namefix-6

13

ЛЕКЦІЯ 1: ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ПОБУДОВИ І ФУНКЦІОНУВАННЯ СИСТЕМ ЗВ'ЯЗКИ З РУХОМИМИ ОБ'ЄКТАМИ

Професор В. Горицький

1. ОСОБЛИВОСТІ РАДІОКАНАЛІВ МОБІЛЬНОГО ЗВ'ЯЗКУ......................2

2. Загасання, дифракція і відображення радіохвиль при роботі наземного мобільного зв'язку.............................................................................6

3. Енергетичні співвідношення в радіоканалах наземного мобільного зв'язку. Умова зв'язності в системі................................................................. 15

1. ОСОБЛИВОСТІ РАДІОКАНАЛІВ МОБІЛЬНОГО ЗВ'ЯЗКУ

Система зв'язку з рухомими обьектами (СЗРО) незалежно від її виду і призначення повинне мати можливість включення в іншу систему в загальній ієрархії систем зв'язку, що використовують Єдину Національну Мережу Зв'язку (ЕНМЗ). Це накладає жорсткі вимоги на умови сполучення систем, отже, і на канали мобільного радіозв'язку. Так, кількість каналів радіозв'язку повинна задовольняти можливості масового обслуговування абонентів. Канали радіозв'язку повинні мати смуги частот, що забезпечують передачу стандартних сигналів.

Перешкоди і спотворення в радіоканалах не повинні погіршувати якість складених каналів при сполученні різних систем зв'язку. Вхідні і вихідні рівні радіосистеми повинні забезпечувати стандартний інтерфейс між каналами різних систем.

Виконання вказаних вимог зустрічає серйозні труднощі, пов'язані з істотною відмінністю каналів рухливого радіозв'язку від каналів стаціонарних систем, обумовлені особливостями ліній радіозв'язку і специфікою роботи мобільних радіостанцій.

Канали рухливого радіозв'язку представляють сукупність технічних пристроїв (терміналів) і ліній радіозв'язку, повідомлень, що забезпечують передачу (прийом), від джерел до одержувачів за допомогою поширення електромагнітної енергії в просторі.

Термінали системи включають радіопередавачі, радіоприймачі і пристрої (рис.1.1) антенних фідерів.

Рис 1.1. Структурна схема терміналу мобільного зв'язку

Радіопередавачі забезпечують перетворення повідомлень в радіосигнали.

Радіоприймачі здійснюють зворотне перетворення радіосигналів в повідомлення.

Антенні пристрої (АП) перетворять радіосигнали електричного ланцюга у форму електромагнітного поля. Антенні пристрої можуть бути приймальнями, передавальними і прийомо-передавальними. З виходом передавача (входом приймача) АП з'єднуються за допомогою ліній (пристроїв фідерів) фідерів.

Сукупність радіопередавача, радіоприймача і антенно-фідерного пристрою (АФП) антенного фідера складає радіостанцію.

Джерелом (одержувачем) повідомлень може бути абонент, що здійснює радіотелефонний зв'язок, або крайовий пристрій - цифровий автомат (мікропроцесор, ЕОМ), що здійснює обробку дискретної інформації.

При передачі телефонних повідомлень первинні електричні сигнали від мікрофону інтерфейсу користувача поступають на радіопередавач. При прийомі телефонних повідомлень первинні електричні сигнали з виходу радіоприймача поступають на телефон інтерфейсу користувача. При телекодовому радіозв'язку цифрові послідовності від ЕОМ поступають на радіостанцію через модем, який забезпечує їх перетворення в завадостійку форму з необхідною швидкістю передачі. У деяких мобільних системах, наприклад, в стільниковій системі зв'язку, ЕОМ і блок логіки об'єднуються в єдиний пристрій, що входить спільно з радіостанцією до складу мобільних станцій (MS). До складу MS входять також крайові пристрої (мікрофон, телефон, операційний блок управління).

Залежно від типу і призначення мобільної системи зв'язку канали можуть бути симплексними і дуплексними.

При використанні симплексних каналів радіозв'язок організовується на одній робочій частоті, на яку налаштовується радіоприймач і радіопередавач MS. Повідомлення передаються поперемінно то в одну, то в іншу сторони. Системи, що використовують симплексні радіоканали, як правило є локальними (автономними). Канали симплексних систем не можуть сполучатися із стандартними каналами стаціонарних мереж ТФОП. Найчастіше симплексний принцип обміну повідомленнями застосовується в транкінгових системах радіозв'язку діапазону декаметрових хвиль (ДКМ).

Дуплексні радіоканали використовуються в мобільних системах радіотелефонного зв'язку загального користування (стільниковій і супутниковій мобільній системі зв'язку), а також в радіоподовжувачах. Радіозв'язок між радіостанціями організовується на двох робітниках частотах - частоті передачі fпрди прийому fпр.

В якості лінії зв'язку будь-якого радіоканалу використовується природне середовище поширення радіохвиль, тобто простір між передавальними і приймальними антенами радіостанцій. Оскільки місце розташування рухливих терміналів в просторі постійно міняється, то це приводить до невизначеності оцінки напряму радіозв'язку і обумовлює переважне використання малоефективних антен з круговою діаграмою спрямованості.

При формуванні радіоліній в системах мобільного зв'язку використовується, як правило, діапазон ультракоротких хвиль (УКВ), що включає:

- метрові хвилі (дуже високі частоти - ОВЧ),

- дециметрові хвилі (ультрависокі частоти - УВЧ) і

- сантиметрові хвилі (надвисокі частоти - СВЧ).

Радіохвилі цих діапазонів не мають властивостей іоносферного віддзеркалення [7].

Механізмом передачі енергії сигналів є електромагнітне поле, що поширюється прямолінійно. При зв'язку між наземними об'єктами радіохвилі поширюються уздовж поверхні землі (земні хвилі) [33].

При зв'язку між наземною станцією і супутниковою станцією радіохвилі поширюються в тропосфері і іоносфері. Зважаючи на безпосереднє наближення антен до землі в наземних терміналах середовищем поширення радіохвиль служить нижня частина атмосфери землі - тропосфера. Тропосфера в безпосередній близькості від землі відрізняється постійністю параметрів діелектричної проникності _тр і питомій провідності тр, причому _тр у нижньому шарі, що безпосередньо примикає до землі, наближається до діелектричної проникності вільного простору (вакууму)  ₀=8,8510¹²[ф/м]. Це обумовлює постійність коефіцієнта заломлення радіохвиль в тропосфері впродовж траси радіозв'язку . Таким чином, приземний шар тропосфери практично не робить впливу на прямолінійність траєкторій трас радіозв'язку.

Достоїнствами використовуваних для мобільного радіозв'язку діапазонів хвиль є:

• велика частотна ємкість, що дозволяє створювати значну кількість каналів радіозв'язку з досить широкими смугами частот , де N f - кількість робочих частот (каналів радіозв'язку), f макс, fмін - максимальна і мінімальна частоти використовуваного діапазону f_к - ширина смуги частот, що виділяється на один канал радіозв'язку;

• можливість вживання стандартних перешкодостійких видів зв'язку (телефон, передача даних, телеметрія) з класами сигналів F3 (частотна модуляція), F1 (частотна маніпуляція), F9 (відносно-фазова маніпуляція), що дозволяє передавати телефонні і телеграфні повідомлення з швидкістю В =(1200...3600)біт/с;

• відсутність впливу атмосферних перешкод і адитивних зосереджених перешкод далеких УКВ радіостанцій!!!!!!!

До недоліків використовуваних діапазонів хвиль слід віднести:

• великі загасання сигналів на трасах радіозв'язку, досягаючі (140...160) дБ ;

• значні коливання рівнів радіосигналів при русі об'єктів з глибиною завмирань (100...120) дБ;

• дія взаємних перешкод, що створюються радіостанціями мобільної системи зв'язку, при одночасній роботі в обмеженому об'ємі простору [18];

• дія зосереджених перешкод інших зв'язкових випромінюючих систем, що працюють в ближній зоні електромагнітної взаємодії (радіорелейні, радіолокації, телевізійні станції), а також не зв'язних випромінюючих об'єктів (рентгенівські апарати, зварювальні апарати і др).

Характерні особливості радіоліній враховуються при аналізі фізичних процесів, що протікають в каналах мобільних систем радіозв'язку.

2. Загасання, дифракція і віддзеркалення радіохвиль при роботі наземного мобільного зв'язку

При поширенні радіохвиль у вільному просторі амплітудне значення напруженості електричного поля сигналу на відстані r від передавальної антени визначається вираженням [22]:

(1.1)

де - випромінювана потужність радіопередавального пристрою;

- коефіцієнт направленої дії передавальної антени;

- характеристика спрямованості антени в горизонтальній і вертикальній плоскості.

Вираження (1.1) показує, що напруженість поля сигналу в місці прийому зменшується обернено пропорційно до відстані зв'язку r унаслідок втрат передачі у вільному просторі.

При поширенні радіохвиль в тропосфері втрати напруженості поля визначатимуться тангенсом кута втрат , де - відповідно питома провідність і діелектрична проникність тропосфери, а  - довга хвилі. Дисперсійні властивості приземного шару тропосфери (до h  8 км.) визначаються її газовим складом, температурою, тиском і вологістю. Нормальна тропосфера [4] з параметрами Т=288К, р=0,1013 кПа і вологістю 60% для діапазону УКВ є діелектриком (tg 1), в якому радіохвилі поширюються практично без втрат. Проте, реальна тропосфера не є однорідною по своєму складу. У приземному шарі тропосфери є водяні пари (туман, дощ) або зважені частки (дим, пил). Це обумовлює зменшення напруженості поля із-за теплових втрат на рух молекул газу. Величина поглинання оцінюється коефіцієнтом втрат в зоні неоднорідності :

(1.2)

де - коефіцієнт послаблення напруженості поля сигналу в зоні неоднорідності;

 - постійна загасання напруженості поля;

- протяжність зони неоднорідності.

Із збільшенням протяжності зони неоднорідності поглинання енергії радіосигналу збільшується. Особливо відчутні втрати для діапазонів УВЧ і СВЧ (рис.1.2).

Рис.1.2. Вплив неоднорідності середовища поширення радіохвиль.

Дія тропосфери на поширення радіохвиль виявляється не основною. Істотніший вплив робить підстилаюча поверхня траси радіозв'язку (земля). Грунт землі включає сухий грунт і водні розчини солей, які визначають істотні розкиди дисперсійних параметрів- діелектричній проникності - питомій провідності землі. Внаслідок цього на трасі радіозв'язку можуть виявлятися ефекти віддзеркалення і поглинання радіохвиль. Умови поширення радіохвиль визначаються тангенсом кута втрат в землі [4 ].

При tg  1 переважаючим виявляється струм провідності і земля проявляє властивості віддзеркалення радіохвиль.

При tg  1 у підстилаючій поверхні траси радіозв'язку переважаючим виявляється струм зсуву. Частина енергії електромагнітного поля сигналу під кутом заломлення поширюється углиб землі і поглинається у вигляді теплових втрат на рух молекул.

При низько піднятих антенах поглинання енергії електромагнітного поля в землі збільшується. Коефіцієнт теплових втрат в землі з визначається коефіцієнтом Ван- дер Поля [14]:

, де (1.3)

При високо піднятих антенах втрати в землі оцінюються коефіцієнтом А.Б. Введенського [4]:

де (1.4)

З врахуванням впливу неоднорідного середовища поширення радіохвиль і підстилаючої поверхні (землі) вираження амплітудного значення напруженості поля сигналу в місці прийому набирає вигляду:

(1.5)

Із-за впливу коефіцієнтів напруженість поля сигналу в місці прийому у міру поширення радіохвиль істотно знижується.

Реально траси радіозв'язку мобільних систем мають ділянки підстилаючої поверхні з різними значеннями . Проте, унаслідок порівняно невеликих далечінь мобільного радіозв'язку значення параметрів може братися усередненим. Зазвичай беруться значення , відповідні параметрам “вологого грунту”  (0,1...0,01),  (15...30).

Таким чином, що підстилає поверхню трас мобільного радіозв'язку для діапазону ОВЧ є напівпровідником, а для діапазону СВЧ наближається до діелектрика.

Причинами втрат напруженості поля радіосигналів в місці прийому є також рельєф місцевості. Оскільки антени радіостанцій знаходяться в безпосередній близькості від землі, то на трасах радіозв'язку з'являються великомасштабні об'єкти, які екранують приймальні антени від передавальних, утрудняючи або повністю виключаючи умови прямої видимості. Чим більше пересіченість місцевості, тим більший вплив вона робить на умови прямої видимості станцій. Послаблення поля сигналу при цьому залежить від величини просвіту траси радіозв'язку і відстані до екрануючого об'єкту (рис.1.3, а).

Рис.1.3. Екранування MS на трасі радіозв'язку

Параметри траси радіозв'язку , а також довжина хвилі  визначають значення узагальненого параметра d:

d=(1.6)

Узагальнений параметр d визначає розміри тієї частини простору між радіостанціями А і В, в якій поширюється основна доля енергії електромагнітного поля, званою областю істотною при поширенні радіохвиль [9]. Якщо величина екрану не перевищуватиме радіус R першої зони Френеля (рис.1.3 б), то напруженість поля сигналу в місці прийому практично відповідатиме напруженості поля при відкритій трасі. Якщо ж величина екрану буде більше радіусу першої зони Френеля то, не дивлячись на формально закриту трасу, послаблення напруженості поля сигналу визначатиметься залежно від дифракційного параметра d (ефект дифракції – обгинання радіохвилями крупних екрануючих об'єктів).

При розрахунку нерухомих (стаціонарних) ліній УКВ радіозв'язки дифракційне послаблення напруженості поля сигналу зручно враховувати за допомогою коефіцієнта дифракційних втрат , визначуваного як функцію параметра d графічним дорогою (рис.1.4).

Рис.1.4. Визначення коефіцієнта дифракційних втрат дп у стаціонарних лініях радіозв'язку

В мобільних системах зв'язку в процесі руху MS параметри трас радіозв'язку постійно змінюються. Графічний спосіб оцінки коефіцієнта виявляється непридатний. Для рухливої системи коефіцієнт дифракційних втрат оцінюється експоненціальною залежністю:

=, (1.7)

де - показник дифракційних втрат;

- показник дифракційних втрат;

- діелектрична проникність екран 0;

- протяжність екрану;

f - частота випромінювання;

с - швидкість світла.

Показник дифракційних втрат в різнорідній трасі формується шляхом її ділення на безліч ділянок r, в межах кожного з яких умови екранування можуть вважатися постійними. В цьому випадку вираження показника дифракційних втрат записується у вигляді:

, (1.8)

де zi - постійна загасання i –го ділянки траси;

ri - протяжність екрану i –го ділянки траси;

n - кількість дифракційних ділянок траси.

З врахуванням коефіцієнта амплітудне значення напруженості поля сигналу в місці прийому (1.5) набере вигляду:

(1.9)

Потужність сигналу на вході радіоприймача при максимальній спрямованості передавальної антени =1, виражена через ефективну площу приймальної антени і потужність сигналу в точці прийому, видаленій на відстань r від передавальної антени , визначається як:

(1.10)

Відношення , отримане з вираження (1.10), є змінним коефіцієнтом передачі каналу , де, оскільки показник при русі MS є випадковим величиною, що формується підсумовуванням незалежних випадкових величин і . У відповідності з центральною граничною теоремою [21] щільність вірогідності випадкової величини матиме нормальний закон розподілу:

, (1.11)

де - відповідно дисперсія і математичне чекання показника .

Відповідно щільність коефіцієнта передачі каналу матиме логарифмічно - нормальний закон розподілу:

,(1.12)

де - модуль коефіцієнта передачі каналу;

- відповідно дисперсія і математичне чекання

Оскільки значення випромінюваної потужності радіостанцій мобільної системи є постійним величиною , то дисперсія і математичне чекання у вираженні (1.12) відноситься до коливань потужності сигналу на вході приймача .

Таким чином, потужність сигналу в місці прийому, формована регулярним променем, при русі MS змінюватиметься по логарифмічно - нормальному закону, визначаючи загальні повільні завмирання всіх частотних складових радіосигналу, відносно його медіанного значення [13].

Статистичні дослідження трас мобільного радіозв'язку [7] в діапазонах УКВ показують, що об'єктами, що відображають, можуть бути окремі ділянки землі, а також окремі об'єкти, для яких виконується умова tg  1. Об'єкти, що відображають, грають роль вторинних (пасивних) випромінювачів (рис.1.5).

