Расчёт максимальных наблюдаемых частот и напряжённостей поля при распространении декаметровых радиоволн в горизонтально-неоднородной рассеивающей ионосфере Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.371:551.510.535

РАСЧЁТ МАКСИМАЛЬНЫХ НАБЛЮДАЕМЫХ ЧАСТОТ И НАПРЯЖЁННОСТЕЙ ПОЛЯ ПРИ РАСПРОСТРАНЕНИИ ДЕКАМЕТРОВЫХ РАДИОВОЛН В ГОРИЗОНТАЛЬНО-НЕОДНОРОДНОЙ РАССЕИВАЮЩЕЙ ИОНОСФЕРЕ

А.И.Агарышев1, В.А.Агарышев2, Н.Н.Куцый3

Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Предлагается алгоритм расчёта максимальных наблюдаемых частот и напряжённостей поля при распространении декаметровых радиоволн в горизонтально-неоднородной рассеивающей ионосфере и приведены примеры расчётов для рабочих частот, превышающих классические максимально применимые частоты. Ил. 5. Библиогр. 8 назв.

Ключевые слова: декаметровые радиоволны, напряжённость поля, максимально применимая частота, радиосвязь.

CALCULATION OF MAXIMUM OBSERVED FREQUENCIES AND FIELD STRENGTHS UNDER DECAMETRE RADI-OWAVE PROPAGATION IN HORIZONTALLY-INHOMOGENEOUS SCATTERING IONOSPHERE A.I.Agaryshev, V.A.Agaryshev, N.N.Kutsiy

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.

The authors suggest the algorithm for calculating the maximum observed frequencies and field strengths under the propagation of decametre radio waves in horizontally inhomogeneous scattering ionosphere. They also present examples of calculations for operating frequencies exceeding classical maximum applicable frequencies. 5 figures. 8 sources.

Key words: decametre radio waves; field strength; maximum applicable frequency; radio communication.

Введение. Использование эффектов, обусловленных рассеянием декаметровых (длина 10-100 м) радиоволн (ДКВ) случайными неоднородностями плотности электронов N ионосферы, позволит увеличить рабочие частоты ДКВ-радиосвязи. Для решения такой задачи необходимы методы и алгоритмы расчёта напряжённости поля Е, учитывающие эти эффекты, что возможно на основе применения эффективного параметра рассеяния ДКВ Б [1]. Однако в работе [1] расчёт относительных потерь распространения I, обусловленных рассеянием ДКВ в ионосфере, выполнен для отражающего радиоволны слоя, параметры которого (высота максимума плотности N и критическая частота fo) не меняются вдоль радиолинии.

Ввиду возможности приёма ДКВ с рабочими частотами f выше классических максимально применимых частот (МПЧ) важно разработать также методы и алгоритмы расчёта максимальных наблюдаемых частот (МНЧ), соответствующих порогу надёжного приёма радиосигналов. Методы расчёта МНЧпР2 (п=1,2,3 -число отражений от слоя Р2 ионосферы), предложены в работах [1,2], где выполнено сравнение с результатами измерений. Однако при анализе результатов измерений и расчётов МНЧ возникает два вопроса: 1) почему при сильных (>2 МГц/1000км) регулярных гра-

диентах ^ вдоль радиолинии наблюдается хорошее соответствие измеренных и рассчитанных МНЧ, несмотря на различия интенсивностей случайных неод-нородностей ионосферы в различных экспериментах?; 2) как усовершенствовать методы [1,2] для слабых (<0.5 МГц/1000 км) градиентов когда превышение измеренных МНЧ над расчётными растёт с ростом интенсивности случайных неоднородностей.

Цель статьи заключается в разработке алгоритма расчёта МНЧ, напряжённостей поля, углов излучения и приёма ДКВ, учитывающего изменения параметров ионосферы вдоль радиолинии и рассеяние ДКВ случайными неоднородностями ионосферы, а также в анализе возможностей применения методов [1,2] для оперативного расчёта максимальных наблюдаемых частот ДКВ-радиосвязи при распространении модами 1Р2,2Р2,3Р2.

