Введение
Основнойзадачей, которую приходится решать при моделировании РРЛ связи, является такойвыбор мест установки радиорелейных станций, при котором обеспечивается высокийи стабильный уровень высокочастотных сигналов на входах приемников всехстанций. При этом надежность и качество связи моделируемой РРЛ полностью должныудовлетворять заданным нормам на её качественные показатели.
Первым этапомпроцесса проектирования является выбор оптимальной трассы, числа и местарасположения промежуточных станций по топографическим картам. Отметим, чтотрассой называется расположение РРЛ связи на местности или карте. Выбор трассы– определение места расположения узловых и промежуточных станций, аследовательно, определение числа интервалов линии и их протяженности призаданных оконечных пунктах РРЛ.
Процессмоделирования трасс РРЛ связи осуществляется примерно в такойпоследовательности. Сначала производится предварительный выбор по картам местустановки радиорелейных станций и построение профилей каждого интервала линии.Далее производятся расчеты: Множителя ослабления поля на каждом интервалелинии, уровня сигналов, определяются оптимальные высоты подвеса антенных опор ирассчитываются надежность и устойчивость связи.
1. Пример оформления технического задания
Смоделироватьрадиорелейную линию в Акмолинской области по направлению запад – восток нааппаратуре, работающей в диапазоне 7 ГГц.
Основныетехнические характеристики аппаратуры NERA NL 187* ОС/1-РРС-105
Диапазончастот, ГГц………………………………………. 7,125–7,725
Вариант трафика………………………………………………………Е1
Коэффициентсистемы, дБ…………………………………………..117
Мощность передатчика,дБм…………………………………………28
Диаметрантенны, м…………………………………………………… 1,2
Коэффициентусиления антенны, дБ………………………………45,4
Вид модуляции…………………………………………………….ОФМ
Конфигурация………………………………………………………..1+12. Выбор оптимальной трассы и местрасположения станций РРЛ
При выбореоптимальной трассы расположение на местности всех станций РРЛ должновыбираться, исходя из технико-экономических соображений, удобства эксплуатациибудущей РРЛ и возможности обеспечения необходимой устойчивости связи на всехинтервалах линии, пролегающих в разных климатических районах. Для выполненияэтих требований необходимо, чтобы станции РРЛ располагались в пунктах, удобныхдля их эксплуатации: были бы хорошие подъездные дороги; близко расположенныелинии электропередачи для питания электроэнергией аппаратуры станций; станциирасполагались недалеко от населенных пунктов, что позволит легко обеспечитьрадио и телевизионным вещанием отдельные населенные пункты, через которыепроходит трасса РРЛ. Наконец, радиорелейные трассы должны располагатьсязигзагообразно (т.е. трасса должна иметь вид ломаной кривой) с тем, чтобыисключить возможность приема сигналов приемниками станций, расположенными черезтри интервала.
Площадки длястроительства радиорелейных станций желательно выбирать, если это возможно, навозвышенностях. При этом антенные опоры (мачты или башни) будут невысокими, чтоэкономически выгодно. Выбор мест расположения площадок под радиорелейныестанции должен быть таким, чтобы отсутствовали неблагоприятные условияраспространения радиоволн, а это значит, чтобы трасса РРЛ проходила повозможности по наиболее пересеченной местности с лесными массивами, от которыхотраженные лучи хорошо рассеиваются. При выборе трасс следует избегатьболотистых местностей, больших водных пространств, а также естественных иискусственных препятствий (горные вершины, высокие строения). Кроме того, дляуменьшения влияния отраженных лучей желательно на участках РРЛ выбиратьантенные опоры разной высоты, причем этот выбор должен производиться так, чтобыточки отражения от равнинных участков земли располагались ближе к станциям снизкими антенными опорами.
Выбранныетаким образом точки установки радиорелейных станций соединяют прямыми линиями,определяющими на карте трассу будущей линии связи.3. Частотный план и выбор поляризации наинтервалах
При передачесигналов в прямом и обратном направлениях применяются 2-частотные и 4-частотныепланы (системы).
