Радиорелейная связь (РРЛ) – вид радиосвязи, образующийся в результате работы цепочки принимающих и передающих радиостанций. Наземная радиорелейная связь функционирует на миллиметровых, сантиметровых и дециметровых волнах. РРЛ-сети играют важную роль в сотовой связи, поскольку позволяют передавать очень большие объемы трафика при минимальных затратах. В будущем эта технология способна покрыть потребности сотовых операторов в пропускной способности на все 100%, а значит обеспечить качественную работу множества различных услуг и приложений, подключение к интернету устройств и вещей.
Возможности РРЛ
Главное преимущество РРЛ связано с возможностью увеличить пропускную способность как backhaul-, так и fronthaul-сетей. РРЛ позволяет использовать сразу несколько частотных диапазонов и таким образом увеличить емкость сети при минимальных расходах. Например, используя частоты в диапазоне E-band (70/80 ГГц), можно увеличить пропускную способность в семь раз и при этом разгрузить традиционные для сотовой связи частоты. Это имеет большое значение в свете запуска в коммерческую эксплуатацию сетей пятого поколения (5G), запланированного на 2020 год.
Для модернизации существующих сетей в процессе развертывания 5G будет использоваться комбинация технологий радиорелейной и оптоволоконной связи. Выбирая между РРЛ и оптоволокном как технологией развития транспортной сети, операторы принимают решение исходя из наличия оптоволокна в том или ином районе и стоимости владения сетью (показатель ТСО). «В России не везде можно и целесообразно прокладывать ВОЛС, поэтому мы не планируем отказываться от использования РРЛ. В каждом конкретном случае мы изучаем все возможные способы строительства и модернизации сети и выбираем тот, который является оптимальным», - поясняет представитель компании «МегаФон» Юлия Дорохина. Аналогичной стратегии придерживается Tele2. «Мы используем радиорелейное оборудование там, где это экономически целесообразно», - говорит представитель Tele2 Константин Прокшин.
Оптоволокно в силу надежности обеспечиваемых соединений все чаще применяется для государственных услуг и фиксированной связи, например, при развертывании FTTH-решений в домене доступа. РРЛ, в свою очередь, является основной технологией для соединения базовых станций, ее преимущества – быстрота, невысокая стоимость развертывания и серьезный рост пропускной способности. «Радиорелейная связь - это основной способ подключения базовых станций на нашей сети наряду с ВОЛС. Мы используем этот способ подключения сейчас и планируем использовать его в будущем. При этом мы строим ВОЛС до позиций в городах и на узловых позициях, что обеспечивает эффективную целевую архитектуру транспортной сети», -
комментирует директор по развитию сети ПАО «ВымпелКом» Сергей Кнышев.
По прогнозам Ericsson к 2020 году около 65% всех типов базовых станций в мире в качестве среды передачи будут использовать РРЛ (исключение составят Китай, Япония, Южная Корея и Тайвань, где высока степень проникновения оптического волокна). При этом активней всего будет осваиваться частотный диапазон E-band, на который в 2020 году будет приходиться около 20% вновь развертываемых РРЛ систем. К этому времени доля традиционных частотных диапазонов 6-42 ГГц составит 70% для вновь развертываемых РРС. Впрочем, популярность РРЛ будет сильно варьироваться от региона к региону. Например, в Северной Америке к 2020 году число подключенных через РРЛ базовых станций достигнет 20%, а в Индии этот показатель составит 70%. Столь существенная разница сложилась исторически и связана, в основном, со степенью зрелости телекоммуникационных рынков и доступностью услуг фиксированной связи.
Используемые частотные диапазоны
В настоящее время, для радиорелейной связи используется полоса шириной около 40 ГГц, однако она доступна целиком не во всех странах мира. В РРЛ выделяется 5 диапазонов, каждый из которых имеет свои характеристики:
6–13 ГГц Это низкие частотные диапазоны, они менее чувствительны к дождю, и по этой причине применяются в дождливых регионах на протяженных транзитных участках.
Пропускная способность в этом диапазоне ограничена, однако проблема решается агрегацией нескольких каналов. Чаще всего используется полоса 7 ГГц, менее популярны 6 ГГц и 8 ГГц. Что касается более высоких участков этого спектра, в большей части стран мира используется 13 ГГц, а в Северной Америке – 11 ГГц. Полоса 10 ГГц эксплуатируется в основном на Ближнем Востоке.
15–23 ГГц Эти частоты сейчас используются во многих странах мира, и они продолжат играть важную роль в ближайшие годы. С недавних пор в данных диапазонах используются более широкие каналы, и это при сочетании с технологиями, повышающими эффективность использования спектра, позволит увеличить пропускную способность сетей в будущем.
26–42 ГГц В этих диапазонах существуют как широко используемые частоты, так и не используемые вовсе. В Европе операторы активно работают в диапазоне 38 ГГц, и в дальнейшем ситуация не изменится. Также операторами занят диапазон 26 ГГц, и растет интерес к частотам в диапазонах 28 ГГц и 32 ГГц. Большие перспективы у частотных каналов шириной 56 МГц и 112 МГц, поскольку они способны обеспечить гигабитные скорости передачи данных.
60 ГГц Диапазон V-band (58,25-63,25 ГГц) идеально подходит для приложений малых сот, так как обеспечивает высокую пропускную способность из-за большой ширины каналов и низкий уровень интерференции из-за большого затухания. До настоящего времени диапазон 60 ГГц активно не использовался, поскольку уличные сети из малых сот не развертывались в больших масштабах. В ряде стран операторы уже начали строить РРЛ сети в этом диапазоне, однако в во многих уголках мира его статус остается неясным. Сейчас важно определиться с регулированием совместного использования данного диапазона, для того, чтобы операторы и разные службы не создавали помех для работы друг друга.
70/80 ГГц В последние годы растет число развертываний в диапазоне E-band, главным преимуществом которого является возможность обеспечить очень высокую пропускную способность. Эти частоты применяются для передачи данных на сравнительно короткое расстояние в 2-5км, однако этого достаточно для городских условий. Во многих странах существует упрощенный режим лицензирования в данном диапазоне, который стимулирует интерес к нему со стороны операторов.
«При новом строительстве достаточно популярным в городских условиях решением является использование оборудования нелицензионных диапазонов частот 60, 70/80 ГГц (V-band, E-band) в силу ряда факторов: относительная простота самого оборудования, оперативность, универсальность, уведомительных характер использования», - поясняет представитель компании «Ростелеком» Андрей Поляков.
«Мы используем самые современные типы оборудования РРЛ на базе IP и новые технологии: широкополосные РРЛ и РРЛ в высокочастотных диапазонах - Eband, Vband, которые обеспечивают большие скорости при использовании нелицензируемых диапазонов», - говорит директор по развитию сети ПАО «ВымпелКом» Сергей Кнышев.
На данный момент в диапазоне E-band оборудование РРЛ способно обеспечивать передачу данных на скорости до 5 Гбит/сек. В частности, с февраля этого года такие скорости доступны в сети египетского оператора Mobinil, входящего в Orange Group. Оператор использует системы Ericsson MINI-LINK 6352. «Ширина диапазона E-band обеспечивает высокую пропускную способность сети, - поясняет глава Ericsson в регионе Ближний Восток и Африка Рафия Ибрагим (Rafiah Ibrahim). - Использование систем MINI-LINK 6352 позволило улучшить LTE-покрытие и существенно увеличить скорость передачи данных в сети Mobinil».
В целом, каждый из пяти диапазонов радиорелейной связи имеет большой потенциал, для использования которого в полной мере требуется внести коррективы в законодательство. При использовании V- и Е-диапазонов и технологий XPIC, MIMO, а также антенн со сверхвысокой производительностью, таких как ETSI class 4, можно добиться более эффективного использования имеющегося частотного спектра и повысить пропускную способность сетей. «В традиционных диапазонах мы стали использовать адаптивную модуляцию, XPIC, и другие технологии, увеличивающие пропускную способность и надежность сети», - говорит Сергей Кнышев.
Кроме того, сейчас ведутся дискуссии об использовании диапазонов W-band (92-114,5 ГГц) и D-band (141–174,8 ГГц). В частности, компания Ericsson и Технический университет Чалмерса недавно продемонстрировали работу чипсета, обеспечивающего передачу данных на скорости 40 Гбит/сек в диапазоне 140 ГГц.
Перспективы РРЛ
Простота использования, быстрота развертывания и высокая пропускная способность сетей востребованы во всех отраслях промышленности. РРЛ используется в секторе ЖКХ для передачи трафика SCA DA, для которого важна высокая пропускная способность. Благодаря надежности и гибкости РРЛ применяется в работе государственных служб, в частности, полиции. Также РРЛ используется в корпоративных сетях в качестве технологии, дополняющей оптоволокно. Интернет-провайдеры применяют радиорелейную связь для оказания услуг домашним хозяйствам, поскольку такие сети строятся в короткие сроки и позволяют быстро начать получать доход от предоставления услуг доступа в интернет. РРЛ все чаще используется для трансляции эфирного телевидения, особенно больше значение данная технология приобрела в связи с переходом с аналогового на цифровое вещание. Кроме того, РРЛ применяется в создании мультисервисных сетей, в которых требуется обеспечить стабильность передачи и защиту данных.
