Содержание к диссертации
Введение 7
Общая характеристика работы 10
Глава 1. Методы анализа ЭМС РЭС и определения норм частотно-
территориального разноса (ЧТР) для систем фиксированной, спутниковой
и подвижной связи 15
-
Определение допустимого уровня помех в системах связи 15
-
Разработка методов анализа ЭМС и определения норм ЧТР 20
-
Разработка методов анализа ЭМС и определения норм ЧТР для систем сотовой подвижной связи 25
-
Методика оценки ЭМС сотовых систем связи стандартов AMPS, D-AMPS и CDMA в диапазоне частот 800 МГц 27
-
Методика оценки ЭМС систем сухопутной подвижной связи
с кодовым разделением каналов и РРЛ 30
1.6 Выводы 33
Глава 2. Разработка автоматизированных систем экспертизы заявок
на выделение частотных каналов 34
2.1 Разработка автоматизированных систем экспертизы заявок
на выделение частотных каналов 34
-
Автоматизированная система для анализа ЭМС в сетях радиорелейных линий и земных станций спутниковой связи 36
-
Применение разработанных автоматизированных систем 40
-
Выводы 40
Глава 3. Оценка и прогнозирование эффективности использования РЧС
в разных системах связи. 41
3.1 Оптимальное частотное планирование однопролегных РРЛ
на сельской сети 41
3.2 Показатели эффективности использования частотного ресурса
в сетях радиосвязи и вещания 48
-
Частотное планирование сетей подвижной связи 51
-
Эффективность использования РЧС в различными
сотовыми системами подвижной связи 54
3.5 Метод перспективного планирования использования
частотных полос радиостанциями подвижной и фиксированной служб 58
3.6 Результаты прогнозирования эффективности использования РЧС
в сетях связи подвижной и фиксированной служб 61
3.7 Выводы 70
Глава 4. Разработка методов подавления радиопомех в системах связи 72
-
Одноканальные компенсаторы помех, предназначенные для разделения AM и ЧМ сигналов 72
-
Двухканальные компенсаторы помех, предназначенные
для разделения ЧМ сигналов 77
4.3 Подавление импульсных помех путём экстраполяции
или интерполяции поражённых участков
полезного сигнала 83
4.4 Подавление импульсных помех в системах радиоприема
с частотным разнесением 87
4.5 Выводы 91
Глава 5. Совершенствование российской системы
управления использованием радиочастотного спектра 93
-
Задачи совершенствования отечественной системы управления использованием РЧС 94
-
Задачи выделения РЧС для развития перспективных радиотехнологий 97
-
Экономический анализ эффективности использования радиочастотного спектра в сетях подвижной связи 99
-
Разработка рекомендаций по внедрению экономических методов управления использованием РЧС 104
5.5 Выводы 107
6. Заключение 108
Список научных трудов соискателя по теме диссертации 110
Перечень сокращений
ТРРЛ тропосферная РРЛ
ЧМ частотная модуляция
ЧТП частотно-территориальный план
ЧТР частотно-территориальный разнос
ЧУ частотное уплотнение
ЦКМ цифровая карта местности
ФАПСИ Федеральное Агентство правительственной связи
ФМ фазовая манипуляция
ФРМ фазово-разностная манипуляция
ЭМС электромагнитная совместимость
ЭО электромагнитная обстановка
ЭИР эффективность использования РЧС
английские
AMPS система сотовой связи американского стандарта
CDMA система сотовой связи с кодовым уплотнением канала
СЕРТ Европейская Конференция администраций почт и электросвязи
DAB европейская система цифрового звукового вещания
DVB европейская система цифрового телевизионного вещания
GSM система сотовой связи европейского стандарта
ERO европейский радиокомитет
Введение к работе
Одним из важнейших направлений в радиотехнике, которое во второй половине XX века приобрело важное практическое значение и выделилось в самостоятельную научную дисциплину, является управление использованием радиочастотным спектром (РЧС). В 1970г. в Международном Консультативном Комитете по радио Международного Союза Электросвязи (МСЭ) (ныне сектор стандартизации - МСЭ-Р) для изучения этих вопросов и выработке международных Рекомендаций, касающихся вопросов эффективности использования радиочастотного спектра (РЧС), была создана первая Исследовательская Комиссия (ИК-1), которая с 1994г. года называется "Spectrum management Study Group".
Подобно астрономии, вобравшей в себя все разделы физики, методология управления РЧС является отдельным направлением радиотехники, которое включает в себя многие технические дисциплины, такие как приемные, передающие и антенные устройства, распространение радиоволн, системы радиосвязи и вещания, методы помехоустойчивого приема аналоговых и цифровых сигналов в присутствии шума и разного рода радиопомех, статистическую радиотехнику, экономику связи и др.
С начала XX века, когда началось практическое использование радиосистем разного назначения, освоение новых диапазонов частот и развитие систем радиосвязи и вещания, интенсивность использования РЧС постоянно возрастала. Это сопровождалось перегрузкой частотного спектра и необходимостью решения сложных и чрезвычайно острых проблем, связанных с разработкой методов устранения взаимных помех между работающими радиостанциями и повышения эффективности использования РЧС.
Развитие радиосвязи и вещания неразрывно связано с решением комплекса сложнейших технических проблем управления РЧС. К числу этих проблем относятся: « разработка методологии анализа ЭМС РЭС различных радиослужб (фиксированной, подвижной, вещательной, спутниковых служб и т.п.) и создание на её основе прикладных пакетов расчетных программ; разработка автоматизированных систем управления использованием РЧС; разработка методов частотного планирования для различных служб; разработка методов и устройств подавления разного рода помех в системах радиосвязи; разработка новых (в том числе и экономических) методов управления РЧС и создание пакета правовых документов, определяющих правила и процедуры использования в стране РЧС; разработка стандартов на параметры радиоэлектронных средств (РЭС), определяющие возможность обеспечения их электромагнитную совместимость (ЭМС).
Радиоволны распространяются, не зная границ между странами. Поэтому эффективное использование РЧС - этого важнейшего природного ресурса - возможно только при проведении всеми странами мира согласованной технической политики. В исследованиях, ведущихся администрациями связи разных стран, результаты которых представляются в виде вкладов в Исследовательские Комиссии (ИК) сектора МСЭ-Р, значительное внимание уделяется вопросам управления использованием РЧС и разработке международно - признанных методик анализа ЭМС для различных систем радиосвязи и вещания. На основе этих вкладов разрабатываются соответствующие Отчеты и Рекомендации, которые применяются во многих странах мира при решении многих национальных проблем управления использованием РЧС.
Важные результаты в данной области были получены российскими учеными. Первые книги, специально посвященные проблемам обеспечения ЭМС РЭС, были изданы в СССР (в 1970г. издана книга Н.И. Калашникова "Основы расчета ЭМС систем связи через ИСЗ", а в 1971г. книга А.Д. Князева и В.Ф. Пчелкина "Проблемы обеспечения совместной работы радиоэлектронной аппаратуры"). Весьма значительный вклад в исследования указанных выше научных проблем был сделан рядом отечественных ученых: специалистами научных и учебных институтов Минсвязи (НИИР, СОНИИР, ЛОНИИР, МЭИС и ЛЭИС) СВ. Бородачем, А.И. Калининым, В.Н. Троицким, А.П. Павлюком, Ю.Ф. Марченко, Е.И. Егоровым, А.С. Михайловым, М.Г. Локшиным, Л.Я. Кантором, Н.И. Калашниковым, Н.Н. Буга, В.Я. Конторовичем, Н.И. Смирновым, Ю.А. Громаковым, О.Л. Лукьяновой, Б.А. Клыженко, А.В. Васильевым, Л.Ш. Альтером, Г.Р. Рубинштейном, а также специалистами научных институтов Минобороны Ю.А. Феоктистовым, Н.М. Царьковым, А.Л. Докторовым, В.И. Владимировым, Б.Г. Тележным и рядом других.
Этими учеными был написан ряд фундаментальных научных статей и книг, подготовлен ряд вкладов в ИК МСЭ-Р. В их работах рассматривался широкий спектр вопросов, касающихся методологии анализа ЭМС РЭС, определения защитных отношений для разных систем связи, рассмотрены вопросы стандартизации параметров ЭМС РЭС.
В обзоре американского ученого М.С. Жерюшена отмечены наиболее важные работы в области обеспечения ЭМС систем радиорелейной и спутниковой связи, выполненные в США. Первые исследования по определению защитных отношений для цифровых систем связи были выполнены советскими и американскими учеными Д.Д. Кловским (СССТ), А.С. Розенбаумом и В.К. Прабхю (США).
Вопросы, касающиеся оценки эффективности использования РЧС, рассматривались в работах советского специалиста Н.В. Виноградова, а также в работах ряда зарубежных ученых. В Рекомендации МСЭ SM. 1046 представлены методы оценки эффективности использования РЧС для разных систем радиосвязи и вещания.
В течение многих лет специалистами разных стран разрабатывались методы защиты приема сигналов от радиопомех. Первая книга по данной проблеме "Радиопомехи и борьба с ними", написанная академиком Н.Д. Папалекси, была издана в 1942г. в СССР. Отечественными учеными А.Н. Щукиным, Д.В. Агеевым, Л.П. Ярославским, СИ. Катаевым, Б.И. Кузьминым и рядом других ученых и инженеров были разработаны методы подавления импульсных помех. Эти методы описаны в изданной в 1976г. книге "Защита от радиопомех" (ред. М.В. Максимов).
Основополагающие исследования, связанные с подавлением радиопомех с помощью одноканальних компенсаторов помех в системах связи с ЧМ, были выполнены американскими учеными Е.Дж. Багдади и Т.С. Сандреш.
В нашей стране исследования в этой области были выполнены А.Ф. Фоминым, А.С. Котоусовым, Б.П. Бурдзейко и ГШ. Сердюковьш, Ю.й. Саватеевым и другими. Двухканальные компенсаторы помех исследовались в работах А.А. Мальцева, В.Н. Акимова, В.В. Шахгильдяна и Б.П. Бурдзейко. Обзор американских исследований многоканальных компенсаторов помех был сделан Б. Уидровом.
В данной диссертации представлены результаты научных исследований, выполненных соискателем в течение последних 25 лет лично, а также в соавторстве. Эти исследования развивают, дополняют и углубляют исследования, которые в данной области были выполнены ранее отечественными и зарубежными учеными. Ряд научных результатов, представленных в данной диссертации, были получены впервые.
Результаты исследований соискателя широко освещались в научных журналах, докладывались на отечественных и международных научных форумах. Соискателем сделано значительное количество изобретений новых устройств, предназначенных для подавления разного рода помех в системах радиосвязи. Многие из полученных в диссертации результатов представлялись в виде вкладов администрации связи СССР и РФ ИК-1 сектора МСЭ-Р и включены в соответствующие Отчеты и Рекомендации.
Данные исследования были проведены в рамках НИР, выполненных по заданиям Минсвязи в 1975-2000гг., а также в рамках Правительственной Программы конверсии
РЧС в 1993-1996гт. и Программы работ "Спектр - 2000", выполненной в 1996-200Огг. в соответствии с Решением ГКРЧ.
Ряд результатов был получен соискателем при проведении НИР, выполненных по заказу компаний МТС (Мобильные ТелеСистемы), МТУ-ИНФОРМ и компаний, входящих в Ассоциацию 3G и др. Эти работы были направлены на решение весьма актуальных практических задач создания в стране методологической базы, необходимой для решения задач анализа ЭМС РЭС, повышения эффективности использования РЧС и выделение в стране частотного ресурса для развития в ней перспективных технологий радиосвязи и вещания. Соискатель был руководителем или заместителем руководителя большей части НИР, результаты которых представлены в данной диссертации.
Большая часть научных результатов, представленных в данной диссертации, являются оригинальными и получен соискателем самостоятельно. Ряд исследований по Программам конверсии РЧС и "Спектр - 2000" выполнен соискателем совместно со специалистами научных институтов Минобороны М.М. Ступницким, В.О. Тихвинским, В.П. Высочиньш, С.В. Беденко и М.Ю. Ерошовым и др.
Таблица 1 иллюстрирует комшексный подход к решению единой научной проблемы повышения эффективности использования РЧС в России, имеющий ряд аспектов и развитый в данной диссертации. Эти проблемы имеют важное народнохозяйственное значение.
Таблица 1
Научные результаты, представленные в диссертации, получи широкое внедрение и способствовали созданию в России методик и программ для анализа ЭМС РЭС, современных автоматизированных систем управления РЧС, технических средств защиты систем радиосвязи от радиопомех и развитию новых технологий радиосвязи и вещания.
Общая характеристика работы
Актуальность темы диссертации. Разработка методов анализа ЭМС и повышения эффективности использования РЧС имеет важное практическое значение. Несмотря на то, что задачи обеспечения ЭМС возникли практически сразу же с возникновением радиотехники, в связи с бурный развитием систем радиосвязи и вещания и организацией новых служб и систем радиосвязи и вещания постоянно ставятся новые весьма сложные научные задачи, требующие скорейшего разрешения. Об этом свидетельствует, в частности, постоянно пополняемый список исследовательских вопросов, которые рассматриваются в разных Исследовательских Комиссиях МСЭ, затрагивающие как методы анализа ЭМС различных систем радиосвязи и вещания, методы частотного планирования, так и методы управления и повышения эффективности использованием РЧС. Весьма значительное внимание указанным проблемам уделяется в европейских странах, которые объединили в рамках Европейской Конференции администраций почт и электросвязи (СЕРТ) свои интеллектуальные и производственные ресурсы в целях создания наиболее благоприятных условий для развития телекоммуникаций. В частности, в европейском бюро радиосвязи (ERO) разрабатывается общеевропейская таблица распределения полос частот между службами, в которой учитываются потребности в РЧС для развития перспективных технологий радиосвязи и вещания. Ряд принятых в последние годы Рекомендаций ERO определяют общие объемы частотного ресурса и временные рамки его выделения для этих технологий.
В силу исторически обусловленных причин использование РЧС в нашей стране в течение многих лет имело своим приоритетом обеспечение частотным ресурсом радиосистем правительственного назначения. В силу этого национальная таблица распределения полос частот между службами имеет ряд существенных отличий от Регламента радиосвязи для 1 -го района, к которому, согласно классификации МСЭ, относится Россия. Это порождает ряд сложных технических и правовых вопросов, связанных с выделением необходимого частотного ресурса для развития перспективных технологий радиосвязи и вещания и необходимость обеспечения условий совместного использования РЧС РЭС гражданского и правительственного назначений.
В последние годы в нашей стране указанным выше научным проблемам уделяется значительное внимание, так как они имеют важное народно-хозяйственное значение. В 1989г. по решению Минсвязи была поставлена НИР "Каталог", в рамках которой НИИР, ЛОНИИР и СОНИИР разработали каталоги защитных отношений и технических характеристик радиоэлектронных средсгв, эксплуатирующихся в СССР, а также комплекс методик для анализа ЭМС РЭС гражданского назначения. В 1993-1996гг. по инициативе Минсвязи была разработана межведомственная Программа конверсии РЧС, одобренная Правительством Российской Федерации. В рамках этой программы был выполнен ряд НИР, направленных на высвобождение полос частот для развития в стране радиосвязи и вещания. Были разработаны условия совместного использования общих полос частот РЭС гражданского и правительственного назначений, нормы ЧТР для разных видов РЭС, ряд правовых документов, направленных на совершенствование отечественной Системы управления РЧС. Выполнение данной Программы дало возможность выделения частотных каналов для сетей сотовой и транкинговой подвижной связи, вещания, систем радиорелейной связи, в результате чего эти системы получили мощный импульс для своего развития. В 199б-2000гг. была принята новая Комплексная целевая Программа работ по повышению эффективности использования РЧС в интересах развития перспективных РЭС и систем в Российской Федерации (Программа "Спектр - 200О"), в рамках которой, в частности, были выполнены НИР, направленные на определение условий совместного использования частотного диапазона 2 ГГц системами сотовой подвижной связи 3-го поколения и РЭС других назначений, а также были проведены работы по созданию подсистем Государственной автоматизированной системы управления использованием РЧС. Соискатель принимал активное участие в данных научных исследованиях, являясь руководителем или заместителем руководителя большинства выполненных НИР. Значительный объем научных исследований был выполнен соискателем лично.
Несмотря на большое количество выполненных научных исследований по повышению эффективности использования РЧС в России, актуальность темы диссертационной работы является весьма значительной и сегодня. В настоящее время разработана и утверждена Решением Коллегии Минсвязи Программа работ "Спектр - 2003", в рамках которой намечено провести ряд актуальных научных исследований по совершенствованию отечественной системы управления РЧС и созданию единой в стране методологической базы для выполнения работ, связанных с экспертизой заявок на выделение частотных каналов. Намечен также комплекс работ, в результате выполнения которых будет выделен частотный ресурс для развития в стране перспективных технологий радиосвязи и вещания. Особое внимание будет уделено работай, направленным на разработку экономических методов управления использованием РЧС.
Цель работы. Повышение эффективности использования радиочастотного спектра путём создания и применения для решения задач анализа ЭМС РЭС различных назначений (радиорелейных (РРЛ), спутниковых (ССС) и подвижных систем связи (ПСС)) современного методического и программного обеспечения, методов оптимального частотного планирования сетей радиосвязи, специальных компенсаторов радиопомех и совершенствования отечественной системы управления РЧС.
Научная проблема. В диссертации решается научная проблема разработки методологии повышения эффективности использования РЧС путем создания условий для совместного функционирования радиосистем различного назначения с учетом обеспечения их ЭМС. Эта проблема имеет большое народно-хозяйственное значение и направлена на рациональное использование РЧС как важного природного ресурса.
Пути решения этой научной проблемы и ее новизна состоят в следующим:
Создание новых методик, алгоритмов и программ для автоматизированных систем расчета ЭМС РЭС для разных систем радиосвязи и вещания, а также методик определения защитных отношений для РЭС, на которые воздействуют различные виды помех. Их новизна состоит в том, что они позволяют более точно и оперативно выполнять подготовку заключений по заявкам на выделение частотных каналов для различных видов РЭС, вводимых в эксплуатацию в Российской Федерации;
Разработка норм ЧТР для перспективных РЭС гражданского назначения, внедряемых на территории Российской Федерации и работающих в одних и тех же полосах частот с РЭС военного назначения. Их новизна состоит в том, что они стали утвержденной ГКРЧ России методологической базой, предназначенной для решения оперативных задач, связанных с выделением частотных каналов новым РЭС гражданского назначения; которая используется в частотных органах России и в проектных организаций,
Разработка новых аппаратурных методов подавления импульсных помех и ЧМ помех в системах связи с ЧМ, позволяющих повысить эффективность использования РЧС, Эти методы позволили обеспечить ЭМС линий тропосферной связи сети "Север";
Разработка новых методов оптимального частотного планирования для систем связи различного назначения и прогнозирования эффективности использования РЧС новыми видами РЭС. Разработка новых концептуальных и правовых документов и мероприятий, направленных на совершенствование отечественной системы управлення РЧС, и рекомендаций по внедрению в России новых перспективных технологий радиосвязи и вещания. Достоверность полученных результатов определяется адекватностью математического аппарата, применяемого при разработке представленных в диссертации результатов, которые в ряде случаев подтверждены математическим моделированием и экспериментальными исследованиями.
