Проект участка цифровой радиорелейной линии для обслуживания электросетей Гатчинского района

Введение

Развитие и жизнь современного общества немыслимы без широкого использования разнообразных средств и систем передачи сообщений. Объем информации непрерывно возрастает, увеличивается дальность связи, более высокими становятся требования к надежности и качеству связи, эффективности использования оборудования. Все это приводит к непрерывному совершенствованию всех систем, в том числе и систем радиосвязи.

Современные системы радиосвязи развиваются в направлении увеличения их пропускной способности и помехоустойчивости. Особенно интенсивно в последнее десятилетие разрабатываются вопросы перехода от аналоговой формы передачи сообщений к цифровой. Использование цифровых методов позволяет не только повысить надежность передачи, но и в значительной степени уменьшить затраты на производство и эксплуатацию аппаратуры и линий связи.

Радиорелейные линии связи прямой видимости занимают одно из важнейших мест в системах средств передачи информации. Быстрое развитие технологии открывает новые возможности в этой области. Потребность в недорогих надёжных ЦРРЛ с относительно небольшой протяженностью и ёмкостью стремительно возрастает. Для частот выше 10 ГГц разработано и имеется на рынке большое количество типов аппаратуры. Конструктивно такая аппаратура выполняется в виде моноблоков, когда приёмопередающее оборудование и антенна составляют единое целое. Это дает возможность строить на линиях связи простые необслуживаемые промежуточные станции с относительно недорогими антенными опорами. Многие системы полностью автоматизированы, управляются микропроцессорными или компьютерными устройствами, имеют гибкую структуру и обеспечивают реализацию различных конфигураций сетей. Если сравнить использование радиорелейных линий и волоконно-оптических линий связи, то можно отметить следующие преимущества беспроводных технологий, которые с одной стороны требуют гораздо меньших затрат и времени на развертывание, чем ВОЛС, с другой стороны могут быть проложены оперативно в сложных географических условиях. Кроме того, радиорелейные линии наиболее эффективны при развертывании разветвленных цифровых сетей в больших городах и индустриальных зонах, где прокладка ВОЛС слишком дорога или невозможна, а качество передачи информации по современным РРЛ практически не уступает ВОЛС. Кроме того, надо отметить такую проблему кабельных линий связи как банальное воровство приводящее к понижению надежности ВОЛС. В пользу применения радиорелейных систем для построения территориально-распределенных сетей связи говорит и тот факт, что в мире большинство междугородных каналов связи образовано на таких системах (в США — 60−70%, в странах Западной Европы свыше 50%, в Японии порядка 50%). Это обусловлено прежде всего относительной простотой сооружения линии при незначительных затратах на строительство и эксплуатацию, а также возможностью оперативного разрешения проблем развития и реконструкции сети без дополнительных капитальных затрат.

Сегодня РРЛ стали важной составной частью цифровых сетей электросвязи — ведомственных, корпоративных, региональных, национальных и даже международных, поскольку имеют ряд важных достоинств, в том числе:

— возможность быстрой установки оборудования при небольших капитальных затратах. (малые габариты и масса РРС позволяют размещать их, используя уже имеющиеся помещения, опоры и всю инфраструктуру сооружений);

— организация многоканальной связи на участках местности со сложным рельефом (лес, горы, болота и пр.), — экономически выгодная, а иногда и единственно допустимая;

— возможность применения для аварийного восстановления связи в случае бедствий, при спасательных операциях и др.;

— эффективность развертывания разветвленных цифровых сетей в больших городах и индустриальных зонах, где прокладка новых кабелей слишком дорога или невозможна;

— качество передачи информации по РРЛ практически не уступает ВОЛС и другим кабельным линиям.

За шесть десятилетий своего развития радиорелейные линии (РРЛ) превратились в эффективное средство передачи сотен и тысяч телефонных сигналов на расстояния в тысячи километров, конкурируя с другими средствами связи, в том числе кабельными и спутниковыми, удачно дополняя их.

Открытие в 90-х годах российского рынка телекоммуникаций для зарубежных поставщиков наглядно выявило существенное отставание технического уровня наших радиорелейных станций (РРС) от мирового уровня. И не удивительно, что «серьезные» операторы связи стали использовать преимущественно зарубежные РРС. Понимая растущую конкуренцию, российские разработчики и производители РРС без привлечения иностранного капитала, используя отечественную научно-техническую базу, в короткие сроки сумели создать качественно новое поколение отечественных РРС, которые, не уступая зарубежным аналогам по основным техническим характеристикам, имеют значительно более низкую цену и неоспоримые преимущества в части обеспечения их монтажа и ввода в эксплуатацию, организации гарантийного и послегарантийного обслуживания.

Для этих РРС созданы СВЧ-узлы на основе GaAs технологии, в них реализованы современные методы модуляции QPSK, системы телеобслуживания и теленаблюдения. Для повышения надежности в станциях использованы компоненты фирм Hewlett-Packard, Motorola, Temis, а также устройства цифровой обработки и мультиплексоры цифровых потоков, выполненные на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС).

Современная радиорелейная аппаратура производитcя в виде двух составных частей: аппаратуры наружного размещения, включающей в себя выносные приемо-передающие модули и антенну, и аппаратуры внутреннего размещения. В наружной аппаратуре размещают все элементы, зависящие от диапазона и рабочих частот, а аппаратура внутреннего размещения содержит лишь элементы, определяющие трафик и стыки. При таком исполнении аппаратуры обеспечиваются большая унификация, гибкие возможности эксплуатации, предпосылки поэтапного наращивания пропускной способности.

Многие системы полностью автоматизированы, управляются микропроцессорными или компьютерными устройствами.

Технология цифровых РРЛ, достигшая высокого качественного и количественного развития во всем мире, стала в настоящее время совершенно необходимым звеном, создаваемого ныне в России нового телекоммуникационного пространства.

Построение систем передачи зависит от многих факторов, таких как вид сообщения, критерий качества передачи сигнала, стоимость и т. д. Обычно при проектировании предполагается заданный вид сообщения, а также корреспондирующие пункты. Уже на первом этапе проектирования должны быть выбраны наиболее подходящие системы, удовлетворяющие требованиям социально-экономического характера.