«Сфера применения РРЛ трансформируется, всё более смещаясь в сегмент региональных и городских линий связи, а также в сегмент линий доступа. Традиционные магистральные РРЛ продолжают использоваться в основном в северных регионах, но постепенно их роль снижается в пользу оптических технологий там, где такая замена возможна и экономически целесообразна, - говорит представитель компании «Ростелеком» Андрей Поляков. - РРЛ, на мой взгляд, могут иметь перспективы развития в северных регионах с низкой плотностью населения и, соответственно, незначительным прогнозируемым ростом трафика, а также, в силу природных особенностей территорий (горы, вечная мерзлота, нестабильные грунты), удорожающих прокладку ВОЛП по сравнению со средней полосой РФ. Также РРЛ могут быть востребованы в местах, где прокладка ВОЛП практически невозможна- различные природоохранные территории и заповедники».
Варианты развертывания РРЛ-сетей
Существует множество вариантов развертывания радиорелейных сетей. При этом выбранный сценарий развертывания влияет на все аспекты работы, начиная от базовых станций и расходов на поддержание работы сети, заканчивая производительностью и возможностями для модернизации. Один из путей – пошаговое развертывание (hop-by-hop) по аналогии с коробками для пиццы с фиксированной конфигурацией, которая создается постепенно, исходя из текущих потребностей. Сетевые узлы при этом представляют из себя модули, что позволяет с легкостью расширять их, увеличивая пропускную способность. Ценность такого подхода - гарантия минимальной цены каждого шага и как следствие – наилучший показатель TCO. Недостаток данной модели заключается в том, что в итоге можно получить сеть, сплошь состоящую из оборудования разных вендоров.
Для того, чтобы в полной мере оценить преимущества концепции сетевых узлов, специалисты компании Ericsson изучили типичный сетевой кластер из узлов, состоящих из 109 транзитных сегментов, построенных на базе радиорелейного оборудования шести различных вендоров. При проектировании сети использовалась звездная топология, в которой центральный узел агрегирует весь трафик со всех узлов РРЛ. При этом для кластера был предусмотрен план модернизации, рассчитанный на пять лет и учитывающий поддержку растущего 3G- и 4G-трафика.
Было разработано три модели:
Пошаговая (hop-by-hop) модель,
Модель с использованием сетевых узлов,
Модель, комбинирующая оба варианта.
План развития сети состоял из следующих этапов:
Рост скорости передачи данных по сети 3G: 30 Мбит/сек в первый год с дальнейшим ростом на 10% в год;
Расширение сети 4G: 10 МГц в первый год, 10+10 МГц во второй и третий годы, 10+20 МГц в четвертый и пятый годы.
В результате проведенных исследований выяснилось, что использование сетевых узлов является наиболее эффективным и наименее затратным способом увеличения пропускной способности, при котором новый функционал внедряется шаг за шагом. После пяти лет использования сети, состоящей из узлов, затраты сократились на 40%. Это было достигнуто за счет повторного использования оборудования, обеспечивающего экономию на расходах, связанных с покупкой нового оборудования и комплектующих. В то же время, по мере развития сети пошаговая модель потребовала полной замены всего оборудования, а также апгрейда базовых станций и кабелей. Совместное использование коммутаторов, вентиляторов, блоков питания и процессоров позволило снизить потребление энергии и, следовательно, сократить расходы на оборудование при расширении существующих сайтов.
Модель на базе сетевых узлов обеспечила сокращение количества оборудования в три раза. Это привело к упрощению операций и процессов поддержки работы сети, что в конечном итоге вылилось в снижение трудозатрат и издержек. Также удалось добиться снижения затрат за счет сокращения времени, требующегося для решения проблем с производительностью и отказами оборудования. Кроме того, активно применялся апгрейд действующего оборудования, который также уменьшил возможные расходы. В придачу к этому сокращение количества элементов оборудования позволило улучшить процессы мониторинга и минимизировать время, требующееся для восстановления сети после отказов и время, необходимое для принятия мер для улучшения пользовательских характеристик.
Помимо всего перечисленного, в ходе испытаний специалисты Ericsson выяснили, что при применении модели с сетевыми узлами требуется в три раза меньшая площадь, чем при использовании пошаговой модели. Сокращение количества стоек при узловой модели позволяет сэкономить на покупке шкафов. Дело в том, что на многих сайтах расходы на шкафы и соответсвующую инфраструктуру могут превышать расходы на транспортное оборудование, а при строительстве сети на основе узлового подхода можно избежать этих расходов. Также при такой модели в пятилетней перспективе значительно сокращается показатель OPEX, поскольку установка меньшего количества оборудования требует меньше места, что ведет к уменьшению затрат на аренду и меньшему энергопотреблению.
Основные принципы радиорелейной связи
Структура радиорелейной системы передачи. Основные понятия и определения. Радиорелейный ствол. Многоствольные РРСП. Диапазоны частот, используемые для радиорелейной связи. Планы распределения частот.
Под радиорелейной связью понимают радиосвязь, основанную на ретрансляции радиосигналов дециметровых и более коротких волн станциями, расположенными на поверхности Земли. Совокупность технических средств и среды распространения радиоволн для обеспечения радиорелейной связи образует радиорелейную линию связи.
Земной называют радиоволну, распространяющуюся вблизи земной поверхности. Земные радиоволны короче 100 см хорошо распространяются только в пределах прямой видимости. Поэтому радиорелейную линию связи на большие расстояния строят в виде цепочки приемно-передающих радиорелейных станций (РРС), в которой соседние РРС размещают на расстоянии, обеспечивающем радиосвязь прямой видимости, и называют ее радиорелейной линией прямой видимости (РРЛ).
Рисунок 1.1 – К пояснению принципа построения РРЛ
Обобщенная структурная схема многоканальной РСП показана на рис. 1.3.
Рис. Обобщенная структурная схема многоканальной радиосистемы передачи:
1,7 - каналообразующее и групповое оборудование;
2,6 - соединительная линия;
3, 5 - оконечное оборудование ствола;
4 – радиоствол
Пролет (интервал) РРЛ - это расстояние между двумя ближайшими станциями.
Участок (секция) РРЛ - это расстояние между двумя ближайшими обслуживаемыми станциями (УРС или ОРС).
Каналообразующее и групповое оборудование обеспечивает формирование группового сигнала из множества подлежащих передаче первичных сигналов электросвязи (на передающем конце) и обратное преобразование группового сигнала в множество первичных сигналов (на приемном конце). Указанное оборудование располагается обычно на сетевых станциях и узлах коммутации первичной сети ЕАСС.
Станции РСП, в том числе те, на которых производятся выделение, введение и транзит передаваемых сигналов, как правило, территориально удалены от сетевых станций и узлов коммутации, поэтому в состав большинства РСП входят проводные соединительные линии.
Для формирования радиосигнала и передачи его на расстояние посредством радиоволн используются различные радиосистемы связи. Радиосистема связи представляет собой комплекс радиотехнического оборудования и других технических средств, предназначенный для организации радиосвязи в заданном диапазоне частот с использованием определенного механизма распространения радиоволн. Вместе со средой (трактом) распространения радиоволн радиосистема связи образует линейный тракт или ствол. Ствол РСП состоит из оконечного оборудования ствола и радиоствола. Оборудование ствола располагается на оконечных и ретрансляционных станциях.
В оконечном оборудовании ствола на передающем конце формируется линейный сигнал, состоящий из группового и вспомогательных служебных сигналов (сигналов служебной связи, пилот-сигналов и др.), которым модулируются высокочастотные колебания. На приемном конце производятся обратные операции: демодулируется высокочастотный радиосигнал и выделяются групповой, а также вспомогательные служебные сигналы. Оконечное оборудование ствола располагается на оконечных станциях РСП и на специальных ретрансляционных станциях.
Назначением радиоствола является передача модулированных радиосигналов на расстояние с помощью радиоволн. Радиоствол называется простым, если в его состав входят лишь две оконечные станции и один тракт распространения радиоволн, и составным, если помимо двух оконечных радиостанций он содержит одну или несколько ретрансляционных станций, обеспечивающих прием, преобразование, усиление и повторную передачу радиосигналов. Необходимость использования составных радиостволов обусловлена рядом факторов, основными из которых являются протяженность РСЦ, ее пропускная способность и механизм распространения радиоволн.