Практическая полезность полученных результатов подтверждается тем, что основе выполненных исследований в России были выделены полосы частот для развития ряда новых перспективных технологий радиосвязи и вещания. Полученные соискателем результаты широко используются в частотных органах и в проектных организациях при выполнении работ, связанных с выделением частотных каналов для новых радиостанций различных служб (фиксированной, подвижной и спутниковых служб), они были использованы также для защиты ог импульсных помех станций сети тропосферной связи "Север". Реализация результатов исследований.
Результаты научных исследований соискателя рассматривались Коллегией Минсвязи, ГКРЧ и ПСЭС России. Они были признаны практически ценными и рекомендованы для внедрения. Внедрены следующие научные результаты диссертации: * Комплекс методик для определения защитных отношений и анализа ЭМС в радиорелейной, спутниковой, тропосферной и подвижной связи рекомендован Решениями ГКРЧ для использования в проектных организациях и частотных органах СССР и России. На основе этих методик были разработаны программы для анализа ЭМС и расчета норм ЧТР для РРЛ, спутниковых и подвижных систем связи. Эти методики использовались при создании автоматизированных систем экспертизы заявок на частотные присвоения РЭС гражданского назначения, которые сокращают время анализа ЭМС РЭС и повышают его точность. > Нормы ЧТР для:
РРЛ гражданского и РЭС военного назначений; сетей наземного ТВ вещания и РЭС воздушной радионавигации; систем сотовой подвижной связи и других РЭС, работающих в тех же полосах частот; систем сотовой подвижной связи стандартов AMPS и CDMA.
Нормы ЧТР Решениями ГКРЧ России рекомендованы в качестве нормативно-технических документов в частотных органах российских ведомств для использования при решении вопросов выделения частотных каналов для соответствующих видов РЭС гражданского назначения.
Условия совместного использования общих полос частот разными видами РЭС; системами беспроводного доступа и других РЭС, в том числе специального назначения; системами спутникового и наземного цифровою звукового вещания со средствами воздушной телеметрии в диапазоне частот 1,5 ГГц; системами сотовой подвижной связи 3-го поколения и РЭС других назначений. Разработанные условия положены в основу Решений ГКРЧ о выделении полос частот для развития в России соответствующих технологий радиосвязи и вещания. > Методы прогнозирования и оценки эффективности использования РЧС в системах связи разного назначения. На их основе в Исследовательскую Комиссию 1 (ИК-1) МСЭ, которая занимается вопросами управления использованием РЧС, были представлены вклады от администрации связи СССР, которые вошли в соответствующие Отчеты МСЭ-Р. Кроме того, подготовленные соискателем материалы вошли в Справочник по управлению использованием спектра на национальном уровне, выпущенный сектором стандартизации МСЭ (МСЭ-Р).
Методы частотного планирования, вошедшие в Справочник по управлению использованием спектра на национальном уровне, выпушенный МСЭ-Р.
Методы подавления импульсных помех в системах связи. Их описание вошло в Отчеты ИК-1 МСЭ-Р. Один из предложенных соискателем методов был использован для решения сложной и весьма важной технической задачи защиты от импульсных помех, создаваемых наземными средствами системы воздушной радионавигации станциям тропосферных РРЛ (ТРРЛ) сети "Север".
Концепции использования РЧС в России, а также Положение о государственной системе управления РЧС и основных мероприятий по совершенствованию управления РЧС с учетом конверсии оборонной промышленности. Эта Концепция была принята на основе Решения ГКРЧ в качестве руководящего документа, определившего основные направления конверсии РЧС. Данный документ способствовал высвобождению в России РЧС для развития в стране систем подвижной и фиксированной связи и радиовещания. Соискатель участвовал в разработке данных документов в качестве зам. руководителя НИР.
