РАДИОРЕЛЕЙНЫЕ ЛИНИИ СВЯЗИ

Максименко О.А.

ВВЕДЕНше В РАЗДЕЛ

Развитие современной техники привело к необходимости быстрого и точного решения задач управления и координации с учетом событий, происходящих на больших расстояниях от центров управления. При этом резко возросла роль связи не только в схеме «человек-человек», но и для передачи данных в схеме, соединяющей между собой две электронных машины.
Характер в этом случае обуславливает особые требования к тракту: во-первых, - повышение пропускной способности систем связи, и, во-вторых, - увеличение требований к надежности и качеству передачи.
Особенность использования радиорелейной связи является применение УКВ (ультракороткие волны) диапазона, в котором они работают.
Первое преимущество состоит в том, что в диапазоне УКВ имеется возможность применения антенн с большой направленностью при их малых габаритах. Это уменьшает взаимные помехи между станциями и дает возможность использовать передатчики малой мощность.
Второе преимущество – в том, что в диапазоне УКВ может быть передан широкий спектр частот. Это дает возможность передавать на одной несущей частоте сигналы большого числа каналов. Современные линии строятся с расчетом на передачу от одного-двух до тысячи и более телефонных сообщений.
Третьим преимуществом диапазона УКВ является то обстоятельство, что в этом диапазоне весьма мало влияние различного рода помех. На более высокочастотной части диапазона линии меньше подвержены помехам, т.к. с одной стороны, вероятность появления помех в этом диапазоне меньше, а с другой стороны направленность антенн выше а, следовательно, меньше вероятность проникновения помехи в приемник. На более низких частотах в области метровых волн вероятность появления помех от системы зажигания двигателей внутреннего сгорания или индустриальных и атмосферных помех велика, а направленность антенн низка. Поэтому качество каналов таких линий обычно ниже.

РАДИОРЕЛЕЙНАЯ СВЯЗЬ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

«Под радиорелейной связью понимают радиосвязь, основанную на ретрансляции радиосигналов дециметровых и более коротких волн станциями, расположенными на поверхности Земли. Совокупность технических средств и среды распространения радиоволн для обеспечения радиорелейной связи образует радиорелейную линию связи.
Земной называют радиоволну, распространяющуюся вблизи земной поверхности. Земные радиоволны короче 100 см хорошо распространяются только в пределах прямой видимости. Поэтому радиорелейную линию связи на большие расстояния строят в виде цепочки приемно-передающих радиорелейных станций (РРС), в которой соседние РРС размещают на расстоянии, обеспечивающем радиосвязь прямой видимости, и называют ее радиорелейной линией прямой видимости (РРЛ)» .

«Наземные микроволновые телекоммуникации получают все большее развитие, успешно конкурируя с кабельными и волоконно-оптическими системами связи. Непрерывное совершенствование электронных компонентов сверх высоких частот (СВЧ), появление новых принципов и технологий привело к созданию новых поколений устройств для беспроводной связи, отличающихся высочайшей надежностью, очень малыми габаритами, низким потреблением энергии и низкой стоимостью. Во многих регионах мира внедрение беспроводных технологий идет опережающими темпами.
Для передачи больших объемов информации на расстояния в тысячи километров широкое распространение получили радиорелейные линии связи прямой видимости (РРЛ).
Принцип радиорелейной связи заключается в создании системы ретрансляционных станций, расположенных на расстоянии, обеспечивающем устойчивую работу. Простейшая топология радиорелейной линии связи представляет собой цепочку ретрансляторов, передающих информацию между двумя пунктами. В более сложных случаях строятся ответвления от основной линии или создаются сети распределения информации между регионами, населенными пунктами или непосредственно между потребителями.
Важной особенностью радиорелейных линий связи, является применение остронаправленных антенн (с коэффициентами усиления порядка 40 дБ), что позволяет работать на очень малых уровнях мощностей передающих устройств. Как правило, современные передатчики РРЛ имеют выходную мощность а пределах от нескольких милливатт до единиц ватт.
Международными рекомендациями МСЭ-Р (международный союз электросвязи - сектор радиосвязи) выделено несколько диапазонов СВЧ, в каждом из которых определены частотные планы для работы РРЛ. При этом полоса частот радиоканала не превышает 40 МГц. Для повышения пропускной способности РРЛ, часто применяется многоствольная работа, заключающаяся в том, что организуется несколько параллельных радиоканалов, использующих общую антенную опору и антенны.
В структуре радиорелейной связи различают оконечные (ОС), узловые (УС) и промежуточные станции (ПС). Узловые и промежуточные станции выполняют функции ретрансляторов, но на узловых станциях можно выделить и ввести информацию, а также, ответвить сигнал на другие направления.
По характеру линейного сигнала радиорелейные линии связи разделяются на аналоговые и цифровые. Существует некоторое количество смешанных систем, которые работают с теми и другими сигналами.