Структурная схема ствола двусторонней РСП изображена на рисунке
Рис. 1.4. Структурная схема ствола двусторонней радиосистемы передачи:
1 -конечное оборудование;
2 - передающее оборудование;
3 - приемное оборудовано;
4 -передатчик;
5 - приемник;
6 -фидерный тракт;
7 -антенна;
8 - тракт распространения радиоволн;
9 - помехи (внутрисистемные и внешние)
От оконечного передающего оборудования 2 ствола ^
1 на вход радиоствола поступает высокочастотный радиосигнал, модулированный линейным сигналом. В радиопередатчике 4
мощность радиосигнала увеличивается до номинального значения, а его частота преобразуется для переноса спектра в заданный диапазон частот. По фидерному тракту 6передаваемые радиосигналы направляются в антенну 7, которая обеспечивает излучение радиоволн в открытое пространство в нужном направлении. При этом в большинстве современных двусторонних РСП для передачи и приема радиосигналов противоположных направлений используется общий антенно-фидерный тракт. В открытом пространстве (тракте распространения 8)
радиоволны распространяются со скоростью, близкой к скорости света с=3*10 8 м/с. Часть энергии радиоволн, приходящих от радиостанции 1,
улавливается антенной 7, находящейся на оконечной радиостанции 2. Энергия принятого радиосигнала от антенны 7 по фидерному тракту 6
направляется в радиоприемник 5, где осуществляются частотная селекция принимаемых радиосигналов, обратное преобразование частоты и необходимое усиление. С выхода радиоствола принятый радиосигнал поступает на оконечное оборудование ствола 1.
Аналогично радиосигналы передаются в противоположном направлении от оконечной радиостанции 2 к радиостанции 1.
Как видно из рис. 1.4, радиоствол двусторонней РСП состоит из двух радиоканалов, каждый из которых обеспечивает передачу радиосигналов в одном направлении. Таким образом, оборудование радиоствола (включающее радиопередатчики, радиоприемники и антенно-фидерные тракты) является по сути дела оборудованием сопряжения оконечного оборудования ствола РСП с трактом распространения радиоволн.
Диапазоны частот
Планы распределения частот
Для работы РРЛ выделены полосы частот шириной 400 МГц в диапазоне 1.2 ГГц (1,7...2,1 ГГц), 500 МГц в диапазонах 4 (3,4... 3,9), 6 (5,67 ...6,17) и 8 (7,9... 8,4) ГГц и шириной 1 ГГц в диапазонах 11 и 13 ГГц и более высокочастотных. Эти полосы распределяют между ВЧ стволами радиорелейной системы по определенному плану, называемому планом распределения частот. Планы частот составляют так, чтобы обеспечить минимальные взаимные помехи между стволами, работающими на общую антенну.
В полосе 400 МГц может быть организовано 6, в полосе 500 МГц - 8 и в полосе 1 ГГц-12 дуплексных ВЧ стволов.
В плане частот (рис. 1.3) обычно указывают среднюю частоту f0. Частоты приема стволов располагают в одной половине выделенной полосы, а частоты передачи - в другой. При таком делении получают достаточно большую частоту сдвига, чем обеспечивают достаточную развязку между сигналами приема и передачи, поскольку РФ приема (или РФ передачи) будут работать только в половине всей полосы частот системы. При этом можно использовать общую антенну для приема и передачи сигналов. В случае необходимости получают дополнительную развязку между волнами приема и передачи в одной антенне за счет применения разной поляризации. На РРЛ используют волны с линейной поляризацией: вертикальной или горизонтальной. Применяют два варианта распределения поляризаций. В первом варианте на каждой ПРС и УРС происходит изменение поляризации так, что принимают и передают волны разной поляризации. Во втором варианте в направлении "туда" используют одну поляризацию волн, а в направлении "обратно"- другую.
Рисунок 1.3. План распределения частот для радиорелейной системы КУРС для станции типа НВ в диапазонах 4 (f0=3,6536), 6(f0=5,92) и 8(f0=8,157)
Станцию, на которой частоты приема расположены в нижней (Н) части выделенной полосы, а частоты передачи в верхней (В) - обозначают индексом "НВ". На следующей станции частота приема окажется выше частоты передачи и такую станцию обозначают индексом "ВН".
Для обратного направления связи данного ствола можно взять или ту же пару частот, что и для прямого, или другую. Соответственно говорят, что план частот позволяет организовать работу по двухчастотной (рис. 1.4) или четырехчастотной (рис. 1.5) системам. На этих рисунках через f1н, f1в,…f5н, f5в обозначены средние частоты стволов. Индексы частот соответствуют обозначениям стволов на рис. 1.3. При двухчастотной системе на ПРС и У PC для приема с противоположных направлений обязательно должна быть взята одинаковая частота. Антенна WA1 (рис. 1.4,а) будет принимать радиоволны на частоте f1н с двух направлений: главного А и обратного В. Радиоволна, приходящая с направления В, создает помеху. Степень ослабления этой помехи антенной зависит от защитных свойств антенны. Если антенна ослабляет волну обратного направления не менее, чем на 65 дБ по сравнению с волной, приходящей с главного направления, то такую антенну можно использовать при двухчастотной системе. Двухчастотная система имеет то преимущество, что позволяет в выделенной полосе частот организовать в 2 раза больше ВЧ стволов, чем четырехчастотная, однако она требует более дорогих антенн.
На магистральных РРЛ, как правило, применяют двухчастотные системы. В плане частот не предусмотрены защитные частотные интервалы между соседними стволами приема (передачи). Поэтому сигналы соседних стволов трудно разделить с помощью РФ. Чтобы избежать взаимных помех между соседними стволами, на одну антенну работают либо четные, либо нечетные стволы. В плане частот указывают минимальный частотный разнос между стволами приема и передачи, подключенными к одной антенне (98 МГц на рис. 1.3). Как правило, четные стволы используются на магистральных РРЛ, а нечетные - на ответвлениях от них. В таком случае частоты приема и передачи между стволами магистральной РРЛ распределяют согласно рис. 1.4,в, а между стволами зоновой РРЛ при четырехчастотной системе - согласно рис. 1.5,в.
На практике план частот, реализованный на РРЛ на основе двухчастотной (четырехчастотной) системы, называют двухчастотным (четырехчастотным) планом.
На РРЛ имеет место повторение частот передачи через пролет (см. рис. 1.1). При этом для того, чтобы снизить взаимные помехи между РРС, работающими на одинаковых частотах, станции располагают зигзагообразно относительно направления между оконечными пунктами (рис. 1.6). При нормальных условиях распространения сигнал от РРС1 на расстоянии в 150 км сильно ослаблен и практически не может быть принят на РРС4. Однако в отдельных случаях возникают благоприятные условия для era распространения. В целях надежного ослабления такой помехи используют направленные свойства антенн. На трассе между направлением максимального излучения передающей антенны РРС1,т. е. направлением на РРС2, и направлением на РРС4 (направление АС на рис. 1.6) предусматривают защитный угол изгиба трассы a1 в несколько градусов, так чтобы в направлении АС коэффициент усиления передающей антенны на РРС1 был достаточно мал.
Классификация РРС, состав оборудования оконечных станций. Состав оборудования и схемы построений промежуточных станций. Оборудование и особенности схемных построений узловых радиорелейных станций.
Разделение (уплотнение) каналов.
Виды радиосвязи
Лекция 4. Радиорелейные и тропосферные линии связи.
Радиосвязь по длинам волн разделяют на радиосвязь c применением ретрансляторов :
Радиорелейная связь,
Спутниковая связь,
Сотовая связь;
без применения ретрансляторов :
СДВ-связь,
ДВ-связь,
СВ-связь,
КВ-связь земной (поверхностной) волной,
КВ-связь ионосферной (пространственной) волной,
УКВ-связь,
Тропосферная связь.
Канал связи может быть:
симплексный - то есть допускающей передачу данных только в одном направлении(радиотрансляция, телевидение);
полудуплексный - поочерёдно ;
дуплексным - то есть допускающей передачу данных в обоих направлениях одновременно(телефон).
Создание нескольких каналов на одной линии связи обеспечивается с помощью разнесения их по частоте, времени, кодам, адресу, длине волны.
- частотное разделение каналов (ЧРК, FDM) - разделение каналов по частоте, каждому каналу выделяется определённый диапазон частот;
- временное разделение каналов (ВРК, TDM) - разделение каналов во времени, каждому каналу выделяется квант времени;
- кодовое разделение каналов (КРК, CDMA) - разделение каналов по кодам, каждый канал имеет свой код наложение которого на групповой сигнал позволяет выделить информацию конкретного канала;
- спектральное разделение каналов (СРК, WDM) - разделение каналов по длине волны.
Возможно комбинировать методы: ЧРК+ВРК.
Радиорелейная связь - радиосвязь по линии (радиорелейная линия, РРЛ), образованной цепочкой приёмо-передающих (ретрансляционных) радиостанций. Наземная радиорелейная связь осуществляется обычно на деци - и сантиметровых волнах (от сотен мегагерц до десятков гигагерц).
РРЛ стали важной составной частью сетей электросвязи – ведомственных, корпоративных, региональных, национальных и даже международных, поскольку имеют ряд достоинств:
Возможность быстрой установки оборудования при небольших капитальных затратах;
Экономически выгодная, а иногда и единственная, возможность организации многоканальной связи на участках местности со сложным рельефом;
Возможность применения для аварийного восстановления связи в случае бедствий, при спасательных операциях;
Эффективность развертывания разветвленных цифровых сетей в больших городах и индустриальных зонах, где прокладка новых кабелей слишком дорога или невозможна;
Высокое качество передачи информации по РРЛ, практически не уступающие ВОЛС и другим кабельным линиям.
РРЛ связи позволяют передавать телевизионные программы и одновременно сотни и тысячи телефонных сообщений. Для таких потоков информации требуются полосы частот до нескольких десятков, а иногда и сотен мегагерц и соответственно несущие не менее нескольких гигагерц. Радиосигналы на этих частотах эффективно передаются лишь в пределах прямой видимости . Поэтому для связи на большие расстояния в земных условиях приходится использовать ретрансляцию радиосигналов. На радиорелейных линиях прямой видимости в основном применяют активную ретрансляцию , в процессе которой сигналы усиливаются.
Протяженность пролетов R между соседними станциями зависит от профиля рельефа местности и высот установки антенн. Обычно ее выбирают близкой к расстоянию прямой видимости R 0 , км. Для гладкой сферической поверхности Земли и без учета атмосферной рефракции:
где h 1 и h 2 – высоты подвеса передающей и приемной антенн (в метрах). В реальных условиях, в случае мало пересеченной местности R 0 = 40…70 км, а h 1 и h 2 составляют 50…80 м.
В зависимости от используемого механизма распространения радиоволн различают:
- радиорелейную линию прямой видимости РРЛ (за счет земной радиоволны);
- тропосферную радиорелейную линию ТРЛ (за счет тропосферной радиоволны).
Земной называют радиоволну, распространяющуюся вблизи земной поверхности. Земные радиоволны короче 100 см хорошо распространяются только в пределах прямой видимости. Поэтому радиорелейную линию связи на большие расстояния строят в виде цепочки приемо-передающих радиорелейных станций (РРС ), в которой соседние РРС размещают на расстоянии, обеспечивающем радиосвязь прямой видимости (радиорелейной линией прямой видимости (РРЛ )).
Тропосферная радиоволна распространяется между точками земной поверхности по траектории, лежащей целиком в тропосфере. (Тропосфера (др.-греч. Τροπή - «поворот», «изменение» и σφαῖρα - «шар») - нижний слой атмосферы, высотой в полярных областях 8-10 км, в умеренных широтах до 10-12 км, на экваторе - 16-18 км. В тропосфере сосредоточено более 80% всей массы атмосферного воздуха, сильно развиты турбулентность и конвекция, сосредоточена преобладающая часть водяного пара, возникают облака, формируются и атмосферные фронты, развиваются циклоны и антициклоны, а также другие процессы, определяющие погоду и климат. При подъёме через каждые 100 м температура в тропосфере понижается в среднем на 0,65° и достигает 220 К (-53° C) в верхней части).
Энергия тропосферной радиоволны короче 100 см рассеивается на неоднородностях тропосферы. При этом часть передаваемой энергии попадает на приемную антенну РРС, расположенной за пределами прямой видимости на расстоянии 250...350 км . Цепочка таких РРС образует тропосферную радиорелейную линию (ТРЛ).
По назначению радиорелейные системы связи делятся на три категории:
- местные линии связи от 0,39ГГц до 40,5ГГц,
- внутризоновые линии от 1,85ГГц до 15,35ГГц,
- магистральные линии от 3,4ГГц до 11,7ГГц.
(По диапазону рабочих частот РРЛ подразделяют на линии дециметрового диапазона и сантиметрового диапазонов. В этих диапазонах, решением ГКРЧ от апреля 1996 года для новых РРЛ определены диапазоны 8 (7.9-8.4); 11 (10.7-11.7); 13 (12.75-13.25); 15 (14.4-15.35); 18 (17.7-19.7); 23 (21.2-23.6); 38 (36.0-40.50) ГГц. Однако в России еще длительное время будут использоваться ранее построенные линии в диапазонах 1.5-2.1; 3.4-3.9; 5.6-6.4 ГГц. Новые РРС используются также в диапазоне 2.3-2.5 ГГц. Прорабатывается возможность использования диапазонов 2.5-2.7 и 7.25-7.55 ГГц.
Данное деление связано с влиянием среды распространения на обеспечение надёжности радиорелейной связи. До частоты 12ГГц атмосферные явления оказывают слабое влияние на качество радиосвязи, на частотах выше 15ГГц это влияние становится заметным, а выше 40ГГц определяющим (потери в атомах кислорода и в молекулах воды).
Практически полная непрозрачность атмосферы для радиоволн наблюдается на частоте 118.74 ГГц (резонансное поглощение в атомах кислорода), а на частотах больше 60 ГГц погонное затухание превышает 15 дБ/км. Ослабление в водяных парах атмосферы зависит от их концентрации и весьма велико во влажном теплом климате.
Отрицательно на радиосвязь влияют гидрометеоры , к которым относятся капли дождя, снег, град, туман. Влияние гидрометеоров заметно уже при частотах больше 6 ГГц, а в неблагоприятных экологических условиях (при наличии в атмосферных осадках металлизированной пыли, смога, кислот или щелочей) и на значительно более низких частотах.
Чем ниже диапазон, тем большую дальность связи можно обеспечить при тех же энергетических характеристиках оборудования, но переход на высокие диапазоны позволяет повысить пропускную способность систем.
Антенны соседних станций располагают в пределах прямой видимости (за исключением тропосферных станций). Для увеличения длины интервала между станциями антенны устанавливают как можно выше - на мачтах (башнях) высотой 10-100 м (радиус видимости - 40-50 км ) и на высоких зданиях. Станции могут быть как стационарными, так и подвижными (на автомобилях).
В зависимости от способа , принятого для формирования сигнала, различают:
Аналоговые РРЛ(ТРЛ);
Цифровые РРЛ(ТРЛ).
АналоговыеРРЛ связи в зависимости от метода модуляции несущей:
РРЛ с частотным разделением каналов (ЧРК) и частотной модуляцией (ЧМ) гармонической несущей,
РРЛ с временным разделением каналов (ВРК) и аналоговой модуляцией импульсов, которые затем модулируют несущую частоту.
В зависимости от числа организуемых каналов (N):
Малоканальные - N =24;
Со средней пропускной способностью - N=60...300;
С большой пропускной способностью - N=600...1920.
Цифровые радиорелейные линии (ЦРРЛ), импульсы (отсчеты сообщения) квантуются по уровням и кодируются.
Цифровые РРЛ классифицируют по способу модуляции несущей:
В зависимости от скорости передачи двоичных символов В:
С малой - В <10 Мбит/с,
Средней - В=10…100 Мбит/с,
Высокой- В>100 Мбит/с пропускной способностью.
Высокоскоростные РРС создаются практически только на основе SDH-технологии и имеют скорость передачи в одном стволе 155.52 Мбит/с (STM-1 ) и 622.08 Мбит/с в одном стволе (STM-4 ). Применяются для построения магистральных и зоновых линий, в качестве радиовставок в ВОЛС на участках со сложным рельефом, для сопряжения ВОЛС (STM-4 или STM-16) с сопутствующими локальными цифровыми сетями, а также для резервирования ВОЛС.
(Синхронная Цифровая Иерархия (англ. SDH - Synchronous Digital Hierarchy) - это технология транспортных телекоммуникационных сетей. Стандарты СЦИ определяют характеристики цифровых сигналов, включая структуру фреймов (циклов), метод мультиплексирования, иерархию цифровых скоростей и кодовые шаблоны интерфейсов.
Стандартизация интерфейсов определяет возможность соединения различного оборудования от разных производителей. Система SDH обеспечивает стандартные уровни информационных структур, то есть набор стандартных скоростей. Базовый уровень скорости - STM-1 155,52 Mбит/с. Цифровые скорости более высоких уровней определяются умножением скорости потока STM-1, соответственно, на 4, 16, 64 и т. д.: 622 Мбит/с (STM-4),2,5 Гбит/с (STM-16), 10 Гбит/с (STM-64) и 40 Гбит/с (STM-256)).
Принципиальным отличием радиорелейной станции от иных радиостанций является дуплексный режим работы, то есть приём и передача происходят одновременно (на разных несущих частотах).
Протяженность наземной линии радиорелейной связи - до 10000 км, ёмкость - до нескольких тысяч каналов тональной частоты в аналоговых линиях связи, и до 622 мегабит в цифровых линиях связи. В общем случае, протяжённость и ёмкость (скорость передачи данных) находятся в обратно пропорциональной зависимости друг от друга: как правило, чем больше расстояние, тем ниже скорость.
