Исследование и разработка излучающих систем для ретрансляции сигналов сухопутной подвижной радиосвязи в условиях сильного затенения

Сухопутная подвижная радиосвязь (СПР) в настоящее время является одним из наиболее динамично развивающихся направлений в области телекоммуникаций. Наряду с быстрым непрекращающимся ростом числа сетей, операторов и абонентов СПР общего пользования, наблюдается устойчивая высокая активность в области создания, развития, расширения и модернизации профессиональных (специальных и корпоративных) сетей, систем и подсистем СПР различного назначения и принадлежности, используемых для организации телефонной связи и передачи данных.

Жесткие тактико-технические (оперативно-технические) требования к профессиональным системам СПР (ССПР), как транкинговым, так и с закрепленными за абонентами каналами, в большинстве случаев предполагают принятие специальных мер для резкого повышения надежности и качества радиосвязи в пределах зон обслуживания в местах постоянного или временного пребывания абонентов и на маршрутах их следования с учетом характера рельефа и наличия зон затенения (в том числе сильного), связанных с изрезанностью рельефа местности, наличием затеняющих зданий, деталей ландшафта и т. д. В ряде случаев, особенно для подсистем пешей радиосвязи, отдельные места временного пребывания (маршруты) находятся в сильно экранирующих компактных и протяженных сооружениях, включая подземные.

Традиционные способы обеспечения подвижной радиосвязи в зонах затенения на местности посредством размещения в соответствующих пунктах дополнительных базовых радиостанций или радиостанций-ретрансляторов без переноса рабочих частот, с использованием направленных и слабонаправленных антенн, в ряде случаев оказываются тактически несостоятельными из-за возникновения сильных замираний в зонах интерференции сигналов базовой станции и ретранслятора. Перенос рабочих частот передачи и приема в пределах выделенного диапазона, в принципе, позволяет решить эту проблему, однако многие профессиональные системы и подсистемы СПР, особенно с закрепленными каналами, не допускают использования переноса рабочих частот. Во многих случаях размещение вблизи зоны затенения активного ретранслятора является очевидным образом избыточным даже из технико-экономических соображений, вследствие чего представляется весьма актуальным и перспективным поиск решения проблемы на путях создания пассивного оборудования ретрансляции.

Применительно к обеспечению мобильной и пешей радиосвязи в протяженных экранирующих сооружениях (тоннели, коридоры), традиционная ретрансляция с использованием направленных антенн (систем направленных антенн) нередко недостаточно эффективна в связи с особенностями распространения радиоволн в протяженном сооружении. Применение распределенных излучающих систем (на основе радиоизлучающих кабелей) в настоящее время довольно ограничено, во многом — благодаря недостаточной проработке ряда важных теоретических и прикладных вопросов, связанных с проектированием подобных систем.

Таким образом, в настоящее время существует актуальная научно-техническая проблема создания эффективных излучающих систем для ретрансляторов сигналов сухопутной подвижной радиосвязи в условиях сильного затенения (экранирования), а также методик их анализа и проектирования.

Состояние вопроса.

Традиционные методы обеспечения радиосвязи, в том числе подвижной, в локальных зонах затенения на основе применения активных или пассивных ретрансляторов широко распространены в современной технике радиосвязи [1, 42, 58, 59, 67−75, 77, 78, 86]. Для ретрансляции сигналов в составе систем фиксированной связи [1, 42] (в основном, радиорелейных) достаточно широко используются пассивные ретрансляторы на основе пар остронаправленных антенн.

Ретрансляция сигналов СПР осуществляется в большинстве случаев активными ретрансляторами [67, 68, 75] с переносом рабочих частот радиоканалов или без переноса, причем в качестве излучающих систем ретрансляторов используются как типовые антенны стационарных объектов [3, 4, 31, 32, 59, 75], так и специально разработанные (адаптированные) для использования с ретрансляторами [58, 59, 67, 68, 75, 83].

Пассивные ретрансляторы СПР, в основном, используются в составе оборудования подвижных объектов [77, 78, 86] для компенсации экранирующего действия их кузова и представляют собой, соединение двух простых антенн: внешней (обычно, типовой) и внутренней.

