НАПРАВЛЕНИЯ СОЗДАНИЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ РАДИОСИСТЕМ МИЛЛИМЕТРОВОГО И СУБМИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНОВ ВОЛН

August 2, 2012 by admin Комментировать »

Булгаков Б. М. Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины ул. Академика Проскуры, 12, МПС, Харьков 61085, Украина тел. 448-319 Кравчук С. А. Научно-исследовательский институт телекоммуникаций НТУУ «КПП» Индустриальный пер., 2, Киев 03056, Украина Тел. 241-77-23, 441-16-85, e-mail: sakrav@users.ntu-kpi.kiev.ua Нарытник Т. Н. Институт электроники и связи УАННП пр. 50-летия Октября, 2-Б, Киев 03148, Украина тел. 477-94-30; 478-34-63, e-mail: iec@naverex.kiev.ua


Аннотация Представлены направления создания телекоммуникационных широкополосных радиосистем ММВ и СММВ, основанные на учете особенностей рассматриваемых диапазонов волн и применения квазиоптического подхода при построении новых радиосистем.

I.  Введение

Структура и возможности используемых в радиосистеме каналов связи определяют такие важнейшие характеристики как пропускная способность, достоверность передачи, зона действия, степень связности, стоимость и др. Если для проводных каналов предельную пропускную способность определяют первичные и вторичные характеристики применяемых кабелей (сопротивление, емкость, индуктивность, коэффициент распространения и волновое сопротивление), то для радиосистем основными характеристиками являются выделенная полоса частот и диапазон, в котором эта полоса выделена.

Выделенная полоса частот — это тот частотный ресурс, который ограничивает максимальную скорость передачи. Диапазон частот определяет возможные механизмы распространения радиоволн, уровни помех, вид и стоимость приемопередающего оборудования. Согласно [1] частотный ресурс — это вид природного ресурса, обладающий следующими особенностями: он не расходуется со временем, но и не может быть добыт и использован в количествах больших, чем тот участок частотного диапазона, который освоен для радиосвязи в настоящее время. В настоящее время почти во всех освоенных диапазонах частот (вплоть до сантиметрового) наблюдается дефицит частотных полос для размещения новых и развития действующих радиосистем. Поэтому освоение новых участков, безусловно, расширяет возможности создания новых радиосистем, но при этом следует учитывать, что механизмы распространения радиоволн в этих новых участках отличаются от освоенных и поэтому требуют дополнительных исследований.

В этой связи освоение миллиметрового (ММВ) и субмиллиметрового (СММВ) диапазонов волн становится актуально, особенно в плане построения новых телекоммуникационных радиосистем, использующих основные достоинства этих диапазонов волн.

II.  Особенности диапазонов ММВ и СММВ

Практическая ценность диапазонов ММВ и СММВ для телекоммуникационных систем определяется их большой информационной емкостью. Действительно, все диапазоны от сверхдлинных до сантиметровых волн занимают полосу частот 30 ГГц, а диапазоны ММВ и СММВ около 3000 ГГц. Следовательно, в них за один и тот же промежуток времени можно передать, по крайней мере, в 100 раз больше информации, чем в остальных низкочастотных диапазонах. Более того, большая полоса частот этих диапазонов позволяет, используя помехоустойчивые широкополосные методы модуляции, осуществлять высококачественную передачу высокоскоростных потоков информации.

Радиоволны диапазонов ММВ и СММВ обладают квазиоптическими свойствами [2]:

–  в свободном пространстве направление их распространения прямолинейно (малый диаметр первой зоны Френеля);

–  вблизи поверхности Земли для ММВ рефракция и дифракция малая, а для СММВ ими можно пренебречь;

–   при распространении через область с осадками имеет место их ослабление, возрастающее с укорочением волны;

–   при падении на плоские поверхности радиоволны проявляют высокую отражательную способность.

На некоторых частотах диапазонов ММВ и СММВ проявляется резонансное поглощение в парах воды и в газах атмосферы, вследствие чего в ней имеют место окна прозрачности и пики поглощения.

