Аналіз стану та розвитку радіорелейного зв'язку у Збройних Силах України

Аналіз стану та розвитку радіорелейного зв'язку у Збройних Силах України

Радіорелейний зв'язок - радіозв'язок по лінії (радіорелейна лінія, РРЛ), представляє собою ланцюжок приймально-передаючих (ретрансляційних) радіостанцій. Наземний радіорелейний зв'язок здійснюється зазвичай на деци- і сантиметрових хвилях (від сотень мегагерц до десятків гігагерца).

За призначенням радіорелейні системи зв'язку діляться на три категорії, яким на території України виділені свої діапазони частот:

- внутрішньозонові лінії зв'язку 60-70 Мгц, 150-174 Мгц, 390-470 Мгц і діапазони 2,8,11,13,15,18,23,27,38,55,58Ггц.

- зонові лінії (2, 7,8 ГГц)

- магістральні лінії від 3,4 ГГц до 11,7 ГГц (це 4, 6, 7, 8, 11 діапазонів)

Дане ділення пов'язане з впливом середовища поширення на забезпечення надійності радіорелейного зв'язку. До частоти 12 ГГц атмосферні явища роблять слабкий вплив на якість радіозв'язку, на частотах вище 15 ГГц цей вплив стає помітним, а вище 40 ГГц що визначає, крім того, на частотах вище 40 ГГц значний вплив на якість зв'язку надає загасання в газах складових атмосфери землі. Атмосферні втрати, в основному, складаються з втрат в атомах кисню і в молекулах води. Практично повна непрозорість атмосфери для радіохвиль спостерігається на частоті 118.74 ГГц (резонансне поглинання в атомах кисню), а на частотах більше 60 ГГц погонне загасання перевищує 15 дБ/км. Послаблення у водяних парах атмосфери залежить від їх концентрації і досить велике у вологому теплому кліматі і домінує на частотах нижче 45 ГГц.

Так само негативно на радіозв'язок впливають гідрометеори, до яких відносяться дощі, сніг, град, туман та ін. Вплив гідрометеорів помітний вже при частотах більше 6 ГГц, а в несприятливих екологічних умовах (за наявності в атмосферних опадах металізованого пилу, смогу, кислот або лугів) і на значно нижчих частотах.

Антени сусідніх станцій розташовують в межах прямої видимості (за винятком тропосферних станцій). Для збільшення довжини інтервалу між станціями антени встановлюють як можна вище - на щоглах (баштах) заввишки 10 - 100 м (радіус видимості - 40-50 км.) і на високих будівлях. Станції можуть бути як стаціонарними так і рухомими (на автомобілях). Протяжність наземної лінії радіорелейного зв'язку - до 10000 км., ємність - до декількох тисяч каналів тональної частоти в аналогових лініях зв'язку, і до 622 мегабіт у цифрових лініях зв'язку.

З 4 по 8 жовтня 2009 року під загальним керівництвом першого заступника начальника ДСТСЗІ СБ України полковника Гулака Г.Н. з окремими підрозділами Департаменту були проведені комплексні польові навчання. Метою навчань стояла перевірка здатності органів управління і підрозділів виконувати завдання по призначенню, злагодженість дій і удосконалення польової виучки особового складу, накопичення досвіду управління польовою компонентою державної системи урядового зв'язку України при діях Об'єднаних сил швидкого реагування Збройних Сил України. Для проведення навчань була задіяна значна кількість особового складу і рухомих засобів зв'язку, було розгорнуто 6 польових вузлів урядового зв'язку пунктів управління, побудовано 12 багатоканальних ліній радіорелейного зв'язку, організований урядовий зв'язок на 20 інформаційних напрямах.

Збройні сили України прийняли на озброєння модернізований повітряний пункт управління вітчизняного виробництва на базі літака Ан-26, аналогів якому на території СНД не існує. Весь комплекс робіт по створенню модернізованого повітряного пункту управління, який проходив у рамках реалізації положень Державної програми розвитку Збройних сил України на 2006-2011 роки - від проектування до випробування, був здійснений у рекордний термін - близько 12 місяців. Роботи по переобладнанню у принципово новий літак - повітряний командний пункт виконувалися на базі АНТК ім. Антонова і Київського авіаційного заводу “Авіант”. Новий модернізований повітряний пункт управління істотно підвищує безперервність, стійкість і живучість всієї системи управління українською армією, і його поява у складі ЗС України повністю укладається у рамки загального процесу вдосконалення системи управління, відзначили в Міноборони. Цей новий елемент у системі управління ЗС України має унікальні тактичні і технічні характеристики. Так, наприклад, для забезпечення надійного і постійного зв'язку, що є основою всієї системи управління, між Львовом і Києвом необхідно розгорнути 12-15 радіорелейних станцій. Крім того, пункт управління оснащений потужним вузлом зв'язку, який забезпечує всі види зв'язку з абонентами, а також відповідає стандартам завадозахищеності і нормам радіоелектронної протидії.

Найбільш поширеними радіорелейними станціями у військах є станції Р-409, Р-415, Р-414 і Р-450. На жаль, 70% апаратури є аналоговою і цифрова зустрічається досить рідко. Перехід до цифрової техніки проходе дуже повільно, із-за недостатнього фінансування. Це призводить до того, що для забезпечення зв'язку розгортаються радіорелейні лінії на базі застарілих станцій. Негативний вплив на стан радіорелейного зв'язку надає економічна криза 2009 року. Вона не дає належним чином поповнювати частини необхідним сучасним цифровим обладнанням.

Основні характеристики і переваги цифрових радіорелейних станцій.