АНАЛОГОВЫЕ РАДшоРЕЛЕЙНЫЕ ЛИНИИ СВЯЗИ

ИСтория многоканальных аналоговых РРЛ в России насчитывает более 40 лет, начавшись с аппаратуры первого поколения Р-60/120 и Р-600. Общая протяженность аналоговых РРЛ в России составляет многие десятки тысяч километров.
Основным требованием к телекоммуникационному каналу является передача сигналов с минимальными допустимыми искажениями, не превышающими установленных норм.
Функционирование наземных микроволновых систем связи зависит в очень сильной степени от геоклиматических параметров - характера и рельефа местности и климатических условий. Физические процессы, проходящие на интервале РРЛ достаточно сложны и неоднозначны.

ЦИФРОВЫЕ РАДшоРЕЛЕЙНЫЕ ЛИНИИ

В настоящее время происходит замена аналоговых радиорелейных линий цифровыми. В 1993 г. введена в строй магистральная цифровая радиорелейная линия (ЦРРЛ) Санкт-Петербург - Москва, а в 1997 г. - Москва - Хабаровск. Запланировано строительство еще нескольких магистральных систем и множества зоновых и местных линий и сетей связи.
Внедрение цифровых технологий требует применения новой элементной базы, методов проектирования и организации систем.
Скорость работы современных цифровых РРЛ, функционирующих в рамках существующих частотных планов, достигла 622 Мбит/c. При этом используются:
• многоуровневая кодированная модуляция,
• сложные системы обработки и коррекции сигналов,
• поляризационные развязки,
• адаптивные методы работы.
Современные технологии, развитие микроэлектроники СВЧ, компьютерная обработка сигналов, освоение диапазонов рабочих частот выше 10 ГГц, коренным образом меняют конструктивное исполнение оборудования, методы управления и эксплуатации, надежность и стоимость систем. Стремительно уменьшаются масс-габаритные характеристики аппаратуры, что приводит с существенному удешевлению и упрощению антенных опор.»

2. НЕКОТОРЫЕ ВИДЫ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СТАНЦИЙ И ИХ ПАРАМЕТРЫ

Радиорелейная станция Р-415

«Радиорелейная станция (РРС) Р-415 предназначена для создания временных быстроразвертываемых малоканальных радиорелейных линий связи. Радиостанция допускает встречную работу в радиолинии с радиорелейной станцией типа Р—405М. По условиям эксплуатации станция может быть установлена в автомобилях, самолетах, вертолетах. РРС изготавливается в шести вариантах, отличающихся количеством и типом приемопередатчиков (Н, В, НВ) и напряжением питания (27 В, 220 В 50 Гц/27 В).

