CC BY
176
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1 / 11
UTICAJ SREDINE NA PROSTIRANJE ELEKTROMAGNETNIH TALASA KOD DIGITALNIH RADIO-RELEJNIH UREĐAJA GRC 408E
Radonjić M. Vojkan, Vojska Srbije, Kopnena vojska, Tehnički remontni zavod „Čačak", Čačak,
Gaćeša N. Nebojša, Ministarstvo odbrane Republike Srbije, Uprava za odnose sa javnošću, Medija centar „Odbrana", Beograd
UDK: 537.87:621.396.6
Sažetak:
Kvalitet prenosa digitalnog signala od predajnog do prijemnog ra-dio-relejnog uređaja zavisi od uticaja efekata sredine na prostiranje elektromagnetnih talasa. U ovom radu su objašnjeni i modelovani neki od najvažnijih efekata, koji su karakteristični za frekventni opseg u ko-me radio-relejni uređaj GRC 408E radi.
Na osnovu rezultata modelovanja doneti su zaključci o kvalitetu pre-nosa digitalnih signala kod radio-relejnih uređaja GRC 408E.
Ključne reči: elektromagnetni talasi, radio-relejni uređaji, greške u pri-mljenom bitu, pojave koje prate prostiranje, uticaji sredine.
Uvod
Rad je nastao kao rezultat sveobuhvatne analize uticaja sredine n a prostiranje elektromagnetnih talasa (EMT) kod digitalnih radio-relejnih veza. Ideja za ovu vrstu analize nastala je nakon što su Ministarstvo odbrane i Vojska Srbije nabavili moderne digitalne radio-relejne uređaje (RRU) GRC 408 E namenjene za ugradnju u pokretne centre ve-ze. Njihovom ugrađivanju prethodi izrada glavnog projekta sistema veza u VS, pa bi ovakva analiza bila vrlo korisna. Pristup svim analizama, po-čev od proračuna profila deonica, efekata uticaja sredine na prostiranje EMT, kao i od načina odražavanja tog efekta na kvalitet prenosa digital-nog signala, potpuno je drugačiji nego kod analognih radio-relejnih sistema. Kod digitalnih RRU osnovni parametar za ocenu kvaliteta prenosa je greška u prenosu, odnosno greška po primljenom bitu, koja je i korišćena u sprovedenom modelovanju za ocenu kvaliteta prijemnog signala pri modelovanju različitih efekata uticaja sredine na prostiranje EMT.
vojkan.r@nadlanu.com
Prostiranje elektromagnetnih talasa
Prostiranje elektromagnetnih talasa u realnim uslovima razmatra se sa stanovišta izvora koji zrači EMT, puta i sredine kroz koju se EMT šire. U analizi koja će biti prikazana u ovom radu izvor EMT je RRU GRC 408E, put i sredina se modeluju, a zatim se ispituje kako se uticaj sredine odražava na kvalitet veze (prenosa informacija).
Sva elektromagnetna energija širi se od izvora elektromagnetnih talasa različitim putanjama, što zavisi od frekvencijskog opsega i karakteri-stika zračenja predajne antene. Zavisno od putanje u atmosferi kojom ta-lasi pristižu do prijemne antene postoje sledeće vrste talasa: površinski, prostorni i direktni talasi [1].
Površinski elektromagnetni talasi prostiru se uz samu površinu zemlje. Prostorni ili jonosferski elektromagnetni talasi prostiru se kroz visoke slojeve atmosfere. Direktni elektromagnetni talasi prostiru se pravolinijski od predajne ka prijemnoj anteni. Radio-veza koja se ostvaruje pomoću direktnih elektromagnetnih talasa naziva se radio-relejna veza, a ostvaruje se uz uslov optičke vidljivosti između predajne i prijemne antene radio-relejnih uređaja.
Digitalne radio-relejne veze koriste opseg supervisokih frekvencija, a radio-relejna veza ostvaruje se superkratkim talasima. Predmetni digitalni radio-relejni uređaji rade u frekventnom opsegu od oko 2,5 GHz, pa za EMT koji se prostire u aktuelnom frekventnom opsegu važi sledeće:
- elektromagnetni talas se kroz vazduh prostire pravolinijski, sve dok vazduh ne promeni svoje električne osobine;
- pri prelasku EMT, tokom prostiranja, iz jednog sloja vazduha u drugi, dolazi do savijanja talasa;
- kada EMT pri svom prostiranju naiđe na predmete od provodnog materijala oni se dalje ne prostiru, već se odbijaju;
- pri prostiranju EMT iznad terena sa većim naseljenim mestima ili sa veli-kim površinama prekrivenim vegetacijom nastaje veliko upijanje EMT, usled čega se smanjuje jačina električnog i magnetnog polja, a time i kvalitet prijema.
Navedene osobine EMT pokazuju neke od efekata uticaja sredine na prostiranje EMT. Usled ovih efekata sredine kvalitet prenosa informacija, od predajnog do prijemnog RRU, biće slabijeg kvaliteta, tj. sa greškom.
Na prostiranje EMT kod digitalnih radio-relejnih veza utiču: frekvencija, zakrivljenost Zemljine površine, magnetno Zemljino polje, sastav ze-mljišta, sastav atmosfere, stanje jonosfere, doba dana i godine, meteoro-loški uslovi i slično.