Відповідно до вимог керівних документів низькошвидкісні радіорелейні станції (РРС) повинні забезпечувати пропускну спроможність до 10 Мбіт/с включно через один ствол. Привабливість використання цифрових РРС (ЦРРС) для вирішення всіляких телекомунікаційних завдань обумовлена перш за все їх техніко-економічними показниками і перевагами, такими, як:

- можливість передачі різнорідної і різношвидкісної інформації (мова, відео, дані, сигнали охоронної сигналізації, телекерування і так далі), приведеної до єдиного цифрового формату;

- швидкість розгортання ліній (за наявності частотного дозволу - декілька днів);

- прийнятна вартість (від 6 до 10 тис. дол. за один проліт протяжністю до 30-50 км. з пропускною спроможністю, еквівалентною сотням телефонних каналів);

- можливість побудови мереж різної конфігурації ("зірка", "кільце", з радіальною і вузловою структурою і так далі), різних користувачів, що відповідають інтересам;

- незначні витрати на експлуатацію і обслуговування станцій.

Вказані вище переваги дозволяють ефективно використовувати низькошвидкісні ЦРРС з метою:

- організації однопролітних ліній місцевого зв'язку ("крапка - крапка");

- підключення віддалених відомчих, корпоративних і приватних користувачів (наприклад, до ТМЗК);

- забезпечення доступу до ресурсів мережі Інтернет;

- відгалуження потоків від магістральних ліній зв'язку;

- резервування найбільш важливих напрямків зв'язку;

- побудови внутрішньозонових мереж та інше.

В даний час низькошвидкісні ЦРРС найчастіше застосовуються при вирішенні наступних завдань:

- організація сполучних ліній у складі первинних мереж;

- розгортання РРЛ уздовж магістральних нафто- і газопроводів для забезпечення технологічного зв'язку, передачі сигналів телекерування і телесигналізації;

- забезпечення доступу до ТМЗК, колективного або абонентського доступу до інтернет-ресурсів, а також до мереж провайдерів (TSP/ASP), організація ліній винесення і розподіл абонентської ємкості від АТС і т.д.;

- побудова мереж передачі даних і мереж широкомовної передачі телевізійних сигналів (DVBT -Digital Video Broadcast Transmission);

- побудова мереж багатоканального розподілу інформації (LMDS - Local Multi Chanel DistributionServices);

- розгортання відомчих, корпоративних і приватних ліній і мереж радіорелейного зв'язку;

- з'єднання між собою станцій стільникових мереж і АТС міських і сільських мереж зв'язку;

- розгортання ліній і мереж сільського зв'язку, у тому числі за принципом "крапка - багато крапок" з багатостанційним доступом при тимчасовому (частотному) розділенні каналів;

- організація сполучних ліній у крайових цифрових АТС для зв'язку з їх виносними модулями.

Варіанти комплектації і побудови низькошвидкісних ЦРРС і ЦРРЛ

Для вирішення перерахованих вище завдань станції повинні комплектуватися відповідним чином. Типовий базовий варіант комплектації може включати обладнання одного або декількох стволів, а також один або декілька модемів, що визначають метод модуляції і відповідно вигляд сигналу, що передається.

На практиці передача низькошвидкісних потоків (до 10 Мбі/с) може відбуватися і без модемів. У цьому випадку здійснюється так звана маніпуляція безпосередньо на тій самій НВЧ несучій. Природно, відмова від модему зменшує вартість устаткування, проте даний метод має деякі недоліки. Один з них полягає в тому, що в багатопролітних лініях при ретрансляції ускладнюється процес передачі сигналу з однієї станції на іншу, оскільки відбувається демодуляція сигналу. У зв'язку з цим на кожній станції повинен встановлюватися регенератор. Проте низькошвидкісні станції такого типу успішно застосовуються перш за все для організації однопролітних радіорелейних ліній.

У типовий базовий варіант низькошвидкісний РРС може також входити мультиплексор (як правило, 4хЕ1), який дозволяє підвищити гнучкість, а також оперативність виділення і перерозподілу інформаційних потоків між користувачами.

В даний час компоненти, що забезпечують функції мультиплексування, модуляції і резервування стволів, часто розміщуються в одному моноблоці, або виконуються у вигляді окремих модулів (плат), що встановлюються у загальній корзині. Це дає значний виграш у вартості обладнання і, що важливо, покращує споживчі властивості апаратури, яка стає зручнішою в експлуатації. При цьому спрощується процес нарощування функціональних можливостей і модернізації станції, який здійснюється шляхом заміни або установки додаткових плат у корзину.

Необхідність вживання передавача з потужністю до декількох ватів для забезпечення протяжності прольоту в 30-50 км., неістотно позначається на массогабаритних і вартісних показниках низькошвидкісних РРС в цілому. При вказаній висоті антенної опори і потужності передавача можна використовувати моноблочні станції, тобто РРС не обов'язково повинна складатися з блоків внутрішнього і зовнішнього розміщення. Це зменшує вартість станції, підвищує терміни роботи устаткування, дозволяє забезпечити належний контроль за його збереженням, полегшує проведення робіт по його профілактиці і прискорює процес пошуку і усунення несправностей.

Широке вживання спеціального устаткування дозволяє персоналу середньої кваліфікації самостійно виробляти монтаж і підключення до низькошвидкісних РРС, наприклад, МІНІ-АТС або безпосередньо крайових терміналів

Використання сучасних модемних пристроїв стандарту HDSL дозволяє здійснювати винесення радіоустаткування за допомогою звичайної витої пари на відстань до декількох кілометрів, забезпечуючи разом з передачею даних (до 320 кбит/с) і передачу декількох (від одного до трьох) телефонних каналів. Таке рішення може успішно використовуватися при реалізації проектів, передбачених Законом "Про зв'язок" (збільшення числа користувачів Інтернету і надання універсальної послуги в сільській місцевості).

