|
"ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ" N 5 , 2000 | |
МИЛЛИМЕТРОВЫЕ ВОЛНЫ В СИСТЕМАХ СВЯЗИ
Р.П. Быстров*, А.В. Петров**, А.В. Соколов***
*Российская
Академия ракетных наук,
**Летно-испытательный институт им. Громова,
***Институт
радиотехники и электроники РАН
Получена 16 мая 2000 г.
Статья посвящена обзору перспектив использования миллиметровых радиоволн в системах наземной , бортовой и спутниковой связи. Дается анализ состояния исследований распространения миллиметровых радиоволн в атмосфере.
В итоге бурного прогресса в развитии систем и средств связи как в нашей стране, так и за рубежом сегодня уже стало ясно, что миллиметровые волны (ММВ) – это новый огромный диапазон, намного превышающий по занимаемой полосе частот все то, что находилось до сих пор в распоряжении человечества. Длительное время ММВ считались непригодными для практического использования из-за отсутствия совершенных средств генерации, приема, канализации СВЧ колебаний, а также из-за незнания законов их распространения в земной атмосфере. Созданию систем связи в миллиметровом диапазоне волн предшествовали многочисленные исследования особенностей распространения этих волн в земной атмосфере, а также разработки новых средств генерации и приема СВЧ сигналов на частотах выше 30 ГГц. Сегодня представляет несомненный интерес сделать анализ тенденций развития и применения миллиметровых систем связи различного назначения по данным отечественных и зарубежных публикаций.
Особенности применения ММВ
К числу неоспоримых преимуществ применения ММВ в системах связи следует отнести прежде всего такие факторы как увеличение объема и скорости передачи информации, высокое усиление антенн при малой их апертуре и повышенная помехозащищенность канала связи.
Особенность использования ММВ для радиосвязи (наземной, спутниковой, а также для связи летательных аппаратов) состоит в том, что при их распространении радиоизлучение затухает в атмосферных газах и гидрометеорах. При взаимодействии излучения со средой возникают процессы рассеяния, ослабления и деполяризации излучения, а также амплитудные и фазовые искажения сигналов. Ослабление радиоизлучения в атмосфере имеет общую тенденцию возрастать с ростом частоты и зависеть от погодных условий. Однако на ММВ интенсивность поглощения радиоволн не столь велика как в субмиллиметровом диапазоне волн и обусловлена наличием молекул кислорода и водяного пара на частотах 22,2 (Н
2О), 60 (O2) , 118,8 (O2) и 180 (H2O) ГГц.В целом ММВ относятся к волнам с переменной дальностью действия из-за сравнительно большого молекулярного поглощения в парах воды и кислороде воздуха, а также из-за ослабления в различных гидрометеорах атмосферы.
С учетом статистики различных гидрометеоров, влажности воздуха в атмосфере можно показать, что полное удельное ослабление ММВ a в 99,98 % времени в указанных линиях поглощения не будет превосходить значений, указанных в таблице. При этом делалось допущение о том, что молекулярное поглощение и ослабление в дожде и мокром снеге воздействует на распространяющееся излучение одновременно, хотя это редко имеет место.
|
Полное ослабление в атмосфере |
Длина волны, мм |
|||
|
1,64 |
2,5 |
5,0 |
12,5 |
|
|
H2O + O2 + дождь (10 мм/ч)+ мокрый снег (1 мм/ч), дБ/км a , км-1 |
12,8 |
5,5 |
7,3 |
2,76 |
Из данных таблицы следует , что на линиях молекулярного поглощения в диапазоне миллиметровых радиоволн возможно обеспечение работы линий широкополосной связи в наземных условиях на расстояниях в несколько километров.
Следует также подчеркнуть, что на волнах 5 и 2,5 мм при умеренной влажности атмосферы ( ~7,5 г/м3 )у земной поверхности полное ослабление излучения при вертикальном распространении радиоволн в атмосфере в центрах линий поглощения кислорода может превышать 200 дБ. Это в свою очередь полностью исключает возможность несанкционированного приема информации с комических носителей.
