CC BY
41«C@yL@qyiym-J®yrMaL»#12îâ4),2©2© / TECHNICAL SCIENCE
TECHNICAL SCIENCE
УДК. 621.391
Якушенко Сергей Алексеевич Научный сотрудник НИЦ, Кандидат технических наук, доцент Забело Александр Николаевич Доцент, кандидат военных наук Антонов Владимир Владимирович Старший преподаватель Веркин Сергей Сергеевич Преподаватель, кандидат технических наук Егрушев Владимир Евгеньевич Преподаватель, кандидат технических наук Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С.М. Буденного
(г. Санкт-Петербург) DOI: 10.24411/2520-6990-2020-11787 СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТРОПОСФЕРНЫХ ЛИНИЙ РАДИОСВЯЗИ В УСЛОВИЯХ ЗАПОЛЯРЬЯ И АРКТИКИ
Yakushenko Sergey Alekseevich
Research associate of SIC, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor Zabelo Alexander Nikolaevich
Associate Professor, Candidate of Military Sciences Antonov Vladimir Vladimirovich Senior Lecturer
Verkin Sergey Sergeevich
Lecturer, Candidate of Technical Sciences
Egrushev Vladimir Evgenievich
Lecturer, Candidate of Technical Sciences Military Academy of Communications. Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny
(Saint Petersburg)
METHODS FOR INCREASING THE EFFICIENCY OF USING TROPOSPHERIC LINES OF RADIO COMMUNICATION IN THE CONDITIONS ARCTIC
Аннотация
В статье рассматриваются пути совершенствованием тропосферных систем передачи для применения в малонаселенных районах со слаборазвитой инфраструктурой. Предложены технологии разнесенного приёма на основе углового разнесения и пространственно-временного кодирования и приведены варианты по использованию интегрированных технологий, улучшающих энергетические характеристики тропосферных радиолиний связи при их применении в условиях Заполярья и Арктики.
Abstract
The article discusses ways to improve tropospheric transmission systems for use in sparsely populated areas with poorly developed infrastructure. Technologies of diversity reception based on angular diversity and spacetime coding are proposed and options for using integrated technologies that improve the energy characteristics of tropospheric communication radios when using them in the Arctic are presented.
Ключевые слова: тропосферные системы передачи; интеграция технологий; угловое разнесение; разнесённый приём; пространственно-частотное кодирование.
Keywords: troposphere systems of transfer; integration of technologies; angular separation; the carried acceptance; the spatial-frequency coding.
Введение
Одной из важных задач, в условиях активного освоения территорий Заполярья и Арктики, является обеспечение этих регионов высокоскоростными каналами связи. Развитие проводных каналов связи не получило широкого применения ввиду проблем природно- климатического и инфраструк-
турного характера (вечная мерзлота, большая удаленность объектов и населенных пунктов). В таких условиях, для обеспечения территорий Арктики высокоскоростной связью, предпочтение отдается различным видам радиосвязи, в частности спутниковой связи. Однако, опыт использования систем спутниковой связи показывает, что такая система
TECHNICAL SCIENCE /
достаточно дорога как в создании, так и в эксплуатации. Кроме всего, особенности распространения радиоволн в арктическом регионе, связанные с магнитными возмущениями нижней части атмосферы, снижает надежность спутниковой связи. На территориях, приближенных к Северному полюсу, повышенное поглощение радиоволн в ионосфере делает практически непригодным для работы КВ-радиосвязь. Альтернативным вариантом является тропосферная радиосвязь (ТРС), позволяющая обеспечить передачу информации на большие расстояния.
Основным недостатком тропосферных линий радиосвязи (ТРЛ) является высокая энергетика радиолинии, недостаточная пропускная способность, глубокие замирания радиосигналов и большие мас-согабаритные показатели станций, что ограничивает их применение и снижает эффективность в целом. Поэтому актуальным вопросом является, повышение эффективности ТРЛ.
Основными направлениями развития линий ТРС являются: повышение пропускной способности, помехоустойчивости к замираниям и мобильности, снижение энергопотребления и массогаба-ритных показателей станций, совершенствование антенно-мачтовых систем, автоматизацию всех процессов, в том числе за счёт навигационного обеспечения [2].
Современными технологиями, влияющими на эти характеристики, являются технологии разнесённого приёма, пространственно-временного и пространственно-частного кодирования. Их интеграция позволит значительно снизить энергетику тропосферной радиолинии на интервале связи и повысить помехоустойчивость к замираниям, а, следовательно, повысит пропускную способность ТРЛ.
Разнесённый приём повышает устойчивость функционирования ТРЛ в условиях воздействия глад-
ких и селективных замираний радиосигнала, а помехоустойчивое кодирование, разнесённое по ветвям копий сигнала, повышает энергетический выигрыш. Основным условием обеспечения такого выигрыша является некоррелированность копий сигналов на приёмной стороне, которую можно оценить коэффициентом корреляции [1, 2]
р(%) = ехр[-р (%/%о)], (1)
где р - постоянный коэффициент, зависящий от параметров разнесения; % - параметр разнесения; %о - интервал разнесения.
Известно, что борьба с быстрыми замираниями при разнесённом приёме будет эффективна, если коэффициент корреляции р(%) между принимаемыми сигналами меньше р(%) < е-1 = 0,37. В этом случае считается, что копии сигналов в ветвях статистически слабо связанными (хотя достаточно р(%)<0,5, при этом энергетические потери не превышают 1,5 дБ от идеальных) [1, 3].
Возможны различные варианты организации некоррелированных ветвей разнесения: пространственное; частотное; временное; угловое и поляризационное разнесение. В настоящее время широкое применение находит угловое разнесение (рисунок 1), которое аналогично пространственному, но реализуется в одной антенне, что уменьшает ветровые нагрузки и повышает мобильность станций тропосферной связи.
При угловом разнесении используется одна антенна с несколькими облучателями, формирующими многолучевую диаграмму направленности. Облучатели совместно с малошумящими усилителями устанавливаются на мультифиде (кронштейне) антенны и смещены на расстоянии Д/ = |др|, где ¥ - фокусное расстояние антенны; ДР| - модуль разности азимутов или углов возвышения антенны [4].
Рисунок 1. Принцип углового разнесения сигнала в ТРЛ
Конструкция многолучевой антенны возможна благодаря свойству параболоида вращения - фокусировать лучи с других источников в некоторой точке пространства, расположенной невдалеке от основного фокуса. При этом угловое расстояние между источниками излучения не должно превышать 8°... 12°. Радиус корреляции определяется выражением
рр И 0,85 Д6в(г) [град], где Д6в(г) - ширина диаграммы направленности антенны в вертикальной или горизонтальной плоскости.
Из выражения следует, что эффективность углового разнесения проявляется лишь в антеннах с очень узкой диаграммой направленности (Д6<0,5), что практически невыполнимо в современных станциях. Решить эту задачу можно с использованием антенн большого диаметра в диапазоне СВЧ. Коэффициент корреляции изменяется от 0,4 до 0.7. В каждой ветви уровень полезного сигнала уменьшается на 1.4 дБ. В остальном характеристики сигналов можно считать неизменными [1, 3].
/ technical science
Разнесённый приём с угловым разнесением позволяет повысить энергетический выигрыш для канала с рош = 10-4 от 2 дБ до 10 дБ в зависимости от кратности разнесения и способов комбинирования сигналов на приёмной стороне.
Интеграция углового разнесения с пространственным кодированием копий сигналов в ветвях даёт дополнительный энергетически выигрыш за счет усложнения методов передачи и обработки сигналов на приеме. Здесь используется идеи совмещения модуляции и кодирования без расширения полосы частот и с выигрышем по помехоустойчивости. Пространственно-частотные (с частотным различием) сигнально-кодовые конструкциям (СКК) отличаются от классических СКК необходимостью обязательного учета повторений элементов СКК, дублированных в ветвях разнесения. Пространственно-временного кодирования отличается от традиционного тем, что избыточность вводится и во временную, и в пространственную области.
Для простоты рассмотрим блочные СКК с че-тырехфазной модуляцией (ФМ4) и различной длиной СКК, такие как: расширенный код Хэмминга (8,4), код Голея (24,12), код Рида-Малера (32,16), которые являются наиболее подходящими для исследования. В каналах с замираниями помехоустойчивость зависит не только от количества ветвей разнесения, но и от наличия коррелированных и некоррелированных замираний в символах СКК. Зависимости вероятности ошибки от отношения "сигнал/шум" для выбранных СКК приведены на рисунке 2.
Из рисунка следует, что применение СКК позволяет получить существенный выигрыш в энергетике по сравнению с некодированной ФМ. Наилучшей помехоустойчивостью обладает СКК М(24,12) на основе кода Голея, для которой вероятность ошибки рош =10-4 обеспечивается при отношении сигнал/шум 10,5 дБ [3].
5 10 15 20 ь2
Рисунок 2. Вероятности ошибок ССК на выходе декодера ТРЛ
Анализ помехоустойчивости различных вариантов сигналообразования в системе связи с пространственно-частотных СКК приведен на рисунке 3. Здесь показаны зависимости помехоустойчивости СКК от числа разнесений N и вида блочной СКК. Анализ графиков позволяет сделать вывод, что с увеличением кратности разнесения N помехоустойчивость улучшается. Причем требования к Н0 при наличии коррелированных замираний в элементах СКК выше, чем некоррелированных и могут различаться более чем на 30 дБ.
Следовательно, если задано количество ветвей разнесения, то можно определить оптимальные параметры сигналов систем передачи ТРС. Так, например, при угловом разнесения с двумя излучателями на передаче и на приёме N = 4) с пространственно-частотной СКК (самый простой код dmin = 4) без расширения спектра помехоустойчивость (для рош = 10-4) составляет 4,7 дБ против
7,1 дБ без СКК, т. е выигрыш составил 7,1 - 4,3 = 2,8 дБ. При увеличении связи между символами (ухудшении корреляционных свойств копий сигналов) выигрыш уменьшается до 0,5 дБ.
При увеличении кратности разнесения до четырёх излучателей на передаче и на приёме ^ = 16) с пространственно-частотной СКК при независимых замираниях в элементах выигрыш в отношении "сигнал/шум" изменяется от 6 дБ до 9 дБ без существенного увеличения полосы частот. Применение пространственно-временных СКК больших размеров с совершенными кодами уменьшает разность в помехоустойчивости между вариантами ТРЛ с коррелированными и некоррелированными замираниями элементов сигнала в разнесённых ветвях до 1 дБ.
Выводы
а)
TECHNICAL SCIENCE / «ШУУЮЩиМ-ШиГМ&И »ff12(?6U2§2g
б)
40 30 20 15
12 10 8 6 5 4
/1(24,12), М /1(32,16)
\\
СКК с /элеме! коррели] тгами юванными
М(8,4 /
у t Ф1 VI4
\ \
/М( " —--
' Ti....... """T-V
М(24, 12)
СКК с гекоррелиро] занными элементами
"о
40
СКК с некоррелированными элементами
4
8
2 4 ФМ4 М(8,4)
16 N
Рисунок 3. Помехоустойчивость СКК, обеспечивающая pош <10-4
8 12 16 n
М(16,8) М(24,12) М(32,16)
Таким образом, тропосферные системы передачи с угловым разнесением и пространственно-временными СКК имеют помехоустойчивость выше по сравнению с системами без СКК, а применение сложных СКК позволяет получить дополнительный выигрыш в помехоустойчивости без существенного увеличения полосы частот. Совместно с угловым разнесением энергетический выигрыш ТРЛ может составлять свыше 10 дБ, что позволит увеличить пропускную способность линии по сравнению с существующей более чем на порядок. Кроме того, угловое разнесение излучателей антенны позволит использовать одну антенну на одно направление при той же эффективности, что и системы с антенным разнесением. Это позволит значительно сократить массогабаритные показатели
тропосферной станции, а, следовательно, повысить ее мобильность.
Список литературы
1. Невдяев Л.М. Угловое разнесение антенн в системах тропосферной связи. Телекоммуникационные технологии. Англо-русский толковый словарь-справочник. Под редакцией Ю.М. Горностаева. Москва, 2002.
2. Снежко В.К., Якушенко С.А. Военные интегрированные системы навигации, связи и управления. Учебник для вузов связи. - СПб: ВАС, 2013.
3. Якушенко С.А., Бондаренко С.А., Бурлаков С.О. Цифровые радиорелейные станции. Уч. пос. для вузов связи. - СПб: ВАС, 2011.
4. Сомов А.М., Кабетов Р.В. Многолучевые зеркальные антенны: геометрия и методы анализа. М.: Горячая линия - Телеком. 256 с., 2019 г.
2
h
о
1
2