1. Расчёт траекторий. Обобщим метод [1] для п=1,2,3 отражений ДКВ от ионосферы с регулярной (прогнозируемой) горизонтальной неоднородностью. С этой целью применим модель тонкого наклонного слоя согласно рис. 1, где показаны траектории лучей, направления которых случайным образом отклоняются от первоначальных направлений вis на эффективной высоте рассеяния hs. Траектория 1 проходит на

1Агарышев Анатолий Иванович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры радиоэлектроники и телекоммуникационных систем, старший научный сотрудник, тел.: (3952)405129.

Agaryshev Anatoly Ivanovich, a professor of the Chair of Radio Electronics and Telecommunication Systems, a doctor of physical and mathematical sciences, a senior research worker, tel.: (3952) 405129.

2Агарышев Виталий Анатольевич, аспирант. Agaryshev Vitaly Anatoljevich, a postgraduate student.

3Куцый Николай Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры автоматизированных систем, профессор. Kutsiy Nikolay Nikolaevich, a professor of the Chair of Automated systems, a doctor of technical sciences, a professor.

поверхность Земли, траектория 2 преломляется через ионосферу, а траектория 3 после рассеяния на нисходящем участке проходит над земной сферой с радиусом R=6371 км (рикошетирует). Углы выхода лучей из источника равны 6i и отличаются на одинаковый шаг по углу 5. На высоте рассеяния hs углы dis определяются из теоремы синусов, т.е cos dis = R cos 6i (R+hs). Дальности до точек падения лучей на нижнюю границу слоя, отсчитываемые вдоль поверхности Земли, равны D1i=Ra1i, где согласно рис. 1 центральный угол ац = п/2 - <рц- di, а угол падения на слой

ф = arcsin[cos0z'/(1 + hs /Л)]. (1) На высоте hs определим случайно-возмущённые углы eir=eis+Yij, где y-ц распределены по нормальному закону с нулевым средним и СКО, равным S. Высоты точек отражения лучей hoi от слоя F2 при заданной зависимости ho от расстояния вдоль радиолинии согласно рис. 1 дают центральные углы аг,, а2. Такие зависимости можно прогнозировать, например, с использованием формулы [3] для действующих высот отражения ДКВ с £=МПЧ:

ho = 1486/Vm 2 -1 -176 , км, (2) где коэффициенты M=M(3000)F2, как и значения f0, прогнозируются при задании географических координат, времён суток и уровней активности Солнца, например, по алгоритму [4].

Рис.1. Траектории лучей с рассеянием на высоте hs и отражением на высоте ho

Дальности до точек отражения (преломления) лучей D2i =R a2/, где согласно рис. 1 центральные углы

a2i = п/2 - щ - ir, (3)

а углы падения щ на отражающий слой определяются из выражения

sin ф2 . =

R + hs R + hoi

cos в ir. (4)

Углы а21,?21 можно найти при итерациях по формулам (2-4), где за нулевое приближение примем Ьщ =11о1 для пункта излучения, затем рассчитаем р из (4), а2! из (3), уточним из (2), подставим уточнённое значение в (4) и т.д. до тех пор, пока разность предыдущего и следующего значений а2, будет <0.001°, что даёт хорошую точность, так как ошибки расчёта дальностей О2 <100 м.

Затем для радиолинии длиной О найдём критические частоты слоя Р2 в точках отражения лучей ^ = 0 + (Ог+О2) (102 - 0)/О и в дальнейшем не будем учитывать лучи, которые не удовлетворяют условию отражения от этого слоя (например, луч 2 на рис. 1):

в1г< ж/2 + е - а % - эксов (0 / f) , (5)

что обобщает известный закон секанса с учётом наклона отражающего радиоволны слоя.

На нисходящем участке траектории согласно рис. 1 лучи отражаются от слоя Р2 ионосферы под углами р =р +2е и падают на рассеивающий слой сверху под углами:

^ = (1 + , / Я , (6)

что даёт центральный угол а3 =п - а2!-р-р2Гв'1В и дальность по Земле О3, =R а3. Углы выхода из рассеивающего слоя для нисходящих участков траектории согласно рис. 1 определяются как в1г=в1з+/21 , где значения уц распределены по нормальному закону с нулевым средним и среднеквадратичным отклонением Б. Тогда углы приёма лучей на поверхности Земли равны:

в=эгссо$[(1+Ь5/К) соэвг], (7)

откуда можно найти центральные углы а4==вг-в и соответствующие дальности О4 =К а#. Полные дальности распространения лучей определяются как О, = Оц +О2, + Оз, + О4 .