В настоящее время для более протяженных линий связи представляют интерес “окна прозрачности” атмосферы на частотах 35, 94, 140 и 220 ГГц, где наблюдается минимальное затухание по сравнению с соседними участками ММВ. На средних широтах при умеренной влажности и температуре воздуха в ясную погоду летом у земной поверхности полное ослабление невелико и при вертикальном распространении через атмосферу на частоте 94 ГГц не превышает 1,3 дБ. [1, 2].
Спутниковая связь
В настоящее время увеличение объема обрабатываемой информации в развитых странах пропорционально квадрату роста промышленного потенциала этих стран. Необходимость в передаче на большие расстояния все возрастающих потоков информации способствует прогрессу в развитии систем спутниковой связи. В последние годы тенденция использования диапазона миллиметровых радиоволн приобрела в отличие от прошлых лет устойчивый характер. Это объясняется не только успехами в разработке элементной базы (приемники, передатчики, антенны, волноводы), но и созданием технически совершенных устройств и систем, а также стремлением создать круглосуточную цифровую систему связи на всей территории Земли
[3].В 1982 г. в составе систем спутниковой связи США имелось около 150 стволов радио ретрансляторов с шириной полосы пропускания 36 МГц каждый, причем темпы запуска спутников были столь велики, что к началу 90-х годов диапазоны частот 6/4 и 14/12 ГГц,, выделенные для связи, оказались полностью занятыми [4].
Поэтому одной из актуальных задач сегодня является освоение диапазона ММВ, в котором отведенная для спутниковой связи полоса частот намного превышает суммарную полосу частот, используемую на более длинных волнах, что позволяет увеличить более, чем на порядок, объем информации по линиям спутниковой связи.
С 1970 г. по 1974 г. в США было выведено на геостационарную орбиту два искусственного спутника земли (ИСЗ), на борту которых имелась приемо-передающая аппаратура, работающая в диапазоне 16-40 ГГц; позднее с 1975 г. в течении 10 лет было запущено уже 15 таких спутников [4].
Узкие диаграммы направленности антенн на ММВ способствуют повышению скрытности связи и подавлению интерференционных помех, а большой коэффициент усиления позволяет уменьшать мощность передатчика и улучшать массогабаритные характеристики аппаратуры спутника. Применение узконаправленных многолучевых бортовых антенн позволяет осуществлять коммутацию линий спутниковой связи, а также увеличивает надежность связи при плохих погодных условиях за счет разнесенного приема. Какие же наиболее приоритетные спутниковые линии связи уже находятся сегодня в эксплуатации? Рассмотрим кратко лишь системы, работающие на частотах свыше 20 ГГц.
Спутник L-SAT/OLY
MPUS (Западная Европа) имеет общую ширину полос рабочих частот в диапазонах 14/11 и 30/20 ГГц около 6,8 ГГц. Полоса пропускания ствола составляет 240 МГц, что обеспечивает передачу информации со скоростью 360 Мбит/с, достаточную для организации 5500 телефонных каналов.Спутник MILSTART (США) с широкополосным ретранслятором работает в диапазоне частот 44/20 ГГц. На борту ИСЗ предусмотрено использование шумоподобных сигналов и псевдослучайная перестройка частот в полосе 2 ГГц, а также коммутация сигналов. Межспутниковая связь в системе
MILSTART осуществляется в диапазоне частот 60 ГГц, в котором большое затухание в центре линии поглощения кислорода делает практически невозможным создание активных преднамеренных радиопомех с Земли для работы бортовой аппаратуры.Спутники ECS-2 и
ACTS-E (Япония) функционируют в диапазонах частот 30/20 и 50/40 ГГц при полосе пропускания стволов 250 МГц со скоростью передачи данных не ниже 400 Мбит/с. Для последнего типа спутника фирма NTT разработала проект системы со сверхвысокой пропускной способностью 7920 Гбит/с (на один ИСЗ), в котором бортовые антенны должны иметь коэффициент усиления 76 дБ и формировать 4950 лучей с точностью их наведения 0,005 °. Для частот 20 и 40 ГГц диаметры антенн составляют соответственно 36,5 и 18,8 м. Включение в состав перспективной системы 15 больших связных ИСЗ позволит увеличить общую пропускную способность систем спутниковой связи (ССС) до 119 Гбит/с. Как считают японские специалисты, накопленный в процессе экспериментов опыт позволяет приступить к созданию рабочих линий межспутниковой связи, функционирующих в диапазоне ММВ.Одной из возможных областей применения таких межспутниковых линий связи является международная связь, когда прямая связь между двумя ИСЗ устраняет необходимость использования промежуточных земных станций (ЗС). С помощью межспутниковых линий можно также осуществлять связь между несколькими ИСЗ, находящимися на расстоянии в десятки километров друг от друга в каком либо одном районе космического пространства.