Порівняння радіорелейних ліній і кабельних ліній зв'язку

Порівняння тимчасових і фінансових витрат на організацію кабельних і радіорелейних ліній зв'язку показує, що розгортання РРЛ в цілому виявляється вигіднішим. Побудова РРЛ обходиться дешевше і здійснюється швидше. Але потрібно врахувати, що на попередньому етапі багато часу може піти на оформлення частотних дозволів, про здобуття яких краще потурбуватися завчасно.

Результати порівняння економічної ефективності розгортання РРЛ і кабельних ліній зв'язку показують, що при організації ліній малої протяжності (до 5-6 км.) устаткування кабельних ліній обходиться дешевшим (без врахування витрат на прокладку кабелю). На таких відстанях чималою виявляється вартість антенних опор РРЛ. З іншого боку, у невеликих прольотах можна використовувати спрощений пристрій антенного фідера, а не дорогі антенні щогли. Тому при побудові коротких ліній лише детальний розрахунок витрат за конкретним проектом дозволяє відповісти на питання, яка з технологій в даному випадку вигідніша. Якщо ж протяжність прольоту складає 30-50 км. питомі витрати на організацію РРЛ виявляються помітно нижче .

Можна привести і інші аргументи на користь радіорелейного зв'язку:

простота подолання природних перешкод (водних і гірських перешкод, транспортних магістралей, болот і так далі);

відсутність орендної плати за землю, через яку проходить траса;

менша схильність дії природних явищ;

вища міра захищеності від вандалізму або випадкової фізичної дії через точкове розміщення устаткування на високопіднятих щоглах і так далі

Порівняння низькошвидкісних і інших ЦРРС

При використанні високошвидкісних РРС питома вартість цифрового каналу, зрозуміло, значно нижче, ніж при використанні низькошвидкісних станцій. При цьому різниця у вартості високошвидкісної і низькошвидкісної радіоапаратури не настільки вже і велика. Лише антенні опори низькошвидкісних РРС дециметрового діапазону зважаючи на простоту антен і відносно невеликої їх висоти (15-20 м) значно дешевші.

Враховуючи все це, користувачам радіорелейного устаткування можна дати наступну пораду:

при розгортанні РРЛ доцільно передбачити деякий запас пропускної спроможності. Досить збільшити пропускну спроможність РРЛ з 2 до 8-17 Мбіт/с, аби знизити вартість цифрового каналу 64 кбит/с майже в 4 рази . У той же час РРС з пропускною спроможністю 8-17 Мбіт/с коштує не більше ніж на 15-25 % дорожче РРС з пропускною спроможністю 2 Мбіт/с. При виборі РРС основну увагу слід приділяти енергетичним характеристикам обладнання, оскільки саме вони роблять найбільш істотний вплив на якість, дальність і стійкість зв'язку.

Радіорелейна станція Р-450 - гідна заміна станцій Р-409 і Р-415.

Радіорелейна станція P-450 призначена для забезпечення цифрового радіорелейного зв'язку у стаціонарних та польових системах зв'язку військового призначення. РРС може працювати на стаціонарних вузлах зв'язку та в апаратних польових системах зв'язку різних рівнів. Вона дозволяє створювати радіоканали далекої дії з пропускною здатністю від 256 до 8448 кб/с і середньою дальністю 35 км для одного інтервалу. РРС дозволяє працювати з двома типами модуляції: FSK та QPSK. Модуляція FSK дозволяє одержати швидкості передачі 256, 512, 1024 і 2048 кб/с. Модуляція FSK може бути двох видів: згідно STANAG 4210 (далі Stanag), та CP-FSK2r (далі FSK2r). FSK2r - двійкова частотна маніпуляція з безперервною фазою з вкладеним службовим каналом у потік даних. Модуляція QPSK (далі QAM). Це чотирьохрівнева фазова модуляція призначена для роботи з потоком 8448 кб/с. РРС по цифровому стику може працювати в чотирьох режимах, що дозволяє підключати цифрову апаратуру зв'язку з різними стиками. Зміна типу стику в РРС виконується програмно, шляхом зміни режиму роботи оператором станції або системою керування.

Службовий канал: РРС передбачає зв'язок між операторами спільно працюючих станцій по службовому каналу.

Радіостанція забезпечує можливість роботи в умовах:

- при температурі навколишнього середовища від 243 до 323 К (від мінус 30* до плюс 50* С);

- відносної вологості не більше 98 % при температурі 298 К (25* С);

- атмосферному тиску від 60 кПа до 113 кПа (від 450 мм рт. ст. до 850 мм рт. ст.).

Габаритні розміри радіостанції:

- довжина - 487 мм, - ширина - 554 мм, - висота - 259 мм.

Технічні характеристики радіостанції

Діапазон частот від 1350 до 2690 МГц

Крок сітки робочих частот 125 кГц

Кількість каналів 10720

Мінімальний дуплексний інтервал 50 МГц

Поляризація антени Лінійна (вертикальна або горизонтальна)

Висота щогли не менше 20 м

Довжина фідера 40 ±1 м

Термін експлуатації не менше 20 років.

