Проектирование радиорелейной линии связи

Проектирование радиорелейной линии связи

Введение

Радиорелейная связь - один из видов радиосвязи, образованной цепочкой приёмо-передающих (ретрансляционных) радиостанций. Наземная радиорелейная связь осуществляется обычно на деци- и сантиметровых волнах (от сотен мегагерц до десятков гигагерц).

По назначению радиорелейные системы связи делятся на три категории, каждой из которых на территории России выделены свои диапазоны частот:

местные линии связи от 0,39 ГГц до 40,5 ГГц

внутризоновые линии от 1,85 ГГц до 15,35 ГГц

магистральные линии от 3,4 ГГц до 11,7 ГГц

Данное деление связано с влиянием среды распространения на обеспечение надёжности радиорелейной связи. До частоты 12 ГГц атмосферные явления оказывают слабое влияние на качество радиосвязи, на частотах выше 15 ГГц это влияние становится заметным, а выше 40 ГГц определяющим, кроме того, на частотах выше 40 ГГц значительное влияние на качество связи оказывает затухание в атмосфере Земли.

Основные преимущества радиорелейных линий связи перед проводной связью.

Благодаря своей многофункциональности, радиорелейные линии связи способны обеспечить доступ к широкополосному выходу в Интернет и к цифровой телефонии, объединять собеседников в видеоконференции и поддерживать электронный документооборот. Там, где прокладка ВОЛС затруднена (интенсивная городская застройка или удаленная от магистральной связи сельская местность), преимущество РРЛС особо актуально. Стоит отметить, что бесспорным плюсом радиорелейных линий связи является возможность передавать сигнал над водными объектами и транспортными магистралями. Неоспоримым преимуществом РРЛС является менее затратная установка оборудования, высокая эксплуатационная рентабельность, при этом время на развертывание уходит гораздо меньше, чем ВОЛС. Простота сооружения радиорелейных линий связи при невысоких затратах на эксплуатацию и строительство, а также возможностью оперативного разрешения проблем развития и реконструкции сети без дополнительных капитальных затрат позволяют с уверенностью сказать, что качество передачи информации по таким линиям связи практически не уступает ВОЛС.

1. Общие данные для курсового проекта

Таблица 1

Качество линии связи	локальное
Скорость работы	34Мбит/с
Ro мин	17 км
Число интервалов	2

Первый интервал

№ точки	r	h, м
1	0	132
2	0,6	132
3	1,5	117
4	1,8	220
5	4,04	220
6	7,5	171
7	9	171
8	11,7	175
9	13,5	171
10	15,3	202
11	18	202

Второй интервал

№ точки	r	h, м
1	0	202
2	0,625	202
3	1,35	171	2,7	175
5	3,78	236
6	5,94	240
7	7,83	251
8	9,18	251
9	11,205	240
10	12,15	241
11	14,04	240
12	15,93	240
13	17	236

2. Расчетная часть

В данной курсовой работе рассматривается проектирование РРЛС локального назначения на примере реальной местности. Разработаем радиорелейную трассу Искитим - Ленево - Белово со скоростью передачи 34 Мбит/с средняя протяженность интервала 17 км. Расстояния между этими городами составляет 17-18 км. На таких расстояниях целесообразно работать на частоте в 20 ГГц. В первую очередь выбор трассы осуществлялся из условия соблюдения зигзагообразности проектируемой линии. Общая протяженность трассы - 35 км. По исходным данным имеется 2 оконечные станции и 1 промежуточная.

Предварительный выбор типа аппаратуры и параметров антенно-фидерного тракта

Зная минимальную протяженность интервала R0=17 км и диапазон рабочих частот f0=20 ГГц, рассчитаем коэффициент усиления антенны.

Коэффициент усиления для антенны диаметром 0,9 м будет равен:

G= 20*Lg(D) + 20 Lg(f) +17.5=20 Lg (0.9)+ 20 Lg(20) +17.5=42,6, дБ

Для заданных исходных данных и полученных предварительных результатов выберем тип аппаратуры.

В качестве аппаратуры возможно использовать оборудование МИК РЛ18 со следующими характеристиками:

Р_пд=25,5, дБ/м

Р_{пр пор}=-81, дБ/м

Вид модуляции - QPSK

V_пер=34, Мб/c

К_ош=10^-3

Выбор мест расположения станций и построение профилей интервалов

Для начала сведем все необходимые данные для построения профилей 1 и 2 в таблицы.

По топографической карте местности определим, на каких участках имеется лес и строения.

Так как в населенных пунктах есть высокие здания, то возьмем высоту строений равную 20 м, а высоту лесов равную 15 м.

Для большей наглядности высоты нормировать не будем.

Первый пролет

r1, км	h, м	V (высота строений и леса)	h1-высота с учетом V
0	132	0	132
0,6	132	15	147
1,5	117	15	132
1,8	220	20	240
4,04	220	20	240	171	0	171
9	171	20	191
11,7	175	20	195
13,5	171	20	191
15,3	202	0	202
18	202	0	202

Сначала строится линия, обозначающая условный нулевой уровень - парабола.

Проведем построение для первого профиля:

 при   км

Теперь по исходным данным и полученному нулевому уровню построим примерный вид профиля.

  

Рис. 1. Примерный вид первого профиля

Второй пролет

r2, км	h, м	V (высота строений и леса)	H2-высота с учетом V
0	202	0	202
0,675	202	0	202
1,35	171	0	171
2,7	175	15	190
3,78	236	15	251
5,94	240	0	240
7,83	251	15	266
9,18	251	15	266
11,205	240	0
12,15	241	0	240
14,04	240	15	255
15,93	240	15	255
17	236	0	236

Проведем построение для второго профиля:

,

 

Теперь по исходным данным и полученному нулевому уровню построим примерный вид второго профиля.

Рис. 2. Примерный вид второго профиля

Ориентировочный выбор высот подвеса антенн

После вычерчивания профилей интервалов необходимо определить ориентировочные значения высот подвеса антенн. При этом нужно руководствоваться величиной просвета между линией прямой видимости и профилем трассы

Ориентировочное значение просвета для короткопролетных микроволновых систем связи должно быть численно равно радиусу первой зоны Френеля, которая определяется по формуле:

;

λ=с/f₀=3*10⁸/20*10⁹=0,015, м

Для первого профиля:

 при r₁=18, км

Для второго профиля:

 при r₂=17, км

Антенны по предварительным результатам будут находиться на высоте 111,96, 74,59 и 99,59 м.

Теперь посмотрим наглядно, где будет просвет.

Рис. 3. Вид профиля 1 с линией просвета

Рис. 4. Вид профиля 2 с линией просвета

 

Учет атмосферной рефракции и уточнение высот подвеса антенн

Основная сложность расчетов РРЛ определяется тем, что траектория распространения электромагнитной волны непрямолинейна, случайна и зависит от состояния атмосферы, от величины градиента диэлектрической проницаемости атмосферы (g). Это явление называется атмосферной рефракцией. В среднем, атмосферная рефракция приводит к увеличению значения просвета по сравнению с геометрической величиной, определяемой высотами подвеса антенн. Однако при определенных атмосферных условиях (субрефракции), наблюдается уменьшение величины просвета и, при недостаточно высоких антенных опорах, трасса может закрываться, т.е. может нарушаться прямая видимость.

Для нормальной работы цифровой РРЛ, величина просвета с учетом атмосферной рефракции на трассе, должна удовлетворять условиям, приведенным в табл. 5.

Критерии	R0, км	Катм
Величина просвета должна соответствовать радиусу первой зоны Френеля при нормальной атмосферной рефракции для данной местности.	любая	1.333
Величина просвета должна быть больше или равна нулю при субрефракции	15 >15	0.5 0.7

Катм - коэффициент преломления атмосферы, представляющий собой отношение эквивалентного радиуса Земли (при атмосферной рефракции) к геометрическому радиусу Земли.

Для учета атмосферной рефракции и уточнения высот антенных опор, нужно перестроить (трансформировать) профили.

В данном случае рассматривается нормальная (стандартная) рефракция.

При Катм=1,33, g=-8∙10^-8,1/м

При Катм=0,7, g=-4,21∙10^-8,1/м

Построим профили с у четом рефракции.

Рис. 5. Построение профиля 1 с учетом рефракции

Рис. 6. Построение профиля 2 с учетом рефракции

Учитывая условие -8·10^-8<g<0, можно сказать, что рефракция будет пониженной и высоты мачт антенн можно понизить на ∆Нg.

Так как Н₀=Н, то ∆Нg будет рассчитано по формуле:

,

Значит высоту мачт антенн можно опустить на 0,5 м.

После учета рефракции высота антенн стала 111,46, 74,09 и 99,09 м.

Расчет норм на показатели неготовности и на показатели качества по ошибкам

Нормы, по рекомендации МСЭ-Т G. 821, состоят из двух основных компонент: показатели неготовности и показатели качества по ошибкам.

Показатели неготовности

Неготовность аппаратуры - такое состояние участка ЦРРЛ, при котором в течение десяти секундных интервалов, следующих подряд, имеет место хотя бы одно из событий:

пропадание сигнала (потеря синхронизации);

коэффициент ошибок

где N - число переданных символов, Nош - число ошибочно принятых символов.

Причины, приводящие к неготовности аппаратуры:

экранирующее влияние препятствия при субрефракции;

влияние гидрометеоров (учитывается при частотах выше 6 ГГц);

влияние промышленных атмосферных метеоров (экологические факторы).

ненадежность аппаратуры;

ошибки обслуживающего персонала.

Качество линии	ПНГ, %
Линии связи локального качества	0.01-1

Показатели качества по ошибкам (ПКО)

Показатели качества по ошибкам системы связи относятся к тем промежуткам времени, в течение которых система находится в состоянии готовности.

Различаются следующие параметры:

сильно пораженные секунды (СПС);

минуты пониженного качества (МПК);

секунды с ошибками (СО);

остаточный koш (ОКО).

Сильно пораженные секунды представляют собой процент времени превышения величины koш = 10^-3 за 1 секунду. Минуты пониженного качества - процент времени превышения koш = 10^-6 за 1 минуту. Секунды с ошибками - процент времени превышения koш = 10^-6 за 1 секунд. В некоторых источниках имеется определение параметра секунды с ошибками как процентное отношение числа бракованных секунд, в течение которых имеется одна или больше ошибок к общему времени работы системы.

Величины всех этих параметров зависят от интерференционных замираний сигнала на интервале ЦРРЛ, которые складываются из гладких и частотно-селективных. К гладким замираниям необходимо относить такие замирания, которые не искажают частотную характеристику системы связи.

Показатели качества по ошибкам.

Линии связи локального качества

СПС  0.015% МПК  1.5%

Исходя из параметров аппаратуры МИК РЛ18, рассчитаем какие потери она может перекрыть. Данный показатель характеризуется величиной коэффициента системы:

М=Р_пд - Р_{пр пор}=25,5 - (-81)=106,5, дБ

Рассмотрим затухания, которые могут быть в системе:

При разнесенной конструкции приемопередатчиков и антенн, потери Lрф составляют 4 - 5 дБ.

Возьмем Lрф=4,5, дБ.доп - дополнительные потери, складывающие из потерь в антенных обтекателях Lао и потерь от перепада высот приемной и передающей антенн обычно выбирают 1-2, дБ.

Возьмем Lдоп=2, дБ.

Необходимо также учесть потери в газах:

для частоты 20ГГц.

,  дБ

дБ

Теперь рассчитаем сумму всех усилений и затуханий, которые претерпевает наш сигнал:

_п=L₀₁+L_рф-G_пд-G_пр+L_атм+L_доп= 143,576+4,5-42,6-42,6+3,348+2=68,22, дБ

Тогда:

М_з=М - К_п=106,5-68,22=38,38, дБ, где М_з запас на гладкие замирания.

Величина запаса на замирания удовлетворяет условию 37 - 43 дБ, значит при полученных значениях, можно организовать устойчивую. Поэтому менять коэффициенты усиления антенн, мощности передатчиков, диапазон рабочих частот, тип аппаратуры и пр. не требуется.

Расчет показателей неготовности

При расчете показателей неготовности в курсовом проекте учитывается только влияние гидрометеоров. К гидрометеорам относятся дожди, снег, град, туман и пр.

Погонное затухание в дождевых образованиях определяется по формуле:

Влияние гидрометеоров заметно уже при частотах больше 8 ГГц, а в неблагоприятных экологических условиях (при наличии в атмосферных осадках металлизированной пыли, смога, кислот или щелочей) и на значительно более низких частотах.

Погонное затухание в дождевых образованиях определяется по формуле:

gд = b J ^aдБ/км,

J- интенсивность дождя;

Учитывая географическое расположение линии, то

для частоты f=20 ГГц, β_г= 0.058 и α_г=1,121. Это коэффициенты для горизонтальной поляризации.

дБ/км

Для вертикальной поляризации β= 0.053 и α= 1.088

дБ/км

Эффективная протяженность дождевого образования:

, км

Где R₀ - длина пролета, в нашем случае R₀ = 18 км._0.01 - интенсивность дождя, который идет в данной местности в течение 0.01% времени (60 мм\час)

 =8.281, км

Ослабление сигнала в дБ, к которому приводит дождь данной интенсивности:

А _0,01=γ_д∙ R_эфф.

Для расчета γ_д выбираем наименьшее.

, дБ

Процент времени Т_Дi, в течение которого уровень сигнала на входе приемника на пролете линии связи станет меньше порогового значения для коэффициента ошибок 10^-3 (что соответствует составляющей показателя неготовности линии связи) определяется выражением:

, %

Полученное значение должно удовлетворять условию

Tд £ ПНГi / 3, =0.033/3=0.011

Следовательно наша система будет работать устойчиво т. к. 0.0005<0.011 (ПНГ).

Расчет показателей качества по ошибкам

Показатели качества по ошибкам (ПКО) связаны с быстрыми замираниями на интервалах линии радиосвязи. Основная причина быстрых замираний (проходящих за доли секунд) - интерференция прямых и отраженных радиоволн, поступающих на вход приемников. Вероятность появления гладких интерференционных замираний определяется в соответствии с рекомендациями МСЭ-Т 338-4.

Р_инт = К_кл*Q* f ^ВR₀^dС%

где К_кл=4.1*10^-4 - климатический коэффициент; В разных климатических зонах наблюдаются весьма большие различия при выборе величин, входящих в формулу, приведенную выше, в нашем случае:

№	Район	Ккл	d
1	Сухопутные районы России	4.1 10-4	1.5	2

Q=1.5 - фактор земной поверхности при слабопересеченной местности;

В, С, d - коэффициенты, которые равны В=1.5, С=1, d=2.

Р_инт=4.1*10^-4*1.5*20^1.5*20²=14.669%

Зная Р_инт можно рассчитать процент времени появления сильно пораженных секунд СПС:

СПС= Р_инт *10^{-0.1Lз.зам}

СПС_расч= 14.149*10^-0.1*34=0.0021, %

В соответствии с рекомендациями МСЭ-Т 338-4 для линий связи среднего качества 1-го класса СПС равно:

СПС≤0.006, %

Сравним нашу расчетную величину СПС_расч с допустимой величиной СПС:

СПС_расч= 0.0021, % < СПС=0.006, %

Т.к. расчетная величина значительно меньше нормы можно сделать вывод о том, что система будет стабильно работать с заданным для нее показателем неготовности, а это уже свидетельствует о правильности выбора аппаратуры и расчета параметров.

Окончательный выбор типа аппаратуры и характеристик афт. построение диаграммы уровней на пролете

В процессе расчета уточняются параметры антенн.

Рис. 7. Диаграмма уровней схематично

Рис. 8. Совмещение профилей

Выбранный ранее тип аппаратуры соответствует всем рассчитанным показателям, поэтому оставляем его.

Краткое описание аппаратуры:реднескоростные цифровые радиорелейные станции МИК-РЛ18МИК-РЛ18 предназначены для организации внутризоновых, местных и технологических линий связи в диапазонах частот 18 ГГц со скоростью передачи основного потока до 34 Мбит/с. Возможна реализация конфигураций 1+0, 1+1 и 2+0. В конфигурациях 1+1 и 2+0 передатчики работают на одну антенну. В конфигурации 1+1 возможна организация <горячего> (на двух парах частот) и <тёплого> (на одной паре частот) резервирования. По функциональным возможностям системы контроля и управления аппаратура радиорелейных станций разделена на две группы (1 и 2 уровень системы). Уровень системы определяется применяемыми модулями доступа. ЦРРС первого уровня применяются при построении многоинтервальных радиорелейных линий произвольной топологии, с развитой системой дистанционного контроля и управления аппаратурой РРС и внешними устройствами. Цифровые радиорелейные станции второго уровня применяются при построении местных (преимущественно одноинтервальных) РРЛ с локальной системой контроля и управления аппаратурой.

Антенные устройства

АУ позволяют осуществлять прием и передачу СВЧ радиосигнала одновременно в двух ортогональных линейных поляризациях. АУ представляет собой двухзеркальную антенную систему со смещенной фокальной плоскостью (типа АДЭ). АУ состоит из корзины крепления с параболическим зеркалом и облучателем, поляризационного диплексора с коаксиальными кабелями, опорно-юстировочного устройства и защитного радома. Простой и надежный механизм позволяет с помощью талрепов производить юстировку антенного устройства по азимуту и углу места. На тыльной стороне антенны расположены установочные места для крепления двух приёмопередающих устройств. Соединение приёмопередатчиков с антенной выполнено полужёстким коаксиальным кабелем, не имеет волноводных элементов и позволяет производить установку и оперативную замену без применения специального инструмента.

Аппаратура поставляется с антеннами диаметром 0,6 или 1,0 м. Крепление антенн 1,0 м производится на трубу диаметром 100:150 мм, антенн 0,6 м - на трубу диаметром 80 ~ 130 мм. При необходимости возможно применение антенн больших диаметров других производителей, например антенн фирмы Andrew, RFS и другие. При типовой конфигурации аппаратуры 1+1 или 2+0 основной и резервный стволы всегда работают в разных поляризациях.

Приемо-передающие устройства станций МИК - РЛ18

ППУ 1-го и 2-го уровней выполняют функции усиления, преобразования, модуляции и демодуляции СВЧ сигнала, а также регенерации и скремблирования цифрового потока. Контролер системы телеметрии и управления обеспечивает диагностику элементов ППУ, контроль основных параметров, управление шлейфами по высокой частоте и цифровому потоку, установку частот приема и передачи. Вид модуляции - QPSK с помехоустойчивым кодированием Витерби / Рида-Соломона.

ППУ устанавливаются на корзину антенного устройства (поставляются в сборе). Высокочастотным интерфейсом ППУ является коаксиальный разъем. Входящим и исходящим информационным сигналом для ППУ со стороны IDU является цифровой поток в коде HDB3.

Соединение ППУ с модулем доступа выполняется одним кабелем КСПП 1х4х1.2 (0.9), представляющим две витые пары с волновым сопротивлением 120 Ом. Кроме основных цифровых потоков по кабелю подается питание ППУ и сигналы телеметрии. Длина кабеля составляет 1000; 800 и 250 метров при скоростях информационных потоков 2, 8 и 34 Мбит/с соответственно (при использовании кабеля КСПП 1х4х1.2). ППУ выполнено в виде герметичного цилиндра, в объёме которого размещены все функциональные элементы.

ППУ 1-го и 2-го уровней выполняются в различных модификациях по частотному диапазону, скорости передачи сигнала, выходной мощности передатчика. Все передатчики имеют синтезаторы частот. Возможность перестройки частоты в пределах поддиапазона определяется настройкой СВЧ фильтров. В стандартном исполнении фильтры настраиваются на частоту, указанную заказчиком. Литерные (диапазонные) фильтры применяются в передатчиках, предназначенных для ЗИПа. Необходимость изготовления всех ППУ с возможностью перестройки частот указывается при заказе оборудования. Приёмопередатчики аппаратуры 1 и 2 уровня не взаимозаменяемы, поэтому изменение уровня системы требует полной замены ППУ и модулей доступа.

Заключение

В данном курсовом проекте была разработана цифровая линия связи между пунктами А, Б и В, состоящая из двух пролетов протяженностью 17 и 18 км. Для проектирования выбран наиболее перспективный диапазон частот 18 ГГц и минимальный диаметр параболических антенн 0,6 м. Для линии связи выбрана аппаратура МИК-РЛ18 (Микран, Россия) со следующими характеристиками:

Диапазон частот f = 18 ГГц;

Рпд = 25,5 дБм;

Скорость передачи 34 Мбит/с;

Рпор (10-3)= - 81 дБм.

радиорелейный трасса рефракция связь

Список литературы

1.   Гомзин В.Н., Лобач В.С., Морозов В.А. Расчет параметров цифровых РРЛ, работающих в диапазонах частот выше 10 ГГц / СПбГУТ, 1998.

2.      Немировский А.С., Данилович О.С. и др. Радиорелейные и спутниковые системы передачи. - М.: Радио и связь, 1986.

3. В.С. Лобач «Цифровые микроволновые системы связи».