Р-415 обеспечивает следующие режимы работы:
• режим внутреннего уплотнения, при котором обеспечивается одновременная работа по двум телефонным и двум телеграфным каналам;
• режим внешнего уплотнения аппаратурой типа “Азур” по трем оперативным и одному служебному телефонным каналам;
• режим внешнего уплотнения аппаратурой передачи данных со скоростью 12—4 8 кБит/с;
• режим дистанционного управления КВ или УКВ радиостанциями;
• симплексный режим, при котором обеспечивается работа по одному из телефонных каналов с повышенной девиацией частоты;
• режим автоматизированного контроля, обеспечивающий определение неисправного блока.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

Pадиорелейная станция Р-419С

РСР—419 С предназначена для организации самостоятельных радиорелейных и кабельных линий связи, а также для ответвления каналов от многоканальных радиорелейных, тропосферных и проводных линий связи на стационарных объектах связи. Станция имеет семь вариантов исполнения, отличающихся комплектацией (количество приемопередатчиков, наличие блока сопряжения, типы антенных устройств),

ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

Радиорелейная станция Р-419А

PPC P-419 А предназначена для создания временных быстроразвертываемых малоканальных радиорелейных линий связи, PPC смонтирована на автошасси
Зшл-131 в кузове K2-13L
Станция имеет три варианта исполнения, отличающихся используемой транспортной базой:
• Р-419 А - используется новая транспортная база;
• Р-419 АР - используется транспортная база из морально устаревших изделий;
• Р-419 БР - вариант станции без транспортной базы.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

3. НАДЕЖНОСТЬ РАБОТЫ РАДшоРЕЛЕЙНЫХ СТАНЦИЙ

«а) Основные положения

Радиорелейная линия связи содержит цепочку стан¬ций, каждая из которых представляет собой сложный комплекс аппаратуры, содержащей большое число элементов: электровакуумных приборов, различных деталей и устройств. Каждый из перечисленных элементов мо¬жет выходить из строя, т. е. является элементом ненадежным, что влечет за собой выход из строя радиоре¬лейной линии в целом или ухудшение качества ее работы. Поскольку таких ненадежных элементов в линии очень большое число, то и вероятность выхода ее из строя, в том случае, если не приняты соответствующие меры, получается большой.
Насколько велика вероятность выхода из строя ра¬диорелейной линии с достаточно большим числом ретрансляций, видно из следующего примера. Можно счи¬тать, что сложность (по количеству элементов) совре-менной коротковолновой радиостанции и радиорелей¬ной станции примерно одинакова. Если имеется линия связи протяженностью в 1 000 км, то ее работа в слу¬чае использования коротковолновых станций обеспечи¬вается 2 станциями, а в случае использования радиоре¬лейных станций—21 станцией при длине интервала 50 км. Следовательно, количество аппаратуры в послед¬нем случае возрастает примерно в 20 раз, а вероятность выхода из строя возрастает еще значительнее.
Для увеличения надежности радиорелейной линии не¬обходимо повышать надежность элементов, входящих в нее. Однако на современном уровне техники повысить надежность элементов радиорелейных линии до достаточной величины не всегда удается. Поэтому прибегают к резервированию аппаратуры станций.
В простейшем случае резервирование может осу¬ществляться ручной сменой поврежденного узла, блока или элемента на исправный резервный. Однако такое резервирование сопряжено со значительным перерывом связи, достигающим 3—5 мин и более. Для сокращения этих перерывов применяют автоматическое резервиро¬вание. Кроме того, вследствие сокращения обслуживаю¬щего персонала и из экономических соображений не¬которые станции радиорелейных линий могут быть не¬обслуживаемыми. На таких станциях введение резерва, очевидно, может производиться только автоматически.
Та или иная степень ненадежности радиорелейной линии в конечном счете для абонентов, обслуживаемых ею, будет характеризоваться средним временем пере¬рывов и числом перерывов связи за определенный отре¬зок времени (сутки, месяц, год). Эти характеристики линии зависят не только от надежности аппаратуры, о которой говорилось выше, но и от условий распростра¬нения радиоволн на интервалах радиорелейной линии, а также от квалификации обслуживающего персонала и организации технической эксплуатации и управления линией.
Опыт эксплуатации радиорелейных линий показы¬вает, что упомянутые выше характеристики зависят в основном от надежности аппаратуры.

б) Некоторые понятия теории надежности

Надежность есть свойство устройства или системы (элемента), обусловленное главным образом ее безотказностью и ремонтопригодностью и обеспечивающее выполнение задания в установленном для системы объеме.

