Проектирование_цифровых_РРЛ__

11

С учетом этого результата по графикам на рис. 2.3 для отношения da/λ =50 определяем φдоп ≥ 80. Можно дополнительно отметить, что применение антенн с улучшенными характеристиками может обеспечить еще меньшие значения φдоп .

2.4.Определение высот подвеса антенн

ипроверка устойчивости связи на пролетах

Построение профилей пролетов и расчет высот антенн на пролетах РРЛ

Продольный профиль пролета представляет собой вычерченный в определенном масштабе вертикальный разрез местности по линии, соединяющей две соседние радиорелейные станции. Продольные профили пролетов РРЛ полно и наглядно характеризуют рельеф местности на каждом пролете. Построение продольных профилей производится в прямоугольной системе координат. Так как высоты антенных опор и отдельных препятствий несоизмеримы по величине с длиной участка, то при построении профиля применяют разные масштабы по вертикали и горизонтали. Высоты препятствий на поверхности земли измеряются в метрах, а расстояние между радиорелейными станциями – в километрах. Масштаб используемой карты 1: 350000 (в 1см. 3500м). В точках установки РРС на карте откладывают высоты антенных опор, и верхние отметки соединяют прямой линией. В тех случаях, когда прямая проходит достаточно близко от поверхности земли, на чертеж профиля наносят местные объекты (лес, населѐнные пункты, отдельные строения и т.д.). В табл. 2.2 и на рис. 2.2 в качестве иллюстрации сказанного приведены отсчетные значения профиля пролета и его чертеж, соответственно.

Рис. 2.4. Профиль пролета и расчетная траектория радиоволны, используемая для определения просвета и высоты антенн

Определение просвета и высоты антенн на пролетах

С дифракционными потерями на частотах выше 2 ГГц борются с помощью достаточно высоких антенн, таких, что бы при максимальном искривлении луча приемная антенна

12

не оказывалась в зоне дифракции в том случае, если эквивалентный радиус Земли ke становится меньше его среднего значения. Согласно теории дифракции условия распространения радиоволн в свободном пространстве обеспечиваются в том случае, если просвет над земной поверхностью для трассы прямой видимости между передающей и приемной антеннами составляет не менее 60% радиуса первой зоны Френеля F1, определяемого по формуле:

где f – частота, ГГц; d – длина пролета, км; d1 и d2 – расстояния от РРС до препятствия, км. Для определения требуемого просвета и высоты антенн на пролете рекомендуется ис-

пользовать ниже описанную процедуру [1, 6].

На пролете без применения ПРП:

а) определить высоты антенн, требуемые для обеспечения соответствующего медианного значения коэффициента радиуса Земли ke=4/3 и просвета 1,0F1, над самым высоким препятствием (умеренный и тропический климат);

б) пользуясь рис. 2.5, определить значение kе (99,9%) для рассматриваемой длины трас-

сы;

Рис. 2.5. Значение ke, превышаемое в течение 99,9% времени наихудшего месяца (умеренный климат)

в) рассчитать высоты антенн, требуемые для обеспечения значения kе, полученного на шаге б), и следующие радиусы просвета в зоне Френеля (см. табл. 2.3):

г) использовать большее из значений высот антенны, полученных на шагах а) и в). Расчет траектории волны для определения просвета на пролете проводится по форму-

В (2.11), (2.12) использованы следующие обозначения: х – относительное (относительно точки расположения Антенны1) изменение траектории волны, м; z – расстояние от левой

13

РРС, км; k – расчетное значение коэффициента радиуса Земли; a=6370 – действительный радиус Земли, км; xr – разность высот Антенны 2 и Антенны1; zr - длина пролета, км.

