Методы совершенствования параметров электромагнитной совместимости радиоузлов региональной корпоративной системы связи

Настоящая работа посвящена проблеме совершенствования параметров электромагнитной совместимости (ЭМС) радиоузлов региональной корпоративной системы связи.

Поясним используемые в работе значения терминоврегион, ретональная корпоративная система связи, радиоузел, комбинированный радиоузел, точечная зона радиопокрытия населенной территории и т. д.

Pei ион (от латинского regio, regionis) — область, район, часть страны, отличающаяся от других областей совокупностью естественных и (или) исторически сложившихся, относительно устойчивых экономико-географических особенностей [3]. С регионом и его интересами отождествляют граждан, которые по ряду причин (морально-этических, экономических, политических) привязаны к данной территории, организации и предприятия, связанные с природными ресурсами, культурными и климатическими особенностями территории, для которых эти особенности незаменимы [2] Примерами сформировавшихся регионов России являются1 Центральный регион, Поволжский pei ион, Северо-Кавказский регион, Северный регион (Архашельская, Вологодская области, Карелия, Коми), Западно-Сибирский регион (Алтайский край, ГорноАлтайская, Кемеровская, Новосибирская, Омская, Томская, Тюменская области), ВосточноСибирский регион (Красноярский край, Иркутская, Читинская области, Хакассия, Бурятия, Тува), Дальневосточный регион (Приморский и Хабаровский края, Еврейская, Амурская, Камчатская, Магаданская, Сахалинская области, Якутия) [12, 13].

Усиление роли регионов Севера, Сибири и Дальнего Востока (С, Сб и ДВ) в экономическом обеспечении России за счет активизации деятельности ресурсодобывающих предприятий (нефть, газ, алмазы, редкие металлы и т д) в районах залегания месторождений полезных ископаемых (рис. В.1) [5, 6] объективно приводит (с учетом тенденций по созданию глобального мирового сообщества) к усилению роли информационного обеспечения деятельности всех региональных структур (государственных, промышленных, инфраструктуры, т. е. жизнеобеспечения) [1, 4, 11] Тенденции усиления роли информационного обеспечения в жизни общества особенно ярко проявились в развитии мобильной компоненты информационных технологий — сотовых, транкинювых и спутниковых систем связи При этом, значимость сферы информатизации в жизни развитых стран мира подтверждает тот факт, что уровень инвестиционных вложений этих стран, направленных на разработку, создание и обслуживание существующих и проектируемых сегментов информационных технологий сопоставим с вложениями в сферу материального производства[4].

Появление в регионах С, Сб и ДВ, характеризующихся крайне низким уровнем развития информационной инфраструктуры (рис В 2), крупных корпоративных коммерческих структур (добыча и транспортировка углеводородного сырья, продуктов их переработки, других видов полезных ископаемыхсухопутные, речные и морские грузоперевозки и т д), а так же необходимость модернизации систем связи государственных pei иональных корпоративных структур (МВД, МЧС, Пограничная служба России, службы государственного таможенного комитета и т д) обусловили потребность в разработке на основе перспективных информационных технологий региональных корпоративных систем связи (РКСС), обслуживающих абонентов одного ведомства (или группы ведомств). Такие РКСС должны разрабатываться с учетом особенностей регионов, характеризующихся: низкой плотностью населения (точечный характер заселения), проживающего на территориях этих регионов (Дальневосточный регион — 1,2 чел /км2, Восточно-Сибирский.

9 «У регион — 2,2 чел/км, Северный регион — 4,1 чел/км и т. д) — для сравнения — плотность населения в Центральном регионе составляет 61,4 чел. /км2 [12],.

ОКЕАН црманск.

Певе".

Сеаерная | земля.

Архангельск згилд я-гзД Нарьян-Мар ДТТксон.

I шт 109−1(1.

1цдиниа Норильск щ 100−13?.

6-ЗЕ (.

Зоркута.

9 У.

Салехард.

•г"170 хаганга.

Тиксч.

Игарка.

Сургут.

• Якцтск.

1 а 5 в, А Д, А? 3 а 5 4 • 5 К ¦ 1 IV 8 а 5 ¦ш ся я э 1П •.

17 ®-а<2>5 13 а 5 ¦ а 14 в Ў 1 В © п 18 • 1Я? п 1 71 оо.

