Введение к работе
-з- ..
Актуальность темы. Современное развитие телекоммуникаций требует больших скоростей передачи информации. Например, для передачи ТВ необходимо передавать до 34 Мбит/с в один адрес. Передача информации в перспективных цифровых беспроводных системах с отводимой полосой в 2000...3000 МГц (для десятков адресов) могут быть реализованы только в ММ диапазоне волн (возможности систем УКВ диапазона исчерпаны). В мире существует тенденция использования ММВ (40...42 ГГц, 92 ГГц) в атмосферных радиолиниях различных систем передачи информации в городских и пригородных условиях, как например, системах передачи данных с фиксированным доступом типа Fixed Wireless Access, Wireless Local Loop, Future Wireless Personal C6mmunications,; распределительных системах передачи ТВ и данных по атмосферным радиоканалам типа Local Multipoint Distribution Service, WLAN, а также' в системах широкополосной мобильной связи типа Universal Mobile Telecommunications System, Mobile Broadband Systems, а также Future Public Land Mobile Telecommunications System [JI1]. Известны, например, дуплексные миллиметровые системы стандарта IEEE 802.3 (Radio-Ethernet 10 Мбит/с): 2351 Series американской фирмы Sierra Digital Communications, работающая в диапазоне 21.2...23.6 ГГц; "КРОСС-8" отечественного производства, работающая в диапазоне 37...39.5 ГГц.
Несмотря на действующие атмосферные ММ радиолинии и теорию флуктуации для УКВ - Т.И.Арсеньян и др. [Л2] и особенно в оптическом диапазоне - В.И.Татарский, С.М.Рытов и др. [ЛЗ], в настоящее время не существует достаточно обоснованных математических моделей расчета полей направленных пучков радиоволн при приеме сигнала ММВ (частот от 30 ГГц и выше) на стационарные и мобильные терминалы в условиях мешающих отражений в различных городских и пригородных "сценариях" распространения (в т.ч. принятых в качестве стандартных международным институтом ETSI [Л1, 24, 25]). Ситуация же приема в области тени препятствия (с учетом интерференции парциальных прямого ослабленного в толще частично-прозрачного препятствия и дифрагировавшего на его крае пучков), как правило, вообще исключается из рассмотрения [Л4, Л5]. Существующие модели, как правило, не учитывают особенностей распространения и приема пучков ММ диапазона и применимы, в основном, для систем ДМ диапазона с их ьсенаправленными приемом и передачей. Использование классических результатов распространения волн УКВ вблизи отражающих поверхностей (например, «квадратичная формула» Б.А.Введенского [Лб]) для описания
распространения пучков ММВ не представляется возможным, т.к. не учитывает особенностей, присущих пучкам ММ волн [1-4,7,9,13-16,18,20,23].
Возможность выделения узкой ДН приёмной антенны только одного когерентно отражённого пучка является ещё одним из преимуществ применения ММВ в условиях города. В этом случае реализуется двухлучевая схема распространения пучка ММВ. Данная работа - развитие анализа поля пучков ММВ на выходе приёмной антенны при её перемещении вдоль и поперёк открытой приземной и затенённой частично-прозрачным препятствием (лесопарком) трассах распространения пучка ММВ в условиях города и пригородной местности в пределах дальности действия 100... 10000 м проектируемых высокоскоростных систем передачи информации.
Основанный на фундаментальных результатах анализа поля пучков ММВ в городских и пригородных условиях распространения, предлагаемый автором диссертации подход к выбору параметров атмосферной радиолинии наиболее полно обосновывает реализацию преимуществ ММВ в аппаратуре нового поколения, в сравнении с ДМ волнами, - так что тема диссертации является актуальной.
Цель диссертационной работы: Теоретическая разработка и экспериментальная проверка математического описания поля пучка ММВ в условиях двухлучевого распространения на приземных радиолиниях в турбулентной тропосфере протяженностью до 10 км, при отражении подстилающим покровом с хаотическими неровностями, на трассе с лесопарком и зданием.
Цель работы достигнута решением следующих задач:
Получение теоретических выражений и расчет уровня поля пучка вблизи отражающей поверхности с учетом диаграмм направленности передающей и приемной антенн в зависимости от продольного и поперечного к трассе распространения перемещений приемной антенны в горизонтальном и вертикальном направлениях.
Установление аналитических выражений и расчет амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик турбулентного атмосферного радиоканала над отражающей подстилающей поверхностью; оценка влияния на них амплитудных, фазовых флуктуации и хаотических неровностей подстилающего покрова.
Определение и расчет статистических характеристик поля пучка ММВ на трассе затененной лесопарком; оценка достоверности (вероятности ошибки) приема в этих условиях.
Экспериментальная проверка в натурных условиях теоретических оценок
(уровнен поля, АЧХ и статистических характеристик) поля пучка ММВ в
условиях двухлучевого распространения вблизи отражающих поверхностей
и на трассе затененной лесопарком.
