книги / Основы построения телекоммуникационных систем и сетей

Рассмотрим поведение просвета на трассе распространения сигнала между антеннами, высоты которых значительно отлича­ ются. Такая ситуация характерна для радиолиний “СамолетЗемля”, спутниковой связи и сухопутной мобильной связи вне го­ рода, когда высота антенны базовой станции много больше высо­

мальная величина просвета трассы распространения сигнала должна быть равна радиусу первой зоны Френеля F\. Точка мини­ мального просвета лежит на прямой, перпендикулярной к трассе распространения сигнала и проходящей через центр Земли. Эта точка разделяет отрезки дальностей гх и г2 на рис. 4.14.

Определим угол места а антенны с меньшей высотой как угол между прямой, соединяющей две рассматриваемые антенны и прямой, проходящей через антенну с меньшей высотой, парал­ лельной касательной к поверхности Земли в точке расположения основания мачты этой антенны. Найдем угол а , при котором вели­ чина просвета равна радиусу первой зоны Френеля.

Для касательной к поверхности Земли в точке основания мачты антенны величина просвета на расстоянии г2от антенны равна высоте антенны Л2. Для прямой, проходящей через антенну под нулевым уг­ лом места, величина просвета на расстоянии г2 от антенны равна 2h2. Тогда должно выполняться равенство: F i= 2/b + A, где величина А определяется задаваемым углом места а = Д/г2. Тогда можем записать

Радиус первой зоны Френеля равен F x=у]Хгхг21г и для п » г 2,

300 Мгц). Тогда получим а = 0,35°, что говорит о том, что практи­ чески для всех рабочих углов места наземной антенны при авиа­ ционной радиосвязи эллипс первой зоны Френеля не искажается. Это подтверждается экспериментальными данными по измерени­ ям напряженности поля при авиационной радиосвязи [20], которые показывают, что медианное значение напряженности поля прини­ маемого от самолета сигнала равно напряженности поля при рас­ пространении сигнала в свободном пространстве.

Для случая спутниковой связи, при которой должны использовать­ ся углы места наземных станций а >5° условия отсутствия искажения эллипсоида первой зоны Френеля выполняются с большим'запасом.

4 .2 .3 . Рефракция радиоволн

При прохождении радиоволной атмосферы ее траектория ис­ кривляется или, как говорят, испытывает рефракцию. Величина искривления траектории радиоволны зависит от характеристик атмосферы и меняется во времени вследствие изменчивости атмо­ сферы.

Плотность атмосферы Земли, диэлектрическая проницаемость атмосферы и ряд других ее параметров описываются экспоненци­ альной моделью атмосферы, которая вблизи поверхности Земли хорошо описывается линейной зависимостью с вертикальным гра­ диентом диэлектрической проницаемости g, который не меняется с высотой. Наличие градиента диэлектрической проницаемости и приводит к искривлению траектории радиолуча, которая представ­ ляет собой окружность с радиусом р = -2 /g.

Градиент диэлектрической проницаемости g является случай­ ной функцией времени и местоположения точки наблюдения. М е­ дианное значение g, усредненное по времени и пространству, ха­ рактеризует градиент диэлектрической проницаемости нормаль­ ной (стандартной) атмосферы для данной местности. Для евро­ пейской части России g = - 8-1СГ8 1/м, р = 25000 км.

Для радиорелейной связи вводят понятие эквивалентного ра­ диуса Земли R3, при котором траектория распространения радио­ сигнала является прямой линией, а действительный радиус Земли меняется на R3 так, чтобы сохранялась неизменной разность кри­ визны траектории радиоволны и поверхности Земли. Это условие

критическую рефракцию, когда радиолуч имеет кривизну, равную кривизне земного шара, и распространяется вдоль поверхности Земли на одной и той же высоте.

При учете рефракции дальность прямой видимости между пе­ редающей и приемной антеннами равна

г = V ^ / V S /AT) =pKMjht+yfe).

Для нормальной рефракции при К3= 4/3 имеем

г = 4,12 (-у/ ^ + л/аГ) км,

где высоты антенн At и Л2 выражены в метрах.

где отношение H (gnop)/F\ берется из рис. 4.21, исходя из допусти­ мых дифракционных потерь.

Градиент диэлектрической проницаемости имеет распределе­ ние вероятностей, близкое к гауссовскому, со средним значением для наихудшего месяца = —10-10-8 1/м для европейской части России. Для других регионов мира имеются также подробные кар­ ты значений g 0. Кроме того, известны для каждой местности сред­ неквадратические значения ag диэлектрической проницаемости в точке (для европейской части России ag = 6 -КГ8 1/м). При распро­ странении радиосигнала по трассе значения ag должны усреднять­ ся по трассе и необходимо знать среднее значение og по трассе. Согласно рекомендациям МСЭ [17], среднее значение ag по трассе в соответствии с экспериментальными данными описывается вы­ ражением

где г - длина пролета РРЛ в км, и для Европы г0 = 13,5 км. Надежность связи или интегральная вероятность того, что

значения градиента диэлектрической проницаемости атмосферы будут меньше g „ор, равна

Дифракционные замирания сигнала являются медленными и определяют долговременные прерывания сигнала. Требуемая на­ дежность связи для одного пролета РРЛ лежит в пределах от 99,99 (магистральные РРЛ) до 99,9% . Окончательно получим:

На основании полученных значений gnop и величин г и F, вы­ числяется необходимая величина просвета Н0 в отсутствие реф­ ракции и высоты поднятия антенн.

Для регионов, где отсутствуют достоверные статистические данные поведения градиента диэлектрической проницаемости ат­ мосферы, М СЭ на основании экспериментальных данных по экс­ плуатации РРЛ в разных странах предлагает два метода определе­ ния длины пролета и просвета на трассе.

1. Принимается К->= 4/3 и просвет H0=F\. При этом длин

пролета г = 4,12(л/Л1- F] +*Jh2 - /*]), км.

кустарники, лес создают диффузное отражение волн, существенно ослабляя отраженный сигнал, приходящий в приемную антенну. Для сухопутных трасс отношение мощности прямого луча к мощ­ ности сигнала, отраженного от Земли, имеет типовое значение по­ рядка 6-10 дБ. Отраженный от Земли луч меняет фазу на 180° при отражении и может вычитаться из прямого луча. При изменении градиента диэлектрической проницаемости атмосферы разность фаз прямого и отраженного от Земли лучей будет меняться, при­ водя к медленным флюктуациям амплитуды принимаемого сигна­ ла. Отраженный от Земли сигнал вносит дополнительную нена­ дежность канала связи, приводя к увеличению процента времени долговременных прерываний сигнала, которые возникают при уменьшении просвета на трассе при рефракционных замираниях сигнала.

Отражения радиосигнала от тропосферных слоев атмосферы вызывают глубокие и быстрые замирания сигнала за счет переме­ щения тропосферных слоев, приводя к кратковременным преры­ ваниям сигнала, допустимый процент которых существенно меньше, чем долговременных прерываний. Обычно выполнение требований к кратковременным прерываниям сигнала автоматиче­ ски приводит к выполнению требований и к долговременным пре­ рываниям сигнала.

Отраженные лучи имеют запаздывание до 6 нс по отношению к прямому лучу, вызывая расширение принимаемых импульсов сиг­ нала, что может ограничить скорость передачи информации по РРЛ.

Совокупность отраженных от тропосферных слоев лучей при­ ближается по своим свойствам к гауссовскому случайному сигна­ лу, плотность распределения огибающей которого описывается релеевской плотностью вероятностей. Огибающая суммы прямого и отраженного лучей описывается обобщенным релеевским зако­ ном для плотности вероятности. Интегральная вероятность того, что огибающая прямого и отраженных лучей будет превышать не­ которую пороговую величину л'п дается выражением

где Uc - амплитуда прямого луча; а 2 - мощность отраженных лу­ чей; / 0 - функция Бесселя нулевого порядка от чисто мнимого ар­ гумента.

Экспериментально найдено, что излучаемая передающей ан­ тенной мощность разделяется на прямой луч и множество лучей, приходящих в приемную антенну за счет отражений и рефракции в вышележащих слоях тропосферы, т.е. сумма мощностей прямого и отраженных лучей равна некоторой константе:

t/c/2 + a 2 = const.

Принято использовать следующие соотношения: U\ + 2 a 2 =1,

Uc= cos (p, yfl a = sin ф. Величина sin2ф есть доля мощности отра­ женных лучей в общем многолучевом сигнале. Отношение мощ­

интеграле в соответствии с принятыми обозначениями, получаем

Р{х > хп) = Р{у > хп/sin ф) = 2е” ctg2ф j у е->’2/ 0(2у ctg ф) dy.

A Tn/sinq)

Интеграл не вычисляется в элементарных функциях, поэтому для него существуют подробные графики [17].

Согласно экспериментальным данным [17], принимается соз2ф = е"г/Л, где г - расстояние в км между двумя радиорелейны­ ми станциями; А = 265 км для европейских трасс на частоте 4 ГГц. Для других частотных диапазонов значение г заменяется на гъ= К Л гц/4)-0'25, что определяет частотную зависимость отноше­ ния мощности прямого луча к мощности отраженных лучей:

4 ГГц. По оси ординат отложено отношение в дБ амплитуды при­ нимаемого многолучевого сигнала хп к амплитуде сигнала в сво­ бодном пространстве (в отсутствие отраженных сигналов) или от­ ношение в дБ величины x n/sin ср к единице, а по оси абсцисс отло­ жена вероятность 7>(х>^сп) или процент времени, для которого уровень принимаемого сигнала превышает величину х п.

Величину, откладываемую по оси абсцисс, следует рассмат­ ривать как требуемую надежность связи для быстро замирающего принимаемого сигнала. Соответствующая этой надежности связи величина на оси ординат в дБ с противоположным знаком опреде­ ляет энергетический запас в радиолинии на замирания сигнала, который необходимо обеспечить для достижения этой надежности связи.

Кривые на рис. 4.26 позволяют оценить эффективность разне­ сенного приема для замирающего сигнала. Пусть для одиночного приема процент времени появления кратковременных прерываний есть р и требуемая надежность связи 1 - р - 0,9999. Для трассы длиной 50 км необходимо иметь запас на замирания сигнала по энергетике 27 дБ. Для сдвоенного разнесенного по пространству приема сигналов при независимости замираний сигнала в антеннах

Рис. 4.26. Процент времени, в течение которого значение сигнала

превышает уровень, указанный на оси ординат

вероятность появления кратковременного прерывания сигнала од­ новременно в двух антеннах (приемниках) есть р 2, что при надеж­ ности связи 1 - р 2 = 0,9999 дает требуемую надежность связи для одной ветви разнесенного приема 1 - р = 0,99. Для обеспечения этой надежности связи требуется запас по энергетике на замира­ ние сигнала, согласно рис. 4.26 равный 11 дБ. Таким образом, мы получили, что двукратно разнесенный прием сигналов обеспечи­ вает выигрыш по энергетике радиолинии порядка 16 дБ.

4.2.5. Ослабление радиосигнала в дожде

Поглощение радиосигнала в дожде намного превышает по­ глощение в других осадках: снеге, тумане и др. Поэтому на часто­ тах выше 10 ГГц длина трассы ограничивается поглощением ра­ диосигнала в дожде.