Рис. В.1. Месторождения полезных ископаемых в зоне влияния СМП — Северный морской путь, а — основная трасса, б — линия международного транзита- 2—21 месторождения: 2—нефти (а), газа (6). газоконденсатные —в)-3— медно-никелевые с платиноидами: 4 — алмазов: а-6 — коренных: а — ювелирных. 0 — технических, в — россыпных: 5—железа: 5—апатита: 7—оедких.'металлов- 3 — флогопита (а) и мусковита (б): 9— каменного угля (а} и битума (б): 10—полиметаллические (РЬ. 7п): 11 —.бокситов- 12—золота рудного (а), россыпного (б) — 13 — металлов платиновой группы: естественные (а) и техногенные (б): 14 — олсеа рудного (а) и россыпного (б) — 15 — олово-вольфрамовые: 16—ртути- 17 — марганца- 13—хромита- 19 — мамонтовой кости: 20 — каменной соли- 20 — флюорита- 21 — южная границы арктических геологожономических районов: 1 — Мурманско-Архамгельскяй, 2 — Большезеиельсхий. 3 — Западно-Сибирский, 4 — Таймырский, 5 — Якутский, 6 — Чукотский.

INTELSAT 604.

АРХАНГЕЛЬСК.

IBFOPOJ ивАИоёо-' Д^"^В|Ьадимир ^ пкрмь.

TVnA. >"'ИЖЕВСК.

АЧРЯЗАИЬ /КАЗАНЬ.

КАЛИНИНГРАД.

ЕКАТЕРИНБУРГ.

ТЮМЕНЬ.

ТОЛЬЯТТИ 1. й" АРА—/ УФА.

ВОРОНЕЖ.

ТОМСК.

ОМСК.

КРАСНОЯРСК.

НОВОСИБИРСК.

ВОЛГОГРАД.

КИШЕНЁВ*.

АСТАНА.

РОСТОВ-на-ДОНУ.

КРАСНОДАР Яь -' АСТРАХАНЬ «^ВЛАДИКАВКАЗ.

ИРКУТСК.

ХАБАРОВСК ЮЖНО-САХАЛИНСК.

Тбилиси.

ЕРЕВАН — БАКУ.

АЛМАТЫ.

БИШКЕК.

EXPRESS 6А INTELSAT 703.

КИПР.

ДУШАНБЕ.

— Спутниковые станции МТРК «МИР» .

— Спутниковые станции МирТелеКом.

Интегрированная сеть «МирТелеКом» и МТРК «Мир» .

Рис. В.2 суровыми климатическими условиями регионов (климат, преимущественно, резко-континентальный и арктический), что ведет к необходимости разработки технических средств (ТС) РКСС, устойчивых к воздействию перепадов температур от минус 40 °C до 30 °C и ветровых нагрузок до (12 20) м/с [13], наличием множества очагов экономической, промышленной и 1ехногенной деятельности населения, разделенных необитаемыми, лесистыми, болотистыми, тундровыми (вечная мерзлота в т ч) и гористыми пространствами [1,11, 12,16].

В то же время, ТС информационного сектора инфраструктуры регионов С, Сб и ДВ находятся на очень низком уровне как в количественном, так и в качественном отношениях и характеризуются. большой неравномерностью распределения по регионам [4]- устаревшей технической базой (удельный вес перспективного цифровою коммутационного оборудования городских и сельских телефонных станций составлял в 1994 году 2% и 0,23% соответственно), необходимостью огромных финансовых вложений в сегмент спутниковых систем связи (ССС) для создания и технического обслуживания как космического (космические аппараты — КА), так и наземного (земные станции, Центр управления системой — ЦУС, региональные земные станции) компонентов ССС (при средней потребности развитых стран в услугах ССС в (25.30)% от общего рынка услуг в сфере информагизации, рынок этого сектора в России увеличился с 6% в 1993 году [7] до 7,2% в 2001 году [8]), значительными техническими трудностями при эксплуатации наземной компоненты ССС в районах Северо-Востока России и ее арктических регионах в условиях сильных ветровых нагрузок и частого обледенения антенно-фидерного тракта, сильно пересеченной местности и низких углов склонения КА [9].

Как следует из вышеизложенного, точечный характер заселения регионов С, Сб и ДВ приводит к необходимости разработки РКСС по структурной схеме, которая должна обеспечить объединение точечных зон радиопокрытия (территориально совпадающих с границами обслуживаемых населенных пунктов, расположенных в регионе) в единое информационное пространство корпорации и сопряжение РКСС с глобальными сетями страны (Транссибирской ВОЛС, Трансатлантической ВОЛС — «ТАЛ-3» (проектируемой), I осударственной ТСОП, ЗС ССС), с РКСС соседних регионов.

Как и всякая сложная система, РКСС является многоуровневой иерархическои системой [18, 29], первый (нижний) уровень которой состоит из радиоабонентов, оснащенных носимыми или возимыми радиостанциями, а второй и последующие уровни в качестве основного элемента содержат радиоузлы (РУ) РКСС различной комплектации и назначения в зависимости от выполняемых функций и иерархической принадлежности Определим РУ по аналогии с узлами коммутации локальных вычислительных сетей, как элемент РКСС, представляющий совокупность технических средств и программного продукта (при реализации автоматизированного РУ), предназначенных для образования, распределения и/или коммутации каналов связи (сообщений) по заявкам радиоабонентов РУ РКСС, обычно, являются комбинированными, т. е. обеспечивающими обработку разнородных сигналов — телефонных, телеграфных, поступающих на РУ по кабельным линиям связи, сигналов радиосвязи, поступающих от радиоабонентов, сигналов от ССС По типам РУ РКСС мо1ут выполняться стационарными или мобильными (подвижными, т е технические средства связи и энер! опитания которых размещаются на какой-либо транспортной базе и обеспечивают работу РУ в движении или на стоянке).

В процессе выполнения определенных выше функций (образование, распределение или коммутация каналов связи/сообщении) РУ РКСС должен обеспечивать в предельном случае полнодоступную многоканальную ретрансляцию (в реальном масштабе времени в т. ч) сигналов телефонных — ТлфА, телеграфных — ТлгА и радиоабонентов — РА Процесс ретрансляции разнородных сигналов в реальном масштабе времени связан с необходимостью ведения дуплексной работы ТС различного рода (коротковолновых — КВ, ультракоротковолновых — УКВ, радиорелейных станций — РРС и т д), сосредоточенных, в большинстве случаев, на ограниченной территории, что наиболее характерно при реализации РУ в подвижном варианте.

В этой связи при разработке и эксплуатации РУ РКСС актуальным является вопрос обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) ТС РУ при выполнении РУ своих функций [16, 32, 52].

Основой для оценки достаточности применяемых методов обеспечения ЭМС ТС РУ на начальном этапе проектирования РУ является анализ электромагнитной обстановки (ЭМО) РУ, отражающей. вариант (варианты) размещения ТС РУ (ТС комбинированного подвижного РУ — КПРУ) на местности, конкретный состав ТС РУ (радиоприемные устройства — РПУ, радиопередающие устройства — РПДУ, приемопередающие радиостанции — ГТГТР, антенно-фидерные устройства — АФУ, антенно-фидерные системы — АФС и т. д).

При этом, в зависимости от вида разрабатываемого РУ (стационарный, с разнесением на местности передающего радиоцентра — ПрдЦ и приемного радиоцентра — ПрмЦ, подвижный, с разнесением на местности ПрмЦ и ПрдЦсовмещенные РУкомбинированные РУ), должна использоваться та или иная модель ЭМО и определенный набор параметров IС РУ и трассы взаимодействия между источником непреднамеренной электромагнитной помехи (НЭМП) (передающая АФС) и рецептором этой помехи (приемная АФС).

Значительное количество работ по проблематике ЭМС посвящено оценке вероятностно-временных показателей ЭМС радиоэлектронных средств (РЭС) ([64, 74, 81]), где в качестве исходных данных используются средние длительности сигналов (НЭМП) и пауз между ними, значения среднего времени восстановления связи в радиолиниях при отказах, обусловленных воздействием НЭМП, совокупность величин частотных разносов для видов НЭМП и каналов приема Результатами проведенных оценок являются такие вероятностные показатели ЭМС, как среднее время восстановления связи в радиолинии и коэффициент готовности линии. В [81] для комплексов РЭС, находящихся в эксплуатации, предложен критерий ЭМС, позволяющий произвести оценку пораженного в результате воздействия НЭМП диапазона частот, выраженную в денежной форме.

Различные аспекты оценки ЭМС РЭС нашли отражение в обширной литературе, наиболее полный перечень которой приведен в Приложении [53] и в [54]. Однако, большинство цитируемых публикаций ([53, 54, 73, 74, 76 .]) посвящено вопросам оценки ЭМС РЭС, размещаемых на летательных аппаратах (ЛА) — самолетах, вертолетах, ракетах и, преимущественно, в диапазоне от ОВЧ-УВЧ (метровые волны) до СВЧ (сантиметровые волны).

Для комплексов РЭС, работающих в диапазоне ВЧ (декаметровые волны) и смежном с ними диапазоне ОВЧ, отсутствует систематическое изложение вопросов разработки моделей ЭМО для различных вариантов построения РУ и рассмотрение методов достижения ЭМС РЭС.

В [16], с 198, рассмотрены вопросы оценки ЭМС коротковолнового РУ с разнесенными на местности ПрмЦ и ПрдЦ при поступлении непреднамеренной электромагнитной помехи через ионосферный канал распространения В результате анализа ЭМО рассматриваемого ВРП определено, что разнос на местности между ПрмЦ и ПрдЦ, составляющий 30 км, обеспечивает ЭМС ТС РУ.

В известной литературе недостаточно подробно освещены вопросы оценки коэффициента развязки между антеннами ПрмЦ и ПрдЦ из состава РУ, расположенных в непосредственной близости (для случаев совмещенных и комбинированных РУ), взаимодействие между которыми происходит радиоволной, распространяющейся вдоль земной поверхности [43]. 48] При этом приемные и передающие антенны из состава РУ могут быть размещены на расстояниях -30 км и более [82] Попытка применения в KB диапазоне радиоволн эмпирической модели оценки коэффициента затухания радиосигнала ЫРМ-73 [77] с учетом рекомендаций, изложенных в [54], привела к значительной погрешности [175], что, в свою очередь повлекло значительную погрешность определения параметров ЭМС РУ.

Обобщая изложенное выше, можно определить общую задачу данной работы, как исследование методов совершенствования параметров ЭМС радиоузлов региональной корпоративной системы связи и разработка технических средств, обеспечивающих реализацию этих методов.

В первой главе дан анализ состояния дела в области многоканальных систем связи, определены особенности корпоративных систем связи по сравнению с системами связи общего пользования Рассмотрена структура перспективной РКСС На основе анализа системы связи, как системы массового обслуживания, показана необходимость оптимизации количества каналов приема/передачи РУ в целях реализации методов совершенствования ЭМС РУ Проведен выбор канала связи между РУ, определены основные принципы, на основе которых следует разрабатывать перспективные радиоузлы.

Рассмотрены структуры трех типов РУ и определены особенности их построения, влияющие на структуру модели электромагнитной обстановки РУ Предложен вариант построения подвижного РУ, обеспечивающего ретрансляцию сигналов радиоабонентов в реальном масштабе времени при движении транспортных средств при мощностях РИДУ из состава РУ 0,5 1 кВт.

Проведен анализ многообразия параметров ЭМС РУ, из которых выделены определяющие группы — пространственно-энергетические и спектральные.

Обсуждены результаты натурных экспериментов при работе макетов РУ РКСС ионосферной волной (ВРП) (трасса Новосибирск — Омск — Новосибирск) и поверхностной волной — РПВ (трасса Омск — Российско-Казахстанская граница).

Во второй 1 лаве рассмотрены модели и их особенности РУ однородного, с разнесение на местности ПрмЦ и ПрдЦ для случая реализации РУ в виде ВРИ и РПВ, однородного совмещенного РУ- - комбинированного РУ.

Определены основные каналы поступления непреднамеренной электромагнитной помехи на вход РПУ из состава РУ.

Приведены результаты вычислительных экспериментов по апробации разработанных моделей ЭМО Приведены результаты разработки методик измерения параметров ЭМС ТС и результаты их применения при измерении параметров ЭМС реальных ГС.

В третьей главе выявлен механизм влияния антенно-фидерных систем РУ на ЭМС РУ РКСС различного типа и предложены методы совершенствования пространственно-энергетических параметров ЭМС РУ за счет адаптации характеристик приемных антенн к изменяющимся характеристикам КВ радиотрасс ионосферной волны.

Предложены методы совершенствования пространственно-энер1етических параметров ЭМС РУ и их реализация в различных конструкциях антенн. Приведены результаты натурных испытаний макета модифицированной однопроводной антенны бегущей волны, проведенные на приемном радиоцентре ПГУС «Приморрыбпрома» (п Преображение, Приморский край) на трассах протяженностью 1840 2500 км (п Преображение — Северокурильск, п Преображение — Олюторовский залив).

В четверюй главе приведены результаты разработок и методов и средств улучшения спектральных параметров ЭМС РУ путем оптимизации характеристик функции скругления переходных процессов сигналов передачи дискретной информации.

Рассмотрен метод представления синтезируемых сигналов, характеризующихся минимальной занимаемой полосой частот. Реализация метода осуществляется на элементах цифровой техники.

На защиту выносятся следующие основные результаты и выводы.

1 Уточненные модели оценки электромагнитной обстановки радиоузлов РКСС различного типа, содержащие до шестнадцати параметров технических средств радиоузлов и линий связи, и учитывающие особенности радиоузлов.

2 Метод совершенствования пространственно-энергетических параметров ЭМС радиоузла для трасс ионосферной волны путем стабилизации угла возвышения биссектрис диафамм направленности приемной и передающей антенн.

3. Влияние процесса нормирования спектральных параметров дискретных сигналов на параметры ЭМС радиоузла РКСС.

4 Метод представления синтезируемых сигналов, характеризующихся минимальной занимаемой полосой частот.

Практическая ценность. Результаты работы нашли применение при проектировании радиоузлов, разрабатываемых в интересах ряда Заказчиков Разработаны и прошли практическую проверку при проведении государственных испытаний опытных образцов РУ модели оценки ЭМО многоканальных РУ с разнесением ПрмЦ и ПрдЦ на местности, комбинированного РУ. Разработанные рекомендации по размещению на местности подвижных РУ обеспечивают выполнение целевых функций РУ при минимально возможных расстояниях разнесения на местности ПрмЦ и ПрдЦ, что обеспечивает повышение надежности функционирования внутриузловой связи РУ и тем самым — повышение надежности функционирования РУ в целом. Характеристики синусоидальной функции скругления сигналов с угловой манипуляцией реализованы в устройстве (блоке) преобразования сигналов, входящем в состав изделий «Маяк-1», «Маяк-1КГ», «Лазурь», «Лазурь-2», «Хриюлит», «Опал-Краб» .

Предложенные методы совершенствования пространственно-энергетических характеристик РУ положены в основу разработки ряда антенно-фидерных устройств.

Разработан и исследован метод дискретного представления синтезируемых си1 налов, харакгеридующихся минимальным значением занимаемой полосы часют, позволяющий реализовать устройства преобразования сигналов на элементах цифровой техники.

Структура и объем работы. Диссертация изложена па 190 страницах, содержит 86 рисунков и 22 таблицы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, содержащего 175 источников, и приложения.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1 Проведен анализ схем построения радиоузлов различного вида (однородные коротковочновые с разнесением на местности радиоприемных и радиопередающих центровсовмещенные однородные коротковолновые, совмещенные комбинированные КВ-УКВ диапазонов), позволивший выявить минимальное количество значимых параметров ЭМС радиоузлов, обеспечивающих оценку электромагнитной обстановки радиоузлов.

2 Разработаны уточненные модели оценки электромагнитной обстановки, учитывающие особенности радиоузлов РКСС различного типа (однородные коротковолновые с разнесением на местности радиоприемных и радиопередающих центров, совмещенные однородные коротковолновые, совмещенные комбинированные КВ-УКВ диапазонов), разработанные с учетом параметров технических средств радиоузлов, линий связи и трасс распространения непреднамеренных электромагнитных помех.

3 Предложен метод совершенствования пространственно-энергетических параметров ЭМС радиоузла для трасс ионосферной волны путем стабилизации угла возвышения биссектрис диафамм направленностей приемной и передающей антенн и ею реализация в виде модифицированной антенны бегущей волны, обеспечивающей снижение напряженности ЭМО радиоузла.

4 Предложен метод повышения эффективности АФС на трассах земной волны и ею реализация в виде антенны штыревой диапазонной или их совокупностью, обеспечивающие «прижатие» диаграммы направленности к поверхности земли.

5 Предложен метод представления синтезируемых сигналов, характеризующихся минимальной занимаемой полосой частот и обеспечивающих экономию радиочастотного ресурса, заключающийся в преобразовании необходимого закона изменения амплитуды синтезируемого сигнала в соответствующие изменения фаз трех базисных функций с постоянными амплитудами, что обеспечивает реализацию устройств преобразования сигналов на элементах цифровой техники.

6 Предложены функции плавно! о изменения информационного параметра сш налов передачи дискретной информации от одного кодового значения к другому/функции скругления, позволяющие минимизировать вероятность ошибки приема сигналов, чго способствует уменьшению напряженности электромагнитной обстановки при размещении на местности радиоузлов РКСС.

Заключение

.