Основным критерием выбора системы передачи является экономическая эффективность, определяемая капитальными затратами и эксплуатационными расходами.

Данный дипломный проект посвящен проектированию цифровой радиорелейной линии, предусматривающей организацию связи для электросетей Гатчинского района. К введенной в эксплуатацию линии предъявлены следующие требования:

Проектируемая линия — цифровая радиорелейная линия, работающая в диапазоне выше 10 ГГц;

Скорость цифровых потоков на всех участках — 16 Мбит/сек, ЦРРЛ среднего качества (не ниже 4 класса).

Необходимо выполнение норм МККР на все качественные показатели;

Предъявленные требования определили содержание дипломного проекта.

В данном дипломном проекте представлены расчеты для четырех пролетов: 1). Тосно — Ульяновка, длиной 14.3 км; 2). Ульяновка-Форносово, длиной 15.2 км; 3). Форносово-Сусанино, длиной 15.3 км; 4). Сусанино-Гатчина, длиной 16.2 км.

1. Общие принципы построения ЦРРЛ и особенности современной аппаратуры

Радиорелейные линии связи основываются на принципах многократной ретрансляции сигнала, что иллюстрируется упрощенной структурной схемой, показанной на рис. 1.1. Различаются оконечные, промежуточные и узловые станции.

Оконечные станции устанавливаются в крайних пунктах линии связи и содержат модуляторы и передатчики в направлении передачи сигналов и приемники с демодуляторами в направлении приема. Для приема и передачи применяется одна антенна, соединенная с трактами приема и передачи при помощи антенного разветвителя (дуплексера). Модуляция и демодуляция сигналов проводится на одной из стандартных промежуточных частот (70 — 1000 МГц). При этом модемы могут работать с приемопередатчиками, использующими различные частотные диапазоны. Передатчики предназначены для преобразования сигналов промежуточной частоты в рабочий диапазон СВЧ, а приемники — для обратного преобразования и усиления сигналов промежуточной частоты. Существуют системы РРЛ с непосредственной модуляцией сигналов СВЧ (например, аппаратура Эриком-11), но они имеют ограниченное распространение. Упрощенная структурная схема оконечной станции показана на рис. 1.2.

Рис. 1.2 Упрощенная структурная схема оконечной станции Промежуточные станции располагаются на расстоянии прямой видимости и предназначаются для приема сигналов, усиления их и дальнейшей передаче по линии связи. Прием и передача сигналов на промежуточных станциях должна проводится на разных частотах для устранения паразитных связей в приемопередатчиках за счет влияния обратного излучения близко расположенных антенн. Разница между частотами приема и передачи называется частотой сдвига (fсдв). На рис. 1.3 показана структурная схема промежуточной станции.

Рис. 1.3 Cтруктурная схема промежуточной станции Узловые станции (рис. 1.4) выполняют как функции промежуточных станций, так и функции ввода и вывода информации. Поэтому они устанавливаются в крупных населенных пунктах или в точках пересечения (ответвления) линий связи.

Промежуток между ближайшими станциями называется пролетом (или интервалом) РРЛ. Протяженность пролета зависит от многих причин и, в среднем, достигает 50 — 60 км в диапазонах частот до 6 — 8 ГГц и нескольких км в диапазонах 30 — 50 ГГц.

Рис. 1.4 Узловая станция Промежуток между оконечной станцией и ближайшей узловой или между узловыми станциями называется секцией РРЛ, а совокупность приемопередающего оборудования образует ствол РРЛ. Различаются однонаправленные стволы и двунаправленные (для дуплексной связи).

При передачи сигналов в прямом и обратном направлениях применяются 2-частотные и 4-частотные системы. 2-частотная система (рис. 1.5) экономична с точки зрения использования полосы частот, выделенной для организации радиорелейной связи, но требует применения антенн с хорошими защитными свойствами от приема и передачи сигналов с боковых и обратных направлений. В диапазонах частот выше 10 ГГц широко применяются параболические антенны улучшенного исполнения с дополнительными экранами (воротниками), позволяющими достичь требуемых показателей. 4-частотная система (рис. 1.6) допускает применение более простых и дешевых антенн и позволяет улучшить защищенность линии связи от взаимных помех, но используется достаточно редко. Как правило, четырехчастотную систему можно рекомендовать для организации линий связи при очень сложной электромагнитной обстановке.

Для повышения экономической эффективности и пропускной способности радиорелейные системы часто делают многоствольными, в которых на каждой станции работают с различными частотами несколько приемопередатчиков через общие антенно-фидерные устройства.

Рис. 1.5 2-частотная система Рис. 1.6 4-частотная система

С целью увеличения надежности работы линии связи применяются различные способы резервирования. В диапазонах частот выше 10 ГГц в ЦРРЛ наибольшее распространение получают системы резервирования 1 + 1, когда на один рабочий ствол приходится один резервный. В сложных условиях распространения радиоволн, оба ствола могут быть использованы для организации разнесенного приема, существенно улучшающего устойчивость работы системы связи. Зачастую строятся простые одноствольные системы связи без резервирования, учитывая высокую надежность современной аппаратуры. К примеру, время наработки на отказ аппаратуры ЦРРЛ типа MINI — LINK E шведской фирмы ERICSSON достигает (согласно рекламе) 20 — 30 лет.

Широкое развитие информационных радиосетей заставляет строго регламентировать использование рабочих частот в выделенных диапазонах волн. На рис. 1.7 показан пример плана распределения рабочих частот для системы РРЛ, работающей в диапазоне 11 ГГц в соответствии с Рекомендациями 387−2 МСЭ-Р.