В Российской Федерации для вновь вводимых магистральных радиорелейных линий связи определены скорости передачи, равные 155 Мбит/с (поток STM-1 синхронной цифровой иерархии, SDH) или 140 Мбит/с (поток Е4 плезиохронной цифровой иерархии, PDH, передаваемый в составе сигнала STM-1).
В СССР начало развитию радиорелейной промышленности было положено в середине 50-х годов . Причина - дешевизна радиорелейной связи по сравнению с кабельными линиями, особенно в условиях огромных пространств с неразвитой инфраструктурой и сложной геологической структурой местности. Первая магистральная радиорелейная система Р-600 создана в 1958 году. В 1970 году появился комплекс унифицированных радиорелейных систем «КУРС» . Все это позволило в 60-70-е годы развить сеть связи страны, обеспечить качественную телефонию и наладить передачу программ центрального телевидения. К середине 70-х годов в стране была построена уникальная радиорелейная линия, протяжённость которой составляла около 10 тыс. км , емкостью каждого ствола равной 14400 каналов тональной частоты. Суммарная протяженность РРЛ в СССР превысила к середине 70-х годов 100 тыс. км .
Радиорелейная связь (от радио и французского relais – промежуточная станция), радиосвязь, осуществляемая при помощи цепочки приемо-передающих радиостанций, как правило, отстоящих друг от друга на расстоянии прямой видимости их антенн. Таким образом, радиорелейная связь – это особый вид радиосвязи на ультракоротких волнах с многократной ретрансляцией сигнала .
Радиорелейная связь первоначально
применялась для организации многоканальных линий телефонной и телевизионной
связи, в которых сообщения передавались с помощью аналогового электрического
сигнала. Одна из первых таких линий протяженностью 200 км с 5 телефонными каналами появилась в США в 1935 году. Она соединяла Нью-Йорк и Филадельфию.
В 1932–1934 г.г. в СССР была разработана приёмопередающая аппаратура,
работающая на метровых волнах, и созданы опытные линии связи Москва–Кашира и
Москва–Ногинск. Первое отечественное оборудование «Краб», используемое на линии
радиорелейной связи через Каспийское море, между Красноводском и Баку (1953–1954
гг.), работало в метровом диапазоне.
В те годы для радиорелейных линий считалось наиболее целесообразным применение импульсной модуляции, техника которой была хорошо освоена в радиолокации, одновременно с временным уплотнением. Казалось, что при тогдашнем уровне развития технологий это сулит большие преимущества. Но цикл теоретических исследований и экспериментальных проработок, проведенных в Научно-исследовательском институте радио, подтвердил складывающееся в то время у специалистов в области радиорелейной связи мнение, что сочетание частотной модуляции с частотным уплотнением позволит создать линии, не уступающие даже наиболее совершенным коаксиальным кабельным системам. Надо подчеркнуть, что сказанное относится к концу 1940-х – началу 1950-х годов. А поскольку, как известно, развитие общества и науки идет по спирали, то сегодня современные новейшие технологии позволили вернуться к цифровым методам передачи на более высоком уровне – передача данных, цифровая телефония и телевидение.
В середине 50–х годов прошлого века в России было разработано семейство радиорелейной аппаратуры «Стрела» , работавшей в диапазоне 1600-2000 МГц: «Стрела П» – для пригородных линий, обеспечивающих передачу 12 телефонных каналов; «Стрела Т» – для передачи одной телевизионной программы на расстояние 300–400 км и «Стрела М» – для магистральных линий емкостью 24 канала и протяжённостью до 2500 км. На аппаратуре «Стрела» был построен ряд первых отечественных радиорелейных линий (РРЛ). Вот некоторые из них: Москва – Рязань, Москва – Ярославль – Нерехта – Кострома –Иваново, Фрунзе – Джалал Абад, Москва – Воронеж, Москва – Калуга, Москва – Тула.
Следующая разработка для РРЛ – аппаратура Р-60/120. Она позволяла создавать 3–6-ствольные магистральные линии длиной до 2500 км для передачи 60–120 телефонных каналов и на дальности до 1000 км для передачи телевизионных программ с выполнением рекомендаций МККТ и МККР по качественным показателям. Радиорелейные линии на базе аппаратуры Р–60/120 были построены в различных районах СССР. Одной из первых и, пожалуй, самой протяженной была линия Москва – Ростов-на-Дону. Оборудование типа Р-60/120, работавшее в диапазоне 2 ГГц, было предназначено для внутризоновых РРЛ.
Чтобы передавать телевизионные сигналы на большие расстояния, а также сигналы телефонных каналов, нужно было создать радиорелейное оборудование магистральных РРЛ.
Магистральным РРЛ были выделены соответствующие полосы частот в диапазонах 4 и 6 ГГц. В таких диапазонах, при одинаковых габаритных размерах антенн и прочих равных условиях, излучаемая в эфир мощность увеличивается в 2,5–3 раза за счёт большого коэффициента усиления антенны. Это было весьма существенно для достижения необходимых качественных показателей передаваемых сигналов телевидения и многоканальной телефонии. Первой отечественной радиорелейной системой магистральной радиорелейной связи была система Р-600 , работающая в диапазоне 4 ГГц. Первая магистральная радиорелейная линия Ленинград–Таллин, оборудованная аппаратурой Р-600, была построена в 1958 г., после этого началось их серийное производство.
Система и аппаратура Р-600 послужили основой дальнейшего совершенствования радиорелейного оборудования для магистральных РРЛ. В период 1960-1970 г.г. были разработаны, произведены и внедрены в эксплуатацию новые виды оборудования семейства Р-600: Р-600М, Р-6002М, Р-600-2МВ и «Рассвет», также работающие в диапазоне 4 ГГц. В телевизионном стволе обеспечивалась передача видеосигнала и сигнала звукового сопровождения. Основные технические показатели этих систем приведены в табл. 6.1.
Таблица 6.1
|
Параметр |
«Рассвет» |
|||
|
Диапазон частот, ГГц |
||||
|
Поучастковая система резервирования |
||||
|
Мощность передатчика, Вт |
||||
|
Коэффициент шума приёмника, дБ |
||||
|
Емкость ТФ ствола, каналов ТЧ |
Важнейшей разработкой, проводившейся в СССР в середине 60-х годов, было создание магистральной радиорелейной системы большой ёмкости «Восход». Она предназначалась, в первую очередь, для РРЛ Москва – Дальний Восток. Разработка системы связи, радиоаппаратуры, источников гарантированного электропитания, системы резервирования и методов контроля качества работы аппаратуры проводилась с учётом обеспечения высокой надёжности линии. Расчётный коэффициент исправного действия линии протяжённостью 12 500 км составлял 0,995, а потеря достоверности при передаче бинарной информации без кодовой защиты – не более . Сверхвысокочастотная (СВЧ) приёмопередающая аппаратура «Восход» работала в полосе частот 3400-3900 МГц. Все активные элементы аппаратуры «Восход» были выполнены на полупроводниковых приборах, исключение составляли СВЧ выходные ступени передатчиков и гетеродинных трактов, где использовались лампы бегущей волны (ЛБВ).
Для обеспечения высокой надежности в системе «Восход» было предусмотрено применение разнесенного по высоте приёма с быстродействующей системой автоматического выбора и параллельная работа передатчиков. Система разнесенного приёма, весьма эффективно решая задачу борьбы с замиранием сигналов на интервалах РРЛ, одновременно позволяла автоматически резервировать приёмники станции. Параллельная работа передатчиков обеспечивала их автоматическое резервирование и удвоение выходной мощности передатчиков, которая в аппаратуре «Восход» составляла 10 Вт. Вся система автоматического резервирования приёмопередающего оборудования замыкалась в пределах каждой станции, поэтому в «Восходе» не было необходимости передавать по служебным каналам какие-либо сигналы для управления работой системы резервирования (как это имеет место в радиорелейных системах с поучастковой системой резервирования стволов). Таким образом, особенностью системы «Восход» являлось отсутствие специального резервного ствола, что позволяло сделать все радиостволы рабочими и, следовательно, лучше использовать отведенную для системы полосу радиочастот.
В системе «Восход» было предусмотрено 8 широкополосных рабочих стволов, из которых 4 предназначались для работы на основном магистральном направлении и 4 – на ответвлениях или пересекающих магистралях. Все стволы универсальны, одинаково пригодны как для передачи сигналов многоканальной телефонии, так и для передачи сигналов телевизионных программ.
Телефонный ствол системы обеспечивал передачу сигналов 1920 каналов ТЧ в случае, когда аппаратура промежуточных станций размещалась в кабинах наверху башни (т. е. при коротких волноводах), а аппаратура узловых и оконечных станций – в наземных помещениях. Пропускная способность телефонного ствола при размещении аппаратуры в наземных помещениях на всех станциях составляла 1020 каналов ТЧ. В нижней части группового спектра телефонного ствола обеспечивалась передача сигналов служебной связи и дистанционного обслуживания (телеобслуживания). Система телеобслуживания позволяла иметь до 16 автоматизированных промежуточных станций между соседними узловыми станциями.
Телевизионный ствол системы давал возможность передавать видеосигнал и четыре канала тональных (звуковых) частот, организованных на поднесущих частотах и расположенных выше спектра видеосигнала. Эти тональные звуковые каналы использовались как для передач сигналов звукового сопровождения телевидения, так и радиовещания.
Следующим важным этапом в развитии техники радиорелейной связи стала разработка в 1970 году комплекса унифицированных радиорелейных систем связи «КУРС». Комплекс охватывал четыре системы связи, работающие в диапазонах 2, 4, 6 и 8 ГГц. Аппаратура в диапазонах 4 и 6 ГГц предназначалась для магистральных радиорелейных линий (РРЛ), а в диапазонах 2 и 8 ГГц – для зоновых РРЛ.
В приёмопередающей аппаратуре различных диапазонов частот широко использовались унифицированные узлы и блоки (УПЧ, умножители частоты и т. п.). Все они были выполнены на наиболее совершенных для того времени полупроводниковых приборах и других комплектующих изделиях отечественного производства.
Аппаратура КУРС-4 и КУРС-6 отличалась от предыдущих разработок и своей компактностью. Например, в системе КУРС-4 в одной стойке шириной 600 мм размещалось 4 приёмника или 4 передатчика. В табл. 6.2 приведены основные технические характеристики магистральных систем КУРС–4 и КУРС–6.
Таблица 6.2
|
Тип |
Полоса |
Число стволов |
Вид информа-ции |
Число каналов ТЧ |
Мощ-ность Пд, Вт |
Шум-фак-тор Пм, дБ |
Мощ-ность, |
|
3 + 1 или 7 + 1 |
|||||||
|
3 + 1 или 7 + 1 |
К середине 70-х годов в стране была построена уникальная радиорелейная линия, протяженность которой составляла около 10 тыс. км, емкостью каждого ствола, равной 14 400 каналов тональной частоты. В эти годы суммарная протяженность радиорелейных линий в СССР превысила 100 тыс. км.
Последней разработкой в СССР для магистральной радиорелейной связи было создание нового поколения оборудования «Радуга». В его состав вошли: приёмопередающее оборудование, работающее в диапазоне 4 ГГц – «Радуга- 4»; приёмопередающее оборудование, работающее в диапазоне 6 ГГц – «Радуга- 6»; оборудование резервирования «Радуга».
Для «Радуги» было разработано новое поколение унифицированного оборудования «Рапира-М», включающего: оконечную аппаратуру телефонных и телевизионных стволов; ЧМ-модемы; аппаратуру служебной связи и телеобслуживания.
Магистральная радиорелейная система «Радуга-Рапира-М» позволяла создавать магистральные РРЛ в двух диапазонах частот: 4 ГГц (в полосе частот 3400–3900 МГц) и 6 ГГц (в полосе частот 5670–6170 МГц).
В каждом диапазоне возможна организация до
семи рабочих стволов и одного резервного ствола. По каждому из рабочих стволов
обеспечивалась:
в режиме передачи многоканальной (аналоговой) телефонии – передача
сигналов 1920 каналов ТЧ и при необходимости дополнительно – 48 каналов ТЧ в
спектре 60–252 кГц, а также передача в одном из телефонных стволов сигналов
служебной связи в спектре 0,3–52 кГц, которые необходимы для нормальной работы
РРЛ;
В режиме передачи телевидения – передача видеосигнала и сигналов 4 каналов звукового сопровождения и вещания.
Технические параметры оборудования системы «Радуга-Рапира-М» обеспечивали высокие качественные показатели и надежность работы каналов и трактов РРЛ, оснащенных этим оборудованием.
Таким образом, в России со времен СССР существует широко развитая сеть аналоговых магистральных и внутризоновых радиорелейных линий, что делает экономически целесообразным использование существующих радиорелейных станций для организации цифровых трактов. В настоящее время процесс модернизации аналоговых радиорелейных линий в цифровые называют цифровизацией.
К числу радиорелейных станций (РРС) цифровизация которых возможна, относятся: «Восход-М», «Курс-4», «Курс-6», «Курс-4М», «ГТТ-70/4000», «ГТТ-70/8000», «Ракита-8», «Радуга-4», «Радуга-6», «Радуга-АЦ», «Комплекс» и др. При цифровизации указанных РРС используется оборудование, обычно подключаемое по промежуточной частоте 70 МГц. Кроме того, возможен вариант дополнительной передачи цифрового сигнала Е1 (2048 кбит/с) без нарушения работы аналоговой РРЛ.
В конце прошлого века были разработаны различные варианты цифровых модемов на скорости от 2 до 34 Мбит/с. В результате, было создано семейство цифровых модемов для аналоговых РРЛ на скоростях: 2,048 Мбит/с, 8,448 Мбит/с, 17 Мбит/с и 34,368 Мбит/с.
Для организации передачи различной цифровой информации со скоростями
8,448 Мбит/с, 17 Мбит/с или 34,368 Мбит/с использовались свободные от аналоговой информации стволы. Модемы на эти скорости могут комплектоваться мультиплексной аппаратурой и, таким образом, обеспечивать передачу соответственно 4, 8 или 16 цифровых потоков по 2,048 Мбит/с, что хорошо согласуется с принципами построения синхронной цифровой иерархии (SDH).
Во всех типах цифровых модемов обеспечивался контроль входного и выходного сигналов, обнаружение и генерация сигналов индикации аварийного состояния (СИАС) и контроль коэффициента ошибок без перерыва и с перерывом связи. Было организовано производство всех названных цифровых модемов, и они нашли свое применение на действующей сети РРЛ.
Радиореле́йная свя́зь - один из видов наземной радиосвязи , основанный на многократной ретрансляции радиосигналов . Радиорелейная связь осуществляется, как правило, между стационарными объектами.
Исторически радиорелейная связь между станциями осуществлялась с использованием цепочки ретрансляционных станций, которые могли быть как активными, так и пассивными.
Отличительной особенностью радиорелейной связи от всех других видов наземной радиосвязи является использование узконаправленных антенн , а также дециметровых , сантиметровых или миллиметровых радиоволн.
История
История радиорелейной связи берет начало в январе 1898 года с публикации пражского инженера Йоганна Маттауша (Johann Mattausch) в австрийском журнале Zeitschrift für Electrotechnik (v. 16, S. 35 - 36) Однако его идея использования «транслятора» (Translator), по аналогии с трансляторами проводной телеграфии, была довольно примитивной и не могла быть реализована.
Первую реально работающую систему радиорелейной связи изобрел в 1899 году 19-летний бельгийский студент итальянского происхождения Эмиль Гуарини (Гварини) Форесио (Émile Guarini Foresio) . 27 мая 1899 г. по старому стилю, Эмиль Гуарини-Форесио подал заявку на патент на изобретение №142911 в Бельгийское патентное ведомство, впервые описав в ней устройство радиорелейного ретранслятора (répétiteur) . Этот исторический факт является самым ранним документальным свидетельством приоритета Э. Гуарини-Форесио, что позволяет считать указанную дату официальным днем рождения радиорелейной связи. В августе и осенью того же 1899 г. аналогичные заявки были представлены Э. Гуарини-Форесио в Австрии, Великобритании, Дании, Швейцарии .
Особенностью изобретения Гуарини-Форесио явилась комбинация приёмного и передающего устройств в одном ретрансляторе, осуществлявшем приём сигналов, их демодуляцию в когерере и последующее использование для управления реле, обеспечивавшем формирование обновлённых сигналов, которые затем переизлучались через антенну. Для обеспечения электромагнитной совместимости приёмный сегмент ретранслятора окружен защитным экраном, призванным оградить цепи приёма от мощного излучения передатчика.
В 1931 году Андре Клавир, работая во французском исследовательском подразделении LCT компании ITT , показал возможность организации радиосвязи с помощью ультракоротких радиоволн. В ходе предварительных испытаний 31 марта 1931 года Клавир с помощью экспериментальной радиорелейной линии, работающей на частоте 1,67 ГГц, успешно передал и принял телефонные и телеграфные сообщения, разместив две параболические антенны диаметром 3 м на двух противоположных берегах пролива Ла-Манш . Примечательно, что места установки антенн практически совпадали с местами взлёта и посадки исторического перелета через Ла-Манш Луи Блерио . Следствием успешного эксперимента Андре Клавира стала дальнейшая разработка коммерческого радиорелейного оборудования. Первое коммерческое радиорелейное оборудование было выпущено ITT, а точнее её дочерней компанией STC, в 1934 году и использовало амплитудную модуляцию несущего колебания мощностью в 0,5 Ватт на частоте 1,724 и 1,764 ГГц, полученного с помощью клистрона .