Проведенные исследования показывают, что при переходе от 94 ГГц к 180 ГГц потери в антенно-волноводном тракте увеличиваются почти в два раза, а коэффициент шума возрастают примерно в 1,2 раза, однако за счет укорочения длины волны повышается отношение сигнал/шум примерно в 8 раз и в итоге суммарный выигрыш в величине сигнал/шум достигает почти четырех раз.
В настоящее время известен ряд отечественных систем спутниковой связи с космическими аппаратами на геостационарной, эллиптических и низких круговых орбитах аналогичных зарубежным системам связи [3, 5, 6]. Отмечается , что низкоорбитальные спутниковые системы связи (НОССС), наиболее эффективно могут быть использованы для организации телефонной связи и обмена дискретными сообщениями между абонентами по принципу “каждый
с каждым ” в масштабе всей планеты или в крупных регионах отдельных стран с использованием персональных малогабаритных абонентских станций.В общем случае в состав низкоорбитальной системы входит группировка космических аппаратов (КА) и земных станций (ЗС) различного назначения. Связь КА с ЗС в этих системах принципиально ограничена по времени, поскольку КА и ЗС могут находиться в зоне взаимной радиовидимости лишь ограниченное время. Связь между КА группировки, организованная с помощью межспутниковых линий связи, может быть как постоянной, так и периодической, а также существовать между всеми КА или только между некоторыми из них; связь же с помощью наземных ретрансляторов может быть только периодической.
Если группировка КА обеспечивает сплошное покрытие обслуживаемой поверхности Земли зонами радиовидимости КА, а связь между всеми КА поддерживается постоянной, то такая система может обеспечивать и телефонную связь, и обмен сообщениями между абонентами в реальном масштабе времени.
Если же КА появляются в зоне радиовидимости абонента периодически, а связи между всеми КА не поддерживается постоянно, то такие системы могут обеспечивать лишь обмен сообщениями между абонентами с задержкой по времени. Время ожидания КА определяется их числом в группировке и ее структурой и будет тем меньше, чем больше спутников в системе. Варьируя числом КА в группировке, ее структурой и организацией межспутниковых связей можно добиться того, что время задержки в доставке сообщений не будет превосходить заданной величины. Однако в настоящее время уже проведена оптимизация структуры, оценены возможности таких систем и сделан вывод, что такие оптимизированные низкоорбитальные системы связи могут найти широкое применение при обмене между абонентами с портативными персональными станциями телеграммами, факсами, данными ЭВМ и другой документальной информацией, а также могут использоваться при пейджинговой связи [5, 7, 9, 10, 13].
С учетом особенностей функционирования низкоорбитальных систем их рабочие частоты связи выбраны в диапазоне 0,3-0,4 ГГц. Так как в этом диапазоне работает большое число различных радиоэлектронных средств и необходимую полосу на первичной основе получить невозможно, то в такой системе предлагается использовать широкополосные сигналы в виде псевдослучайных последовательностей, позволяющих осуществлять связь в присутствии помех от других систем. Скорость передачи в парциальном канале составляет 4,8 Кбит/с, а с учетом помехоустойчивого кодирования - 2,4 Кбит/с. Рассматривается вопрос о применении в таких системах диапазона ММВ.
