Теоретическая часть к пункту 1

Успешное развитие радиосвязи сопровождается увеличением скоростей и объемов передаваемой информации. Для передачи возрастающих потоков информации с малыми потерями используют сигналы с более широкой полосой, что требует расширения диапазона частот, занимаемого системой связи. В свою очередь, передача сигналов с более широкой полосой требует перехода на более высокие несущие частоты. Тем более, что расширять полосу рабочих частот систем связи в уже освоенных диапазонах волн становится невозможным из-за тесноты в эфире. Исторически сложилось так, что в первую очередь были освоены длинноволновые участки радиодиапазона, а для перспективных радиотехнических систем, как международными соглашениями, так и национальными стандартами, резервировались области более высокочастотных сигналов.

В результате, современные системы связи осваивают диапазоны все более коротких волн. К достоинствам диапазонов ультракоротких волн относится также несущественный уровень атмосферных и индустриальных помех. Кроме того, широкополосные сигналы позволяют использовать прогрессивные виды модуляции и другие приемы обработки сигналов, обеспечивающие лучшие характеристики помехоустойчивости приема. В то же время нужно помнить, что радиоволны с длиной волны короче 10 метров можно эффективно использовать лишь в пределах границ прямой видимости.

Компромиссным решением при построении широкополосных систем связи, предназначенных для работы на больших дальностях, является применение радиорелейных линий связи (РРЛ). Радиорелейные линии представляют собой цепочку ретрансляторов, обеспечивающих поочередную передачу радиосигналов между оконечными станциями. Различают два вида радиорелейных систем передачи (РРСП) - РРСП прямой видимости, станции которых размещаются на расстоянии прямой видимости, и тропосферные РРСП, использующие рассеяние и отражение радиоволн в нижних областях атмосферы при взаимном расположении станций далеко за пределами прямой видимости.

В РРСП прямой видимости для увеличения расстояния между станциями радиорелейных линий антенны ретрансляторов подвешивают на высокие сооружения (мачты, опоры, высотные строения и т.д.). В условиях равнинной местности высота поднятия антенн 60… 100 метров позволяют организовать уверенную связь на расстояниях 40… 60 километров.

Цепочку радиорелейной линии составляют радиорелейные станции трех типов: оконечные радиорелейные станции (ОРС), промежуточные радиорелейные станции (ПРС), узловые радиорелейные станции (УРС). Условная радиорелейная линия связи схематично представлена на рисунке 1

Рис. 1 Радиорелейная линия связи

На оконечной радиорелейной станции начинается и заканчивается тракт передачи. Аппаратура ОРС осуществляет преобразование сигналов, поступающих от разных источников информации (телефонные сигналы от междугородней телефонной станции, телевизионные сигналы от междугородней телевизионной аппаратной и т.д.) в сигналы, передаваемые по радиорелейной линии, а также обратное преобразование сигналов, приходящих по РРЛ, в сигналы телерадиовещания или телефонии. Радиосигналы ОРС с помощью передающего устройства и антенны излучаются в направлении следующей, обычно промежуточной, радиорелейной станции.

Промежуточные радиорелейные станции предназначены для приема сигналов от предыдущей станции радиорелейной линии, усиления этих сигналов и излучения в направлении последующей станции РРЛ.

На каждой промежуточной радиорелейной станции установлены по две антенны, ориентированные на соседние РРСП. Каждая из антенн является приемопередающей, то есть используется и для приема, и для передачи сигналов. Одним из преимуществ работы радиорелейной линии связи в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне является возможность применения высоконаправленных антенн с малыми габаритами. Небольшие размеры антенн упрощают их установку на высоких сооружениях. Хорошие направленные свойства антенн СВЧ диапазона позволяют облегчить требования к характеристикам приемопередающего тракта.