На пролете при использовании ПРП:

а) рассчитать высоту более низкой антенны, требуемую, чтобы обеспечить соответствующее медианное точечное значение коэффициента к (при отсутствии каких-либо данных используется значение ke=4/3) и следующие просветы в зоне Френеля:

-от 0,6F1 до 0,3F1, если препятствие на трассе распространяется вдоль ее части;

-от 0,3F1 до 0,0F1, если на трассе имеется одно или два изолированных препятствия. б) рассчитать высоту более высокой антенны, используя описанную выше процедуру

для одной антенны.

в) удостовериться в том, что пространственное разнесение антенн удовлетворяет требованиям к разнесению в условиях многолучевого замирания. Если эти требования не выполняются, то необходимо соответствующим образом увеличить высоту более высокой антенны.

Расчет неустойчивости пролетов РРЛ

При наземном распространении радиоволн в условиях ясного неба могут иметь место замирания, обусловленные дифракцией, многолучевым распространением, расширением луча, расфокусировкой антенны, ослаблением в атмосферных газах, а в некоторых регионах - песчаными и пыльными бурями. В [6] дается описание методов расчета характеристик распространения на трассах прямой видимости с учетом большинства этих явлений. При этом используется модель, учитывающая следующие основные факторы, влияющие на характеристики распространения: - cубрефракция, приводящая к экранированию радиоволны препятствием; - отражение радиоволн от слоистых неоднородностей тропосферы; - отражение радиоволн от подстилающей поверхности; - ослабление в гидрометеорах; - деполяризация радиоволн из-за многолучевости и дождя; - искажения сигнала из-за частотно-селективных замираний (ЧСЗ).

Для уменьшения вредного влияния многолучевых замираний в РРЛ может применяться разнесенный прием (РП) [1, 3, 6]. Как правило, в РРЛ могут использоваться РП трех основных видов: пространственно-разнесенный прием (ПРП) с разнесением антенн по вертикали, частотно-разнесенный прием (ЧРП) и их комбинация – пространственно-частотный РП (ПРП+ЧРП). Применение РП обеспечивает значительное уменьшение ПНУ пролета и требует соответствующего учета [3].

При использовании в ЦРРЛ соканальных стволов на их неустойчивость может оказывать деполяризация сигнала, возникающая в условиях ясного неба (т.е. при отсутствии дождя). Деполяризация приводит к уменьшению кроссполяризационной развязки XPD, происходящему в течение малых процентов времени, которое определяется совместным влиянием распространения радиоволн и ДНА для кроссполяризации. Для уменьшения вли я- ния деполяризации на работу соканальных стволов применяется кроссполяризационный корректор (КПК) [1] .

Расчет ПНУ пролета

Общий ПНУ пролета для наихудшего месяца Т определяется для условий отсутствии дождя по соотношениям

где Тns - процент нарушения связи, обусловленный неселективными замираниями в отсутствии осадков и без учета РП; Тs - процент нарушения связи, обусловленный селективными замираниями без учета РП; Тхр - процент нарушения связи, обусловленный деполяризацией сигнала в отсутствии осадков (учитывается в только случае применения в ЦРРЛ соканальных стволов); Тd – процент нарушения связи, обусловленный многолучевыми замираниями, с учетом выигрыша от РП, определяемый по выражению

14

в котором Pds - вероятность нарушения связи (ВНС) из-за ЧСЗ с учетом влияния РП; Pdns - ВНС из-за неселективных замираний с учетом влияния РП.

Ниже рассматривается расчет показателей, входящих в соотношения (2.13)-(2.14). ПНУ Тns для худшего месяца, в течение которого превышается допустимая глубина

замирания адоп (дБ), численно равная запасу системы на неселективные замирания, определяется по графикам, приведенным на рис. 2.6 [6].