Таким образом, необходимость увеличения пропускной способности и общей эффективности систем спутниковой связи явилось одной из причин освоения диапазона частот 30/20 ГГц. Потенциальные возможности систем в указанном диапазоне частот оцениваются в 10 тыс. каналов связи со скоростью передачи информации в каждом канале не менее 2 Мбит/с. Предполагается также, что уже в 2000 г. система ССС INTELSAT сможет обеспечить работу около 750 тыс. телефонных каналов, что в 15 раз превышает возможности систем в диапазонах 6/4 и 14/12 ГГц.
Совсем недавно кампания “Элиот-Телеком” ( Санкт-Петербург и Лениградская обл.),провайдер кампании ИРИДИУМ-ЕВРАЗИЯ, объявила о предоставлении круглосуточной персональной цифровой радиосвязи подвижным объектам на всей территории Земли
[3]. В настоящее время система Иридиум- самая крупная в мире спутниковая система связи. Она включает в себя 4 сегмента: космический сегмент, сегменты управления и контроля, сегмент станции сопряжения и сегмент пользователей. В состав космического сегмента входит 66 спутников по 11 на шести приполярных круговых орбитах с наклонением в 86,4° и высотой на нижних орбитах 780 км. Сегмент управления состоит из основного (Лизбург, шт. Вирджиния, США) и резервного (Италия) центров управления и контроля. Эти центры управляют орбитальной группировкой ИСЗ, передают на станцию сопряжения информацию о положении спутников. Антенные посты слежения за спутниками расположены в Канаде, США и Италии.Сегмент 12 станций сопряжения организует доступ пользователей к системе и обеспечивает связь с наземными коммутируемыми телефонными сетями. Наземный сегмент России включает станцию сопряжения на 80000 абонентов, расположенную в Москве.
Сегмент пользователей (абонентские средства системы Иридиум) состоит из станций различного назначения персонального и коллективного пользования.
ИСЗ Иридиум имеет остро направленные многолучевые антенны, обеспечивая многократное использование одной и той же частоты. Между ИСЗ группировки осуществляется межспутниковая радиосвязь
[7]. Телефон системы Иридиум может работать в двойном режиме - в наземной сотовой сети и в спутников сети Иридиум, обладающей множественным доступом с частотным разделением каналов. Система Иридиум работает в Ka-диапазоне на частотах между 18 и 30 ГГц для связи между спутниками и шлюзами (наземный пункт обеспечения связи спутников Иридиум с коммутируемой телефонной сетью). На частотах между 1 и 2 ГГц обеспечивается связь между спутниками, телефонами и пейджерами системы Иридиум. Высота ИСЗ на средних орбитах находится в пределах от 3200 до 16000 км.В Интернете появилось сообщение о вводе в эксплуатацию этой системы с весны 1999 г
[7]. Известно также , что многофункциональные телефоны Иридиум выпускаются фирмами Motorola (США) и Kyocera (Япония) и обеспечивают работу в региональных сотовых сетях по стандартам (AMPS, GSM, DCS, POC, CDMA).Однако эти системы
всемирной спутниковой связи сегодня еще весьма сложны, дороги в эксплуатации и не находят широкого применения.Технические проблемы использования диапазона ММВ в спутниковой связи включают изучение методов организации разнесенного приема на наземных станциях при передаче цифровой информации со скоростью 1 Гбит/с, разработки надежных ферритовых переключателей и коммутационных матриц для бортовых ретрансляторов, а также создание усовершенствованных многолучевых антенн с повышенной точностью изготовления элементов конструкции. Решение указанных задач позволит достичь высокой эффективности спутниковых систем при работе в диапазоне 50/40 ГГц.
Хотя при организации межспутниковой связи большой интерес представляет также и диапазон частот до 60 ГГц, в будущем возможно использование и других более высокочастотных участков спектра ММВ.
Микросотовые и пикосотовые линии связи в городе
В последние годы в наиболее развитых странах мира наблюдается огромный прогресс и конкурентная борьба фирм в разработке новых систем связи в городских условиях и сельской местности между подвижными и стационарными объектами. Это стало возможным благодаря успехам в твердотельной электронике, микроэлектронике, фотонике, акустоэлектронике, а также в разработке систем связи на УКВ с применением синхронных и низкоорбитальных искусственных спутников Земли [3, 8, 9 -13]. Здесь необходимо указать на прогресс в технологии создания малогабаритных карманных ПК и карманных терминалов для обеспечения связи с подвижными объектами, что оказывает серьезное влияние на совершенствование радиосвязи с подвижными объектами и расширение ее зон действия вплоть до создания всеобъемлющей связи в масштабе всей планеты
[9].Глава компании Handspring Джефф Хокинз (США), разработавшей новый карманный компьютер Visor, сообщил , что он уже собирает заказы на беспроводной портал (линию радиосвязи). Хокинзу нравится технология General Packet Radio Service (GPRS)- стандарт системы глобальной передачи данных для мобильных сетей связи, которая откроет эпоху мобильной и глобальной связи через карманные ПК. У технологии ближней связи Bluetooth по его мнению- неплохое будущее
. Он демонстрировал сеанс связи на расстоянии 20 м через два органайзера Visor с картами по Bluetooth Springboard (слот для подсоединений к ПК Visor). Такие карты появятся по словам Хокинза в продаже уже в будущем году [11].Следует заметить , что технология Bluetooth столь универсальна, что позволяет производить текстовой и видеоинформацией , а также обеспечивать дитанционное управление бытовыми приборами (холильниками, стиральными машинами, системой отопления, телевизорами и пр.).
Производители портативных ПК спешат застолбить за собой стандарты по системам радиосвязи , рассчитанной на корпорации, путешественников и школьников
[12]. Здесь речь идет о портативных ПК, предназначенных для радиосвязи внутри крупных учреждений, расположенных в зданиях на больших площадях. Этот ПК использовался в одной из штаб-квартир на большой площади при значительной численности обсуживающего персонала, при этом использовалась беспроволочная связь с помощью плат Lucent и Aironet. Фирма Dell начинает комплектовать ноутбуки сетевыми семействами Latitude и платами Aironet Wireless Communication 4800, обеспечивающими подключение к узлам связи с расстояния до 100 м. Аналогичный дешевый ПК выпустила фирма Apple с дальностью действия вдвое меньшей, чем Dell. Заметим, что фирма Dell развивает технологию локальных сетей связи на частоте 2,4 ГГц между устройствами на расстоянии 10-13 м. Такие сети получили название персональных зоновых, что обеспечивает связь ноутбуков с сотовыми телефонами или электронными органайзерами. Кампания Intel разрабатывает радиомодули и программные драйверы. Важным преимуществом технологии связи ПК Bluetooth - простота установления связи между карманными устройствами. Первые ноутбуки с радиомодулями появятся на рынке уже в начале 2000 г.В ИРЭ РАН разработаны миллиметровые радиомодули для связи ПК на волнах 8,6 и 5 мм, которые обеспечивают передачу данных внутри помещений и между зданиями на расстояниях 10 –100 м [19].
Производители пытаются решить проблему беспроводного доступа к глобальным сетям, но успех пока не был достигнут
[12]. Пока еще была только создана служба двунаправленного пейджинга и беспроводной передачи электронной почты (кампания American Mobil Satellite).Фирма Handspring произвела фурор в мире Palm и выпустила в сентябре 1999 три версии более дешевого быстродействующего карманного ПК Visor с ценой от 149 до 249 $. В нем использованы процессор, литий-ионная батарея , ЖК -дисплей, входившие в комплектацию ПК Palm Y.
В новой версии ПК будет встроенный микрофон, слот для переферии, пейджер, МРЗ- плейеры и даже сотовый телефон. ПК Visor будет работать быстрее всех карманных ПК. Объем памяти его будет 2 и 8 Мбайт.
