НТВ плюс 

Основные принципы радиорелейной связи. Радиорелейные линии связи

Радиорелейные линии связи являются одной из наиболее масштабных и прогрессивных сетей передачи, приема и обработки данных во всем мире. Сам принцип передачи сообщений основан на распространении радиоволн в атмосфере. Для того, чтобы сигнал смог преодолевать большие расстояния, необходимо использовать специальное оборудование радиорелейной связи - цепочку ретрансляторов, благодаря которым и будет осуществляться распространение радиоволн определенной частоты.

Принцип работы радиорелейной линии связи

Чтобы понять природу распространения радиоволн, необходимо изучить физику, механику и динамику этих явлений, которые непосредственно связаны с атмосферными свойствами и электромагнитным полем. Исходя из множества факторов, и производится расчет радиорелейных линий связи. Если не вдаваться в подробности, то принцип функционирования всей системы выглядит следующим образом:

  • сначала в специальном передающем устройстве происходит генерирование колебаний высокой частоты и выделяется так называемый несущий сигнал;
  • информация, которую необходимо передать (голос, видео, текст), кодируется и преобразовывается в частотные колебания, а затем модулируется вместе с несущим сигналом;
  • посредством специальных антенн подготовленный сигнал транслируется в пространство, попадая на приемные устройства, которые находятся в определенном радиусе от передатчика;
  • в случае недостаточной мощности сигнала, сложности его распространения или большого расстояния между передатчиком и приемником, используются радиорелейные линии связи, оборудование которых позволяет решить возникшие проблемы. Как правило, это сеть наземных ретрансляторов, которые не только принимают сигнал, но и усиливают его, устраняют помехи и передают по цепочке к следующему объекту через узконаправленные антенны;
  • сигнал достигает приемника, где происходит его отделение от несущей частоты и преобразование в изначальный вид с последующим отображением на терминале связи. Это может быть просто голосовое сообщение или полноценная видео трансляция. Эфирное радио и телевизионное вещание как раз и построено на этом принципе передачи сигнала.

Типы линии связи

Радиорелейные и спутниковые линии связи - это комплекс оборудования, которое сочетает наземные и орбитальные ретрансляторы, которые дают возможность транслировать сигнал практически в любую точку на поверхности планеты.

Существует два типа основных способа передачи радиосигнала:

  • передача по прямой видимости;
  • радиорелейная тропосферная связь.

В первом случае передача сигнала происходит по стандартному алгоритму - от источника (передатчика) через систему наземных ретрансляционных сетей непосредственно к приемнику. Одна из особенностей заключается в том, что ретрансляторы располагаются фактически в зоне непосредственной видимости, на естественных возвышенностях (горы, холмы). В случае отсутствия прямого прохождения сигнала между антеннами возникают помехи и искажения благодаря дифракционным замираниям, что может привести к существенному ослаблению сигнала и обрыву связи. Использование этого типа коммуникаций ограничено в местах с отсутствием необходимой инфраструктуры и нецелесообразны в малонаселенных районах нашей страны преимущественно в северной ее части.

Решением указанных выше проблем стала новая технология - тропосферная радиорелейная линия связи. Принцип распространения сигнала остался прежним, изменился его способ, который в своей основе содержит физические процессы отражения радиоволн различных диапазонов от нижних слоев атмосферы. Многочисленные испытания показали, что наибольший эффект дает применение волн диапазона УКВ. Благодаря правильным расчетам, трансляцию радиосигнала удалось произвести на 300 км.

Преимущества радиорелейной линия связи

Преимущества новой технологии очевидны:
  • нет необходимости строить ретрансляторы в зоне прямой видимости;
  • существенное увеличение радиуса дальности прохождения сигнала;
  • возможность обеспечения максимальной дальности передачи информации на расстояние до 450 километров благодаря расположению ретрансляторных антенн на холмах и других возвышенностях.

Одна из основных проблем, с которыми столкнулись ученые, заключается в сильном эффекте затухания колебаний при трансляции радиоволн. Вопрос был решен благодаря использованию активного ретрансляторного оборудования, которое позволяет не только принимать и передавать радиоволну, но и стабилизировать уровень сигнала, усиливать его и отфильтровывать помехи. Современная радиорелейная военная связь функционирует на основе технологии распространения сигнала в тропосфере, которая дополнена другими инновационными решениями.

Отечественной радиорелейной промышленности более 50 лет. За время своего развития отрасль вышла на ожидаемые позиции. Сегодня радиорелейные каналы (РРЛ) отлично зарекомендовали себя в обеспечении удаленных районов с низкой инфраструктурой, охвате больших пространств и местностей со сложной структурой геологии. К числу заметных отличий от проводной технологии добавился более низкий бюджет оснащения.

Радиорелейная связь относится к беспроводным каналам связи, но их не нужно путать с известным WI —FI . Отличия следующие:

  • В РРЛ создаются резервные каналы и применяется агрегирование. Теоретически, понятие дальности связи к радиорелейным станциям не применяется, так как расстояние ретрансляции зависит от количества вышек;
  • Высокая пропускная способность;
  • Работа в полном канальном дуплексе;
  • Использование собственных (локальных) диапазонов и высокоэффективных модуляций.

Применение радиорелейных линий связи

Радиорелейные линии связи находят широкое применение в различных отраслях промышленности. В общем случае беспроводные каналы заменяют проводные сети многоканальной телефонной связи. Лидером по протяженности радиорелейных линий связи остается Киргизия. Использование РРЛ обусловлено преобладанием горного рельефа на всей территории Республики. Вторым направлением оснащения современными линиями передачи остается телевидение. Учитывая, что средний радиус распространения вещания составляет 100 километров, федеральные каналы все чаще осваивают строительство так называемых беспрограммных телецентров.

Беспроводная связь РРЛ активно используется провайдерами интернета, сотовыми операторами. Известно применение радиорелейных каналов для организации корпоративной связи. Ввиду большего чем у WI —FI бюджета и необходимости получения лицензии, РЛЛ остается недоступным для малого и среднего бизнеса, частных лиц. Срок службы оборудования достигает 30 лет с учетом того, что комплексы могут работать даже в суровых условиях климата.

Традиционные РРЛ магистрального типа постепенно переходит в сегмент городских линий, уступая место оптоволоконным линиям. Однако такие шаги требуют согласования бюджета проекта. Безусловным остается применение РРЛ в северных, малозаселенных районах, где нет необходимости в прогнозировании трафика.

В практике развертывания РРЛ сегодня используются два типа технологии. Первый – PDH – плезиохронная цифровая иерархия. При такой организации передачи сигнала обеспечивается скорость в режимах 32 каналов или мультиплексирования на скорости от 2 до 139 Мбит в секунду. Считается устаревшей технологией радиорелейной связи. На смену предыдущему поколению пришел стандарт SDH . Иерархия цифровой синхронизации обеспечивает более устойчивые каналы связи посредством транспортных модулей STM . Скорость потоков в этом диапазоне варьируется от 155 Мбит в секунду до 160 Гбит. По утверждениям разработчиков стандарта, скорость передачи данных совместимой с PDH технологии может быть и выше.

В практике применения РРЛ-сетей используется несколько вариантов развертывания. Самый популярный сценарий размещения станций – пошаговое размещение вышек на маршруте оснащения. Применение технологии hop-by-hop обеспечивает возможность оперативного внесения изменений в действующие конфигурации или модернизацию устаревшего оборудования.

Принцип построения, используемое оборудование, применение

Основными компонентами, обеспечивающими передачу сигналов на большие расстояния, являются радиорелейные линии прямой видимости. В их задачи входит обеспечение устойчивой связи при передаче до потребителя сообщений в цифровом формате, вещания телевидения и звуковых эфиров. В состав волнового спектра входят диапазоны сантиметровых и дециметровых волн.

В используемых диапазонах прямой видимости не наблюдаются помехи атмосферного и техногенного происхождений. Расстояние между ближайшими станциями, работающих в ширине спектра 30 ГГц является расчетным, зависит от высоты вышек и рельефа в местности размещения.

Для передачи информации на одной частоте или дуплексе используется комплекс аппаратуры. Это радиоствол (канал с широкой пропускной способностью), телефонный ствол и ТВ ствол, предназначенные для передачи сигналов соответствующего типа. Топология построения комплекса оборудования представлена трехуровневой системой:

Радиорелейная связь нашла широкое применение в областях народного хозяйства. Принцип ретрансляции активно используется для организации и построения локальных сетей крупных корпораций. Надежность и достоверность передаваемых сигналов применяется для управления войсками и организации коммерческой связи.

Преимущества технологии РРЛ успешно внедряются в инфраструктуру производств, имеющих большое количество удаленных объектов. Это аэропорты, железнодорожные и морские министерства сообщений. Единственным недостатком, который остается ощутимым при возведении систем передачи данных остается необходимость обеспечения прямой видимости между ретрансляторами. Это требование ставит целый ряд условий перед службами технического оснащения, повышает бюджет проекта за счет необходимости увеличения числа промежуточных станций.

Радиорелейные линии (РРЛ) представляют собой цепочку приемо-передающих радиостанций (оконечных, промежуточных, узловых), которые осуществляют последовательную многократную ретрансляцию (прием, преобразование, усиление и передачу) передаваемых сигналов.

В зависимости от используемого вида распространения радиоволн РРЛ можно разделить на две группы: прямой видимости и тропосферные .

РРЛ прямой видимости являются одним из основных назем-ных средств передачи сигналов телефонной связи , программ звукового и ТВ вещания, цифровых данных и других сообщений на большие расстояния. Ширина полосы частот сигналов многоканальной телефонии и ТВ составляет несколько десятков мегагерц, поэтому для их передачи практически могут быть использованы диапазоны только дециметровых и сантиметровых волн, общая ширина спектра которых составляет 30 ГРц.

Кроме того, в этих диапазонах почти полностью отсутствуют атмосферные и промышленные помехи. Расстояние между соседними станциями (протяженность пролета) R зависит от рельефа местности и высоты подъема антенн. Обычно его выбирают близким или равным расстоянию прямой видимости R o . Для сферической поверхности Земли с учетом атмосферной рефракции

где h 1 и h 2 - высоты подвеса соответственно передающей и приемной антенн (в метрах). В реальных условиях, в случае мало пересеченной местности 40 - 70 км при высоте антенных мачт 60-100м.

Рис. 11.1. Условное изображение РРЛ.

Комплекс приемопередающей аппаратуры РРЛ для передачи информации на одной несущей частоте (или на двух несущих частотах при организации дуплексных связей) образует широкополосный канал, называемый стволом (радиостволом). Оборудование, предназначенное для передачи телефонных сообщений и включающее в себя кроме радиоствола модемы и аппаратуру объединения и разъединения каналов, называют телефонным стволом.

Соответствующий комплекс аппаратуры для передачи полных ТВ сигналов (вместе с сигналами звукового сопровождения, а часто и звукового вещания) называют ТВ стволом. Большинство современных РРЛ являются многоствольными. При этом, кроме рабочих стволов, могут быть один или два резервных ствола, а иногда и отдельный ствол служебной связи. С увеличением числа стволов возрастает соответственно и объем оборудования (число передатчиков и приемников) на станциях РРЛ.

Часть РРЛ (один из возможных вариантов) условно изображена на рис. 11.1, где непосредственно отмечены радиорелейные станции трех типов: оконечная (ОРС), промежуточная (ПРС) и узловая (УРС).

На ОРС производится преобразование сообщений, поступающих по соединительным линиям от междугородных телефонных станций (МТС), междугородных ТВ аппаратных (МТА) и междугородных вещательных аппаратных (МВА), в сигналы, передаваемые по РРЛ, а также обратное преобразование. На ОРС начинается и заканчивается линейный тракт передачи сигналов.


С помощью УРС разветвляются и объединяются потоки информации, передаваемые по разным РРЛ, на пересечении которых и располагается УРС. К УРС относят также станции РРЛ, на которых осуществляется ввод и вывод телефонных, ТВ и других сигналов, посредством которых расположенный вблизи от УРС населенный пункт связывается с другими пунктами данной линии.

Рис. 11.2. Структурная схема одноствольного ретранслятора РРЛ.

1 , 10 - антенны; 2,6 - фидерные тракты; 3,7 - приемо-передатчики; 4,9 - приемники;
5,8 - передатчики.

На ОРС или УРС всегда имеется технический персонал, который обслуживает не только эти станции, но и осуществляет контроль и управление с помощью специальной системы телеобслуживания ближайшими ПРС. Участок РРЛ (300-500 км) между соседними обслуживаемыми станциями делится примерно пополам так, что одна часть ПРС входит в зону телеобслуживания одной УРС (ОРС), а другая часть ПРС обслуживается другой УРС (ОРС).

ПРС выполняют функции активных ретрансляторов без выделения передаваемых сигналов электросвязи и введения новых и, как правило, работают без постоянного обслуживающего персонала. Структурная схема ретранслятора ПРС приведена на рис. 11.2. При активной ретрансляции сигналов на ПРС используют две антенны, расположенные на одной и той же мачте. В этих условиях трудно предотвратить попадание части мощности усиленного сигнала, излучаемого передающей антенной, на вход приемной антенны. Если не принять специальных мер, то указанная связь выхода и входа усилителя ретранслятора может привести к его само-возбуждению, при котором он перестает выполнять свои функции.



Рис. 11.3. Схемы распределения частот в РРЛ.

Эффективным способом устранения опасности самовозбуждения является разнесение по частоте сигналов на входе и выходе ретранслятора. При этом на ретрансляторе приходится устанавливать приемники и передатчики, работающие на разных частотах. Если на РРЛ предусматривается одновременная связь в прямом и обратном направлениях, то число приемников и передатчиков удваивается, и такой ствол называется дуплексным (см. рис. 11.2). В этом случае каждая антенна на станциях используется как для передачи, так и для приема высокочастотных сигналов на каждом направлении связи.

Одновременная работа нескольких радиосредств на станциях и на РРЛ в целом возможна лишь при устранении взаимовлияния между ними. С этой целью создаются частотные планы, т.е. планы распределения частот передачи, приема и гетеродинов на РРЛ.

Исследования показали, что в предельном случае для двусторонней связи по РРЛ (дуплексный режим) можно использовать лишь две рабочие частоты ƒ 1 и ƒ 2 . Пример РРЛ с таким двухчастотным планом условно изображен на рис. 11.3, а. Чем меньше на линии используется рабочих частот, тем сложнее устранить взаимовлияние сигналов, совпадающих по частоте, но предназначенных разным приемникам. Во избежание подобных ситуаций на РРЛ стараются использовать антенны с узкой диаграммой направленности, с возможно меньшим уровнем боковых и задних лепестков; применяют для разных направлений связи волны с различным типом поляризации; располагают отдельные станции так, чтобы трасса представляла собой некоторую ломаную линию.

Применение указанных мер не вызывает сложностей, если связь осуществляется в диапазоне сантиметровых волн. Реальные антенные устройства, работающие на менее высоких частотах, обладают меньшим направленным действием. Поэтому на РРЛ дециметрового диапазона приходится разносить частоты приема на каждой станции. В этом случае для прямого и обратного направлений связи выбирают различные пары частот ƒ 1 , ƒ 2 и ƒ 3 , ƒ 4 (четырехчастотный план) (см. рис. 11.3, б), и необходимая для системы связи полоса частот возрастет вдвое. Четырехчастотный план не требует указанных выше мер защиты, однако он неэкономичен с точки зрения использования полосы частот. Число радиостволов, которое может быть образовано в выделенном диапазоне частот, при четырехчастотном плане вдвое меньше, чем при двухчастотном.

Для радиорелейной связи в основном используются сантиметровые волны, поэтому двухчастотный план получил наибольшее распространение.

Радиорелейная связь обеспечивает высококачественные дуплексные каналы связи, практически мало зависящие от времени года и суток, от состояния погоды и атмосферных помех.

При организации радиорелейной связи необходимо учитывать зависимость ее от рельефа местности, что вызывает необходимость тщательного выбора трассы линии связи, невозможность работы или значительное уменьшение дальности действия радиорелейных станций в движении, возможность перехвата передач и создания радиопомех противником.

Радиорелейная связь может быть организована по направлению, по сети и по оси. Применение того или иного способа в каждом отдельном случае зависит от конкретных условий обстановки, особенностей организации управления, рельефа местности, важности данной связи, потребности в обмене, наличия средств и других факторов.

Направление радиорелейной связи - это способ организации связи между двумя пунктами управления (командирами, штабами) (Рис. 19).

Рисунок 19. Организация радиорелейной связи по направлениям

Этот способ обеспечивает наибольшую надежность работы направления связи и большую ее пропускную способность, но по сравнению с другими способами обычно требует повышенного расхода частот и радиорелейных станций при штабе, организующем связь. Кроме того, при организации связи по направлениям возникают трудности в размещении большого количества радиорелейных станций без взаимных помех на узле связи старшего штаба и исключается возможность маневра каналами между направлениями.

Сеть радиорелейной связи - это способ организации связи, при котором связь старшего пункта управления (командира, штаба) с несколькими подчиненными пунктами управления (командирами, штабами) осуществляется с помощью одного радиорелейного полукомплекта (Рис. 20).

Рисунок 20. Организация сети радиорелейной связи

При работе по сети передатчики радиорелейных станций подчиненных корреспондентов постоянно настроены на частоту приемника главной станции. Следует иметь в виду, что при отсутствии обмена все станции сети должны находиться в симплексном режиме, то есть в режиме дежурного приема. Право вызова предоставляется преимущественно главной станции. После вызова главной станцией одного из корреспондентов переговор между ними может продолжаться в дуплексном режиме. По окончании переговора станции вновь переключаются в симплексный режим. Количество радиорелейных станций в сети не должно превышать трех-четырех.

Связь по сети возможна главным образом при условии, когда главная станция работает на ненаправленную (штыревую) антенну. В зависимости от обстановки подчиненные корреспонденты могут использовать как штыревые, так и направленные антенны. Если подчиненные корреспонденты находятся относительно главной станции в каком-либо одном направлении или в пределах сектора направленного излучения антенны главной станции, то связь старшего командира с подчиненными может обеспечиваться по сети и при работе на направленную антенну, имеющую сравнительно большой угол направленности (60 - 70°).

Ось радиорелейной связи - это способ организации радиорелейной связи, при котором связь старшего пункта управления (командира, штаба) с несколькими подчиненными пунктами управления (командирами, штабами) осуществляется по одной радиорелейной линии, развернутой в направлении перемещения своего пункта управления или одного из пунктов управления 1подчиненных штабов (Рис. 23).


Рисунок 21. Организация оси радиорелейной связи

Связь пункта управления старшего штаба с пунктами управления осуществляется через опорные (вспомогательные) узлы связи, на которых производится распределение телефонных и телеграфных каналов между пунктами управления.

По сравнению со связью по направлениям организация радиорелейной связи по оси уменьшает количество радиорелейных станций на узле связи пункта управления старшего штаба и тем самым упрощает назначение частот этим станциям без взаимных помех, дает возможность осуществлять маневр каналами, обеспечивает более эффективное их использование, сокращает время для выбора и расчета трасс, облегчает управление радиорелейной связью и требует меньшего количества личного состава, необходимого для охраны и обороны промежуточных станций. Недостатками этого способа являются зависимость всей радиорелейной связи от работы осевой линии и необходимость в дополнительной коммутации каналов на опорных (вспомогательных) узлах связи. Пропускная способность оси определяется емкостью осевой линии, поэтому организация радиорелейной связи по оси целесообразна лишь в том случае, если на осевой линии используются многоканальные станции, а на линиях привязки - малоканальные. Применение для оси малоканальных станций не дает должного эффекта, так как требует значительного количества этих станций и частот.

Радиорелейная связь осуществляется непосредственно или через промежуточные (ретрансляционные) радиорелейные станции. Эти станции развертываются в тех случаях, когда связь непосредственно между оконечными станциями не обеспечивается вследствие удаленности их друг от друга или по условиям рельефа местности, а также при необходимости выделения каналов в промежуточном пункте.

В РРСП прямой видимости для увеличения расстояния между станциями радиорелейных линий антенны ретрансляторов подвешивают на высокие сооружения (мачты, опоры, высотные строения и т.д.). В условиях равнинной местности высота поднятия антенн 60… 100 метров позволяют организовать уверенную связь на расстояниях 40… 60 километров.

Цепочку радиорелейной линии составляют радиорелейные станции трех типов: оконечные радиорелейные станции (ОРС), промежуточные радиорелейные станции (ПРС), узловые радиорелейные станции (УРС). Условная радиорелейная линия связи схематично представлена на рисунке 8.1.

Рис. 8.1 Радиорелейная линия связи

На оконечной радиорелейной станции начинается и заканчивается тракт передачи. Аппаратура ОРС осуществляет преобразование сигналов, поступающих от разных источников информации (телефонные сигналы от междугородней телефонной станции, телевизионные сигналы от междугородней телевизионной аппаратной и т.д.) в сигналы, передаваемые по радиорелейной линии, а также обратное преобразование сигналов, приходящих по РРЛ, в сигналы телерадиовещания или телефонии. Радиосигналы ОРС с помощью передающего устройства и антенны излучаются в направлении следующей, обычно промежуточной, радиорелейной станции.

Промежуточные радиорелейные станции предназначены для приема сигналов от предыдущей станции радиорелейной линии, усиления этих сигналов и излучения в направлении последующей станции РРЛ.

На каждой промежуточной радиорелейной станции установлены по две антенны, ориентированные на соседние РРСП. Каждая из антенн является приемопередающей, то есть используется и для приема, и для передачи сигналов. Одним из преимуществ работы радиорелейной линии связи в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне является возможность применения высоконаправленных антенн с малыми габаритами. Небольшие размеры антенн упрощают их установку на высоких сооружениях. Хорошие направленные свойства антенн СВЧ диапазона позволяют облегчить требования к характеристикам приемопередающего тракта.

Для устранения подобных явлений ретрансляторы радиорелейной линии связи располагают не по прямой линии, а зигзагом, так, чтобы не совпадали главные направления соседних участков трассы, использующих одинаковые частоты. При этом используют направленные свойства антенн. Радиорелейные станции разносят от генерального направления радиорелейной линии связи таким образом, чтобы направлению на станцию, отстоящую через три пролета, соответствовали минимальные уровни диаграммы направленности антенны. На рисунке 8.4 показаны три пролета участка трассы РРЛ. На крайних пролетах используются одинаковые частоты. На такой трассе даже при сильной рефракции радиоволн сигналы от станций с номерами ПРС i и ПРС i+2 практически не влияют друг на друга. На рисунке заметно, что антенны практически не воспринимают радиоволны, приходящие с направления, лежащего на прямой, связывающей эти станции.Рис. 8.4 Схема расположения ретрансляторов на трассе радиорелейной линии связи

Тропосферные радиорелейные системы передачи используют локальные объемные неоднородности атмосферы, вызываемыми различными физическими процессами, происходящими в околоземном пространстве. Эти неоднородности способны отражать и рассеивать электромагнитные колебания при их распространении в атмосфере. Поскольку неоднородности располагаются на значительной высоте, то и рассеиваемые ими радиоволны могут распространяться на большие расстояния, значительно превышающие расстояние прямой видимости.

В силу нерегулярной структуры неоднородностей тропосферы сигналы тропосферных линий подвержены глубоким замираниям.

Системы спутниковой связи можно рассматривать как особый вид радиорелейных линий связи, если антенну ретранслятора подвесить на опору, высота которой равна высоте орбиты спутника. В такой системе связи значительно увеличивается зона прямой видимости поверхности Земли, просматриваемой со спутника и, соответственно, размеры земной территории, с которой виден спутник в один и тот же момент времени.

Радиооборудование спутниковой системы связи, расположенное на спутнике, называют космической радиостанцией, а радиооборудование, расположенное на Земле, называют наземной радиостанцией. Канал передачи радиосигнала от наземной станции на спутник называют восходящим, а канал передачи сигналов в обратном направлении - нисходящим. На спутниках, помимо ретрансляционной аппаратуры, размещают также источники электропитания (солнечные батареи). Кроме того, на спутниках имеется оборудование, обеспечивающее стабилизацию положения спутников на орбите и ориентирование его в пространстве (антенны ретранслятора направляют в сторону Земли, солнечные батареи - в сторону Солнца).

Характеристики спутниковых систем связи в значительной степени зависят от параметров орбиты спутника. Орбита спутника - это траектория движения спутника в пространстве.