Исследование и разработка метода повышения эффективности использования полос частот, выделенных для радиорелейных линий прямой видимости

В выполнении задач по развитию и совершенствованию Единой автоматизированной сети связи СССР, поставленных одиннадцатым пятилетним планом экономического и социального развития СССР в соответствии с решениями ХХУ1 съезда КПСС, ванная роль принадлежит радиорелейным линиям прямой видимости (РРЛ). Выполнение общегосударственных Энергетической и Продовольственной программ также предусматривает широкое применение РРЛ для технологической связи вдоль газопроводов и нефтепроводов и для создания разветвленной сети связи в огромных по площади аграрных районах.

При исторически сложившемся принципе построения РРЛ, работающих в диапазоне частот 2*8 ГГц, станции располагаются через ретрансляционные участки (пролеты) длиной 35*70 км. Такие длины пролетов выбирались потому, что первые поколения радиорелейной аппаратуры, использующие электронно-вакуумные приборы, имели довольно большое энергопотребление (например, для аппаратуры типа Р-600 М, ВОСХОД, мощность, потребляемая одним комплектом оборудования составляет 700*800 Вт [I]). Наряду с этим, такая аппаратура обладала сравнительно низкой надежностью из-за несовершенства отдельных деталей и сравнительно малого срока службы электронно-вакуумных приборов, что требовало частой профилактики аппаратуры. Поэтому месторасположение радиорелейных станций (РРС) обычно совмещалось с населенными пунктами, имеющими не только надежные электросети, но и хорошие подъездные пути, позволяющие обеспечить оперативное осуществление ремонтных работ. Автономные источники энергоснабжения радиорелейной аппаратуры (обычно дизельгене-раторы) применялись лишь для случая аварий на линиях энергоснабжения. При указанных длинах пролетов с учетом рельефа местности, для обеспечения прямой видимости требуется установка антенных опор высотой до 75*120 is. При таких высотах антенных опор для безопасности полетов авиации требуется светоограждение мачт, что приводит к существенному дополнительному увеличению мощности, потребляемой каждой РРС.

При длинах пролетов в 35*70 км вследствие замираний неизбежны значительные падения уровней сигналов на входе приемников РРС. Поэтому для обеспечения требуемых качественных показателей каналов радиорелейная аппаратура должна иметь энергетический запас примерно в 30*40 дБ. Однако этот энергетический запас реализуется лишь в течение очень малых промежутков времени, когда возможны г?1убокие падения уровней сигналов, а в остальное время он создает большие уровни мешающих сигналов другим радиоэлектронным средствам, работающим в совмещенных полосах частот.

Таким образом, построение РРЛ с интервалами протяженностью в несколько десятков километров было оправданным при технико-экономических показателях радиорелейной аппаратуры, использующей ламповые электронные приборы. За последнее десятилетие в развитии радиорелейных систем появились принципиально новые качественные возможности, связанные с применением современной технологии, основанной на широком применении полупроводниковой техники, интегральных микросхем, микрополосковок техники и пр. Все это позволило не только существенно уменьшить габариты, вес и материалоемкость радиорелейного оборудования, снизить номиналы используемых напряжений, но и резко уменьшить энергопотребление аппаратуры при значительном повышении надежности ее работы. Так, например, энергопотребление одного комплекта радиорелейной аппаратуры «Электроника-Связь-П Ц» равно 60 Вт [2], а, согласно [3,4], мощность, потребляемая одним комплектом аппаратуры фирмы «NEC.», рассчитанной на передачу 960*1800 телефонных каналов, составляет в диапазонах частот 2 ГГц — 6 ВтГГц — 15 Вт и 8 ГГц — 20 Вт. Среднее время наработки на отказ для этого оборудования достигает 300 000 часов. Столь малое энергопотребление современной радиорелейной аппаратуры дает возможность осуществить ее питание от полностью автономных источников питания: термоэлектрических генераторов, атомных источников, солнечных батарей, ветроэлектрических генераторов. Вследствие этого, во-первых, упрощается строительство РРЛ, так как отпадает необходимость совмещения РРС с существующими сетями энергоснабжения. Во-вторых, из-за большей компактности аппаратуры существенно уменьшаются капитальные затраты на строительство, поскольку все оборудование может быть размещено в небольших контейнерах.