Рис. 1.7 План распределения рабочих частот для системы РРЛ, работающей в диапазоне 11 ГГц в соответствии с Рекомендациями 387−2 МСЭ-Р

В более высокочастотных диапазонах волн применяются гибкие частотные планы. Разнос частотных каналов в таких случаях определяется пропускной способностью (скоростью работы ЦРРЛ) и видом модуляции. Чаще всего применяется шаг разноса рабочих частот равный 3.5 МГц. Тогда, к примеру, при скорости работы 4 Мбит/с и 4-уровневой модуляции разнос частот можно выбрать равным шагу разноса, а при кратном увеличении скорости разнос также кратно увеличивается и может равняться 7, 14 или 28 МГц. В последние годы разработаны новые частотные планы с использованием двойной поляризации радиоволн, позволяющие существенно повысить эффективность использования частотного спектра.

Современная аппаратура радиорелейных систем для диапазонов частот выше 10 ГГц имеет определенные особенности в конструктивном выполнении по сравнению с более низкочастотной аппаратурой. В диапазонах частот до 10 ГГц приемопередающая аппаратура, как правило, выполняется в виде достаточно громоздких стоек, располагающихся в аппаратных помещениях. Связь с антеннами осуществляется фидерными волноводами, имеющими значительную длину и, следовательно, вносящими существенные потери. Переход к диапазонам частот выше 10 ГГц существенно изменил конструктивное выполнение аппаратуры. Аппаратура, работающая в диапазоне выше 10 ГГц, имеет небольшие габариты и располагается на вершине антенной опоры, объединенная в единый блок с антенной.

Рис. 1.8 Приемопередающий блок цифровой аппаратуры MINI-LINK для диапазона частот 23 — 38 ГГц

На рис. 1.8 показан пример конструктивного выполнения приемопередающего блока цифровой аппаратуры MINI-LINK для диапазона частот 23 — 38 ГГц. Здесь параболическая антенна имеет диаметр 30 см и соединяется с приемопередающим блоком непосредственно без волновода. Элементы для крепления всего модуля к антенной опоре располагаются на антенном блоке и имеют устройства для юстировки в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Приемопередающий блок можно легко отсоединить от антенного блока для замены, настройки и профилактики. В таком исполнении вес блока составляет 11−12 кг. Аппаратура позволяет использовать антенны и большего диаметра (0.6 и 1.2 м).

В случае применения антенны диаметром 0.6 м конструктивное выполнение остается таким же, как показано на рис. 1.8, а антенна диаметром 1.2 м соединяется с приемопередатчиком коротким гибким волноводом. Компактная аппаратура с небольшими габаритами и весом, которая применяется в диапазонах частот выше 10 ГГц, допускает использование облегченных антенных мачт, выполненных в виде ферм треугольного сечения или трубчатых конструкций, которые можно установить на высоких зданиях, дымовых трубах или возвышенных местах. Приемопередающие блоки соединяются коаксиальными кабелями с модемным оборудованием, располагающимся в помещении. Современное модемное оборудование — это легко трансформирующийся комплекс, функционирующий под управлением центрального или местного компьютера. Модемное оборудование может обеспечивать формирование и обработку цифровых потоков на скорости от 1 до 34 Мбит/с, проводить мультиплексирование потоков и функционировать в режимах организации сетей связи любой конфигурации. Для примера, на рис. 1.9 показана схема организации системы связи между локальными компьютерными сетями. Подобную схему можно применить и для связи между базовыми станциями подвижной связи. связи.

Пример типовой конфигурации цифровой сети связи представлен на рис. 1.10. Здесь показаны различные типы станций РРЛ, работающих с разными цифровыми потоками, с резервированием и без резервирования, функционирующие под управлением компьютера — менеджера сети.

Рис. 1.9 Схема организации системы связи между локальными компьютерными сетями.

Рис. 1.10 Типовая конфигурация цифровой сети связи В последние годы начинают бурно развиваться микроволновые многоканальные системы распределения информации (MMDS, MVDS, LMDS). Такие системы позволяют организовать распространение телевизионных программ или компьютерной информации для индивидуальных или коллективных абонентов. Системы MMDS представляют собой сеть базовых станций, работающих в диапазоне частот 2.7 ГГц, с антеннами, имеющими круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости и угол раскрыва порядка 3 — 6 град. В вертикальной плоскости (G = 12−17 дБ).

Множество приемных абонентских устройств (как индивидуального, так и коллективного пользования), с направленными антеннами, имеющими коэффициент усиления 25−35 дБ, располагаются в зоне прямой видимости от базовых станций. Обмен информацией между базовыми станциями осуществляется при помощи различных систем связи, в том числе и при помощи РРЛ. Наиболее перспективны, с точки зрения использования в подобных системах связи, диапазоны частот выше 10 ГГц, так как диапазоны часто ниже 10 ГГц сильно загружены и не позволяют строить компактные приемные устройства. Для локальных систем распределения информации (LMDS) предполагается использовать диапазон частот 27−29 ГГц. Применение частот выше 30 ГГц позволяет принимать информацию с высоким качеством только на небольших расстояниях (2 — 7 км) из-за малого коэффициента усиления антенн базовых станций (в случае применения кругового излучения) и значительных потерь при распространении в гидрометеорах и газах атмосферы. Однако габариты пользовательских антенн и ресиверов получаются весьма малыми. Поэтому в Европе выделен диапазон частот 40,5−42,5 ГГц для организации систем распределения видеоинформации.

Для передачи сигналов телевидения вполне может быть использован цифровой стандарт MPEG-2, получивший широкое распространение в спутниковых системах телевизионного вещания и модуляция COFDM, защищенная от интерференционных искажений. Для улучшения энергетических показателей на базовых станциях, возможно применение секторных и многолепестковых антенных систем с коэффициентами усиления до 30−40 дБ.

На рисунке 1.11 показана структурная схема оборудования, содержащая важнейшие элементы цифровой микроволновой аппаратуры малой, средней и большой емкости.

Современное микроволновое оборудование очень часто состоит из внутреннего и наружного модулей, соединенных одним или несколькими кабелями. Длина кабелей может составлять несколько сот метров. Внутренний модуль, устанавливаемый в помещении, — узел доступа, содержащий входные и выходные интерфейсы для исходных цифровых потоков, модемы и устройства контроля и управления. Входные и выходные интерфейсы могут быть электрическими (ЭИ) или оптическими (ОИ), причем некоторые типы аппаратуры содержат оба интерфейса или они устанавливаются по заказу.

