Теоретическая оценка максимальных размеров зоны обслуживания транкинговой системы связи СВ-КВ-диапазонов частот Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

hp&q = Recommendation + ITU-R + P.3729&btnG = %D0%9 F%D0%BE%D0%B8%D 1 %81 %D0% BA + %D0%B2 + Google&lr = &aq = f&aqi = &aql = &oq = &gs_rfai = (дата обращения 24.09.2010 г.)

9. Характеристики антенн радиосистем связи / И. Н. Гвоздев [и др.]. - Л.: ВАС, 1978. - 231 с.

ЮРЬЕВ Александр Николаевич, старший научный сотрудник.

Адрес для переписки: e-mail: yurevl 19@rambler.ru

Статья поступила в редакцию 24.09.2010 г. © А. Н. Юрьев

УДК 621.396.93 д. н. ЮРЬЕВ

Омский НИИ приборостроения

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА МАКСИМАЛЬНЫХ РАЗМЕРОВ ЗОНЫ ОБСЛУЖИВАНИЯ ТРАНКИНГОВОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ СВ-КВ-ДИАПАЗОНОВ ЧАСТОТ

В статье проводится анализ возможности реализации транкинговой системы связи с использованием поверхностных радиоволн в области промежуточных частот, а также максимально достижимых размеров зоны обслуживания с учетом характеристик приемных и передающих антенн. Рассматривается наиболее проблематичная задача — передача от абонентской станции к базовой станции транкинговой системы связи.

Ключевые слова: система радиосвязи, земная волна, подстилающая поверхность, напряженность поля, коэффициент шума.

Современные технологии зоновых систем связи базируются на использовании ОВЧ- и УВЧ-диапазонов частот, что позволяет применить высокие скорости передачи информации, применять высокоэффективные малоразмерные антенны, реализовать миниатюрные абонентские радиостанции.

Наблюдаемая в настоящее время тенденция уменьшения площади зоны обслуживания базовых станций обусловлена необходимостью экономии частотного ресурса, а также обеспечения высокой надежности связи при использовании маломощных передатчиков абонентских радиостанций в условиях многоэтажной застройки современного города. Затраты на большее число базовых станций на территориях с высокой концентрацией населения окупаются за счет большого числа абонентов.

Для территорий с низкой плотностью абонентов (сельской местности, удаленных и труднодоступных районов) по-прежнему актуальна задача увеличения площади зоны обслуживания базовой станции, т.к. содержание базовых станций с малым числом абонентов в зонах обслуживания приводит к неоправданно большим затратам. Для систем связи, использующих рабочие частоты диапазонов УВЧ/ОВЧ, максимальный радиус зоны обслуживания определяется расстоянием прямой видимости и может быть определен из выражения [1]

г0= 3,57(7^ + (1)

где г0 — максимальный радиус зоны обслуживания (км); — высота поднятия антенны базовой станции (м); /?2 — высота поднятия антенны абонентской станции (м).

Анализ выражения (1) показывает, что для обеспечения условий прямой видимости, при которых становится возможной связь с мобильными абонентами на расстоянии 50 км, необходимо поднять антенну базовой станции на высоту 130 — 160 м. Подъём антенн на такую высоту требует возведения специальных дорогостоящих стационарных сооружений (вышек, башен). Для мобильных базовых станций возможности использования высоко поднятых антенн дополнительно ограничены их транспортабельностью, а для мобильных базовых станций, работающих на ходу, — допустимыми габаритами транспортного средства [2].

Альтернативой методу подъёма антенн с использованием антенных мачт может служить подъем антенн базовых станций с использованием летательных аппаратов (вертолетов, беспилотных аппаратов, дирижаблей) . Однако это также дорогостоящий вариант решения задачи, требующий дополнительной техники и специально обученного персонала.

Другим вариантом организации зоновой связи с большим радиусом зоны обслуживания может быть снижение несущих частот в область промежуточных и средних волн, которые способны распространяться за пределы горизонта за счет явлений дифракции и рефракции. На рис. 1 представлены кривые зависимостей удаления от базовой станции, на котором напряженность поля составляет 1 мкВ/м, от частоты для различных значений проводимости почвы а.