Благодаря успехам микроэлектроники чрезвычайно широкое развитие получают цифровые РРЛ прямой видимости (ЦРРЛ), имеющие ряд существенных преимуществ перед аналоговыми РРЛ.

Процесс обновления сети РРЛ уже начал проводиться в СССР и во многих странах и будет интенсивно продолжаться в ближайшие годы. Поэтому важное значение приобретают вопросы оптимизации построения сети РРЛ с учетом всех технико-экономических аспектов, возможностей повышения эффективности использования выделенных для них полос частот, улучшения условий электромагнитной совместимости (ЭМС) РРЛ с другими радиосистемами, работающими в совмещенных полосах частот.

Вопросы оптимизации построения сети РРЛ в таком широком плане впервые были поставлены в [5,6″ ]. В этих статьях, опубликованных в порядке обсуждения, при определенных предположениях, принятых для простоты и наглядности, было показано существование оптимальных длин пролетов. При таких длинах пролетов требуются минимальные значения энергетических параметров радиорелейной аппаратуры, необходимые для обеспечения заданных качественных показателей каналов на выходе линии при передаче многоканальных телефонных сообщений с частотным разделением каналов и частотной модуляцией (ЧРК-ЧМ). В этих работах была также оценена избыточность энергетических параметров РРЛ при традиционных длинах пролетов, проанализированы возможности улучшения условий ЭМС при сокращении длин пролетов до оптимальных значений и устранения указанной избыточности.

Целью настоящей диссертационной работы является решение актуальной задачи детального исследования возможностей повышения эффективности использования полос частот аналоговыми и цифровыми радиорелейными линиями, работающими в диапазонах 2,4,6 и 8 ГГц в свете идей, высказанных в [5,6]. Полосы частот, выделенные для РРЛ в указанных диапазонах, имеют особое значение по двум причинам: во-первых, некоторые из этих полос, согласно Регламенту радиосвязи, выделены для совместного использования РРЛ и спутниковыми системами связи и, во-вторых, в этих диапазонах еще практически не оказывается ослабление радиоволн в осадках. Поэтому наиболее эффективное использование этих полос имеет первостепенное значение для РРЛ всех назначений. Полосы частот, выделенные для РРЛ в более высокочастотных диапазонах, менее выгодны с технико-экономической точки зрения из-за значительного ослабления радиоволн осадками, вследствие чего возникает необходимость в существенном энергетическом запасе для компенсации ослаблений уровня сигнала даже на коротких пролетах.

В первой главе диссертации вводятся и обосновываются критерии, характеризующие эффективность использования полос частот, выделенных для РРЛ. Эта эффективность оценивается с помощью критериев энергетической загрузки полос частот (КЭЗ). Применительно к одной изолированной РРЛ величина КЭЗ определяется отношением произведения суммарной излучаемой мощности всех станций на полосу частот, которая необходима для передачи данного вида информации, к длине линии и числу телефонных каналов или телевизионных сигналов для аналоговых РРЛ, или скорости передачи для ЦРРЛ. Таким образом, меньшие значения КЭЗ соответствуют более эффективному использованию полос частот, причем величина КЭЗ учитывает, как следует из определения, и оптимальность применяемого способа передачи и обработки информации. Величина КЭЗ применительно к сети РРЛ определяется отношением произведения суммарной мощности излучаемой всеми станциями на необходимую полосу частот и число частотных диапазонов, требуемых для построения сети с заданной плотностью, к площади занимаемой сетью и числу телефонных или телевизионных каналов (или скорости передачи цифровой информации).

Вторая глава диссертации посвящена анализу статистических данных, характеризующих случайные изменения уровня радиосигнала на входе приемников РРС. Эти данные необходимы для решения задач, рассматриваемых в последующих главах. Приводится метод определения глубины субрефракционных замираний, анализируются различные методы расчета статистических распределений глубины интерференционных замираний, даются статистические характеристики замираний сигнала, вызванных влиянием диаграмм направленности антенн и ослаблением радиоволн в гидрометеорах. Получены формулы для статистических распределений искажений амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) и фазово-частотных характеристик (ФЧХ) тракта распространения, обусловленных селективностью интерференционных замираний, имеющие важное значение для расчета устойчивости работы цифровых и широкополосных аналоговых РРЛ.

В третьей главе исследуются вопросы оптимизации энергетических параметров аппаратуры аналоговых РРЛ при передаче многоканальных телефонных сообщений и сигналов телевидения, а также возможности снижения необходимых энергетических параметров аппаратуры при укорочении длин пролетов ЦРРЛ. В этой же главе анализируется энергетическая загрузка спектра в зависимости от выбора длины пролетов на линии. Б отличие от работы [5] при этом анализе учитываются все факторы, влияющие на оптимизацию энергетических параметров радиорелейной аппаратуры: накопление шума в аналоговых РРЛ, зависимости от длины пролета глубины замираний, потерь в антенно-фидерных трактах (АФТ) и нелинейных переходных шумов в АФТ для случая передачи по РРЛ многоканальных телефонных сообщений с ЧРК-ЧМ. При анализе в качестве исходной модели используется гладкая сферическая Земля с учетом среднестатистической поправки на увеличение высот подвеса антенн из-за наличия леса, местных препятствий и пр.

Б четвертой главе, исходя из Рекомендаций МККР на допустимую мощность шума в каналах аналоговых РРЛ и вероятность ошибки для ЦРРЛ, проводится анализ предлагаемой модели сети параллельных РРЛ как для аналоговых РРЛ при передаче многоканальных телефонных сообщений с ЧРК-ЧМ, так и для ЦРРЛ. В этой же главе определяются зависимости необходимого территориального разнесения РРЛ от длин пролетоЕ в рассматриваемых диапазонах частот, а также оцениваются возможности экономии полос частот при сокращении длин пролетов в случае построения сети РРЛ с высокой плотностью.

В пятой главе анализируются условия ЭМС аналоговых РРЛ и систем связи с использованием искусственных спутников Земли (ИСЗ) при различных вариантах построения РРЛ.

Научная новизна проведенных в диссертационной работе исследований заключается в том, что в ней даны определения и количественные оценки оптимальных значений энергетических параметров радиорелейной аппаратуры аналоговых РРЛ и соответствующих им длин пролетов при передаче многоканальных телефонных сообщений с ЧРК-ЧМ и телевизионных сигналов, а также исследованы возможности сокращения необходимых энергетических параметров аппаратуры ЦРРЛ при укорочении пролетов.

Получены формулы для статистических распределений амплитудно-частотных и фазово-частотных искажений, вызванных селективностью интерференционных замираний. Это позволило учесть влияние указанных искажений на качественные показатели ЦРРЛ с фазовой манипуляцией и дать рекомендации по выбору таких значений длин пролетов, при которых влияние селективных замираний на устойчивость работы ЦРРЛ практически не сказывается.

Анализируется избыточность энергетических параметров существующей радиорелейной аппаратуры, работающей в диапазонах частот 2*8 ГГц, при традиционном построении РРЛ по сравнению со значениями этих параметров, соответствующих оптимальным вариантам построения РРЛ. Показано, что за счет устранения указанной избыточности при соответствующем сокращении длин пролетов возможно увеличение плотности сети РРЛ в 2,2−2,7 раза в каждом рассматриваемом частотном диапазоне. Это позволяет существенно повысить эффективность использования полос частот, выделенных для радиорелейной связи. Количественный анализ этой эффективности производится с помощью предлагаемых в диссертации линейного и сетевого критериев энергетической загрузки.

Практическая значимость полученных результатов состоит в том, что они могут служить основной для технико-экономического анализа различных вариантов модернизации и построения сети аналоговых и цифровых РРЛ с целью выбора оптимальных энергетических параметров радиорелейного оборудования при соответствующем сокращении длин пролетов с учетом получающейся при этом значительной экономии частотных полос и улучшения условий ЭМС РРЛ с другими радиосистемами.

Методы исследования. При исследованиях, проведенных в данной диссертационной работе, применялась теория случайных процессов и методы статистической радиотехники. Для сложных расчетов широко использовались ЭВМ серии ЕС / ЕС — 1055, ЕС — 1060 /.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на конференциях профессорско-преподавательского состава МЭИС в 1981, 1983 гг., на Всесоюзном научно-техническом совещании «Проблемы электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств (Таганрог, 1982 г.-. Часть материалов третьей главы была направлена в качестве Вклада СССР в 9-ю Исследовательскую Комиссию МККР и нашла отражение в документах промежуточного собрания этой Комиссии в 1984; г.

