Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Спектральный метод. Комплексная амплитуда узкого пучка миллиметровых волн 17
1.1. Постановка задачи 17
1.2. Метод Кирхгофа 18
1.3. Спектральный метод 19
1.4. Эволюция параметров гауссова пучка при распространении в невозму-щённой тропосфере 42
1.5. Выводы 48
Глава 2. Дифракция узкого пучка миллиметровых волн в зоне тени клино образного препятствия 49
2.1. Постановка задачи 49
2.2. Математическая модель дифракции пучка миллиметровых волн 51
2.3. Результаты моделирования и сопоставление модели с экспериментальными данными 58
2.4. Дифракционное поле миллиметровых волн при загоризонтном положении низколетящих искусственных спутников Земли 67
2.5. Выводы 71
Глава 3. Интерференционные замирания узкого пучка миллиметровых волн при распространении вблизи подстилающего покрова 72
3.1. Постановка задачи 72
3.2. Интерференционные замирания 73
3.3. Выводы 77
Глава 4. Частотная когерентность атмосферного радиоканала мобильной наземной телекоммуникационной системы миллиметровых волн 78
4.1. Постановка задачи 78
4.2. Функция частотной когерентности 79
4.3. Энергетический потенциал атмосферной радиолинии 87
4.4. Выводы 92
Заключение 93
Список литературы 95
Приложение 99
- Эволюция параметров гауссова пучка при распространении в невозму-щённой тропосфере
- Результаты моделирования и сопоставление модели с экспериментальными данными
- Дифракционное поле миллиметровых волн при загоризонтном положении низколетящих искусственных спутников Земли
- Энергетический потенциал атмосферной радиолинии
Введение к работе
Актуальность темы. По российской классификации радиоволны с крайне высокими частотами (КВЧ) от 30 до 300 ГГц (длины волн (10_1)-10-3 м) относят к диапазону миллиметровых волн (ММВ).
В зарубежной классификации интервал частот 30...300 ГГц и 1... 18 ГГц разделяется на диапазоны:
Интерес к ММВ возник сразу же, как только стали известны опыты Герца. В России первые опыты генерации излучения на волне 0,6-10-3 м были осуществлены в Московском университете П.Н. Лебедевым в 1895 г., Гла-гольевой-Аркадьевой в 1924 г. в диапазоне от 0,129 мм до 5 см.
Однако трудности в создании элементов устройств на ММВ с одной стороны и значительные успехи в освоении волн декаметрового, метрового и дециметрового диапазонов с другой стороны уменьшили в то время внимание и заинтересованность в использовании ММВ в зародившихся в двадцатые годы наиболее важных и перспективных отраслях: радиосвязи, радиолокации, радиоуправлении, навигации и т.д. Для названных применений до сих пор остаются актуальными проблемы, особенно взаимодействия ММВ при распространении с газами атмосферы, отражения и рассеяния подстилающими земными покровами, объектами, эффекты дифракции и многие другие.
Существенный приоритетный вклад в теории тропосферного распространения, отражения и рассеяния декаметрового и метрового диапазона ра-диоволн подстилающими покровами внесли труды Российских ученых: Вве денский Б.А. (1934 г.), Щукин А.Н. (1940 г.), Исакович М.А. (1952 г.), Арен-берг Г.А. (1957 г.), Фейнберг Е.Л. (1961 г.) и др.
В наше время с развитием радиосистем спутниковой, наземной и других видов радиосвязи, навигации, локации и радиоуправления почти все участки от L до Ки диапазонов частот оказались загруженными. В результате этого наблюдается тенденция использования миллиметровых волн в атмосферных радиолиниях различных цифровых систем передачи информации. Перспективность применения ММВ в атмосферных радиоканалах обусловлена многими преимуществами этого диапазона по сравнению с сантиметровым (СМ) и дециметровым (ДМ), особенно возможностью формирования уз-ких пучков передачи и приема излучения с угловой шириной насколько гра дусов и с коэффициентами усиления 30...40 дБ при малых апертурах приемных антенн (0.2...0.5 м). В условиях насыщенности электромагнитного спектра в диапазонах дециметровых (ДМВ) и сантиметровых (СМВ) волн использование ММВ эффективно решает проблему электромагнитной совместимости с радиосистемами ДМ и СМ диапазонов волн. Неоспоримыми преимуществами применения ММВ в системах связи являются, такие факторы как увеличение объема и скорости передачи информации, высокое усиление антенн при малой их апертуре, что позволяет снизить требования к мощности передатчика при сохранении энергетических характеристик.
Современные достижения в области создания полупроводниковой эле-ментной базы и, прежде всего, интегральной схемотехники высоких функ циональных возможностей, позволяют создавать аппаратуру радиосвязи ММВ для самых разных областей применения:
• Спутниковая связь - узкие диаграммы направленности.антенн на ММВ способствуют повышению скрытности связи и подавлению интерференционных помех, а большой коэффициент усиления позволяет уменьшать мощность передатчика и улучшать массогаба-ритные характеристики радиоаппаратуры спутника. Применение узконаправленных многолучевых бортовых антенн позволяет осуществлять коммутацию линий спутниковой связи, а также увеличивать надежность связи при плохих погодных условиях за счет разнесенного приема.
• Бортовые линии связи и передачи информации — обеспечение высокой скорости передачи информации, а также высокая надежность связи при малых весах и габаритах бортового передающего устройства и антенной системы.
• Наземные телекоммуникационные системы - организация микросотовых и пикосотовых линий передачи информации, беспроводного доступа в Интернет, функционирование мобильных систем связи в городских условиях, при реализации следующих преимуществ:
1. Применение узконаправленных пучков излучения с экологически безопасными уровнями мощности.
2. Использование большого числа информационных каналов с частотным, временным и пространственным разделением, в то время как более широкое применение диапазонов дециметровых и метровых радиоволн в системах городской связи создает трудности при конструировании приемопередающих и антенно-волноводных систем, увеличивает уровень взаимных электромагнитных помех и ограничивает полосу передаваемых частот, что приводит к росту искаже ний при передаче информации, а так же к многопутевости (многолучевости).
3. Возможности оперативного изменения пространственной конфигурации трассы, электронного переключения между пользователями.
4. Высокая компактность оборудования, удобство его установки и настройки.
При функционировании современных телекоммуникационных систем в условиях города и пригорода часто возникают следующие ситуации: v і
• Приемная антенна пользователя часто оказывается затененной как зданиями, так и естественными препятствиями (лесные массивы, холмы и др.). Это обусловлено тем, что современные системы связи дециметрового диапазона не работают без ретрансляторов в зонах тени из-за дифракционного ослабления до 30 дБ.
• При распространении узких пучков миллиметровых волн над подстилающем покровом, вблизи зданий и других отражающих объектов наблюдаются интерференционные замирания, что приводит к искажению передаваемого сигнала. Для неискаженной передачи необходимо чтобы выполнялось следующее условие: AQC AQ0.5 =2n-F05, где F05— интервал частотной корреляции (ко І герентности), т.е. полоса сигнала должна быть меньше чем полоса частотной когерентности приемной системы. Несмотря на действующие атмосферные радиолинии ММВ и теорию распространения радиоволн вдоль земной поверхности в настоящее время не существует достаточно обоснованных математических моделей расчета полей направленных пучков радиоволн при приеме сигнала ММВ (с частотами 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 Европейским институтом стандартов радиосвязи). Существующие модели [1-5], как правило, не учитывают особенностей распространения и приема пучков миллиметрового диапазона и применимы, в основном, для систем дециметрового диапазона с их всенаправленными приемом и передачей.
Цель и задачи диссертации. Исходя из вышесказанного, в настоящее время является актуальным теоретическое и экспериментальное изучение особенностей функционирования телекоммуникационных систем с узкими пучками ММВ. Целью настоящей работы являлось разработка и реализация спектрального метода решения задач распространения, дифракции и отражения узких радиопучков ММВ для установления характеристик атмосферного канала телекоммуникационных систем.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
• разработан спектральный метод решения задач распространения, дифракции и отражения узких радиопучков ММВ.
• осуществлено математическое описание амплитуды, фазы и расходимости ограниченного гауссова пучка с пьедесталом ММВ, распространяющегося в свободном пространстве. v
• установлена теоретическая функция усиления дифракционного поля в зависимости от безразмерного параметра просвета и затенения относительно поля сферической волны в свободном пространстве и экспериментальная проверка модели.
• выявлена зависимость глубины интерференционных замираний от параметров узкого пучка, высоты антенн, дальности трассы при распространении вблизи подстилающего земного покрова и сопоставление теоретической модели с экспериментальными данными.
• определена полоса частотной когерентности приемной системы при многопутевом распространении узких пучков ММВ.
• произведена оценка энергетического потенциала атм9сферной ра-диолинии цифровой телекоммуникационной системы передачи информации в зависимости от дальности связи, скорости передачи информации, характеристик и параметров передатчика и приемника, антенн, потерь из-за сферической расходимости радиоволны, по-глощения газами атмосферы, ослабления дождями; Методы исследования. Были использованы методы современной теории распространения, дифракции и отражения радиоволн, обработки сигналов, численного моделирования алгоритмов статистической радиотехники [1-16].
Научная новизна состоит в разработке совокупности методов, алгоритмов и их реализации в виде компьютерных моделей, позволяющих исследовать дифракцию и отражение узких пучков ММВ при распространении в свободном пространстве и городских условиях и их экспериментальное подтверждение.
Основные результаты и положения, выносимые на занщту:
• Спектральный метод решения задач распространения, дифракции и отражения узких радиопучков ММВ.
• Аналитические соотношения для амплитуды и фазы узкого пучка ММВ при наблюдении в геометрооптической, переходной (Френеля) и дальней (волновой) зонах, полученные спектральным методом.
• Математическое описание дифракции пучка ММВ на затеняющем препятствии.
• Математическая модель интерференционных замираний пучка ММВ.
• Функция частотной когерентности приемной телекоммуникацион-ной системы. ,
• Экспериментальные данные подтверждающие теоретические модели.
Практическая значимость. Практическое значение полученных результатов состоит в следующем.
1) Полученные спектральным методом выражения для комплексных амплитуд дают возможность производить расчеты по алгоритму быстрого преобразования Фурье (БПФ) с существенной экономией вычислительного времени.
2) Математические модели позволяют оценить возможность передачи информации на затененных трассах и прогнозировать интерференционные замирания в телекоммуникационных системах.
3) Разработанное программное обеспечение и предложенная методика позволяет исследовать возможности передачи информации телекоммуни-кационными системами с узкими пучками миллиметрового диапазона волн.
Достоверность полученных автором результатов.
Достоверность математической модели характеристик атмосферного канала телекоммуникационных систем с узкими пучками миллиметровых волн подтверждается результатами численного моделирования и данными натурных экспериментов. При этом численная модель, составленная в пакете "MathCAD", является имитационной. Модель работоспособна для широкого диапазона значений большинства ее параметров.
Реализация результатов исследования. Результаты диссертационной работы включены в отчеты по НИР «Таннин», «Тас», «Илия», а также ис-пользуются в учебном процессе кафедры СМ-5 МГТУ им. Н.Э. Шумана.
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены на IV международной конференции молодых ученых "Wave electronics and its application in the telecommunication systems" (28-31 мая, 2001, г. С.Петербург); LVI научной сессии НТОРЭС им. А. С. Попова, посвященной дню радио, (16-17 мая, 2001, г. Москва); IV и VI международной научно-технической конференции "Перспективные технологии в средствах передачи информации - ПТСПИ" (15-17 августа, 2001-2003, г. Владимир- Суздаль); Всероссийской школе-конференции по дифракции и распространению волн (19-23 декабря, 2001, г. Москва); XX Всероссийской конференции по распространению радиоволн (2- 4 июля 2002, г. Нижний Новгород); 2-nd IEEE international conference on circuit and systems for communication (ЗО июня-2 июля, 2004, г. Москва).
Работа была поддержана грантами федеральной целевой программой «Государственная поддержка интеграции высшего образования и .фундаментальной науки», направление: «1.5. Поддержка обучения и стажировок наиболее способных студентов и аспирантов в российских научных школах мирового уровня» (контракт №4, 2001); конкурса молодых ученых, аспирантов и студентов (конкурс МАС-2002, МАС-2003), отделение: «Создание и развитие информационных, вычислительных и телекоммуникационных ресурсов (02-07-06053, 2002, 03-07-06094, 2003)»; федеральной целевой программой «Интеграция науки и высшего образования России на 2002 — 2006 годы», направление: «1.2. Использование потенциала ведущих научных и научно-технических центров страны для стажировки молодых исследователей, аспирантов и докторантов высших учебных заведений» (контракт №3436$, 2004).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, четырех Глав, Заключения, списка литературы, включающего 41 наименование и Приложений. Объем диссертации составляет 120 страниц машинописного текста и содержит 40 рисунков.
Основное содержание диссертационной работы.
Введение содержит актуальность темы диссертации, цель и задачи диссертации, научную новизну. Перечислены методы исследования, основные положения, выносимые на защиту, кратко изложено содержание работы.
В Главе 1 приведено математическое описание амплитуды, фазы и расходимости ограниченного гауссова пучка ММВ, распространяющегося в свободном пространстве. Показано, что в качестве альтернативы аппроксимации Л(») лямбда-функциями до третьего порядка во избежание последующих громоздких вычислений целесообразно аппроксимировать экспериментальное распределение амплитуды поля по апертуре малогабаритной параболической антенны, конического рупора и зонированной линзы, ограниченным гауссовым пучком на пьедестале.
Зависимость комплексной амплитуды Е(х, р) поля узкого пучка в приближении Френеля была получено спектральным методом как решение волнового уравнения по Релею в виде преобразования Фурье-Бесселя произведения углового спектра Ё(и) плоских волн, комплексной амплитуды поля Е(х,0) на апертуре антенны и угловой частотной характеристики К(х,и) слоя свободного пространства трассы от передатчика до приемника.
Излучение параболической антенны с апертурой ро = ре и с распреде лением амплитуды в виде коллимированного гауссова пучка обусловлено, в основном, кругом с радиусом первой зоны Френеля р, = J— на апертуре Ро = ре антенны.
Продемонстрировано, что при распространении коллимированного гауссова пучка фазовый фронт изменяется от плоского на апертуре антенны до сферического в волновой зоне, а в трехмерном пространстве гиперболоид преобразуется асимтотически в прямой круглый конус с осью симметрии, совпадающей с направлением распространения пучка.
В отличие от нормированной амплитуды сферической волны амплитуда ограниченного гауссова пучка в волновой зоне увеличивается на коэффи-циент усиления G0 антенны на оси пучка (х,0)в плоскости х, ри уменьшает ся в соответствии с гауссовой функцией по мере отклонения по оси р (или угла S) от оси х.
В Главе 2 изложена теория и приведены данные натурных экспериментов дифракции узкого пучка миллиметровых волн в зоне тени клинообразного препятствия.
Предложен математический метод описания дифракции узкого пучка мм-волн в зоне глубокой геометрической тени препятствия с использованием принципа Бабине: комплексная амплитуда дифракционного поля опреде лялась как разность между комплексной амплитудой излучения антенны в свободном пространстве и комплексной амплитудой, соответствующей излучению затеняющего силуэта (препятствия) как апертуры.
Для проверки теоретической модели на базе Воронежского научно-исследовательского института связи (ВНИИС) были проведены эксперименты по передаче информации на затененных трассах.
В качестве приемопередатчика использовалась телекоммуникационная система семейства «ЛУЧ», имеющая следующие технические характеристики: А,=8 мм, ро=0,05 м, (j0=3O дБ. Также для апробации модели были использованы данные экспериментов, полученные Институтом радиотехники и электроники РАН и Вирджинским политехническим Университетом (США).
Экспериментальные данные, полученные в натурных условиях, хорошо согласуются с данными моделирования и подтверждают усиление дифракционного поля узкого пучка мм-волн в зоне тени препятствия.
В Главе 3 приведена математическая модель интерференционных замираний узкого гауссова пучка миллиметровых волн на пьедестале распространяющегося вблизи подстилающего земного покрова. Показанр, что данная модель применима для прогнозирования замираний в телекоммуникационных системах, работающих вблизи подстилающего покрова. Выполнены расчеты для опубликованных интерференционных замираний при распространении пучка миллиметровых волн вблизи асфальтовой дороги на несущей частоте 28.5 ГГц на расстоянии до 1600 м.
Глава 4 посвящена оценке коэффициента и полосы частотной когерентности атмосферного радиоканала телекоммуникационной системы с многопутевым распространением функционирующей в городских условиях.
Показано, что при функционировании телекоммуникационных систем миллиметрового диапазона длин волн в условиях города выходной сигнал представляет совокупность пучков, запаздывающих по разным путям относительно прямого пучка. Из-за интерференции у пары (отраженный и сигнал прямой видимости) наблюдаются замирания. Для неискаженной передачи сигнала мобильной телекоммуникационной системой необходимо чтобы вы І полнялось следующее условие: АПС ДЦ).5 = 2;г, Ь.5 гДе 4).5- интервал частотной корреляции (когерентности) атмосферного радиоканала, т.е. полоса сигнала должна быть меньше чем полоса частотной когерентности радиоканала.
Для расчета атмосферного радиоканала с многопутевым распространением, использовалась типичная схема межтранспортной мобильной связи Европейского проекта "PROMETEUS", США - "PATH (Partners for Advanced Transit and Highway)" и Японии- "RACS (Road Automobile Communication Systems)".
Показано, что в отличие от метрового и дециметрового диапазонов длин волн, где профиль многопутевого распространения, из-за наличия большого числа сигналов рассеянных тропосферой и ионосферой, строится на применении законов распределения многопутевого сигнала Рэлея, Раиса, Накагами. В миллиметровом диапазоне из-за малого числа нефлуктуирую-щих отражателей рассматриваемые замирания по вероятностным свойствам существенно отличаются от замираний метрового и дециметрового диапазонов. В связи с вышеуказанной спецификой распространения узконаправленных пучков (пучки могут быть выделены отражениями от дискретных отражателей, таких, как: асфальтовая дорога, бетонная стена, автомобиль и т.д.), распространение радиоволн можно описать с использованием модели интерференционных замираний, предложенной во второй главе диссертации.
Функция частотной когерентности (Q) представляет Фурье І преобразование зависимости средней мощности запаздывающих пучков как функции времени запаздывания, поэтому по зависимости средней мощности на выходе приемной антенны получены коэффициент и полоса частотной когерентности атмосферного радиоканала с многопутевым распространением. Полоса когерентности составила около 2.3 ГГц, что обеспечивает неискаженную пакетную передачу информации.
Заключение содержит основные результаты и выводы.
В Приложениях представлены использованные методы статистической теории передачи информации и методы теории распространения радиоволн, которые применялись при подготовке диссертации, а также некоторые промежуточные расчеты и исследования, которые в виду их «громоздкости» было целесообразно поместить именно в Приложения.
Эволюция параметров гауссова пучка при распространении в невозму-щённой тропосфере
Как сказано во Введении в настоящий момент существует тенденция интенсивного применения перспективных телекоммуникационных систем миллиметровых волн в городских и пригородных условиях, где приемная антенна пользователя часто оказывается затененной как зданиями, так и естественными препятствиями (лесные массивы, холмы и др.). Это обусловлено тем, что современные системы связи ДМ диапазона не работают без ретрансляторов в зонах тени из-за. дифракционного ослабления до 30 дБ.
Проблема оценки повышения уровня дифракционного поля узкого пучка ММВ в зоне геометрической тени, обусловленного концентрацией излучения передающей и усиления приёмной апертурными антеннами, привела к необходимости иного подхода её решения. Несмотря на действующие атмосферные радиолинии ММВ и тео рию распространения радиоволн вдоль земной поверхности в настоя щее время не существует достаточно обоснованных математических моделей расчета полей направленных пучков радиоволн при приеме ., сигнала ММВ (с частотами от 30 ГГц и выше). Существующая на се годняшний день теория [3, 5] и рекомендации Международного союза электросвязи (МСЭ) [4] по дифракции всенаправленной сферической волны на полуплоскости, клиновидном и сферическом затеняющих препятствиях не учитывают специфику распространения пучка ММВ. В отличие от традиционного подхода (метод Кирхгофа) [1] задачу дифракции узкого пучка ММВ целесообразно решать спектральным методом, приведенным в Главе 1, с использованием угловых спектров плоских волн распределения комплексной амплитуды и частотных характеристик слоев пространства распространения от источника излучения до затеняющего препятствия и от силуэта препятствия до плоскости апертуры приёмной антенны во френелевском (малоугловом) приближении, т.е. с углами дифракции в пределах полуширины более острой диаграммы направленности приёмопередатчика. Подобный подход был реализован в модели дифракционного поля на силуэте цели с использованием принципа Бабине в просветной радиолокации [25], а также в модели двухпучковых интерференционных замираний ММВ при распространении вблизи подстилающего покрова [26], подтверждённых натурными экспериментами.
Математическое описание распространения и дифракции пучка ММВ, основанное на спектральном методе решения, позволяет естественным образом учесть диаграмму направленности (ДН) приемной антенны, определяющую угловую пространственную фильтрацию принятого излучения.
В главе излагается установление теоретической функции усиления дифракционного поля в зависимости от безразмерного параметра просвета и затенения препятствием относительно поля сферической волны в свободном пространстве и экспериментальная проверка-модели в натурных условиях.
Узконаправленные апертурные приемные антенны ММВ обес-печивают повышение уровня поля на входе волноводного тракта антенны приемника за счет усиления апертурнои антенны по сравнению с всенаправленным приемом излучения полуволновым диполем ДМ и СМ диапазонов в зонах прямой видимости и геометрической тени препятствий на трассе распространения: крыш [7, 27] и углов зданий на перекрестках улиц города [28], возвышенностей (низин), деревьев [29] в пригородной и сельской местностях и т.д.; пространственную угловую селекцию помех от соседних станций и снижения уровня взаимных помех для дискретно распределенных в пространстве абонентов [30] и эффекта многолучевости (многопутевости) распространения [31-33], так как парциальные замирания на выходе приемной антенны обусловлены угловой фильтрацией практически только наиболее мощного одного пучка из отраженных окружающими объектами, например зданием, подстилающим покровом [26, 32], автомобилем и другими объектами [31].
Для оценки влияния препятствий на распространение радиоволн в зоне тени форму препятствий обычно идеализируют. Экспериментально показано, что для миллиметровых волн точные результаты получаются при замене препятствия клином.
В методике вычисления комплексной амплитуды пучка спектральным методом в точке приема, пространство между передатчиком и приемником разделялось на два слоя: передатчик - затеняющий силуэт и затеняющий силуэт - приемная антенна. Каждый слой в спектральном представлении описывался частотной характеристикой слоя пространства (1.13). Угловой спектр плоских волн в плоскости силуэта определялся по угловому спектру передающей антенны, умноженному на частотную характеристику слоя передающая антенна — силуэт. Комплексная амплитуда поля силуэта в плоскости приемной антенны определялась с использованием углового спектра апертуры силуэта и частотной характеристики слоя силуэт - приемная антенна. v
Для узкого гауссова пучка теоретическая задача дифракции решалась с использованием принципа Бабине, т.е. из комплексной амплитуды поля передатчика на плоскости приемной антенны вычиталась комплексная амплитуда, соответствующая излучению апертуры силуэта, в качестве передатчика использовалась круглая параболическая антенна, приемником служил конический рупор. Геометрическая схема трассы представлена на рис.2.2.
Результаты моделирования и сопоставление модели с экспериментальными данными
Исходя из вышесказанного, в настоящее время является актуальным теоретическое и экспериментальное изучение особенностей функционирования телекоммуникационных систем с узкими пучками ММВ. Целью настоящей работы являлось разработка и реализация спектрального метода решения задач распространения, дифракции и отражения узких радиопучков ММВ для установления характеристик атмосферного канала телекоммуникационных систем.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: разработан спектральный метод решения задач распространения, дифракции и отражения узких радиопучков ММВ. осуществлено математическое описание амплитуды, фазы и расходимости ограниченного гауссова пучка с пьедесталом ММВ, распространяющегося в свободном пространстве. v установлена теоретическая функция усиления дифракционного поля в зависимости от безразмерного параметра просвета и затенения относительно поля сферической волны в свободном пространстве и экспериментальная проверка модели. выявлена зависимость глубины интерференционных замираний от параметров узкого пучка, высоты антенн, дальности трассы при распространении вблизи подстилающего земного покрова и сопоставление теоретической модели с экспериментальными данными. определена полоса частотной когерентности приемной системы при многопутевом распространении узких пучков ММВ. произведена оценка энергетического потенциала атм9сферной ра-диолинии цифровой телекоммуникационной системы передачи информации в зависимости от дальности связи, скорости передачи информации, характеристик и параметров передатчика и приемника, антенн, потерь из-за сферической расходимости радиоволны, по-глощения газами атмосферы, ослабления дождями; Методы исследования. Были использованы методы современной теории распространения, дифракции и отражения радиоволн, обработки сигналов, численного моделирования алгоритмов статистической радиотехники [1-16]. Научная новизна состоит в разработке совокупности методов, алгоритмов и их реализации в виде компьютерных моделей, позволяющих исследовать дифракцию и отражение узких пучков ММВ при распространении в свободном пространстве и городских условиях и их экспериментальное подтверждение. Основные результаты и положения, выносимые на занщту: Спектральный метод решения задач распространения, дифракции и отражения узких радиопучков ММВ. Аналитические соотношения для амплитуды и фазы узкого пучка ММВ при наблюдении в геометрооптической, переходной (Френеля) и дальней (волновой) зонах, полученные спектральным методом. Математическое описание дифракции пучка ММВ на затеняющем препятствии. Математическая модель интерференционных замираний пучка ММВ. Функция частотной когерентности приемной телекоммуникацион-ной системы. , Экспериментальные данные подтверждающие теоретические модели. Практическая значимость. Практическое значение полученных результатов состоит в следующем. 1) Полученные спектральным методом выражения для комплексных амплитуд дают возможность производить расчеты по алгоритму быстрого преобразования Фурье (БПФ) с существенной экономией вычислительного времени. 2) Математические модели позволяют оценить возможность передачи информации на затененных трассах и прогнозировать интерференционные замирания в телекоммуникационных системах. 3) Разработанное программное обеспечение и предложенная методика позволяет исследовать возможности передачи информации телекоммуни-кационными системами с узкими пучками миллиметрового диапазона волн. Достоверность полученных автором результатов. Достоверность математической модели характеристик атмосферного канала телекоммуникационных систем с узкими пучками миллиметровых волн подтверждается результатами численного моделирования и данными натурных экспериментов. При этом численная модель, составленная в пакете "MathCAD", является имитационной. Модель работоспособна для широкого диапазона значений большинства ее параметров. Реализация результатов исследования. Результаты диссертационной работы включены в отчеты по НИР «Таннин», «Тас», «Илия», а также ис-пользуются в учебном процессе кафедры СМ-5 МГТУ им. Н.Э. Шумана. Апробация работы. Материалы диссертации были доложены на IV международной конференции молодых ученых "Wave electronics and its application in the telecommunication systems" (28-31 мая, 2001, г. С.Петербург); LVI научной сессии НТОРЭС им. А. С. Попова, посвященной дню радио, (16-17 мая, 2001, г. Москва); IV и VI международной научно-технической конференции "Перспективные технологии в средствах передачи информации - ПТСПИ" (15-17 августа, 2001-2003, г. Владимир- Суздаль); Всероссийской школе-конференции по дифракции и распространению волн (19-23 декабря, 2001, г. Москва); XX Всероссийской конференции по распространению радиоволн (2- 4 июля 2002, г. Нижний Новгород); 2-nd IEEE international conference on circuit and systems for communication (ЗО июня-2 июля, 2004, г. Москва). Работа была поддержана грантами федеральной целевой программой «Государственная поддержка интеграции высшего образования и .фундаментальной науки», направление: «1.5. Поддержка обучения и стажировок наиболее способных студентов и аспирантов в российских научных школах мирового уровня» (контракт №4, 2001); конкурса молодых ученых, аспирантов и студентов (конкурс МАС-2002, МАС-2003), отделение: «Создание и развитие информационных, вычислительных и телекоммуникационных ресурсов (02-07-06053, 2002, 03-07-06094, 2003)»; федеральной целевой программой «Интеграция науки и высшего образования России на 2002 — 2006 годы», направление: «1.2. Использование потенциала ведущих научных и научно-технических центров страны для стажировки молодых исследователей, аспирантов и докторантов высших учебных заведений» (контракт №3436$, 2004). Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ. Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, четырех Глав, Заключения, списка литературы, включающего 41 наименование и Приложений. Объем диссертации составляет 120 страниц машинописного текста и содержит 40 рисунков.
Дифракционное поле миллиметровых волн при загоризонтном положении низколетящих искусственных спутников Земли
При функционировании телекоммуникационных систем миллиметрового диапазона длин волн в условиях города или пригорода из-за специфики приема узких пучков отраженных асфальтовой дорогой, выпуклым бетонным ограждением, автомобилем и т.д. [32, 35-38], выходной сигнал представляет совокупность пучков, запаздывающих по разным путям относительно прямого пучка.
Из-за интерференции у пары (отраженный и сигнал прямой видимости) наблюдаются замирания [26, 33].
Для неискаженной передачи сигнала мобильной телекоммуникационной системой необходимо чтобы выполнялось следующее условие: AQc AQ05 =2K-F05, где F05— интервал частотной корреляции (когерентности) атмосферного радиоканала, т.е. полоса сигнала должна быть меньше чем полоса частотной когерентности радиоканала. Известно [33] из общих свойств преобразования Фурье, что функция частотной когерентности F(Q) представляет Фурье — преоф i разование зависимости средней мощности запаздывающих пучков, как функции времени запаздывания. В главе представлена оценка коэффициента и полосы частотной когерентности атмосферного многопутевого радиоканала. Применение направленных пучков ММВ в атмосферных радиолиниях позволит удовлетворить растущие требования к современнььм фиксированным и мобильным телекоммуникационным системам передачи информации. В настоящее время в Европейских странах (проект "PRO-METEUS"), а также США (проект Partners for Advanced Transit and Highway - "PATH") и Японии (проект Road Automobile Communication Systems — "RACS") [36] разрабатываются телекоммуникационные наземные транспортные системы ближнего действия (до 1-2 км) с узкими пучками миллиметрового диапазона длин волн. Функционирование таких систем происходит в сложных условиях многих отражений. На рис. 4.1 приведена типичная схема атмосферного радиоканала между двумя движущимися автомобилями v в миллиметровом диапазоне на частоте 40 ГГц в пределах прямой видимости до 1000 метров, ограниченной выпуклым бетонным ограждением [32, 36]. видно, что автомобили двигаются относительно друг друга по дуге окружности с радиусом О,, угол сектора, ограничиваю-щего дугу окружности обозначен как i90. Передающая Тх и приемная Rx антенны расположены на высоте zr =zt =z от поверхности земли, расстояние от бетонного ограждения до автомобилей составляет Y. Учитывая выше введенные обозначения, углы отражения от локальных объектов можно представить в следующем виде: Для метрового и дециметрового диапазонов длин волн профиль многопутевого распространения, из-за наличия большого числа сигналов рассеянных тропосферой и ионосферой, строится на применении законов распределения многопутевого сигнала: Рэлея, Раиса, На-кагамиит.д. [31]. Для данных диапазонов характерно, что каждая комплексная амплитуда квадратурной составляющей распределена по нормальному закону, фаза по равномерному закону, а их огибающая по закону Рэлея. Часто оказывается, что ширина спектра сигнала становится соиз-меримой, а зачастую и превышает полосу когерентности канала связи. В результате распространение сигналов сопровождается частотно-селективными замираниями, что заметно ухудшает качество связи. В миллиметровом диапазоне длин волн из-за малого числа не-флуктуирующих отражателей [33, 36] рассматриваемые замирания по вероятностным свойствам существенно отличаются от замираний метрового и дециметрового диапазонов. В связи с вышеуказанной спецификой распространения узконаправленных пучков (пучки могут быть выделены отражениями от дискретных рассеивателей, таких как: асфальтовая дорога, бетонная стена, автомобиль и т.д.), профиль распространения радиоволн можно описать с использованием модели (3.5), представленной в третьей главе. На выходе приемной антенны, аналогично (3.5) , получим суперпозицию прямого и отраженных пучков в виде: диаграмма направленности передатчика, Fr(-)- диаграмма направленности приемника, VnVwiVc- коэффициенты отражения Френеля, соответственно подстилающего покрова {Vt), бетонного ограждения (Vw) и автомобиля (Vc); ArnArw,Arc- разности хода между пря-мым и отраженными пучками соответственно подстилающим покро « вом, бетонной стеной и автомобилем. На рис.4.2 представлены комплексные амплитуды парциальных пучков принимаемого сигнала и их суперпозиции в зависимости от расстояния между мобильными объектами (верхний рисунок - в линейном, нижний - в логарифмическом масштабе по оси ординат).
Энергетический потенциал атмосферной радиолинии
Как известно [31, 39], основными требованиями к характеристикам атмосферных радиолиний связи являются обеспечение надежности и устойчивости обмена информацией между абонентами на определенной дальности.
При распространении ММВ в атмосфере из-за расходимости пучка и поглощения средой распространения, антенно-волноводными трактами мощность полезного сигнала снижается, на приемник воздействуют внешние мультипликативные и аддитивные помехи и внутренние собственные шумы.
Надежность атмосферного радиоканала без учета помехоустойчивого кодирования и декодирования определяется отношением мощности полезного сигнала Рг на входе приемника к мощности шумов PNt приведенной к его входу. Это отношение обозначается 7о = Pr /PN . Количественно надежность характеризуется вероятностью ошибки Ре =Pe{ql), как отношение непринятых дискретов информации к переданным. По рекомендации G.726 для канала распро-странения рекомендуется вероятность ошибки Pe=10 . Взаимозави-симость параметров приемопередатчика атмосферных радиолиний между энергетическим потенциалом приемопередатчика Д и дальностью связи х оценивается по соотношению [30]: K=101g- = 101g 02, (4.5) где Р, - мощность передатчика, Рг — мощность, улавливаемая приемной антенной. Из уравнения радиосвязи следует, что в дальней зоне на выходе приемной антенны мощность Рг описывается выражением: где or = ora + ar + aw + ay — коэффициент ослабления мощности, учитывающий потери из-за поглощения молекулами газов атмосферы аа (водяным паром НгО и кислородом 02), из-за ослабления водными каплями дождя ar, в волново дно-антенных трактах приемопередатчика aw и замираний (фединга) а,. МСЭ Р676: Га [дБ] - интегральное молекулярное поглощение газами безоблачной атмосферы; МСЭ Р832: Гг [дБ] - интегральное ослабление дождем. Величины параметров, входящих в выражение для энергетического потенциала (4.7) определяются следующим образом. Для вы-бранного вида манипуляции сигнала, например, СФМ-4 (OQPSK), по заданной вероятности ошибки Ре=\0 и оптимальном приеме оценивается отношение сигнал/шум на входе приемника, которое получается равным 12 дБ. На частоте 40 ГГц (длина волны А,=7.5-10 м) параболическая передающая и рупорная приемная антенны с диаметром 0.22 м и 0.04 м соответственно имеют коэффициенты усиления G,=36,Gr=27 дБ. Суммарные потери в передающем и приемном (2Г ) антенно-волноводных трактах Г =2Г =10 дБ, погонное молекулярное поглощение газами безоблачной атмосферы принимались равными 0,1 дБ. Интегральное ослабление в дожде в соответствии с моделью Мизма [40] складывается из ослабления в ливневой и фоновой зонах. Диаметр ливня ds и интенсивность фона 1Ь определяются интенсивностью дождя / по соотношениям: Коэффициенты я, Ъ погонного ослабления ys в ливневой и уь фоновой зонах зависит от интенсивности дождя как ys =als , уь = alb , где з=0.35 , 6=0.94 на волне 10.5-10 м при горизонтальной поляризации излучения. В предположении, что вся ливневая зона попадает на трассу, интегральное ослабление в дожде рассчитывается по формулам Из соотношений (4.8),(4.9) для /=10 мм/ч получается ds « 5,52-103м, ys « 3 дБ/км и Гг 9 дБ при х=3 км. На рис.4.5 приведены графики зависимостей энергетического потенциала Р„ радиолинии от расстояния между передатчиком и приемником х в безоблачной атмосфере (пунктирная линия) и в дожде с интенсивностью 10 мм/ч (непрерывная линия). Данные на рис.4.9 согласуются с оценками по соотношениям (4.8),(4.9), что на расстоянии 3 км запас на ослабление в дожде с интенсивностью 10 мм/ч должен составлять 9 дБ. Вблизи земной поверхности на малых высотах (до 10 м) из-за когерентного отражения земными покровами возникают селективные замирания с глубиной до 20 дБ. В зоне прямой видимости Frtt=l. На расстоянии х=3 км между передатчиком и приемником потери из-за сферической расходимости Г5 должны составлять Г5=140 дБ. При отношении сигнал/шум на входе приемника q2N = 12 дБ, с учетом запаса на ослабление в дожде с интенсивностью 10 мм/ч (Гг=9 дБ) на замирания Г/=20 дБ энергетический потенциал приемопередатчика Р, должен быть «112 дБ. Мощность передатчика, обеспечивающая такой энергетический потенциал определяется из соотношения где PN = kBTNAf- мощность шума, кв=1.38-10-23Вт/Гц-град— постоянная Больцмана, 7# — шумовая температура приемника в градусах абсолютной шкалы К. Коэффициенту шума i =10 дБ соответствует TN=2,9-10 К. Полоса усилителя конвертора Af для стандартной скорости передачи речи Яь=64 кбит/с (В-канал широкополосной сети интегрального обслуживания (B-ISDN)) выбиралась с учетом помехоустойчивого сверточного кодирования с декодером Витерби, относительной скоростью кода R0 = k/n = 0,5, что приводит к расширению полосы частот конвертора еще на 2Rb. В итоге для стандартного модема «Рабита-С» (/?=64 кбит/с) полоса конвертора Af получается равной 4Rb=256 кбит/с. За счет избыточного помехоустойчивого сверточного кодирования и перемежения (скремблирования) отношение q2N снижается на 5 дБ [41]. В итоге получается PN=\QTU Вт (-1 l(j дБм) и соответственно Р,=1,5 мВт, а мощность генератора передатчика Pt составляет «15 мВт.
