Проектирование_цифровых_РРЛ__

УДК 621.396

Сорокин А.С. Проектирование цифровых РРЛ. Учебное пособие/МТУСИ.- М.: 2009.-28 с.

Вучебном пособии излагается современная методика проектирования цифровых РРЛ (ЦРРЛ) синхронной цифровой иерархии (SDH) и плезиохронной цифровой иерархии (PDH), проиллюстрированная на примере проектирования зоновой ЦРРЛ.

Впервой главе пособия освещаются основные технические характеристики оборудования и его возможности по построению РРЛ. Отмечается, что это оборудование соответствует нормам по показателям функционирования рекомендациям Международного союза электросвязи (МСЭ).

Во второй главе дана инженерная методика проектирования ЦРРЛ, основанная на Рекомендации МСЭ Р.530-10, в соответствии с которой обосновывается выбор трассы проектируемой РРЛ с учетом общих и специфических требований к месту расположения РРС различного типа, разрабатывается общая схема связи РРЛ, которая включает схему распределения (выделения) цифровых вдоль проектируемой линии связи, план распределения рабочих частот и план поляризации волн, определяются высоты подвеса антенн на пролетах и надежность связи.

Вглаве 3 проводится комплексный пример проектирования ЦРРЛ, в котором выполнены расчеты всех необходимых технических характеристик проектируемой ЦРРЛ: высот антенн на пролетах РРЛ, допустимых значений показателей функционирования, неустойчивости связи и готовности связи в проектируемой РРЛ, разработаны общая схема связи и структурные схемы типовых РРС проектируемой ЦРРЛ. Данная РРЛ проектируется на современном и перспективном оборудовании норвежской фирмы Nera, являющейся одним из мировых лидеров среди производителей радиорелейного оборудования.

Ил. 12, табл. 13, список лит. 14 назв.

Рецензенты: А.К. Бернюков, д.т.н., профессор ВГУ

А.К. Кутовой, нач.отдела ОАО “Старт Телеком”

3

С О Д Е Р Ж А Н И Е

Стр.

1.ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИФРОВЫХ РРЛ (ЦРРЛ)………………………….…….……….……………………4

1.1.Общесистемные характеристики ЦРРЛ…………………….……………………4

1.2.Характеристики радиооборудования ЦРРЛ……………….……………………..5

1.3.Характеристики оборудования цифрового тракта ЦРРЛ………………………..6

1.4.Характеристики вспомогательного оборудования ЦРРЛ….…………………….6

2.МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЦРРЛ…………………………………………….7

2.1.Общие цели и задачи проектирования ЦРРЛ…………………………………….7

2.2.Определение исходных данных на проектирование……………………………..8

2.3.Формулировка требований к выбору трассы и местам

расположения радиорелейных станций (РРС)……………………………………9

2.4.Определение высот подвеса антенн и неустойчивости на пролетах…………..11

2.5.Определение неготовности пролетов……………………………………………16

2.6.Разработка общей схемы связи ЦРРЛ……………………………………………19

2.7. Разработка структурных схем станций ЦРРЛ……………….…………………19

3.ПРИМЕР ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЦРРЛ………………………………………………19

3.1.Исходные данные на проектирование ЦРРЛ……………………………………19

3.2.Выбор трассы, пунктов размещения РРС и общая схема

связи проектируемой РРЛ..………………………………………………………20 3.3. Расчет высот подвеса антенн на пролетах, процента

неустойчивости и процента неготовности ЦРРЛ……………………………..22

3.4. Структурные схемы оборудования РРС проектируемой ЦРРЛ……………….24

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………….……………………….28

4

1. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИФРОВЫХ РРЛ (ЦРРЛ)

1.1. Общесистемные характеристики ЦРРЛ

Важной особенностью аппаратуры современных ЦРРЛ, отличающей ее от аппаратуры предшествующих поколений, является отсутствие жесткого разделения на аппаратуру линейного тракта, преобразовательную, аппаратуру оперативного переключения, контроля и управления. Все эти средства интегрированы. Все функциональные блоки аппаратуры является программно управляемыми, что обеспечивает гибкость, упрощает эксплуатацию и развитие сетей.