Pristup analizi kvaliteta prenosa informacija kod analognih i digitalnih radio-relejnih sistema se razlikuje i to u sledećem [2]:
- kod analognih radio-relejnih veza kvalitet veza se posmatra preko odnosa signal/šum, dok se kod digitalnih radio-relejnih veza kvalitet veza posmatra preko greške po primljenom bitu BER (Bit Error Ratio);
C4D
Radonjić V. i dr., Uticaj sredine na prostiranje elektromagnetnih talasa kod digitalnih radio-relejnih uređaja GRC 408E, str.40-61
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1 / 11
- kod digitalnih radio-relejnih veza, za razliku od analognih radio-re-lejnih veza, uzimaju se u obzir uslovi propagacije (talasnost terena, tip zemljišta, blizina velikih vodenih površina);
- drugačiji je pristup određivanju uticaja fedinga i rezerve za feding;
- prenosna vrednost sistema i domet veza kod analognih radio-relejnih veza u odnosu na digitalne radio-relejne veze, imaju drugačije uslo-vljenosti i druge dijagrame,
- zbog većeg frekvencijskog opsega i direktnosti talasa zadiranje prepreke u Frenelovu zonu se drugačije tretira.
Pojave koje prate prostiranje elektromagnetnih talasa kod digitalnih radio-relejnih veza
Prostiranje direktnih EMT prate sledeće pojave:
- slabljenje usled propagacije,
- difrakcija (povijanje),
- refrakcija (prelamanje),
- refleksija (odbijanje),
- apsorpcija (upijanje), i
- višestruko prostiranje talasa (engl. multipath).
Svaki od navedenih efekata negativno utiče na kvalitet primljenog signala na prijemnoj anteni radio-relejnih uređaja.
Slabljenje usled propagacije elektromagnetnih talasa
Osnovni parametar za ocenu kvaliteta radio-relejne veze (prenosa signala) jeste nivo polja na prijemu nRp [dB], odnosno snaga signala koja
se dobija na ulazu u prijemnik, jer jedan od najvažnijih kriterijuma za ocenu kvaliteta prenosa signala, verovatnoća greške [BER], jeste u funkciji nivoa polja na prijemu.
BER je funkcija prijemnog polja i što je prijemno polje manje, to je BER veći. Nivo prijemnog polja pri kojem BER prevazilazi specificiranu vrednost naziva se prag prijema za dati BER.
Na nivo prijemnog polja kod digitalnih radio-relejnih veza utiču slede-ći parametri [5]:
- predajna snaga radio-relejnog uređaja,
- slabljenje antenskog kabla predajnika,
- dobitak predajne antene,
- slabljenje u slobodnom prostoru,
- slabljenje usled apsorpcije kiseonika i vodene pare,
C4D
- slabljenje usled fedinga, čiji uzrok može biti višestruka propagacija,
- dobitak prijemne antene i
- slabljenje antenskog kabla prijemnika.
Nivo prijemnog polja u odsustvu fedinga naziva se nominalni nivo prijemnog polja. Razlika nominalnog nivoa i praga prijema predstavlja rezervu ili budžet za feding za dati BER.
Nivo polja na predajniku nE i prijemu nRp se međusobno razlikuju,
odnosno nivo polja na prijemu je manji. Razlika postoji zbog međusobne udaljenosti predajne i prijemne antene i gubitaka usled slabljenja signala tokom prostiranja kroz slobodni prostor.
Nivo polja na prijemu izražava se formulom:
nRp = ПЕ - aL ,
gde je: - nE - nivo polja na izlazu predajnika izražena u [dBm],
- aL - slabljenje na trasi (slobodnom prostoru) izraženo u [dB]. Slabljenje usled propagacije može se predstaviti izrazom:
aL = 92 + 20 log f + 20 log d - gA - gB , (5)
gde je f centralna frekvencija posmatranog frekventnog opsega izraže-na u GHz, je rastojanje između predajnika i prijemnika radio-relejnih uređaja u kilometrima, gA i pojačanje predajne i prijemne antene RRU (oko 25dBi), respektivno. Iz izraza se može zaključiti da je slabljenje signala na određenom rastojanju d približno konstantno za sve frekven-cije u posmatranom opsegu pri konstantnim dimenzijama antena. Nave-dene formule će koristiti u matematičkom modelovanju radio-relejnog si-stema pri izračunavanju slabljenja signala pri različitim udaljenostima predajnika i prijemnika sa kojima se ostvaruje radio-relejna veza.
Difrakcija
Difrakcija je pojava koja prati prostiranje elektromagnetnih talasa i označava njihovu sposobnost da se povijaju oko reljefnih oblika na Ze-mlji, neravnih površina i drugih prepreka prilikom prostiranja kroz sredinu. Difrakcija se razmatra kada prepreke, koje se nalaze na putu prostiranja elektromagnetnih talasa, zadiru u prvu Frenelovu zonu. U ovom radu analizira se slučaj koji je karakterističan za frekventni opseg u kojem radi radio-relejni uređaj GRC 408E.
Radonjić V. i dr., Uticaj sredine na prostiranje elektromagnetnih talasa kod digitalnih radio-relejnih uređaja GRC 408E, str.40-61
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1 / 11
U literaturi se često koristi veličina „slabljenje usled difrakcije", koje se definiše izrazom:
aD = 20log-RL, (1)
Er
gde su: - Er 0 - intenzitet električnog polja u idealnim uslovima propaga-cije kroz slobodan prostor,
- Er - intezitet rezultujućeg polja na prijemnoj anteni RRU GRC 408E.
Refrakcija
Refrakcija predstavlja prelamanje elektromagnetnih talasa u nižim slojevima atmosfere. Pojava refrakcije uzrokovana je nehomogenošću at-mosfere. Kada bi atmosfera bila potpuno homogena prostiranje elektromagnetnih talasa bilo bi strogo pravolinijsko. Pri prelasku elektromagnet-nog talasa iz jednog sloja atmosfere u drugi elektromagnetni talas se prelama blaže ili oštrije, u zavisnosti od veličine razlike dielektričnih konstan-ti sr i postepeno se savija ka Zemlji. Brzina prostiranja elektromagnetnih talasa veća je u slojevima udaljenijim od Zemlje (ređa sredina). Gornji deo talasnog fronta elektromagnenog talasa brže napreduje i dolazi do krivljenja talasa prema Zemlji, što se naziva refrakcija.