На ММВ и СММВ весьма мал уровень атмосферных и промышленных помех, особенно если их источники находятся за горизонтом вне прямой видимости.

В этом диапазоне сравнительно несложно создавать антенны с размерами, во много раз превышающими длину волны и обладающими, вследствие этого, остронаправленным излучением. Такие антенны, приемлемых габаритов, обеспечивающие пространственную селекцию сигналов, позволяют организовывать в заданном географическом районе большое количество радиолиний, в том числе с повторяющимися рабочими частотами, выполняя условия их электромагнитной совместимости.

Свойства ММВ и СММВ допускают осуществление связи между объектами только при условии их прямой взаимной видимости. Если она отсутствует, то требуются активные промежуточные или пассивные ретрансляторы сигналов.

III.  Основные предпосылки построения радиосистем диапазонов ММВ и СММВ

Несмотря на очевидные преимущества использования диапазонов ММВ и СММВ в области телекоммуникаций, выдвигаемые контраргументы противников такого использования сводятся к положению о невозможности реализации в рассматриваемых диапазонах волн привычных радиотрасс длинной несколько десятков километров, что является обычным для диапазонов сантиметровых и дециметровых длин волн. Однако они упускают при этом, что дальность радиосвязи не является, в большинстве случаев, главным параметром наземной радиосистемы, если она специально не предназначена для дальнего действия. Пропускная способность, стоимость и надежность являются более важными параметрами современной системы, а все шире внедряемое построение радиосистем по сотовому принципу снижает требование к увеличению диаметра зоны охвата пользователей одной сотой или микросотой. Продолжают развиваться средства персональной радиосвязи, радиус действия которых не превышает десятков метров (Bluetooth, HomeRF и др.). Следует отметить нерациональное использование для таких радиосредств диапазонов 2,4 и 5,8 ГГц, полосы которых сильно ограничены. Да и так ли уже значительно сужается дальность радиосвязи в диапазонах ММВ и СММВ.

Fig. 1. Frequency dependence of the maximum range D of a radio link at the precipitation intensity R = 0, 20 and 40 mm per hour

Рис. 1. Частотная зависимость максимальной дальности действия D радиолинии при интенсивности осадков R = 0, 20 и 40 мм/час

Рассмотрим симплексную радиолинию типа «точка-точка» с мощностью передатчика 10 мВт, коэффициентами усиления приемной и передающей антенн 36 и 36 дБ соответственно, коэффициентом шума приемника 7 дБ. Частотная зависимость максимальной дальности действия D такой радиолинии в условиях релеевских замираний при передаче ФМ4 сигнала с требуемым отношением сигнал/шум 24 дБ и при условии работы приемника на своей предельной чувствительности представлена на рис. 1 для нескольких значений интенсивности осадков R.

Как видно из рисунка, радиосистемы в зависимости от используемой полосы диапазона волн могут обладать самой разнообразной дальностью действия. Так во всепогодных условиях наибольшую дальность действия D < 3…8 км имеют системы диапазона длинноволновой части ММВ (30…50 ГГц), а наименьшую D < 0,1 км системы СММВ. Кроме этого, видно, что для систем с коротким пролетом далеко не столь существенное значение играет поглощение рассматриваемых волн в атмосфере и в осадках. При пролетах менее 1 км могут использоваться передатчики с мощностью порядка 1мВт, и они способны обеспечить надежную связь при любых погодных условиях. На коротких пролетах, измеряемых сотнями метров, радиолинии могут работать во всех окнах прозрачности диапазонов ММВ и СММВ. А проблемы связанные с поглощением ММВ и СММВ в атмосферных осадках в значительной степени теряют силу. С другой стороны, радиооборудование диапазонов ММВ и СММВ имеет малые габариты и вес, высокую мобильность, возможность передачи большого объема информации без задействования сложных методов модуляции и узкую диаграмму направленности, что при малой мощности обеспечивает экологическую безопасность системы и затрудняет не санкционируемый перехват информации. Системы, построенные с использованием радиооборудования рассматриваемых диапазонов, не требуют больших затрат при их строительстве и эксплуатации, устойчивы при любых катастрофах. Поглощение радиоволн в диапазонах ММВ и СММВ для ближней связи может рассматриваться не как недостаток, а как преимущество, так как атмосфера как бы экранирует отдельные системы друг от друга и устраняет их взаимные помехи.

