1573

5.БЕСПРОВОДНЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

5.1.Радиорелейная связь

Радиорелейные системы прямой видимости

Радиосистема передачи, в которой электромагнитные сигналы передаются с помощью наземных ретрансляционных станций, назы-

вается радиорелейной системой связи (от англ. Relay – передавать,

транслировать). Цепочка радиорелейных станций (рис.5.1) образует радиорелейную линию связи (РРЛС). Сигналы от первой станции принимаются второй, усиливаются и передаются далее к третьей станции, там вновь усиливаются и передаются к четвертой станции и т. д. Чтобы обеспечить радиорелейную связь в пределах прямой видимости, высоты антенных опор между соседними станциями могут достигать 100 – 120 м.

Расстояние между соседними радиорелейными станциями обычно составляет 20 – 70 км в зависимости от условий местности и необходимости размещения станций в заданном пункте.

Рис.5.1. Радиорелейная линия связи

Станции, устанавливаемые на конечных пунктах РРЛС и предназначенные для введения и выделения передаваемых сигналов, на-

зываются оконечными радиорелейными станциями (ОРС), станции ретрансляции называются промежуточными радиорелейными станциями (ПРС). На отдельных ПРС, называемых узловыми, осуществляется ответвление части сигналов для передачи в другом направлении или частичного выделения сигналов для передачи потребителям.

71

Аппаратура радиорелейной системы связи (РРСС) состоит из

каналообразующей аппаратуры (КОА), радиопередатчиков, радиоприемников и антенно-фидерных трактов [1]. Приемопере-

дающий комплекс используется для организации многоканальной аналоговой (телефонной, телеграфной и телевизионной связи), а также цифровых каналов связи. В тех случаях, когда РРСС предназначена для передачи большего числа различных сигналов, в состав аппаратуры может входить несколько приемопередающих комплексов, работающих в одном направлении на различных частотах. Каждый из таких комплексов сверхвысокочастотных приемопередатчиков принято называть стволом.

На ОРС с помощью КОА формируется группой сигнал из нескольких стволов, который модулирует несущую частоту передатчика f1. Модулированный радиосигнал с выхода радиопередатчика через

разделительно-полосовой фильтр (РПФ) подводится к антенне и излучается в сторону ближайшей РПС.

Радиосигнал, принятый антенной ПРС или УРС, с помощью РПФ распределяется по стволам, усиливается, преобразуется с целью восстановления характеристик сигнала и выделения необходимых каналов для ответвления и передачи потребителям, вновь мультиплексируется и поступает на радиопередатчик. При этом для устранения влияния излучения передатчика на приемник осуществляется преобразование частоты радиосигнала f1 в частоту f2. После преобразования радиосигнал излучается антенной в направлении следующей станции. Процесс приема радиосигналов на ОРС не отличается от рассмотренного. Каналообразующая аппаратура ОРС осуществляет разделение сигналов для соответствующих потребителей: узлы связи, междугородние телефонные станции, радио- и телевизионные компании.

Поскольку в РРСС поддерживается несколько стволов с большим число каналов разного назначения, то в приемопередающих комплексах используется дополнительное оборудование для обслуживания в следующих случаях: замирание из-за многолучевости, вызванное атмосферной рефракцией; неисправности оборудования и перерывы на техническое обслуживание. Атмосферная рефракция приводит к появлению кроме основного луча электромагнитной волны второго луча от отраженного слоя атмосферы. Если вторичный луч приходит в противофазе к первичному, то это приводит практически

72

к исчезновению исходного сигнала. Величина такого ослабления зависит как от амплитуды, так и от фазы вторичного луча. Для поддержания работы РРСС на частотах, где возможно замирание, применяется способ частотного разнесения, использующий резервный передатчик, работающий на отличной от основной частоты, и простран-

ственное разнесение [4].

Способ частотного разнесения , представленный на рис. 5.2, дает возможность при возникновении замирания от многолучевости автоматически подключать резервный передатчик, что также обеспечивает аппаратное резервирование для защиты от сбоев.

Рис. 5.2. Способ частотного разнесения для защиты от замирания

Пространственное разнесение

Так как глубокое замирание происходит только в том случае, если второй луч приходит точно в противофазе с первым, то маловероятно, чтобы замирание одновременно происходило на двух путях различной длины. На рис. 5.3 изображен способ, называемый пространственным разнесением, в котором для защиты от замирания используют два пути различной длины. В этом способе две приемные антенны, облучаемые одним передатчиком, разнесены на опоре на некотором расстоянии друг от друга (менее одного метра).

Этой разности достаточно для частот СВЧдиапазона, длины волн в котором составляют десятые доли метра.

73

Рис. 5.3. Пространственное разнесение приемных антенн

Основные характеристики РРСС

Протяженность наземной линии радиорелейной связи до – 10 000 км, ёмкость – до нескольких тысяч каналов тональной частоты в аналоговых линиях связи и до 622 мегабит в цифровых линиях связи при скоростях передачи данных до 155 Мбит/с. По назначению радиорелейные системы связи делятся на три категории, каждой из которых на территории России выделены свои диапазоны частот:

–местные линии связи от 0,39 до 40,5 ГГц;

–внутризоновые линии от 1,85 до 15,35 ГГц;

–магистральные линии от 3,4 до 11,7 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, кроме того, на частотах выше 40ГГц значительное влияние на качество связи оказывает затухание в атмосфере Земли.

Коэффициент усиления ретранслятора ПРС с учетом запаса на замирание сигнала составляет 160 – 200 дБ (при коэффициенте усиления каждой из двух антенн 30 – 46 дБ). Мощность передатчика РРС 0,3 – 10 Вт, коэффициент шума приемника 7 – 10 дБ (в варианте с малошумящим усилителем 3 – 5 дБ).

Наибольшее распространение получили магистральные и внутризоновые РРСП. В магистральных РРСП число дуплексных стволов,

74

организуемых на участке РРЛС, в одном диапазоне частот достигает восьми. Для автоматического резервирования стволов обычно используют несколько рабочих (2 –7) и один резервный стволы.

На РРЛС действуют не только системы передачи, но и отдельные линейные тракты (проводные и кабельные системы), связанные с особенностью передачи телефонных и телевизионных сигналов, для которых преобразовательная аппаратура должна располагаться в узлах связи, телевизионных и междугородних телефонных станциях.

Ограниченность расстояния прямой видимости в РРСС не следует рассматривать как сугубо отрицательный фактор. Именно за счет невозможности свободного распространения радиоволн на большие расстояния устраняются взаимные помехи между радиорелейными станциями внутри одной страны или разных стран. Кроме того, следует подчеркнуть, что в указанных диапазонах практически отсутствуют атмосферные и промышленные помехи. Возможность создания антенн с очень узкой диаграммой направленности позволяет использовать в этих диапазонах радиопередатчики малой мощности.

Тропосферные радиорелейные системы передачи

Тропосфера – это нижняя часть атмосферы Земли. Ее верхняя граница находится на высоте примерно 10 – 12 км. В тропосфере всегда есть локальные объемные неоднородности, вызванные различными физическими процессами, происходящими в ней. Радиоволны диапазона 0,3 – 5 ГГц способны рассеивать этими неоднородностями. Учитывая, что неоднородности находятся на значительной высоте, нетрудно представить, что рассеянные ими радиоволны могут распространяться на сотни километров. Это дает возможность расположить станции на расстоянии 200 – 400 км друг от друга, что значительно больше расстояния прямой видимости.

Тропосферной радиорелейной системой передачи ТРРСП на-

зывается такая система, в которой используется рассеяние и отражение радиоволн в нижней области тропосферы при взаимном расположении станций за пределами прямой видимости. Линии связи, оборудованные ТРРСП, подобно РРЛС, состоят из ряда станций: ОРС, ПРС, УРС. Такие линии строятся, как правило, в труднодоступных и удаленных районах страны, где сложно и дорого строить РРЛС прямой видимости. Значительные расстояния между ПРС выгодны

75

при организации протяженных линий, поскольку требуется меньшее число станций. Однако специфика образования электромагнитного излучения в точке приема такова, что приходится сталкиваться с рядом трудностей в процессе приема радиосигналов.

Во-первых, в процессе распространения радиоволн возникают глубокие замирания радиосигнала, что объясняется неустойчивостью пространственно-временной структуры тропосферы и многолучевостью радиосигнала (в одну точку приема приходят лучи от многих неоднородностей).

Во-вторых, радиосигнал в точке приема очень ослабленный – ведь антенна улавливает только ничтожную долю энергии, рассеянной на неоднородностях. Ослабление сигнала компенсируется использованием мощных радиопередатчиков и радиоприемников с высокой чувствительностью.

Для борьбы с замиранием от многолучёвости применяется пространственное и частотное разнесения. Несмотря на применение столь сложной схемы приема, полностью избавиться от замираний и искажений передаваемых сигналов не удается. Особенно затруднена качественная передача широкополосных сигналов, например телевизионных. Число телефонных каналов, образуемых по ТРРСП, не превышает 120. В табл. 5.1 приведены параметры отечественных тропосферных радиорелейных систем передачи.

Использование мощных радиопередатчиков, чувствительных радиоприемников в сочетании со сложной схемой разнесенного приема в целом повышает стоимость оборудования отдельных станций. Однако общая стоимость тропосферных РРЛС зачастую даже

76

ниже по сравнению с РРЛС прямой видимости благодаря сокращению в 5 –10 раз числа промежуточных станций.

5.2. Космические системы связи

Космические СПИ основаны на ретрансляции сигналов наземных систем связи с помощью приемопередатчиков, установленных на искусственных спутниках Земли (спутников-ретрансляторов). Спут- ник-ретранслятор (СР) имеет несколько приемопередатчиков - транспондеров. Каждый транспондер принимает свою часть спектра, усиливает полученный сигнал и передает его обратно на Землю в нужном направлении, на нужной частоте, отличной от частоты приема, чтобы избежать интерференции с принимаемым сигналом. Возвращаемый луч может быть по желанию либо широким, покрывая большую территорию, либо наоборот узконаправленным. Обычный спутник обладает 12-20 транспондерами, каждый из которых имеет полосу 36-50 МГц, что позволяет сформировать поток данных 50 Мбит/с. Такая пропускная способность достаточна для получения 1600 высококачественных телефонных каналов (32кбит/c). Системы спутниковой связи по высоте орбиты подразделяются на геостационарные, средневысокие круговые или эллиптические и низкие.

Геостационарные спутники

Согласно 3-му закону Кеплера период вращения спутника пропорционален 3/2 степени орбитального радиуса. На высоте примерно 36 000 км над экватором период спутника будет равен 24 часа. Такой спутник наблюдателю на экваторе будет казаться неподвижным. Количество СР, необходимых для охвата всей территории земного шара, –3 (рис. 5.4),

один спутник-ретранслятор перекрывает 34 % земной поверхности, временная задержка передачи сигнала составляет примерно 600 мс.

Средневысотные спутники

Высота орбиты спутника находится в диапазоне от 5000 до 15 000 км, количество необходимых СР – 8 – 12, зона перекрытия одним спутником – 25 – 28 %, временная задержка передачи сигнала составляет 250 – 400 мс.

Низколетящие спутники

Высота круговой или близко к круговой орбите низколетящего спутника от 500 до 2000 км, количество необходимых СР – 48 – 66; зона перекрытия одним спутником – 3 –7 %; временная задержка передачи сигнала – 170 – 300 мс.

77

Рис. 5.4. Геостационарные спутники связи

Спутниковые системы связи имеют существенные отличия от наземных систем передачи. Несмотря на то, что сигнал распространяется со скоростью света, задержка может быть велика, и это необходимо учитывать при организации двухсторонней связи. Также недос-

татком спутниковых систем является широкая доступность сиг-

нала на большой территории, что требует особого внимания к проблеме обеспечения информационной безопасности каналов связи.

К положительным свойствам космической связи следует от-

нести низкий коэффициент ошибок при передаче, вследствие отсутствия промышленных помех и влияния погодных условий. Стоимость передачи не зависит скольким получателям сообщение предназначено, и она не зависит от расстояния.

Сегодня в мире существует множество различных систем спутниковой связи. У каждой из них есть свои достоинства и недостатки. Большинство существующих геостационарных спутников из-за большой задержки сигнала используются, как правило, для радио- и телевещания. К таким системам в России относится, например, система «Орбита», которая для передачи и приема использует диапазон частот 3,46 –3,79 ГГц и 5,98 – 6,28 ГГц соответственно, со скоростью передачи данных 9,6 Кбит/с.

78

Наиболее известные и используемые в России системы спутниковой телефонной связи – это системы Inmarsat, Globalstar и Iridium.

Система Iridium

Iridium – беспроводная спутниковая сеть, созданная для обеспечения телефонной связи в любой точке планеты в любое время. Изначально низколетящие спутники серьезно не рассматривались. Слишком быстро они проносились над определенным местом. В 1990 г. компания «Моторола» обратилась с проектом системы низколетящих спутников. Идея была очень проста: когда один спутник исчезал, подлетал другой, так что передача не прерывалась. Компания подсчитала, что потребуется 77 спутников на высоте 750 км. Позднее, уточнив, число сократилось до 66. Этот проект получил название Iridium (77 элемент – Иридий). Вдоль меридиана на расстоянии 32° располагаются 11 спутников, летящих на высоте 750 км. Таких ожерелий для охвата всей Земли – 6. Каждый спутник охватывает 48 сот на Земле, а все спутники покрывают всю Землю, т.е.1628 сот. Каждая сота обеспечивает многоканальную дуплексную связь. Если сообщение принято одним спутником и адресовано в область, покрываемую другим, то оно передается от одного спутника к другому.

Технические характеристики системы приведены в табл.5.2.

Система Iridium предоставляет абонентам следующие услуги: передача речи (2,4 Кбит/с), передача данных и телефакс со скоростью до 9600 Кбит/с, персональный вызов и спутниковую навигацию GPS.

Спутниковая связь Globalstar

Система спутниковой связи Globalstar изначально формировалась как система, предназначенная для взаимодействия с сотовыми

79

сетями. Это означает, что находясь в зоне действия сотовой сети, с которой у системы есть договор, телефон работает как сотовый, а вне зоны сотовой сети переключается на спутниковый канал.

Спутниковую связь в системе Globalstar обеспечивают 48 низкоорбитальных спутников. Принимая сигнал абонента, несколько спутников одновременно транслируют его на ближайшую наземную станцию сопряжения. Наземная станция выбирает наиболее сильный сигнал и маршрутизирует его по наземным сетям до вызываемого абонента.

Услуги, доступные для абонентов системы спутниковой связи Globalstar: телефон, передача данных, служба коротких сообщений (SMS), пейджинг, спутниковая навигация GPS.

Достоинства системы спутниковой связи Globalstar:

–работает на всей территории земного шара, кроме полярных областей;

–очень портативные и легкие телефоны, размером и весом немного больше сотового телефона;

–автоматическое переключение между спутниковой и сотовой связью;

–относительно невысокая стоимость телефонов;

–задержки голоса и эхо практически незаметны по сравнению с системами, использующими среднеорбитальные и геостационарные спутники;

–относительно небольшая стоимость звонков при использовании спутникового канала и при переключении на сотовый канал.

Система Inmarsat

Inmarsat – первая и проверенная временем система мобильной спутниковой связи (существует более 25 лет). Сейчас функционирует уже третье поколение системы. Четыре геостационарных спутника обеспечивают покрытие всего земного шара за исключением полюсов. Звонок с терминала Inmarsat попадает на спутник, который спускает его на наземную станцию (LES). LES отвечает за перенаправление звонков в телефонные сети общего пользования и Интернет. Если в каком-либо районе наблюдается повышенная активность абонентов, спутник выделяет несколько дополнительных лучей на работу с этим регионом.

В дополнение к стандартным телефонам система поддерживает оборудование, которое отслеживает местонахождение абонентов.

80