Як відомо, вагомим по своєму прояву виглядом енергетичних втрат, що мають місце у всіх приймальних антенах, є поляризаційні втрати [1, 2]. Якщо розглянути процес прийому сигналів подвійної поляризації на окремо взятій поляризації випромінювання як завдання однополяризаційного прийому, то вказані втрати зобов'язані своїм існуванням процесу збудження в антені не лише хвиль основної поляризації, але і ортогональних до неї коливань з паразитною орієнтацією вектора напруженості електричної компоненти поля. За умови, що подібні паразитні хвилі не можуть селектуватися навантаженням, розрахованим на прийом сигналів основної поляризації, потужність прийнятого випромінювання, що витрачається на формування направлених хвиль, відповідної поляризації, ортогональній основній, можна вважати для приймача втраченою.

Розділення потужності направлених антеною хвиль за поляризаційною ознакою на основну і паразитну залежить від вигляду ортогонального поляризаційного базису, в якому представлено розкладання компонент електромагнітного поля. Тому поляризаційні втрати приймальної антени прийнято класифікувати по типах існуючих поляризаційних базисів [2], розрізняючи втрати в базисах лінійної, подвійної, кругової або еліптичної поляризацій. Стосовно питань, що розглядаються тут, інтерес представляють втрати в базисі подвійної лінійної поляризації.

Основна частина потужності, що наводиться в антені на хвилях паразитної поляризації, доводиться на область великих кутових відхилень від напряму максимального прийому хвиль основної поляризації. Вочевидь, що в антенах радіорелейних станцій, що приймають корисні сигнали у вузькому секторі відносно нормалі до апертури антени, даний чинник буде неістотним.

Трактування процесу передачі і прийому сигналів подвійної поляризації у вигляді сукупності незалежних процесів випромінювання і прийому на хвилях ортогональної поляризації дозволяє використовувати кількісну міру поляризаційних втрат, по аналогії з передавальними однополяризаційними антенами, коефіцієнт поляризаційних втрат. Він визначається як відношення потужності РС, що наводяться в антені хвиль паразитної поляризації, до повної потужності наведених в ній струмів С_? [1, 2]:

. (1.1)

При цьому як антена розглядається випромінювач хвиль окремо взятої поляризації. Часто для характеристики поляризаційних втрат використовують також поняття втрат поляризаційного розузгодження, визначаються як відношення потужності, прийнятою антеною, до потужності, яка б наводилася в ній у разі ідеального узгодження з поляризацією сигналу, що приймався.

На практиці ні в одній антені не існує абсолютно повної розв'язки між коливаннями основної і паразитної поляризацій. Тому крім корисної потужності, що приймається на основній поляризації, в навантаженні виділяється також потужність струмів, наведених в антені по паразитній поляризаційній компоненті поля. Ця компонента часто називається кроссполяризаційною і є частиною потужності, що наводиться на ортогональній поляризації [3]. Проте в процесі прийому сигналів вона грає набагато більшу роль, чим розглянутий вище вигляд поляризаційних втрат. По суті, кроссполяризаційна компонента є завадою для прийому корисних сигналів і повинна ретельно контролюватися.

Згідно Рекомендації Міжнародного Союзу електрозв'язку ITU-T F.746, для антен, що приймають сигнали однієї лінійної поляризації (далі - однополяризаційних), для характеристики рівня кроссполяризаційних перешкод використовується поняття кроссполяризаційної вибірковості (XPD, Сross-polarisation Discrimination) [4]. Даний параметр є відношенням потужності сигналу, прийнятого в одній поляризації, до потужності сигналу, наведеного по кросовій поляризаційній складовій за відсутності в ефірі сигналу ортогональної поляризації. Стосовно введених позначень, згідно [5, 6]

. (1.2)

Для звичайних комерційних антен зв'язку ця величина складає зазвичай 35 - 40 дБ [4]. Стосовно сигналів подвійної поляризації показник XPD доречно використовувати за умови випромінювання сигналів лише на одній з поляризацій.

У ряді випадків XPD характеризують безрозмірним коефіцієнтом _XPD, для якого межі значень знаходяться в інтервалі 0 ? б_XPD ? 1 [6]. При цьому єквівалентний (1.2) запис має вигляд [6]:

. (1.3)

Повна відсутність кроссполяризаційної вибірковості відповідає б_XPD = 1, а ідеальна ситуація без кроссполяризаційних завад характеризується нульовим значенням б_XPD, при якому XPD > ?.

Відносно антен, що містять два незалежні канали поляризаційного прийому, широко використовується регламентований Рекомендацією Р.310 МСЕ-Р параметр кроссполяризаційної розв'язки або XPI (Cross Polarisation Isolation). Цьому показнику дають зазвичай наступне тлумачення [4]:

“Якщо два сигнали з одним і тим же рівнем передаються на ортогональних поляризаціях а і b, то відношення потужності сигналу з основною поляризацією (ас або bc) в даному приймальному каналі до потужності кроссполяризованого сигналу (bх або ах) в тому ж каналі називається кроссполяризованою розв'язкою.”

Вказані два відношення ас/bх або bс/ах не обов'язково однакові, тому в загальному випадку можна використовувати альтернативні записи:

XPI=ас/bх или XPI=bс/ах. (1.4)

У подібному трактуванні кроссполяризаційна вибірковість (XPD) є відношенням потужності сигналу основної поляризації, що приймається, ас до кроссполяризованого сигналу, що приймається, ах за наявності в ефірі лише одного сигналу з поляризацією а. Принаймні, із статистичної точки зору, поняття XPD (ас/ах) і XPI (ас/bх) можуть розглядатися як одне і те ж. Обидва параметра виражаються в децибелах і часто використовуються як синоніми.

При використанні поляризаційного ущільнення в радіорелейних лініях зв'язку необхідна величина XPI антен визначається виходячи з допустимої потужності взаємних перешкод між каналами з різними інформаційними потоками, що використовують практично ідентичні частотні діапазони. Допустимий рівень XPI залежить також від способу модуляції і необхідної швидкості передачі інформації. Відповідно до необхідного рівня XPI, антени зазвичай класифікують по трьох категоріях [7]:

1-я категорія - антени із стандартним рівнем кроссполяризаційної розв'язки (20 - 30 дБ);

2-я категорія - антени з високим рівнем XPI (не менше 35 дБ);

3-я категорія - антени з надвисоким рівнем XPI (більше 35 дБ).

Можна чекати, що подальше зростання вимог до пропускної спроможності ліній зв'язку приведе до зміни цієї градації, зміщуючи межу антен з високим рівнем XPI до 40 дБ. Проявом такої тенденції може служити російський ГОСТ Р 50867-96 [8]. Даним документом регламентовані вимоги до XPI для антен радіорелейних станцій стосовно кутової області, яка визначається відхиленнями від напряму максимального прийому сигналів в межах ±0,15⁰ у вертикальній площині і ±1,00 - в азимутній. При цьому встановлені наступні обмеження [8]:

- для стандартних і високоякісних антен, що мають порт з однією поляризацією діапазону 0,3-1,0 ГГц, XPI >20 дБ;

для стандартних і високоякісних антен, що мають порт з однією поляризацією діапазону 1,4 - 25,0 ГГц, XPI > 25 дБ;

· для високоякісних антен, що мають два або чотири порти з двома поляризаціями, XPI > 32 дБ;

· для надвисокоякісних антен, що мають два порти з двома поляризаціями, XPI > 38 дБ.

Таким чином всі розглянуті вимоги до антени передбачають кроссполяризаційну розв'язку в межах від 20 до 38 дБ.

При використанні кругової поляризації, як відомо, розв'язка між ортогональними каналами прийому в основному характеризується аксіальним відношенням (коефіцієнтом еліпсної поляризації) - . Даний параметр визначається по так званому поляризаційному еліпсу, який умовно описує в просторі кінець вектора напруженості електричної компоненти електромагнітного поля в площині, перпендикулярній напрямку поширення електромагнітної хвилі (мал. 1). Аксіальне відношення чисельно дорівнює довжині великої півосі M поляризаційного еліпса, нормованою на довжину його малої півосі N (мал. 1). Відповідно до методики, приведеної в [9], коефіцієнт еліпсної можна визначити по формулі:

, (1.5)

де Pmax, Pmn - максимальне і мінімальне значення середньої потужності по виходу приймальної антени з поляризацією, що обертається, при опроміненні її лінійно поляризованим сигналом за допомогою еталонної антени, що обертається довкола своєї подовжньої осі.

Цілком очевидно, що параметр (1.5) безпосередньо не може бути використаний для характеристики поляризаційних властивостей антен в засобах зв'язку з подвійною поляризацією випромінювання, оскільки середні рівні потужностей сигналів на обох поляризаціях можуть в цьому випадку набувати довільних значень. Проте слід врахувати, що параметр (1.5) пов'язаний з величиною розв'язки XPI [9]:

XPI =20 lg[(1+ о)/(1- о)], дБ. (1.6)

Мал. 1. Поляризаційний еліпс

Приклади використання подвійної поляризації в сучасних засобах зв'язку.

Останнім часом зарубіжних системах зв'язку інтенсивно розвивається напрямок, пов'язаний з використанням так званих MIMO-технологій (Multiple Input - Multiple Output, множинний вхід - множинний вихід) [10]. MIMO-принцип, що застосовується в офісних радіокомунікаціях, дозволяє зменшити число помилок при радіообміні даними (BER) без зниження швидкості передачі в умовах множинного перевідбивання сигналів [10].

Особливість формування і прийому MIMO-сигналів дозволяє розповсюджувати цей підхід на вирішення завдань радіорелейного зв'язку. При цьому найпростіше масштабування технології здійснюється у разі використання сигналів подвійної поляризації.

Метою викладеного нижче матеріалу є адаптація принципів просторово-поляризаційного і поляризаційно-частотного кодування, яке застосовується у системах MIMO, для передачі і прийому сигналів в радіорелейній системі зв'язку з подвійною поляризацією випромінювання.

Згідно [10], простим прикладом антени MIMO є система з двох несиметричних вібраторів, орієнтованих, наприклад, під кутом ± 450 відносно вертикальної осі (мал. 2). В цьому випадку випромінювані незалежно кожним монополем сигнали мають ортогональну поляризацію з досить високою взаємною розв'язкою по поляризаційній для кросу компонентою (до 25 дБ і більш). У разі радіорелейного зв'язку така пара монополів може використовуватися як опромінювачі дзеркального рефлектора. Аналогічна антена повинна розміщуватися і на приймальній стороні, причому можливі інші конструктивні рішення, проте для простоти викладу тут вони розглядатися не будуть.

Вказаний підхід дозволяє одночасно передавати сигнали з тими, що однаковими несуть, модульованими різним чином. Тому використання принципу поляризаційного розділення каналів потенційно забезпечує подвоєння пропускної спроможності лінії радіозв'язку в порівнянні з випадком одиночного монополя (у ідеальних умовах прямої видимості за умови ідентичної орієнтації приймальних і передавальних антен). Саме таким умовам якнайповніше відповідає радіорелейна лінія зв'язку.

Вибір кута поляризації ± 450 обумовлений необхідністю додання обом каналам передачі рівних можливостей, оскільки при горизонтально-вертикальній орієнтації випромінювачів одна з поляризаційних компонент неминуче отримала б більше загасання при поширенні уздовж земної поверхні.

Таким чином, по суті, всяку систему з подвійною поляризацією можна розглядати як систему MIMO [10]. Для внутрішньоофісних засобів зв'язку вказаний поляризаційний варіант розділення каналів передачі, насправді, не дозволяє досягти подвоєння пропускної спроможності, що пояснюється наявністю множинного перевідбивання по трасі поширення сигналів і викликаного ними зростання поляризаційних для кросу перешкод. Інша справа - радіорелейна лінія, де рівень перевідбивання може бути істотно менше, у порівнянні з умовами проходження радіохвиль усередині закритих приміщень.

Згідно [10], вживання подвійної поляризації випромінювання в системах MIMO може поєднуватися з ортогональним кодуванням сигналів. В разі такого комплексування кодований однаковим чином в ортогональних поляризаціях сигнал випромінювання має бути ортогональним за кодом другій парі передавальних антен або третьому вібратору (мал. 3).

Як можливий приклад узагальнення принципу MIMO розглянемо детальніше варіант вживання пространственно-поляризационного кодування сигналів.

Технологія ЦДУ на базі ЦАР у системах зв'язку

Особливістю нинішнього етапу розвитку інформаційних систем армій економічно розвинених держав є повсюдне впровадження нових стандартів цифрової обробки сигналів, що дозволяють істотно підвищити ефективність спеціальної техніки і озброєнь. Зокрема, стосовно телекомунікаційних засобів, мова піде про використання новітніх досягнень технології цифрового діаграмоутворення (ЦДУ).

Багато в чому зусиллями вказаної наукової школи вдалося зняти ореол екзотичності з ЦДО і істотно розширити коло фахівців, переконаних у перспективності технології ЦАР для потреб армії. Як наслідок, на початок 90-х років в СРСР існували досить багато наукових шкіл, сукупні досягнення яких по багатьом теоретичним і практичним питанням випереджали аналогічні розробки за кордоном. Проте відставання в розвитку елементної бази, обумовлене розривом економічних зв'язків після розвалу СРСР і відсутністю належного фінансування нових розробок, на сьогоднішній день привело до втрати країнами СНД багато із завойованих раніше пріоритетів. Ситуація ж за кордоном в питаннях впровадження ЦАР виразно характеризується істотним розширенням сфер їх вживання в області зв'язку.

До технологій цифрового формування променя (цифрового діаграмоутворення або цифрового формування діаграми спрямованості антени) відводиться усе більш значиме місце в сучасних системах зв'язку, ними займаються практично в усіх технічно розвинених країнах світу. Без них не обходяться концепції мобільного зв'язку 3-го і 4-го поколінь. Цифрове формування променя реалізується, як відомо, за допомогою цифрових антенних решіток (ЦАР), за кордоном так званих Smart-антен (розумних антен). Використовують і синонімічну назву - Intelligent Antenna. Можливо, ці поняття, що віддають рекламою і орієнтовані на рядового споживача, не найвдаліші. Проте вони як не можна краще відображають суть можливостей, що надаються технологією цифрового диаграммообразования (ЦДУ), завдяки яким антенні системи стають усе більш "інтелектуальними". І хай відносно антенних систем епітет Smart містить доки більше авансів на перспективу, ніж відображає реальний стан речей, але вже в рамках того, що Smart-технології, реалізовані в ЦАР, ще багато що уміють.

Які ж переваги нового класу антенних систем перед традиційними антенами, у тому числі перед їх прототипом - фазованими антенними решітками (ФАР)? Для відповіді на це питання зробимо короткий екскурс в основи схемотехніки ЦАР. Цифрові антенні решітки - це антенна система, що є сукупністю аналого-цифрових каналів із загальним фазовим центром, в якій діаграма спрямованості формується у цифровому вигляді, без фазообертачів. Теоретичні основи такого підходу до побудови антен були закладені ще в 60-70-і роки минулого століття. Але лише тепер, з розвитком мікропроцесорної техніки, стало можливим практично реалізувати накопичений науковий заділ. У колишньому СРСР найбільш послідовно даний напрям підтримувала київська наукова школа, очолювана заслуженим діячем науки і техніки України, доктором технічних наук В.А. Варюхіним. Цей науковий колектив у Військовій академії ППО сухопутних військ імені А.М. Васильовського (Київ) впродовж 60-90-х років ХХ століття розробив теоретичні основи багатоканального аналізу сигналів, розробив ряд макетів і дослідних зразків радіотехнічних систем з ЦАР. Як наслідок, на початок 1990-х років в СРСР існували вже вельми показний ряд наукових шкіл, сукупні досягнення яких по багатьом теоретичним і практичним питанням випереджали аналогічні розробки за кордоном. Сучасні технології ЦАР своїм масовим розвитком зобов'язані інтеграції процесорів цифрової обробки сигналів (у вигляді DSP або на ПЛИС) з аналого-цифровими і цифро-аналоговими перетворювачами (АЦП/ЦАП) в рамках одного модуля або навіть чіпа [4, 5]. Побудова каналів ЦАР на такій основі дозволяє уніфікувати процедури і апаратні вузли обробки сигналів і спрощує їх адаптацію до того або іншого протоколу роботи. Технологія ЦДУ забезпечує максимальну простоту реконфігурації і модифікації систем зв'язку, який часто зводиться лише до заміни їх програмного забезпечення. При цьому архітектура може оптимізуватися (по ресурсах і функціональності) під безпосередньо виконувані завдання. У цьому сенсі технологію ЦАР можна вважати вінцем розвитку настільки популярної сьогодні концепції програмнореконфігуйованого радіо (Software Defined Radio). Ключова особливість ЦАР - цифрове формування променів діаграми спрямованості (ДС) антени. У завданнях зв'язку це дозволяє динамічно оптимізувати обслуговувану зону покриття, оперативно перенацілюючи цифрові прийомо-передаючі промені залежно від територіального розподілу абонентів. Сузір'я променів що синтезується, наприклад, по алгоритмах швидкого перетворення Фур'є або за допомогою класичних процедур дискретного Фур'є аналізу, є, по суті, сукупністю просторово-частотних фільтрів, кожен з яких проводить селекцію строго певного набору сигналів і пригнічує останні, сприймані як завади. Технологія ЦДУ істотно покращує якість зв'язку в умовах багатопроменевого поширення радіохвиль, а також різко підвищує завадозахищенність системи при інтенсивній радіопротидії. Це пояснюється тим, що характеристики цифрових фільтрів в антенних каналах практично ідентичні. Розкид же характеристик фільтрів наводить до того, що при виникненні випадкової перешкоди в кожному з каналів з'являється мультиплікативний сигнал-завада, пропорційний твору амплітуди перешкоди на відхилення характеристик вхідного фільтру від номінального значення. Мультиплікативні ж перешкоди, що виявляються як завмирання сигналу, набагато неприємніші адитивних. Дійсно, від адитивного шуму, однакового в кожному з каналів, можна позбавитися, ідентифікуючи його як загальну складову сигналу у всіх каналах і віднімаючи його з сигнальної суміші. Мультиплікативний сигнал-завада компенсувати неможливо. Проте завдяки ЦДУ мультиплікативні перешкоди вдається мінімізувати. Крім того, ЦДУ сприяє і збільшенню динамічного діапазону приймальних антен. Дійсно, при синфазному складанні сигналів в кожному з каналів антенних решіток в процесі ЦДУ дисперсія (середня потужність) шуму зростає пропорційно числу каналів антенних решіток R, а потужність сигналу (пропорційна квадрату амплітуди) - пропорційно R2 . Отже, відношення сигнал/шум після ЦДУ зросте в R разів, що підвищує чутливість системи, а значить, і динамічний діапазон (відношення амплітуди максимального сигналу до мінімального). В результаті "нулі" діаграми спрямованості (ДС) у напрямах джерел перешкод формуються без "запливань" провалів, звичайних при недостатньому динамічному діапазоні приймального модуля. У ФАР якість придушення перешкод обмежена неідентичністю фазообертачів і малою розрядністю їх схем управління (звичайні 5-7 розрядів), тоді як в ЦАР вже використовуються 14-розрядні АЦП. Багаточисельні експерименти підтверджують можливість придушення активної шумової перешкоди в 8-елементній ЦАР більш ніж на 30 дБ не лише по бічних пелюстках, але і в головному промені ДН при середньоквадратичному відхиленні коефіцієнтів посилення аналогових приймальних каналів 0,5 дБ і величині фазових помилок не більш 3°. Відомо вже досить багато методів наддозволу (сверхразрешения), реалізація яких, залежно від відношення сигнал/шум, дозволяє окремо проводити селекцію до десяти і більш точкових об'єктів у межах головної пелюстки приймальної діаграми спрямованості ЦАР. Проте для безпосередньо зв'язних завдань, виключаючи процес входження в зв'язок, переважний метод максимального рівноподібності (МР), з якого всі інші слідують як квазіоптимальні варіанти. Саме метод МР при цифровому формуванні променя забезпечує близькі до граничних точність оцінки параметрів сигналів і їх дозвіл. Багаточисельні переваги ЦАР обумовили зростання їх ринкової привабливості. Пройшовши в кінці 90-х років декілька демонстраційних проектів, дана технологія вже вступила в стадію серійного виготовлення антенних систем для систем стільникового зв'язку - що є дуже перспективним. Серед піонерів серійного виробництва ЦАР провідні позиції займають компанії Array Comm, Metawave Communications, AirNet Communations, Wireless Online (все - США), а також Ericsson (Швеція). Пальма першості в освоєнні серійних ЦАР для базових станцій стандарту CDMA належить американській компанії Мetawave Communications, що випускає сімейство інтегрованих Smart-антен Spotlight. Перші ЦАР від Metawave Сommunications - Spotlight 2000 (2100) - працювали лише в діапазоні тих, що несуть 800-900 Мгц. Проте системи Spotlight 2200 підтримують ще і смугу 1800-1900 Мгц. Апаратура систем Spotlight базується на ASIC і FPGA, що зайвий раз говорить про перевагу вживання FPGA в порівнянні з DSP при вирішенні завдань ЦДУ.

Процес цифрового діаграмоутворення зводиться до виконання БПФ над відліками комплексної вихідної напруги приймальних каналів, отриманими в один момент часу. При цьому формується ряд просторових характеристик спрямованості Fr(б), закон зміни яких по куту відомий і визначається, наприклад для лінійної еквідистантної ЦАР, вираженням:

де r - номер просторового каналу лінійної еквідистантної ЦАР (r =1,R ---), б - кутова координата. Алгоритм Кейпона зводиться до пошуку локальних максимумів вирішальної функції Н(б):

де F(б) - вектор відомих значень діаграми спрямованості кожного з каналів ЦАР з елементами Fr(б);

- кореляційна матриця відгуків приймальних каналів, сформована по серії з N тимчасових відкликів;

U - вектор напруги сигналів, отриманий в результаті БПФ над напругою по виходах первинних приймальних каналів ЦАР;

* - символ матричної операції комплексного сполучення;

Т - символ операції транспонування.

При використанні технології цифрового диаграмоутворення в системах зв'язку для підвищення надійності та правильності передачі даних виникає потреба в корегуванні амплітудно-частотних характеристик каналів ЦАР (рис. 1) не тільки на прийом, а й на передачу.

Для вирішення задачі корекції характеристик передавальних каналів активної ЦАР Для вирішення цієї задачі був проведений натурний експеримент з використанням модулів цифрової обробки сигналів (ЦОС) - ADC100AS2 фірми "Пульсар-ЛТД" (м. Дніпропетровськ, Україна) [2]. Даний пристрій (рис. 2) має технічні характеристики, що наведені в табл. 1. Основною особливістю ADC100AS2 є наявність інтерфейсу PCІ в режимі “MASTER” (DMA, швидкість передачі даних не менш 100 Mбайт/с) [2], що дозволяє застосовувати їх спільно зі звичайним комп'ютером.

Зокрема, останнім часом багато зарубіжних фірм інтенсивно вивчають можливості реалізації приймально-передаючих каналів ЦАР за технологією програмно реконфігурованих радіомодулів (Software Radio), у основу задуму схемотехніки Software Radio покладена точно погоджена інтеграція процесора цифрової обробки сигналів (DSP або FPGA), АЦП і ЦАП, підключених через загальний комутатор до антенного елементу. При цьому для забезпечення необхідної якості випромінюваних сигналів використовується суперлінійний підсилювач потужності, що гарантує ідеальний перехід модульованих радіочастотних коливань по виходу ЦАП до високопотужних сигналів з достатнім для їх випромінювання рівнем потужності і низькою емісією в сусідні канали. Процесор цифрової обробки сигналів (DSP або FPGA), реалізує в програмному вигляді гнучко перебудовані схеми модуляції-демодуляції, протоколи обробки сигналів в режимі прийому і передачі даних, інші функції. При високому темпі дискретизації відкликів сигналів і великих кількостях каналів концепція програмної реконфігурації істотно знижує вимоги до продуктивності діаграмоутворюючого модуля. Подібна побудова приймально-передаючих каналів ЦАР дозволяє також уникнути апаратної залежності процедур обробки сигналів і спрощує їх адаптацію під потреби того або іншого стандарту функціонування.

На основі технології може бути отримана максимальна уніфікація вузлів і блоків апаратури, простота реконфігурації і модифікації систем, що зводиться часто лише до заміни їх програмного забезпечення. Більш того

при виконанні приймально-передаючих модулів ЦАР на основі програмно-реконфігурованої архітектури, вперше можна розраховувати на можливість втілення в життя принципу інтегрованої апертури, тобто об'єднання антенних систем і високочастотних блоків всіх типів бортових радіотехнічних засобів в єдину структуру з мінімізацією апаратури і побічних радіовипромінювань.

Відносно спеціального озброєння і техніки можна сказати про монолітну інтеграцію систем радіолокації, радіо- і супутникової навігації, радіотехнічної розвідки, радіозв'язку, радіопротидії (постановки перешкод) і визначення держприналежності. При цьому забезпечується оптимізація ресурсно-функціональної адаптації архітектури радіоелектронного устаткування під певні завдання, істотно зростає ефективність бортового радіоелектронного комплексу в цілому. Наприклад, перехід до використання ЦАР для потреб GPS дозволяє довести рівень придушення множинних перешкод до 90-100 дБ, тоді як існуючі засоби GPS-навігації втрачають працездатність при дії джерела перешкоди потужністю 0,25 Вт вже з дальності 4 км.

Здібність ЦАР до багатосигнального прийому у поєднанні з можливістю надрелеєвского дозволу сигналів дозволяє здійснити мультистандартне функціонування ЦАР в кожному промені діаграми спрямованості з вирішенням, наприклад, завдань радіолокацій, у тому числі в умовах інтенсивного радіопротидії.

Як стверджують розробники, термін окупності витрат на впровадження Smart-антен складає рік і менш. При цьому слід врахувати, що технологія ЦАР перебуває лише на початку свого становлення. У міру її вдосконалення можуть бути досягнуті ще більш значні результати по збільшенню канальної ємкості і розмірів зони, що покривається, - наприклад, шляхом збільшення числа антенних елементів в одному секторі ЦАР (до 16 і більш - в азимутній площині).

Темпи розвитку використовуваної в ЦАР елементної бази дозволяють передбачити, що вже в найближчому десятилітті почнеться масове оновлення інфраструктури зв'язку на основі Smart-антен. Причому наявний науковий заділ і досвід розробки подібного роду систем у поєднанні з необхідною технологічною базою дозволяють розвернути і вітчизняне виробництво станцій з ЦАР, спираючись на зарубіжні комплектуючі і унікальний інтелектуальний потенціал розробників з країн СНГ. Такий варіант розвитку подій дозволив би не лише створити тисячі нових робочих місць на українських підприємствах, але і заощадити інвесторам головну частку засобів на оновлення існуючої інфраструктури зв'язку. І хоча процеси зносу зв'язного устаткування ще не скоро поставлять питання про таке оновлення на порядок денний в Україні, проте через розвиток інтересу до телекомунікацій і зростання їх ролі у всіх сферах діяльності моральне старіння апаратури може статися (і відбувається) значно швидше, ніж фізичний знос. Тому готуватися до неминучого оновлення інфраструктури систем зв'язку слід вже зараз.