Влияние климатических особенностей на функционирование сетей 5G

Введение

Одной из основных тенденций развития мировой экономики в соответствии с [17, с.16] является формирование Глобальной информационной сети. Её создание предполагает объединение беспроводных широкополосных сетей передачи данных с Глобальными навигационными спутниковыми системами (ГНСС) для обеспечения непрерывной высокоскоростной связи с любой точкой на Земном шаре. Технически данная тенденция реализуется путем развития и внедрения технологии 5G. Как известно [3, 5], сети 5G имеют более сложную структуру по сравнению с известными сетями – они являются многосвязными, т.е. в них одновременно функционируют базовая станция для макросоты (ядра сети), нескольких базовых станций для малых сот, а также базовых станций фемтосот. Данный принцип построения определяют [3, 5]:

• существенное различие по частотам, мощности передатчиков антенн базовых станций трех типов сот, и, как следствие, по радиусу зоны покрытия данных сот. Для фемтосетей, функционирующих на частотах 66-76 ГГц, мощность передатчика не превышает 0,25 Вт, а радиус зон покрытия не превышает 20 м. В сетях малого радиуса действия применяются частоты от 24,25-27,5 ГГц и 37-40,5 ГГц, мощность передатчика составляет 6,1 Вт, радиус зоны покрытия менее 200 м. Наконец, в макросоте на частотах 3,4-3,6 ГГц и 5- 6 ГГц и мощности передатчика порядка 40 Вт радиус зоны покрытия составляет до 200 м [3];
• различие по местам и способу размещения. Антенны базовых станций внутри макросоты могут размещаться как во внешнем пространстве (макросоты и малые соты), так и в помещениях (фемтосоты). Размещение антенн является хаотичным, особенно в густонаселенных районах, вызывает существенное изменение электромагнитного фона вблизи [4, 5], а их высота может варьироваться от традиционных значений (25-45 м) до 2-6 м [3, 5, 20]. Последнее соответствует размещению на опорах линий электропередач, фонарных столбах вблизи жилых домов, на стенах зданий, на остановках общественного транспорта, на крышах канализационных люков и т.д.;
• возможность интеграции наземного сектора сетей сотовой связи с ГНСС для обеспечения непрерывной связи с движущимися наземными, морскими, воздушными объектами (система ESIM, Earth stations in motion) [22], достигаемая формированием в массиве антенн MIMO (Multiple Input Multiple Output) отдельного луча диаграммы направленности для каждого из объектов [3, 5, 8].

Перечисленные выше особенности являются общими и фактически не зависят от климатического района развертывания сети с технологией 5G. В то же время наличие антенн базовых станций, функционирующих на частотах, близких к миллиметровым длинам волн и размещаемых во внешнем пространстве на малых высотах, предполагает в силу физических особенностей электромагнитных волн миллиметрового диапазона зависимость качества их работы от климатических факторов [4; 12, с.305; 13]. Кроме того, место развертывания сети 5G определяет конкретную ГНСС, используемую для функционирования системы ESIM, а также оценку потерь точности при определении места нахождения наземного объекта, обусловленную прохождением через тропосферу Земли радиосигнала системы [6, с.109]. Сказанное выше определяет необходимость проведения исследований, как минимум, в двух направлениях, связанных с оценкой потерь энергии электромагнитной волны при прохождении через слой осадков на антенне наземного сектора системы, а также оценки задержки радиосигнала при прохождении через тропосферу для космического сектора. Данные направления исследований являются независимыми. В связи с этим авторы предлагают два отдельных доклада по указанным направлениям.

Цель исследования – оценка влияния климатических факторов района развертывания сети 5G на выбор типа внешних антенн малой соты.

Решаемая задача

Анализ влияния климатических факторов в районе развертывания сети 5G на потери энергии электромагнитной волны при прохождении через слой осадков на антенне базовой станции малой соты.

Используемые методы

При проведении исследований используем теорию распространения радиоволн [12], рекомендации Международного союза электросвязи [13], теорию метеорологического электромагнетизма [4].

Результаты исследования

Анализ типов антенн, используемых в качестве базовых станций в малых сотах сетей 5G, приведенный в [3, 7], показал, что реализация многолучевого режима работы в MIMO может быть выполнена с использованием различного типа антенн, например, зеркальных антенн, антенных решеток отражательного и проходного типов, линзовых антенн (однородных, градиентных, Люнеберга). Дальнейшие исследования проводятся для зеркальных антенн, используемых в качестве массива антенн MIMO.

Как известно из теории распространения радиоволн [12, с.305; 13], в миллиметровом частотном диапазоне существенным образом изменяются электрические параметры влагосодержащих осадков (дождя, наледи и снега). Вследствие этого изменяется толщина скин-слоя осадков на металлическом рефлекторе зеркала, что в свою очередь приводит к росту потерь энергии электромагнитной волны при их прохождении. Однако при организации канала связи представляет интерес величина данных потерь. В зависимости от нее принимается решение о необходимости использования того или иного средства защиты антенны от осадков. В сантиметровом диапазоне длин волн, в котором зеркальные антенны давно и широко применяются, для защиты от осадков используются специальные лаки и краски для обеспечения гидрофобных свойств [23], перфорация рефлектора для снижения как ветрового воздействия, так и удаления воды после дождя [16], системы нагрева рефлектора с системами сдува воды для удаления наледи и снега [18], а также радиопрозрачные антенные укрытия, являющиеся универсальным средством для борьбы с последствиями осадков [19]. Переход в миллиметровый диапазон длин волн делает ряд конструкций, обеспечивающих защиту от осадков, недопустимыми. Это обусловлено тем, что при их проектировании элементы конструкции, как например, в [16] для рефлектора, образованного проволочной системой, составляют порядка 0,017 длины волны и 0,07 длины волны, что в миллиметровом диапазоне длин волн делает данную конструкцию невозможной при эксплуатации в условиях сильного ветра.

Выполненный анализ известных способов защиты от воздействия климатических факторов показал, что в большинстве случаев их конструктивные размеры привязаны к рабочей длине волны, и переход в миллиметровый диапазон волн существенным образом усложняет технологическое исполнение применяемых в диапазоне СВЧ конструкций. Вопрос о величине потерь энергии в слое осадков в миллиметровом диапазоне длин волн и способах защиты от них в настоящее время остается открытым. Это обусловлено, в основном, тем, что при известном подходе к данному вопросу, описанном в [1] еще в 1965 г., открытым остается вопрос о возможной толщине слоя осадков на рефлекторе и их электрических параметрах в миллиметровом диапазоне длин волн. Данные вопросы относятся к разным областям исследований. Первый связан с особенностями климатического района размещения антенны и может быть решен с использованием статистической метеорологии. Второй вопрос относится к области физики. Предлагаемый авторами подход базируется на теории метеорологического электромагнетизма, описанной в [4] и позволяющей объединить строгие методы электродинамики с результатами статистической метеорологии. В рамках поставленной в статье задачи применение данной теории означает для оценки потерь энергии электромагнитной волны в слое диэлектрика с потерями применение строгой электродинамической модели, предложенной в [1] с геометрией, приведенной на рис. 1, при условии выбора исходных данных (толщины слоя l₂ и электрических параметров  диэлектрика с потерями) на основе информации (метеорологических данных) о наиболее типичных для места размещения антенны средних максимальных и минимальных температурах, видах осадков, а также их интенсивности.

Рис. 1. Геометрия задачи:
l₂ – толщина слоя осадков;  – относительная диэлектрическая проницаемость осадков; R₃₂₁ – коэффициент отражения Френеля от трехслойной среды «металл – слой осадков – воздух» для плоского бесконечного экрана с покрытием из бесконечного диэлектрика с потерями

Полученная авторами методика расчета потерь энергии электромагнитной волны миллиметрового диапазона длина волн при прохождении через слой осадков на рефлекторе зеркальной антенны подробно описана в [11]. В качестве допущений и ограничений разработанной модели выступают:

• предположение о квазиплоской бесконечной поверхности рефлектора зеркала (в верхней части сантиметрового диапазона длин волн и в миллиметровом диапазоне длин волн кривизна стремится к нулю);
• предположение о режиме наибольшей степени жесткости (допущение о 100 % покрытии поверхности зеркала равномерным слоем осадков, как при ориентации зеркала в зенит, вместо реального частичного неравномерного заполнения, показанного на рис.1) при оценке потерь энергии электромагнитной волны;
• предположение об однородности по вертикали снежного покрова (отказ от учета процесса слёживаемости снега в течение суток с момента выпадения);
• предположение о равномерности по толщине слоя снежного суточного наноса вблизи пункта измерения;
• ограничение – отказ от учета аномальных погодных явлений, имеющих место в среднем раз в 10 лет.

Угол падения осадков на рефлектор в методике в соответствии с [10] принимается равным θ1=45°, как рекомендовано при проведении исследований, связанных с падением дождя на объект, и соблюдением режима наибольшей степени жесткости. При определении толщины слоя дождя учитывается диаметр рефлектора, а также средняя интенсивность дождя на единицу поверхности, выпадающая в данном районе с вероятностью более 75 % в течение 20 мин. Толщина наледи в районе размещения может быть найдена по данным строительных норм [21]. В данном документе выделяются пять типов гололедных районов, различающихся толщиной наледи. Предложенный подход также отличается от [10], где при проведении испытаний на прочность оборудования к обледенению толщина наледи устанавливается заказчиком. Толщина снежного покрова определяется суточной толщиной наноса. Поскольку в [9] приводятся только месячные нормы, то для определения данной величины воспользуемся рекомендациями по защите и очистке автомобильных дорог от снега [14], в котором имеется информация о величине средних суточных наносов по административным районам. Информация о температурном режиме эксплуатации может быть найдена по данным [9]. На её основе определяются электрические свойства осадков, включая снег и его влажность.

С использованием разработанной методики на первом этапе исследований была проведена оценка толщины слоя осадков на рефлекторе диаметром 150 см, который может быть использован в качестве антенны MIMO в сетях 5G. В таблице приведены результаты моделирования толщины слоя осадков на рефлекторе зеркальной антенны при размещении её в одном из пяти выделенных в [21, c.22] гололедных районов.

Таблица

Толщина слоя метеорологических осадков в типовых гололедных районах

На рис. 2-4 приводятся полученные при проведении исследований частотные зависимости потерь энергии электромагнитной волны вертикальной поляризации, используемой для передачи в сетях сотовой связи, при распространении в слое осадков для типичных представителей трех гололедных районов (2-4). При этом левое поле рисунков соответствует диапазону СВЧ, а правое поле – миллиметровому диапазону длин волн. При проведении моделирования верхняя граница миллиметрового диапазона длин волн была ограничена величиной 100 ГГц, поскольку, как отмечалось ранее, в технологии 5G не применяются частоты свыше 76 ГГц.

Результаты на рисунках 2-4 приведены для четырех видов осадков – дождя, влажной наледи, сухого и мокрого снега. Следует отметить, что в [13] приводятся соотношения, описывающие нахождение электрических параметров только для воды (дождя) и льда (наледи). Расчет электрических параметров для снега, включающего либо две фракции (лёд и воздух) либо три фракции (лёд, воздух и вода) осуществляется, как показано в [2, 11], по известным значениям удельной плотности снега и его влажности. В свою очередь данные величины зависят от сезона, температуры и времени, прошедшего после момента выпадения снега. Для приближенных расчетов полагалось, что случай сухого снега (нулевая влажность) соответствовал температурам ниже -4°С и удельной плотности снега 0,15 г/см3. Для моделирования влажного снега могут быть рассмотрены два варианта, различающиеся температурным режимом: температурам -4°C<t≤0°C соответствует влажность снега 1,5 % и удельная плотность 0,45 г/см3, а температурам 0°C<t≤0,5°C – влажность снега 2,0 % и удельная плотность 0,70 г/см3. В предположении о режиме наибольшей степени жесткости рассматривался второй температурный вариант, соответствующий весеннему сезону. При моделировании потерь от дождя полагалось, что температура воздуха составляла t=20°C, т.е. средняя летняя температура.

Рис. 2. Частотная зависимость потерь электромагнитной энергии волны
при размещении антенны в третьем гололедном районе:
1 – осадки в виде дождя; 2 ‑ влажная наледь; 3 – сухой снег; 4 – влажный снег

Рис. 3. Частотная зависимость потерь электромагнитной энергии волны 
при размещении антенны в четвертом гололедном районе:
1 – осадки в виде дождя; 2 ‑ влажная наледь; 3 – сухой снег; 4 – влажный снег

Рис. 4. Частотная зависимость потерь электромагнитной энергии волны
при размещении антенны в пятом гололедном районе:
1 – осадки в виде дождя; 2 ‑ влажная наледь; 3 – сухой снег; 4 – влажный снег

Обсуждение результатов исследований

Анализ полученных результатов позволяет сказать, что величина потерь энергии зависит как от частоты электромагнитной волны, так и вида осадков. При этом в зависимости от гололедного района максимальные потери энергии наблюдаются для обеих поляризаций волны для выбранного пункта во втором гололедном района (см. рис. 2) на частотах до 6 ГГц для дождя, на частотах свыше этого – для наледи. В выбранном пункте третьего гололедного района (см. рис. 3) максимальные потери энергии в слое осадков на рефлекторе наблюдаются на частотах до 6 ГГц для дождя, на частотах 24,25-27,5 ГГц – для наледи, а на частотах 37-40,5 ГГц – для влажного снега. В выбранном пункте четвертого гололедного района (см. рис. 4) на всех выбранных частотах максимальные потери энергии наблюдаются в случае образования на рефлекторе слоя наледи. При этом максимальная величина потерь энергии для выбранного пункта из второго гололедного района не превышает 10 дБ, для третьего и четвертого районов – 18 дБ. Следует отметить, что гололедные районы охватывают большие территории, в пределах которых могут выделяться климатические районы с другой интенсивностью выпадения дождя или снега. В связи с этим возникает необходимость проведения индивидуальных исследований для каждого конкретного пункта размещения зеркальной антенны.

Выполненные исследования позволяют сформулировать рекомендации по выбору средств защиты от влияния метеорологических факторов. Так для антенн, функционирующих на частотах ниже 6 ГГц, при их размещении во втором и третье гололедных районах целесообразно использовать системы защиты от дождя (использование специальных лаков, перфорирование зеркала или системы сгона воды), а в четвертом районе наиболее целесообразно использовать системы защиты от наледи [18]. Для антенн малых сот в рассматриваемых гололедных районах на частотах 24,25-27,5 ГГц целесообразно применять системы защиты от наледи [18]. На частотах миллиметрового диапазона (37-40,5 ГГц) в третьем гололедном районе целесообразно использовать системы защиты от влажного снега [18. 19], например, подогрева рефлектора со сгоном воды, а во втором и четвертом районах достаточным является применение систем защиты от наледи [18].

Выводы

Выполненные с использованием разработанной методики исследования показали, что при развертывании сетей технологии 5G необходимо учитывать климатические особенности пунктов размещения антенн. Это обусловлено тем, что потери электромагнитной волны в слое осадков, образующихся на рефлекторе зеркальных антенн MIMO для организации связи высокоскоростными абонентами в миллиметровом и около миллиметровом диапазонах, возрастают на 8 дБ по сравнению с 10 дБ для антенн базовой станции на частотах ниже 6 ГГц. При невозможности компенсировать данные потери внутри системы необходимо использовать систему защиту от осадков. Разработанная авторами методика позволяет научно обоснованно выбрать данную систему защиты.

1. Blevis B.C. Losses due to rain on radomes and antenna reflecting surfaces // IEEE Transaction on Antennas and Propagation. 1965. Vol.13, № 1. C. 175-176.
2. Huining W., Pulliainen J., Hallikainen M. Effective permittivity of dry snow in the 18 to 90 GHz range // Progress in Electromagnetics Research. PIER. 1999, Vol.24. C.119-138.
3. Multibeam antenna technologies for 5G wireless communications / W. Hong, Z.H. Jiang, C. Zhou [et all] // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2017. Vol.65, № 12. C.6231-6249.
4. Notaroš B.M. Meteorological electromagnetics. // IEEE Antennas & Propagation Magazine. 2021. April. C.14-27.
5. Overview of millimeter wave communications for fifth-generation (5G) wireless networks – With a focus on propagation models / T.S. Rappaport, Y. Xing, G.R. MacCartney [et all] // IEEE Transaction on Antennas and Propagation 2017. Vol.65, № 12. C.6213-6230.
6. Subarina J.S., Zornoza J.M.J., Hernandez-Pajares M. GNSS data processing. Vol.1. Fundamentals and Algorithms. ‑ ESA Communications, 2013. ‑ 224 с.
7. The necessity to assess the electromagnetic environment near 5-G radio-emitting objects with instrumental procedure / M.Yu. Zvezdina, Yu.A. Shokova, A.G. Prygunov [et all] // IOP conference Series: Earth and Environmental Sciences. 2020. Vol. 688. URL: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1755-1315/543/1/012037/pdf (дата обращения: 10.09.2021).
8. Zvezdina M.Yu., Shokova Yu.A. Features of electromagnetic situation estimation near the 5G base station antennas // IOP conference Series: Earth and Environmental Sciences. – 2021, v. 688. URL: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1755-1315/688/1/012011/pdf (дата обращения: 15.09.2021).
9. ГОСТ 16350-80. Климат СССР. Районирование и статистические параметры климатических факторов для технических целей. ‑ М.: Изд-во стандартов, 1980. ‑ 150 с.
10.  ГОСТ РВ 20.57.306-98. Комплексная система контроля качества. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Методы испытаний на воздействие климатических факторов. ‑ М.: Росстандарт России, 1998.
11. Звездина М.Ю., Шапошникова А.М., Шокова Ю.А. Влияние климатических факторов на потери энергии электромагнитной волны миллиметрового диапазона при прохождении через слой осадков на рефлекторной зеркальной антенне // Радиотехника. 2021. № 7. C.98-107.
12. Марков Г.Т., Петров Б.М., Грудинская Г.П. Электродинамика и распространение радиоволн. ‑ М.: Советское радио, 1979. ‑ 376 с.
13. МСЭ-R Р.527-5 (08/2019) Электрические характеристики земной поверхности. Сер. Р. Распространение радиоволн. ‑ 22 с.
14. ОДМ 218.5.001-2008 Методические рекомендации по защите и очистке автомобильных дорог от снега. Утв. Распоряжением Росавтодора от 01.02.2008. г. № 44-р.
15. Оценка электромагнитной безопасности на крыше жилого здания в присутствии антенны сотовой связи / М.Ю. Звездина, Ю.А. Шокова, А.В. Шоков [и др.] // Вестник Донского государственного университета. 2015. № 3. C.102-110.
16. Патент RU 2646947 С1. Зеркальная антенна (варианты) / В.В. Хабаров (RU), С.В. Люзжукин (RU) / Патентообладатель: Публичное акционерное общество «Радиофизика» (RU) / заявл. 22.02.2017, опубл. 12.03.2018, бюл. № 8.
17. Прогноз научно-технического развития Российской Федерации на долгосрочную перспективу (до 2030 г.) // Российская академия наук: [сайт]. ‑ URL: http://www.ras.ru/scientificactivity/scienceresults/prognosis.aspx (дата обращения: 15.09.2021).
18. Профессиональные системы антиобледенения. ООО «Айс Фри Системс» [Электронный ресурс]: URL: http://ifsystems.ru (дата обращения: 01.10.2021).
19. Радиопрозрачные антенные укрытия. АО ЦКБА (сайт) [Электронный ресурс]: URL: http://ckba.net/print/178/ (дата обращения: 24.09.2021).
20. Разъяснение Министерства государственного управления, информационных технологий и связи Московской области от 09.02.2017 № 10-622/Исх.
21. СП 20.13330.2016 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85 (с изменениями № 1, 2).
22. Стрелец В. Перспективы спутниковой связи в свете решений ВКР-19 // Электросвязь. – 2020, № 2, с.5-9.
23. Тихомиров А.В., Омельянчук Е.В., Кривошеев А.В. Особенности проектирования систем связи миллиметрового диапазона радиоволн // Инженерный вестник Дона. 2013. Т.25, № 2(25). URL: http:// ivon.ru/magazine/archive/n2y2013/1742 (дата обращения: 24.9.2021).