трасса связь радиоволна дождь антенна
/>
а)
/>
б)
Рисунок 1 – Частотный план: а) 2-частотнаясистема; б) 4-частотная система
2-частотная система (рисунок 1, а) экономична с точкизрения использования полосы частот, выделенной для организации радиорелейнойсвязи, но требует применения антенн с хорошими защитными свойствами от приема ипередачи сигналов с боковых и обратных направлений. В диапазонах частот выше 10ГГц широко применяются параболические антенны, улучшенного исполнения, сдополнительными экранами (воротниками), позволяющими достичь требуемыхпоказателей. 4-частотная система (рисунок 1, б) допускает применение болеепростых и дешевых антенн и позволяет улучшить защищенность линии связи отвзаимных помех, но используется достаточно редко. Как правило, четырехчастотнуюсистему можно рекомендовать для организации линий связи при очень сложнойэлектромагнитной обстановке. Для повышения экономической эффективности ипропускной способности радиорелейные системы часто делают многоствольными, вкоторых на каждой станции работает с различными частотами несколькоприемопередатчиков через общие антенно-фидерные устройства. С целью увеличениянадежности работы линии связи применяются различные способы резервирования. Вдиапазонах частот выше 10 ГГц в ЦРРЛ наибольшее распространение получают системырезервирования 1+1, когда на один рабочий ствол приходится один резервный. Всложных условиях распространения радиоволн оба ствола могут быть использованыдля организации разнесенного приема, существенно улучшающего устойчивостьработы системы связи.
Пример.
По рекомендации МСЭ-РF-497–4 для диапазона 7ГГц:
– дуплексный разнос />МГц;
– разнос между стволами />МГц.Ствол
F1, МГц
F2, МГц 1 7125 7391 2 7153 7419 3 7181 7447 4 7209 7475 5 7237 7503 6 7265 7631 7 7293 7559
Пример построения частотного плана приведен вприложении Б.
4. Построение продольных профилей интервалов
Продольныйпрофиль интервала представляет собой вычерченный в определенном масштабевертикальный разрез местности по линии, соединяющей две соседние радиорелейныестанции. Продольные профили интервалов РРЛ полно и наглядно характеризуютрельеф местности на каждом интервале связи и являются основными рабочимидокументами, позволяющими выполнить расчет устойчивости работы радиорелейнойлинии при заданных нормах на её качественные показатели.
Построениепродольных профилей производится в прямоугольной системе координат сприменением разных масштабов по горизонтали и вертикали. Высоты препятствий наповерхности земли измеряются в метрах, а расстояния между радиорелейнымистанциями – в километрах. Таким образом, высоты откладываются на профиле не полиниям, проходящим через центр Земли (т.е. по радиусу Земли), а по вертикали(по оси ординат), и отсчет их ведется не от горизонтальной линии профиля, а отлинии кривизны земной поверхности, принимаемой за линию уровня моря или заусловный нулевой уровень. Расстояния же между станциями откладываются не покриволинейной поверхности, а по горизонтали (оси абсцисс). При таком построениипрофиля земная поверхность изображается не окружностью, а параболой. Построениедуги земной кривизны (параболы) производится после определения расстояний междустанциями и максимальной разности высот на поверхности земли, так как взависимости от расстояния меняется масштаб по вертикали. Расстояния междустанциями, а также наиболее низкие (/>) инаиболее высокие (/>) точки профиляинтервала РРЛ связи определяются по данным топографических карт, и затемвычисляется максимальная разность высот, м />.
После выборамасштабов производится построение дуги земной кривизны.
Линия,изображающая на профиле уровень моря (дуга земной кривизны) или условныйнулевой уровень (условный горизонт) и имеющая вид параболы, рассчитывается поформуле
/>,
где у –текущая координата дуги нулевого уровня, м;
R0– протяженностьинтервала, км;
R1 – расстояние от левогоконца интервала, км, до точки, в которой определяется величина у;
/> – радиус Земли.
Максимальнаявысота препятствия, создаваемого выпуклостью земной поверхности, для любойпротяженности интервала R при />
/>.
Сдостаточной для практических расчетов степенью точности при />км можно принять
/>м,
где R выражено в км.
Длясокращения размеров чертежа высокие отметки отсчитывают от линии условногогоризонта, которая выбирается в зависимости от рельефа местности. Полученнаякривая характеризует профиль интервала данного участка связи.
5. Выбор оптимальных высот подвесаантенн
Из-занеравномерности вертикального градиента диэлектрической проницаемостипроницаемости атмосферы радиолуч получает искривление, что приводит к ухудшениюрадиосвязи. Если он встречается с естественным препятсятвием, то связьнарушается. Поэтому необходимо правильно определить просвет трассы путемправильного выбора высот подвеса антенн.
Радиолучперемещается внутри зоны Френеля, которая представляет собой элепсоид вращенияв точке приема и передачи. Минимальный радиус зоны Френеля определяется поформуле:
/>, м
где /> — длина пролета, м;
/> – длина волны, м;
/>, где R1 – расстояние допрепятствия.
Среднеезначение изменения просвета за счет рефракции, существующее в течение 80%времени, вычисляется по формуле
/>,
где />и /> – соответственно среднеезначение и стандартное отклонение вертикального градиента проницаемости(Приложение В).