При этом из расчётов исключаются лучи, проходящие (рикошетирующие) над сферической поверхностью Земли (например, луч 3 на рис. 1), для которых сов/Иг >1/(1+ЬЭ /К). (8)

Наличие преломлённых и рикошетирующих лучей даёт дополнительные потери при распространении ДКВ в рассеивающей ионосфере по сравнению с регулярной средой без рассеивающих неоднородностей, а также систематические превышения углов приёма ДКВ над углами излучения, т.е. регулярные изменения характеристик ДКВ, обусловленные случайными не-однородностями ионосферы. Такие изменения наиболее существенны для радиолиний длиннее 2500 км

[1], а также для многоскачковых траекторий ДКВ с п>2

[2].

В разработанном алгоритме для расчёта траекторий лучей (волн) с п>2 угол приёма на поверхности Земли принимается равным углу излучения на следующем скачке и расчёты по изложенному выше алгоритму повторяются при задании изменений высот отражения ДКВ и критических частот отражающего слоя вдоль радиолинии. Дальнейшая статистическая обработка результатов расчётов и определение средних характеристик ДКВ, таких как углы излучения, приёма и потери распространения, обусловленные рассеянием ДКВ, выполняется аналогично работе [1] для каж-

дого из модов 1Р2,2Р2,3Р2 с выдачей результатов расчётов средних характеристик для интервала интегрирования в окрестности пункта приёма.

2. Развитие методов расчёта напряжённостей поля. В отличие от метода расчёта средних характеристик ДКВ, изложенного в работе [1], в предлагаемом ниже алгоритме учтено поглощение ДКВ в ионосфере. С этой целью использован вариант известного метода Казанцева из работы [5], который разработан для траекторий ДКВ, симметричных относительно точки отражения от ионосферы, т.е. для одинаковых углов излучения и приёма. Однако для реальных траекторий ДКВ эти углы отличаются, что обусловлено как регулярной горизонтальной неоднородностью ионосферы [3], так и рассеянием ДКВ её случайными неоднород-ностями [1]. Отличаются также критические частоты ионосферных слоёв Е,Р1,Б2 для восходящих и нисходящих участков траекторий и углы падения на эти слои. Все эти факторы влияют на поглощение ДКВ в ионосфере, но не учтены в известных прогнозах напряжённостей поля ДКВ, например, [4,5]. Для уточнения расчётов поглощения КВ используем средние углы излучения вс и приёма вс, рассчитанные согласно разделу 1 данной статьи.

Из рис. 1 определим средние углы падения на поглощающие ДКВ слои й,Е,Р1,Р2 ионосферы для восходящих ри нисходящих р'участков траекторий:

р0=вго$1п[ЯЕ/(ЯЕ +80)оо$вс] и р,0=вго$1п[ЯЕ/( Яе +80)оо$во];

рЕ=вго$1п[ЯЕ/(ЯЕ+110)оо$вс] и р 'Е=вго81п[ЯЕ/(ЯЕ+110)оо$во];

рЕ1=вгоап[ЯЕ/(ЯЕ+200) вс] и р'Е1=вгоз1п[ЯЕ/(ЯЕ+200)со$вс]; рР2=(п - й/ ЯЕ - вс - вс)/2, где высоты слоёв й,Е,Р1 (80,110,200 км) заданы согласно рекомендациям [4,5]. При необходимости эти углы рассчитываются для других скачков по соответствующим углам излучения вс и приёма во. Тогда на основе работы [5] можно рассчитать коэффициенты Г поглощения на каждом из скачков для рабочей частоты 1 или их суммы ГЕ для нескольких скачков:

Г

1,5(/0Бо )2 + 1,25(/0ЕЕ )2

( / + Л )С08(

0,2( /о Ег 1)2

( / + Л )С08{ 1,5(/оЕР )2

(/ + Л )С08 фР1 (/ + /е ) С08 ФР

1,25(/оЕЕ )2 + 0,2(/оЕ'г 1)2 (/ + )соя<

(9)

( / + Л )С08(

+0,02Г 2с0$,ъф¥2 где 1д =1.4 МГц - гирочастота электронов в ионосфере и критические частоты слоя Е (10Е) задаются для дальностей вдоль радиолинии, соответствующих пересечениям средней траектории ДКВ поглощающих слоёв й,Е,Б1 ионосферы под разными углами на восходящих и нисходящих участках траектории. За основу расчётов действующих значений напряжённости поля для мода 1Р2 в пункте приёма примем формулу [5], где согласно (9) уточнён коэффициент поглощения Г для ДКВ в ионосфере с регулярной и случайной неоднородностью, а также учтены дополнительные

относительные потери (10 дБ) из-за рассеяния ДКВ в ионосфере, обусловленные преломлёнными и рикошетирующими траекториями (см. рис.1):

Е = \134pGf (в с )е - Г 10(10 - )/20/р> , мв / м, (10) где Р - мощность радиопередатчика, кВт, в - коэффициент усиления передающей антенны, Р(в) - нормированная диаграмма направленности этой антенны в вертикальной плоскости, Г - коэффициент поглощения, рассчитанный по формуле (9), значения 10 и рассчитываются при Б=0 и заданном значении Б с использованием выражения из работы [1]:

I = 10 ^ Д 8Ш(Р / Я )8Ш вс/(и£с08вс)], (11) где 5 - шаг по углу излучения в/, А - длина участка интегрирования в окрестности дальности радиолинии й. Для этого участка по алгоритму раздела 1 определяется число попаданий лучей п, а также средний угол излучения вс и приёма во пучка лучей. При уменьшении 5 растёт п и растёт надёжность оценок результатов статистического моделирования значений вс, во и 13. Достаточно надёжные результаты дают значения 5*0.0001° и А«50 км. При расчётах для мода 2Б2 значение Е из (10) умножается на 0.8 (средний коэффициент отражения ДКВ от Земли), а для мода 3Р2 - на 0.64. Коэффициент поглощения Г заменяется на Г2. Ниже приведены результаты расчётов Е по программе [6], реализующей разработанный алгоритм.

3. Анализ результатов расчётов. Из рис. 2 видно, что при Б=0 напряжённость поля резко падает для 1>МПЧ= 18.5МГц, где крутизну зависимости Е(1) определяет только шаг по частоте.

без рассеяния ■ с рассеянием=2

•с рассеянием=1

200

150 -

100

Л_Л А. .А * А*г -

(Н7 " Д1

1\

1 V * ж 4 л

17 17,5 18 18,5 19 19,5 20 20,5 21 21,5 22

50 0

-50 -1

Рис. 2. Зависимости напряжённости поля (отн. ед.) для дальности 2260 км от рабочей частоты (МГц) при 3=0 (штрихи), 3=1° (й), 3=2° (◊)

Из рис. 2 видно, что учёт рассеяния ДКВ уменьшает напряжённость поля для 1<МПЧ, но обеспечивает приём с 1>МПЧ, когда возможен прогноз МНЧ при задании порога приёма. Видно, что по наклону зависимости Е(1) для 1>МПЧ1Б2 можно определять параметр рассеяния Б.

Рис. 3, где обозначения соответствуют рис. 2, показывает, что дополнительные потери, обусловленные рассеянием ДКВ, растут с увеличением длины радиолинии, так как согласно рис. 1 и условию (8) растут вероятности возбуждения рикошетирующих лучей. Видно, что благодаря рассеянию ДКВ возможен приём на дальностях выше предельной для одного отражения от слоя Р2 ионосферы, рассчитанной для регу-

лярной ионосферы без рассеяния. Эта дальность зависит от высоты и горизонтального наклона отражающего слоя ионосферы и для рис. 3 составляет =3600 км_

140 120 100 80 60 40 20 0 -

3200 3300 3400 3500 3600 3700 3800 3900 4000

Рис. 3. Зависимость напряжённости поля от длины радиолинии (км) при разных параметрах рассеяния

Приём ДКВ на таких дальностях возможен при случайных возмущениях некоторых траекторий в сторону увеличения дальности.

Рис. 4 в тех же обозначениях показывает, что благодаря рассеянию ДКВ возможен приём для дальностей ближе «мёртвой зоны» радиосвязи, т.е. для 1 >МПЧ1Е2. Такой приём, как и для ситуации рис. 2, обусловлен случайными возмущениями траекторий ДКВ с увеличением углов отражения ф от слоя Р2 (см. рис. 1).

40 35 30 25 20 15 10 5 0

------без рассеяния

—A— с рассеянием=1

0 с рассеянием=2 ^^ t

¡Qf / Bp 9

9

9

£ 9 / / // t

t

9

Я——"Т„-____,_________т___ -9 .

650

700

720

740

800

Рис. 4 Зависимость напряжённости поля от дальности (км) при различных параметрах рассеяния

В [7] показано также существенное влияние рассеяния ДКВ в ионосфере на амплитудно-дальностные характеристики (АДХ), рассчитанные по реализующей метод [1] программе [8].

Применение разработанного алгоритма расчёта характеристик ДКВ позволяет количественно обосновать оперативные методы расчёта МНЧ, такие как метод равных МПЧ [2] и метод оперативной оценки

МНЧ1Р2 [1], что важно для дальнейших исследований, так как эти методы были предложены ранее в результате качественного анализа результатов измерений характеристик ДКВ и физических процессов формирования поля в среде с регулярными и случайными изменениями плотности электронов вдоль радиолинии. Действительно, из рис. 2 видно, что при 1>19 МГц напряжённости поля КВ, рассчитанные для различных параметров рассеяния, практически не отличаются. Такой же вывод следует и из анализа результатов расчётов, приведённых на рис. 2,3 для 1>МПЧ1Р2, а также из рис. 5 для 1>МПЧ2Р2.

ЯГ 16 19 £МГц,

Рис. 5. Расчётные частотные зависимости относительных амплитуд напряжённостей поля для мода 2Р2 в условиях сильных (3.4 МГц/1000 км) изменений вдоль радиолинии длиной 2300 км, где номера кривых равны градусным мерам параметров рассеяния Б

Видно, что амплитуды КВ, рассчитанные для разных параметров Б, близки именно для порогов надежного приёма АР при потерях ¿=85 дБ, рассчитанных из (11), когда расчётная МНЧ близка к рабочей частоте 1р=1 6.8 МГц,.

Выводы. Таким образом, анализ результатов расчётов по разработанному алгоритму прогнозирования напряжённостей поля КВ, приведённых на рис. 25, даёт ответ на вопросы, поставленные во введении к статье, что позволяет более строго обосновать методы оперативных оценок МНЧ[1,2]. Показана также необходимость учёта рассеяния КВ в ионосфере в прогнозах напряжённостей поля, что возможно с использованием разработанных нами методов и алгоритмов и соответствующего программного обеспечения [6,8].

Библиографический список

1. Агарышев А.И. Влияние неоднородностей ионосферы на распространение верхних лучей и радиоволн с частотами выше классической МПЧ // Геомагнетизм и аэрономия. 1994. Т. 34, № 6. С. 112-119.

2. Агарышев А.И. Метод расчета максимальных наблюдаемых частот при двухскачковом распространении декаметровых радиоволн // Радиотехника. 1985. N 4. С. 67-

70.

3. Агарышев А.И., Королёва М.А. Оперативный расчет максимально применимых частот с учетом горизонтальной неоднородности ионосферы//Радиотехника. 1987. N12. C.74-76.

4. A simple HF propagation method for MUF and field strength: Document CCIR 6/288. - CCIR XVI-th Plenary Assembly. Dubrovnik, 1986. - 34 p.

5. Ковалевская Е.М., Керблай Т.С. Расчет расстояния скачка, максимально применимой частоты, углов прихода радиоволны с учетом горизонтальной неоднородности ионосферы. М.: Наука, 1971. 116 с.

6. Агарышев В.А. Программная реализация алгоритма прогнозирования характеристик распространения декамет-ровых радиоволн через горизонтально-неоднородную рассеивающую ионосферу // Вестник ИрГТУ. 2008. № 4(36). С. 72-75.

7. Агарышев А.И., Агарышев В.А., Куцый Н.Н. Прогнозиро-

вание максимальных наблюдаемых частот и напряжённо-стей поля коротких радиоволн с учётом эффектов рассеяния и отражения от ионосферы // Современные проблемы радиоэлектроники и связи: материалы VIII Всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых и специалистов Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009. С.40-45. 8. Системы коротковолновой радиосвязи с подавлением многолучёвости сигнала / А.И. Агарышев [и др.]. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009. 160 с.

УДК 621.879

ПРЕВРАЩЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ETHERNET В ОСНОВНОЙ СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ В СЕТЯХ СВЯЗИ

С.А.Сыросенко1

Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.

Рассмотрен процесс развития технологии Ethernet начиная с применения в локальных вычислительных сетях и заканчивая применением в магистральных системах передачи. Представлен анализ тенденции использования услуг Ethernet по сравнению с E1. Ил. 2. Библиогр. 6 назв.

Ключевые слова: Ethernet; локальные вычислительные сети; магистральные системы связи; системы управления.

TRANSFORMATION OF THE ETHERNET TECHNOLOGY INTO THE MAIN MEANS OF TRANSPORT FOR THE

COMMUNICATION NETWORKS

S.A.Syrosenko

Irkutsk State University of Railway Engineering, 15 Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074.

The author examines the process of the development of the Ethernet technology starting with its application in local computational area networks and finishing with its application in the backbone transmission systems. The article presents the analysis of tendency in the use of Ethernet service as compared with E1. 2 figure. 6 sources.

Key words: Ethernet; local computational area networks; backbone communication systems; management systems.

Технология передачи данных Ethernet, появившаяся в 1973 году, довольно быстро вышла на лидирующие позиции для построения локальных вычислительных сетей (LAN), практически полностью вытеснив такие технологии, как FDDI и Token Ring. Но в первых версиях технологии Ethernet существовало значительное ограничение скорости передачи данных и длины сегмента. Только в 1995 году институтом инженеров электротехники и электроники (IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers) был принят стандарт IEEE 802.3u Fast Ethernet (FE) со скоростью 100 Мбит/с, в 1997 году - IEEE 802.3z Gigabit Ethernet (GE) со скоростью 1000 Мбит/с для передачи данных по оптоволокну и еще через два года для передачи по витой паре. Принятие стандарта 10 Gigabit Ethernet (IEEE 802.3ae) в 2002 году способствовало дальнейшей экспансии Ethernt в городские и глобальные сети. В начале этого года израильская компания EZchip, производитель процессоров для коммутаторов Ethernet, объявила о выходе процессора NP-4, обеспечивающего пропускную способность 100 Гбит/с. И это еще не предел, ведутся работы по разработке

1000 Gigabit Ethernet. Но все же ограничивающим фактором является сам метод управления доступом -множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection).

Этот метод получения доступа к среде передачи данных у Ethernet является недетерминированным. Говоря проще, устройства разделяют среду передачи хаотично, случайным образом. При этом алгоритм может приводить к далеко не равноправному разрешению соперничества станций за доступ к среде, что, в свою очередь, может породить длительные задержки доступа, особенно в условиях перегрузки. В экстремальных случаях скорость передачи может упасть до нуля.

Хотя Ethernet в основном описывается стандартами IEEE группы 802.3, так и не существует стандартизированного подхода к управлению сетью передачи данных, построенной на Ethernet. Решением данного вопроса занялась в 2008 году отраслевая ассоциация TM Forum в сотрудничестве с Metro Ethernet Forum.

1Сыросенко Станислав Александрович, аспирант, тел.: (914)8751109, e-mail: stascheese@mail.ru Syrosenko Stanislav Alexandrovich, a postgraduate student, tel.: (914) 8751109, e-mail: stascheese@mail.ru