Вероятность безотказной работы обозначается через P(t) и обладает следующими очевидным свойством:

Ясно, что:

Видно, что с течением времени она уменьшается. Для большинства элементов и, в частности, для электровакуумных приборов в большинстве случаев полагают, что P(t) изменяется по экспоненциальному закону.
Надежность можно оценивать по вероятности отказа. Так как отказ и безотказная работа – события противоположные, то

где q(t) – вероятность отказа.

шнтенсивность отказов – отношение частоты отказов к вероятности безотказной работы не восстанавливаемой при работе системы (элемента).

4. ИСПОЛЬЗОВАНше ЛУНЫ В КАЧЕСТВЕ ПАССИВНОГО РЕТРАНСЛЯТОРА

Основные сведения

«Стремление получить большие дальности связи при минимальном количестве ретрансляций заставило обратиться к такому «пассивному ретранслятору», как Луна.

Возможность использования Луны для этой цели стала ясной, когда вначале теоретически в 1943 г. Л. И. Мендельштамом и Н. Д. Папелекси, а затем в 1946 г. экспериментально венграми и американцами была до¬казана возможность отражения электромагнитной энергии от поверхности Луны. В 1948 г.были проведены первые опыты по радиосвязи с использованием Луны в качестве пассивного ретранслятора.
Линия связи с использованием Луны схематически представлена на рис. 1.3.1. При падении электромагнитной энергии, излучаемой антенной пункта А на поверх¬ность Луны, последняя становится источником вторич-ного излучения, которое принимается антенной, расположенной во втоpoм пункте связи Б.
Характерной чертой такой ретрансляционной линии является большое расстояние R от пунктов связки А и Б до пассивного ретранслятора - Луны, по сравнению с дальностью связи r. Так, среднее расстояние Земля— Луна, измеренное астрономическими способами, состав¬ляет 3844*105 км (Луна движется вокруг Земли приблизительно по эллиптической орбите, и расстояние R изменяется от 3,54*105 до 4,06*105 км). Максимальная же дальность связи r может составлять не более 10 000 км.
Энергетические соотношения
По существу в линии связи Земля—Луна—Земля Луна является пассивным ретранслятором второго типа. Особенность такой линии в том, что здесь R1=R2=R , в энергетическом отношении для пассивной ретрансляции это наихудший случай. Кроме того, следует учитывать отражающие свойства Луны.

Сферическая поверхность Луны сильно изрезана и, по мнению советские ученых, состоит из пород, близких к горным туфам и вулканическим шлакам. Однако для радиоволн, длина которых значительно больше этих неоднородностей, можно считать, что лунная поверхность представляет собой идеальный отражатель. Эффективную поверхность такого отражателя можно найти следующим образом.
Для «центральных лучей», падающих под очень малым углом da к радиусу (рис. 1.3.2), можно найти так называемый мнимый фокус F, из которого как бы исходят отраженные лучи. Так как для отраженных лучей угол к направлению падения равен 2dа, то мнимый радиус лежит на расстоянии от центра, равном половине радиуса.
Плотность потока мощности «центральных лучей» Р2 отраженных от Луны на расстоянии R от фокуса, будет меньше плотности потока мощности на поверхности Луны во столько раз, во сколько R2 больше квадрата фокусного расстояния.
Если считать, что поверхность Луны идеально диффузная, то она будет создавать максимальное излучение в направлении нормали и совсем не давать излучения в касательном направлении.
Проведенные за последние годы эксперименты пока¬зали, что поверхность Луны не является идеально гладкой и идеально диффузной, а занимает какое-то промежуточное положение. Если бы поверхность Луны была бы идеально гладкой, то при отражении импульсов электромагнитной энергии достаточно малой длительности они бы практически не искажались. Если считать, что поверхность Луны идеально диффузная, то отраженный импульс создается по принципу сложе¬ния мощностей, создаваемых отдельными элементами лунной поверхности.
На рисунке 1.3.3 приведена схема про¬хождения короткого импульса мимо поверхности Луны.

