CC BY
106
СИСТЕМЫ СВЯЗИ
УДК 621.396
А. А. Сорокин, О. Н. Пищин, В. Н. Дмитриев Астраханский государственный технический университет
АНАЛИЗ АНТЕННЫ1Х КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ СИСТЕМ СВЯЗИ С ДИНАМИЧЕСКОЙ ТОПОЛОГИЕЙ
Введение
В настоящее время для расширения зоны обслуживания систем наземной подвижной передачи информации может служить способ организации сети связи с подвижными коммутационными и ретрансляционными узлам [1]. Подвижность узлов определяется их установкой на крупных подвижных объектах (круизные лайнеры, грузопассажирские паромы, крупные суда рыболовного флота, железнодорожные поезда, автобусы дальнего следования, самолеты и т. д.) [1-3].
Одним из главных критериев обеспечения качества обслуживания абонентов сети подвижной связи является надежность каналов связи между коммутационными и ретрансляционными узлами [3]. Высокоскоростные каналы передачи информации между узлами можно реализовать при помощи беспроводных систем связи. Перемещение узлов относительно друг друга может привести к разрыву канала связи и, как следствие, снижению надежности сети в целом. Следовательно, необходимо использовать специализированные антенные комплексы для обеспечения неразрывности каналов связи между перемещающимися узлами.
Постановка задачи
Целью исследований являлся выбор антенного комплекса для систем связи с подвижными ретрансляционными и коммутационными узлами.
Каналы связи в системах с подвижными ретрансляционными и коммутационными узлами (ПРКУ) могут включать в себя несколько звеньев межстанционных стационарных и подвижных ретрансляторов. От характера и скорости движения ПРКУ зависит протяженность, пропускная способность, надежность, стоимость и ряд других параметров каналов передачи информации между двумя абонентами сети [3]. Надежность беспроводной сети при изменении топологии, вызванной перемещениями ПРКУ, зависит от используемых антенных комплексов.
Антенные комплексы в сети связи с ПРКУ должны обладать следующими свойствами.
1. Обеспечивать высокое качество передачи сигнала при изменении топологии сети.
2. Обеспечивать связь с несколькими объектами одновременно.
3. Обеспечивать переключение при смене транзитных ПРКУ без превышения норм по задержке сигнала.
4. Удовлетворять условиям электромагнитной совместимости с радиоэлектронными средствами, работающими в зоне обслуживания ПРКУ.
5. Противостоять внешним климатическим воздействиям (сильный ветер, снегопад, дождь, забрызгивание соленой водой не должны оказывать отрицательного влияния на антенный комплекс).
В сетях связи с ПРКУ возможно использование антенных комплексов как с круговой, так и с узкой диаграммой направленности [4].
Применение антенн с круговой диаграммой направленности исключает отслеживание расположения объектов относительно друг друга, но для обеспечения необходимого соотношения сигнал/помеха и дальности связи требуется использование повышенной мощности излучения, что может повлечь за собой нарушение условий электромагнитной совместимости с другими радиоэлектронными средствами [4].
Применение антенн с узкой диаграммой направленности позволяет снизить взаимное отрицательное влияние между ПРКУ и увеличить дальность связи. Однако обеспечение готовности каналов связи между ПРКУ при использовании антенных комплексов с узкой диаграммой направленности требует применения систем наведения, слежения и стабилизации [4].
Системы наведения, слежения и стабилизации делятся на механические [5-7] и электронные [8, 9].
Механические системы наведения обеспечивают функцию поиска антенной заданного ПРКУ (например, спутника), используются, как правило, на приемных антеннах спутникового телевидения [5].
Механические системы слежения не только выполняют функцию поиска, но и обеспечивают автоматическое слежение за длительными перемещениями ПРКУ по траектории движения. Критерий необходимости применения системы слежения - обеспечение изменения уровня передаваемого сигнала за счет неточности наведения не более чем на 0,5-1,0 дБ. Величину неточности наведения определяют начальной погрешностью установки антенного комплекса, ветровыми отклонениями, продолжительными детерминированными перемещениями ПРКУ по траектории движения [5]. Основной недостаток систем наведения и слежения - невозможность компенсации кратковременных возмущающих воздействий (волновая качка, резкие маневры) и большие затраты времени на смену ПРКУ [5].
Для компенсации кратковременных возмущающих воздействий остронаправленные антенны устанавливают на механические системы стабилизации. В основе механической системы стабилизации лежит гироскопическое устройство, предназначенное для стабилизации антенного комплекса с узкой диаграммой направленности. Гироскопическое устройство позволяет компенсировать качку и крен судна, маневры сухопутного транспорта и обеспечивает непрерывный прием и передачу сигналов между ПРКУ во время движения [6].
В настоящее время известны модели антенн с гироскопической системой стабилизации, одна из них - антенный комплекс «Marine vsat system AL 7103» [7], предназначенный для установки на подвижных объектах с целью организации канала спутниковой связи в прямом и обратном направлениях.
Недостатки механических систем наведения, слежения и стабилизации - использование механических устройств в системе управления антенным комплексом, что усложняет конструкцию, приводит к возникновению трудностей при работе с несколькими ПРКУ одновременно, т. к. каждый ПРКУ имеет свою траекторию движения.
Одновременная передача информации между несколькими ПРКУ реализуема при помощи антенных комплексов с системами электронного наведения, слежения и стабилизации луча (диаграммы направленности). Антенные комплексы с электронными системами наведения слежения и стабилизации создаются на базе фазированной антенной решетки (ФАР), которая позволяет организовать каналы связи между несколькими ПРКУ одновременно, отслеживать взаимное расположение ПРКУ, осуществлять микросекундное переключение каналов связи с одного ПРКУ на другой [8]. За счет быстрых переключений каналов связи между ПРКУ не будут нарушаться нормы по задержке сигнала.
Фазированная антенная решетка представляет собой последовательность излучателей, соединенных фидерной линией с фазовращателями. При помощи фазовращателей происходит управление фазой сигнала в каждом излучателе. За счет управления фазой сигналы, излучаемые в заданном направлении, придут в фазе и усилят друг друга (рис. 1). Диаграмма направленности ФАР определяется из соотношения [9]:
F _ sin[Np(s/ 1)(sin0-sin j)] (1)
Nsin[p(s / 1)(sin 0 - sin j)] ,
где s - расстояние между излучателями; 1 - длина волны; N - число излучателей; j и 0 -полярные углы, задающие направления прихода или излучения плоской волны.
Отклонение луча в ФАР на угол j обеспечивается изменением фазы сигнала от излучателя к излучателю при разности фаз в соседних излучателях 2n(s /1) sin j (рис. 1) [9].
ТЕННЬШ ИЗЛУЧАТЕЛЬ
ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ
1 ПОЗИЦИОНЕР
I КОНВЕРТОР
НАПРАВЛЕНИЕ НА ПРКУ 2
Цифровой сигнал поворота луча на угол ф
Рис. 1. Фазированная антенная решетка с электронным сканированием
Фазированные антенные решетки делятся на антенны с одномерным и двумерным сканированием зоны действия [8].
Фазированные антенные решетки с одномерным сканированием используются для обслуживания ПРКУ, перемещающихся в одной плоскости (рис. 2) (например, организация связи между кораблями [1]).
Рис. 2. Пример работы системы с ПРКУ, лежащими в одной плоскости:
1 - стационарные ретрансляционные и коммутационные узлы;
2 - установленные соединения; 3 - устанавливаемые или разрываемые соединения;
4 - ПРКУ; 5 - траектория движения ПРКУ
В случаях, когда функции ПРКУ выполняют объекты, перемещающиеся в двух плоскостях, необходимо применение ФАР с двумерным сканированием (например, организация связи с искусственными спутниками земли [3], аэроплатформами [10, 11] или самолетами).
При помощи ФАР возможна одновременная передача информации между ПРКУ и наблюдение за ПРКУ, с которыми установлено или может быть установлено соединение [12]. Однако для управления диаграммой направленности требуется использование сложных вычислительных систем, что может привести к удорожанию антенного комплекса в целом.
Результаты сравнения параметров антенных комплексов на базе систем с механической и электронной стабилизацией приведены в таблице.
Сравнительные характеристики антенных комплексов
Параметр Антенна с системой гироскопической стабилизации ЛЬ 7103 [71 ФАР (потенциальные параметры) [8]
Скорость компенсации бортовой качки (скорость переключения) 30°/8 с (3,75°/с) 10'6 с
Скорость компенсации килевой качки (скорость переключения) 15°/6 с (2,5°/с)
Скорость компенсации при рыскании (скорость переключения) 80°/50 с (1,6°/с)
Возможность организовать каналы связи между несколькими ПРКУ одновременно Нет Да
Возможность отслеживания изменения местоположения нескольких подвижных объектов Нет Да
Заключение
Для обеспечения надежности беспроводных каналов связи между ПРКУ необходимо использование антенных комплексов, позволяющих организовать каналы связи между несколькими ПРКУ одновременно и сохраняющими работоспособность в тяжелых климатических условиях (сильный ветер, качка, забрызгивание соленой водой).
Применение антенн с круговой диаграммой направленности исключает отслеживание расположения объектов относительно друг друга, но для обеспечения необходимого соотношения сигнал/помеха и дальности связи требуется использование повышенной мощности излучения, что может повлечь за собой нарушение условий электромагнитной совместимости с другими радиоэлектронными средствами.
Применение антенн с узкой диаграммой направленности позволяет снизить отрицательное взаимное влияние между ПРКУ и увеличить дальность связи. Однако обеспечение готовности каналов связи между ПРКУ при использовании антенных комплексов с узкой диаграммой направленности требует применения систем наведения, слежения и стабилизации.
Недостатки механических систем наведения, слежения и стабилизации - использование механических устройств в системе управления антенным комплексом, что усложняет конструкцию, приводит к возникновению трудностей при работе с несколькими ПРКУ одновременно.
Использование электронных систем стабилизации на базе технологии фазированных антенных решеток позволяет вести одновременную передачу информации между несколькими ПРКУ, осуществлять наблюдение за ПРКУ, с которыми установлено или может быть установлено соединение, обеспечивать неразрывность каналов связи при воздействии возмущающих факторов на ПРКУ (качка, резкие маневры). Однако для управления диаграммой направленности требуется использование сложных вычислительных систем, что может привести к удорожанию антенного комплекса в целом.
Основываясь на результатах, приведенных в таблице, можно сделать вывод, что наиболее целесообразно для систем связи с динамической топологией использование антенных комплексов с электронной стабилизацией луча.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Дмитриев В. Н., Сорокин А. А., Пищин О. Н. Системы связи с динамической топологией сети / Инфо-коммуникационные системы и технологии: проблемы и перспективы / Под ред. проф. А. В. Бабкина. -СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2007. - С. 59-118.
2. Дмитриев В. Н., Сорокин А. А. Возможности конвергенции систем подвижной связи // Вестн. Астра-хан. гос. техн. ун-та. - 2007. - № 1 (36). - С. 68-71.
3. Горностаев Ю. М., Соколов В. В., Невдяев Л. М. Перспективные спутниковые системы связи. - М.:
Горячая линия - Телеком; МЦНТИ; ООО «Мобильные коммуникации», 2000. - 132 с.
4. Amitava Mukherjee, Somprakash Bandyopadhyay, Debashis Saha. Location Management and Routing in Mobile Wireless Networks Artech House Boston • London 2003 - 250 p.
5. Системы наведения антенн / http://www.syrus.ru/index.cgi7Template = catalog&DeptId = 2&TreeId = 20018
6. Связь и навигация, оборудование для морских судов // http://www.antarsat.com/index.php7catid = 67.
7. Marine vsat system AL 7103 SYS // www.orbit-tracking.com/objects/Group/AL-7103%20Brochure.pdf.
8. Вендик О. Г. Фазированная антенная решетка - глаза радиотехнической системы // Соросовский об-
разовательный журнал. - 1997. - № 2. - С. 115-120 .
9. Парнес М. Фазированные антенные решетки в системах спутникового телевидения // Телеспутник. -1997. - № 8 (22). - С. 58-60.
10. Бендин С. В. Аэростатные телекоммуникационные платформы / http://www.informost.ru/ss/26/16.shtml.
11. Пат. РФ 2180767. Аэродинамическая интегральная система телекоммуникаций / Малышев Г. В., Никитский В. П., Свотин А. П., Егоров Ю. Г., Ламзин В. А., Кузнецов А. А. - 2001.
12. Янковец Ю. Г. Обоснование набора реализаций фазокодоманипулированных сигналов для обнаружения неизлучающих фазированных антенных решеток / www.ncstu.ru/content/_docs/pdf/conf/past/2003/4st/04/20.pdf.
Статья поступила в редакцию 21.12.2007
ANALYSIS OF ANTENNA COMPLEXES FOR COMMUNICATION SYSTEMS WITH DYNAMIC TOPOLOGY
A. A. Sorokin, O. N. Pishchin, V. N. Dmitriev
The purpose of the work is to analyze antenna complexes on the criterion of applicability in communication systems with dynamic topology. The advantages and disadvantages of various types of antenna complexes are revealed. The phased array is taken as the most perspective antenna complex for communication systems with dynamic topology.
