Расчет профиля радиорелейной линии

Расчет профиля радиорелейной линии

ВВЕДЕНИЕ

Радиорелейная система передачи (РСП) - совокупность технических средств, обеспечивающих образование типовых каналов связи, а также линий тракта, обеспечивающих передачу сигнала посредством распространения радиоволн.

В последнее время наиболее широкое распространение получили РРЛ цифрового типа. Это вызвано рядом их преимуществ:

·    Более высокая помехоустойчивость в отношении теплового шума;

·        Отсутствие накопления шумов вдоль линии;

·        Минимальная подверженность влиянию мешающих сигналов;

·        Высокое качество технического обслуживания;

·        Полная совместимость с существующими видами связи;

·        Возможность передачи любых видов сигналов с высокой пропускной способностью.

В данном учебном курсовом проекте производится расчёт ЦРРЛ, включающий определение высот подвеса антенн для заданного участка линии (пролёта) и заданного радиорелейного оборудования, выбор оптимальной совокупности пар высот антенн на всей линии и расчёт параметров и показателей качества линии.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Данные высотных отметок рельефа местности        Таблица 1

Данные подстилающей поверхности Таблица 2

Данные местных предметов Таблица 3

Данные погрешностей топографической информации Таблица 4

Характеристики аппаратуры РР станции Таблица 5

Значения эффективного вертикального градиента диэлектрической проницаемости воздуха Таблица 6

1. Выбор высот антенн (высот антенных опор)

.1 Выбор допустимых пар высот антенн для отдельного пролета

.1.1 Критерии допустимости пар высот антенн

Для того, чтобы обеспечить достаточно малое влияние рефракции волн на устойчивость связи, пары высот антенн на пролёте должны удовлетворять некоторым критериям, называемым критериями допустимости.

Большинство существующих критериев допустимости пар высот антенн на пролёте основываются на нахождении минимального просвета в условиях средней рефракции и субрефракции, и сравнении полученной величины с радиусом минимальной зоны Френеля.

В частности, в данной работе будут проверяться следующие условия:

Подход 1:

1)  ,

где  - относительный просвет для худшего сезона в условиях средней рефракции

где  - абсолютный просвет на пролёте при данном значении градиента диэлектрической проницаемости ,

 - радиус первой зоны Френеля.

Радиус первой зоны Френеля определяется формулой

где r, км - текущее расстояние,

R, км - длина трассы (пролёта),

f, ГГц- частота.

)

 - относительный просвет для худшего сезона в условиях субрефракции,

 - показатель, зависящий от типа препятствия и климатических условий.

=0,3 - для протяжённого узкого препятствия в умеренном климате.

Подход 2:

) Р0(20%) ≥ 1, для худшего сезона условиях нормальной рефракции.

,

(20%) - градиент, который превышается на двадцати процентах времени:

,

.

) LD(g0) ≤ LDmax, для худшего сезона в условиях субрефракции.

LD(g0) - дифракционные потери;

 - градиент диэлектрической проницаемости в условиях субрефракции:

,

,

σg(R) = ,

),

где кн = 0,3 - норма на неготовность,

Lэт = 2500 км,

α = 0,05.

Для полуоткрытого интервала

, дБ,

,

,

 - уровень мощности на выходе усилителя передачи;

 - усиление передающей антенны;

 - основные потери передачи в свободном пространстве;

 - потери в антенных разветвителях;

 - потери мощности в фидерном тракте;

 - дополнительные потери, обусловленные действием мешающих сигналов и другими факторами, принимаем равными 1 дБ;

 - потери в газах.

1.1.2 Построение профиля интервала РРЛ при средней рефракции

Рельеф местности при расчёте и проектировании РРЛ учитывается с помощью профилей интервалов линии.

Профиль трассы отображает вертикальный разрез местности со всеми высотными отметками, включая строения, лес и т.д. На профиле трассы необходимо указывать водные поверхности: реки, болота, водохранилища.

Для удобства при построении профилей используется параболический масштаб. Профили строят в прямоугольных координатах, откладывая расстояния не по дуге окружности как в действительности, а по оси абсцисс, а высоты - не по радиусам, а по оси ординат. В этом случае линия, изображающая на профиле уровень моря или другой условный нулевой уровень, от которого отсчитываются все высоты, имеет вид параболы:

где  - относительная координата заданной точки,

 - длина трассы (пролёта),

 - эквивалентный радиус земной поверхности:

где  - радиус Земли (),

 - среднее значение градиента диэлектрической проницаемости для худшего сезона (худшим считается тот сезон, среднее значение градиента диэлектрической проницаемости которого больше).

В условиях средней рефракции .

Тогда эквивалентный радиус Земли равен

Строим линию нулевого уровня, а затем по высотным отметкам строим рельеф местности:

где  - отметки высот рельефа, указанные в таблице 1;

 - значения нулевого уровня;

 - топографическая ошибка, указанная в таблице 4.

Поверх линии рельефа наносятся местные предметы, данные высот которых представлены в таблице 3.

Затем ко всем точкам профиля добавляем радиус первой зоны Френеля . Это необходимо для того, чтобы легко подобрать пары высот антенн, которые удовлетворяли бы первому критерию:

Условие выполняется автоматически, если линия прямой видимости антенн не пересекается с профилем, поднятым на величину радиуса первой зоны Френеля.

1.1.2 Выбор высот антенн

Основываясь на указанном выше критерии выбираем 4 пары высот антенн, линии прямой видимости которых не пересекают профиль, поднятый на величину первой зоны Френеля.

.1.3 Построение профиля интервала РРЛ при субрефракции и проверка допустимости выбранных высот антенн в условиях субрефракции

Профиль строится для значения эффективного вертикального градиента диэлектрической проницаемости

= ,

где К(99,9%) - коэффициент рефракции, которая превышается в 0,1% времени, значение которого находится из графика:

радиоволна высота антенна алгоритм

По графику определяем, что для R = 35,7 км К(99,9%) = 0,72.

=  = 12,2 (1/м).

Для полученного градиента находим новый нулевой уровень и строим рельеф местности в условиях субрефракции:

= 27,5,м

Теперь для проверки допустимости выбранных пар высот антенн необходимо найти просвет  в самой высокой точке профиля.

Радиус первой зоны Френеля в этой точке равен F1 = 3,9 м.

Относительный просвет равен

Чтобы пара высот была допустима при субрефракции необходимо выполнения условия  = 0,3.

Результаты проверки выбранных пар высот антенн по допустимости в условиях субрефракции:

Как видим из таблицы, все пары высот удовлетворяют условию:

=0,3

Таким образом, для выбранных пар высот антенн оба критерия выполняются.

.1.4 Проверка выбранных пар высот антенн по критериям подхода 2.

Строим два профиля: для ,

для .м. таблицы 9,10.

Условие Р0(20%) ≥ 1 выполняется.

Проверяем выбранные пары высот антенн. Получили полуоткрытый интервал, для которого выполняем вычисления LDmax(g0) и LD(g0). Получили: LD(g0)=0,25дБ, LDmax(g0)=31дБ, т.е. выполняется условие LD(g0) ≤ LDmax, 0,25дБ ≤31дБ.

Откуда имеем 4 пары высот антенн, которые удовлетворяют всем 4 критериям:

1.2. Выбор оптимальной совокупности пар высот

.2.1 Алгоритм и схема метода

Необходимо из множеств допустимых пар высот антенн на отдельных пролётах выбрать такую упорядоченную последовательность этих пар для всей линии (по одной на каждом пролёте), для которой суммарные затраты на сооружение всех антенных опор минимальны. Ниже представленный рисунок иллюстрирует задачу выбора оптимальной последовательности пар высот антенн (пунктиром обозначены допустимые пары высот антенн на отдельных пролётах, сплошными линиями - допустимые пары высот, входящие в оптимальную последовательность пар).

Математическая модель:

Обозначим  - затраты, относящиеся к  опоре, которые зависят от используемых пар высот антенн на  и  пролётах  и . На крайних опорах расположено по одной антенне, поэтому затраты на эти опоры зависят лишь от одной пары высот антенн. Тогда  и  - соответственно затраты, относящиеся к опорам  и . Обозначим также  - множество всех допустимых упорядоченных последовательностей пар высот антенн, состоящих из допустимых пар высот антенн на отдельных пролётах.

С учётом этого математическую модель задачи оптимизации высот антенн можно записать в виде: найти такую допустимую упорядоченную последовательность пар высот антенн , для которой суммарные затраты на все опоры:

при условии

1.2.1 Метод динамического программирования

Для оптимизации используем метод динамического программирования. Данный метод позволяет получить значительный выигрыш в количестве операций по сравнению с обычным перебором, так как на каждом последующем шаге отбрасываются все худшие варианты, то есть те, для которых суммарная стоимость всех опор за исключением последней не минимальна.

Процесс оптимизации имеет многошаговый характер и подразумевает поочерёдное рассмотрение участков РРЛ, содержащих различное, всё возрастающее число интервалов.

При этом на очередном шаге процесса оптимизации для каждой допустимой пары высот антенн на последнем интервале определяется оптимальная пара высот на предпоследнем интервале. В качестве условно оптимальной пары на предпоследнем интервале выбирается такая пара высот, для которой достигаются наименьшие суммарные затраты на все опоры, входящие в рассматриваемый участок, за исключением последней, при фиксированной паре высот на последнем интервале рассматриваемого участка. На последнем шаге осуществляется безусловная оптимизация всего участка. Линия содержит восемь интервалов, на каждом из которых заданы четыре допустимых пары высот.

Зависимость затрат на возведение антенной опоры от её высоты:

Т.о. можно составить таблицу стоимостей опор для четырех выбранных пар высот:

Шаг 1

Рассмотрим участок РРЛ, содержащий 7-ой и 8-ой интервалы.

Фиксируем на 7-ом интервале первую пару высот антенн. Поочерёдно рассчитываем затраты на сооружение антенных опор №№ 8 и 9 для каждой пары высот на 8-ом интервале:

= 25+14+27,8=66,8 т.у.е.

= 25+16,7+25=66,7 т.у.е.

= 25+18,5+23,6=67,1 т.у.е.

= 25+21+22,2=68,2 т.у.е.

Поскольку меньшие затраты при сооружении опор достигаются для 2-й пары высот на 8-ом интервале, то данная пара высот антенн будет условно-оптимальной, то есть оптимальной при условии выбора 1-ой пары высот на 7-ом интервале. Аналогично находим, что при фиксации 2-ой пары высот на 7-ом интервале условно-оптимальной на 8-ом интервале будет также 2-я пара, при фиксации 3-ей пары - 2-я пара, при фиксации 4-ой пары - 2-я пара.

Т.е.

66,7 т.у.е.

65,7 т.у.е.

63,7 т.у.е.

61,5 т.у.е.

Шаг 2

На втором шаге оптимизации для каждой фиксированной пары высот на 6-ом интервале находится условно-оптимальная пара высот на 7-ом интервале, которая, в свою очередь, определит условно-оптимальную последовательность пар высот на участке РРЛ, включающем 7-ой и 8-ой интервалы. Условно оптимальной является 1-ая пара высот антенн для всех пар на 7-ом интервале.

73,2 т.у.е.

70,4 т.у.е.

68,5 т.у.е.

67 т.у.е.

Шаг 3 На третьем шаге оптимизации для каждой фиксированной пары высот на 5-ом интервале находится условно-оптимальная пара высот на 6-ом интервале, которая, в свою очередь, определит условно-оптимальную последовательность пар высот на участке РРЛ, включающем 6-ой, 7-ой и 8-ой интервалы.

60,4 т.у.е.

62,8 т.у.е.

68 т.у.е.

71,4 т.у.е. и т.д.

Аналогичные операции проводятся на оставшихся интервалах, в итоге получаем оптимальную совокупность пар высот антенн на восьми интервалах. Данные сведены в таблицу и представлены в виде чертежа.

Стоимость опор на интервалах:

Окончательная стоимость совокупности антенных опор на участке РРЛ равна: С min = 213,9 т.у.е.

2. Расчёт параметров и показателей качества РРЛ

2.1 Расчёт энергетических характеристик

Средний уровень мощности сигнала на приёме рассчитывается по формуле:

, где

 - уровень мощности на выходе усилителя передачи;

 - усиление передающей антенны;

 - основные потери передачи в свободном пространстве;

 - потери в антенных разветвителях;

 - потери мощности в фидерном тракте ();

 - дополнительные потери, обусловленные действием мешающих сигналов и другими факторами, принимаем равными 1 дБ;

 - потери в газах.

Основные потери в свободном пространстве определяются по формуле:

дБ

Из газов, входящих в состав тропосферы, поглощение вызывают кислород и водяной пар. Поглощение обусловлено взаимодействием падающего поля волны и молекул газов, обладающих электрическим и магнитным моментами. Поглощение имеет селективный характер и достигает максимума при совпадении частоты воздействующего поля с собственными частотами колебаний молекул.

Расчет потерь в газах ведется по формуле:

, дБ

по графику зависимости коэффициента поглощения для кислорода и водяных паров (1, с.263) определяем:

дБ/км и дБ/км

дБ

Средний уровень мощности сигнала на входе усилителя приёма:

дБ

Запас на замирание:

М = - PПР,

где PПР - пороговая чувствительность приёмника.

M = - 47,18 - (-73) = 25,82дБ

2.2 Расчёт показателя качества для сильно поражённых секунд

Расчет ведется с учетом плоских и частотно-селективных замираний:

Где P0 - вероятность появления многолучевых замираний;

М - запас на замирания.

Где =1 для сухопутного интервала. (т.к. имеем только сухопутный интервал, то расчет будем вести при =1)

Где = 6,3 нс - параметр, характеризующий сигнальную характеристику аппаратуры (задержка, используемая в имитаторе эхо-сигнала при измерении сигнатурной характеристики);

, ;

, - средняя задержка лучей при 2-х лучевой модели распространения (среднее время запаздывания эхо-сигнала).

По условию используем систему с конфигурацией частотно-разнесённый приём по схеме 1+1 (1 канал рабочий, и 1 канал резервный) и пространственно-разнесенный приём по схеме 1+1.

Физическая сущность метода частотно-разнесённого приёма (ЧРП) основана на селективности интерференционных замираний.

При возникновении замираний на одном из интервалов линии производится переход с рабочего ствола частотой f на резервный ствол, разнесенный по частоте на величину Df.

выигрыш

где q = 1 для ЧРП (1+1)

Согласно рекомендации для рабочего диапазона частот f = 11,2ГГц принимаем разнос частот с одинаковой поляризацией равным Df = 80 МГц.

Поскольку , то рекомендуется принять  ввиду неадекватности формулы.

Тогда показатель качества по ошибкам для сильно поражённых секунд для частотно-разнесённого приёма равен:

Сравним рассчитанный показатель качества с нормой .

Поскольку , , то следует увеличить усиление антенн.

При  получим . То есть следует ещё увеличить усиление антенн.

При получим .

Таким образом, необходимо использовать пространственно-разнесённый приём.

Физическая основа пространственно-разнесённого приёма состоит в том, что при интерференционных замираниях фазовые соотношения между интерферирующими волнами в двух точках, расположенных на разных высотах, различны.

На РРЛ прямой видимости осуществляется пространственное разнесение антенн по высоте, так как оно обеспечивает большую разность фаз между интерферирующими волнами, чем разнесение по длине трассы или по горизонтальному направлению, перпендикулярному трассе.

Где S - расстояние между антеннами, рекомендовано выбрать S160. Принимаем

S ≥160м. Будем использовать S = 5м.

 - различие усиления основной и дополнительной антенн. Поскольку антенны выбраны одинаковыми, то  = 0. Тогда

При

Поскольку , , то следует увеличить усиление антенн.

При  получим

Таким образом, получили, что , , увеличиваем усиление антенн.

При  получаем

Таким образом, получили, что , .

Используем ПРП.

2.3 Расчёт показателя неготовности

Состоянием неготовности называется состояние, в течение которого (по крайней мере в течение 10 с) для одного интервала передачи имеет место одно из условий:

-  качество передачи недопустимо низкое;

-  произошёл срыв связи.

Показатель неготовности оценивается в условиях субрефракции и по дождевому фактору:

т.к. , то  пренебрегаем.

A(0,01%) - потери в дожде, которые превышаются в течении 0,01% времени наблюдения, они рассчитываются по формуле:

Где  - коэффициент неравномерности учитывает сильную локализацию дождей;

 - километрические потери - рассчитываются по формуле:

.

Здесь,  - интенсивность дождя. Для северо-западного региона России =22 мм/ч.

Параметры  и  зависят от рабочей частоты.

Для используемой частоты 11,2ГГц:

 =  

 = 1,24

Тогда

Коэффициент неравномерности рассчитывается по формуле:

А(0,01%) = 0,6470,52623,5 = 8 (дБ/км)

M/A(0,01%) = 4,23

Итоги расчета параметров и показателей качества участка РРЛ:

ЛИТЕРАТУРА

ü Справочник по радио-релейной связи; Каменский Н.Н., Модель А.М., Надененко Б.С. и др.; Под ред. С.В. Бородича. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1981.

ü  Уч. пос. “Оптимизация радиорелейных линий связи прямой видимости”; О.С. Данилович. - ЛЭИС. -Ленинград, 1988.

ü  Конспект лекций по теме “Спутниковые и радиорелейные системы передачи”; проф. О.С. Данилович.