Получены следующие результаты, отличающиеся новизной:
Математическое описание двухлучевого распространения парциальных
пучков на открытой атмосферной трассе вблизи отражающего
подстилающего покрова, здания; на трассе затененной лесным массивом;
результаты численных расчетов и их подтверждение экспериментальными
данными натурных измерений.
» Математическое описание турбулентного приземного радиоканала комплексной частотной характеристикой (ЧХ) в форме произведения парциальных ЧХ, учитывающих поглощение газами атмосферы, флуктуации показателя преломления атмосферы, отражение подстилающей поверхностью с хаотическими неровностями.
» Оригинальная методика измерения АЧХ и полосы пропускания приземного радиоканала ММВ, с использованием принципа эквивалентности варьирования высоты размещения точки наблюдения и девиации несущей частоты.
Функциональные взаимозависимости пространственных и временных аргументов структурных функций и коэффициентов автокорреляции флуктуации пучка ММВ при распространении сквозь турбулентную толщу атмосферы, полученные в приближении метода плавных возмущений (МПВ). Численные расчеты подтверждены данными измерений на частотах 34.8, 36 и 135 ГГц на трассах протяженностью 5 и 8.25 км, при базах приемных антенн 1.7, 2.6 и 3 м.
Формула расчета вероятности ошибки приема цифрового фазоманипулированного флуктуирующего пучка ММВ в зоне тени частично-прозрачного препятствия при наличии тепловых шумов и сторонних помех, описывающая двухлучевой атмосферный радиоканал с флуктуациями и аддитивным шумом как эквивалентный однолучевой канал.
Основные защищаемые положения:
1. Впервые на основе спектрального метода получено аналитическое решение (с одновременной его адаптацией к инженерным применениям и разработкой соответствующих машинных алгоритмов обработки данных) задачи расчета уровней когерентного поля направленного излучения (пучка) ММВ, с учетом интерференции парциальных пучков на открытой
-6-турбулентной атмосферной трассе вблизи отражающего подстилающего покрова; и на трассе, затененной частично-прозрачным препятствием (лесным массивом) в разнообразных "сценариях" размещения антенн передатчика и приемника в городских и пригородных условиях.
-
Основанный на фундаментальных результатах анализа особенностей распространения пучков ММВ атмосферной радиолинии в городских к пригородных условиях распространения, предлагаемый автором диссертации подход к выбору параметров атмосферной радиолинии наиболее полно обосновывает реализацию преимуществ ММВ в аппаратуре нового поколения, в сравнении с ДМ волнами.
-
Получены новые экспериментальные данные об амплитудных частотных характеристиках турбулентного слоя атмосферы - полупространства над подстилающей поверхностью с хаотическими неровностями; ГХМ, статистических характеристиках флуктуации амплитуды и фазы пучка ММВ из-за атмосферной турбулентности и при распространении через лесопарк. Эти данные подтвердили теоретические результаты.
-
Представлена новая математическая модель расчета достоверности приема цифрового фазоманипулированного флуктуирующего пучка ММВ в зоне тени частично-прозрачного препятствия при наличии тепловых шумов и сторонних помех, позволяющая описывать атмосферный радиоканал как эквивалентный одполучевой.
Практическая значимость и использование результатов работы:
Результаты работы дают основание предложить использование радиолиний ММВ (Ка и EHF (КВЧ) диапазонов - 28...40 ГГц) как в земных сегментах спутниковых систем, так и для беспроводного ответвления широко распространенных наземных телекоммуникационных систем, что придаст им большую универсальность при- реализации на практике несомненных преимуществ пучков ММВ: избавление от эффектов многолучёвости при распространении вдоль отражающих поверхностей земли и/или зданий; снижение излучаемых мощностей на 30...40 дБ, за счёт коэффициента усиления антенн абонента, при обеспечении необходимого энергетического потенциала радиолиний даже при дифракции пучка на границ:; лесопарка. При этом использование узконаправленных абонентских ММ-днапазона (с шириной ДН порядка единиц градусов), наряду с поднятой несколько выше уровня леса антенной передатчика секторного (60 ) или направленного типа, позволяет на затенённой трассе обеспечить дальность устойчивой связи 10... 12 км.
Работы по созданию, испытанию и оптимизации применения нового поколения аппаратуры для высокоскоростной передачи данных по
атмосферному радиоканалу на ММВ в течение ряда лет ведутся автором диссертации в рамках участия в Федеральной Программе по телекоммуникациям в проектах Миннауки. В частности, автор диссертации является ответственным исполнителем действующего проекта "Разработка, создание и испытания нового поколения аппаратуры для высокоскоростной передачи данных по атмосферному радиоканалу на миллиметровых волнах в интегрированных цифровых системах связи" Миннауки (1998-2000 гг., соисполнитель - промышленная организация), направленного на практическую реализацию преимуществ направленных пучков ММ диапазона волн в аппаратуре нового поколения с целью снижения па десятки дБ энергетического потенциала и достижения более высоких помехоустойчивости и .защиты от несанкционированного доступа (использование сигналов ППРЧ). Проект выполняется в рамках подпрограммы "Перспективные средства телекоммуникации и интегрированные системы связи" Федеральной целевой научно-технической программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения" .