Внедрение и использование материалов работы. Результаты диссертационной работы были внедрены в Центральном научно-исследовательском институте связи (ЦНИИС) при создании цифровых радиорелейных систем передачи для местных сетей связи. Материалы второй главы диссертации были использованы при разработке цифровой радиолинии в ГОСТЕЛЕРАДИО СССР. Часть результатов третьей главы диссертации была использована в Отчете 784- 9-ой Исследовательской Комиссии МККР. Документы, подтверждающие внедрение и использование результатов, приведены в приложении.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ [II, 12, 30, 46, 47, 48, 68] в журнале «Электросвязь» и сборниках «Труды НМИР», «Труды учебных Институтов связи». Работы J~I2, 46, 68] написаны в соавторстве. В настоящее время приняты к публикации еще 2 статьи[81, 82] в журнале «Электросвязь» и сборнике «Труды НИИР». Справки из редакций указанных журналов приведены в приложении.

На защиту выносятся:

1. Линейный и сетевой критерии энергетической загрузки, позволяющие проанализировать эффективность использования полос частот, выделенных для радиорелейной связи, при различных вариантах построения РРЛ.

2. Метод определения минимальных значений энергетических параметров радиорелейной аппаратуры и соответствующих оптимальных длин пролетов аналоговых РРЛ, при условии обеспечения требуемых качественных показателей каналов. Доказывается, что оптимальные длины пролетов для современных аналоговых РРЛ оказываются в 2*2,5 раза меньше традиционно принятых, а мощность, излучаемая каждой РРС, при указанном сокращении длин пролетов может быть снижена на 10*20 дБ. Для цифровых РРЛ уменьшение длин пролетов в 1,8*2,5 раза по сравнению с используемыми в настоящее время средними значениями позволяет уменьшить необходимую излучаемую мощность каждой станции на 16*18 дБ. В результате сокращения длин пролетов устраняется избыточность энергетических параметров радиорелейного оборудования, которая, при достаточно больших длинах пролетов, обусловлена необходимостью компенсации глубоких падений уровня сигнала вследствие замираний.

3. Метод расчета статистических распределений искажений моду-. ля и фазы коэффициента передачи тракта распространения (т.е. амплитудно-частотных и фазово-частотных искажений этого тракта), вызванных селективностью интерференционных замираний сигнала. Показано, что сокращение длин пролетов позволяет существенно уменьшить влияние частотно-селективных замираний на устойчивость работы цифровых РРЛ при многократной фазовой манипуляции, используемой в современных РРЛ.

Модель сети параллельных РРЛ, на примере которой показано, что сокращение длин пролетов до значений, близких к оптимальным, позволяет существенно (в 2*2,5 раза) повысить плотность сети РРЛ, а также приводит к более эффективному использованию полос частот, выделенных для радиорелейной связи. В случае построения сети РРЛ с большой плотностью, сокращение длин пролетов дает возможность экономии частотных полос.

5. Снижение энергетических параметров радиорелейного оборудования при соответствующем сокращении длин пролетов существенно улучшает условия ЭМС РРС с земными и космическими станциями систем спутниковой связи, в результате чего, например, возможно уменьшение координационного расстояния между РРС и приемными земными станциями спутниковых систем связи примерно на 25%.

— 15.

Выводы.

1. Уменьшение энергетических параметров радиорелейной аппаратуры до оптимальных значений позволяют практически полностью исключить мешающее воздействие излучений РРС на бортовые приемники КС спутниковых систем связи.

2. Мощность шума в телефонных каналах РРЛ из-за мешающего воздействия излучения бортовых передатчиков КС, превышаемая в течение малых процентов времени по мере укорочения длины пролетов РРЛ существенно снижается (примерно на 7 дБ при сокращении R с 50 до 25 км) из-за уменьшения дисперсии изменений уровня полезного сигнала на входе приемника РРС. Соответствующая мощность шума в телефонных каналах РРЛ, превышаемая в течение 20% времени, при укороченных пролетах оказывается несколько большей (на 5 дБ при таком же сокращении R) из-за меньшего значения требуемых энергетических параметров, однако она не превосходит значений, нормируемых Рекомендациями МККР,.

3. При уменьшении энергетических параметров радиорелейной аппаратуры и соответствующем сокращении длин пролетов величина координационного расстояния между приемной ЗС систем спутниковой связи и РРЛ заметно уменьшается (примерно на 100 км), приближаясь к значениям координационного расстояния для передающей ЗС систем спутниковой связи, составляющей для типичных параметрах указанных систем примерно 250*300 км.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Полученные в диссертационной работе основные результаты сводятся к следующему.

1. Предложен линейный критерий энергетической загрузки полос частот для РРЛ прямой видимости, спутниковых систем связи и тропосферных РРЛ, позволяющий объективно сравнить эффективность использования полос частот, выделенных для этих систем, при различных вариантах их построения и при различных способах передачи информации (см. раздел I. I).

2. Применительно к сети РРЛ прямой видимости введено понятие сетевого критерия энергетической загрузки, который, в отличие от линейного критерия, позволяет оценить эффективность использования не только выделенной полосы частот в одном частном диапазоне, но и учесть количество полос частот в различных диапазонах, необходимых для построения сети с заданной плотностью (см. раздел 1.2).

3. Уточнен метод расчета статистических распределений изменений уровня сигнала на входе приемников РРС, вызванных замираниями, которые обусловлены отражениями от слоистых неоднородностей в тропосфере (см. раздел 2.3).

4. Предложен теоретический метод определения статистических распределений искажений амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) и фазово-частотных характеристик (ФЧХ) тракта распространения, вызванных селективностью интерференционных замираний. Этот метод позволяет проанализировать зависимость указанных распределений искажений от рабочей частоты, длины пролета, ширины полосы передаваемых частот, климатических особенностей расположения трассы. Сравнение статистических распределений искажений АЧХ, рассчитанных по предлагаемому методу, с экспериментальными показало их достаточно хорошее совпадение (см. раздел 2.7).

5. Для аналоговых РРЛ определены минимально необходимые значения энергетических параметров радиорелейного оборудования и соответствующие им оптимальные длины пролетов RQnT при передаче по РРЛ многоканальных телефонных сообщений с ЧРК-ЧМ и сигналов телевидения при выполнении требований к качественным показателям каналов, рекомендуемых МККР и ЕАСС. При определении.

R для аналоговых РРЛ учтены все источники шума на линии, заопт висимости потерь в антенно-фидерном тракте (АФТ) и глубины замираний от длин пролетов. Показано, что значения Вопт оказываются примерно одинаковыми как — при. передаче по РРЛ многоканальных телефонных сообщений, так и сигналов телевидения. Сокращение длин пролетов аналоговых РРЛ от традиционно принятых до величины позволяет уменьшить энергетические параметры радиорелейной аппаратуры на 10*20 дБ (см. разделы 3.1, 3.2).

6. Для цифровых РРЛ сокращение длин пролетов позволяет не только резко уменьшить необходимые значения энергетических параметров аппаратуры, но и значительно снизить влияние искажений АЧХ тракта распространения, вызванных селективностью интерференционных замираний, которые при больших скоростях передачи (больше 10 Мбит/с) могут являться основной причиной увеличения вероятности ошибок см. раздел 3.3).

7. Сокращение длин пролетов дает возможность примерно в 2,5 раза увеличить плотность сети аналоговых и цифровых РРЛ при условии обеспечения допустимого уровня шума или вероятности ошибок, обусловленных взаимными помехами между станциями линий, составляющих сеть (см. разделы 4.2, 4.3). Б случае построения сети РРЛ с большой плотностью при укороченных пролетах возможна значительная экономия полос частот, выделенных для радиорелейной связи (см. раздел 4.4).

8. Уменьшение энергетических параметров радиорелейной аппаратуры и соответствующее сокращение длин пролетов при сохранении качественных показателей каналов позволяет уменьшить величину линейного критерия энергетической загрузки для аналоговых и цифровых РРЛ в 2*50 раз, а сетевого критерия энергетической загрузки в Ю раз для аналоговых РРЛ и более чем в 100 раз для ЦРРЛ (см. разделы 3.1, 3.3, 4.4).

9. Значительное снижение энергетических параметров радиорелейной аппаратуры при сокращении длин пролетов позволяет существенно уменьшить мешающее воздействие РРС на космические и особенно земные станции систем спутниковой связи. При используемых в настоящее время средних длинах пролетов помехи от РРС земным станциям оказывают решающее влияние на условия совмещения наземных РРЛ и систем связи с использованием ИСЗ. Сокращение длин пролетов до оптимальных значений при соответствующем снижении энергетических параметров радиорелейной аппаратуры позволяет значительно (примерно на 25%) уменьшить координационное расстояние для приемной земной станции (см. раздел 5.2).