В интерфейсах проводится согласование сигналов, поступающих по кабелям от аппаратуры мультиплексирования цифровых потоков, преобразование кодов (квазитроичный в NRZ и обратно) и выделение тактовой частоты (во входных устройствах).

Основная обработка сигналов перед модуляцией и после демодуляции осуществляется в соответствующих цифровых процессорах.

В передающей части внутреннего модуля цифровой процессор выполняет следующие операции:

· перемежение кодовых последовательностей (для защиты от длительных пакетных ошибок);

· предкоррекция ошибок (FEC) с использованием сверточных или блоковых корректирующих кодов;

· скремблирование (для улучшения статистических свойств цифровых сигналов);

· формирование цифровых потоков синфазных (I) и квадратурных (Q) каналов для последующей многоуровневой модуляции.

В цифро-аналоговом преобразователе (ЦАП) происходит формирование многоуровневых сигналов из цифровых потоков I и Q каналов в соответствии с применяемым видом модуляции. К примеру, при модуляции 4ФМ используются 2-уровневые сигналы, а при 16КАМ — четырехуровневые. Эти сигналы поступают в модулятор, где управляют колебаниями промежуточной частоты.

Рис. 1.11. Обобщенная структурная схема современного цифрового микроволнового оборудования

Модулированный сигнал промежуточной частоты проходит по коаксиальному кабелю на внешний блок через устройство фильтрации (УФ). Предварительно сигнал промежуточной частоты дополнительно модулируется различной служебной информацией и цифровыми данными управления системой.

В приемной части внутреннего модуля проводятся операции, обратные произведенным в передающей части. На вход приемной части поступают сигнал промежуточной частоты от внешнего блока по коаксиальному кабелю. Для устранения взаимных влияний в кабеле сигналы промежуточной частоты передачи и приема выбираются различными (на передачу — 300 — 800 МГц, на прием, чаще всего, 70 МГц).

По центральной жиле и оплетке того же кабеля подается питание (20 — 80 В постоянного тока) на внешний модуль оборудования. Внешний модуль содержит передатчик и приемник и устанавливается на антенной опоре в непосредственной близости от антенны или пристыковывается к ней.

Передатчик преобразует сигнал промежуточной частоты в рабочий диапазон частот и обеспечивает необходимую мощность выходного излучения. В данном примере структурной схемы тракт передатчика начинается с демодулятора служебной связи, в котором выделяются сигналы для управления работой внешнего модуля и контроля его параметров. Основной сигнал промежуточной частоты поступает через мощный усилитель ПЧ (МУПЧ) на вход преобразователя частоты, состоящего из смесителя (СМ) и задающего генератора. Колебания задающего генератора образуются в блоке гетеродинных частот.

Полученный в процессе преобразования сигнал, состоящий из несущей частоты задающего генератора и двух боковых полос, поступает через полосовой фильтр (ПФ) на блок усиления СВЧ (УСВЧ). Полосовой фильтр выделяет из преобразованного сигнала одну их боковых полос. Обычно в современной аппаратуре перед УСВЧ устанавливается управляемый аттенюатор, предназначенный для регулирования излучаемой мощности передатчика. Часто этот аттенюатор обеспечивает работу системы адаптивной регулировки мощности передатчика (АРМП) в зависимости от условий распространения сигнала на трассе.

Для улучшения линейности амплитудной характеристики передатчика применяются компенсаторы искажений по третьей гармонике, которые могут устанавливаться в тракте ПЧ (ПсК) или в тракте СВЧ (LNZ).

Сигнал с выхода передатчика проходит к антенне через блоки разделительных фильтров (РФ), выполняющих следующие функции:

— разделение сигналов различных радиочастот при многоствольной работе;

— обеспечение работы приемников и передатчиков через одну антенну;

— разделение сигналов различных поляризаций при соканальных частотных планах; обеспечение согласования приемников, передатчиков и антенн. Приемник преобразует сигнал из рабочего диапазона частот в промежуточную частоту и усиливает этот сигнал до необходимого уровня.

2. Алгоритм расчета параметров ЦРРЛ

Составим общий алгоритм расчетов, который заключается в последовательном подборе параметров аппаратуры и трассы для достижения заданных качественных показателей. На практике встречаются несколько задач при расчетах ЦРРЛ. Перечислим наиболее часто встречающиеся варианты.

1. Рассчитать линию связи при заданных пропускной способности и качественных показателях.

2. Рассчитать линию связи при заданных пропускной способности, диапазоне рабочих частот и качественных показателях.

3. Определить основные параметры линии связи при заданных аппаратуре и конечных пунктах.

4. Провести модернизацию существующей линии связи.

5. Определить возможность построения линии связи между пунктами при наименьшей стоимости системы.

Естественно, алгоритм расчета по разным вариантам необходимо модифицировать для конкретных условий В большинстве случаев расчет начинается с выбора диапазона рабочих частот, типов аппаратуры и параметров антенн.

Аппаратуру желательно выбирать с возможно меньшим значением уровня порогового сигнала на входе приемника при заданной пропускной способности и с возможностью варьирования несколькими значениями уровней мощностей передающих устройств.

При выборе антенн нужно пользоваться несколькими соображениями. Антенны с большим коэффициентом усиления увеличивают энергетический потенциал сигналов на линии связи, что улучшает качественные показатели. Такие антенны в определенной мере могут улучшить помеховую ситуацию на трассе РРЛ за счет хорошего защитного действия. Однако антенны с большим коэффициентом усиления имеют и большие размеры. Они подвержены сильным ветровым нагрузкам и требуют жесткого крепления и жестких антенных опор, что увеличивает стоимость линии связи. Поэтому нужно выбирать разумный компромисс между стоимостью и качеством.

