Введение
Введение |
Широкое применение цифровых микроволновых радиорелейных сетей связи для замены устаревших аналоговых коммуникаций и организации новых связных структур объясняется появлением современных поколений аппаратуры, обеспечивающих существенно меньшие временные и материальные затраты по сравнению с кабельными и волоконно-оптическими связными структурами относительно небольшой протяженности. Однако, при этом серьезной проблемой становится обеспечение устойчивой работы систем связи в условиях неблагоприятных геоклиматических факторов и большого количества внутрисистемных и внешних помех. Особенно важной эта задача станет при возможном массовом появлении микроволновых многоканальных систем распределения информации, работающих в диапазонах частот свыше 18 - 30 ГГц.
Радиорелейные линии связи прямой видимости занимают одно из важнейших мест в системах средств передачи информации. Быстрое развитие технологии открывает новые возможности в этой области . Потребность в недорогих надежных ЦРРЛ с относительно небольшой протяженностью и емкостью стремительно возрастает. Для частот выше 10 ГГц разработано и имеется на рынке большое количество типов аппаратуры как отечественного, так и импортного производства (параметры некоторых типов аппаратуры приведены в прил. 1). Конструктивно, такая аппаратура часто выполняется в виде моноблоков, когда приемопередающее оборудование и антенна составляют единое целое. Это дает возможность строить на линиях связи простые необслуживаемые промежуточные станции с относительно недорогими антенными опорами. Многие системы полностью автоматизированы, управляются микропроцессорными или компьютерными устройствами, имеют гибкую структуру и обеспечивают реализацию различных конфигураций сетей.
Подобная аппаратура может применяться для организации:
· линий связи между населенными пунктами;
· телекоммуникационных сетей связи;
· технологических линий и сетей связи для железнодорожного транспорта, энергосистем, газо- и нефтепроводов;
· связи между компьютерными и офисными центрами;
· соединительных линий между базовыми станциями сотовой и подвижной связи;
· микроволновых систем распределения информации;
· временных линий и сетей связи для проведения массовых мероприятий или аварийно-спасательных работ;
· линий и сетей связи для производственных объединений;
· сетей связи для крупных сельскохозяйственных предприятий.
Высокие технические характеристики современной аппаратуры позволяют применить упрощенную практическую методику для расчетов.
Радиорелейные системы связи представляют собой совокупность приемопередающих станций, расположенных на расстояниях прямой видимости между антеннами. Абсолютное большинство подобных структур работают в микроволновых диапазонах радиочастот (диапазонах СВЧ - единицы и десятки гигагерц). Как следствие этого, современное оборудование радиорелейной связи использует очень маленькие мощности передающих устройств, составляющие десятки или сотни милливатт за счет применения высокоэффективных направленных антенн. Расстояние между ближайшими станциями зависит от множества причин и составляет от нескольких километров до нескольких десятков километров.
Перед рассмотрением вопросов построения современной радиорелейной аппаратуры нужно вспомнить основные особенности микроволнового оборудования разных поколений. Аппаратура микроволновой связи первого поколения, к которой в основном относятся радиорелейные линии связи, ведущие свою историю с 40-50-х годов 20 века, была весьма громоздкой и тяжелой. Обычно она состояла из специализированных стоек, высотой порядка 2 м и весом несколько сотен килограмм, отдельно содержащих приемопередатчики, модемы, системы управления резервом, системы служебной связи, телеуправления, телесигнализации и пр. Аппаратура потребляла довольно большую мощность и питалась от трехфазной сети переменного тока и резервных дизельных электростанций. Для круглосуточного обслуживания оборудования требовался довольно большой штат специалистов.
Перечисленные особенности определяли и типовую компоновку станции связи (рис. В-1). Основное оборудование располагается в здании аппаратной, около которой устанавливается антенная опора. Антенная опора выполняется в виде мачты (металлической фермы) или железобетонной башни высотой несколько десятков метров для обеспечения прямой видимости со следующей станцией системы связи. На антенной опоре устанавливаются антенны, с помощью которых передаются и принимаются радиосигналы для связи с ближайшими станциями, расположенными на расстояниях прямой видимости (30 - 60 км). Так как в аппаратуре первого поколения использовались диапазоны частот 2, 4, 6 и 8 ГГц, то при требуемом коэффициенте усиления антенн порядка 40 дБ, габариты антенн исчисляются несколькими метрами и, соответственно, имеют массу сотни килограмм. Очевидно, что антенная опора, удерживающая этот вес, противостоящая ветровым нагрузкам и сохраняющая неизменное положение при смене сезонов, температуры и прочих факторов является весьма сложным и дорогостоящим инженерным сооружением.
Радиочастотные сигналы в направлениях приема и передачи подаются при помощи волноводных фидерных линий, которые связывают приемопередатчики и антенны. Длина фидерных линий примерно соответствует высоте антенной опоры плюс длины горизонтальных участков, которые складываются из участков волноводов между антенной опорой и зданием аппаратной и участков, располагающихся внутри помещений здания. При этом величина потерь сигнала в фидерных волноводах составляет несколько децибел, а в отдельных случаях превышает 10 дБ, что существенно ухудшает энергетический баланс системы связи.