В настоящее время большое внимание уделяется применению радиосвязи в Интернете. Появилась уже информация о том, что десятки зарубежных кампаний разработали технологии , позволяющие носить Интернет с собой: в пейджерах, карманных устройствах и сотовых телефонах
[12]. Фирма CyberBill (США) обеспечивает потребителям услуги на основе беспроводных устройств, что позволяет оплачивать счета по телефону в пределах протокола WAP ( Wiereless Application Protokol), а также с помощью карманных ПК Palm YII.Фирма GoAmerica Communication поддерживает устройства Windows CE в рамках своего ISP сервиса для беспроводных устройств Go.web. Этот сервис позволяет компрессировать любую веб-страницу и отправлять данные на карманные ПК. Кроме того заказчики могут пользоваться своими устройствами как компьютерами, подключенными к Интернету: отправлять и принимать электронную почту, производить финансовые операции и.т.п.
[12].В лаборатории PC Magazine было испытано 8 моделей вебофонов (мобильные радиотелефоны) по цене от 130 до 800 $, которые позволяют осуществить простой доступ по радио к Интерету
[13]. Вебофон призван объединить функции мобильного телефона, пейджера, электронного органайзера и ноутбука для работы с электронной почтой, а также радиомодема. Предусматривается его работа в аналоговых и цифровых сетях. Сообщается, что вебофон работает без перезарядки батарей не менее двух дней. Для его работы в Интернете применяется микробраузинг, который позволяет управлять только простым текстом. Отмечается, что узкая полоса передачи затрудняет ретрансляцию сложных веб-страниц, а также передачу мультимедиа и графической информации. В настоящее время вебофоны работают в различных частотных диапазонах, отведенных для мобильной связи различных стран- 800 МГц, 900 Мгц, 1800 МГц, 1900 МГц. Они имеет габариты 178-158х46-58х18-25 мм, размеры экрана лежат в пределах 33-61х 18-33 мм. Непрерывное время работы в режиме связи 4-12 ч. и в режиме ожидания 80-150 ч.Наконец, следует обратить внимание на новую систему пакетной передачи
(GPRS-General Packet Radio Services) данных в системе цифровой связи GSM, которая расширит использование мобильных сетей связи на ряду с широким использованием фиксированной связи [18].GPRS представила добавление к пакетной передачи данных в уже существующем стандарте GSM и готовит эту сеть к переходу к системам третьего поколения стандарта W-CDMA. Внедрение этой системы передачи данных потребует установления трех новых логических узлов: узла обеспечения, узла поддержания шлюза и центра обеспечения мультивещания. Первый узел обеспечит маршрутизацию пакетов, включая управление мобильной связью, аутентификацию и шифрование в обоих направлениях для всех абонентов GPRS. Второй узел обеспечит шлюз во внешние сети. Третий узел обрабатывает трафик мультивещания между магистралью GPRS и домашним регистром HLR.
Все это потребует модернизации уже существующих узлов GSM. Таким образом начинается постепенный переход к мобильной системе связи третьего поколения. У операторов системы GSM есть превосходная возможность воспользоваться услугами скоростного мобильного доступа к сети Интернет при поэтапной модернизации основной сети с добавлением новых технологий радиодоступа по мере появления их на рынке
.Однако более широкое использование диапазонов дециметровых и метровых радиоволн в системах городской связи будет создавать ряд трудностей при конструировании приемо-передающих и антенно-волноводных систем, а также увеличит уровень взаимных электромагнитных помех и ограничит полосу передаваемых частот, что приведет к росту искажений при передаче информации.
В настоящее время получены результаты исследований использования участков спектра ММВ, соответствующих линиям поглощения паров воды и кислороде, для сотовых систем связи небольшой протяженности [
8, 14]. Указаны возможности их применения при проектировании городских линий радиосвязи, в том числе систем связи между подвижными и стационарными объектами, а также оценки перспектив дальнейших исследований. Здесь можно указать на два направления. Первое связано с изучением влияния метеорологических условий на распространение радиоволн в городе и эффективность работы подвижных систем связи; второе - с организацией радиосвязи на УКВ внутри производственных помещений (пикосотовые системы связи).Систематизация и анализ результатов исследований распространения радиоволн УКВ - диапазона в условиях города приводят к оптимистичному выводу о том, что в столь сложных условиях возможен прогноз наиболее важных характеристик электромагнитного поля на расстояниях от нескольких сотен метров до десятков километров от источника излучения. Такой прогноз может выполняться статистическими методами по топографической карте города на основе данных о плотностях застройки, высотах и горизонтальных размерах зданий, параметрах строительных материалов, из которых изготовлены стены зданий, а также на основе данных о планировке городских районов, включая сведения о рельефе местности и расположении антенных систем.