Во всех рассмотренных случаях используются излучающие системы с относительно небольшими электрическими размерами на основе простых слабо-и средненаправленных антенн, вполне удовлетворительно работающие в условиях компактных экранирующих помещений (или в салонах подвижных объектов), но на местности не обеспечивающие ни оптимального облучения затененной зоны, ни надежного решения проблемы интерференционных замираний вблизи ее границ с учетом особенностей распространения радиоволн и характера затеняющих препятствий [11, 28].

Применительно к протяженным экранирующим сооружениям (тоннели, коридоры), вопросы обеспечения СПР решаются исключительно методами активной ретрансляции. В качестве излучающих систем в экранированной области пространства используются либо типовые антенны, установленные в сооружении (при необходимости — вдоль сооружения с определенной периодичностью) [58, 68, 75], или распределенные вдоль сооружения системы на основе излучающего кабеля [52−54].

В обоих случаях наиболее существенные проблемы связаны с особенностями распространения электромагнитных волн внутри экранирующего сооружения, наличием быстрых замираний, обусловленных многократными переотражениями, сильной зависимостью полей от электрофизических и геометрических параметров сооружения.

Проблеме анализа и моделирования распространения радиоволн в протяженных сооружениях посвящена обширная литература [7, 13, 55−57, 60−66, 6973, 76, 79−82, 84, 85, 87−92]. При этом, в большинстве случаев, рассматриваются процессы распространения электромагнитных волн вдоль тоннеля как своеобразной направляющей среды, на основе методов геометрической и физической оптики или с применением аппарата, разработанного для многомодовых волно-ведущих структур. Однако, для распределенных излучателей типа «излучающий кабель» указанные модели, принципиально ориентированные на анализ волновых процессов в структурах при их локальном возбуждении, не адекватны решаемой задаче и не могут быть успешно применены.

В рамках сформулированной проблемы, применительно к задачам разработки моделей и методик анализа, синтеза и проектирования излучающих систем ретрансляции, должны быть отмечены еще два существенных аспекта.

Во-первых, адекватность и достаточная точность моделей, эффективность методик и алгоритмов, должны обеспечиваться в современных условиях на основе строгих электродинамических методов анализа и синтеза [6, 19, 25, 26, 30, 36, 38, 50]. Сравнительная оценка существующих методов анализа электродинамических систем позволила, в качестве наиболее перспективных в рамках рассматриваемой проблемы, выделить методы интегрального уравнения, а из их числа — метод обобщенной эквивалентной цепи (ОЭЦ) [25, 26]. Это связано с тем, что существующие методы на основе тонкопроволочного приближения [50] эффективны для анализа систем из тонких проводников круглого поперечного сечения. При анализе проводников увеличенного сечения или другой формы их эффективность резко падает. Методы на основе интегральных уравнений с точным ядром, в том числе сводимых к сингулярным уравнениям [10, 39, 51], в настоящее время вообще развиты только применительно к круглоци-линдрическим проводникам. В отличие от них, метод ОЭЦ обеспечивает достаточную эффективность при анализе электрически толстых проводников и достаточно универсален в смысле формы поперечного сечения.

Во-вторых, поле в точке приема, в рамках рассматриваемой проблемы, носит ярко выраженный стохастический характер и его анализ требует применения соответствующих статистических методов [11, 13, 49, 55, 60, 64].

Цель работы — создание излучающих систем для устройств активной и пассивной ретрансляции сигналов сухопутной подвижной радиосвязи в условиях сильного затенения, включая полное экранирование, эффективных методик их анализа и проектирования.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе выполнена следующая программа исследований.

4.3 Выводы по разделу.

В настоящем разделе рассмотрены вопросы проектирования и проведены экспериментальные исследования разработанных систем ретрансляторов типа «излучающий кабель» и типа «плоская решетка».

Для системы типа «излучающий кабель» предложен вариант ее размещения во внутреннем помещении. Для организации радиосвязи в зоне тени предложено использовать принцип сдвоенного приема.

Для повышения к.п.д. системы ретранслятор выполнен в виде двухкас-кадного соединения кабелей.

Рассчитаны функции распределения уровня сигнала как случайной величины для одиночного и сдвоенного приема, определено эквивалентное увеличение мощности передатчика абонентской станции.

С целью проверки разработанной методики проектирования для данного типа ретранслятора были проведены экспериментальные исследования, основанные на многократном проведении измерений в случайно выбранных точках с определением по этим данным функций распределения. Оценка проводилась на основании сравнения соответствующих функций распределения, полученной в результате расчета и экспериментальных исследований.

Результаты сравнения показали корректность и эффективность разработанной методики проектирования таких систем.

Проектирование системы типа «плоская решетка» было проведено в рамках создания уменьшенного макета реального ретранслятора.

В ходе проектирования были реализованы заданные характеристики ретранслятора и проведены его натурные испытания в реальных условиях размещения.

Результаты натурных испытаний показали достаточное соответствие данным, полученным в результате расчета по разработанной методике.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе разработаны электродинамические модели излучающих систем ретрансляторов.

Проанализированы типы и основные характеристики зон затенения. В зависимости от причин и условий возникновения затенения, выделены три основных их типа. Применительно к рассматриваемой проблеме, обоснован выбор принципов ретрансляции и типов излучающих систем. Показано, что для использования в зонах затенения на местности (1-й и 3-й типы зон) наиболее перспективными являются пассивные ретрансляторы с излучающими системами типа «плоская решетка», а для экранирующих сооружений (2-й тип зоны) -излучающие системы типа «излучающий кабель». Сформулированы принципы работы каждой из перечисленных излучающих систем.

Разработана электродинамическая модель системы типа «излучающий кабель» в протяженном сооружении как линейной решетки щелевых излучателей в окружении параллельных ей плоских полупроводящих стенок при необходимых допущениях. Предложено использование для анализа метода зеркальных изображений элементарных магнитных вибраторов (ЭМВ) в системе взаимно-ортогональных пар плоскопараллельных зеркал конечной проводимости. Получены расчетные соотношения. Обоснована сходимость итерационного процесса, введен критерий сходимости по невязке граничного условия на стенке. Сформулирован способ перехода от ЭМВ к бесконечному кабелю в бесконечно протяженной структуре.

Разработана электродинамическая модель излучающей системы пассивного ретранслятора типа «плоская решетка», ориентированная на применение метода ОЭЦ. С учетом области применения модели, обоснована возможность рассмотрения двух вариантов ее построения: для отдельного элемента и для этажа излучающей системы. Показана возможность упрощения модели с учетом свойств симметрии на основе представления как стороннего поля (падающей локально-плоской волны), так и поля дифракции, в виде суперпозиции соответствующих синфазных и противофазных полей. Получены расчетные соотношения.

Разработаны методики анализа и синтеза излучающих систем ретрансляторов.

Разработана методика анализа системы типа «излучающий кабель» в присутствии полупроводящих стенок. Показано, что по причине наличия многократных отражений от стенок для анализа целесообразно использовать вероятностный подход с определением характеристик на основе многократных испытаний, в рамках каждого из которых находится поле на основе разработанной электродинамической модели при случайном положении точки наблюдения. Определены области возможного положения последний. Обоснован основной качественный показатель — минимально допустимая вероятность превышения полем заданного уровня. Обоснован подход к определению минимальной необходимой погонной мощности излучения на основе нахождения функции распределения поля как случайной величины.

Разработана методика синтеза излучающей системы типа «плоская решетка» по критерию максимума интенсивности сигнала в центре зоны обслуживания в области тени. Получены необходимые расчетные соотношения, позволяющие найти координаты элементов в этаже и секции системы с учетом соизмеримости размеров апертуры и расстояния до зоны обслуживания.

Разработана методика синтеза излучающей системы типа «плоская решетка» с полиномиальным распределением интенсивности сигнала в пределах зоны затенения. Показано, что с учетом специфики решаемой задачи наилучшим образом для аппроксимации подходят полиномы Чебышева. С использованием основных результатов известного решения задачи синтеза дольф-чебышевской решетки получены необходимые расчетные соотношения, позволяющие найти координаты элементов в этаже системы и соответствующее амплитудное распределение в предположении, что точка наблюдения находится в дальней зоне. Получена оценка погрешности, обусловленной этим предположением. Получены соответствующие величины поправки к расчетным данным.

Разработаны методики проектирования излучающих систем ретрансляторов.