Основная задача систем микроволновой связи первого поколения – передача аналоговой информации на расстояния в сотни и тысячи километров (т.е. система компоновалась как линия связи, содержащая большое число ретрансляторов). При естественном стремлении уменьшить число переприемов (ретрансляций) на линии связи приходилось увеличивать высоты антенных опор, что дополнительно увеличивало их стоимость.
Все вышеперечисленное приводило к тому, что прежнее радиорелейное оборудование представляло собой весьма дорогую, сложную и громоздкую систему, с трудом конкурирующую с кабельными, волоконно-оптическими и спутниковыми структурами связи. Характерные представители отечественного оборудования первого поколения - системы Р - 60/120 и Р-600 с несколькими модификациями.
Микроволновое оборудование второго поколения отличается построением ряда узлов на транзисторах, микросборках и микросхемах, что несколько снизило энергопотребление и увеличило надежность систем связи. Основными представителями оборудования второго поколения является отечественная и зарубежная аппаратура Восход, Курс, Дружба, ГТТ и пр.
В конце 80-х годов 20 века появляется оборудование микроволновой связи третьего поколения, которое характеризуется переходом к передачецифровых сигналов и новой элементной базой (микросхемы, микропроцессоры, активные полупроводниковые элементы СВЧ). Данная аппаратура применяется для замены оборудования первого и второго поколения и создания новых структур связи. Компоновка оборудования осталась прежней (рис. В-1).
Настоящая революция в компоновках оборудования, схемотехнике и структурах систем связи началась в 90-х годах 20 века в результате повсеместного перехода к цифровым методам работы и достижениям электронных технологий. При этом значительно уменьшились габариты и энергопотребление элементов при существенном увеличении быстродействия. Появились новые элементы СВЧ техники (высокостабильные транзисторные генераторы, малошумящие усилители СВЧ для приемников, линейные малогабаритные усилители мощности СВЧ для передатчиков и пр.), что обеспечило появление аппаратуры микроволновой связи четвертого поколения и освоение диапазонов частот радиосигналов выше 10 ГГц. Резкое уменьшение габаритов приемопередатчиков изменило как конфигурацию структур беспроводной связи, так и компоновку оборудования (рис. В-2). Приемопередатчики устанавливаются на антенной опоре в непосредственной близости от антенн или прямо пристыковываются к ним, что минимизирует длины фидерных линий и, соответственно, потери СВЧ сигналов. Модемное и мультиплексорное оборудование, устройства управления и контроля, источники питания и пр. устанавливаются во внутреннем блоке, располагающемся в помещении. Связь между наружными и внутренними устройствами осуществляется при помощи одного или нескольких кабелей длиной 100 - 400 м. Общая масса оборудования такой компоновки исчисляется единицами или десятками килограмм при энергопотреблении в десятки или сотни ватт. Как правило, подобная аппаратура снабжается совершенной системой автоматизированного управления и контроля, часто с помощью компьютеров, что позволяет резко сократить штаты специалистов по обслуживанию системы связи и увеличить экономическую эффективность и конкурентоспособность микроволновых структур.
Увеличение быстродействия элементной базы позволило разработать эффективные способы сжатия цифровых сигналов, новые методы модуляции, кодирования и обработки информации. При этом произошло существенное повышение пропускной способности систем связи и резкое увеличение спектральной эффективности. К примеру, существуют микроволновые системы, позволяющие передать цифровые потоки со скоростью 155.52 Мб/с (STM-1) в полосе частот 20 - 30 МГц.
В последние несколько лет начинает появляться оборудование микроволновой связи, которое можно отнести к начальным разработкам аппаратуры пятогопоколения (MINI-LINK E Micro, Pasolink Plus, FlexiHopper, Galaxy, Антерум). Характерная особенность такой аппаратуры – дальнейшее уменьшение габаритов и энергопотребления и совершенствование систем управления. При необходимости такое оборудование может быть выполнено в виде компоновки, показанной на рис. В-3. Здесь практически все оборудование находится в одном наружном блоке. В помещении могут находится только интерфейсы цифровых потоков, источник питания и, при необходимости, управляющий компьютер.
Рис. В-3
В результате появления новой элементной базы СВЧ – монолитных микроволновых интегральных схем (MMIC), приемопередающее оборудование может занимать объем в несколько десятков кубических сантиметров или выполняться в виде планарной конструкции, площадью несколько квадратных дециметров. В перспективе, возможно, появится микроволновое оборудование, выполненное в виде плоской конструкции толщиной в несколько сантиметров. Такое устройство может содержать все электронные компоненты и планарную антенну с фазированной управляемой решеткой.
Организационно радиорелейные системы состоят из интервалов и секций или участков. Интервал представляет собой пролет между двумя ближайшими станциями, а секция, применительно к цифровым системам, - структура, заключенная между оборудованием ввода и вывода цифровой информации т.е. между мультиплексорами и демультиплексорами. Поэтому в цифровых системах часто используется термин мультиплексорная секция.