Процент неустойчивости пролета

Допустимая глубина замирания, дБ

Рис. 2.6. Зависимость процента неустойчивости пролета РРЛ от допустимой глубины замирания и параметра р0

На рис. 2.6 параметр p0 – частость появления ЧСЗ, определяемая в соответствии с формулой

где К - геоклиматический коэффициент для усредненного худшего месяца по замираниям; d - длина трассы, км; f - частота, ГГц; hL - меньшая из высот передающей и приемной ан-

в которой: h1, h2 – высоты передающей и приемной антенн, соответственно, над уровнем моря, м;

Геоклиматический коэффициент К рассчитывается в соответствии с формулой [22]:

в которой: dN1- градиент рефракции на первых 65 м высоты атмосферы, не прев ы-

где Кс – коэффициент системы; ga – коэффициент усиления антенны РРС, дБ; аф – суммарные потери в передающем и приемном АФТ пролета; d – длина пролета, км; λ – длина волны, км; рс мин – ухудшение чувствительности из-за воздействия внешних помех, дБ.

15

Значения Кс и аф известны из технических данных аппаратуры РРЛ. Значение рс мин принимается равным (3…5) дБ [2, 3, 6]. Значение коэффициента усиления антенн может иметь значение (30…45) дБ и обычно на более длинных пролетах выбираются большие значения из указанных.

фазовых ЧСЗ (указывается в технических данных аппаратуры); Вн и Внм – глубина сигнатуры системы (дБ) для минимально-фазовых и неминимально-фазовых ЧСЗ, соответственно (указывается в технических данных аппаратуры); r м и r нм – эталонное значение задержки отраженного сигнала для минимально-фазовых и неминимально-фазовых ЧСЗ, соответственно (указывается в технических данных аппаратуры и обычно имеет место соотношение r м= r нм= 0=6,3 нс); m – задержка отраженного сигнала на пролете, определяемая по формуле

где: S - расстояние пространственного разноса по вертикали центров приемных антенн, м; f

– частота, ГГц; d - длина трассы, км; P0 - коэффициент возникновения замираний

где коэффициент корреляции относительных амплитуд rw определяется по соотношениям

в которых квадрат неселективного коэффициента корреляции kns рассчитывается по формуле

где mns - параметр разнесения, определяемый по соотношению

где kns,s; kns,f – неселективные коэффициенты корреляции для ПРП и ЧРП, соответствен-

где kse - эквивалентный селективный коэффициент корреляции рассчитывается в соответствии с (2.29)-(2.31) при эквивалентном неселективном коэффициенте корреляции knse, значение квадрата которого определяется по формуле

где С – параметр, учитывающий уменьшение начальной XPD из-за деполяризации при ясном небе, дБ; qм доп – защитное отношение, соответствующее заданной Рош доп, дБ; ∆qкпк – энергетический выигрыш за счет применения КПК, дБ (обычно ∆qкпк≈20 дБ; если КПК не используется, то ∆qкпк =0).

где XPDg - минимальное значение XPD в осевом направлении передающей и приемной антенн, гарантированное производителем, т.е. минимальные XPD передающей и приемной антенн в осевом направлении.

2.5. Определение надежности ЦРРЛ

Надежность системы связи численно характеризуется коэффициентом неготовн о- сти Кнг (или коэффициентом готовности) за время существования (функционирования) системы tж, который определяется следующим соотношением

Кнг= 100tв/(tно+tв) , (2.38)

в котором tв – суммарное время восстановления (ремонта) работоспособности системы за время tж, час.; tно – время наработки на отказ аппаратуры РРС, час.

Современная аппаратура, используемая в РРЛ, имеет высокую надежность, сле д- ствием чего в течение срока жизни аппаратуры может быть не более 1 отказа. Это таким образом позволяет однозначно определить значение tв в (2.38) на основании конкретных условий эксплуатации РРЛ. Так на практике в большинстве случаев можно принять tв≈Н∙1 час., т.е. по 1 час на каждый восстанавливаемый элемент системы Н, в данном случае под которым надо понимать РРС. Расчетное время с уществования (жизни) системы связи обычно принимают равным tж=15 лет.