Указанные кривые получены на основе кривых распространения земной волны [3] и справедливы для излучаемой мощности 1 кВт и короткой штыревой антенны. Величина напряженности в 1 мкВ/м принята потому, что она близка к критической, определяемой уровнем внешнего шума. Из рис. 1 видно, что удале-

3 5

Частота, МГц

Рис. 1. Удаление от базовой станции, на котором напряженность поля составляет 1 мкВ/м

ние от базовой станции, на котором напряженность поля падает до величины 1 мкВ/м, в значительной степени определяется параметрами подстилающей поверхности и частоты. При этом при работе на частотах ниже 5 МГц, при хорошей проводимости почвы и низком уровне внешних шумов потенциально могут быть получены дальности связи, превышающие 200 км.

Рассмотрим влияние на размер зоны обслуживания транкинговой системы связи СВ-КВ-диапазонов волн характеристик антенн базовой и абонентской радиостанций. Оценки радиуса зоны обслуживания будем проводить в соответствии со следующим алгоритмом:

— расчет мощности полезного сигнала на входе приемника для заданного ряда частот и расстояний до передатчика;

— расчет мощности шума на входе приемника для того же ряда частот и расстояний;

— определение для каждой из рабочих частот расстояния, на котором отношение сигнал/шум оказывается равным заданному для используемого вида сигнала и заданной категории обслуживания пороговому соотношению. Найденное расстояние и является границей зоны обслуживания.

Рассмотрим передачу сообщения абонента на базовую станцию, так как ввиду малой мощности абонентской радиостанции и низкой эффективности малоразмерной антенны именно она определяет размер зоны обслуживания. Пусть базовая станция оснащена радиостанцией с антенной «штырь 10м». В качестве абонентской станции примем автомобильные радиостанции мощностью 200 Вт с антеннами «штырь 10 м», «штырь 4 м» и портативную радиостанцию мощностью 5 Вт с антенной «штырь 2 м». Коэффициенты

усиления указанных антенн, взятые из справочника [4], представлены в табл. 1. В расчетах распространения земной волны необходимо также учитывать электрические характеристики подстилающей земной поверхности. В табл. 2 представлены электрические параметры (е — относительная диэлектрическая проницаемость почвы; а — удельная электрическая проводимость почвы, выражаемая в См/м) отдельных видов земной поверхности. В табл. 3 представлены величины мощности сигнала на входе приемника базовой станции, для частот 1 — 10 МГц, удалений абонентской станции от базовой 20^-160 км и для двух видов подстилающей поверхности, при работе передатчика абонентской радиостанции мощностью 0,2 кВт на антенну «штырь 10м». Приемная антенна базовой станции — также «штырь 10м». Величины мощности сигнала приведены в табл. 3 в единицах дБм для параметров земли 8 = 4, а = 3-10-2 (сверху); для параметров земли 8 = 4, ст= 10~3 (снизу). Из табл. 3 видно существенное падение мощности принимаемого сигнала при увеличении частоты сигнала от 1 до 10 МГц, а также сильное влияние параметров земли на величину затухания сигнала.

Определим величину мощности шумов на входе приемника базовой станции.

Мощность шумов на входе приемника определяется из формулы

P,lp = kT^f:iKs(Fmwy]a+Fn-r]a). (2)

В табл. 4 представлены коэффициенты индустриального шума (сверху), подсчитанные в соответствии с рекомендациями [5] для условий сельской местности (rural) и удаленной сельской местности (quet rural), и значения мощности шума на входе приемника

Коэффициенты усиления антенн

Таблица 1

Частоты, МГц 1,0 1,5 2,0 3,0 5,0 7,5 10

Штырь 10 м 0,02 0,04 0,08 0,18 0,4 0,56 0,6

Штырь 4 м 0.007 0.012 0.022 0.055 0.18 0.35 0.45

Штырь 2 м 0.0004 0.0007 0.0012 0.0027 0.013 0.04 -

Электрические параметры различных типов почв

Вид земного покрова езм стзм, См/м

Морская вода 81 1-6

Лед (1=-10°С) 4-5 ю-2-10"1

Влажная почва 10-30 3-ю-3—3-ю-2

Пресная вода рек и озер 80 Ю-3-Ю-2

Мерзлая почва 3-6 10_3-10-2

Болотистая равнина, густо поросшая лесом 13 7,5-Ю"3

Холмы средней высоты, среднее облесение 13 6-Ю'3

Среднее облесение, тяжелые глинистые почвы 13 5-Ю'3

Каменистая почва, крутые холмы 14 2-Ю'3

Сельская местность, слегка холмистая, чернозем 14 10~:!