Для обеспечения высокой надежности в аппаратуре используются различные виды резервирования. Как правило, блоки питания и другие важнейшие узлы дублируются. Для менее важных блоков возможна установка одного резервного блока на несколько однотипных основных. В результате коэффициент простоя аппаратуры современных ЦРРЛ в расчете на одно соединение имеет порядок 10-5.

Оборудование РРЛ делится на радиооборудование (радиопередатчики и радиоприемники) и цифровое оборудование (приемопередающие цифровые тракты и коммутационное оборудование системы резервирования стволов). Это разделение осуществляется по ПЧ (70 МГц). Современная ЦРРЛ может содержать до 14 рабочих стволов и 2 резервных стволов, которые используются в случае отказа оборудования основных (рабочих) стволов или замираний [1, 4].

На рис. 1.1 показана общая схема ЦРРЛ, которая состоит из n радиорелейных станций (РРС) и, соответственно, из n-1 пролетов. При этом все РРС данной РРЛ имеют сквозную нумерацию (на рис. 1.1. слева направо от пункта А к пункту Б) и подразделяются на оконечные ОРС (их в составе РРЛ две) и промежуточные (ПРС).

Рис. 1.1. Общая структура ЦРРЛ

ЦРРЛ должна иметь необходимую пропускную способность, выражающуюся определенным числом передаваемых дуплексных цифровых потоков (ЦП), имеющих стандартные иерархические скорости (Е1, Е2, Е3, Е4, STM-1) [1, 4]. На ПРС (на всех или на некоторых) возможно ответвление ЦП. На рис. 1.1 показано, что ОРС1 обеспечивает прием/передачу m дуплексных ЦП, а ОРСn – k. При этом в случае использования ответвления ЦП на ПРС (на рис. 1.1 число ответвляемых ЦП показано j на ПРС2 и i на ПРСi) значения m и n могут быть не равны. Обычно на крупных РРЛ организуется некоторое число сквозных (транзитных) стволов между ОРС, а стволы с ответвлением (в определенном количестве и в нужных пунктах ответвления) организуются по необходимости. На рис. 1.1 также показано, что на пролетах РРЛ для уменьшения влияния замираний сигнала может использоваться пространствен- но-разнесенный прием (ПРП) с использованием двух антенн, размещаемых на антенной опоре РРС на разной высоте.

Для организации радиосвязи на РРЛ Международным союзом электросвязи (МСЭ) выделены следующие диапазоны радиочастот: 1,4 ГГц; 2 ГГц; 4 ГГц; 5 ГГц; 6 ГГц; 7 ГГц; 8 ГГц; 10 ГГц; 11 ГГц; 12 ГГц; 13 ГГц; 14 ГГц; 15 ГГц; 18 ГГц; 23 ГГц; 27 ГГц; 31 ГГц; 38 ГГц; 55 ГГц [9]. Практическое использование полос частот в указанных диапазонах осуществляется на основе международных стандартных планов частотных диапазонов (ПЧД), параметры которых описаны в соответствующих Рекомендациях МСЭ [2, 5].

5

Типовые значения основных параметров современных ЦРРЛ представлены в табл.1.1 [1].

1.2. Характеристики радиооборудования ЦРРЛ

Рассмотрим теперь основные технические характеристики радиооборудования ЦРРЛ. Следует отметить существенную близость радиооборудования ЦРРЛ СЦИ по главнейшим техническим характеристикам и методам, применяемым в этой аппаратуре для их обеспечения, с радиооборудованием высокоскоростных ЦРРЛ ПЦИ. К числу таких методов, как известно, относятся: использование высокоэффективных многоуровневых методов модуляции М-КАМ (М=16-256), М-ТСМ (Trellis Code Modulation) или MLCM (Multi Level Code Modulation), применение пространственного и частотного разнесения, использования адаптивных амплитудно-частотных эквалайзеров (АЧЭ) и временных эквалайзеров (ВЭ) и применение автоматической регулировки мощности передатчика (АРМП), применение горячего поучасткового резервирования по системе N+1 (N=0…11) и 2(N+1).

Одним из существенных отличий радиооборудования современных высокоскоростных ЦРРЛ является возможность использования соканальной работы радиостволов, то есть на одной частоте, но с ортогональными поляризациями. Использование соканальной работы радиостволов позволяет удвоить пропускную способность РРЛ без расширения полосы частот, занимаемой РРЛ в эфире. Такой режим работы достигается за счет использования дополнительного устройства, называемого кросс-поляризационным корректором (КПК).

Радиопередатчик имеет стандартную схему с однократным преобразованием частоты “вверх” (с ПЧ на рабочую частоту) и последующим усилением СВЧ сигнала в усилителе мощности (УМ). С целью повышения КПД радиопередатчика, а также для снижения уровней помех в сети РРЛ в радиопередатчике применяется автоматическая регулировка мощности передатчика (АРМП).

Радиоприемник работает по схеме супергетеродинного приемника с однократным преобразованием частоты (ПРч) “вниз” (с рабочей частоты на ПЧ) с использованием про- странственно-разнесенного приема (ПРП). В радиоприемниках современных РРЛ применяются малошумящие усилители (МШУ) СВЧ сигнала на арсенид-галиевых (GaAs) полевых транзисторах с полосой пропускания порядка 500 МГц при высокой линейности передаточной характеристики. Для предотвращения нелинейности ПРч в радиоприемнике используется система автоматической регулировки усиления (АРУ). Глубина регулировки АРУ составляет 50...100 дБ. В ПЧ тракте используется адаптивный амлитудно-частотный эквалайзер (АЧЭ), выполняющий функции корректора частотно-селективных замираний [1, 4].

6

В качестве антенн в современных ЦРРЛ обычно используются параболические зеркальные антенны (ПА) диаметром (1…3) м с улучшенной диаграммой направленности за счет использования на раскрыве антенны дополнительного цилиндрического кольца [1, 2], что приводит к заметному снижению уровня боковых лепестков.

1.3. Характеристики оборудования цифрового тракта ЦРРЛ

Типовыми элементами цифрового тракта (ЦТ) являются: автоматический оперативный переключатель (АОП), линейный коммутатор (ЛК), преобразователь линейного кода (ПЛК), скремблер (Скр), дескремблер (ДСкр), синхронный мультиплексор (СМул), синхронный демультиплексор (СДМул), помехоустойчивый кодер (ПомКод), помехоустойчивый декодер (ПомДек), временной эквалайзер (ВЭ), цифровой регенератор (Рег), цифровой модулятор (ЦМ) и цифровой демодулятор (ЦД) соответствующего типа. В современных РРЛ СЦИ основными видами помехоустойчивого кодирования являются сверточное кодирование (СК) с декодированием по методу Витерби (СКВ) с мягким решением, а также многоуровневое блочное кодирование с применением кодов БЧХ или РС.

В качестве ВЭ используются адаптивные цифровые трансверсальные фильтры (АЦТФ) высокого порядка (7...20). Причем следует отметить, что они выполняют роль одновременно и корректора МСИ (как аппаратурных, так и вызванных ЧСЗ) и компенсатора кроссполяризационных помех (ККПП), которые в итоге также приводят к возникновению дополнительных МСИ. По данным, опубликованным в [1], применение КПК в РРЛ с модуляцией 256-КАМ при вероятности ошибок 10-4 дает выигрыш в отношении сигнал–помеха 20 дБ.

Основными функциями ЦТ являются: резервирование элементов ЦТ и ствола, синхронное объединение/разделение основных информационных потоков, объединение/разделение основных и служебных цифровых сигналов, цифровая модуляция/демодуляция, коррекция межсимвольных искажений (МСИ), регенерация цифрового сигнала (ЦС). Блоки ПЛК служат для преобразования формы цифрового сигнала (из биполярного в однополярный, из квазитроичного в двоичный, из последовательного в параллельный и т.п.), т.е. выполняют вспомогательные функции.

1.4. Характеристики вспомогательного оборудования ЦРРЛ

Все оборудование современных ЦРРЛ охвачено системой автоматизированного контроля (САК), которая, в свою очередь, может взаимодействовать с САК более высокого уровня иерархии (например, с TMN – системой управления телекоммуникациями) через стандартизованный или специфический интерфейс. Таким образом в составе оборудования ЦРРЛ имеются соответствующие средства, поддерживающие функции таких интерфейсов, а также внутреннего интерфейса САК. Так соединение с TMN организуется с помощью Q- интерфейса.

Система служебной связи (СС) РРЛ состоит из подсистемы телеобслуживания (ТО) и

подсистемы служебных каналов. Система ТО включает систему телесигнализации (ТС) и телеуправления (ТУ) и является одной из важнейших составных частей РРС, возможности которой существенно влияют на работу пользователя. В соответствии с этим ведущие мировые производители радиорелейного оборудования уделяют значительное внимание проектированию и реализации этих систем на современном уровне. Существует также другая группа дополнительных каналов, которая предоставляется потребителю для организации своих подсистем служебной связи, передачи данных, контроля более высокого уровня и т. д. К этой группе относятся стандартные цифровые каналы со скоростью передачи 64 кбит/с, дополнительный цифровой сигнал первичной группы со скоростью 2,048 Мбит/с.

Система автоматизированного контроля (САК) технического состоянием аппара-

туры РРЛ, за качеством передачи на пролетах РРЛ организуется на основе специального магистрального канала, который должен быть доступен на любой станции РРЛ.

7

Системы СС и САК радиорелейной станции обеспечивает: - контроль исправности всех основных устройств станции; - контроль качества передачи цифрового сигнала; - автоматическое резервирование аппаратуры; - идентификация радиостволов; - отображение состояния станции; - сопряжение с системой контроля более высокого уровня. Контроль за телеобслуживанием осуществляется через монитор системы управления с возможностью сохранения получаемой информации на стандартных носителях (с привязкой по времени) и ее распечатки на принтере через стандартизованный параллельный интерфейс.

Важной составной частью систем телеобслуживания ЦРРЛ являются дополнительные каналы связи: - собственный канал связи станции между внешним (ODU) и внутренним (IDU) блоками РРС, используемый для передачи сигналов состояния, команд управления и квитанций об их исполнении; - канал речевой служебной связи вдоль радиолинии (обычно, один или два канала по 64 кбит/с); - служебные каналы пользователей – один или несколько каналов по 64 кбит/с, используемые пользователем в своих целях, например, технологическая связь и управление системами пользователя; - канал системы управления радиолинией; - один или несколько низкоскоростных каналов для отображения состояния систем пользователя, не связанных с радиорелейной линией.

Система электропитания РРС предусматривает возможность электропитания как от сети постоянного тока, так и от сети переменного тока. При питании от сети постоянного тока важной характеристикой является наличие гальванической развязки, что позволяет «развязать» станцию и питающую сеть, и тем самым снизить влияние помех по сети. Другим важным параметром является допустимый диапазон питающих напряжений без каких-либо переключений. Для современных станций эта величина составляет от 20 до 72 В. При расположении РРС в местах, не обеспеченных электросетью постоянного тока, представляется возможность питания станций от сети переменного тока, обычно с использованием выпрямителя как дополнительного блока, поставляемого одновременно со станцией. Типичная потребляемая мощность оборудования 4-х ствольной ОРС SDH/STM-1 в конфигурации 3+1 составляет около 380 Вт, а соответствующей ПРС – около 500 Вт.

2. МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЦРРЛ

2.1. Общие цели и задачи проектирования ЦРРЛ

Общая цель проектирования – определение и обеспечение оптимальных условий применения радиорелейного оборудования, обеспечивающих достаточную эффективность функционирования РРЛ при конкретных ограничениях характеристик и параметров проектирования (диапазон рабочих частот, рельеф местности, расположение населенных пунктов и др.). Достижение указанной цели на практике обеспечивается решением оптимизационной задачи, целевая функция которой определяется в соответствии с соотношениями

Тну∑ ≤ Тну доп ;

(2.1)

Кнг∑ ≤ Кнг доп ,

где Тну∑ - суммарный процент неустойчивости (ПНУ) РРЛ за период времени ее готовности tг; Тну доп – допустимый ПНУ РРЛ, нормируемый рекомендациями МСЭ; Кнг∑ - суммарный процент неготовности (ПНГ) РРЛ за время ее жизни (активного существования) tж; Кнг доп – допустимый ПНГ РРЛ, нормируемый рекомендациями МСЭ. К числу общих ограничений проектирования РРЛ обязательно относятся: лимитная стоимость проекта, а также различные ограничения технических параметров оборудования (например, ЭИИМ передающих РРС, ДНА, показатели ЭМС и др.), нормируемые как на международном, так и внутригосударственном уровне соответствующими документами [1, 80-13]. Оба эти показателя можно качественно объединить в группу, которую далее будет именоваться как качественные показатели РРЛ или сокращенно “КП РРЛ”.

8

Следует отметить, что под неготовностью РРЛ понимается ее нерабочее состояние, вызванное отказом оборудования или нарушением синхронизации, продолжающееся более 10 сек. Суммарное время …

Показатели ПНУ РРЛ и ПНГ РРЛ с учетом малых вероятностей событий неустойчивости и неготовности определяются в соответствии с соотношениями

Таким образом одной из главных задач проектирования ЦРРЛ является расчет ПНУ и ПНГ ее пролетов. Далее оба эти показателя будут именоваться как качественные показатели пролета или сокращенно “КП пролета”.

2.2. Определение исходных данных на проектирование

Основными исходными данными являются: пропускная способность (скорость передачи) проектируемой ЦРРЛ, пункты размещения ОРС, ПРС с выделением ЦП и УРС. Перечисленные данные определяются на основе конкретных условий в регионе размещения ЦРРЛ, характеризуемых геоклиматическими особенностями территории, потребностью в каналах связи, наличием источников электропитания. Еще к числу исходных данных можно отнести параметры применяемого радиорелейного оборудования. Хотя следует отметить, что выбор оборудования РРЛ, очевидно, связан с диапазоном рабочих частот, выбор которого, в свою очередь, является не совсем однозначным. При учебном проектировании обычно следует полагать как диапазон рабочих частот РРЛ, так и тип и параметры радиорелейного оборудования известными.

Вторичными исходными данными являются допустимые значения КП РРЛ, которые определяются в соответствии со статусом проектируемой ЦРРЛ и соответствующими Рекомендациями МСЭ-R [8-13]. Для этого проектируемая ЦРРЛ классифицируется в зависимости от ее протяженности L на один из трех типов линии: высокого качества при 280 км≤L≤2500 км, среднего качества при 50 км≤L≤280 км и локального качества при L<50 км. В табл. 2.1 приведены допустимые значения ПНУ и ПНГ для указанных т ипов ЦРРЛ [8-13].

Необходимо иметь ввиду, что для проектирования новых ЦРРЛ рекомендуется пользоваться новыми, более жесткими нормами, установленными на основе Рекомендации МСЭ-Т G.826 [12, 13], особенно, при проектировании ЦРРЛ SDH.

9

2.3. Формулировка требований к выбору трассы и местам расположения радиорелейных станций (РРС)

Стоимость строительства проектируемой РРЛ, а также ее последующей эксплуатации в значительной степени зависит от правильного выбора трассы. При выборе трассы РРЛ и местоположения оконечных и промежуточных станций учитывают характеризующие экономику и природно-географические условия районов прохождения проектируемой РРЛ, пути сообщения и основные местные строительные ресурсы, перспективы обеспечения электроэнергией радиорелейных станций.

Соседние РРС должны находиться в пределах прямой видимости, но высоты антенных опор не следует брать слишком большими, чтобы не удорожать строительство, поэтому расстояние между соседними РРС выбирают, ориентируясь на его среднее значение, указанное в технических параметрах РРС, используемой на проектируемой РРЛ. Ко всем РРС должны вести хорошие подъездные пути, поэтому часто РРЛ прокладывают вдоль шоссейных или железных дорог. Для расположения РРС выбирают места с хорошим энергоснабжением, т. е. такие, где рядом есть ЛЭП, трансформаторные подстанции и т. п. Трассу прокладывают зигзагообразно, что позволяет снизить помехи от РРС, работающих на тех же частотах.

Для строительства РРС предпочтительны площадки на возвышенных местах или высоких зданиях. Такой выбор позволяет устанавливать невысокие антенные опоры. Соблюдение определенных правил при прокладке трассы помогает обеспечить устойчивость работы РРС. Следует избегать участков с большими водными пространствами, нефтехранилищами, аэродромами и другими отражающими поверхностями.

ПРС следует располагать по ломаной линии, что предполагает так называемый принцип “зигзагообразности”. Этот принцип выбора местоположения ПРС связан с уменьшением влияния при использовании на РРЛ 2-х частотного плана распределения частот (ПРЧ) мощности мешающего радиосигнала (МС) от “1-ой РРС” на “4-ую РРС”, обозначаемой как Рм 1-4 (рис. 2.2). Уменьшение значения Рм 1-4 на практике достигается за счет пространственной избирательности антенн РРС при соответствующем их развороте на угол 1 (передающей антенны, т.е. антенны РРС1) и 2 (приемной антенны, т.е. антенны РРС4).

Рис. 2.2. К определению “зигзагообразности” РРЛ

Допустимое значение суммы углов 1 и 2 зависит от ДНА и от величины защитного отношения qм доп проектируемой РРЛ, которое должно быть известно из технических данных аппаратуры или может быть рассчитано приближенно по формуле

в которой qш доп – допустимое отношение сигнал/шум (ОСШ) на входе приемника РРС, соответствующее заданному значению допустимой вероятности ошибок Рош доп=10-3; qм – энергетический запас на воздействие МС (это значение может выбираться в пределах

3…5 дБ [1].

10

Значение параметра qш пор целесообразно определять по известным из технических данных аппаратуры чувствительности, коэффициенту шума и ширине полосы пропускания приемника с использованием соотношения

где рс мин – чувствительность приемника, дБВт; рш вх – уровень тепловых шумов на входе приемника (дБВт), определяемый по формуле

в которой α=0,2…0,4 – коэффициент скругления цифрового сигнала (ЦС); Вцс – скорость передачи ЦС, Бит/с; rпк – скорость помехоустойчивого кодирования; М – число уровней модуляции.

ния распространения МС и ПС (см. рис. 2.2); vм1-4 – множитель ослабления МС, дБ. Для определения значения φдоп можно использовать эталонные ДНА РРЛ, приведенные на рис. 2.3, параметром которых является отношение da/λ , где da - диаметр антенны; λ – длина волны (da и λ должны иметь одинаковую размерность).

Рис. 2.3. Огибающие ДНА РРЛ в диапазоне частот 1…40 ГГц

при разных значениях отношения диаметра антенны da и длины волны λ

Соотношение (2.8) может быть упрощено с учетом ориентировочных значений второй составляющей 20lg(Rм1-4/Rпр)≈10 дБ и третьей составляющей vм1-4≈-11 дБ в правой части, с