CC BY
56
УДК 621.391 Ю.В. Романов
ОАО «Омский научно-исследовательский институт приборостроения», г. Омск
ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВНЕДРЕНИЯ КВ РАДИОМОДЕМОВ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
Действующим с сентября 2011 года стандартом MIL-STD-188-110C Министерства обороны США предусмотрено использование КВ модемов с полосой до 24 кГц и скоростью передачи данных ионосферной волной до 76800 бит/с.
Как показывают проведенные ОНИИП в 2012 году трассовые испытания модема, занимающего две боковые полосы (режим B8E), расширение полосы занимаемых частот до 6,2 кГц позволяет увеличить скорость передачи данных до значений порядка 20 кбит/с при сохранении всех прочих условий эксперимента, в т.ч. энергетического потенциала радиолинии. На осень 2012 года запланированы трассовые испытания КВ радиомодема, обеспечивающего скорость передачи данных до 64.. .128 кбит/с в полосе 40 кГц.
Наличие современного модема еще не обеспечивает успеха при работе на реальной радиолинии, т.к. чем выше скорость передачи данных и позиционность сигнального созвездия,
286
тем выше требуется энергетика радиолинии и тем ниже должен быть уровень искажений, возникающих в передающих и приемных трактах каналообразующей аппаратуры.
Опишем возможные источники проблем на пути сигнала от модулятора к демодулятору, некоторые способы их выявления и устранения, а также предложим существенные изменения в принципах организации радиосвязи, направленные на повышение эффективности функционирования систем.
Сопряжение модема с РПДУ. Как было показано в [1, 2], радиопередающее устройство (РПДУ) может вносить существенные искажения в сигнал модема за счет следующих факторов:
- нелинейность передаточной характеристики РПДУ;
- не подходящие для работы с сигналом модема алгоритмы автоматической регулировки усиления.
Следует учитывать, что при работе на реальную нагрузку с КСВ больше единицы уровень нелинейных искажений РПДУ может существенно отличаться от заявленных в ТУ норм, т.к. измерения по ТУ, обычно, проводятся при КСВ = 1.
Ввод сигнала модема в РПДУ предпочтительно осуществлять по цифровому стыку (например, Ethernet) для предотвращения характерных для аналоговых линий искажений.
Если модем подключается к РПДУ по аналоговому стыку не непосредственно, а через линии межузловой связи, то это может стать источником дополнительных искажений в виде паразитной амплитудной модуляции, шума и импульсных помех [2].
Сопряжение РПДУ с антенной. При работе на реальных объектах связи необходимо контролировать потери мощности, возникающие на пути сигнала от РПДУ до антенны. Контролю должны подвергаться не номинальные, а реальные потери, которые могут достигать 6.10 дБ; в отдельных случаях и вовсе наблюдаются неконтролируемые обрывы соединительных линий.
Антенны. Используемые на передающей и приемной стороне антенны в значительной степени определяют энергетику радиолинии, соответственно и достижимые скорости передачи данных.
Необходимо учитывать диаграмму направленности (ДН) антенны в азимутальной плоскости и по углу места.
Для понимания роли ДН по углу места необходимо представить себе механизм распространения радиоволн с отражением от ионосферы. Важно понимать, что для каждой радиотрассы можно определить, под каким углом места необходимо излучить ЭМ волну, чтобы она достигла точки приема.
Для работы на дальних радиотрассах с минимальным числом скачков (соответственно, и минимальным затуханием сигнала) необходимо использовать антенны, обеспечивающие
излучение энергии под малыми углами места (0.10 градусов).
ДН по углу места зависит как от конструкции антенны и рабочей частоты, так и от высоты установки антенны над подстилающей поверхностью. Типичной проблемой многих компактных радиоцентров является установка антенн непосредственно над крышей зданий на высоте менее 5.10 метров, что обеспечивает эффективную работу только на коротких трассах, на длинных трассах потери превышают в среднем 10 дБ. Для эффективной работы на протяженных трассах антенна должна быть удалена от проводящих предметов не менее чем на 0,5.1 длину волны наименьшей используемой частоты.
При работе на приемной стороне радиолинии также следует учитывать восприимчивость антенны к помехам в ближней зоне, источником которых могут быть импульсные источники питания, контактные сети, сети электроснабжения, электроустановки, карбюраторные двигатели внутреннего сгорания и другие сущности, создающие искры и/или переносящие и переизлучающие помехи от удаленных источников.
287
Вопросы обеспечения ЭМС на совмещенных радиоцентрах при работе в дуплексном режиме заслуживают отдельной публикации, здесь лишь отметим, что они могут решаться как за счет высоких параметров отдельных технических средств, так и за счет комплексного подхода при проектировании системы. Уменьшить взаимное влияние можно путем рационального размещения антенн, разноса по поляризации, типу антенн и т.п.
Обеспечение частотным ресурсом и выбор оптимальных рабочих частот так же, как и выбор антенн, в значительной степени определяют достижимые скорости передачи данных и надежность системы связи.
Проблемой многих вводимых в эксплуатацию систем адаптивной высокоскоростной радиосвязи является именно недостаточное количество выделенных рабочих частот и нерациональное частотное планирование.
Важно понимать, что состояние ионосферы достаточно изменчиво и не поддается точному долгосрочному прогнозу. Если среднюю за год солнечную активность можно неплохо прогнозировать, то возникновение на Солнце вспышки предсказать невозможно, можно говорить лишь о большей или меньшей вероятности этого события на период порядка недель.
Переход к адаптивным автоматизированным радиолиниям высокоскоростной передачи данных требует пересмотра правил по организации радиосвязи и подходов к частотному планированию.
В рамках страны в целом можно предложить для всех автоматизированных радиолиний использование общего пула рабочих частот. При этом одновременная работа всех радиолиний может осуществляться без существенных взаимных помех даже при децентрализованном управлении за счет алгоритмов автоматической адаптации (концепция когнитивного радио). В совокупности с переходом к управляемым диаграммам направленности это позволит существенно повысить реальную пропускную способность КВ канала связи.
Еще одной организационной проблемой, снижающей скорость и надежность передачи данных, является радиально-узловой принцип организации связи, при котором подчиненность узлов определяется их географической близостью к областному или окружному центру.
В КВ диапазоне должна использоваться адаптивная маршрутизация сообщений, при этом критерием оптимальности должна быть пропускная способность того или иного участка сети, а не его административная подчиненность. Сетевой принцип также позволяет организовать параллельную передачу информации и множественный разнесенный прием.
Сопряжение РПУ с антенной. Все сказанное в разделе про сопряжение РПДУ с антенной необходимо учитывать и при сопряжении антенны с РПУ.
К сказанному следует добавить, что необходимо согласовывать РПУ с антенной по чувствительности и динамическому диапазону сигналов.
Сопряжение модема с РПУ во многом схоже с сопряжением модема с РПДУ, поэтому следует учитывать данные выше рекомендации. Как было показано в [2], радиоприемное устройство может вносить существенные искажения в сигнал модема за счет следующих факторов:
- не подходящие для работы с сигналом модема алгоритмы автоматической регулировки усиления;
- некорректная отработка импульсных помех.
Выводы
Существующая связная инфраструктура и правила организации КВ радиосвязи в существенной степени ограничивают достижимую скорость передачи данных. Для достижения высоких скоростей передачи данных необходимо:
1) использовать направленные антенны, диаграмма направленности которых согласована с радиотрассой по углу места и азимуту.
288
Необходимо переходить к применению антенных систем с управляемой многолепестковой диаграммой направленности (разнесение по лучам), задействовать ресурс разнесенного по частоте и пространству приема;
2) выбирать рабочие частоты средствами адаптивной радиолинии по результатам оперативного трассового зондирования из обширного банка разрешенных частот, общего для всех адаптивных радиолиний отдельного ведомства или министерства обороны в целом.
Для обеспечения максимальной скорости передачи данных модем должен заполнять сигналом все свободные участки спектра в области оптимальных рабочих частот;
3) отказаться от радиально-узлового принципа организации радиосвязи в пользу адаптивной маршрутизации, осуществляемой на основе анализа текущей пропускной способности участков радиосети;
4) минимизировать потери сигнала в фидерных линиях, аналоговых коммутаторах и разветвителях за счет их надлежащего обслуживания. Аналоговая коммутация сигналов должна, по возможности, исключаться за счет оптимизации структуры радиоцентров и перехода к цифровым технологиям;
5) минимизировать проникновение индустриальных помех на вход РПУ через антенну и по сети питания, особое внимание необходимо уделять помехам от импульсных источников питания;
6) минимизировать искажения сигнала в передающем и приемном оборудовании, а также линиях межузловой связи за счет перехода к транспорту сигнала по цифровым интерфейсам типа БШегпе!.
Библиографический список
1. Об оптимизации требований к передающим комплексам радиолиний высокоскоростной передачи данных диапазона ДКМВ / А. В. Богданов [и др.] // Успехи современной радиоэлектроники. - 2011. - № 7. - С. 10-16.
2. Современное состояние и перспективы развития радиопередающих устройств и радиомодемов профессиональной ДКМВ радиосвязи в ОНИИП / Богданов [и др.] // Успехи современной радиоэлектроники. - 2011. - № 11. - С. 24-31.