Відбиті промені при цьому матимуть різні різниці ходу, оскільки відстань від вторинних випромінювачів до приймальної радіостанції будуть різними. Таким чином, на вході радіоприймача навіть при екрануванні регулярного променя з'явиться радіосигнал утворений шляхом інтерференційного складання відбитих променів. Оскільки в процесі функціонування системи MS постійно переміщаються, то змінюється і кількість об'єктів, що відображають, з різною ефективністю віддзеркалення і різницею ходу променів. Внаслідок цього відбитий сигнал на вході радіоприймача постійно вагатиметься (флуктурувати). Потужність сигналу на вході радіоприймача, створювана шляхом інтерференційного складання потужностей відбитих променів, є флуктурующою потужністю Р_фл :

, (1.13)

де - потужність сигналу, що формується в місці прийому і-м відбитим променем;

z - кількість відбитих променів.

Рис.1.5 Віддзеркалення радіохвиль на трасі радіозв'язку

За наявності лише флуктурующої потужності в місці прийому щільність розподілу модуля коефіцієнта передачі каналу визначатиметься законом Релея [15]:

, (1.14)

де - модуль коефіцієнта передачі каналу;

- дисперсія модуля коефіцієнта передачі каналу.

Коливання флуктурующої потужності на відміну від дифракційних коливань регулярної потужності мають істотно менший період і виявляються при передачі цифрових кадрів.

Інтерференційні завмирання сигналу можуть виникати також унаслідок переміщення об'єктів з різною швидкістю, в результаті прояву доплеровського зрушення частоти[19]:

, (1.15)

де - діелектрична проникність середовища поширення радіохвиль (тропосфери);

- радіальна складова швидкості переміщення об'єкту;

с - швидкість поширення радіохвиль.

Величина залежить від кута між напрямом передачі і вектором радіальної складової швидкості переміщення об'єкту. В результаті доплеровського зрушення частоти, що несе, зрушується весь спектр частот передаваного сигналу або його частина. Частота флуктуацій рівня сигналу при русі об'єктів особливо виявляється в умовах міста При швидкості v=(60…80) км/ч періоди флуктуацій складають. При збільшенні швидкості переміщення терміналів спектр сигналу, зрушуючись по осі частот, може не збігатися із смугою частот основної вибірковості радіоприймача. Особливо чутливими до доплеровським спотворень виявляються сигнали з кутовою модуляцією. При побудові прийомопередающої апаратури мобільного радіозв'язку цей недолік усувається за допомогою системи автоматичного підстроювання частоти і введенням еквалайзерів при обробці сигналів. При енергетичних розрахунках каналів мобільної системи зв'язку швидкі завмирання враховуються через коефіцієнт інтерференційних завмирань .

Таким чином, за відсутності ефекту повного екранування траси радіозв'язку і наявності в місці прийому об'єктів, що відображають, утворюється результуюча потужність сигналу як результат наявності регулярної і флуктурующих потужностей:

(1.16)

Оскільки енергетичний потенціал радіоліній мобільного зв'язку обмежений (малими потужностями і малоефективними антенами MS), те віддзеркалення радіохвиль від пасивних випромінювачів спостерігатиметься в обмеженій зоні. Малі геометричні розміри області віддзеркалення обумовлюють і малі різниці ходу відбитих променів. Це означає сильну корельованість суперпозиції відбитих променів з регулярним променем. При цьому потужності можуть складатися не лише у фазі, але і в протифазі, визначаючи збільшення або зменшення результуючої потужності .

Наявність дифракційних логарифмічно - нормальних завмирань складової і інтерференційних (Релєєвських) завмирань складової визначають умову локальної стаціонарності каналу як відношення потужностей [15 ].

Практика показує [18], що вже при q² 10 інтерференційні завмирання як результат наявності відбитих променів, практично не відчутні і виявляються лише унаслідок доплеровського зрушення частоти при русі MS. Результуюча потужність формується в основному за рахунок наявності регулярного променя, забезпечуючи умови локальної стаціонарності каналу. У мобільних системах це досягається шляхом використання стаціонарних базових станцій (BS), які розміщуються на площах функціонування мобільної системи в таких місцях, щоб до мінімуму понизити можливість екранування траси радіозв'язку. Кожна з BS забезпечує необхідну величину в своїй зоні обслуговування (соте). Слідує, проте, мати на увазі що, в умовах сильний пересіченій місцевості (місто, гориста місцевість) наявність щільна розміщуваних BS не виключає появу в місці прийому потужності і відсутність потужності.