Выбор мест расположения станций и продольных профилей пролетов? очень ответственный этап, во многом определяющий работоспособность линии связи. При этом нужно пользоваться качественным картографическим материалом, а в наиболее критических случаях проводить практическое обследование местности со съемкой основных высотных отметок. После определения мест расположения станций и уточнении протяженностей пролетов РРЛ можно рассчитать нормы, относящиеся к каждому пролету. Необходимо помнить, что нормы на цифровые РРЛ не установлены окончательно. Поэтому нужно следить за рекомендациями МСЭ-Р по данным вопросам.

На этапе расчета запаса на замирания в пролетах РРЛ можно сделать предварительные выводы о правильности выбора основных параметров пролетов, аппаратуры и антенн. В большинстве случаев запас на замирания не должен быть меньше 26−28 дБ. При таком запасе, в определенных условиях, еще возможно выполнение норм на показатели ЦРРЛ. Слишком большие запасы на замирания (50−60 дБ) экономически неоправданы и их нужно избегать.

Перед проведением расчета показателей неготовности требуется определить факторы, приводящие к нарушениям работоспособности линии связи. Как правило в рассматриваемых диапазонах частот работоспособность линии определяется, в основном, влиянием дождей (гидрометеоров). Закрытия трасс маловероятны при малой протяженности пролетов и учитываются в отдельных случаях).

Из всех показателей качества по ошибкам в большинстве случаев определяется процентная величина сильно пораженных секунд, остальные величины рассчитываются по потребности.

Если после выполнения вышеперечисленных действий нормы на неготовность и качественные показатели не выполняются, расчет повторяется с другими данными на аппаратуру, антенны или пролеты до получения удовлетворительных результатов.

Следующий пункт расчетов — учет помеховой ситуации для каждого пролета. Здесь необходимо провести анализ всех источников помех, провести расчеты отношений С/П и определить величины деградации порогов приемных устройств. После этого, пересчитываются запасы на замирания с учетом величин деградации порогов и повторяются все расчеты в целях получения требуемых качественных показателей. При невыполнении норм применяются меры по увеличению энергетических уровней сигналов на пролетах, изменению азимутов пролетов, планов распределения рабочих частот или структуры линии связи в зависимости от конкретной ситуации.

В некоторых сложных случаях приходится применять меры по повышению устойчивости работы системы связи на отдельных пролетах. Но подобные способы нужно использовать только в случаях крайней необходимости, так как они экономически невыгодны.

3. Нормы на качественные показатели

3.1 Показатели неготовности (ПНГ)

Неготовность аппаратуры — такое состояние участка ЦРРЛ, при котором в течение десяти секундных интервалов, следующих подряд, имеет место хотя бы одно из событий:

— пропадание сигнала (потеря синхронизации);

— коэффициент ошибок

k_о = N_ош / N > 10^-3,

где N — число переданных символов, Nош — число ошибочно принятых символов.

Причины, приводящие к неготовности аппаратуры:

— экранирующее влияние препятствия при субрефракции;

— влияние гидрометеоров (учитывается при частотах выше 6 ГГц);

— влияние промышленных атмосферных метеоров (экологические факторы). — ненадежность аппаратуры;

— ошибки обслуживающего персонала.

Таблица 3.1

В ряде случаев принято оценивать состояние оборудования термином «готовность». При этом общее время работы оборудования составляется из периодов готовности и неготовности, а линия находится в состоянии готовности, если оба ее направления «готовы».

При расчете ПНГ участка ЦРРЛ, предназначенной для передачи телефонных сигналов, необходимо учитывать, что есть два направления лини связи и, поэтому, сравнивать расчёты на пролёте с ПНГ/2. по поставленной задаче мы должны обеспечить среднее качество ЦРРЛ не ниже 4 класса. Исходя из этого рассчитаем величину ПНГ/2: для первого пролёта Тосно — Ульяновка (R₀=14.3 км) =0,0143%. Остальные расчеты занесены в таблицу 3.2

Таблица 3.2

3.2 Показатели качества по ошибкам (ПКО)

Показатели качества по ошибкам системы связи относятся к тем промежуткам времени, в течение которых система находится в состоянии готовности. Различаются следующие параметры:

— сильно пораженные секунды (СПС);

— минуты пониженного качества (МПК);

— секунды с ошибками (СО);

— остаточный koш (ОКО).

Сильно пораженные секунды представляют собой процент времени превышения величины koш = 10^-3 за 1 секунду. Минуты пониженного качества — процент времени превышения koш = 10^-6 за 1 минуту. Секунды с ошибками — процент времени превышения koш = 10^-6 за 1 секунду (эта норма определяет качество работы системы связи при передаче данных). В некоторых источниках имеется определение параметра секунды с ошибками как процентное отношение числа бракованных секунд, в течение которых имеется одна или больше ошибок к общему времени работы системы. Параметр СО определяется любыми причинами (а не только замираниями на трассе линии связи).

Величины всех этих параметров зависят от интерференционных замираний сигнала на интервале ЦРРЛ, которые складываются из гладких и частотно-селективных. К гладким замираниям необходимо относить такие замирания, которые не искажают частотную характеристику системы связи.

Соответственно частотно-селективные замирания влияют на АЧХ ствола РРЛ, т. е. в пределах полосы пропускания линии связи вносят различные ослабления на разных частотах. Эти замирания необходимо учитывать при полосе пропускания ВЧ ствола больше 10−15 МГц.

Необходимо иметь ввиду, что для проектирования новых цифровых беспроводных линий связи рекомендуется пользоваться новыми, более жесткими нормами, установленными в соответствии с Рек. G.826, особенно, при проектировании систем связи синхронной транспортной иерархии (SDH). Расчитаем СПС (4 класс) для первого пролёта Тосно — Ульяновка (R₀=14.3 км): =0,143%. Остальные расчеты приведены в таблице 3.4.

Таблица 3.3

Таблица 3.4

В дальнейшем мы будем рассчитывать показатели ПНГ/2 и СПС, и рассчитанные показатели не должны будут превышать нормы, которые посчитаны выше для каждого из пролётов.

4. Выбор рабочих частот

В настоящее время освоен весьма широкий диапазон рабочих частот для целей микроволновой радиосвязи, начиная с диапазона 2 ГГц.