Достоверность результатов: „обеспечивается проработкой методик регистрации и алгоритмов статистической обработки аналогов'ых и цифровых сигналов ММВ в условиях открытых и затененных атмосферных трасс распространения; статистической обеспеченностью полученных с участием автора диссертации экспериментальных данных. Полученные результаты не противоречат результатам зарубежных исследователей при аналогичных' измерениях уровня поля ММВ (28.8 ГГц) при взаимном удалении источника и приемника городских условиях (г.Денвер, шт. Колорадо, США [Л7]); в измерениях сигнала ММВ на выходе толщи растительности (орешниковые сады, шт. Техас, США [Л8]); в измерениях флуктуации параметров ММВ на приземных трассах протяженностью ок.1400 м (г.Флэтвилль, шт. Иллинойс, США [Л9]) и в экспериментах NASA со спутником ATS-6 (угол возвышения трассы 5 [Л 10]).
Апробация результатов работы: Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях:
"И Всес. Школа-симпозиум по распространению миллиметровых и субмиллиметровых волн в атмосфере". Фрунзе, октябрь, 1986.
13th Japan-USSR Electronics Symposium on "Information and'Communication". Moscow, January 12-13, (IRE- Tokai University), 1987.
» UN Internat. Seminar "Problems of Space Communications". Moscow, June 3. 1987.
« "XV Всес. Конфер. по распространению радиоволн" Алма-Лта, 21-24
октября, 1987. » Internat. Conference on "Millimeter Wave and Far-Infrared Technology".
Beijing, China, June 19-23, 1989. » "IV Всес. Школа по распространению миллиметровых и субмиллиметровых
волн в атмосфере". Н.Новгород, 3-10 сент. 1991.
2nd Internat. Conference on "Millimeter Wave and Far-Infrared Technology". Beijing, China, 1992. Publ. House of Electr. Industry, China.
Межведомств. Научно-технич. Конфер. "Приборы, техника и распространение ММ, СбММ волн". Харьков, 30 июня-3 июля 1992.
"IEEE Antennas and Propagation Society Internat. Symposium", Ann Arbor, MI, USA. June 28-July 2, 1993.
"Internat. Confer, on MM and SubMM Waves and Applications". January 10-14, 1994, San-Diego, CA, USA. Publ. by SPIE, 1994.
"Internat. Sympos. On Future Telecomm.& the Electromagnet. Environment" (COMMSPHERE'95). Eilat, Israel, January 22-27, 1995.
e Конференция "Подвижная связь в России и СНГ". Бизнес-Форум. 14-17 мая
1996, Москва, Россия, в "Intern. SPIE Conference on MM and SubMM Waves Applications III". 5-8
August, 1996. Denver, CO, USA.
"XVIII Bccpocc. Конференция по распространению радиоволн". C-Петербург. 17-19 сентября, 1996.
"Journees Internationales de Nice sur les Antennes" (JINA'96) Conference. 12-14 November, 1996. Nice, France.
« "Third Ka-Band Utilization Conference", Sorrento, Italy, Sept. 15-18, 1997.
3-й Бизнес-Форум "Мобильные Системы'98". 23-27 марта, 1998, Москва,
Россия.
и были представлены в виде стендов на международных выставках:
"EUROTECH'96", 7-11 мая 1996 г., Бельгия, г. Брюссель;
9 "8-я Международная выставка ИНФОРМАТИКА", 6-Ю октября 1997 г., г. Москва, Экспоцентр.
Личный вклад автора: состоит в самостоятельной выработке методик и алгоритмов решения рассматриваемых в диссертации электродинамических задач, выборе двухлучевой математической модели, составлении и отладке компьютерных программ с последующей их реализации в вычислительных средствах, в проведении сравнительного анализа полученных результатов с экспериментальными данными и формулировании основных научных выводов.
Все расчеты (на ПЭВМ Pentium-PC и ЭВМ DEC VAX-I і/780), проведенные в диссертации, осуществлены лично автором. Натурные измерения пространственных структур поля ММВ на открытых и затененных трассах вблизи отражающих поверхностей; измерения флуктуации амплитуды, фазы и разности фаз пучков ММВ выполнены совместно с соавторами в период с 1984 по 1997 г. в ФИРЭ (г. Фрязино) и на территории полигона г. Пущино.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитируемой литературы из5^наименований и 2 приложений, содержащих основные математические выкладки. Содержание работы изложено на-{йСЬтраницах машинописного текста, иллюстрируется^О
рисунками.