Разработан алгоритм проектирования системы типа «излучающий кабель» в протяженном экранирующем сооружении. Рассмотрены последовательность выполнения различных стадий проектирования и их содержание. Определены критерии соответствия заданным техническим требованиям при работе на передачу и прием.

Разработана методика расчета погонного ослабления (за счет излучения), оптимального в смысле максимизации КПД. Рассмотрены различные варианты построения системы в пределах однородного участка трассы — однокаскадное исполнение кабеля в виде однородного отрезка и многокаскадное, со ступенчатым изменением величины погонного ослабления. Показано, что многокаскадное исполнение позволяет существенно увеличить КПД Найдены теоретические пределы максимизации КПД однокаскадного и многокаскадного исполнений. Показано, что при многокаскадном исполнении КПД зависит только от числа каскадов. Рассмотрены вопросы построения системы в целом при неоднородной трассе с учетом тепловых потерь в кабеле.

Рассмотрены вопросы организации сдвоенного приема в системе типа «излучающий кабель». Обоснована возможность обеспечения эффективного сдвоенного приема при прокладке приемного кабеля на относительно небольшом расстоянии от приемо-передающего. Показано, что анализ системы при сдвоенном приеме может выполняться для режима передачи по методике анализа одиночного кабеля с определение величины поля по двум полям — от двух кабелей. Определены оценка эффективности сдвоенного приема и критерий ее достаточности для соответствия техническим требованиям.

Разработан алгоритм проектирования излучающей системы типа «плоская решетка» на вершине затеняющего препятствия. Рассмотрены последовательность выполнения и содержание стадий проектирования. Рассмотрены вопросы определения поля в месте установки ретранслятора и оценки затеняющего действия препятствия.

Рассмотрены вопросы расчета элементов излучающей системы типа «плоская решетка». Получены необходимые для проектирования данные по исполнению и ориентации элементов, максимизирующих поле в обслуживаемой зоне в области тени, и элементов обеспечивающих расчетное амплитудное распределение при полиномиальной аппроксимации распределения поля.

Выполнено проектирование и проведены экспериментальные исследования разработанных систем ретрансляторов типа «излучающий кабель» и типа «плоская решетка».

Для системы типа «излучающий кабель» предложен вариант ее размещения во внутреннем помещении. Для организации радиосвязи в зоне тени предложено использовать принцип сдвоенного приема.

Для повышения КПД системы ретранслятор выполнен в виде двухкас-кадного соединения кабелей.

С целью проверки разработанной методики проектирования для данного типа ретранслятора были проведены экспериментальные исследования, основанные на многократном проведении замеров в точках вероятного положения абонента. Оценка проводилась на основании сравнения вида функции распределения величины напряжения на входе приемника (селективного вольтметра), полученной в результате расчета и экспериментальных исследований.

Результаты сравнения показали корректность и эффективность разработанной методики проектирования таких систем.

Проектирование системы типа «плоская решетка» было проведено в рамках создания уменьшенного макета реального ретранслятора.

В ходе проектирования были реализованы заданные характеристики ретранслятора и проведены его натурные испытания в реальных условиях размещения.

Результаты натурных испытаний показали хорошее соответствие данным, полученным в результате расчета по разработанной методике.

Использование результатов диссертации при выполнении работ в интересах Министерства обороны России позволило осуществить выбор перспективной номенклатуры типа излучающей системы ретранслятора, обосновать состав, структуру, элементную базу, основные схемотехнические, конструктивные и компоновочные решения планируемых к разработке изделий на основе радиоизлучающего кабеля. Это, в свою очередь, позволило обеспечить существенное улучшение ожидаемых тактико-технических характеристик изделий.

Внедрение результатов диссертационной работы при проведении НИР «Транспарант» по заказу Института систем обработки изображений РАН (Генеральный заказчик — Секция прикладных проблем при Президиуме Российской академии наук) способствовало достижению высокого качества и достоверности результатов НИР в целом, что, в свою очередь, открыло перспективы разработки оборудования пассивной ретрансляции, обеспечивающего устойчивую связь абонентов специальных и корпоративных систем мобильной радиосвязи в зонах затенения.

Внедрение результатов диссертационной работы и достигнутый при этом положительный эффект подтверждены соответствующими Актами, помещенными в Приложении.