Песок 2-5 2-Ю"4 —2-10"3

Городские и индустриальные районы 30 10~4-10-3

Сухая почва 3-6 10~5 —5-10-3

Снег (1= -10°С) 1 10"6

Таблица 3

Величины мощности сигнала на входе приемника в единицах дБм для параметров земли е=4г ст=3-102 (сверху); для параметров земли е =4, ст=103 (снизу)

Частота ДальностьЧ 1 МГц 1,5 МГц 2 МГц 3 МГц 5 МГц 7,5 МГц 10 МГц

20 км -39.61 -64.11 -40.11 -68.61 -39.08 -69.08 -41.56 -72.56 -49.06 -75.06 -57.66 -80.66 -65.56 -85.56

40 км -47.10 -76.61 -48.61 -81.61 -49.08 -82.09 -54.56 -84.56 -63.06 -88.06 -71.16 -93.16 -79.56 -98.96

60 км -52.60 -84.91 -55.11 -88.61 -56.08 -89.09 -62.56 -92.56 -71.06 -96.06 -79.66 -102.16 -88.56 -107.6

80 км -57.10 -90.11 -60.11 -94.11 -62.08 -95.59 -68.56 -98.56 -77.56 -102.6 -86.66 -108.6 -95.56 -115.0

100 км -60.10 -95.11 -64.61 -98.61 -66.58 -100.09 -74.06 - 104.6 -82.56 - 108.06 -92.66 -115.1 -101.5 -122.5

120 км -63.60 -99.11 -67.61 -103.1 -71.08 -105.1 -78.56 - 109.0 -88.06 -113.6 -98.66 -122.6 -107.5 -128.5

140 км -65.80 - 103.1 -71.61 -107.6 -75.58 -108.6 -82.56 -113.6 -92.56 -118.0 -103.6 -127.16 -114.5 -134.5

160 км -69.10 -105.1 -74.61 -111.6 -79.58 -113.6 -86.56 -117.6 -97.56 -123.0 - 108.6 -132.6 -119.5 -139.5

Таблица 4

Коэффициенты индустриального шума [дБ] и мощность шума на входе приемника базовой станции [дБм]

Частота шума 1 МГц 1.5 МГц 2 МГц 3 МГц 5 МГц 7.5 МГц 10 МГц

Сельская местность 76.40 -79.65 71.52 -81.52 68.06 -81.97 63.18 -83.32 57.03 -86.00 52.16 -89.42 48.70 -92.58

Удаленная сельская местность 62.80 -93.25 57.76 -95.27 54.19 -95.84 49.15 -97.35 42.81 -100.23 37.77 -103.81 34.20 -107.08

Величины отношения сигнал/шум [дБ] на входе приемника БС. Передающая антенна «штырь 10м». Параметры земли е=4г о=3-10Л Сельская местность

1 МГц 1,5 МГц 2 МГц 3 МГц 5 МГц 7,5 МГц 10 МГц

20 км 40.04 41.41 42.88 41.76 36.93 31.75 27.01

40 км 32.54 32.91 32.88 28.76 22.93 18.25 ШМ

60 км 21М 26.41 ММ • 20,76 им 9J54 4.015

80 км -22J54 : 21.41 тм 14,76 ш 2.754 -2.984

100 км 19*54 16.91 15,38 йш 3.436 -3.246 -8.984

120 км 16.04 13J1 тм 4.760 -2.063 -9.246 -14.98

140 км 13.84 ш йШ 0.760 -6.563 -14.24 -21.98

160 км ШМ ш 2.38 -3.239 -11.56 -19.24 -26.98

базовой станции (снизу), рассчитанные для тех же условий.

В табл. 5 представлены рассчитанные отношения сигнал/шум на входе приемника базовой станции, для частот 1 — 10 МГц, удалений абонентской станции от базовой от 20 до 160 км и для подстилающей поверхности с параметрами (8 = 4, а = 3-10~2), при работе передатчика абонентской радиостанции мощностью 0,2 кВт на антенну «штырь 10 м». В табл. 5 заливкой серым цветом отмечены ячейки, в которых значения сигнал/шум, превышают значение коэффициента защиты 15 дБ, при котором обеспечивается хорошее качество передачи речи; в каждом столбце таблицы подчеркиванием помечены самые нижние значения сигнал/шум, превышающие значение коэффициента защиты 6 дБ, при котором обеспечивается минимально удовлетворительное качество передачи речи.

На рис. 2 для передающей антенны штырь 10 м и мощности передатчика 0,2 кВт представлены максимальные дальности, на которых обеспечивается минимально удовлетворительное качество речи для «хорошей» земли (а = 3-10~2) —кривая 1 и для «плохой» земли (а= 10~3) — кривая 3, а также максимальные дальности, на которых обеспечивается хорошее качество передачи речи для «хорошей» земли jj = 3-10~2) — кривая 2 и для «плохой» земли (а = 10"3) — кривая 4 соответственно. В отличие от кривых рис. 1 кривые рис. 2 построены с учетом характеристик приемной и передающей антенн. Из приведенных кривых видно, что наибольшая дальность связи обеспечивается в диапазоне промежуточных волн на частотах 1—3 МГц. При использовании достаточно простых антенн и умеренной мощности передатчика Р = 200 Вт, в местах с низким уровнем индустриальных шумов (rural и quet rural по классификации рекомендаций [5]) может быть обеспечен радиус зоны обслуживания порядка 100 км. Полученные результаты хорошо согласуется с данными трассовых испытаний, представленными в работе [б].

На рис. 3 и 4 представлены максимальные дальности для передающих антенн штырь 4 м (мощность передатчика 0,2 кВт) и штырь 2 м (мощность передатчика 5 Вт) соответственно.

Полученные результаты расчетов показали следующее.

Реализация транкинговых систем связи в СВ-КВ-диапазонах с работой поверхностными волнами обеспечивает существенно больший радиус зоны обслу-живания, чем системы связи ОВЧ/УВЧ-диапазонов, I при использовании достаточно крупных штыревых

автомобильных антенн («штырь 10 м» и «штырь 4 м») и мощности передатчика 100 — 200 Вт. Наибольшую дальность связи обеспечивают частоты 1 — 3 МГц. Значительное влияние на дальность связи оказывает уровень внешнего шума, поэтому базовые станции такой системы связи должны устанавливаться вдали от городов и объектов с высоким уровнем индустриального шума. Это вполне реализуемо, т.к. рассматриваемая система связи и предназначена для работы в удаленных и труднодоступных районах с низкой плотностью населения и слаборазвитой инфраструктурой.

Реализуемая дальность связи (радиус зоны обслуживания) в значительной степени определяется проводимостью почвы на длине трассы и при хорошей проводимости почвы (а = 3-10~2 См/м) может быть реализована дальность передачи речи до 200 км, при использовании антенн «штырь 10 м» и мощности передатчика 200 Вт. Для почв с низкой проводимостью (а = 10~3 См/м), например, для сухой песчаной почвы, максимальный радиус зоны обслуживания заметно снижается — до 70 — 100 км при использовании антенн «штырь 10 м» и до 50 — 80 км при использовании передающей автомобильной антенны «штырь 4 м».

Повышение дальности связи при плохой проводимости почвы возможно не только путем повышения мощности передатчика, но и улучшением характеристик антенн — увеличением электрической длины, прижатием диаграммы направленности к земле путем использования радиалов и др.

Проведенные вычисления показали, что использование штыревых антенн на носимых абонентских радиостанциях малой мощности не обеспечивают существенного выигрыша по дальности связи у систем связи ОВЧ-УВЧ-диапазонов в виду малой электрической длины и низкой эффективности штыревых антенн в области промежуточных частот. Для носимых радиостанций рассматриваемого диапазона частот значительно лучшие результаты обеспечивает резонансная антенна [7]. Как показали проведенные в Омской области натурные испытания, дальность передачи речевого сигнала между двумя носимыми радиостанциями диапазона 1 —3 МГц мощностью 5 Вт, оснащенными антеннами [7], достигает40 — 50 км, в то время как при укомплектовании указанных радиостанций согласованными штыревыми антеннами длиной 2 м дальность связи при передаче речи не превышает 8 — 10 км.

Очевидно, что при передаче телеграфного сигнала дальность связи во всех случаях увеличится благо-

2 3 4 5 6 7

Частота, МГц

Рис. 2. Максимальные дальности связи для передающей антенны «штырь 10 м» и мощности передатчика 0,2 кВт

160

140

120

Передающая антенна - «Штырь 4 м»

л 100

о К

Л <

<

5 6 7

Частота, МГц

Рис. 3. Максимальные дальности связи для передающей антенны «штырь 4 м» и мощности передатчика 0,2 кВт

Передающая антенна - «Штырь 2 м». Мощность 5 Вт

-0— а = 310 2; р = 6 дБ "В— ст = 310 2; р= 15 дБ

Рис. 4. Максимальные дальности связи для передающей антенны «штырь 2 м» и мощности передатчика 5 Вт

даря уменьшению полосы занимаемой сигналом и соответствующему увеличению отношения сигнал/ шум.