IV.   Радиорелейные системы прямой видимости

В настоящее время широко используются радиорелейные системы (РРС) прямой видимости длинноволновой части диапазона ММВ (частоты 30…50 ГГц) [3, 4]. Они обеспечивают радиолинии между базовыми станциями сотовой связи, объединяют компьютерные сети и районные АТС, используются для связи с удаленными пунктами в пределах городской застройки и промышленных зон, где прокладка кабелей затруднена. Особенно актуальны РРС диапазона ММВ в крупных городах при выборе трас, где ощущаются проблемы связанные с взаимными помехами станций между собой и со спутниковыми системами. В диапазоне ММВ значительно больший простор при выборе рабочих частот. Однако в диапазонах ММВ и СММВ имеются и определенные проблемы. РРС рассматриваемых диапазонов предназначены только для коротких трасс прямой видимости (менее 10 км), аппаратура и элементная база таких систем, особенно СММВ, еще недостаточно освоены в массовом производстве и пока имеют высокую стоимость. Так, к настоящему времени продвижение высокочастотной транзисторной интегральной элементной базы достигло только частот 40 ГГц.

Наиболее перспективными направлениями развития РРС рассматриваемых диапазонов является внедрение новых схемотехнических решений при построении новой приемопередающей аппаратуры РРС, позволяющих с одной стороны удешевить оборудование, а с другой повысить его высокочастотные характеристики, связанные, прежде всего с улучшением частотной стабильности и линейности радиотракта, что позволит использовать более эффективные методы модуляции. Здесь бесспорно необходим переход от классического построения аппаратуры РРС ММВ, унаследованного от СВЧтехники, к квазиоптическому построению, базирующемуся на открытых резонаторах, дифракционных решетках и пр.

Практическое использование РРС диапазонов ММВ и СММВ уже востребовано в цифровых синхронных и ассинхронных сетях, где требуется передача информации со скоростями 155 Мбит/с и более. Другим интенсивно развивающимся применением таких РРС служит построение систем связи на основе гибридного соединения оптволокно-радиоканал (ГСОР) [4], основные положения которых определены в Рек. МСЭ-Р F.1332. Основными достоинствами ГСОР являются, прежде всего, предоставление системам широкополосной радиосвязи простого и эффективного интерфейса с ВОЛС, а также использование ряда преимуществ, присущих оптоволоконным технологиям, таких, например, как высокая помехозащищенность, обеспечение больших развязок между радиои оптическими каналами, сверхширокополосность и пр.

III.   Системы широкополосного радиодоступа

Системы широкополосного радиодоступа (СШР) подразумевают обеспечение соединений со скоростями передачи более 2,048 Мбит/с (Е1), которые наиболее эффективно можно реализовать в диапазонах ММВ и СММВ. К СШР, работающим в диапазонах от 27 до 60 ГГц, относится целый ряд систем сотовой структуры: в США это локальная многоточечная распределительная служба LMDS, в Канаде локальная многоточечная система связи LMCS, в Корее широкополосный абонентский доступ B-WLL, в Англии многоточечная служба распределения телевидения MVDS, в Украине микроволновые телекоммуникационные распределительные системы МТРС, МИТРИС-КВЧ, универсальная мультимедийная дистрибутивная система UMDS и др [5]. Все они реализованы на основе классического подхода СВЧтехники и нацелены на предоставление полного набора широкополосных услуг связи и вещания.

Основной особенностью таких радиосистем является то, что принцип их работы перенесен с диапазонов дециметровых и длинноволновой части сантиметровых волн в ММВ. Это ведет за собой усложнение способов стабилизации частот генераторов (многократное умножение от низкочастотного источника), приспособление под себя методов многостанционного доступа, не учитывающих специфику ММВ, неполное использование достоинств антенно-фидерных систем ММВ, рост стоимости и как следствие снижение конкурентоспособности по сравнению с кабельными системами широкополосного доступа DSL (Digital Subscriber Line).

По мнению авторов, кардинальным решением в развитии СШР ММВ и СММВ является реализация квазиоптического подхода при построении радиосистем данных диапазонов. Задействование квазиоптики позволяет перейти на новую приборную базу, использующую высокодобротные резонансные контуры, малопотерьные фидерные тракты, высокостабильные мазерные источники колебаний, технику пространственной обработки частотного сигнала посредством поляризационных решеток и уголковых отражателей и пр. Кроме этого такие СШР могут очень быстро продвинуться в диапазон СММВ, поддерживая информационные потоки со скоростями более 500 Мбит/с без применения сложных видов модуляции и не загружая длинноволновые освоенные диапазоны волн.

Рис. 3. Реализация радиосети ММВ и СММВ в условиях туннелей и шахт

Fig. 3. Implementation of mm/submm radio network in tunnels and mines

Большая перспектива открывается при использовании ММВ и СММВ для создания радиосистем, работающих в крытых спортивных, торговых и выставочных комплексах, туннелях метро, шахтах, различных зданиях. Защищенность таких мест от погодных влияний обеспечивает радиосистемам рассматриваемых диапазонов достижение их предельно возможных характеристик. Высокая пропускная способность, скрытность, простота установки таких радиосистем делает их просто незаменимыми при модернизации или даже полной замене связного кабельного хозяйства в туннелях метро, шахтах и пр. Пример реализации такой квазиоптической системы представлен на рис. 3.

Следует также отметить, что в качестве направляющей среды распространения сигналов ММВ и СММВ могут использоваться металлические вентиляционные коммуникации и трубы, что позволяет при помощи подобных систем реализовать радиосети в местах, где прокладка кабеля и использование обычных радиосредств затруднены.

IV.  Заключение

Таким образом, радиосистемы диапазонов ММВ и СММВ позволяют реализовать широкополосные экологически безопасные телекоммуникационные системы. Такие системы перспективны, прежде всего, в приложениях, где требуются высокие скорости передачи и небольшие дальности радиотрасс. Особый интерес вызывает построение таких систем в закрытых помещениях, туннелях и шахтах. При этом широкие возможности открываются при реализации квазиоптического подхода к построению таких радиосистем ММВ и СММВ.

V.    Список литературы

[1]   Бунин С. Г., Войтер А. П. Вычислительные сети с пакетной радиосвязью,К.: Технка, 1989,223 с.

[2]   Нарытник Т. Н., Кравчук С. А., Потиенко В. П. и др. Телекоммуникационные системы и технологии миллиметрового диапазона волн,В кн. 7-я Международная Крымская конференция «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии». Материалы конференции [Севастополь, 15-18 сентября 1997 г.]. Севастополь: Вебер, 1997, т. 1, с. 50-55.

[3]   Нарытник Т., Сайко В., Потиенко В., Войтенко А. Радиорелейная связь сегодня. Сети и телекоммуникации, 2001, № 4, с. 38-45.

[4]   Кравчук С. А., Липатов А. А. Современные телекоммуникационные технологии диапазона миллиметровых волн В кн. 12-я Международная Крымская конференция «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии». Материалы конференции [Севастополь, 9-13 сентября

2002                г.]. Севастополь: Вебер, 2002, с. 41-42.

ISBN 966-7968-12-Х, IEEE Cat. Number 02ЕХ570.

[5]   Нарытник Т. Н., Бабак В. П., Ильченко М. Е.,

Кравчук С. А. Микроволновые технологии в телекоммуникационных системах. Киев: Технка, 2000 г.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты