CC BY
66
УДК 621.371.2
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЧ-ДИАПАЗОНА РАДИОЧАСТОТ ДЛЯ ВНЕДРЕНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СВЯЗИ
© А.С. Попов1
Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.
Поднимается вопрос о внедрении в диапазон радиочастот 9 кГц - 30 МГц новых систем радиосвязи, приводятся данные о количестве фиксируемых в эфире РЭС гражданского назначения сухопутной подвижной и фиксированной служб радиосвязи. Дано описание принципа работы системы широкополосной многоканальной системы передачи данных по ионосферному каналу, представлены результаты исследований. Ил. 6. Библиогр. 7 назв.
Ключевые слова: радиочастотный спектр; служба радиосвязи; широкополосная передача данных; ионосфера.
USING HIGH FREQUENCY RADIO WAVES TO INTRODUCE RADIO-ELECTRONIC TOOLS EMPLOYING NEW COMMUNICATION TECHNOLOGIES A.S. Popov
Irkutsk State University of Railway Engineering, 15 Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074, Russia.
The article raises the problem of introducing new radio communication systems in the RF spectrum of 9kHz - 30MHz, and provides information on the number of land mobile and fixed radio services registered in the live of civil radio-electronic tools. The working principle of the wideband multi-channel system transmitting data through the ionospheric channel is described. The research results are presented. The author expresses his gratitude to the Center for collective use (CCU) of scientific equipment "Solar-terrestrial physics and near-Earth space control," CCU "Angara" for the provision of vertical ionospheric sounding data. 6 figures. 7 sources.
Key words: radio frequency (RF) spectrum; radio communication service; broadband data transmission; ionosphere.
Статистика мониторинга диапазона частот 9 кГц -30 МГц за последние 20 лет свидетельствует о снижении количества радиоэлектронных средств (РЭС) и используемых радиочастотных каналов. После распада СССР часть предприятий, использующих ВЧ диапазон, оказалась неконкурентоспособна и прекратила свое существование, часть перешла в УКВ-диапазон. Развитие и распространение сотовой, спутниковой, радиорелейной и иных новых видов связи также сыграло свою роль. На примере зоны ответственности Иркутской Станции Технического Радиоконтроля (Иркутская область, Забайкальский край, Республика Бурятия) можно сказать, что количество фиксируемых в эфире РЭС и используемых радиочастот сократилось, да и тенденции последних лет не говорят о его увеличении. Диаграмма использования радиочастотного ресурса, распределенного сухопутной подвижной и фиксированной службам радиосвязи гражданского назначения, представлена на рис. 1. Ширина распределенной полосы - 3005 кГц, находится в диапазоне частот 3155 - 10000 кГц [3]. Данные получены в результате проведения радиомониторинга в вышеуказанном диапазоне.
На примере четырех последних лет можно сказать, что в среднем в полосе 3005 кГц использовалось 243 кГц или 8%. Увеличить объём используемого радиочастотного ресурса может разработка и внедрение в этот диапазон частот РЭС, использующих новые технологии связи. В качестве примера можно приве-
сти систему многоканальной широкополосной передачи данных (СПД) по ионосферному каналу.
Передача данных на ультракоротких волнах в настоящее время широко распространена: сети сотовой связи третьего и четвертого поколений, системы широкополосного беспроводного доступа типа Wi-Fi. Скорость передачи данных порядка 100 Мегабит в секунду в режиме Downlink, как в случае сетей сотовой связи LTE 4 поколения, не редкость [7]. Однако в диапазоне до 30 МГц, типичная скорость передачи данных РЭС гражданского назначения не превышает значения 4,8 - 9,6 кбит/с.
Но в чем же проблема? Ионосфера является крайне сложной, постоянно меняющейся средой. Высокая протяженность, регулярная и случайная изменчивость распределения ионной концентрации, наличие рассеяния, сильной регулярной и случайной рефракций приводят к образованию каустик и многолу-чевости. Распределение концентрации ионов и, следственно, условия распространения радиоволн, постоянно изменяются в зависимости от времени года, суток, солнечной активности. Радиоволны распространяются вдоль земной поверхности (поверхностная волна), отражаясь от земной поверхности и ионизированных слоев ионосферы. Траектория прохождения сигнала - это функция, зависящая от частоты, угла места, азимута излучения, распределения концентрации ионов и многих других факторов. Частотные составляющие сигнала имеют отличающиеся друг от
1Попов Александр Сергеевич, аспирант, тел.: 89248324415, e-mail: [email protected] Popov Alexander, Postgraduate, tel.: 89248324415, e-mail: [email protected]
Рис. 1. Диаграмма использования радиочастотного ресурса объемом 3005 кГц в 2009-2012 гг. (цифры на рисунке показывают объем используемого частотного ресурса в кГц)
2009 г.
2010 г.
2011 г.
2012 г.
используемая полоса (кГц)
друга траектории прохождения, в результате приходящий сигнал «расплывается» по земной поверхности относительно точки приёма. Составляющие приходят с временной задержкой относительно друг друга, что вызывает изменение начальных фаз составляющих сигнала, т.е. фазо-частотная характеристика (ФЧХ) сигнала разрушается и выделить полезную информацию становится затруднительно. Причем, чем шире спектр сигнала, тем больше эти эффекты проявляются [1, 2, 4].
Работы по повышению качества и устойчивости КВ радиосвязи проводятся постоянно. Проводятся изыскания по использованию сигналов с большей спектральной эффективностью, разрабатываются новые методы обработки сигналов (кодированная манипуляция, итеративная обработка, борьба с межсимвольной интерференцией сигналов). В большинстве своем берутся ограниченные диапазоны и изучается возможность более эффективного их использования. В результате на свет появляются новые, более совершенные системы связи. Примером таковой является DRM (Digital Radio Mondiale) - цифровое радиовещание. Скорость передачи данных в полосе частот 20 кГц составляет 72 кбит/с [6]. Также в ноябре 2012 г. Омским научно-исследовательским институтом приборостроения (ОАО) успешно завершены испытания SDR (Software Defined Radio) коротковолнового модема. В полосе 40 кГц и при мощности передающего оборудования 1 кВт на радиотрассе «Омск-Москва», в условиях невозмущенной ионосферы, удалось достичь скорости информационной передачи данных до 124,8 кбит/с [5].
Применение широкополосных сигналов вкупе с уплотнением спектральной плотности позволит существенно повысить скорости передачи данных. Основываясь на примерах, приведенных в абзаце выше,
можно сказать, что добиться показателей более 1 Мбит/с на 1 МГц занимаемой полосы частот реально. Искажение ФЧХ сигнала на приёмной стороне возможно компенсировать за счёт коррекции ФЧХ на передающей стороне таким образом, чтобы сигнал, пройдя через ионосферу, исказившись, принял исходную форму.
Ф 2 = Ф 1 (Пи ск)" 1
где Ф 2 - принимаемый сигнал; излучаемый сигнал; Пи ск - вносимые искажения ионосферой.
В то же время
П и с к= Я Р.Ф.1 .й) ,
где р- азимут излучения; ср - угол места излучения; I- состояние ионосферы (условия прохождения радиоволн); й - координаты приёмопередающих устройств.
Для «нацеливания» сигналов в точку приема предполагается изменение азимута в и угла места ф излучения в зависимости от рабочих частот.
На основании данных вертикального зондирования ионосферы за 28.05.2013 (00:00 - 23:00 UTC) был произведен расчет углов места излучения для радиотрассы «Иркутск - Бодайбо» протяженностью 883 км. Для расчета были выбраны диапазоны 3,85-4,65 МГц и 4,75-5,48 МГц, распределенные сухопутной подвижной и фиксированной службами радиосвязи [3].
В результате:
• в диапазоне 3,85-4,65 МГц угол ф составляет 16°...34° (рис. 2 и 3);
• в диапазоне 4,75-5,48 МГц угол ф составляет 25°...36° (рис. 4 и 5).
Это свидетельствует о том, что одно из основных требований к антенно-фидерным системам (АФС) подобных СПД - возможность изменения диаграммы направленности. АФС может быть выполнена по принципу фазированной антенной решетки.
23,000
§ 21,000 >
19,000
17,000
15,000
00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00
3,850 3,950 4,050 4,150 4,25 4,35 4,45 4,55 4,65 Частота (МГц)
Рис. 2. Углы места излучения в диапазоне частот 3,85-4,65 МГц, 00:00-12:00 иТС
23,000
13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00
3,850 3,950 4,050 4,150 4,25 4,35 4,45 4,55 4,65 Частота (МГц)
Рис. 3. Углы места излучения в диапазоне частот 3,85-4,65 МГц, 12:00-23:00 иТС
29,000
27,000
3 25,000
22,000
4,75 4,85 4,95
5,05 5,15 Частота (МГц)
5,25 5,35
5,48
00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00
Рис. 4. Углы места излучения в диапазоне частот 4,75-5,48 МГц, 00:00-12:00 иТС
37,000
35,000
—♦— 13:00
-Я- 14:00
15:00
* 16:00
17:00
-•- 18:00
— 19:00
— 20:00
— 21:00
-*- 22:00
-ш- 23:00
4,75 4,85
4,95
5,05 5,15 Частота (МГц)
5,25 5,35
5,48
Рис. 5. Углы места излучения в диапазоне частот 4,75-5,48 МГц, 12:00-23:00 иТС
Расчет Пи ск, ф, в производится на основании данных о состоянии ионосферы, получаемых от станций зондирования, с учетом координат мест расположения приемопередаюшего оборудования.
Решить эту задачу можно только для ограниченной полосы частот, и информационная емкость этой полосы конечна. Эта полоса выбирается из условий того, что:
• её ширина является менее критической, выше которой задача уже не имеет решения;
• обеспечивается электромагнитная совместимость с уже работающими радиоэлектронными средствами.
На базе этой полосы организуется единичный канал. Если данные превышают по объему емкость единичного канала, либо требуется повышенная скорость передачи, то они разбиваются на части и передаются в i количестве каналов. Следовательно, для нормальной работы системы передачи данных нужно выделение ] количества каналов в различных частях диапазо-
на до 30 МГц. Это даст возможность выбора оптимальных каналов в условиях постоянно меняющейся ионосферы, что обеспечит непрерывность канала связи.
Блок-схема СПД в упрощенном виде данных представлена на рис. 6.
Каждая станция приема-передачи содержит блоки передатчиков приемников (RX), антенно-
фидерной системы (АФС), вычислительное устройство (ВУ). Станция зондирования ионосферы передаёт на станцию информацию о состоянии ионосферы. В качестве каналов передачи служебной информации на абонентские станции предусматриваются узкополосные служебные каналы.
Рассмотрим работу системы. На станцию приема-передачи «А» поступает информация для передачи на станцию приема-передачи «Б». В первую очередь, она поступает на вычислительное устройство. В нем:
• оценивается объем информации, требуемая скорость передачи данных и на основании этого рас-
Рис. 6. Блок-схема СПД
считывается количество частотных каналов, требуемых для передачи сообщения;
• выбираются номера частотных каналов, исходя из условий распространения их занятости;
• в ФЧХ сигнала вносятся соответствующие поправки;
• сигналы соответствующим образом кодируются (используются помехоустойчивые коды);
• рассчитываются углы места и азимуты излучения, которые в виде команд управления поступают на антенно-фидерную систему.
С помощью передатчика и антенно-фидерной системы через ионосферный канал данные передаются на принимающую сторону. Там по цепи АФС - RX - ВУ сигнал принимается и проверяется на предмет наличия ошибок приема. При необходимости отправляется запрос на повторную передачу.
На основе такой СПД можно:
• организовать внутриведомственные и внутрипроизводственные сети обмена информацией разного рода (голосовой сервис, сервис текстовых сообщений и передачи данных, телеметрии);
• обеспечить стабильную связь с отдаленными труднодоступными районами, не имеющими развитой
инфраструктуры;
• организовать аналог сотовых систем связи стандарта GSM/IMT-МС-450, имеющий больший радиус действия ввиду использования ВЧ-диапазона.
Преимущество систем, использующих ионосферный канал, перед проводными, оптоволоконными, спутниковыми системами связи в том, что в качестве среды используется ионосфера, «живучесть» которой в конфликтных ситуациях не вызывает сомнений. Она позволит организовать связь на большие расстояния без вывода спутников на орбиту, что, несомненно, скажется на стоимости развертывания подобных систем. В случае возникновения чрезвычайных ситуаций (выход из строя систем связи, использования ядерного оружия и т.п.) на восстановление связи по ионосферному каналу потребуется гораздо меньше времени и ресурсов по сравнению с другими видами связи.
Автор выражает благодарность Центру коллективного пользования научным оборудованием «Солнечно-земная физика и контроль околоземного космического пространства», ЦКП «Ангара» за предоставление данных вертикального зондирования ионосферы.
Библиографический список
1. Альперт Я.Л. Распространение электромагнитных волн и ионосфера. М.: Наука, 1972. 564 с.
2. Фейндберг Е.Л. Распространение радиоволн вдоль земной поверхности. М.: Наука, 1999. 497 с.
3. Сборник рабочих материалов по международному регулированию планирования и использования радиочастотного спектра. В 4 т. (5 кн.). М.: НПФ «Гейзер», 2001. 1477 с.
4. Дэвис К. Радиоволны в ионосфере. М.: Мир, 1973. 504 с.
5. Рубеж 120 кбит/с в КВ диапазоне взят [Электронный ре-
сурс] // ОАО «Омский научно-исследовательский институт приборостроения». URL:
http://www.oniip.ru/predpriyatie/novosti/opisanie.php?ID=670
6. Кацнельсон Л.Н. Система цифрового радиовещания DRM: учеб. пособие [Электронный ресурс] // СТ «Факультет ДВО». URL: http://dvo.sut.ru/libr/rvies/w151kazn.
7. LteWorld [Электронный ресурс] // LteWorld. URL:http://www.lteworld.org.
