позволило перейти к разработке численных алгоритмов для моделирования случайных реализаций сигнала на конкретных городских радиотрассах.

9. На основе анализа' результатов проведенного численного эксперимента подтверждена зависимость формы и ширины единичных случайных реализаций спектра доплеровских частот от направления и модуля скорости перемещения источника излучения. Предложены, разработаны и апробированы на модельных и экспериментально полученных реализациях сигнала методы определения направления и модуля скорости движения источника излучения. Модуль скорости прямо пропорционален ширине полосы, занимаемой спектром, которая определяется по максимуму отношения энтропий внутри и вне полосы с точностью 0,4 Гц. Направление движения относительно радиотрассы

характеризуется положением на частотной оси локального максимума спектра. Предложенная процедура нелинейного масштабного преобразования частотной оси спектральных реализаций позволяет определять направление движения с точностью 3° - 5°. Разработана методика регистрации сигнала и требования к приемной аппаратуре, обеспечивающие возможность определения направления и скорости движения по случайным реализациям спектров сигналов. Показано, что для этого необходимо регистрировать сигнал на временных интервалах, обеспечивающих перемещение источника на 200 м, при этом частота дискретизации должна быть не менее 50Гц.

10. Предложены методы и алгоритмы предварительной обработки топопланов городских районов и занесения данных о застройке в ЭВМ, обеспечивающие построение дискретных карт локальных средних расстояния прямой видимости р и высоты застройки //, карты высоты рельефа местности, цифровой карты улиц; на основе статистической обработки и анализа планов реальных городских районов выбраны масштабы усреднения, определяющие размер дискрета цифровых карт параметров застройки р и //, карты рельефа местности. Предложена структура и алгоритмы управления цифровой базой данных городской застройки, обеспечивающей быстрое определение р и // в произвольной точке городского района (т.е. алгоритмы построения непрерывных карт ~р и //); предложенные алгоритмы оптимизированы по вычислительным затратам и использованию ресурсов ЭВМ, что достигается за счет применения методов вычислительной геометрии (для хранения информации о расположении зданий используется диаграмма Вороного — система данных, специально предназначенная для структуризации информации о размещении объектов на плоскости). Предложены алгоритмы фильтрации шумов дискретизации карты высоты рельефа местности

11. На основе предлагаемых в работе методов расчета локальных средних характеристик поля УКВ в городе разработаны алгоритмы прогноза уровня сигнала, ширины углового энергетического спектра, полосы пропускания канала городской подвижной радиосвязи, учитывающие локальные особенности застройки и рельефа местности на конкретных радиотрассах. Предложена структура интегрированного пакета программ для расчета локальных средних характеристик поля УКВ в городе; выполнена его программная реализация на персональной ЭВМ в операционной среде MS Windows. Программы пакета используют единую базу данных, интерфейс пользователя и обеспечивают расчет и вывод на экран ЭВМ или печатающее устройство в виде таблиц, графи-

ков пли радиокарт уровня сигнала, ширины углового энергетического спектра, полосы пропускания канала городской подвижной радиосвязи.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Вичистый Д.Ф., Пономарев О.Г., Фофонов A.B. Спектральные свойства многолучевого поля.//Тр. Областной научно-практ. конф по радиотехп., электр. и связи, посвящ. Дню радио. — Томск, 1987.

2. Карпов С.А., Коломеец В.И., Луц А.Д., Пономарев О.Г., Ручкин В.В., Чужков Ю.П. Аппаратура и методы экспериментальных исследований многолучевых полей в городе.//Тр. Всесоюзн. совещ. по приземн. распростр. радиоволн и эл.магн. совместимости. — Улан-Удэ, 1990. — С. 161-162.

3. Тельпуховский Е.Д.,Пономарев О.Г., Чужков Ю.П. Корреляционные и спектральные свойства УКВ сигналов в лесу.//Тр. Всесоюзн. совещ. по приземн. распростр. радиоволн и эл.магн. совместимости. — Улан-Удэ, 1990. - С. 175-176.

4. Тельпуховский Е.Д., Пономарев О.Г., Пономарева В.Н. Модель сигнала при распространении УКВ в городе.//Тр. XVI Всесоюзн. конф. по распростр. радиоволн. — Харьков, 1990. - С. 106.

5. Тельпуховский Е.Д., Пономарев Г.А., Пономарев О.Г., Чужков Ю.П. Спектральные свойства поля УКВ в городе.//Тр. XVI Всесоюзн. конф. по распростр. радиоволн. — Харьков, 1990. — С. 113.

6. Тельпуховский Е.Д., Пономарев О.Г., Чужков Ю.П. Энергетические характеристики УКВ сигналов в лесу., печатн.//Тр. XVI Всесоюзн. конф. по распростр. радиоволн. — Харьков, 1990. — С. 120.

7. Пономарев О.Г. Передаточная функция городского канала распространения радиоволн//Тр. XLVI Всесоюзн. научной сессии, поев. Дню радио. - М: "Радио и связь",1991. - С. 116-117.

8. Куликов А.Н., Пономарев О.Г., Тельпуховский Е.Д., Фортес В.Б., Чужков Ю.П. Пространственно-временные флуктуации поля УКВ в лесопарковых зонах.//Тр. III Всесоюзн. семинара "Распрост. радиоволн в городах и лесных районах". — Москва, 1991.

9. Корсак О.М., Куликов А.Н., Пономарев Г.А., Пономарев О.Г., Тельпуховский Е.Д. Интегрированный пакет программ по расчету статистических и локальных характеристик поля УКВ в городе.// IV Российский семинар "Распрост. радиоволн в городах и лесных районах". - Томск, 1993. - С. 12-18.

10. Пономарев О.Г. Прогноз интенсивности поля УКВ в городе с учетом влияния рельефа местности/Др. IV Международн. научн.-техн.

коиф. "Расирост. п дифракция электромагнитных ноли и пеодп. средах.". - Москва, 1994. - С. 225-226.

II. Пономарев Г.А., Пономарев О.Г. Влияние рельефа местности на распространение УКВ в городе//48 Научн. сессия НТРОЭС. — М: Радио и связь, 1993.