При длинепролета меньше 50 км стандартное отклонение должно определяться по формуле
/>,
где σ –значение стандартного отклонения, 1/м;
у – находитсяиз рисунка В.1 приложения В.
Просвет приотсутствии рефракции
/>, м
Пример.
ДляАкмолинской области />, 1/м и />, 1/м.
/>.
/>, м,
/>,
/>, м,
/>, м.
Высотыподвеса антенн выбираются методом оптимизации. Для этого от критической точкипрофиля откладывается расстояние />и черезданную точку проводится три произвольных луча. Выбирается тот луч, у которого />, где h1 – высота подвесапередающей антенны, h2 – высота подвеса приемной антенны.
Напредставленном пролете h1 = 75 м, h2 = 15 м.
Длямоделирования профилей пролетов и выбора оптимальной высоты подвеса антеннстуденты могут воспользоваться программой DDRL31. Программа позволяетстроить профили пролетов для различных частот, типов оборудования, указывает напрофиле возможные точки отражения, зону Френеля. Есть возможность выбратьвысоту подвеса антенн.
/>
Рисунок2 – Выбор высот подвеса антенн
Программаимеет удобный, понятный интерфейс, изображенный на рисунке 3. На этом жерисунке пример построения профиля пролета.
6.Расчет запаса на замирание
Рассчетзапаса на замирание производится по формуле
/>, дБ,
где /> – коэффициент системы, дБ;
/> – коэффициенты усиленияпередающей и приемной антенн;
/>дБ – коэффициентполезного действия антенно-фидерного тракта;
/> – затухание радиоволн всвободном пространстве
/>, дБ,
где /> – длина пролета, км.
/>
/>
Рисунок3 – Интерфейс программы DDRL31
Пример
/>/>, />
/>, дБ
/>, дБ
7. Расчетвремени ухудшения связи из-за дождя, оптимизация пролета
Чем вышечастота радиоизлучения, тем сильнее влияет на ослабление сигнала размер капельи интенсивность дождя. Поэтому при расчете времени ослабления необходимоучитывать климатическую зону в зависимости от интенсивности дождя в течение 0.01%времени.
ТерриторияСНГ разделена на 16 климатических зон. Казахстан относится к зоне Е, длякоторой интенсивность осадков /> мм/час.
Коэффициентырегрессии для оценки затухания в зависимости от поляризации волны представленыв таблице Г.1 приложения Г.
Так какинтенсивность дождя неравномерно распределяется вдоль трассы, определяемэффективную длину пролета
/>,
где /> — длина пролета, км;
/> – коэффициентуменьшения;
/> — опорное расстояние, км.
Удельноезатухание в дожде в зависимости от поляризации волны
/>
Определяетсядля горизонтальной и вертикальной поляризации и выбирается наименьшее:
/> и />, дБ.
Затухание натрассе превышающее 0.01% времени определяется по формуле
/>, дБ.
Время, втечение которого ослабление сигнала больше чем запас на замирание: />, %.
При А0.01/Ft
Пример.
Для />=7 ГГц
/>, дБ/км
/>, дБ/км
Примечание –Так как величины очень малы, мы выбираем тип поляризации в соответствии сприведенным ранее частотным планом.
Горизонтальнаяполяризация
/>, км.
/>.
/>, км.
/>, дБ.
/>.
/>, %.
8. Расчетвремени ухудшения связи, вызванного субрефракцией радиоволн, оптимизация высотподвеса антенн
Стандартнаяатмосфера имеет наибольшую плотность у поверхности земли, поэтому радиолучиизгибаются книзу. В результате, просвет на пролете определяемый по минимальномурадиусу зоны Френеля не имеет постоянной величины, т. к. плотностьатмосферы изменяется и зависит от времени суток и состояния атмосферы.
Среднеезначение просвета на пролете
/>.
Относительныйпросвет
/>.
На чертежепрофиля пролета проводим прямую параллельно радиолучу на расстоянии />от вершины препятствия инаходим ширину препятствия r.
Относительнаядлина препятствия
/>.
Параметр />, характеризующийаппроксимирующую среду
/>,
где />.
Принимаем />.
Значениеотносительного просвета />, прикотором наступает глубокое замирание сигнала, вызванное экранировкой,препятствием минимальной зоны Френеля
/>,
где /> — множитель ослабления при />, определяемый из рисунка 3по значению />;
/> – минимальный допустимыймножитель ослабления;
/>.
Параметр />,
где />.
По графику определяем/>.
Пример.
/>, км.
/>, м.
/>, м.
/>.
/>.
/>.
/>, дБ.
/>, дБ (Приложение Д,рисунок Д1).
/>.
/>.
/>.
/> (Приложение В, рисунокВ.2), оптимизация высот подвеса антенн проводится, если />, при этом необходимоувеличить />, пересчитать />, />, /> и, соответственно, наэту величину увеличить h1 и h2 на пролете.
9. Проверка норм на неготовностьи окончательный выбор оптимальных высот подвеса антенн и опор
Характеристикинеготовности для ГЭЦТ (гипотетический эталонный цифровой тракт) установлены врекомендации 557МСЭ-Р.
ГЭЦТсчитается неготовой, если в течении 10 последовательных секунд возникли следующиеусловия или одно из них:
– передачацифрового сигнала прервана;
– вкаждой секунде BER хуже 10-3.
Неготовностьаппаратуры уплотнения исключается. Характеристики неготовности делятся нанеготовность оборудования и неготовность, вызванную условиями распространениярадиоволн, например, величина неготовности, вызванной дождем, составляет 30–50%.
Характеристикиготовности ГЭЦТ протяженностью 2500 км. определяются величиной 99.7%,причем эти проценты определяются в течение достаточно большого интервала времени.Этот интервал должен составлять более года, характеристики неготовностиопределяются, таким образом, величиной 0.3%.
Норма нанеготовность
/>,
где L – длина пролета, км
/>.
Должновыполняться условие:
/>,
где />.
Такимобразом,
/>.
Учитываяувеличение Н(g)для получения То(Vmin)
10. Расчет времени ухудшениярадиосвязи из-за многолучевого распространения
Примоделировании радиолиний протяженностью более чем несколько километров должныучитываться четыре механизма замирания в чистой атмосфере, обусловленныечрезвычайно преломляющими слоями:
а) расширениелуча (в англоязычной технической литературе это явление называетсярасфокусировкой луча);
б) развязка вантенне;
в)поверхностное многолучевое распространение;
г)атмосферное многолучевое распространение.
Большинствоэтих механизмов возникают сами по себе или в комбинации с другими механизмами.Сильные частотно-избирательные затухания возникают, когда расфокусировкапрямого луча сочетается с отражением сигнала от поверхности, что вызываетзамирание вследствие многолучевого распространения. Мерцающие замирания,вызванные небольшими турбулентными возмущениями в атмосфере, всегда имеют местопри этих механизмах, но на частотах ниже 40 ГГц их влияние на общеераспределение замираний не существенно. На больших глубинах замирания процентвремени ТИНТ, в течение которого в узкополосных системах непревышается уровень принимаемого сигнала в средний худший месяц, может бытьопределен с помощью следующего приближенного асимптотического выражения
/>, %,
где /> — запас на замирание, дБ;
d – длина пролета, км;
f – частота, ГГц;
К – коэффициент,учитывающий влияние климата и рельефа местности;
Q – коэффициент,учитывающий другие параметры трассы;
В, С – коэффициенты,учитывающие региональные эффекты.
/>,
где /> — процент времени свертикальным градиентом рефракции.
Коэффициенты />и /> для Казахстана равны 0.
/>
/>
где /> — наклон радиотрассы, мрад,
здесь h1, h2 – м;
d – км.
/>
Пример.
/>.
/>
/>, %.
11. Проверка норм на допустимоевремя ухудшения связи из-за многолучевого распространения волн
Норма надопустимое время ухудшения связи для высшего качества связи
/>,
где L – длина пролета, км;
2500 – длинаэталонной гипотетической линии.
Должновыполняться условие
/>.
Пример
/>.
/>.
12.Структурные схемы станций
/>
Рисунок 4 –Структурная схема ОРС
/>
Рисунок 5 –Структурная схема ПРС
Заключение
В даннойкурсовой работе была смоделирована и рассчитана радиорелейная линия прямойвидимости с передачей цифровых сообщений.
При выборемест расположения станций были учтены три важных фактора: наличие подъездныхдорог, наличие электропитания в районе, осуществление связи между населеннымипунктами.
По полученнымрезультатам можно сделать вывод, что все нормы на неготовность выполняются дажена самых протяженных пролетах. Замирания в дожде были снижены за счетправильного выбора поляризации, из-за субрефракции радиоволн – за счет выбораоптимального уровня подвеса антенн.
Список литературы
1 Л.Г. Мордухович, А.П. СтепановСистемы радиосвязи. Курсовое проектирование: Учебное пособие для высших учебныхзаведений – Москва: Радио и связь, 1987.
2 Л.Г. Мордухович Радиорелейныелинии связи. Курсовое и дипломное проектирование: Учебное пособие длятехникумов. – Москва: Радио и связь, 1989.
3 Системы радиосвязи /Подредакцией Н.И. Калашникова. – Москва: Радио и связь, 1988.
4 Справочник порадиорелейной связи. Каменский Н.Н. и др. /Под редакцией С.Н. Березина. –Москва: Радио и связь, 1981.