Диапазон 2 ГГц (1.7−2.1 ГГц):

Этот диапазон характеризуется возможностью распространения сигналов на достаточно протяженных пролетах (до 50−80 км). Устойчивость распространения радиоволн в сильной степени зависит от экранирующего действия препятствий на интервалах РРЛ при атмосферной рефракции. В этом диапазоне волн антенны обладают весьма большими габаритами, и поэтому коэффициенты усиления не превышают 35−38 дБ при диаметрах параболических антенн до 5 м. С уменьшением размеров антенн эффективность системы связи резко падает. Диапазон подвержен влиянию помех от других радиотехнических средств.

Диапазон 4 ГГц (3.4−3.9 ГГц):

Наиболее освоенный и загруженный РРЛ диапазон частот. В этом диапазоне работают многие магистральные системы связи. Характеризуется возможностью получать довольно протяженные пролеты (40−55 км) при хороших качественных показателях. Остронаправленные антенны (с коэффициентами усиления порядка 40 дБ) обладают значительными габаритами и весом и, следовательно, требуют весьма дорогостоящих антенных опор.

На распространение сигналов оказывает существенное воздействие атмосферная рефракция, приводящая к экранированию сигнала препятствиями на пролетах, и интерференция прямых и отраженных волн.

Диапазон сложен с точки зрения электромагнитной совместимости, так как в нем работает множество радиотехнических средств.

Диапазон 6 ГГц (5.6−6.2 ГГц):

Популярный в последние десятилетия диапазон частот, предназначенный для магистральных систем связи. Позволяет получить достаточно эффективные системы РРЛ, передающие большие объемы информации. Средняя протяженность пролета достигает 40−45 км. Размеры антенн не слишком велики (например, антенна с коэффициентом усиления 43 дБ имеет диаметр 3.5 м).

На распространение сигналов оказывает существенное воздействие атмосферная рефракция, приводящая к экранированию сигнала препятствиями на пролетах, и интерференция прямых и отраженных волн.

Диапазон 8 ГГц (7.9−8.4 ГГц):

Диапазон 8 ГГц освоен в настоящее время достаточно хорошо. В нем работает большое количество радиорелейных систем средней емкости (порядка 300−700 ТЛФ каналов в стволе для аналоговых систем и до 55 Мбит/с — для цифровых). Существует и аппаратура большой емкости, предназначенная для передачи потоков STM-1.

В этом диапазоне на распространение сигнала начинают оказывать влияние гидрометеоры (дождь, снег, туман и пр.). Кроме того, влияет атмосферная рефракция, приводящая к закрытию трассы или к интерференции волн.

Средняя протяженность пролета РРЛ составляет 30−40 км. Антенны имеют высокий коэффициент усиления при диаметрах порядка 1.5 — 2.5 м.

Число радиосредств в России, использующих этот диапазон, пока относительно невелико, и, следовательно, электромагнитная обстановка благополучна. Однако необходимо учитывать помехи от соседних радиорелейных линий, работающих в данном диапазоне частот.

В настоящее время диапазон применяется для организации зоновых линий связи и различных ответвлений от магистральных систем. Отечественные и зарубежные фирмы хорошо освоили производство аппаратуры и предлагают на рынке широкий спектр аналоговых и цифровых систем как средней, так и большой емкости.

Диапазоны 11 и 13 ГГц (10.7−11.7, 12.7−13.2 ГГц):

Эти диапазоны перспективны с точки зрения эффективности систем РРЛ. При протяженности пролета 15−30 км, высокоэффективные антенны имеют небольшие габариты и вес, что обеспечивает относительную дешевизну антенных опор.

Доля влияния атмосферной рефракции на устойчивость работы систем уменьшается, но увеличивается влияние гидрометеоров.

В этих диапазонах, в основном, строятся цифровые радиорелейные системы связи на скорости до 55 Мбит/с, хотя, есть примеры передачи цифровых потоков со скоростями до 155 Мбит/с Аппаратура часто строится в виде моноблоков, т. е. приемопередатчики объединены с антенной и располагаются на вершине антенной опоры.

Но эти диапазоны используют большое количество радиосредств. Спутниковые системы связи, различные радиолокаторы и пеленгаторы, охранные системы создают неблагоприятную электромагнитную обстановку, что затрудняет работу в данных диапазонах.

Диапазоны 15 и 18 ГГц (14.5−15.35, 17.7−19.7 ГГц):

Интенсивное развитие систем связи привело к бурному освоению этих диапазонов частот.

Средняя протяженность пролетов достигает 20 км для зон с умеренным климатом. Аппаратура выполняется в виде моноблока. Типовые параболические антенны имеют диаметры 0.6, 1.2 или 1.8 м при коэффициентах усиления от 38 до 46 дБ.

В ряде регионов России диапазон 15 ГГц уже перегружен радиосредствами. Диапазон 18 ГГц пока более свободен.

На распространение сигналов сильное влияние оказывают гидрометеоры и интерференция прямых и отраженных волн. Ослабление в дожде может составлять 1−12 дБ/км (при интенсивности дождей 20−160 мм/час). Некоторое влияние оказывает и сама атмосфера (атомы кислорода и молекулы воды), ослабление в которой достигает 0.1 дБ/км.

Диапазон 23 ГГц (21.2−23.6 ГГц):

Согласно рекомендациям МСЭ-Р в этом диапазоне разрешено строить системы аналоговой и цифровой связи любой емкости.

Средняя протяженность пролетов меньше 20 км, так как на распространение сигналов сильное влияние оказывают гидрометеоры и ослабления в атмосфере. Желательно использовать вертикальную поляризацию радиоволн, хотя разрешено использование любой поляризации. Типовые параболические антенны имеют диаметры 0.3, 0.6 и 1.2 м.

Ослабление в дождях может быть от 2 до 18 дБ/км, а в атмосфере достигает 0.2 дБ/км.

Диапазон разрешено использовать в спутниковых системах связи. Поэтому при расчетах необходимо учитывать возможность помех.

Диапазон 27 ГГц (25.25−27.5 ГГц):

Диапазон предназначен для построения систем фиксированного радиообслуживания. Характеризуется несколько меньшим ослаблением (меньше 0.1 дБ/км) сигнала в атмосфере. Средняя протяженность пролета 12 км. Ослабление в дождях 3−24 дБ/км. Антенны имеют диаметр 0.3, 0.6 м.

Диапазон 38 ГГц (37−39.5, 38.6−40 ГГц):

Согласно рекомендациям МСЭ-Р в этом диапазоне разрешено строить системы аналоговой и цифровой связи любой емкости. Протяженность пролета меньше 8 км. В случае если показатель неготовности линии связи соответствует локальному качеству, протяженность интервала можно довести до 15 км.

Аппаратура представляет собой моноблок с антенной диаметром 0.3 м. Используется только вертикальная поляризация, так как, при этом получается лучшая устойчивость системы связи при наличии дождей.

Ослабление в атмосфере составляет порядка 0.12 дБ/км, а в гидрометеорах — от 5 до 32 дБ/км (при интенсивности дождей от 20 до 160 мм/час).

Диапазон 55 ГГц (54.25−57.2 ГГц):

Протяженность пролета составляет несколько километров при антеннах диаметром 15 см.

Ослабление сигнала в атмосфере до 5 дБ/км, а в дождях — от 7 до 40 дБ/км.

Диапазон 58 ГГц (57.2−58.2 ГГц):

В этом диапазоне разрешено строить системы аналоговой и цифровой связи любой емкости, но рекомендации также пока отсутствуют. Диапазон можно использовать для создания пролета РРЛ на расстояние в 1−2 км, используя антенны диаметром меньше 15 см. Ослабление сигнала в атмосфере до 12 дБ/км, а в дождях — от 9 до 45 дБ/км. Сильное влияние дождей приводит к неустойчивости работы системы связи.

Необходимо учитывать, что этот диапазон является почти предельным для создания радиосистем, так как на частотах выше 60 ГГц наблюдается непрозрачность атмосферы для радиоволн из-за поглощения энергии в атомах кислорода (резонансные частоты поглощения равны 60 и 120 ГГц [1], рис. 9.36). Однако, в последние годы, появился интерес к этим диапазонам для создания безлицензионных радиосистем с пролетами протяженностью 1−2 км.

В условиях очень сухого климата, при малой вероятности осадков или на коротких пролетах, может использоваться диапазон частот 84−86 ГГц и выше В России имеется аппаратура на диапазон частот 93 ГГц.

Для пролётов длиной 14.3, 15.2, 15.3, 16.2 км выбираем три диапазона: диапазоны 15 и 18 ГГц и диапазон 23 ГГц.

Для уменьшения глубины замираний и повышения устойчивости связи на РРЛ применяются специальные меры:

1. Создание систем с высоким энергетическим потенциалом за счет увеличения мощности передатчика и применения высокоэффективных антенн;

2. Использование направленных свойств антенн для увеличения различия в амплитудах интерферирующих волн и, следовательно, уменьшение глубины замираний;

3. Использование частотно-разнесенного или пространственно-разнесенного приема сигналов для борьбы с интерференционными замираниями.

В нашем проекте мы используем частотно-разнесенный прием. Это способ приема основан на принципе селективности интерференционных замираний. По данным экспериментов при частотном разнесении замирания сигнала статистически не зависимы, если величина разноса частот Дf? 0.02 f_пд,

где f_пд — частота передачи.

Несмотря на то, что применение частотно-разнесенного приема ведет к расширению используемой полосы частот, это способ повышения устойчивости связи нашел наиболее широкое применение на РРЛ.

5. Выбор мест расположения станций РРЛ, построение профилей пролетов и выбор величины подвеса антенны

При выборе мест расположения станций нужно учитывать принцип «зигзагообразности» линии связи, наличие подъездных путей и линии электропередачи, общий рельеф местности, характер почвы и пр. Это достаточно длительный и неоднозначный процесс, так как необходимо проводить выбор из множества возможных вариантов проведения трассы РРЛ. Кроме того, удачный выбор мест расположения станций для одного пролета может быть неприемлемым для соседних пролетов.

При расчете цифровых РРЛ необходимо строить профили каждого пролета при нулевой атмосферной рефракции и субрефракции. Известно, что наличие рефракции учитывается так называемой трансформацией профиля.

На рис. 5.1 — 5.6 показаны характерные примеры продольных профилей пролетов. Рассмотрим характерные особенности этих профилей, их возможные влияния на устойчивость работы линии связи и области применения в различных условиях.

Продольный профиль, показанный на рис. 5.1, не имеет больших перепадов высот и значительная часть поверхности покрыта лесом. При длине волны короче 5 см отражения от такой поверхности носят диффузный характер и коэффициент отражения Ф>0. Следовательно, с точки зрения интерференционных замираний такой вид профиля удачен. Но он неприемлем в случае протяженности пролета в 40 — 60 км, так как, при этом велика вероятность закрытия трассы из-за субрефракции (пунктир). Ширина препятствия на профиле велика, и в моменты закрытия трассы будут наблюдаться глубокие замирания, которые могут длиться минутами, а то и часами.

Рис. 5.1 Продольный профиль № 1

Конечно, можно выбрать такую большую величину просвета, чтобы закрытия трассы не могло быть, но, при значительной протяженности пролета высоты подвеса антенн будут слишком велики, что приведет к высокой стоимости линии связи. Поэтому, на длинных пролетах, такая форма профиля интервала нежелательна. На рис. 5.2 показан профиль того же пролета, но правая антенная опора переставлена на другое место (в данном конкретном случае — на расстояние около 2 км). Видно, что форма препятствия на профиле существенно изменилась. Препятствие стало более острым и, следовательно, при закрытии трассы, замирания сигнала уменьшатся по сравнению с препятствием рис. 5.1.

Рис. 5.2 Продольный профиль № 2

Рис. 5.3 Продольный профиль № 3

На продольном профиле (рис. 5.3) антенные опоры установлены на возвышенных местах, что, на первый взгляд, выгодно так как позволяет получить большую величину просвета при малых высотах антенных опор. Однако на участках пролета с координатами k = 0.2 до 0.7 имеются плоские участки, от которых возможно появление отраженных волн, приводящих к интерференционным замираниям. Положение усугубляется тем, что в середине пролета находится водное пространство. Коэффициент отражения от поверхности воды достигает 1 (при отсутствии волнения) и энергия отраженной волны будет равна энергии прямой волны, что приведет к возможному падению мощности сигнала на входе приемника при интерференции до 0.

Длительность интерференционных замираний составляет секунды и доли секунд. В цифровых системах связи интерференционные замирания определяют качественные параметры линии. Поэтому, выбирать пролеты с такими профилями нежелательно. Эти замечания не относятся к коротким пролетам, протяженностью несколько километров, так как отраженной волны может здесь не быть из-за направленных свойств антенных устройств. Например, такой пролет расчитывался для линии связи, проходящей через Северную Двину. Протяженность пролета составляет 4 км, величина просвета — 15 м, рабочая частота 11 ГГц, коэффициент усиления антенн 41 дБ. При этом радиус поперечного сечения электромагнитного луча, сформированного направленными свойствами антенны (диаграммой направленности), на середине пролета около 12 м (по уровню половинной мощности). Следовательно, в этих условиях появление отраженной волны невозможно и данная форма профиля вполне приемлема. При протяженности же пролета 20 км, радиус раскрыва диаграммы направленности антенны (на середине пролета) достигает величин в несколько десятков метров. Значит при такой форме пролета для устойчивой работы линии связи величина просвета должна превышать эти величины.

Рис. 5.4 Продольный профиль № 4

Профиль пролета, показанный на рис. 5.4, содержит участок (k = 0.87) от которого возможно появление отраженной волны. Но форма препятствия такова, что отражение может произойти от одной точки, а не от какой-то поверхности. В этом случае уровень отраженной волны невелик, и замирания сигнала из-за интерференции не очень глубокие. Отражения от наивысшей точки препятствия на профиле пролета (k = 0.22) в данном случае практически отсутствуют, так как эта точка покрыта лесом. Вероятность закрытия трассы из-за субрефракции для данного профиля невелика из-за близости вероятных точек отражения к антенным опорам (точки отражения расположены на краях пролета). Поэтому подобные профили пролетов позволяют получить приемлемые результаты работы линии связи.

Еще лучшее качество работы линии связи позволяют получить пролеты, в которых отраженная волна экранируется какими-либо препятствиями на профиле (например, лесом) как показано на рис. 5.5.

Рис. 5.5 Продольный профиль № 5

При наличии таких профилей необходимо проследить, чтобы экранирование отраженной волны происходило при всех значениях градиента диэлектрической проницаемости атмосферы (т.е. при любой возможной трансформации профиля).

Рис. 5.6 Продольный профиль № 6

Профиль пролета (рис. 5.6) имеет две возможные точки отражения электромагнитных волн. Показанные пунктиром линия прямой видимости и отраженные лучи, получаются здесь при примерно одинаковых высотах подвеса антенн.

Как следует из практики, добиться устойчивой работы цифровой РРЛ при двух или нескольких точках отражения очень трудно и дорого. Стремление получить только одну точку отражения заставляет выбирать разные высоты подвеса антенн (рис. 5.6). При этом отраженная волна от одного из препятствий, экранируется другим препятствием. Естественно, это условие необходимо проверять при различных трансформациях профиля.

Высокие технические характеристики современной аппаратуры цифровых РРЛ при правильном выборе профилей пролета позволяют пользоваться упрощенной методикой для определения просветов на интервалах линии связи и, следовательно, высот подвеса антенн. Основным критерием, является свободная первая зона Френеля. Радиус первой зоны Френеля:

(5.1)

где Ro — протяженность пролета, км, f — рабочая частота, (ГГц), k — относительная координата наивысшей точки на трассе.

5.1 Построение профилей пролётов, предварительный выбор высот подвесов антенн

1). Длина первого пролёта Тосно-Ульяновка 14.3 км. Рассчитаем для данного пролёта нулевой уровень при благоприятных условиях:

а). Без рефракции g= 0

y (g₁)=,

где a — радиус земной поверхности, a= 6.37*106 м

R_o=14 300 м

R_x=0 м, y (g₁)=0 м

R_x=700 м, y (g₁)= (/(2*6.37*10⁶)=0.75 м Дальнейший расчёт приведён в таблице 4.1.

б). Для субрефракции g 0,

где g — градиент диэлектрической проницаемости, Е — относительная диэлектрическая проницаемость воздуха,

g_суб=_ср+4.6· у_g(R₀),

где — математическое ожидание, среднее значение эффективного вертикального градиента диэлектрической проницаемости.

где y определяется по графику (рис. 5.15) y=0.67 для первого пролёта, уg — стандартное отклонение вертикального градиента диэлектрической проницаемости.

Для климатического района № 1:

для летних месяцев: = -9*10^-8, у_g=7*10^-8

тогда у_g(R₀)=(10^-7+(-9*10^-8/3.1))(-1)+(7*10^-8 /0.67)=13.94*10^-8()

g_суб= -9*10^-8+4.6*13.94*10^-8=55.12*10^-8()

для зимних месяцев: = -10*10^-8, у_g=3*10^-8

тогда у_g(R₀)=(10^-7+(-10*10^-8/3.1))(-1)+(3*10^-8 /0.67)=7.81*10^-8()

g_суб= -10*10^-8+4.6*7.81*10^-8=25.93*10^-8()

Из двух рассчитанных вариантов выбираем худший вариант — летние месяцы, так как в этом случае происходит большее закрытие трассы (g_суб=55,12*10^-8()). Тогда y (g₁)=.

При R_x=700 м y (g₁)=(6.37*10⁶*55,12*10^-8+2) (14 300−700) 700/ (4*6.37 * 10⁶) = 2,06 м. Остальные значения приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1