Борисенко Т.М., Мацков А.А., Муха Р.Н. Серов В.В., Цодикова М.И.
МНИРТИ
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЛИНИИ ЗАГОРИЗОНТНОЙ СВЯЗИ С ВЫБОРОМ ОПТИМАЛЬНОЙ ЧАСТОТЫ
1 Система загоризонтной связи с выбором оптимальной частоты.
Работы по созданию средств загоризонтной связи с использованием явления тропосферного рассеивания радиоволн начались в СССР и за рубежом более 50 лет назад. ТРРС позволяли перекрывать интервалы по 100 – 200 км и более, обеспечивая передачу на разных этапах развития от 12-ти каналов ТЧ до скорости 2 Мбит/с.
В настоящее время применение ТРРС в стране практически приостановилось. Этому способствовали особенности техники ТРРС - значительно более сложной, дорогостоящей и энергоёмкой по сравнению с РРС прямой видимости. Дело в том, что при загоризонтном распространении радиоволн затухание на трассе увеличивается на 60-80 дБ (по сравнению с прямой видимостью). Поэтому передатчики ТРРС имеют обычно выходную мощность сотни и даже тысячи ватт, а диаметры антенн достигают 3–5м и более.
Для создания линий прямой видимости требуется применять мачты высотой 30 и более метров, что делает связь на таких линиях также дорогостоящей. Обычно протяжённость интервалов РРС не превышает 30-40 км.
Возникает задача о создании такой аппаратуры связи, которая бы позволяла осуществлять связь, как на интервалах прямой видимости, так и при отсутствии таковой на расстояниях до 150-200 км. При этом аппаратура должна иметь приемлемые габариты и стоимость, не должна потреблять много электроэнергии (менее 1 кВт), не должна требовать установки антенн на высокие мачты. На более коротких расстояниях скорость передачи может быть повышена. Поэтому такая аппаратура должна работать в широком диапазоне скоростей (от 64 кбит/с до 8 Мбит/с).
В основепостроения таких линий лежит два механизма распространения радиоволн:
а) на расстояниях более 70 км режим рассеяния радиоволн на неоднородностях тропосферы;
б) на коротких расстояниях (менее 70 км) режим дифракционного распространения радиоволн, - "огибание" препятствий электромагнитными колебаниями.
Поэтому для станций, предназначенных для работы с использованием обоих механизмов распространения более подходящим является термин – системы загоризонтой связи. В англоязычной литературе применяется термин – системы for beyond line-of-sight (BLOS) communication.
Как показывают расчёты, уменьшение массогабаритных характеристик, потребления и стоимости станций, работающих за пределами прямой видимости, могут быть существенно снижены, если на линии большой протяжённости (более 100 км) работать на низких скоростях передачи (64-256 кбит/с). Кроме того, эти станции должны иметь повышенную помехоустойчивость за счёт применения адаптивных методов передачи и помехоустойчивого кодирования.
Такие станции могут быть выполнены переносимыми или перевозимыми малыми транспортными средствами. Антенны с частью аппаратуры могут устанавливаться на лёгких мачтах.
Работы по созданию такой аппаратуры проводились в МНИРТИ с 2003 г. [1-4]. Была успешно выполнена научно-исследовательская работа, в результате которой была создана аппаратура «Ладья». Описанию принципов построения этой аппаратуры и результатам её испытаний посвящён данный доклад.
2. Выбор метода передачи в системе загоризонтной связи
В ТРРС использовались 4 известных метода разнесения флуктуирующих сигналов: по пространству, по углу прихода, разнесение сигналов по времени и, наконец, по частоте [8, 9].
Для малогабаритных ТРРС более удобны методы разнесения сигналов использующих одну антенну т.е по частоте или по времени, поскольку они упрощают требования к антенной системе станции. Система с разнесением по углу хотя и строится с одной антенной, но габариты этой антенны в диапазоне 4-5 ГГц получаются очень большими (диаметр антенны не менее 5,5 м), так как углы диаграммы направленности не должны превышать 0,8о.
Метод временного разнесения вносит большую задержку передачи информации, так как интервал корреляции процесса замираний сигналов по времени 
обычно превышает величину 40 мс, поэтому окончательно выбор был сделан в пользу разнесения сигналов по частоте.
При классическом методе разнесения по частоте каждый бит информации дублируется N раз на различных частотах, отстоящих друг от друга на величину 
>
, где 
- интервал частотной корреляции (передача с многочастотными сигналами – «МЧС»).
Более привлекательным является метод передачи [1, 2] для ТРРС - с адаптацией по частоте, который является усовершенствованной разновидностью систем с частотным разнесением сигналов.
В такой системе периодически производится зондирование на N независимых (некоррелированных) частотах f1…fN тропосферного канала в рабочей полосе частот. На приёме по зондирующим импульсам определяется оптимальная частота (ОЧ), на которой коэффициент передачи тропосферного канала оказался максимальным. На выбранной частоте передатчик передаёт очередной пакет информации до следующего цикла зондирования.
Передача на оптимальной частоте позволяет получить энергетический выигрыш 3..5 дБ по сравнению с методом МЧС, в зависимости от числа некоррелированных частот N. Такой метод имеет преимущества в станциях загоризонтной связи, которые могут работать как в дифракционной зоне, так и в тропосферной. По многолучевым характеристикам эти зоны существенно отличаются, поскольку при дифракционном распространении имеется только один луч. Это позволяет на таких трассах работать на одной частоте, не занимая избыточную полосу [7].
В канале с независимыми релеевскими замираниями в системе с МЧС вероятность ошибки от среднего отношения сигнал/шум 
для некогерентного приёмника сигналов ОФМ определяется известным соотношением [6].
(1)
а в канале с ОЧ в некогерентном приёмнике сигналов с ОФМ вероятность ошибки равна [6]
(2)
На рис.1 приведены зависимости, построенные по формулам (1) и (2) для разного числа частот N. Из рисунка следует, что система с ОЧ превосходит по помехоустойчивости систему с МЧС. (Для р =10-4 при N =4 выигрыш составляет 2,6 дБ, при N =8 - 3.5 дБ, а при N =16 - 4.5 дБ.)
Всё сказанное выше справедливо и для двукратной системы ОФМ (ОФМ4). Поскольку при этом методе модуляции длительность элементарной посылки в 2 раза длиннее, чем для однократной ОФМ, то этот метод модуляции особенно полезен в канале с многолучевым распространением, каковым является тропосферный.
Исходя из этого, можно сделать вывод, что в качестве метода передачи система с адаптацией сигнала по частоте более предпочтительна.
3. Сигналообразование в системе с выбором оптимальной частоты
Традиционным методом построения радиолиний связи является «частотный дуплекс», когда передатчик и приёмник радиостанции работают
одновременно, но на разных частотах. При этом вход приёмника должен быть защищён от мощных сигналов «своего» передатчика достаточно громоздкими СВЧ фильтрами.
Другим принципом передачи, который в последнее время получает распространение, является «временной дуплекс», когда прием и передача ведётся на одной частоте, но поочерёдно во времени. Этот метод не требует сложных разделительных фильтров и позволяет выполнить аппаратуру более компактной и дешёвой. И самое главное, при временном дуплексе имеется возможность использовать весь отведённый для работы диапазон частот, в то время как в системе с частотным дуплексом требуется большой защитный частотный интервал между стволами передачи и приёма. Временной дуплекс является единственно возможным вариантом для тех ведомств, которым выделена относительно узкая полоса частот, где нет возможности образовать частотный дуплекс.
Но особенно привлекателен метод временного дуплекса в системе с ОЧ, поскольку упрощает процесс адаптации по частоте. Для этого может быть использован принцип взаимности, заключающийся в том, что передатчик и приёмник корреспондентов могут быть поменяны местами без изменения физических свойств сигналов.
Действительно, в обычной системе с частотным дуплексом приёмник по принятому сигналу определяет оптимальную частоту (ОЧ) и должен передать по обратному каналу управления на передатчик корреспондирующей станции команду о перестройке его на данную ОЧ.
При временном дуплексе обратный канал управления не требуется - приёмник станции по очередному принятому пакету зондирующих импульсов определяет ОЧ и на этой же частоте передатчик этой станции посылает свой информационный пакет другой станции, предваряя его преамбулой – для передачи данных о номинале выбранной ОЧ. Затем, после информационной посылки, станция посылает и пакет зондирующих импульсов с тем, чтобы другая станция выбрала ОЧ для ответной посылки.
Отсутствие обратного канала позволяет повысить надёжность связи и уменьшить время устаревания оптимальной частоты, так как при этом сокращается временной интервал от момента выбора оптимальной частоты в приёмнике до момента переключения передатчика на эту частоту.
Диаграмма (рис. 2) иллюстрирует механизм передачи: временная ось разбивается на циклы длительностью Тц, в каждом из которых имеется два временных окна: окно приема и окно передачи. Информация передается пакетами.
Станция А передаёт пакет информации на частоте fi, которая была выбрана ранее как оптимальная. Перед информационным пакетом передаётся преамбула - сигнал для передачи команды Кi на установку приёмника станции Б на частоту fi. Преамбула может иметь различный вид; в данном варианте преамбула состоит из пачки импульсов, аналогичных зондирующим, но которые используются только для надёжной передачи команды на приёмник станции Б.
После окончания информационного пакета, станция А передаёт также пакет зондирующих импульсов, по которым приёмник станции Б определяет ОЧ (fк) для следующего цикла передачи - от станции Б на станцию А.
Далее станция Б формирует аналогичный ансамбль пакетов - информационный на частоте fк и два вспомогательных пакета: преамбулу с информацией о частоте fк в виде команды Кк, а также пакет N зондирующих частот, по которым далее приёмник станции А определяет очередную ОЧ.
Возможно построение аппаратуры, в которой операция передачи номера частоты и зондирования совмещена в преамбуле. В этом случае дополнительных зондирующих импульсов посылать не требуется. Однако в этом случае время устаревания оптимальной частоты увеличивается и это надо учитывать при выборе параметров пакета
Статья полностью - Borisenko-01.doc