ПНГ пролета Тнг с учетом независимости случайных событий неготовности из -за отказов аппаратуры РРС и из-за влияния дождя может быть рассчитан по приближенному соотношению

где Кнг ррс – ПНГ пролета из-за отказов аппаратуры РРС; Тд - ПНГ пролета из-за влияния дождя.

Как видно из (2.39) результирующий ПНГ пролета является суммой аппаратурной неготовности Кнг ррс и неготовности пролета Тд, обусловленной влиянием дождя. С учетом высокой надежности аппаратуры РРЛ (т.е. можно принять tно>>tв) коэффициент

17

аппаратурной неготовности РРС в конфигурации 1+0 (т.е одноствольная РРС без р е-

tно≈(70000…150000) час [14].

Так, если принять tно ррс=100000 час. и tв=10 час. (соответствует случаю использования на РРЛ необслуживаемых ПРС), то ВНС пролета из-за отказов аппаратуры РРС

Ослабление сигнала на пролете РРЛ из-за дождя становится заметным на частотах выше 5 ГГц и для процентов времени Тд=(0,001…1) % рассчитывается в соответствии с формулой [6]

В(2.44)-(2.47) обозначено: а0,01- ослабление на трассе, превышаемое в течение 0,01

%времени; R0,01 – интенсивность дождя (мм/ч), превышаемая в течение 0,01% време-

ни; kГ, Г, kB, B – коэффициенты аппроксимации частотной зависимости погонного ослабления в дожде для горизонтальной и вертикальной поляризации сигнала, значения которых

В табл. 2.6 приведено соответствие номеров дождевых районов основной территории России названиям соответствующих регионов [3].

Сильный дождь на пролете приводит в течение малых процентов времени к уменьшению кроссполяризационной развязки (XPD), вследствие чего может возникнуть помеха в совмещенном канале и продолжительное нарушение связи в нем. Расчет ПНГ из-за уменьшения XPD проводится в соответствии с соотношением [6]

в котором: u и v – параметры аппроксимации; qм доп – защитное отношение, дБ; ∆qкпк – выиг-

Для определения ПНГ пролета из-за дождя по соотношениям (2.44)-(2.47) строится зависимость ад(Т) и по ней при адоп находится значение Тд. Такая процедура показана условно на

19

2.6. Разработка общей схемы связи ЦРРЛ

Общая схема связи ЦРРЛ представляет схему использования на ней ЦП (то есть какие ЦП проходят транзитом между ОРС, а какие ЦП и на каких ПРС ответвляются), а также включает план рабочих частот (ПРЧ) и план поляризации волн (ППВ). Обычно на РРЛ для организации транзитных ЦП используются четные стволы, а нечетные стволы используются для организации раздаточных стволов для организации ответвлений ЦП.

Разработка ПРЧ состоит в выборе типа плана частот (2-х частотный, 4-х частотный и т.д.) и конкретных значений рабочих частот стволов из определенного стандартного плана частот диапазона (ПЧД), соответствующего Рекомендации МСЭ [1, 5]. Обычно на магистральных и зоновых РРЛ основным видом ПРЧ является 2-х частотный, поскольку является наиболее экономичным и обеспечивается в тоже время применением соответствующих антенн с достаточным коэффициентом защитного действия (КЗД) более 50 дБ.

Выбор схемы ППВ связан с конструкцией применяемого антенно-фидерного тракта (АФТ). В современных многоствольных РРЛ для уменьшения межствольных помех при наиболее плотном размещении стволов по частоте в соседних стволах применяется ортогональная поляризация. Если тракты приема и передачи в АФТ разделяются с помощью поляризационных селекторов, то при передаче в прямом направлении на всех пролетах используется одна и та же поляризация (например, вертикальная), а в обратном – другая (горизонтальная). При использовании в АФТ циркуляторов на пролете на передачу и прием используются волны одной поляризации. На следующем пролете используется другая поляризация.

2.7. Разработка структурных схем станций ЦРРЛ

Задачами разработки структурных схем станций ЦРРЛ (ОРС, ПРС, УРС) является адаптация типовых структурных схем соответствующего типа РРС к рассчитанным или выбранным в процессе проектирования техническим показателям разрабатываемой РРЛ. Конкретно это состоит в том, чтобы изобразить эти структурные схемы с учетом используемого числа стволов, наличия или отсутствия разнесенного приема и ответвления ЦП с учетом параметров этих потоков. АФТ на структурных схемах РРС показывается схематически (упрощенно), а полная его схема составляется и изображается отдельно.

3.ПРИМЕР ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЦРРЛ

3.1.Исходные данные на проектирование ЦРРЛ

Требуется спроектировать зоновую ЦРРЛ между городами С.Петербург и Мурманск, трасса которой проходит через города Петрозаводск, Беломорск и Кандалакша. Предполагается, что эти города будут являться пунктами размещения обязательных УРС проектируемой ЦРРЛ. Пропускная способность проектируемой ЦРРЛ, определенная для первого этапа эксплуатации, составляет примерно 465 Мбит/с. Для организации данной ЦРРЛ необходимо использовать радиорелейное оборудование SDH, обеспечивающего указанную скорость передачи цифровой информации на момент строительства линии и возможность значительного увеличения пропускной способности в перспективе. В процессе проектирования данной ЦРРЛ необходимо рассмотреть возможность ответвления ЦП с адекватными параметрами на максимальном числе ПРС.

В качестве радиорелейного оборудования предлагается использовать оборудование NL2011 норвежской фирмы Nera в конфигурации 3+1 с использованием ПРП, отвечающего названным выше требованиям по пропускной способности и обладающего высокими эксплуатационными характеристиками. Основные технические данные радиорелейного оборудования NL2011, необходимые для проектирования ЦРРЛ, приведены в табл. 3.1 [14].

20

Проектируемая ЦРРЛ в соответствии с протяженностью и ее статусом (зоновой линии связи) может быть классифицирована как ЦРРЛ высокого качества. На основании табл. 2.1

Кнг доп=0,3 1190/2500=1,4 10-1 % .

Допустимый ПНГ пролета определится по формуле

Кдоп= Кнг доп/Nпр =1,4 10-1 /22 = 6,3 10-3 % .

3.2. Выбор трассы, пунктов размещения РРС общая схема связи проектируемой ЦРРЛ

Первым конкретным шагом решения данного вопроса является анализ физической карты территории размещения проектируемой РРЛ на предмет выявления особенностей рельефа, наличия транспортной инфраструктуры и отбора населенных пунктов, которые целесообразно обеспечить дополнительными каналами связи. На рис. 3.1а представлена физическая карта территории размещения проектируемой РРЛ “С.Петербург-Мурманск, из которой видно, что рельеф местности в основном равнинный за исключением 2-х участков.

Один такой участок находится в районе Петрозаводска, где имеется возвышенность, высота которой составляет 200…300 м (уровнем моря). Второй участок с гористым рельефом (в виде сопок) начинается от Кандалакшской губы и тянется вплоть до Мурманска. Как видно из рис. 3.1 единственным основополагающим элементом транспортной инфраструктуры является железная дорога, что, в общем, и предопределяет единственный вариант направления проектируемой трассы.

Таким образом, выбираем вариант трассы наиболее дешевый и удобный с точки зрения эксплуатации, с меньшим числом станций, наибольшей средней длиной пролета, наименьшими высотами антенных опор и с РРС, расположенными вблизи (по возможности) относительно крупных населенных пунктов. С учетом сказанного было выполнено размещение ПРС и узловых РРС (УРС) на трассе, последние из которых размещаются в городах Петрозаводск, Беломорск, Кандалакша. Соответственно трасса делится этими УРС на 4 участка: