Оцінка придатності радіоліній поза приміщеннями

Виконання проектних робіт під час використання радіоканальних систем передачі сповіщень (РСПИ) без оцінки енергетичного запасу радіоінтервалів практично неможливе. Але простих і доступних методик оцінки придатності радіолінії є небагато, і вони мало відомі.

Про зміну рівня сигналу в приймальному пристрої відомо всім. Розглянемо, чим воно визначається і на що впливає.

Тимчасові зміни рівня сигналу називаються завмираннями. Умовно їх можна поділити на швидкі та повільні. Швидкі завмирання сигналу - тимчасові зміни рівня сигналу, пов'язані з інтерференцією прямої і відбитої хвилі від поверхні Землі, неоднорідностей атмосфери або інших предметів. Повільні завмирання визначаються переважно денними і сезонними ослабленнями радіосигналу, і навіть наявністю що переміщаються біля предметів.

Оскільки надійність роботи радіолінії насамперед визначається саме енергетичним запасом на швидкі та повільні завмирання, то при розрахунку радіолінії обов'язково має бути передбачений резерв на компенсацію цих завмирань. Для визначення енергетичного резерву необхідно знати енергетичний потенціал пристроїв та умови розповсюдження сигналу.

Енергетичний потенціал пристроїв

Енергетичний потенціал пристроїв визначається потужністю передавального пристрою, чутливістю приймального пристрою, параметрами антенно-фідерних трактів (АФТ) та виражається у відносних одиницях дБм.

Pе = Рпрд + Pпрм + Gпрд + Gпрм, (1)

де Pэ – енергетичний потенціал, дБм, Рпрд – потужність передавача, дБм, Pпрм – чутливість приймача, дБм, Gпрд, Gпрм – коефіцієнти посилення передавального та приймального АФТ, дБ.

Прямавидимість на радіолінії між пристроями

Приклад інтервалу радіолінії у прямій видимості представлений на рис. 1.

Орієнтовно, з урахуванням рефракції радіохвиль у даному діапазоні, дальність прямої видимості в кілометрах (Lтр) визначається як:

Lтр = 4,12 х (√H-1 + √H-2), (2)

де H1 та H2 – у метрах.

Але наявність прямої видимості між радіопристроями не може бути критерієм забезпечення надійного зв'язку. Більш того, досвід радіозв'язку в діапазоні ультракоротких хвиль показує, що і за відсутності прямої видимості радіолінія може бути працездатною. І тому існують методики оцінки придатності радіоліній, враховують вплив рельєфу її працездатність. Ослаблення сигналу на радіолініях поза приміщеннями в основному визначається сумою ослаблення сигналу у вільному просторі та ослаблення сигналу за рахунок перешкод.

Ослаблення сигналу у вільному просторі

Послаблення сигналу у вільному просторі (V0) залежить від відстані між радіопристроями і може бути визначено як:

V0 (дБ) = 33 + 20lg Lтр (км) + 20lg F (МГц). (3)

Для сигналів із частотами 150, 433, 868 і 2400 МГц ослаблення сигналу у вільному просторі в дБ можна визначити так:

V0 (150) = 76,5 + 20lg Lтр (км),

V0 (433) = 85 + 20lg Lтр (км),

V0 (868) = 91 + 20lg Lтр (км),

V0 (2400) = 100,6 + 20lg Lтр (км).

На рис. 2 наведена залежність ослаблення сигналу у вільному просторі від відстані між радіопристроями для діапазонів частот 150, 433, 868 та 2400 МГц.

Ослаблення сигналу за рахунок перешкод. Зони Френеля

Для пояснення явища огинання радіохвилями різних перешкод, їх проникнення в областітіні та півтіні використовується принцип Гюйгенса – Френеля. Відповідно до моделі Френеля область поширення радіохвиль між передавальним і приймальним пристроями обмежується еліпсоїдом обертання навколо лінії, що їх з'єднує. Цей еліпсоїд багатошаровий і може включати нескінченно багато зон.

Найближча до лінії, що з'єднує передавач із приймачем, зона називається першою зоною Френеля. На рис. 3 представлено поздовжнє переріз першої зони Френеля.

Прийнято вважати, що істотною при поширенні радіохвиль є перша зона Френеля (приблизно половина енергії, що передається). Без урахування втрат сигналу у цій зоні розрахунок радіолінії неможливий.

Для будь-якої точки радіолінії радіус першої зони Френеля (R0) можна знайти за формулою:

R0 = (λ (Lтр - rтек) r тек / Lтр) 1/2, (4)

де λ – довжина хвилі (м), Lтр – відстань між передавачем і приймачем (м), rтек – віддалення джерела сигналу (м). Найбільший радіус для першої зони Френеля визначається за такою формулою:

Rn = 0,5 (λLтр)1/2. (5)

Якби сигнал не зустрічав перешкод у всій першій зоні Френеля, можна було б обмежитися лише з огляду на послаблення сигналу у вільному просторі. Але таке буває вкрай рідко. Залежно від наявності перешкод радіолінії поділяються на відкриті, напіввідкриті та закриті.

На рис. 4 зображено 2 типи перешкод. Якщо в першій зоні Френеля є перешкода, що не перетинає лінію прямої видимості (hпреп.1), такий радіоінтервал називається напіввідкритим, в іншому випадку (hпреп.2) - закритим. Причому слід враховувати перекриття зони Френеля як у вертикальній (рис. 4), і у горизонтальній площині.

Відношення значення просвіту hпреп.1 або hпреп.2 до радіусу зони Френеля R1або R2 називається відносним просвітом:

p(0) = hвипр. i/Ri. (6)

Для напіввідкритого інтервалу p(0) має позитивне значення, закритого – негативне. При збігу найвищої точки перешкоди з лінією прямої видимості p(0) = 0.

Відповідно до значення p(0) і характеру профілю перешкоди можна по діаграмі (рис. 5) отримати ослаблення сигналу, викликаного наявністю одиночної перешкоди. За наявності двох і більше перешкод у разі їхнього близького розташування вони замінюються одним еквівалентним. Якщо відстань між перешкодами перевищує суму довжин самих перешкод, то ослаблення сигналу вважається окремо кожного з них.

Як видно з діаграми, найбільше ослаблення перешкоджає плоскій або гладкій сферичній поверхні. Закриття плоским рельєфом нижньої частини зони Френеля більш ніж 75% веде до ослаблення сигналу більш як 15–20 дБ.

При дальності радіолінії понад 5 км необхідно додатково як перешкоду враховувати кривизну Землі:

Hмакс = 1,96. 10-2 • Lтр2 (7),

де Hмакс – максимальна висота перешкоди, створювана з допомогою кривизни Землі (м), Lтр – відстань між передавачем і приймачем (км).

Значення висоти перешкоди, створюваного з допомогою кривизни Землі, для відносних відстаней rтек / Lтр наведено у таблиці.

Приклади оцінки придатності радіоліній поза приміщеннями

Далі наводяться два характерні приклади оцінки придатності радіоліній для одних із найбільш популярних систем: радіосистеми ОПС та радіоканальної системи передачі сповіщень.

Радіолінія між двома радіорозширювачами бездротової системи ОПС

Відстань між РРОПами – 600 м. Робоча частота сигналу – 433 (868)мГц. Потужність передавача – 10 мВт. Чутливість приймача – 107 дБм. Висота встановлення пристроїв – 5 м.

1. Перекладемо потужність передавального пристрою в дБ щодо потужності 1 мВт:

Рпрд (дБм) = 10 lg (Рпрд (мВт)) = 10 дБм.

2. Енергетичний запас радіолінії:

Pе = Рпрд + Pпрм + Gпрд + Gпрм = 117 дБм

(Коефіцієнти АФТ = 0, так як використовуються штатні антени).

3. Визначаємо ослаблення сигналу у вільному просторі за формулою (3) – 80 дБ.

4. Максимальний радіус зони Френеля R за формулою (5) – 10,2 м, а просвіт між лінією прямої видимості та земною поверхнею = 5м (висота установки антен). Отже, відносний просвіт p(0) = 5/10,2 = 0,49.

5. За рис. 5 визначаємо ослаблення за рахунок рельєфу (плоска поверхня): 14 дБ.

6. Сумарне послаблення сигналу радіолінії = 94 дБ.

7. Енергетичний запас радіоінтервалу 117 - 94 = 23 дБм, що достатньо для нормальної роботи радіолінії.

Провівши аналогічний розрахунок для частоти 868 МГц, отримаємо сумарне послаблення 94,5 дБ, у своїй енергетичний запас становитиме 22,5 дБ.

Радіолінія на базі РСПІ

Відстань між пристроями – 15000 м. Робоча частота сигналу – 150 МГц. Потужність передавача – 5 Вт. Чутливість приймача – 109 дБм. Висота установки антен – 5 м. Коефіцієнти посилення АФТ – 3 дБ.

1. Перекладемо потужність передавача в дБ щодо потужності 1 мВт:

Рпрд (дБм) = 10 lg (Рпрд (мВт)) = 37 дБм

2. Енергетичний запас радіолінії:

Pе = Рпрд + Pпрм + Gпрд + Gпрм = 37 + 109 + 3 + 3 = 152 дБм.

3. Визначаємо ослаблення сигналу у вільному просторі за формулою (3) – 100 дБ.

4. Максимальний радіус зони Френеля за формулою (5) = 86,5 м. За формулою (7) знайдемовисоту перешкоди, створюваного з допомогою кривизни Землі, отримаємо 4,4 м. Просвіт між земної поверхнею і лінією прямої видимості – 0,6 м. Відносний просвіт p(0) = 0,6/86,5 = 0,007.

5. За рис. 5 визначаємо ослаблення сигналу за рахунок рельєфу (плоска поверхня) – 23 дБ.

6. Сумарне ослаблення сигналу – 123 дБ.

7. Енергетичний запас = 152 - 123 = 29 дБм, що цілком достатньо для стабільної роботи радіолінії.

Аналіз отриманих результатів

Для надійного функціонування радіолінії енергетичний запас на швидкі та повільні завмирання сигналу має становити 20–30 дБ. У реальних умовах такий запас енергетики забезпечити не завжди вдається. У цьому випадку потрібно змінити взаємне розташування радіопристроїв або вжити додаткових заходів для підвищення потенціалу радіолінії.

Існує кілька способів підвищення надійності передачі радіосигналів:

1. Рознесений радіоприйом може бути реалізований шляхом просторового, поляризаційного та частотного рознесення сигналів. Просторове рознесення – використання як у передачу, і прийом кількох антен, рознесених на відстань між собою більш ніж 10λ.

Поляризаційне рознесення - використання антен для передачі та прийому сигналів як з вертикальною, так і з горизонтальною поляризацією.

Метод частотного рознесення заснований на випромінюванні того самого сигналу на різних частотах.

2. Багаторазова передача сигналу, у тому числі з підтвердженням: даний метод полягає в багаторазовій передачі однієї й тієї інформації через певний проміжок часу. У системах із двостороннім обміном цей повтор може здійснюватися до отримання приймачем коректних даних, про що передає сторону повідомляєпідтвердження (квітування).

3. Крім того, декілька приймачів можуть утворювати просторово рознесену мережу, що дає можливість здійснити доставку сигналів декількома маршрутами.

Для забезпечення надійного зв'язку між пристроями необхідно на етапі проектування зробити розрахунок енергетичного запасу конкретної радіолінії. У статті представлено методику та приклади подібних розрахунків із зазначенням критичних значень енергетичного потенціалу. Усі обчислення повинні проводитися виходячи з конкретних параметрів пристроїв радіосистем та можливостей використання методів компенсації швидких та повільних завмирань.