Запуск первой коммерческой радиорелейной линии состоялся 26 января 1934 года. Линия имела протяжённость 56 км над проливом Ла-Манш и соединяла аэропорты Лимпн в Англии и Сент-Энглевер во Франции. Построенная радиорелейная линия позволяла одновременно передавать один телефонный и один телеграфный канал и использовалась для координации воздушного сообщения между Лондоном и Парижем. В 1940 году в ходе Второй Мировой Войны линия была демонтирована.
Радиорелейная связь прямой видимости
Как правило под радиорелейной связью понимают именно радиорелейную связь прямой видимости.
При построении радиорелейных линий связи антенны соседних радиорелейных станций располагаются в пределах прямой видимости . Требование наличия прямой видимости обусловлено возникновением дифракционных замираний при полном или частичном закрытии трассы распространения радиоволн. Потери при дифракционных замираниях могут вызывать сильное ослабление сигнала, таким образом радиосвязь между соседними радиорелейными станциями станет невозможна. Поэтому для устойчивой радиосвязи антенны соседних радиорелейных станций как правило располагают на естественных возвышенностях или специальных телекоммуникационных башнях или мачтах таким образом, чтобы трасса распространения радиоволн не имела препятствий.
С учётом ограничения на необходимость наличия прямой видимости между соседними станциями дальность радиорелейной связи ограничена как правило 40 - 50 км.
Тропосферная радиорелейная связь
При построении тропосферных радиорелейных линий связи используется эффект отражения дециметровых и сантиметровых радиоволн от турбулентных и слоистых неоднородностей в нижних слоях атмосферы - тропосфере .
Использование эффекта дальнего тропосферного распространения радиоволн УКВ диапазона позволяет организовать связь на расстояние до 300 км при отсутствии прямой видимости между радиорелейными станциями. Дальность связи может быть увеличена до 450 км при расположении радиорелейных станций на естественных возвышенностях.
Для тропосферной радиорелейной связи характерно значительное ослабление сигнала. Ослабление возникает как при распространении сигнала через атмосферу, так и вследствие рассеяния части сигнала при отражении от тропосферы. Поэтому для устойчивой радиосвязи как правило используют передатчики мощностью до 10 кВт, антенны с большой апертурой (до 30 x 30 м), а значит, и большим коэффициентом усиления, а также высокочувствительные приёмники с малошумящими элементами.
Также для тропосферных радиорелейных линий связи характерно постоянное наличие быстрых, медленных и селективных замираний радиосигнала. Уменьшение влияния быстрых замираний на принимаемый сигнал достигается использованием разнесенного частотного и пространственного приёма. Поэтому на большинстве стационарных тропосферных радиорелейных станций расположено несколько приёмных антенн.
Примером наиболее известных и протяжённых тропосферных радиорелейных линий связи являются:
- ТРРЛ «Север» , «ACE High», «White Alice», «JASDF», линия «Дью» , линии «NARS»;
- ТСУС «Барс»
Радиорелейные ретрансляторы
В отличие от радиорелейных станций ретрансляторы не добавляют в радиосигнал дополнительной информации. Ретрансляторы могут быть как пассивными, так и активными.
Пассивные ретрансляторы представляют собой простой отражатель радиосигнала без какого-нибудь приёмопередающего оборудования и, в отличие от активных ретрансляторов, не могут усиливать полезный сигнал или переносить его на другую частоту. Пассивные радиорелейные ретрансляторы применяются в случае отсутствия прямой видимости между радиорелейными станциями; активные - для увеличения дальности связи.
В качестве пассивного ретранслятора могут выступать как плоские отражатели, так и антенны радиорелейной связи, соединённые коаксиальными или волноводными вставками (так называемые антенны, соединённые «спина к спине»).
Плоские отражатели как правило используются при небольших углах отражения и обладают эффективностью близкой к 100 %. Однако с увеличением угла отражения эффективность плоского отражателя уменьшается. Достоинством плоских отражателей является возможность использования для ретрансляции нескольких частотных диапазонов радиорелейной связи.
Антенны, соединённые «спина к спине» как правило используются при углах отражения близких к 180° и обладают эффективностью 50-60 %. Подобные отражатели не могут использоваться для ретрансляции нескольких частотных диапазонов из-за ограниченных возможностей самих антенн.
Smart-ретрансляторы
Среди новых направлений в развитии радиорелейной связи, наметившихся в последнее время, заслуживает внимания создание интеллектуальных ретрансляторов (smart relay) Их появление связано с особенностью реализации технологии MIMO , при которой необходимо знать передаточные характеристики радиорелейных каналов. В smart-ретрансляторе осуществляется так называемая "интеллектуальная" обработка сигналов. В отличие от традиционного набора операций "приём – усиление – переизлучение" в простейшем случае она предусматривает дополнительную коррекцию амплитуд и фаз сигналов с учётом характеристик передачи пространственных MIMO -каналов на том или ином интервале радиорелейной линии . В этом случае делается допущение, что все каналы MIMO имеют одинаковые коэффициенты передачи. Оно вполне может быть оправдано с учётом узких лучей диаграмм направленности приёмной и передающей антенн на дальностях связи, при которых расширение диаграмм направленности не приводит к заметному проявлению эффекта многолучевого распространения радиоволн.
Более сложный вариант реализации принципа smart relay предполагает полную демодуляцию принятых сигналов в ретрансляторе с извлечением передаваемой в них информации, её запоминанием и последующим использованием для модуляции переизлучаемых сигналов с учётом характеристик состояния канала MIMO в направлении на следующий ретранслятор сети . Такая обработка, хотя и является более сложной, позволяет максимально учесть искажения, вносимые в полезные сигналы по трассе их распространения.
Частотные диапазоны
Для организации радиосвязи используются деци- , санти- и миллиметровые волны .
Для обеспечения дуплексной связи каждый частотный диапазон условно разделяется на две части относительно центральной частоты диапазона. В каждой части диапазона выделяются частотные каналы заданной полосы. Частотным каналам «нижней» части диапазона соответствуют определённые каналы «верхней» части диапазона, причём таким образом, что разница между центральными частотами каналов из «нижней» и «верхней» частей диапазона была всегда одна и та же для любых частотных каналов одного частотного диапазона.
| Диапазон (ГГц) | Границы диапазона (ГГц) | Ширина каналов (МГц) | Рекомнендации ITU-R | Решения ГКРЧ |
|---|---|---|---|---|
| 0,4 | 0,4061 - 0,430 0,41305 - 0,450 |
0,05, 0,1, 0,15, 0,2, 0,25, 0,6 0,25, 0,3, 0,5, 0,6, 0,75, 1, 1,75, 3,5 |
ITU-R F.1567 | |
| 1,4 | 1,350 - 1,530 | 0,25, 0,5, 1, 2, 3,5 | ITU-R F.1242 | |
| 2 | 1,427 - 2,690 | 0,5 | ITU-R F.701 | |
| 1,700 - 2,100 1,900 - 2,300 |
29 | ITU-R F.382 | ||
| 1,900 - 2,300 | 2,5, 3,5, 10, 14 | ITU-R F.1098 | ||
| 2,300 - 2,500 | 1, 2, 4, 14, 28 | ITU-R F.746 | ||
| 2,290 - 2,670 | 0,25, 0,5, 1, 1,75, 2, 2,5 3,5, 7, 14 | ITU-R F.1243 | ||
| 3,6 | 3,400 - 3,800 | 0,25, 25 | ITU-R F.1488 | |
| 4 | 3,800 - 4,200 3,700 - 4,200 |
29 28 |
ITU-R F.382 | Решение ГКРЧ № 09-08-05-1 |
| 3,600 - 4,200 | 10, 30, 40, 60, 80, 90 | ITU-R F.635 | ||
| U4 | 4,400 - 5,000 4,540 - 4,900 |
10, 28, 40, 60, 80 20, 40 |
ITU-R F.1099 | Решение ГКРЧ № 09-08-05-2 |
| L6 | 5,925 - 6,425 5,850 - 6,425 5,925 - 6,425 |
29,65 90 5, 10, 20, 28, 40, 60 |
ITU-R F.383 | Решение ГКРЧ № 10-07-02 |
| U6 | 6,425 - 7,110 | 3,5, 5, 7, 10, 14, 20, 30, 40, 80 | ITU-R F.384 | Решение ГКРЧ № 12-15-05-2 |
| 7 | ITU-R F.385 | |||
| 8 | ITU-R F.386 | |||
| 10 | 10,000 - 10,680 10,150 - 10,650 |
1,25, 3,5, 7, 14, 28 3,5, 7, 14, 28 |
ITU-R F.747 | |
| 10,150 - 10,650 | 28, 30 | ITU-R F.1568 | ||
| 10,500 - 10,680 10,550 - 10,680 |
3,5, 7 1,25, 2,5, 5 |
ITU-R F.747 | ||
| 11 | 10,700 - 11,700 | 5, 7, 10, 14, 20, 28, 40, 60, 80 | ITU-R F.387 | Решение ГКРЧ № 5/1,
Решение ГКРЧ 09-03-04-1 от 28.04.2009 |
| 12 | 11,700 - 12,500 12,200 - 12,700 |
19,18 20 |
ITU-R F.746 | |
| 13 | 12,750 - 13,250 | 3,5, 7, 14, 28 | ITU-R F.497 | Решение ГКРЧ 09-02-08 от 19.03.2009 |
| 12,700 - 13,250 | 12,5, 25 | ITU-R F.746 | ||
| 14 | 14,250 - 14,500 | 3,5, 7, 14, 28 | ITU-R F.746 | |
| 15 | 14,400 - 15,350 14,500 - 15,350 |
3,5, 7, 14, 28, 56 2,5, 5, 10, 20, 30, 40, 50 |
ITU-R F.636 | Решение ГКРЧ № 08-23-09-001 |
| 18 | 17,700 - 19,700 17,700 - 19,700 17,700 - 19,700 18,580 - 19,160 |
7,5, 13,75, 27,5, 55, 110, 220 1,75, 3,5, 7 2,5, 5, 10, 20, 30, 40, 50 60 |
ITU-R F.595 | Решение ГКРЧ № 07-21-02-001 |
| 23 | 21,200 - 23,600 22,000 - 23,600 |
2,5, 3,5 - 112 3,5 - 112 |
ITU-R F.637 | Решение ГКРЧ № 06-16-04-001 |
| 27 | 24,250 - 25,250 25,250 - 27,500 25,270 - 26,980 24,500 - 26,500 27,500 - 29,500 |
2,5, 3,5, 40 2,5, 3,5 60 3,5 - 112 2,5, 3,5 - 112 |
ITU-R F.748 | Решение ГКРЧ № 09-03-04-2 |
| 31 | 31.000 - 31,300 | 3,5, 7, 14, 25, 28, 50 | ITU-R F.746 | |
| 32 | 31,800 - 33,400 | 3,5, 7, 14, 28, 56, 112 | ITU-R F.1520 | |
| 38 | 36,000 - 40,500 36,000 - 37,000 37,000 - 39,500 38,600 - 39,480 38,600 - 40,000 39,500 - 40,500 |
2,5, 3,5 3,5 - 112 3,5, 7, 14, 28, 56, 112 60 50 3,5 - 112 |
ITU-R F.749 | Решение ГКРЧ № 06-14-02-001 |
| 42 | 40,500 - 43,500 | 7, 14, 28, 56, 112 | ITU-R F.2005 | Решение ГКРЧ № 08-23-04-001 |
| 52 | 51,400 - 52,600 | 3,5, 7, 14, 28, 56 | ITU-R F.1496 | |
| 57 | 55,7800 - 57,000 57,000 - 59,000 |
3,5, 7, 14, 28, 56 50, 100 |
ITU-R F.1497 | Решение ГКРЧ № 06-13-04-001 |
| 70/80 | 71,000 - 76,000 / 81,000 - 86,000 | 125, N x 250 | ITU-R F.2006 | Решение ГКРЧ № 10-07-04-1 |
| 94 | 92,000 - 94,000 / 94,100 - 95,000 | 50, 100, N x 100 | ITU-R F.2004 | Решение ГКРЧ № 10-07-04-2 |
Частотные диапазоны от 2 ГГц до 38 ГГц относятся к «классическим» радиорелейным частотным диапазонам. Законы распространения и ослабления радиоволн, а также механизмы появления многолучевого распространения в данных диапазонах хорошо изучены и накоплена большая статистика использования радиорелейных линий связи. Для одного частотного канала «классического» радиорелейного частотного диапазон выделяется полоса частот не более 28 МГц или 56 МГц.
Диапазоны от 38 ГГц до 92 ГГц для радиорелейной связи стали выделяться недавно и являются более новыми. Несмотря на это данные диапазоны считаются перспективными с точки зрения увеличения пропускной способности радиорелейных линий связи, так как в данных диапазонах возможно выделение более широких частотных каналов.
Модуляция и помехоустойчивое кодирование
Одними из особенностей использования радиорелейных линий связи является:
- необходимость передачи больших объёмов информации в сравнительно узкой полосе частот,
- ограниченная мощность сигнала, накладываемые на радиорелейные станции.
Методы резервирования
С целью уменьшения неготовности интервалов РРЛ применяют различные методы резервирования. Обычно конфигурации с резервированием обозначают в виде суммы "N+M", где N обозначает общее количество стволов РРЛ, а M - количество зарезервированных стволов РРЛ. Иногда после суммы добавляют аббревиатуру HSB (Hot StandBy, "горячий" резерв), SD (Space Diversity, пространственный разнесённый приём) ил FD (Frequency Diversity, частотный разнесённый приём), обозначающую метод резервирования стволов РРЛ.
Методы резервирования радиорелейной связи можно разделить
«Горячий» резерв
Конфигурация оборудования РРЛ с N стволами и M резервным стволом, находящимся в "горячем" резерве. Резервирование достигается путём дублирования всех (части) функциональных блоков РРЛ. В случае выхода одного из блоков РРЛ из строя, блоки, находящиеся в "горячем" резерве замещают неработоспособные блоки.
Частотный разнесённый приём
Метод частотного разнесенного приёма направлен на устранение частотно-селективых замираний в канале связи.
Пространственный разнесённый приём
Метод пространственного разнесения применяется для устранения замираний, возникающих вследствие многолучевого распространения радиоволн в канале связи. Метод пространственного разнесения чаще всего используется при строительстве радиорелейных линий связи, проходящими над поверхностями с коэффициентом отражения близким к 1 (водная поверхность, болота, сельскохозяйственные поля).
Поляризационный разнесённый приём
Одним из недостатков поляризационного разнесённого приёма является необходимость использования более дорогостоящих двухполяризационных антенн.
Кольцевые топологии
Наиболее надёжным методом резервирования является построения радиорелейных линий связи по кольцевой топологии.
Применение радиорелейной связи
Из всех видов радиосвязи радиорелейная связь обеспечивает наибольшее отношение сигнал/шум на входе приёмника при заданной вероятности ошибки. Именно поэтому при необходимости организации надёжной радиосвязи между двумя объектами чаще всего используются радиорелейные линии связи.
Магистральные радиорелейные линии связи
Исторически радиорелейные линии связи использовались для организации каналов связи телевизионного и радиовещания, а также для связи телеграфных и телефонных станций на территории со слабо развитой инфраструктурой.
Сети связи нефтепроводов и газопроводов
Радиорелейные линии связи применяются при строительстве и обслуживании нефте- и газопроводов в качестве основных или резервных оптическому кабелю линий связи для передачи телеметрической информации.
Сотовые сети связи
Радиорелейная связь находит применение в организации каналов связи между различными элементами сотовой сети, особенно в местах со слабо развитой инфраструктурой.
Современные радиорелейные линии связи способны обеспечить передачу больших объёмов информации от базовых станций 2G, 3G и 4G к основным элементам опорной сети сотовой связи.
Недостатки радиорелейной связи
- Ослабление сигнала в свободном пространстве
- Ослабление сигнала в дожде и тумане На частотах до 12 ГГц осадки в виде дождя или снега слабо влияют на работу радиорелейных линий связи. Литература
- Mattausch J. Telegraphie ohne Draht. Eine Studie. // Zeitschrift für Elektrotechnik. Organ des Elektrotechnischen Vereines in Wien.- Heft 3, 16. Jänner 1898. - XVI. Jahrgang. - S. 35-36..
- Слюсар В.И. Радиорелейным системам связи 115 лет. // Первая миля. Last mile (Приложение к журналу "Электроника: наука, технология, бизнес"). – 2015. - № 3.. - С. 108 - 111 .
- Slyusar V.I. First Antennas for Relay Stations.// International Conference on Antenna Theory and Techniques, 21-24 April, 2015, Kharkiv, Ukraine. - Pp. 254 - 255. .
- Harry R. Anderson Fixed Braadband Wireless System Design - John Wiley & Sons, Inc., 2003 - ISBN 0-470-84438-8
- Roger L. Freeman Radio System Design for Telecommunications Third Edition - John Wiley & Sons, Inc., 2007 - ISBN 978-0-471-75713-9
- Ingvar Henne, Per Thorvaldse n Planning of line-of-sight radio relay systems Second edition - Nera, 1999
- Каменский Н. Н., Модель А. М., под редакцией Бородича С. В. Справочник по радиорелейной связи - Радио и связь, 1981
- Слюсар В.И. Современные тренды радиорелейной связи. //Технологии и средства связи. – 2014. - № 4.. - С. 32 - 36. .
- В. Т. Свиридов. Радиорелейные линии связи. //Государственное издательство физико-математической литературы. – 1959. - С. 81 .
