Методики энергетического расчета канала дальней тропосферной радиосвязи

Владимир Иванович Шлома, 2016

На основе известных методик, предназначенных для расчетов исключительно в ручном режиме и не позволяющих выполнять энергетический расчет трассы дальней тропосферной связи на ЭВМ, разработаны методики расчета, позволяющие автоматизировать этот процесс с выполнением вычислений на ЭВМ. Методики позволяют выполнять расчет трасс, расположенных в любом регионе мира, и обеспечивают результаты расчетов, приемлемые для их практического использования.

Введение

Задача расчета радиолиний, использующих типовые станции дальней тропосферной радиосвязи (ДТР), состоит в том, чтобы по известным энергетическим параметрам аппаратуры определить дальность связи, при которой будет обеспечена заданная надежность связи. При этом под надежностью связи понимается процент времени по отношению к определенному периоду работы радиолинии, в течение которого обеспечивается заданное качество связи, т. е. заданное отношение сигнал/шум на выходе телефонного канала радиолинии, или заданная достоверность передачи двоичной информации (заданный процент искаженных или не принятых посылок к переданным). Количественно надежность связи определяется вероятностью того, что в течение определенного времени информация будет приниматься с заданным превышением сигнала над шумами на выходе радиолиний.

Надежность и дальность связи являются основными характеристиками, определяющими возможности станций. Они неразрывно связаны друг с другом. Нельзя говорить о дальности действия станции без указания, какая при этом обеспечивается надежность связи. Поскольку, с увеличением дальности связи значительно увеличивается ослабление радиоволн на трассе и падает уровень принимаемого сигнала, то естественно, что надежность связи при этом будет уменьшаться. Требования к дальности и надежности связи являются противоречивыми. Можно получить большие дальности при низкой надежности связи и, наоборот, можно обеспечить очень высокую надежность связи при небольшой дальности.

Тропосферные радиолинии характеризуются очень длинными трассами, обычно от 100 км до почти 1000 км. Это дает очень сильное ослабление на трассе, что можно компенсироваться использованием очень большой излучаемой мощности, большими коэффициентами усиления антенн и чувствительными малошумящими приемниками. Дополнительно в некоторых случаях может понадобиться разнесение. Используемые диапазоны частот: УВЧ и нижняя часть диапазона СВЧ.

Процесс тропосферного распространения происходит над трассами, продолжающимися за пределами нормального радиогоризонта. Существует только две постоянных при процессе тропосферного распространения на частотах выше 30 МГц: дифракция и тропосферное рассеяние.

Характерной особенностью тропосферного распространения является многолучёвость сигнала. Искажения, создаваемые задержками многолучёвости, создают интермодуляционный шум в аналоговых линиях и межсимвольные искажения в цифровых линиях.

Первые работы по механизму тропосферного распространения появились примерно в 1950 году. После этого в течение приблизительно 15 лет проводилось большое количество теоретических исследований и происходило много научных обсуждений. Превосходство одной или другой теории никогда не признавалось. Однако был признан главный механизм турбулентного рассеяния и неоднородности слоя рефракции [Friis и др., 1957г.], а также, что соответствующие процессы обоих явлений могут вести себя, в основном в зависимости от климатических характеристик рассматриваемого географического района.

Были разработаны математические модели, описывающие потери при тропосферном рассеянии, основанные на таких параметрах, как масштаб турбулентности и размер слоя. Однако из-за трудности в получении этих параметров из метеорологических измерений, эти модели не использовались в практических применениях. Поэтому для практического применения использовались методы расчета, использующие эмпирическую или полуэмпирическую модели для вычисления потерь при передаче.

В настоящее время прогнозирование тропосферного рассеяния на трассах основано на этих эмпирических или полуэмпирических методах. Два метода были опубликованы в 1965 году и использовались как справочные материалы для исследований МСЭ-R в течение более 20 лет. Один из них соответствует упрощенной версии метода Национального бюро стандартов Соединенных Штатов (НБС), впервые опубликованному в мае 1965 года и затем пересмотренному два года спустя.

Международным комитетом по электросвязи были проведены испытания трех наиболее известных методов прогнозирования потерь (Zhang, 1988 г.; Rice и др., 1967 г. и Boithias и Battesti, 1965 г.) на 25 тропосферных трассах. Испытания показали, что метод Zhang, 1988 г. дает погрешность не более 0,7 дБ, в то время как второй метод дает погрешность порядка 3 дБ, а третий — порядка 4,2 дБ. На основании первого метода были разработаны рекомендации МСЭ-R для расчета тропосферных линий связи: РЕКОМЕНДАЦИЯ МСЭ-R P.617-3 — для распространения за счет тропосферного рассеяния, и РЕКОМЕНДАЦИЯ МСЭ-R P.530-15 — для распространения за счет дифракции.

Проведенный анализ показал, что для наших целей можно использовать метод расчета трассы для тропосферного рассеяния. Метод расчета трассы для распространения за счет дифракции оказался для наших целей неприемлемым, так как предназначен для расчета конкретной трассы с известным профилем и не может быть применен для расчета обобщенных трасс при неизвестном профиле трассы.

Анализ отечественных источников показал, что для расчета обобщенной тропосферной трассы при распространении за счет тропосферного рассеяния наиболее подходит метод, изложенный в книге Ю.В. Давыденко, Дальняя тропосферная связь 1968 г. Как указывает автор, многочисленные испытания этого метода, проводимые в свое время в различных районах СССР, подтвердили достоверность расчета потерь на тропосферных линиях связи порядка 3 дБ.

В настоящее время существует много различных методик энергетического расчета канала ДТР в которых используются разные исходные данные и получаются разные результаты вычислений, зачастую, несравнимые между собой. Не имея результатов испытаний станций ДТР, практически невозможно разобраться какие из этих методик дают достоверные результаты, а какие нет. На наш взгляд, как наиболее достоверные, можно отметить две методики: методика, изложенная в книге Ю.И. Давыденко «Дальняя тропосферная связь» [1], предназначенная для расчета радиолиний, расположенных на территории бывшего СССР, и методика, изложенная в рекомендациях МСЭ-R P.617 [2], не имеющая ограничений по расположению радиолиний, но, ввиду ее глобальности, имеющая меньшую достоверность результатов вычислений. К сожалению, в этих методиках рассчитываются разные показатели и непосредственно их нельзя сравнивать, но, после их приведения к одному виду, они дают достаточно близкий результат для расчетов полного затухания на трассе в центральной части России (погрешность порядка 0,5 дБ). Однако, графоаналитический метод, используемый в этих методиках, не позволяет автоматизировать расчеты с использованием ПЭВМ.

В данной статье приведены две доработанные методики. В основу первой методики положена методика, изложенная в книге Ю.И. Давыденко «Дальняя тропосферная связь», в которую внесены некоторые изменения с целью повышения достоверности и сравнимости результатов расчетов со второй методикой, а также выполнена аппроксимация графиков для автоматизации вычислений на ПЭВМ. В основу второй методики положена методика, изложенная в рекомендациях МСЭ-R P.617, в которую внесены небольшие изменения для сравнимости результатов с первой методикой, и выполнена аппроксимация графиков. По предлагаемым методикам вычисляется отношение сигнал/шум на входе приемника и вероятность битовой ошибки при заданных дальности и надежности связи, а также предельная дальность связи при заданных вероятности битовой ошибки и надежности связи.