Research of the maximum range of communication organization on the radio relay interval for creating an information database of pre-project selection of equipment taking into account the frequency range

Texto integral

В настоящее время радиорелейные станции (РРС) часто заменяются волоконно- оптическими линиями связи. Однако в ряде случаев применение РРС остается единственным способом, обеспечивающим организацию высокоскоростных транспортных каналов связи в тех местах, где прокладка кабеля невозможна или нецелесообразна по экономическим соображениям или по причине отсутствия достаточного временного промежутка для организации связи [1; 2]. В пригородных и сельских районах с недостаточной степенью проникновения современной телекоммуникационной инфраструктуры применение радиорелейных станций решает эту проблему за счет оперативности развертывания, относительно быстрой окупаемости и высокой пропускной способности. В городской застройке с высоким уровнем урбанизации радиорелейные линии часто также становятся единственным приемлемым вариантом организации каналов передачи больших объёмов информации между узлами связи, ввиду отсутствия свободных ресурсов для организации дополнительных каналов связи в существующих коммуникациях.

Небольшие организации, нуждающиеся в использовании радиорелейных каналов, как правило, не имеют собственных систем предварительного проектирования РРЛ, более того, часто подрядные организации реализующие радиорелейное оборудование также не имеют в своём распоряжении подобного рода систем и специалистов экспертного уровня для принятия решения о выборе адекватного оборудования для реализации проекта или принятия решения о возможности и целесообразности такового. Продажи оборудования могут происходить без экспертной оценки возможности и необходимости организации каналов связи, а также гарантий качества создаваемых систем.

С целью сокращения времени принятия решения о возможности организации радиорелейных каналов необходим справочный ресурс, отражающий максимальные возможности телекоммуникационного оборудования, являющегося основным при строительстве радиорелейных интервалов (РРИ). Справочный ресурс или информационная база данных допроектного выбора оборудования упростит правильный выбор частотного диапазона радиорелейных средств, в котором будет возможность организовать информационный канал с заданной дальностью на территории Астраханской области [5].

Для создания справочного ресурса допроектного выбора оборудования целесообразно использовать методики расчёта, основанные на ГОСТ Р 53363-2009.

Для определения максимальной дальности организации радиорелейной связи, например, в диапазоне 13 ГГц при мощности передатчика РРС 30 дБм производится расчёт зависимости потерь при распространении в свободном пространстве от расстояния [3-4]. Для этого используется формула:

$L_0\left(R\right)=92.45+20log\left(f\right)+20log\left(R\right),$ (1)

где: f = 13 ГГц – частота;

R – протяженность интервала [км].

Для расчета зависимости ослабления [дБ] радиосигнала в атмосферных газах от расстояния [км] рассчитывается удельное ослабление сигнала в кислороде воздуха и удельное ослабление сигнала в водяном паре.

Здесь формула удельного ослабления сигнала в кислороде воздуха имеет вид (2):

${\gamma }_{о}=\left(\frac{7.2r_t^{2.8}}{f^2+0.34r_p^2{r}_t^{1.6}}+\frac{0.62{\xi }_3}{{\left(54-f\right)}^{1.16{\xi }_1}+0.83{\xi }_2}\right)f^2{r}_p^2\cdot {10}^{-3}=7.613\cdot {10}^{-3}дБ/км,$ (2)

где: t = 29 °C – макс. среднемесячная температура воздуха в астраханской области (АО);

p = 1021мбар – макс. среднемесячное атмосферное давление в АО;

$\begin{array}{l}{r}_t=\frac{288}{273+t}=\mathrm{0,954};\\ r_p=\frac{p}{1013}\mathrm{1,008};\\ {\xi }_1=r_p^{\mathrm{0,717}}{r}_t^{-\mathrm{1,8132}}\exp \left[\mathrm{0,0156}\left(1-r_p\right)-\mathrm{1,6515}\left(1-r_t\right)\right]=\mathrm{1,015};\\ {\xi }_2=r_p^{\mathrm{0,5146}}{r}_t^{-\mathrm{4,6368}}\exp \left[\mathrm{0,1921}\left(1-r_p\right)-\mathrm{5,7416}\left(1-r_t\right)\right]=\mathrm{0,957};\\ {\xi }_3=r_p^{\mathrm{0,3414}}{r}_t^{-\mathrm{6,585}}\exp \left[\mathrm{0,2130}\left(1-r_p\right)-\mathrm{8,5854}\left(1-r_t\right)\right]=\mathrm{0,919.}\end{array}$

Удельное ослабление сигнала в водяном паре составляет (3):

${\gamma }_{H2O}=\left[\frac{\mathrm{3,98}{\eta }_{1}exp\left[\mathrm{2,23}\left(1-r_1\right)\right]}{{\left(f-\mathrm{22,235}\right)}^2+\mathrm{9,42}{\eta }_1^2}g\left(f\mathrm{,22}\right)+\frac{\mathrm{11,96}{\eta }_{1}exp\left[\mathrm{0,7}(1-r_1)\right]}{{(f-\mathrm{183,31})}^2+\mathrm{11,13}{\eta }_1^2}\right.+$

$\begin{array}{l}+\frac{\mathrm{0,081}{\eta }_1\exp \left[\mathrm{6,44}(1-r_t)\right]}{{\left(f-\mathrm{321,226}\right)}^2+\mathrm{6,29}{\eta }_1^2}+\frac{\mathrm{3,66}{\eta }_1\exp \left[\mathrm{1,6}(1-r_t)\right]}{{(f-\mathrm{325,153})}^2+\mathrm{9,22}{\eta }_1^2}+\\ +\frac{\mathrm{25,37}{\eta }_1\exp \left[\mathrm{1,09}(1-r_t)\right]}{{(f-380)}^2}+\frac{\mathrm{17,4}{\eta }_1\exp \left[\mathrm{1,46}(1-r_t)\right]}{{(f-448)}^2}+\\ +\frac{\mathrm{844,6}{\eta }_1\exp \left[\mathrm{0,17}(1-r_t)\right]}{{(f-557)}^2}g\left(f\mathrm{,557}\right)+\frac{290{\eta }_1\exp \left[\mathrm{0,41}(1-r_t)\right]}{{(f-752)}^2}g\left(f\mathrm{,752}\right)+\end{array}$

$\left.+\frac{83328{\eta }_2\exp \left[\mathrm{0,99}(1-r_t)\right]}{{(f-1780)}^2}g\left(f\mathrm{,1780}\right)\right](f^{2}p{r}_t^{\mathrm{2,5}}\cdot {10}^{-4})=\mathrm{0,039}дБ/\text{км,}$  (3)

где: r = 20 г/см3 – абсолютная влажность, рассчитанная для средней относительной влажности и максимальных среднемесячных температуры и влажности;

$\begin{array}{l}{\eta }_1=\mathrm{0,955}{r}_p{r}_t^{\mathrm{0,68}}+\mathrm{0,006}\rho =\mathrm{1,052};\\ {\eta }_2=\mathrm{0,735}{r}_p{r}_t^{\mathrm{0,5}}+\mathrm{0,0353}{r}_t^4\rho =\mathrm{1,307};\\ g(f,f_i)=1+{\left(\frac{f-f_i}{f+f_i}\right)}^2.\end{array}$

Расчёт зависимости (4) ослабления [дБ] радиосигнала в атмосферных газах от расстояния происходит по формуле [км]:

$A_a\left(R\right)=\left({\gamma }_{О}+{\gamma }_{H2O}\right)R.$ (4)

Расчёт зависимости (5) мощности сигнала на входе приёмника [дБм] от расстояния [км] имеет вид:

$P_{ПРМ}\left(R\right)=P_{ПРД}+G_1+G_2-L_0\left(R\right)-L_{Ф1}-L_{Ф2}-A_a\left(R\right),$  (5)

где: $P_{ПРД}$= 30 дБм – мощность передатчика;

$G_1$ = $G_2$ = 44,8 дБи – коэффициенты усиления антенн;

$L_{Ф1}$= $L_{Ф2}$= 0,5 дБ – потери в фидерах.

Рассчитаем зависимость (6) запаса на замирания [дБ] от расстояния [км]:

$F\left(R\right)=P_{ПРМ}\left(R\right)-P_{ПРМ.порог},$  (6)

где: $P_{ПРМ.порог}$= -75 дБм – пороговый уровень сигнала на входе приёмника.

Рассчитаем зависимость (7) коэффициента [%] сильнопоражённых ошибками секунд (Severely Errored Second Ratio, SESR), обусловленного влиянием дождей, от расстояния [км]:

$SES{R}_{\partial }\left(R\right)=P_{\partial }\left(R\right)\cdot Q\left(R\right),$  (7)

где: $P_{\partial }\left(R\right)$– вероятность отказа, вызванная дождём, %;

$Q\left(R\right)$ – коэффициент для расчета, зависящий от $P_{\partial }\left(R\right)$.

При расчете $P_{\partial }\left(R\right)$ используются следующие параметры:

I =16 мм/ч – средняя интенсивность дождей в АО;

h₁ = h₂ = 30 м – высоты подвеса антенн;

$k_{в}$= 0,03041 , $k_{г}$ = 0,03266 , ${\alpha }_{г}$= 1,1586 , ${\alpha }_{в}$ = 1,0901 – коэффициенты, зависящие от частоты передачи (см. рекомендацию МСЭ-R P.838-3);

$\tau =0°$– угол наклона оси поляризации по отношению к горизонтали. 0° если поляризация линейная, 45° если круговая.

$Q\left(R\right)=\min (\mathrm{12,0.1227}\cdot 27\cdot {\left[P_{\partial }\left(R\right)\right]}^{-0.1227}).$

Рассчитаем зависимость (8) коэффициента [%] сильнопоражённых ошибками секунд, обусловленного интерференционными замираниями, от расстояния [км]:

$SES{R}_{инт}\left(R\right)=T_{инт}\left(R\right)\cdot {10}^{-\mathrm{0,1}F\left(R\right)},$  (8)

где: $T_{инт}\left(R\right)=Q_{инт}\cdot T_{\Delta \epsilon }\left(R\right)$– процент времени, в течение которого в системе будут интерференционные замирания [%];

$Q_{инт}$= 1 – фактор влияния условий земной поверхности, учитывающий наличие отраженных волн от поверхности Земли. Принимается равным 1, если отсутствуют значительные неровности рельефа;

$T_{\Delta \epsilon }\left(R\right)=Kc{R}^d{f}^b$ вероятность появления гладких интерференционных замираний [%];

$K=2\cdot {10}^{-3},c=\mathrm{0,5,}d=\mathrm{2,}b=\mathrm{1,5}$ – коэффициенты, учитывающие климатические особенности района;

F (R) – запас на замирания [дБ].

Рассчитаем зависимость (9) общего коэффициента [%] сильнопоражённых ошибками секунд от расстояния [км]:

$SESR\left(R\right)=SES{R}_{\partial }\left(R\right)+SES{R}_{инт}\left(R\right).$ (9)

На рисунке 1 представлены результаты расчетов зависимости коэффициентов сильнопоражённых ошибками секунд. Пунктиром обозначен уровень допустимого значения этого коэффициента – 0,006%.

Рис. 1. Графическое представление зависимости коэффициентов сильнопоражённых ошибками секунд от расстояния с учётом уровня допустимого значения общего коэффициента – 0,006%.

На рисунке 2 построена зависимость пригодности трассы от расстояния по которой определяется максимальная дальность связи [км]. Учитывая, что норма по коэффициенту сильнопоражённых ошибками секунд – 0,006% [6], получаем, что дальность связи для частоты 13 ГГц и мощности передатчика 30 дБм – 29,1 км:

Рис. 2. Зависимость пригодности трассы от расстояния с отметкой максимальной дальности связи.

Рассмотренный пример промоделирован в автоматизированном расчётном комплексе RPLS ONEGA. Построен радиорелейный интервал в ONEPLAN RPLS-DB Link (см. рис. 3) с рассчитанной длиной 29,1 км, частотой передачи 13 ГГц, мощностью передатчика 30 дБм, а также остальными параметрами, указанными в расчетах. Расположение интервала выбрали на юге астраханской области вне пересечений водных преград. Такие условия являются более благоприятными и это является частью основного исследования для условий Астраханской области.

Рис. 3. Моделируемый в ONEPLAN RPLS-DB Link радиорелейный интервал.

Проведён расчет пригодности (см. рис. 4) этого интервала и подтверждена правильность проделанных расчетов.

Рис. 4. Расчет пригодности радиорелейного интервала в ONEPLAN RPLS-DB Link.

Как видно из рисунка 4, проведённые расчёты соответствуют расчётным результатам, полученным на программном комплексе ONEPLAN RPLS-DB Link. Проведены аналогичные расчеты дальности связи для каждой частоты (7–38 ГГц) и с учётом мощности передатчика (16–30 дБм).

Итоговые результаты расчетов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Итоговая справочная таблица возможной дальности связи в зависимости от частотного диапазона и мощности передатчика

Таким образом, полученные результаты являются материалом, рассчитанным для условий Астраханской области, степной местности, без водных преград и практически в отсутствии лесной растительности. Такие условия можно считать идеальными с учётом местного климата. Результаты расчётов проверены в автоматизированном расчётном комплексе RPLS ONEGA модуль Link (для радиорелейных систем). Полученные данные могут использоваться в качестве допроектного планирования развития или оптимизации той части сети оператора, которая базируется на радиорелейных линиях. Использование подготовленной таблицы поможет сориентироваться на максимально возможные дистанции для радиорелейных систем определённой мощности для принятия решения о возможности или необходимости строительства радиорелейной линии в качестве соединительной линии между узлами связи или привязки узлов связи к центрам коммутации.

Sobre autores

V. Nikulin

Autor responsável pela correspondência
Email: ogarevonline@yandex.ru

O. Pishchin

Email: ogarevonline@yandex.ru

I. Chulkov

Email: ogarevonline@yandex.ru

Bibliografia

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares

Ação

1. JATS XML

Baixar

2. Fig. 1. Graphical representation of the dependence of the coefficients of highly error-affected seconds on the distance, taking into account the level of the permissible value of the overall coefficient – ​​0.006%.

Baixar (101KB)

Metadados

3. Fig. 2. Dependence of the route suitability on the distance with the maximum communication range mark.

Baixar (34KB)

Metadados

4. Fig. 3. Radio relay interval simulated in ONEPLAN RPLS-DB Link.

Baixar (203KB)

Metadados

5. Fig. 4. Calculation of the suitability of a radio relay interval in ONEPLAN RPLS-DB Link.

Baixar (209KB)

Metadados