Из рисунка следует, что самый короткий импульс будет создавать вторичное излучение за время прохождения его вдоль всей видимой поверхности Луны, т. е. от точки А до точки Б.
Эксперименты же показали, что удлинение импульсов имеет место, но значительно меньше и составляет 0,3 мсек, причем 70% энергии импульса заключено в первой десятой миллисекунды. Это означает, что диск Луны имеет «темный нимб» и отражение происходит только в небольшой области, находящейся в центре видимого диска. Определено, что на частоте 120 Мгц эффективная по¬верхность Луны имеет радиус 1/3 аЛ.
М. П. Долухановым высказано предположение, что отражение импульсов от Луны происходит в основном в пределах первой полузоны Френеля и носит не зеркальный, а частично диффузный характер ввиду на-личия на поверхности Луны неровностей. Удлинение
импульсов до 0,3 мсек получается из-за отражения от соответствующим образом ориентировочных неровностей на глубине < аЛ = 45 км . На рисунке 1.3.4 показано, что соответствует радиусу отражающей части поверхности Луны около 400 км. Последнее подтверждается тем, что при коротких импульсах основное отражение отделено от последующих более или менее явно выраженными импульсами. Этим объясняется явление так называемых «модуляционных потерь» — уменьшение интенсивности отражения по мере укорочения длительности импульса. При увеличении длительности импульса дополнитель¬ные отражения накладываются на основные и интенсивность отражения возрастает.

Зависимость
потерь в тракте распространения от длины волны, учитываемая формулой 1.3.3. Сравнение принятых сигна¬лов на волнах 15 и 76 см показало, что мощность шумов в канале на волне 15 см больше примерно на 14 дб, чем на волне 75 см.
Taк как отражение от лунной поверхности проис¬ходит в основном в пределах первой полузоны Френеля и носит частично диффузный, то этим объясняется уменьшение эффективного значения коэффициента отражения против теретического значения совершенно гладкой поверхности. Коэффициент отражения по данным экспериментов для длины волны 10 см составляет 0,270,1.
Из первой фазы, когда происходит наиболее интенсивное отражение, следует, что длительность переднего фронта отраженного импульса будет равна длительности посланного импульса. Из второй фазы, когда площадь отражающей поверхности уменьшается, следует, что интенсивность отраженной энергии резко падает. Длительность заднего фронта отраженного импульса определяется временем прохождения электромагнитной энергией расстояния, равного глубине отражающей поверхности (если бы Луна представляла собой идеально гладкий отражатель, эта длительность равнялась бы 11,6 мсек). Форма отраженного импульса u(t) приведена на рисунке 1.3.5.

ЗАКЛЮЧЕНше

РРЛ и спутниковые линии связи работают в общем диапазоне частот. При этом между ними могут возникать взаимные помехи. С целью уменьшения взаимных помех радиопередатчики формируют радиосигнал с минимальной полосой частот, достаточной для передачи информации с заданной скоростью и качеством, которая называется необходимая ширина полосы частот (НШЧ), а радиосигнал с такой полосой частот — основное излучение радиопередатчика. Любое излучение радиопередатчика за пределами НШЧ называют нежелательным радиоизлучением. При работе нескольких линий радиосвязи в общих полосах частот, прием полезного сигнала каждой радиостанцией возможен при распределении диапазона частот между передающими радиостанциями по определенному плану; ограничении мощности передатчиков; координации взаимной ориентации антенн и расположения станций на местности. При выполнении этих условий обеспечивается ЭМС между РРС.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. А.И. Раков «Надежность РРС связи», «Связь», М., 1971.
2. М.М. Маковеева «РРЛ связи» М., 1988-312с., «Радио и связь».
3. http://www.poluchi5.ru/010855-4.html
4. Лобач В.С. Космические и наземные системы радиосвязи и телерадиовещания и Спутниковые и радиорелейные системы передачи / СПбГУТ. - СПб, 2001.
5. http://ru.wikipedia.org/wiki/Ретранслятор