Если бы частота излучаемого сигнала промежуточной радиорелейной станции была бы равна частоте принимаемого сигнала той же ПРС, существовала бы опасность прохождения мощного сигнала, излученного в направлении последующей РРСП, на вход приемника той же ПРС, принимающего сигнал с противоположного направления от предыдущей РРСП. Объясняется это тем, что, несмотря на хорошие направленные свойства передающей и приемной антенн СВЧ диапазона, все же не удается полностью исключить возможность попадания мощного сигнала передатчика (пусть и ослабленного направленными характеристиками антенн) на вход приемника с высокой чувствительностью. Такое несанкционированное (паразитное) прохождение сигналов передатчика промежуточной радиорелейной станции на вход приемника той же ПРС стараются уменьшить. В противном случае ПРС может перейти в режим самовозбуждения и, вместо ретрансляции принятых сигналов, передатчик ПРС будет излучать колебания, не имеющие никакого отношения к передаваемой по РРЛ информации.

Расчет к пункту 1

Исходные данные
Наименование параметра	Обозначение параметра	Значение параметра
Рабочая частота	f1	23 ГГц
f2	38 ГГц
f3	75 ГГц
Мощность передатчика	Pп	25 мВт
Длинна радиорелейного канала	dc	2.5 км
Диаметр антенны	Da	25 см
Потери в АФТ	aф1	1.5 дБ
aф2	3.5 дБ
aф3	5 дБ
Коэффициент шума	nш	10 дБ
Скорость передачи цифрового потока	Bцс	800 Мбит/с
Вид модуляции	256-КАМ
Вид помехоустойчивого кодирования	Каскадное кодирование 3/4
Энергетические потери, обусловленные не идеальностью тракта передачи	∆-	4.5 дБ
Энергетический выигрыш от помехоустойчивого кодирования	∆+	6 дБ
Дополнительные потери	aдоп1	26 дБ
aдоп2	38 дБ
aдоп3	55 дБ
ДУ1 -? , ДУ2 -? , ДУ3 -? , ДУopt -? , выводы .

1. Алгоритм решения

Данная задача предусматривает собой оптимизацию рабочей частоты радиорелейного канала. Для решения задачи необходимо построить диаграммы уровней (ДУ) для различных наборов параметров заданного канала. Для построения ДУ необходимо произвести расчет уровней сигнала в ключевых точках тракта распространения. Оптимизацию предлагается проводить при помощи простого технического критерия, в качестве которого для данной задачи применяется условие нормальной связи (УНС). При оптимизации требуется найти так называемый “коридор оптимальности” – некий интервал значений уровня сигнала. Оптимальной диаграммой уровня будет считаться та, для которой значение уровня на входе приемника в тракте передачи будет находиться в пределах “коридора оптимальности” . Если ни одна из диаграмм уровней не будет являться оптимальной, необходимо произвести корректировку исходных данных и провести перерасчет.

2. Расчет ДУ

Точки 1 и 8 – точки “стыка” ; стандартизуются рекомендациями МСЭ G.703

U_вх= U_вых= 2 В

R_Ωвх= R_Ωвых= 75 Ом

1)

2)

3)

4)

5)

7)

Расчет вспомогательных параметров к пункту III

Малое значение коэффициента использования поверхности антенны соответствует большему диаметру антенны, а большее значение- меньшему диаметру. Поскольку диаметр данной, для выбранной задачи антенны невелик (25 см) , то примем значение

3. Оптимизация диапазона рабочих частот

В качестве простого технического критерия целесообразно использовать условие нормальной связи.

Для модуляции 256-КАМ при вероятности ошибки P_ош=10^-3 ,

Произведем расчет уровня шума на входе приемника:

Расчет вспомогательных параметров к пункту VI

α=0.2…0.4 -> 0.3 - коэффициент скругления спектра импульса ;

4. Построение ДУ

5. Вывод

На входе передатчика, при заданных параметрах, ни одна из диаграмм уровня не проходит через “коридор оптимальности”. Необходимо произвести корректировку исходных параметров. Поскольку наиближайшей ДУ к “коридору” оптимальности является ДУ₁ , ее и будем корректировать. Корректировку будем проводить путем изменения мощности передатчика, разумеется, ограничивая ее максимальный предел

Расчет к пункту 2

Исходные данные

Число абонентов местной сети (МстС)
	5000 абонентов
	4000 абонентов
	6000 абонентов
	7000 абонентов

Коэффициент тяготения между абонентами МстС
	0.45
	0.3
	0.4
	0.25
	0.5
	0.6

Параметры трафика (Тр) между соединительными узлами (СУ)
	Скорость цифрового потока	Вероятность появления данного трафика
Обозначение	Численное значение	Обозначение	Численное значение
		64 Кбит/с		0.8
		256 Кбит/с		0.5
		1 Мбит/с		0.6
		10 Мбит/с		0.36

I. Алгоритм решения

В данной задаче требуется произвести оптимизацию топологии, расчет пропускной способности, а также произвести выбор технических средств для реализации построения территориальной ИКС. Для решения данной задачи, сперва, стоит определить абонентские скорости между каждыми из узлов соединительных линий связи. Далее, основываясь на полученные значения, топологию местности и ограничения следует произвести выбор оптимальных средств построения ИКС (РРЛ,ССС,ВОЛС).

II. Решение задачи

Найдем среднестатистическую абонентскую скорость:

Расчетная скорость соединительной линии находится путем определения максимального значения из двух направлений: от узла i к узлу j и от узла j к узлу i .

Для удобства данные значения поместим в таблицу, округлив полученные значения

Обозначение	Расчетная скорость соединительной линии, Гбит/с

III. Выбор оптимальных технических средств построения (ТСП)

Для выбора оптимальных ТСП условимся некоторыми ограничениями, которые сведены в таблицу ниже.

Ограничения ТСП для их выбора
Название ТСП	Скоростные ограничения	Высотные ограничения (учет местности)
Радиорелейная линия (РРЛ)
Спутниковая линия связи (ССС)		-
Волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС)

Как правило под радиорелейной связью понимают именно радиорелейную связь прямой видимости.

При построении радиорелейных линий связи антенны соседних радиорелейных станций располагаются в пределах прямой видимости. Требование наличия прямой видимости обусловлено возникновением дифракционных замираний при полном или частичном закрытии трассы распространения радиоволн. Потери при дифракционных замираниях могут вызывать сильное ослабление сигнала, таким образом радиосвязь между соседними радиорелейными станциями станет невозможна. Поэтому для устойчивой радиосвязи антенны соседних радиорелейных станций как правило располагают на естественных возвышенностях или специальных телекоммуникационных башнях или мачтах таким образом, чтобы трасса распространения радиоволн не имела препятствий.

С учётом ограничения на необходимость наличия прямой видимости между соседними станциями дальность радиорелейной связи ограничена как правило 40 - 50 км.

Также, возможен вариант построения тропосферных РРЛ .При построении тропосферных радиорелейных линий связи используется эффект отражения дециметровых и сантиметровых радиоволн от турбулентных и слоистых неоднородностей в нижних слоях атмосферы — тропосфере.

Использование эффекта дальнего тропосферного распространения радиоволн УКВ диапазона позволяет организовать связь на расстояние до 300 км при отсутствии прямой видимости между радиорелейными станциями. Дальность связи может быть увеличена до 450 км при расположении радиорелейных станций на естественных возвышенностях.

Однако, для тропосферной радиорелейной связи характерно значительное ослабление сигнала. Ослабление возникает как при распространении сигнала через атмосферу, так и вследствие рассеяния части сигнала при отражении от тропосферы. Поэтому для устойчивой радиосвязи как правило используют передатчики мощностью до 10 кВт, антенны с большой апертурой (до 30 x 30 м²), а значит, и большим коэффициентом усиления, а также высокочувствительные приёмники с малошумящими элементами. Это позволяет повысить надежность, но сильно “ударит по карману”.

Преимущества ВОЛС вполне понятны, потому следует обговорить отдельный момент: прокладка ВОЛС по дну. Прокладка ВОЛС через водные препятствия(по дну) – наиболее затратный способ прокладки оптоволоконного кабеля. Если речь идет о пересечении реки, то при наличии моста прокладка кабеля выполняется по нему, а при его отсутствии применяется подвеска с использованием воздушных опор, либо же по дну водоема. Так как среда прокладки ВОЛС меняется (была земля, а стала вода, или воздух), то тип кабеля тоже соответственно должен измениться, а следовательно растет и цена.

Исходя из приведенной топологии местности делаем соответствующие выводы:

Связь между СУ1 и СУ2 обеспечим при помощи тропосферной РРЛ предполагая, что водное пространство занимает менее 300 км, считая так же, что возвышенностей между этими узлами нет и мы не в состоянии покрыть расстояние 450 км.

Для линии связи между СУ3 и СУ4 будем применять так же тропосферные РРЛ ввиду того, что на данном промежутке имеется возвышенность, вероятно, препятствующая прямой видимости (РРЛ прямой видимости не подойдут).

Площадь между узлами 1 и 4 , а также 2 и 3 считаем равнинной, тут, вполне, можно использовать РРЛ прямой видимости. Однако, следует учесть, что РРЛ прямой видимости покрывают 40-50 км, а следовательно для данной топологии таких надо около 20 штук, в то время как тропосферных РРЛ всего 3. Не зная цены на них, а так же сравнительных характеристик надежности и простоты реализации, не возьмусь сказать какие из РРЛ будут оптимальными.

Пролёт между узлами 1 и 3 содержит как горную местность, так и водное пространство. Считая, что водное пространство занимает менее 300 км , а так же ввиду того, что ВОЛС редко проводят в горной местности ввиду возможных землетрясений, сдвигов плит и т.п , считаем, что для данного участка оптимальным решением служит тропосферная РРЛ.

Между узлами СУ2 и СУ4 находится существенное водное пространство. Исходя из этого использование РРЛ на данном участке представляется невозможным. Единственным способом связи напрямую между этими двумя узлами является ВОЛС. Отсюда предлагаю 2 варианта: либо ВОЛС (что будет затратно и трудоемко, но обеспечит отличное качество связи) , либо осуществлять связь между данными узлами через промежуточный (в данном случае) СУ1. Второй вариант считаю наиболее оптимальным, несмотря на возникновение задержки.

IV. Вывод

Были произведены расчеты всех необходимых параметров для решения данной задачи, а так же выбраны оптимальные технические средства построения. Все остальные выводы, принятые решения и их обоснования описаны в III пункте задачи.

Расчет к пункту 3

Исходные данные
Наименование параметра	Обозначение параметра	Значение параметра
Число абонентов		1000 абонентов
Нагрузка от одного абонента		0.08 эрл.
Процент допустимой блокировки		4 %
Минимальная гарантированная скорость передачи абонентского сигнала в час наибольшей нагрузки		20 Мбит/с
Число секторов
Размерность кластера
Вид модуляции	16-КАМ
Вид помехоустойчивого кодирования	Каскадное кодирование 3/4
- ? , - ? , - ? , выводы .

I. Алгоритм решения

В данной задаче требуется провести расчет требуемой пропускной способности и информационно-частотной структуры сетевого узла (СУ) радиодоступа. Расчет следует начать с определения количества абонентов, приходящихся на один сектор соты. Далее, зная это значение, определяем нагрузку в секторе. Следующим шагом определяется количество каналов трафика в секторе при помощи формулы Эрланга, а так же расчет скорости цифрового потока. Последним шагом решения задачи будет составление таблицы и расчет ширины полосы радиоканала в зависимости от количества секторов в соте.

II. Решение задачи

Расчет количества абонентов, приходящихся на один сектор секторизированной соты

Расчет нагрузки в секторе

Расчет количества каналов трафика в секторе

Расчет скорости цифрового потока радиоканала в секторе

Расчет ширины полосы радиоканала в соте

Ширина полосы радиоканала в соте рассчитывается по следующей формуле:

Для расчета данного значения условимся некоторым стандартным значением ширины радиоканала, а все расчеты сведем в таблицу 1.

Таблица 1.

15 МГц					15 МГц	1740 Мбит/с
				45 МГц	660 Мбит/с
				180 МГц	360 Мбит/с

III. Вывод

По итогу решения задачи, были определены следующие параметры: количество каналов трафика в секторе, число радиоканалов в секторе, скорость цифрового потока в радиоканале, а так же требуемая ширина полосы частот сотового канала при различных количествах секторов СУ.

Расчет к пункту 4

Исходные данные
Наименование параметра	Обозначение параметра	Значение параметра
Рабочая частота	f	11 ГГц
Длинна пролета		25 км
Расстояние от шоссе до РРЛ	R	1 км
Число пролетов
Тип территории	Центральная Европа, территория РФ (РРЛ проходит параллельно шоссе)
Дополнительный процент неготовности		0.01 %
Мощность передатчика		150 мВт
Коэффициент усиления антенны		38 дБ
Чувствительность		-117 дБВт
tНО.opt -? , tДОСТ -? , tВОССТ -? , выводы .

I. Алгоритм решения

Для решения данной задачи в первую очередь необходимо определить процент неготовности, вызванный влиянием дождевых осадков на пролете РРЛ. Для этого требуется построить графическую зависимость множителя ослабления в дожде от количества выпадаемых осадков. Используя расчетное значение минимально допустимого ослабления в дожде следует определить, соответствующее ему количество осадков. Сопоставив найденное значение можно найти процент неготовности за счет влияния дождя, используя известную графическую зависимость. Следующим шагом необходимо провести расчет с учетом неготовности аппаратуры из-за человеческого фактора (учесть время доступа к аппаратуре, время локализации аварии и др.). Используя полученные данные, надо найти общий процент неготовности РРЛ. Расчет следует вести ориентируясь на худший случай : поломка 4-ой по счету из семи РРЛ, а так же нахождение ремонтной бригады лишь вблизи 1 и 7 РРЛ. Задача считается решенной, если расчетный процент неготовности РРЛ будет меньше допустимого или очень близок к нему. В противном случае следует произвести оптимизацию и корректировку заданных параметров, а так же произвести перерасчет.

II. Решение задачи

Далее построим график зависимости количества осадков от множителя ослабления в дожде

Для этого воспользуемся следующими соотношениями:

График зависимости коэффициента неравномерности от интенсивности осадков

График зависимости интенсивности дождевых осадков от процента неготовности за счет них

График зависимости множителя ослабления в дожде от интенсивности дождевых осадков

IД	30	50	70	90	150
KR	0.75	0.66	0.54	0.41	0.3
	2.92	6.45	10.86	16.04	35.4
Rэ	18.75	16.5	13.5	10.25	7.5
vД	-73	-161	-271	-401	-885

Зная значение минимально множителя ослабления в дожде , определяем соответствующее ему значение количества осадков . Полученное значение сопоставляем с процентом нарушения связи .

В данной задаче требуется оптимизация параметров для наихудшего случая, потому рассчитаем время доступа до самой удаленной станции (центральная)

Условимся что средняя скорость движения по шоссе и местным дорогам составляет 60 км/ч , тогда

время в пути (время доступа):

Считаем, что локализация аварии производится почти мгновенно (секунды) системой автоматического контроля, а время необходимое на восстановление системы составляет 0.5 часа. Тогда,

Так же полагаем, что аппаратура имеет большое количество часов наработки на отказ (250-500 тыс.часов). Условившись средним значением наработки на отказ рассчитаем процент неготовности:

Данное значение считаем близким к допустимому проценту неготовности, оптимизацию производить не нужно.

III. Выводы

По ходу решения задачи были определены все оптимальные надежностные параметры. Были построены все необходимые графические зависимости. По результатам расчета полученный процент неготовности РРЛ практически не отличается от допустимой величины, следовательно, оптимизацию по данному расчету производить не требовалось.

Список используемой литературы

1. Быховский М.А., Кирик Ю.М., Носов В.И., Сахаров О.Ю.,Сорокин А.С., Сорокин Н.Б.: Основы проектирования цифровых радиорелейных линий связи,2014 г.334 стр.

2. Системы связи и радиорелейные линии. Учебник для электротехнических институтов связи:, 1977г., 392 стр.

3. Галкин В.А., Цифровая мобильная связь. Учебное пособие для вузов.-2-е издание- М.: Горячая линия-Телеком

4. Сорокин А.С., Проектирование цифровых РРЛ . учебное пособие 2009г., 28стр.

5. Сорокин А.С., Основы теории построения телекоммуникационных систем и сетей :. учебное пособие 2012г., 50стр.

6. Сорокин А.С., Сорокин Г.И., Технические основы анализа ЭМС РЭС: учебное пособие для магистров и бакалавров 2013г., 55стр.

7. Сорокин Г.И., Сети и системы радиосвязи. учебно-методическое пособие 2015г., 24стр.