Refleksija
Kada se elektromagnetni talas prostire u blizini Zemljine površine, deo talasnog fronta može da, reflektovan od nje, stigne u prijemnu ante-nu radio-relejnog uređaja, zajedno sa direktnim elektromagnetnim tala-som. To znači da su na prijemniku, pored direktnih talasa, prisutni i re-flektovani talasi. Pri tome direktni i reflektovani talas prelaze različite pu-teve, što znači da na mestu prijema imaju različite fazne stavove. Elektromagnetni talasi na prijemniku (direktni i reflektovani) se vektorski sabi-raju, čineći rezultujući EMT. To može da prouzrokuje znatno smanjenje rezultujućeg polja u odnosu na polje koje bi imali u idealnim uslovima. Pod posebno nepovoljnim slučajevima refleksije može doći do delimič-nog ili potpunog prekida veze. Ova pojava naziva se feding.
Uticaj refleksije se u dostupnoj literaturi uvodi u proračun preko veli-čine koja se naziva slablienie usled refleksije, izražene u decibelima, na sledeći način [3]:
aR
20log
f e Л ^ 0
e
\^R /
(2)
ili
aR
20log
1
2sin dR
(3)
gde su: - E0 - intenzitet električnog polja direktnog EMT,
- Er - intenzitet rezultujućeg polja i
— 0R - fazna razlika direktnog i relektovanog EMT na mestu prijema. Na slici 1 prikazano je slabljenje usled refleksije u funkciji ekvivalentnog
ugla refleksije, odnosno u funkciji fazne razlike direktnog i reflektovanog EMT.
Analizirajući formulu (3) i grafikon slabljenja usled refleksije na slici 1 vidi se da za vrednosti 6R između 30° i 150° dobija pojačanje signala na prije-mu, odnosno ER > E0. Za ugao od 90° pojačanje dostiže dva puta veću vrednost (6dB), odnosno ERmax = 2E0. Bez obzira na ove konstatacije poja-
vu refleksije treba izbegavati, jer je promenljivog karaktera. Refleksija se uzi-ma u obzir ako ima difuzni karakter usled neravnina u zoni refleksije.
Apsorpcija
Apsorpcija ili upijanje EMT javlja se kod svih frekvencijskih opsega i odražava veće ili manje slabljenje elektromagnetnih talasa. Za područje UKT (300MHz-3GHz) i SKT (3-30GHz) izražena je velika apsorpcija za EMT koji se prostiru površinski. Apsorpcija kod ove vrste EMT je
Radonjić V. i dr., Uticaj sredine na prostiranje elektromagnetnih talasa kod digitalnih radio-relejnih uređaja GRC 408E, str.40—61
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1 / 11
prisutna, jer se oni prostiru iznad terena sa: većim naseljenim mestima, velikim površinama pokrivenim vegetacijom i sl. Usled toga smanjuje se jačina električnog i magnetnog polja, a time i kvalitet prijema.
Kod supervisokih frekvencija slabljenje usled apsorpcije mora se uzeti u razmatranje i dodati ostalom slabljenju EMT. Kada direktni talasi naiđu na kišu, sneg, maglu ili oblake dolazi do slabljenja elektromagnet-nih talasa. Efekat slabljenja usled apsorpcije izražen je na frekvencijama preko 7 GHz. Do ove frekvencije snaga EM polja opada sa kvadratom rastojanja, a preko ove frekvencije snaga dodatno opada eksponencijal-no sa rastojanjem.
S obzirom na to da predmetni radio-relejni uređaj GRC 408E radi na frekvencijama od oko 2.5MHz, pojava apsorpcije elektromagnetnih talasa neće biti predmet ovog rada.
Višestruko prostiranje elektromagnetnih talasa
EMT od predajnika do prijemnika može stići različitim putevima, pa je takvo prostiranje EMT poznato pod nazivom višestruko prostiranje EMT.
Rezultujuće elektromagnetno polje je kombinacija direktnog i indirekt-nog EMT. Ako su elektromagnetni talasi na prijemnoj anteni primljeni u fa-zi, pojačavaju jedan drugog i na mestu prijema je veći nivo elektromagnet-nog polja. Ako su fazno pomereni može doći do delimičnog ili potpunog nestajanja intenziteta polja na prijemu. Ova pojava naziva se feding [4].
Feding
Pojam fedinga obuhvata pojavu koja se ispoljava kao nestabilnost nivoa polja EMT na mestu prijema, a rezultat je promenjivih (nestabilnih) uslova prostiranja elektromagnetnih talasa. Feding izaziva kratkotrajno slabljenje elektromagnetnih talasa na prijemu. Promene amplitude signa-la na mestu prijemnika nastaju usled interakcije signala i objekata koji se nalaze u prostoru između predajnika i prijemnika, a koji uzrokuju da na prijem umesto jednog signala pristiže više kopija korisnog signala različi-tih amplituda i kašnjenja. Do pojave velikog broja kopija korisnog signala na prijemu dolazi usled efekata uticaja sredine na prostiranje elektromagnetnih talasa duž trase, kao što su: refleksija, refrakcija, difrakcija i njiho-va kombinacija.
Ukupno slabljenje usled prostiranja elektromagnetnih talasa na trasi je:
a0 (t ) = aL + aF ((). (6)
Dodatno slabljenje aF (t) naziva se slabljenje usled fedinga, a pri-raštaj ovog slabljenja dubina fedinga. Na osnovu iskustava, u radio-re-lejnim vezama konstatovane su sledeće zakonitosti:
- dubina fedinga raste sa povećanjem frekvencije nosioca prenoše-nog signala,
- dubina fedinga raste sa porastom dužine trase,
- pojava fedinga zavisi od konfiguracije terena i klimatskih uslova datog područja,
- feding zavisi od doba dana i godine (kod nas se češće javlja u let-njim mesecima i u kasnim noćnim i ranim jutarnjim časovima),
- u talasnom području iznad 10 GHz pojava fedinga ne zavisi od po-larizacije, dok je u području ispod 1GHz, sa aspekta fedinga, povoljnija horizontalna polarizacija.
Vrste fedinga
Propagacijski feding
Propagacijski feding je posledica varijacije polja elektromagnetnih talasa usled poremećaja uslova prostiranja direktnog EMT (to znači da EMT ne ide ravno do cilja već je povijen nagore ili nadole, pa je EM polje slabije u odnosu na glavni talasni front). Uglavnom je spor i javlja se iznad homogenog tla, kao što su voda, jezera, mora i pustinje, zatim posle kiše i sl. Ne zavisi od frekvencije, a njegov efekat delovanja u celom opsegu frekvencija je isti.
Interferencijski feding
Interferencijski feding (multipath - feding usled višestruke propagaci-je talasa po više putanja) posledica je pojave jednog ili više indirektnih talasa na prijemu, pored postojanja željenog direktnog elektromagnetnog talasa. Faze ovih talasa mogu se dosta razlikovati, a kao posledica može se desiti i potpuni prekid veze. Indirektni talas, koji je posledica refleksije od tla, relativno je konstantan i stalno prisutan, dok se u gornjim slojevi-ma atmosfere javlja elektromagnetni talas kao posledica složenijih pojava refleksije i refrakcije, tj. višestruke propagacije.
Interferencijski feding može da bude vrlo dubok i deli se u dve klase: ravni i selektivni. Ukupni prekid veze zbog višestrukog fedinga jednak je zbiru prekida zbog ravnog fedinga i prekida zbog selektivnog fedinga.
Ravni feding
Prema samom nazivu fedinga jasno je da interferencijski feding usled višestruke propagacije deluje isto u celom frekventnom opsegu sig-
Radonjić V. i dr., Uticaj sredine na prostiranje elektromagnetnih talasa kod digitalnih radio-relejnih uređaja GRC 408E, str.40-61
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1 / 11
nala, odnosno kanala. Prenosna funkcija radio-frekventnog kanala, u slu-čaju ravnog fednga, ravna je linija, pa otuda i naziv ravni feding.
Analitički, verovatnoća pojave fedinga u funkciji slabljenja usled fe-dinga može se aproksimativno izračunati relacijom:
— Лр
Prf (ар ) = Po10~, (7)
gde je P0 faktor pojave fedinga za najgori mesec, a aF je slabljenje
usled fedinga u [dB].
Faktor pojave fedinga predstavlja se kao:
Po = KQfd3,
(8)
gde su: - K - faktor koji uzima u obzir uticaj terena i klime,
- Q - faktor koji uzima u obzir efekte na trasi koji su drugačiji od
uticaja koje izazivaju frekvencija i dužina deonice,
- f - frekvencija nosioca u [GHz], i
- d - dužina deonice u [km].
Selektivni feding
EMT modulisan osnovnim signalom stiže na prijemnu antenu kao gru-pa talasa (u okviru modulacionog spektra) sa različitim intenzitetom pojedi-nih komponenata u spektru u odnosu na emitovani spektar. Intenzitet je raz-ličit, jer je uticaj sredine na komponentu iz spektra različit (svaka komponen-ta je različito reflektovana, neka komponenta je apsorbovana i sl.). Snaga sadržana u nosećem talasu i bočnim talasima zavisiće na mestu prijema od njihovih položaja u frekventnom spektru modulisanih signala i menjaće se sa promenama koje nastaju usled uticaja sredine na prostiranje elektromag-netnih talasa, dajući kao proizvod pojavu koja se naziva selektivni feding.
Kada se pojavi selektivni feding sve frekvencije emitovanog signala ne zadržavaju svoje originalne faze i amplitude. Ova vrsta fedinga prou-zrokuje iskrivljenost signala i ograničava celi emitovani signal.
Selektivni feding tek na srednjim protocima podataka (34Mbit/s) i vi-šim frekvencijama počinje da se uzima u obzir, tj. postaje uporediv sa rav-nim fedingom, a u punoj meri počinje da utiče na kvalitet prenosa tek na velikim protocima podataka. S obzirom na to da predmetni radio-relejni uređaj GRC 408E radi sa maksimalnim protokom podataka od 8Mbit/s, uticaj selektivnog fedinga je mali i neće se razmatrati u ovom radu.
Model radio-relejnog sistema i rezultati modelovanja
Pretpostavljeni model radio-relejnog sistema prikazan je na slici 2.
Slika 2 - Model radio-relejnog sistema
Modelovani su različiti uticaji sredine: slabljenje usled propagacije, slabljenje usled difrakcije, slabljenje usled refleksije, slabljenje usled više-struke propagacije i izračunata je verovatnoća da će u modelovanoj sre-dini biti prisutan ravni feding.
Spektar snage EM polja na predajnoj anteni RRU za frekvenciju nosioca f0=2.5 GHz
Frekventni opseg (Hz) x 109
Slika 3 - Spektar snage EM polja na predajnoj anteni za slučaj QAM modulisanog signala
Radonjić V. i dr., Uticaj sredine na prostiranje elektromagnetnih talasa kod digitalnih radio-relejnih uređaja GRC 408E, str.40-61
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1 / 11
Modelovanje je izvršeno na način da je generisan slučajni binarni niz koji je modulisan jednom od modulacija koju nudi uređaj GRC 408E (16 QAM ili QPSK) [6]. Tako modulisani signal je, uslovno rečeno, poslat sa predajne antene RRU ka prijemnoj anteni uređaja koja se nalazi na uda-ljenosti od 30 km. Spektar snage EM polja na predajnoj anteni za slučaj 16QAM modulisanog signala prikazan je na slici 3.
EMT koji nosi korisnu informaciju (binarni niz) jeste direktni EMT. On je na svom putu do prijemne antene RRU izložen slabljenju usled propa-gacije. Na slici 4 prikazano je slabljenje spektra snage EM polja u funkciji rastojanja predajna - prijemna antena RRU.
Slabljenje snage EM polja usled propagacije
Rastojanje [km]
Slika 4 - Slabljenje snage EM polja usled propagacije
Slabljenje usled propagacije raste sa povećanjem rastojanja d, tako i snaga EM polja opada sa povećanjem rastojanja. Snaga EM polja opa-da sa kvadratom rastojanja, kao što je prikazano na slici 5.
Slika 5 - Snaga EM polja u prostoru u funkciji udaljenosti predajne i prijemne antene
Na slici 6 prikazan je spektar snage EM polja na prijemnoj anteni RRU. Snaga EM polja je opala u odnosu na snagu EM polja na predajnoj anteni usled slabljenja prilikom propagacije EMT, od predajne do prijem-ne antene RRU.
Spektar snage EM polja na prijemnoj anteni RRU za frekvenciju nosioca f0=2.5 GHz
Slika 6 - Spektar snage EM polja na prijemnoj anteni za slučaj propagacije
Nakon antenskog pojačanja i demodulacije vrši se analiza poslatog i primljenog signala, radi donošenja zaključka o veličini greške u prenosu osnovnog digitalnog signala, do koje je došlo zbog uticaja slabljenja usled propagacije.
Vrednost greske na prijemu za d=30km
redni broj bita
Vrednost greske na prijemu za rastojanje d=15 km
■ i---------------1--------------i----------------r---------------n
redni broj bita
Vrednost greske na prijemu za rastojanje d=45 km
An
200 300 400
redni broj bita
0.5
0
100
200
300
400
500
600
0
100
200
300
400
500
600
0
500
600
Slika 7 - Vrednost greške na prijemu za slučajeve d = 30 km, d = 15 km i d = 45 km
Radonjić V. i dr., Uticaj sredine na prostiranje elektromagnetnih talasa kod digitalnih radio-relejnih uređaja GRC 408E, str.40-61
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1 / 11
Na slici 7 prikazana su tri karakteristična slučaja pri kojima je računata greška zbog slabljenja usled propagacije. Analizirani su slučajevi kada je d = 30km, d = 15km i d = 45km . Kao što se vidi sa slike greška u prenosu postoji za d = 30km i d = 45km, dok za d = 15km ne postoji greška u prenosu. Rezultat je očekivani, jer po fabričkoj karakteristici RRU GRC 408E vrši kvalitetan prenos digitalnih signala za rastojanja d oko 25 do 30 kilometara, odnosno do ovih vrednosti propisani BER je manji od 10-6. Dobijena greška u prenosu je za ekstremni slučaj kada je d = 30km . Dobijeni rezultati su u skladu sa korišćenom literaturom.
Za detaljnije sagledavanje greške u prenosu izvršeno je poređenje spektra poslatog i primljenog signala. Prikaz uporednih signala sa prika-zom greške predstavljen je na slici 8.
Pretpostavka za kvalitetan prenos digitalnog signala radio-relejnom vezom jeste da se izabere takav reljef terena i izbor položaja u prirodi, za postavljanje u rad radio-relejnog sistema (pokretnog centra veze) na ko-jem je ugrađen GRC 408 E, tako da su ispunjeni osnovni uslovi za rad radio-relejnih centara. Potrebno je da postoji linija optičke vidljivosti izme-đu predajne i prijemne antene RRU i da je slobodna prva Frenelova zona. Kada nije ispunjen slučaj da je prva Frenelova zona slobodna, odnosno kada prepreka u prirodi zadire u Frenelovu zonu dolazi do slučaja di-frakcije. U nastavku će biti prikazani rezultati modelovanja dva slučaja di-frakcije i to kada prepreka tangira liniju optičke vidljivosti i slučaj kada se prepreka nalazi na određenoj udaljenosti ispod linije optičke vidljivosti.
C5D
Vrednost greske na prijemu za rastojanje d=30km i slucaj difrakcije pri H=0m
1.4r
1.2 -
1 -
1
0.8 -
0.6 -
0.4 -
0.2 -
оё
0
300
redni broj bita
100
200
400
00
600
Slika 9 - Prikaz greške na prijemu za slučaj difrakcije kada je H = 0m
Na slikama 9 i 10 se vidi da postoji dosta grešaka pri prenosu digital-nog signala kada je EMT na svom putu ka prijemniku izložen uticaju difrakcije i to za slučaj kada prepreka tangira liniju optičke vidljivosti. Sla-bljenje usled difrakcije u ovom slučaju iznosi aD = 6dB . Na slici 10 ozna-čena je neka od grešaka koje nastaju usled uticaja efekta sredine (difrakcije) na prostiranje EMT kod digitalnih radio-relejnih veza.
Na slikama 11 i 12 prikazani su rezultati za slučaj difrakcije, s tim da je prepreka udaljena 16 metara ispod linije optičke vidljivosti, pri polu-prečniku Frenelovog elipsoida od rF = 28,2m.
Slika 10 - Prikaz poslatog i primljenog signala za slučaj difrakcije kada je H = 0 m
Radonjić V. i dr., Uticaj sredine na prostiranje elektromagnetnih talasa kod digitalnih radio-relejnih uređaja GRC 408E, str.40-61
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1 / 11
Vrednost greske na prijemu za rastojanje d=30km i slucaj difrakcije pri H=15,5m
0 7
0 6 -
0 5 - (
0 4
greška -
0 2 -
0 1 -
0 0 100 200 300 400 500 600
redni broj bita
Slika 11 - Prikaz greške na prijemu za slučaj difrakcije kada je H = 16m
Iz rezultata modelovanja sa slika 11 i 12 zaključuje se da je broj greša-ka smanjen povećanjem rastojanja prepreke od linije optičke vidljivosti. Re-zultat je očekivan i u skladu je sa korišćenom literaturom. Na slici 12 ozna-čene su greške u prijemnom digitalnom signalu koje su nastale kao posledi-ca uticaja difrakcije na prostiranje EMT kod digitalnih radio-relejnih veza.
Slika 12 - Prikaz poslatog i primljenog signala za slučaj difrakcije kada je H = 16m
Zaključak je da se pri odabiru terena i proračuna profila deonice mora voditi računa o tome da nijedna prepreka ne zadire u Frenelovu zonu ka-ko bi se zadržala propisana BER = 10 ~6 i izvršio kvalitetan prenos digital-nog signala od predajnika ka predajniku.
EMT od predajne do prijemne antene RRU može stići različitim putevi-ma, zavisno od efekata sredine kroz koju se EMT prostire. Jedan od najčeš-ćih slučajeva do kojih moće doći u praksi jeste da na prijemnoj anteni dolazi do vektorskog sumiranja direktnog EMT i reflektovanog EMT. Zavisno od re-flektovanog EMT rezultujuće polje na prijemu imaće veću ili manju vrednost, odnosno rezultujuće polje na prijemu će varirati. Reflektovani EMT predstavlja kopiju direktnog EMT samo što je fazno zakašnjen u odnosu na direktni EMT. Vreme kašnjenja odgovara razlici u pređenom putu između direktnog i reflektovanog EMT. Prema karakteristici slabljenja usled refleksije, slabljenje usled refleksije je nepovoljno za fazna kašnjenja od 0°-30° i od 150°-180°. Slabljenje usled refleksije ima pozitivan efekat za fazno kašnjenje od 30°-150°.
Na slici 13 prikazan je slučaj refleksije pri faznom kašnjenju reflektovanog EMT u odnosu na direktni EMT za ugao 9 = 10°. Snaga EM polja na prijemu je opala, a poslati digitalni signal se znatno razlikuje od pri-mljenog signala, čime je BER veći od dozvoljenog. S obzirom na to da je slabljenje usled refleksije izraženo pri ovim vrednostima faznog kašnjenja dobijeni rezultat je očekivani i u skladu je sa teorijskim razmatranjima efekata sredine na prostiranje EMT kod digitalnih radio-relejnih veza.
Na slici 14 povećana je vrednost faznog ugla, tako da je 9 = 60°, čime je smanjeno slabljenje usled refleksije. Vektorska suma direktnog i relekto-vanog EMT povećala je snagu rezultujućeg EM polja na prijemu, čime je greška usled refleksije znatno smanjena. Poslati i primljeni signal su slični.
Kao što se vidi, refleksija može imati pozitivan karakter, ali je treba izbegavati. Pri odabiru terena treba izabrati takvu lokaciju za postavljanje RRU GRC 408E da se izbegne postojanje refleksije između predajne i prijemne antene RRU. Ako se refleksija ne može izbeći, treba birati tačku refleksije gde je teren neravan kako bi reflektovani EMT bio rasut, čime se smanjuje njegov uticaj na rezultujuće EM polje u prijemnoj anteni.
Prikaz poslatog digitalnog signala na predajniku RRU о qq Q 00 00 0 00 000 00 00 0 00 000
100 105
5 120 125
140 145
^ Prikazdetektovanogsignala naprijemniku RRU
rS
100 105
115 120 125
140 145
Slika 13 - Prikaz poslatog i primljenog signala za slučaj refleksije pri 9 = 10°
Radonjić V. i dr., Uticaj sredine na prostiranje elektromagnetnih talasa kod digitalnih radio-relejnih uređaja GRC 408E, str.40-61
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1 / 11
1 0 8 0 6 0 4 0 2 0 1 1 0 8 0 6 0 4 0 2 0 1 1 ' К 1 I P 1 I ’rik 1 1 \z pos 1 < 'la к tog 1 ~ dig 1 ~ ita H lno 1 < g и si И gna I 1 la II na 1 I pr К edajn i < iku RRU 1 ' J к | 1 1 < 1 1 | 0 |
00 pi 1 ' К 1 I °1?0 115 rikazdetek />s9 1 1 o 11 0 va и n и og s 1 < 1 ig и n И ala n » 1 a II 130 prij 1 ' e к °1 nniku 1 < 5° RRU 1 ' 1 к 0° 1 1 145° 1 < °1 1 1
00 ~ 105~ ~ ''1T0 ~ ''1T5 ~ 120 ~ 125 ~ 130 ~ ~135~ ~ ~ 140~ ~ ~ 1?5~ '*''150
Slika 14 - Prikaz poslatog i primljenog signala za slučaj refleksije pri 9 = 60°
Na slici 15 prikazan je izgled poslatog i primljenog digitalnog signala za slučaj kada na prijemnoj anteni rezultujuće EM polja varira, odnosno na prijemnoj anteni RRU imamo feding. To može biti čest slučaj u praksi ako se ne izabere dobra lokacija za postavljanje RRU GRC 408 E. Mode-lovan je slučaj kada na prijemnoj anteni sumarno EM polje nastaje kao suma jednog direktnog EMT i tri indirektna EMT (1 reflektovani od tla, 1 reflektovani od atmosfere i 1 refraktovan). Indirektni EMT dolaze pod raz-ličitim uglovima na prijemnu antenu i promenjivog su intenziteta, čineći da se rezultujuće EM polje na prijemnoj anteni menja. Rezultujuće EM polje na prijemnoj anteni uzrokuje grešku u prenosu digitalnog signala, odnosno da je BER > 10~6.
08 -06 -04 -02 -
0t—
100
1 r-
0 8 -0 6 -0 4 -0 2 -
0^---
100
Prikaz poslatog digitalnog signala na predajniku RRU
9 9 о 99 999
Г
>4.
Prikaz detektovanog signala na prijemniku RRU
Slika 15 - Prikaz poslatog i primljenog signala za slučaj fedinga
120
125
130
120
125
130
Verovatnoća ravnog fedinga dobija se računskim putem koristeći iz-raze za verovatnoću ravnog fedinga (7) [9].
Tabela 1
Proračun verovatnoće ravnog fedinga
PARAMETRI VREDNOST
Frekvencija (GHz) 2,5
Rastojanje d (km) 30
Izlazna snaga (dBm) 36
Pojačanje antene (dBi) 25
Slabljenje u slobodnom prostoru (dB) 129,95
Tolerancija slabljenja (dB) 1
Prag prijema za BER>10'6 -86
Nivo signala na ulazu u prijemnik u odsustvu fedinga (dBm) -44,95
Rezerva za feding za BER = 10'6 41,05
Talasnost terena (m) 42
Geoklimatski faktor 1,629-1 O'7
Faktor pojave fedinga 0,01099
Verovatnoća ravnog fedinga (%) 0,01909
Zaključak
U radu su prikazani rezultati analize uticaja sredine na prostiranje EMT kod digitalnih RRU GRC 408E. Izvršeno je modelovanje situacija koje se najčešće sreću u praksi i pri tome su korišćeni deklarisani para-metri RRU GRC 408 E, koje je propisao proizvođač.
Kako je pristup oceni kvaliteta prenosa signala i analiza uticaja sredine na prostiranje EMT kod digitalnih RR veza drugačiji od onog kod analognih RR veza, rezultati dobijeni modelovanjem različitih efekata sredine na prostiranje EMT biće korisni za projektante pri izradi glavnog projekta sistema veza u VS, za poslužioce digitalnih radio-relejnih sistema, kako pri izradi profila de-onice (trase), tako i pri odabiru terena za postavljanje i puštanje sistema u rad.
U perspektivi je da se izvrši modelovanje uticaja sredine na prostiranje EMT kod digitalnih radio-relejnih uređaja GRC 408E/34, koji se, tako-đe, uvode u operativnu upotrebu u VS, i koji rade u višem frekventnom opsegu i pri brzini protoka podataka od oko 34 Mbit/s, pri kojoj se ispolja-va efekat sredine u obliku selektivnog fedinga. Takođe, od interesa je da se kod ovih uređaja analizira efekat uticaja sredine u obliku apsorpcije.
Literatura
[1] Surutka, J.: Elektromagnetika, Akademska misao, Beograd, 2006.
[2] Ćosović, D.: Priručnik za planiranje I projektovanje digitalnih radio-relejnih veza, Vojnoizdavački zavod Beograd, 2008.
Radonjić V. i dr., Uticaj sredine na prostiranje elektromagnetnih talasa kod digitalnih radio-relejnih uređaja GRC 408E, str.40-61
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1 / 11
[3] Todorović, B.: Radio-relejna tehnika, Vojnoizdavački zavod Beograd, 2002.
[4] Šunjevarić, M.: Radiogoniometrija, VINC, Beograd, 1991.
[5] Lazarević M.: Prostiranje elektromagnetnih talasa kod digitalnih radio-relejnih veza, GŠVSCG, Uprava za školstvo i obuku - Vojna akademija, Beograd, 2003.
[6] Tadiran, Originalna tehnička dokumentacija za IVnivo održavanja.
[7] Radonjić, V.: Analiza interferometarskih metoda fazne interferometrije, Specijalistički rad, Tehnički fakultet Čačak, 2005.
[8] Šunjevarić, M., Radonjić, V.: Analiza faznih metoda radio-goniometrije u uslovima realnog okruženja, ETRAN 98, 1998.
[9] Uputstvo o projektovanju digitalnih radio-relejnih sistema, Zajednica JPTT, Br. 021 L925/1, Beograd, 1990.
EFFECT OF ENVIRONMENT ON THE PROPAGATION OF ELECTROMAGNETIC WAVES IN GRC 408E DIGITAL RADIORELAY DEVICES
Summary:
Quality transmission of digital signals from a transmitting radio-relay device to a receiving one depends on the impact of environmental effects on the propagation of electromagnetic waves. In this paper some of the most important effects are explained and modeled, especially those characteristic for the frequency range within which the GRC 408E operates. The modeling resulted in the conclusions about the quality of transmission of digital signals in the GRC 408E radio-relay equipment.
Propagation of electromagnetic waves
A radio-relay link is achieved by direct electromagnetic waves, provided there is a line of sight between the transmitting and receiving antenna of a radio-relay device. Electromagnetic waves on the road are exposed to various environmental influences causing phenomena such as bending, reflection, refraction, absorption and multiple propagation. Due to these environmental effects, the quality of information transmission is not satisfactory and a radio-relay link is not reliable.
The approach to the analysis of the quality of links in digital radiorelay devices is different from the one in analog radio-relay devices. Therefore, the quality is seen through errors in the received bit (BER ), the propagation conditions are taken into account, a reservation for the fading is determined by other means, etc..
Phenomena which accompany the propagation of electromagnetic waves in digital radio-relay links
The propagation of direct EM waves is followed by the following phenomena:
- attenuation due to propagation,
- diffraction (changing table),
- refraction (refraction),
- reflection (refusing),
- absorption (absorption) and
- multiple wave propagation.
Each of these has a negative effect on the quality of the received signal at the receiving antenna of the radio-relay device.
Attenuation due to propagation of electromagnetic waves
The main parameter for evaluating the quality of radio-relay links is the level of the field at the reception, i.e. the strength of a signal received at the entrance of the receiver. The error in the received bit (BER) is a function of the receiving field. By reducing the level of the field the BER increases and vice versa.
The level of the receiving field in the absence of margin is called the nominal level of the receiving field. The difference between the nominal level and the receiving threshold represents a margin or a budget for the fading for the given BER.
Diffraction
Diffraction is a phenomenon that follows the propagation of electromagnetic waves and indicates their ability to bend round the relief, uneven surfaces and other obstacles, during propagation through the environment. Diffraction is considered when the obstacles on the path of propagation of electromagnetic waves enter the first Fresnel zone, because then an error in the information transmission occurs.
Refraction
Refraction is the refraction of electromagnetic waves in the lower layers of the atmosphere and is caused by its unhomogeneity. The upper part of the EM wave front progresses faster and the wave bends towards the Earth. The phenomenon of EM wave bending towards the Earth is called refraction.
Reflection
When electromagnetic waves propagate near the Earth surface, a part of the wave front, reflected from the surface of the Earth, may arrive in the receiving antenna of radio relay equipment together with direct electromagnetic waves. EM waves (direct and reflected) are summed up vectorially in the receiver giving the resulting EM wave. This can cause a substantial reduction in the resulting field when compared to the field in ideal conditions, which leads to the error increase.
dr>
Radonjić V. i dr., Uticaj sredine na prostiranje elektromagnetnih talasa kod digitalnih radio-relejnih uređaja GRC 408E, str.40-61
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1 / 11
Absorption
Absorption or EM wave absorption occurs in all frequency bands and signifies a higher or lower level of attenuation of electromagnetic waves. It is taken into consideration in digital radio-relay devices which operate in the frequency range over 7 GHz.
Multiple propagation of electromagnetic waves
EM waves from the transmitter can reach the receiver in different ways, and such EMW propagation is known as multiple EM wave propagation in the literature. The result of multiple propagation can be the reduction of the EM field intensity or its complete disappearance. This phenomenon is called fading.
Fading
Fading is caused by short-term weakening of electromagnetic waves at the reception. During EMW propagation, the interaction between EM waves and objects occurs resulting in multiple copies of useful signals of different amplitude and delay values at the reception point, thus making the resulting EM field unstable. A large number of copies of the useful signal at the reception are caused by the effects of environmental impacts on the propagation of electromagnetic waves along the route, such as reflection, refraction, diffraction, and their combination.
The total loss is equal to the sum of propagation weakening and fading weakening. Fading is divided into propagation fading and interference fading. Propagation fading is generally slow and does not depend on frequency. Interference fading occurs due to the appearance of multiple EM wave propagation and it can be flat or selective. Flat fading is the same in the entire frequency range. In selective fading there is degradation of basic signals, i.e. Intersymbol interference which is present at RR devices operating at higher frequencies with the data flow around 34 MBit/s and over.
Model of the radio-relay system and the results of modeling
The paper deals with a model as the one given in Fig. 2 The GRC 408E RR devices are supposed to be built into mobile call centers. The following phenomena are modeled: attenuation due to propagation, diffraction, reflection and fading. Each phenomenon is modeled for typical cases. The input signal in the GRC RR 408E device is a random binary sequence, modulated by a modulation device provided by the RR. Such a signal propagates through the particular medium towards the RR device receiving antenna. At the reception point, the transmitted and the received signal are compared in order to find an error due to the influence of some of the modeled phenomena. The modeling results are presented graphically for different effects of environmental impacts on the propagation of EM waves in RR digital devices. The graphs indicate the errors occurred during the propagation of EM waves.
Conclusion
Modeling the impact of environment on the propagation of EM waves in RR digital devices can show the influence of environment on the propagation of EM waves, as well as on the quality of transmission signals. The conclusion is that the choice of the terrain for setting a mobile communication center is essential for high-quality signal transmission. For high-quality transmission of digital signals in RR devices, another requirement is also important and that is the requirement for the line-of-sight transmission and free first Fresnel zone. While in analog RR devices the conditions of EMW propagation are not a key factor in calculating the quality of communication, the results of modeling show that the conditions of propagation in digital RR devices are an important factor in the calculation of the quality of communication. The obtained results are useful for modeling RR devices in mobile communication centers and for engineers working on the main design of communication systems in the Serbian Army. The next aim is to model the impact of environment on the propagation of EM waves in GRC RR 408E/34 digital devices which operate within a higher frequency range and at higher data flow speeds.
Key words: electromagnetic waves, radio-relay devices, the error in the received bit, phenomena accompanying the propagation, environmental effects
Datum prijema članka: 02. 04. 2010.
Datum dostavljanja ispravki rukopisa: 27. 04. 2010.
Datum konačnog prihvatanja članka za objavljivanje: 29. 04. 2010.
06D
Radonjić V. i dr., Uticaj sredine na prostiranje elektromagnetnih talasa kod digitalnih radio-relejnih uređaja GRC 408E, str.40-61