Библиографический список

1. Маковеева, М. М. Системы связи с подвижными объектами : учеб. пособие для вузов / М. М. Маковеева, Ю. С. Шина-ков. — М.: Радио и связь. — 2002. — 440 с.

2. Хазан, В. Л. Транкинговые системы связи СВ-КВ-диапазо-нов радиоволн с мобильной базовой станцией / В. Л. Хазан, А. Н. Юрьев, Д. В. Федосов // «Вестник СибАДИ». - 2010 -Вып. №3(17). - С. 34-40.

3. Рекомендация 368. Кривые распространения земной волны для частот ниже 10 МГц / МККР: документы X пленарной ассамблеи. - Женева, 1963. -М.: Связь, 1964. - 368 с.

4. Характеристики антенн радиосистем связи / И. Н. Гвоздев [и др.]. - Л. : ВАС. - 1978. - 231 с.

5. Recommendation ITU-R Р.372-9. Radio noise. [Электронный ресурс]. — URL : http : //webs.uvigo.es/servicios/biblioteca/uit/ rec/P/R-REC-P.372-9-200708-1!¡PDF-E.pdf (дата обращения : 24.09.2010 г.)

6. Анализ мешающего влияния ионосферной радиоволны при работе системы связи по поверхностной волне / Д. Е. Зача-тейский [и др.] // Техника радиосвязи / Омский НИИ приборостроения. - 2004. - Вып. 9. - С. 27-36.

7. Федосов, Д. В. Вибраторная антенна / Д. В. Федосов, В. Н. Хорват, В. Л. Хазан / Заявка на изобретение № 2009145078 от 04.12.2009.

ЮРЬЕВ Александр Николаевич, старший научный сотрудник.

Адрес для переписки: e-mail: yurevl 19@rambler.ru

Статья поступила в редакцию 09.11.2010 г. © А. Н. Юрьев

Книжная полка

Информационные технологии проектирования радиоэлектронных средств [Текст]: учеб. пособие для вузов по специальности «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» направления «Проектирование и технология электронных средств» / Ю. Л. Муромцев [и др.]. - М.: Академия , 2010. - 380 с. - ISBN 978-5-7695-6256-3.

Приведены основные положения, классификация и характеристики информационных технологий (ИТ) и систем; с позиций системного подхода рассматриваются архитектура, принципы и тенденции развития ИТ; изложена методология автоматизированного проектирования радиоэлектронных средств (РЭС); рассмотрены виды обеспечения систем автоматизированного проектирования РЭС, математические модели объектов проектирования, задачи анализа и синтеза РЭС, методы решения задач проектирования изделий и технологических процессов, методы принятия проектных и управленческих решений; приведены примеры электронных САПР и информационных систем, используемых на всех этапах жизненного цикла РЭС, данная методика оценки эффективности разрабатываемых и внедряемых ИТ.

Богачков, И. В. Устройства преобразования и обработки информации в системах подвижной радиосвязи [Текст] : учеб. пособие для вузов по направлению 210400 «Телекоммуникации» / И. В. Богачков; ОмГТУ. - Омск: Изд-во ОмГТУг 2010. - 88 с.: рис., табл. - Библиогр.: с. 86-87. - ISBN 978-5-8149-1005-6.

Учебное пособие содержит основные сведения, контрольные вопросы и список рекомендуемой литературы по 10 темам в соответствии с программой изучения дисциплины «Устройства преобразования и обработки информации в системах подвижной радиосвязи».

Лобова, Г. Н. Будущему радиоинженеру [Текст]: учеб. пособие / Г. Н. Лобова; ОмГТУ. - Омск, 2010. -131 с.: рис., табл. - Библиогр.: с. 126-131. - ISBN 978-5-8149-0977-0.

Учебное пособие предназначено для студентов радиотехнических специальностей, изучающих историю развития радиотехники, становление и развитие предприятий радиотехнической промышленности г. Омска, а также передовую технологию исследовательской деятельности, свойственной инженерной элите разработчиков. Учебное пособие соответствует требованиям государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования.