Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Исследование условий реализации максимальной дальности связи при работе поверх ностной волной в диапазоне средних радиоволн 12
1.1 Анализ путей увеличения размеров зоны обслуживания
1.2 Расчет напряженности поля сигнала в точке приема 18
1.3 Методика расчета максимальной дальности связи (радиуса зоны покрытия) поверхностной волной 26
1.4 Оценка максимальных размеров зоны обслуживания транкинговой системы связи СВ-КВ диапазонов частот 30
1.5. Мешающее влияние ионосферной радиоволны при работе системы связи поверхностной волной 38
ГЛАВА 2. Передача речи в СВ радиоканалах с временным разделением каналов приема и передачи 46
2.1 Анализ вариантов реализации дуплексной связи 46
2.2 Анализ возможности реализации режима дуплексной радиотелефонной связи с временным разделением каналов приема и передачи в СВ радиоканале 52
2.3 Способ дуплексной телефонной связи 60
2.4 Особенности применения способа дуплексной связи в
транкинговой системе связи СВ диапазона 67
ГЛАВА 3. Исследование способа дуплексной радио связи методом имитационного моделирования 70
3.1 Методы моделирования каналов связи 70
3.2 Математическая модель процесса передачи через канал сжатого речевого сигнала системы дуплексной радиосвязи 75
3.3 Исследование адекватности модели канала связи 83
3.4 Методика имитационного моделирования систем передачи информации 90
3.5 Методика и результаты имитационного моделирования системы радиотелефонной связи СВ диапазона с временным разделением каналов приема и передачи 95
3.51 Описание модели системы дуплексной телефонной связи 95
3.5.2 Результаты моделирования системы дуплексной телефонной связи 109
ГЛАВА 4. Физическое моделирование и использование симплексных и дуплексных св радиоканалов для построения корпоративных систем связи с мобильными базовыми станциями 112
4.1 Результаты физического моделирования СВ радиоканалов для построения мобильных систем связи поверхностной волны 112
4.1.1 Трассовые испытания макета системы связи поверхностной волны, укомплектованной штыревыми мобильными антеннами, обеспечивающими работу на стоянке транспортного средства 112
4.1.2 Трассовые испытания малогабаритных вибраторных антенн СВ диапазона в 2010 -2011 гг. 114
4.2 Использование симплексных СВ радиоканалов для построения систем связи с мобильной базовой станцией (с увеличенной зоной обслуживания) 118
4.3 Применение дуплексных СВ радиоканалов для построения система радиосвязи «точка-точка» 122
4.4 Требования к приемопередатчику СВ-КВ диапазонов, обеспечивающему работу в режиме дуплексной связи с временным разделением каналов приема и передачи 132
4.5 Применение способа дуплексной связи в транкинговой системе связи СВ диапазона 138
Заключение 140
Литература
- Расчет напряженности поля сигнала в точке приема
- Анализ возможности реализации режима дуплексной радиотелефонной связи с временным разделением каналов приема и передачи в СВ радиоканале
- Методика имитационного моделирования систем передачи информации
- Трассовые испытания макета системы связи поверхностной волны, укомплектованной штыревыми мобильными антеннами, обеспечивающими работу на стоянке транспортного средства
Введение к работе
Актуальность темы
Важным фактором экономического развития малонаселенных территорий Крайнего Севера, к которым относится значительная часть территории Российской Федерации, является создание современной телекоммуникационной инфраструктуры. Актуальность данных работ подчёркнута в Федеральном законе № 78-ФЗ "Об основах государственного регулирования социально-экономического развития Севера Российской Федерации".
Как известно, на территориях с достаточно высокой плотностью населения целесообразно использование систем сотовой связи ультракоротковолнового (УКВ) диапазона. Для регионов с низкой плотностью населения развёртывание данных систем экономически не выгодно в силу длительных сроков окупаемости. Радиоканалы того же УКВ диапазона частот эксплуатируют спутниковые системы связи, позволяющие решать задачи практически глобального территориального покрытия. Но и эти системы достаточно дороги, прежде всего, из-за отсутствия возможности покрытия Северных территорий с геостационарных орбит и необходимости использования относительно большого числа пролётных спутников.
В связи с этим, представляется целесообразным рассмотрение возможностей радиоканалов других диапазонов частот, которые могли бы применяться в корпоративных сетях загоризонтной связи и позволяли в силу физических особенностей их распространения поверхностной волной обеспечить существенно бльшую площадь зоны обслуживания, например, по сравнению с УКВ транкинговыми системами связи (ТСС). В качестве таких радиоканалов были исследованы каналы средневолнового (СВ) диапазона.
В основу работы положены результаты исследований, полученные Л.М. Финком, Д.Д. Кловским, Д. Миддлтоном, К. Феером, Д.Д. Прокисом, О.В. Головиным, В.Ф. Комаровичем, В.А. Ивановым, Е.А. Хмельницким, В.Л. Хазаном, М.П. Долухановым, В.Д. Челышевым, У.К. Джейксом, В.С. Семенихиным, И.М. Пышкиным, Ю.А. Громаковым, М.М. Маковеевой, Ю.С. Шинаковым, В.П. Ипатовым и другими отечественными и зарубежными учеными.
Малая канальная ёмкость, повышенный уровень шумов и помех, а при ионосферном распространении дополнительно - замирания и многолучевость, являются факторами, сдерживающими применение СВ радиоканалов в системах транкинговой связи. Передача сообщений с использованием СВ радиоканалов в техническом плане достаточно хорошо решается для организации радиосвязи между стационарно расположенными радиоузлами и в меньшей степени для мобильных узлов радиосвязи. Организация связи во время движения неизбежно наталкивается на проблемы, связанные с ограничениями по мощности передатчиков подвижных объектов и габаритам передающих (обычно проволочных) антенн, которые должны быть расположены непосредственно на подвижном объекте, а также низкой эффективности для данного диапазона частот такого рода антенн. Нерешенными до сих пор также являются проблемы реализации дуплексной передачи речи для указанных диапазонов. Недостаточно совершенными нужно признать и методики расчёта зон обслуживания таких систем. Исходя из этого и были сформулированы цели и задачи, решаемые в настоящей работе.
Цель работы
Исследование методов построения СВ радиоканалов для корпоративных систем связи с мобильной базовой станцией, обеспечивающих увеличенную зону обслуживания.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Теоретическое исследование зависимости размеров зоны обслуживания корпоративных системы связи от основных влияющих факторов при использовании СВ радиоканалов передачи информации.
2. Экспериментальные исследования обеспечиваемой СВ радиоканалом дальности связи радиосистем при использовании мобильных антенн.
3. Исследование вариантов технической реализации дуплексных средневолновых радиоканалов для систем связи с мобильной базовой станцией.
4. Разработка методов имитационного моделирования дуплексного режима работы транкинговых систем связи СВ диапазона и обоснование, с их помощью, характеристик канала связи, работающего в таком режиме.
Методы исследования
В диссертационной работе приведены результаты исследований, полученные с использованием методов статистической радиотехники, теории потенциальной помехоустойчивости, теории распространения радиоволн, математической статистики, имитационного моделирования. Математическое моделирование и вычислительные эксперименты проведены с использованием оригинальных программ, разработанных непосредственно автором или под его руководством, и пакетов программ МАТLАВ, PropWiz 1.7, ASAPS 5, MMANA.
Приведенные в работе результаты экспериментальных исследований дальности связи поверхностной волной получены при участии автора в трассовых испытаниях малогабаритных антенн СВ диапазона.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:
-
Получены результаты теоретических и экспериментальных исследований предельной дальности связи, обеспечиваемой поверхностной волной в СВ радиоканале, при использовании мобильных антенн.
-
Разработан и исследован способ дуплексной телефонной связи, обеспечивающий прием и передачу информации на одной рабочей частоте в трансиверном режиме работы радиостанции.
-
Предложена имитационная модель дуплексного канала связи с временным уплотнением и с её помощью получены результаты исследования характеристик дуплексного режима работы системы связи СВ диапазона.
-
Разработаны основные научно-технические положения, обеспечивающие построение систем связи с мобильной базовой станцией с увеличенной зоной обслуживания на основе использования СВ радиоканалов.
Достоверность полученных результатов
Достоверность данных полученных аналитическим путём подтверждена результатами имитационного моделирования и экспериментальных исследований. Достоверность результатов имитационного моделирования обеспечивается корректным использованием исходных данных, а также строгой математической обработкой результатов моделирования. Достоверность результатов экспериментальных исследований обеспечивается применением поверенного оборудования и апробированных методов проведения экспериментов.
Положения, выносимые на защиту:
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований предельной дальности связи, обеспечиваемой поверхностной волной в СВ радиоканале, при использовании мобильных антенн.
-
Способ дуплексной телефонной связи, обеспечивающий прием и передачу информации на одной рабочей частоте в трансиверном режиме работы радиостанции и пути его реализации в СВ и КВ радиоканалах.
-
Имитационная модель дуплексного канала связи с временным уплотнением и полученные с её помощью результаты исследования характеристик дуплексного режима работы системы связи СВ диапазона.
-
Основные научно-технические положения, обеспечивающие построение корпоративной системы связи с мобильной базовой станцией с увеличенной зоной обслуживания на основе применения СВ радиоканалов.
Практическая ценность работы
Применение рассматриваемых в данной работе СВ радиоканалов для создания корпоративных систем связи позволяет значительно увеличить радиус их зоны обслуживания, а также реализовать мобильную базовую станцию, обеспечивающую работу в процессе её движения. Использование таких радиоканалов для передачи информации целесообразно в малонаселенных районах с неразвитой инфраструктурой, на этапе начального освоения территорий, а также в случаях, когда применение проводных линий связи, и радиоканалов УКВ диапазона оказывается экономически неэффективным. Результаты проведённых исследований могут быть полезны работникам нефтегазового комплекса, дорожно-строительных служб, МЧС, пограничной службе и др. корпоративным структурам, ведущим хозяйственную деятельность в малонаселённых районах РФ.
Представленные в работе результаты теоретических и экспериментальных исследований дальности связи реализуемой СВ радиостанциями, снабженными малогабаритными резонансными антеннами могут быть полезны при разработке носимых и возимых радиостанций, трансиверов и радиосистем СВ диапазона, работающих в движении (на ходу) с использованием поверхностных волн.
Результаты работы были использованы в ОАО «Омский НИИ приборостроения» при проектировании приемных и приемопередающих мобильных радиоузлов, способ дуплексной связи внедрен при проведении инициативной ОКР «Транк-ОНИИП», методика расчета и разработанное программное обеспечение для расчета радиуса зоны обслуживания системы связи поверхностной волны применялись в ходе выполнения НИР «Набат» и НИОКР «Сажень», что подтверждено соответствующими актами внедрения.
Апробация работы
Основные результаты по теме диссертационного исследования докладывались на:
научно-технической конференции «Направления развития систем и средств радиосвязи» (г. Воронеж, 1996);
1-ой и 2-ой международной научно-практической конференции «Информационные технологии и радиосети» (г. Омск, 1996 г. и 2000 г.);
технологическом конгрессе «Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения» (г. Омск, 2001 г.);
VIII и IХ международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация и связь» (г. Воронеж в 2002 г. и 2003 г.);
V международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (г. Омск, 2004 г.);
III Российской научно-технической конференции «Новые информационные технологии в связи и управлении» (г. Калуга, 2004 г.);
5-й Всероссийской научной конференции «Проблемы развития системы специальной связи и специального информационного обеспечения государственного управления России» (г. Орел, 2007 г.);
69-й международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров «Какой автомобиль нужен России» (г. Омск, 2010 г.);
научно-технической конференции «Комплексная система безопасности на транспорте» (Москва, 2010 г.);
региональной научно-практической конференции «Наука, образование, бизнес» (Омск, 2011 г.);
международной научно-технической конференции «Радиотехника, электроника и связь», (Омск, 2011 г.),
а также неоднократно обсуждались на заседаниях научно-технического совета ОАО «ОНИИП» и семинарах научно-исследовательской лаборатории научно-технического комплекса № 4 ОАО «ОНИИП».
Публикации
По теме диссертации опубликовано 28 печатных работ, в том числе 3 статьи в научно-технических изданиях, рекомендованных ВАК, 10 статей в других научно-технических сборниках и журналах, 6 полнотекстовых докладов и 4 публикаций в виде тезисов докладов в сборниках трудов научно-технических конференций; получено 5 патентов и авторских свидетельств на изобретение.
Структура и объем работы
Диссертация изложена на 153 страницах, содержит 46 рисунков и 18 таблиц. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, состоящего из 130 источников, и приложения.
Расчет напряженности поля сигнала в точке приема
Первым шагом описанного выше алгоритма является определение напряженности поля поверхностной волны в точке приема. Далее рассматриваются методики расчета напряженности поля и их применимость для определения размера зоны обслуживания системы связи, работающей поверхностной волной.
Кривые распространения поверхностной волны представлены в рекомендациях МККР № 368 [69] для частот ниже 10 МГц для подстилающих поверхностей с различными электрическими свойствами, задаваемыми парой параметров - относительной диэлектрической проницаемостью почвы (є) и удельной электрической проводимостью почвы (а), выражаемой в См/м. Кривые рассчитаны для вертикальной антенны длиной короче Ул длины волны, излучающей мощность 1 кВт, помещенной на поверхности земли.
Для излучаемой мощности, отличной от 1 кВт, и произвольной передающей антенны напряженность поля в точке приема определяется из формулы Ec-E c-(P[KBmyD]) - Е с-(РфВт]-гіфі-Gai) . (\Л) где E c — напряженность поля найденная по кривым распространения поверхностной волны из рекомендаций МККР 368.
Однако, графический способ представления информации, имеет, как известно, существенные ограничения, затрудняющие использование этих данных при решении практически значимых задач. Кроме того, указанные семейства кривых приведены только для отдельных видов подстилающих поверхностей: море (є=81, а=4) и суша с параметрами (є=4, а=3-10 ), (є=4, с=10" ), (є=4, а=3-10") и (є=4, о=10" ). Кривые представлены для ограниченного ряда частот. Анализ кривых распространения [69] показывает, что кривые не охватывают все виды подстилающих поверхностей, например, такие как песок и сухая почва (о 10"4 + 10"5), снег (а 10 6).
Существующий уровень развития и распространения средств вычислительной техники позволяет уйти от «ручного» анализа графической информации, заменив его прямыми вычислениями требуемых характеристик.
Далее в разделе 1.1 рассматривается методики расчета напряженности поля по формулам Шулейкина - ван-дер-Поля и по дифракционным формулам Фока, позволяющие решить данную задачу.
Несмотря на подробное изложение методик расчёта Шулейкина - ван-дер-Поля и Фока в работах [26, 71, 81, 83, 94 и ряде других] ниже приведены основные формулы, послужившие теоретической основой при разработке программного обеспечения для проведения расчётов напряжённости поля в точке приёма.
Величина напряженности поля в точке приема Ес при распространении радиоволн поверхностными волнами может быть определена по формуле: c = 245j f=24SyW мв/м (i2) Г[км] Г[км] где Р - излучаемая мощность, кВт; Рп - мощность передатчика, кВт; Ga\ - коэффициент усиления передающей антенны; D\ - коэффициент направленного действия передающей антенны; г\ф\ -к.п.д. фидера передающей антенны; г - расстояние между передающей и приемной антеннами, км; F - множитель ослабления, учитывающий поглощение почвы. В соответствие с формулами Шулейкина - Ван-дер-Поля множитель ослабления F является функцией безразмерного параметра х - «численного расстояния», которое определяется по формуле: _пг_ уІ(є-\)2+(60Яа)2 Х Я (є)2+(60Л(т)2 0.3) где X - длина волны; є - относительная диэлектрическая проницаемость почвы; а - удельная электрическая проводимость почвы, выражаемая в См/м. С достаточной для практики точностью расчет множителя ослабления F в формуле для расстояний прямой видимости и расстояний, соответствующих зоне полутени, проводят в соответствии с приближенной формулой F=r 2 + 0 3х (1.4) 2 + JC + 0,6JC2 Множитель ослабления является функцией электрических параметров почвы (є и о-) и определяет потери мощности распространяющейся поверхностной волны в поверхности земли.
Анализ выражений (1.3) и (1.4) показывает, что величина множителя ослабления F для хорошо проводящих подстилающих поверхностей, например, морская вода, приближается к 1, а для плохо проводящих подстилающих поверхностей, например, сухая почва, снег, значение F приближается к 0.
Описанная выше методика расчета является приближением «плоской земли» и справедлива для зоны прямой видимости. При расчете для зон полутени и тени методика дает ошибку, увеличивающуюся с увеличением расстояния до передатчика. В [94] дана формула, определяющая расстояние до передатчика, при котором ошибка расчета напряженности поля в приближении плоской земли не превысит 10%. i-iji{ [юн] - " v "[ ] (1-5) Расстояния, рассчитанные в соответствии с формулой (1.5) для ряда частот диапазона (1 +- 10) МГц представлены в таблице 1.2. Таблица 1.2. Расстояние до передатчика, при котором ошибка расчета напряженности поля в поиближении плоской земли не ппевысит 10%. /,МГц 1 3 6 10 Л, м 300 100 50 30 г, км 46,86 32,49 25,79 21,75 Необходимо заметить, что в [26] даются несколько иные оценки дальности радиолиний, для расчёта характеристик которых может применяться методика Шулейкина — Ван-дер-Поля. Так что вопрос о границах применимости данной методики до сих пор является дискуссионным.
Анализ возможности реализации режима дуплексной радиотелефонной связи с временным разделением каналов приема и передачи в СВ радиоканале
Симплексный вид работы систем радиосвязи, обычно применяемый для связи в KB, СВ и более низкочастотных диапазонах, требует для периодической смены направления передачи информации синхронного и обратного (противофазного) переключения радиостанций, участвующих в обмене, из режима передачи в режим приема и наоборот. Недостатки симплексного вида работы (необходимость периодического нажатия на тангенту при ведении радиотелефонной связи, влияние человеческого фактора, в результате которого может нарушаться синхронность переключения радиостанций, невозможность прослушивания другого корреспондента и его окружения в периоды времени, когда его радиостанция находится в режиме приема, а также, невозможность передачи срочного сообщения корреспонденту, когда его радиостанция находится в режиме передачи) обусловили появление множества предложений по его совершенствованию, в которых делались попытки частичного решения проблемы. На практике, однако, эти предложения распространения не нашли.
Дуплексная передача речи, широко применяемая в ОВЧ/УВЧ радиостанциях, ставшая привычной благодаря сотовым и транкинговым системам связи, в KB и СВ диапазонах пока не нашла широкого применения из-за сложности её реализации, в частности из-за мешающего влияния на приемник собственного передатчика. Дуплексный речевой обмен, обеспечивающий непрерывный аудиоконтакт корреспондентов друг с другом, по сравнению с симплексным режимом работы является более комфортным, а в ряде приложений - необходимым, либо крайне желательным. Рассмотрим кратко методы реализации дуплексной радиосвязи в СВ и KB диапазонах.
Традиционно для обеспечения дуплексной работы организуются два канала с дуплексным разносом несущей частоты, реализующих передачу сигнала в противоположных направлениях. В ДКМ и более низкочастотных системах связи для устранения вредного воздействия передатчика на собственный приемник и реализации дуплексного режима работы помимо частотного разнесения используется либо пространственное разнесение приемного и передающего фрагментов радиоузла, либо пространственное разнесение приемной и передающей антенн для совмещенного радиоузла или радиостанции.
Наиболее эффективным, но затратным является пространственное разнесение (на расстояние от единиц до десятков километров) приемника и передатчика, объединение их линией связи и единой системой управления. Примерами стационарных радиоузлов с пространственным разнесением приемного и передающего центров могут служить: стационарный KB ретранслятор в монографии О.В. Головина [21]; стационарный береговой KB радиоузел, представленный в работе [1]. Примерами мобильных KB радиоузлов с пространственным разнесением приемных и передающих аппаратных могут служить мобильные автоматизированные радиоузлы, разработанные при участии автора [51, 52]. Связь приемных и передающих мобильных аппаратных осуществляется по радиорелейным линиям связи. Управление мобильными радиоузлами обеспечивается от аппаратной управления для радиоузла [51], либо от приемной аппаратной - для радиоузла [52].
Применение пространственного разнесения полностью решает проблемы дуплексного обмена, при этом каналы передачи и приема должны размещаться на разных частотах, но требования к величине дуплексного разнесения по частоте между ними не предъявляются. Очевидно, что метод пространственного разнесения приемного и передающего фрагментов KB радиоузла ввиду его технической сложности и высокой стоимости реализации приемлем только для многоканальных радиоузлов с передатчиками большой мощности.
Другим методом реализации дуплексного обмена является пространственное разнесение приемных и передающих антенн в совмещенных приемопередающих радиоузлах. В ряде случаев возможности пространственного разнесения на расстояния в единицы или десятки километров приемного и передающего фрагментов радиоузла отсутствуют [1], например, при размещении радиоузла на корабле, самолете, автомобиле, крыше здания. При этом, как правило, возможности разнесения приемных и передающих антенн также ограничены. Подключение приемника и передатчика ДКМ радиостанции на разные антенны с их разнесением на 100 - 200 м позволяет увеличить «изоляцию» приемного тракта от передающего на 30 - 50 дБ, что дает возможность реализовать дуплексный режим работы при использовании приемников с повышенной избирательностью, разнесении частот приема и передачи не менее 10% номинального значения и выполнении жестких требований к передатчику по величине внеполосных излучений. В Омском НИИ приборостроения при участии автора в качестве зам. главного конструктора разработана мобильная приемопередающая аппаратная на базе шасси КАМАЗ, включающая в своем составе KB приемники с повышенной избирательностью (12 каналов приема) и два передатчика мощностью 1 кВт каждый. Дуплексная работа приемников и передатчиков достигается за счет пространственного разнесения приемных и передающих антенн на расстояние 100 - 150 м. Разработка совмещенной приемопередающей аппаратной является существенным шагом вперёд, т.к. при этом достигается значительное снижение стоимости радиоузла, по сравнению с территориально разделенным, уменьшение необходимого количества транспортной техники, обслуживающего персонала, уменьшение времени развертывания и свертывания и др. Недостатком совмещенных радиоузлов с разнесёнными приемными и передающими антеннами является выпадение из обмена области частот, обеспечивающей дуплексный разнос частот приемных и передающих каналов, составляющей порядка 10% номинала рабочей частоты, т.е. значительную часть диапазона ОРЧ.
Работа приемника и передатчика радиостанции на одну антенну с использованием дуплексного фильтра, как это реализуется в ОВЧ и более высокочастотных диапазонах, в СВ и KB диапазонах частот не применяется из за невозможности организовать достаточный дуплексный разнос частот приема и передачи, невозможности применения эффективных объемных резонаторов.
Невозможность обеспечить одновременные прием и передачу на одну антенну при частотном разнесении не позволяет реализовать дуплексный режим обмена в СВ и KB диапазонах частот в портативных радиостанциях (1...20 Вт) и в работающих на ходу мобильных радиостанциях (10...200 Вт), что значительно сокращает область применения режима дуплексного обмена.
Рассмотрим реализацию дуплексного обмена в транкинговых системах связи УКВ диапазона.
В транкинговых системах связи с аналоговой передачей речи (стандарты МРТ1327, SmarTrunk, LTR, Smartnet и др.) основной режим работы абонентских радиостанций - двухчастотный симплекс, при этом на базовой станции используются дуплексные радиостанции-ретрансляторы [76]. Между тем, в ТСС перечисленных стандартов предусмотрена возможность обеспечения дуплексной связи. В этом случае используют более дорогие дуплексные абонентские радиостанции (реализация дуплексных абонентских радиостанций возможна на частотах порядка 150 МГц и выше). Кроме того, для обеспечения дуплексной связи двух абонентов друг с другом необходимо выделение на базовой станции вместо одного транкингового канала, включающего разнесенные по частоте канал передачи и канал приема, двух транкинговых каналов, т.е. использования дополнительного ретранслятора. Необходимо отметить, что перечисленные аналоговые транкинговые системы связи ориентированы на работу в диапазонах частот ОВЧ/УВЧ - 150 МГц и выше, хотя известны примеры создания систем SmarTrunk в диапазоне 33-48 МГц [77]. Транкинговые системы указанных выше протоколов могут быть реализованы и в СВ диапазоне радиоволн, однако при этом потребуются более габаритные антенны на базовой станции и значительно больший пространственный разнос приемных и передающих антенн для обеспечения дуплексной работы базовой станции.
Методика имитационного моделирования систем передачи информации
Как видно из (3.9), принимаемый сигнал состоит из суммы переменных во времени векторов, имеющих амплитуды а„(0 и фазы 9„(/). Анализ выражения (3.9) показывает, что 0„(О будет меняться на 2тс радиан, когда т„ изменится на 1//с, т.е. при относительно малых изменениях в среде. Поскольку задержки х„(0, связанные с различными путями сигналов, изменяются с различной скоростью и случайным образом, то принимаемый сигнал r,(t) можно моделировать случайным процессом, а при большом числе лучей (согласно предельной теореме теории вероятностей) - гауссовским случайным процессом.
В настоящее время общепринятой стохастической моделью «многолучевого» радиоканала, имеющей наглядную физическую интерпретацию, является общая гауссовская модель, согласно которой квадратурные компоненты в і -м луче являются гауссовскими случайными процессами. Четырехпараметрическая гауссовская модель многолучевого канала была разработана Д.Д. Кловским и его учениками [41, 43, 59]. Одномерные распределения амплитуд У, =Л]ХІ + , и фаз Щ — arctg ./xt,) в этом случае называют четырёхпараметрическими, поскольку они зависят от четырёх параметров mxi 5 myi у 7xi уу1. Бимодальное распределение, распределения Раиса и Релея являются частными случаями 4-параметрического распределения, а т - распределение Накагами для амплитуд сигнала можно считать аппроксимацией 4-параметрического распределения Кловского [41].
В.Л. Хазаном на базе гауссовской модели разработаны имитационно-аналитические и имитационные модели декаметрового канала связи [28, 88-90], элементы которых далее используются в настоящей работе. В модели Хазана дополнительно вводятся параметры: коэффициенты автокорреляции первообразующих случайных процессов, формируемых для получения квадратур и коэффициент взаимной корреляции первообразующих процессов. Коэффициенты автокорреляции определяют среднюю скорость замираний в канале.
Введение коэффициента взаимной корреляции позволяет дополнительно имитировать случайные замирания сигнала с распределением, соответствующим одностороннему нормальному закону и ряду промежуточных распределений между релеевским и односторонним нормальным законом. Кроме того, указанные модели за счет задания параметров не только быстрых, но и медленных замираний (задаются мат. ожидание и СКО логнормального процесса), позволяют получать в процессе имитационных экспериментов не только помехоустойчивость исследуемой системы, но и такие интегральные оценки как надежность связи, коэффициент исправного действия.
Использование моделей и имитаторов радиоканала, при разработке и тестировании радиоаппаратуры позволяет существенно снизить потребность в проведении реальных испытаний на трассе и таким образом снизить временные и финансовые затраты. Дополнительным достоинством имитатора является возможность задания повторяемых искажений заданного вида и уровня, что позволяет сравнивать характеристики аппаратуры, проверенной в разное время и в разных местах. Вопросы разработки имитаторов ионосферного KB канала, рассмотрены в Рекомендациях Сектора радиосвязи Международного телекоммуникационного союза (ITU-R): ITU-R F.520, и ITU-R F.1487. Первый документ (ITU-R F.520), вышедший в 1978 г. и прошедший в дальнейшем несколько переизданий (ITU-R F.520-2), содержит рекомендации по имитации KB каналов с полосами 3 и 6 кГц, второй (ITU-R F.1487) - радиоканалов с полосой до 12 кГц. В обоих документах для математического описания радиоканала предлагается использовать фрагментированную Гауссовскую модель, известную как модель Ваттерсона (Watterson). Структурная схема модели представлена на рис.
Входной сигнал подаётся на линию задержки. Выходы линии задержки перемножаются с значениями весовой (передаточной) функции G(t), чем моделируется наличие многолучёвости, замираний сигнала и доплеровского сдвига частоты. Все получаемые таким образом компоненты сигналы суммируются. Добавляются помехи, которые состоят из шумов (индустриальных, атмосферных и пр.) и интерференционных сигналов (сигналов других станций). Сформированный таким образом выходной сигнал имитирует сигнал, прошедший через ионосферу (входной сигнал, с внесёнными в него искажениями).
Функция G((t) определяет изменение во времени коэффициента передачи i-го луча и задаётся следующим образом:
Gi{t)=Gia(t)Qxp(j2KViJ)+ Gib{t)exp(j2KVibt) (ЗЛ1) где, индексы а и b соответствуют двум магнито-ионным компонентам сигнала, которые могут, в общем случае, присутствовать в каждой моде сигнала (IE, IF и т.п.); Gia(t) и Gib{i) - функции двух независимых комплексных вероятностных иауссовских процессов, каждый с нулевыми средними величинами и независимыми действительными и мнимыми компонентами с равным дисперсиями, которые имитируют релеевские замирания. Экспоненциальные функции в уравнении (3.11) включаются, чтобы обеспечить необходимую частоту допплеровского смещения, via и Vib, Для магнито-ионных компонент в спектре сигнала.
Трассовые испытания макета системы связи поверхностной волны, укомплектованной штыревыми мобильными антеннами, обеспечивающими работу на стоянке транспортного средства
В 1999 году специалистами Омского НИИ приборостроения были проведены экспериментальные работы с целью определения предельной дальности радиосвязи, обеспечиваемой системой связи поверхностных волн в диапазоне частот 1,5...8 МГц [123]. В испытаниях использовалась система СВ-КВ радиосвязи, состоящая из стационарного и подвижного радиоузлов, укомплектованных однотипными передающими (200 Вт) и приемными устройствами, а также штыревыми приемопередающими антеннами высотой 25 м и 12,5 м соответственно. В ходе испытаний проводились двухсторонние сеансы связи при различных удалениях от стационарного радиоузла с определением уровня принятых сигналов, уровня шумов и качества связи в телефонном (J3E) и телеграфном (F1B) классах излучения. Результаты измерений разборчивости речевой информации в телефонном канале и качества принятых телеграфных сообщений приведены в табл. 4.1. Как видно из таблицы, максимальная дальность связи обеспечивается для частот менее 3 МГц. Характеристики принимаемого в процессе испытаний сигнала свидетельствуют о том, что имеет место передача сигнала посредством поверхностной волны. Таким образом, в ходе экспериментальных работ, была показана возможность организации надежной СВ-КВ радиосвязи на радиолиниях поверхностной волны до 100-200 км. Радиосвязь поверхностной волной на коротких радиолиниях, как уже отмечалось выше, имеет ряд преимуществ по сравнению с ионосферной радиосвязью (отсутствие многолу 112
Длина трассы, км Рабочаячастота,МГц Разборчивостьречи,% Качество телеграфного сообщения, % чевости и замираний сигнала, отсутствие зависимости от гелиофизических факторов, лучшее качество принятого сигнала, существенно более низкие пороговые отношения сигнал/помеха).
Условия проведенных испытаний соответствуют условиям связи стационарной базовой станцией с мобильной абонентской станцией, обеспечивающей работу на стоянке (предусматривается развертывание приемопередающих антенн с использованием легких мобильных мачт). Проведенные испытания подтвердили возможность организации устойчивой связи по поверхностной волне базовой и мобильной радиостанций на расстояниях до 200 км, на частотах 1.5-3 МГц, при мощности передатчика 200
Вт и при использовании мобильных штыревых антенн «Штырь 25 м» и «Штырь 12 м», обеспечивающих работу на стоянке транспортного средства после их развертывания.
Сроки проведения натурных экспериментов не позволили накопить статистически значимого объема данных для оценки мешающего влияния ионосферной волны на работу радиолинии, а также определить условия, при которых использование в качестве переносчика сигнала поверхностной волны более предпочтительно. Теоретический анализ взаимного влияния поверхностной и ионосферной волны дан в работах [30] и [113] и представлен в разделе 1.4. Проведенные вычислительные эксперименты по определению напряженности поля поверхностной и ионосферной волны на различном удалении от передатчика при использовании мобильных штыревых антенн «Штырь 25 м» и «Штырь 12 м» показали, что на расстояниях до 150 км практически во всех случаях преобладают поверхностные волны.
В течение 2010 г. и первой половины 2011 г. проводились испытания малогабаритных вибраторных антенн СВ диапазона, разработанных учеными Омского государственного технического университета. Испытания проводились с участием специалистов ОАО «ОНИИП», ОмГТУ и НПООО «КВ-Связь». Разработка антенн была ориентирована на их последующее использование в портативных и мобильных радиостанциях СВ диапазона радиоволн. В целом испытания показали высокую эффективность разработанных антенн по сравнению с короткими штыревыми антеннами, которыми комплектуются портативные и мобильные радиостанции указанных диапазонов. Кратко приведём основные результаты испытаний.
Были проведены измерения основных параметров малогабаритной вибраторной антенны. В протоколе № 4 [125] представлены результаты проведенных измерений действующей длины (Ьд ср = 0,618 м) и коэффициента усиления антенны (КУср = - 34,6 дБи). Измерения проводились по утвержденной методике, представленной в протоколе, с использованием измерительного комплекса напряженности поля FMA 11. В протоколе № 11 [126] представлены результаты проведенных измерений добротности антенны. На частоте 3750 кГц измеренная добротность составила 25 (полоса пропускания 150 кГц), на частоте 1850 кГц добротность составила 75 (полоса пропускания 24 кГц).
В протоколе 3 [1244] представлены результаты трассовых испытаний трех вариантов малогабаритной вибраторной антенны, настроенных на частоты 1850 кГц, 4028 кГц и 8398 кГц соответственно.
В процессе испытаний аппаратура располагалась в двух точках «Север» и «Юг». 1-ая точка «Юг» - стационарная, на северной границе города. 2-ая точка «Север» - мобильная, передвигалась на север относительно 1-ой точки с остановками на расстояниях 10, 20, 40 и 50 км от 1-ой точки (расстояние контролировалось по GPS навигатору). Па остановках проводились сеансы связи на частотах 1853 кГц, 4028 кГц и 8398 кГц, в процессе которых оценивалось качество передачи речевого и тонального сигналов. При проведении сеансов связи на обоих концах радиолинии телескопические удлинители выдвигались на максимальную длину (1,5 м). Связь осуществлялась в режиме J3E в верхней боковой полосе и в режиме А1А (амплитудной телеграфии). Оценка качества речевой связи проводилась по 6-ти бальной системе: «5+» - обеспечивается 100% разборчивость и шум не слышен, «5» - 100% разборчивость речи, прослушиваются слабые шумы, «4» - близкая к 100% разборчивость, голос слышен па фоне шума, «3» - разборчивость фраз при переспросе отдельных слов, «2» - сигнал слышен, но попять собеседника невозможно, «1» - в режиме телефонии сигнал не слышен.