Предложены методики расчета характеристик поля при проектировании линий связи в условиях города с применением компьютерных баз данных, которые позволяют производить расчеты: энергетических характеристик, поляризационных параметров поля, а также классифицировать статистические характеристики радиопомех в каналах городской радио подвижной связи [14].
Результаты оценок протяженности линии связи в зависимости от длины волны излучения при значениях полного ослабления (см. данные в табл. 1) в центрах линий поглощения паров воды или кислорода показаны на рис.1. (Эти оценки сделаны при достигнутых уже сегодня параметрах приемо-передающей аппаратуры и усилении антенн)
[8].Рис. 1.
На основании данных рис. 1 можно сделать вывод о перспективности применения ММВ для ближней связи на волнах, соответствующих центрам резонансного поглощения в парах воды и в кислороде. Видно так же, что при наихудших условиях распространения на волне 5 мм протяженность линии
связи всегда больше 0,5 км, что отвечает требованиям, предъявляемым к микросотовым и пикосотовым линиям связи.Учитывая современный уровень развития полупроводниковой технологии и состояние разработок микроэлектронных схем, имеется реальная возможность использования различных отечественных приемо-передающих систем, а также антенно-волноводных устройств для создания необходимой элементной базы в целях применения в линиях передачи информации небольшой протяженности в городских условиях.
Такие линии, как это уже предлагалось в России и за рубежом, могут стать надежными составными частями сотовых систем связи с базовыми станциями отдельных регионов. При массовом производстве стоимость подобных систем на ММВ могла бы быть вполне сравнимой с существующими системами на дециметровых и метровых волнах.
Кроме того, в условиях города организация таких линий передачи информации может быть целесообразной по ряду причин. В частности, это могло бы полностью решить проблему тесноты в эфире и создать реальную возможность увеличения полосы передаваемых сообщений по крайней мере на порядок и более.
С другой стороны, по результатам исследований, использование ММВ в приемо-передающих системах в помещениях с работающим персоналом не будет оказывать такого вредного влияния на биологические объекты и человека, как в случае дециметровых и метровых волн. Уже рассматривается возможность применения микро- и пикосотовых систем связи в городских и пригородных районах [
8].Использование длин волн, соответствующих центрам молекулярного поглощения в диапазоне ММВ привело бы к массовому применению одних и тех же волн для многократных ретрансляций сообщений.
Н
а рис. 2 представлен вариант применения линий связи в городе. Базовая станция “А” осуществляет связь по макросотовым сетям Б, В, Г, Д, обеспечивающим обмен информацией с объектами подвижной связи. Однако, как видно из рис. 2, имеются в городе 3 микросоты ( одна из них "З") и пикосоты производственного здания “Ж” ( см , № 1,2,3,4, …, на отдельных этажах), предназначенные для связи со стационарными и подвижными объектами.Рис. 2.
На рис. 3 показаны два варианта (а и б) применения ММВ с использованием слабонаправленных антенных систем для связи с подвижными объектами на магистральных улицах города. Отметим, что в отличие систем сотовой связи передача информации на ММВ обеспечивается на всех ретрансляторах на одной и той же длине волны.
Рис. 3.
Таким образом, лабораторные и промышленные приемопередающие устройства и состояние элементной базы вселяют сегодня уверенность в возможности практического использования ММВ в сотовых системах передачи информации небольшой протяженности в условиях города.
Бортовые линии связи и передачи информации
Обеспечение пропускной способности радиолинии 3-5 Гбит/с, которое требуется в перспективе, возможно за счет использования миллиметровых и более коротких диапазонов длин волн, где может быть обеспечена высокая надежность работы радиолинии 0,99998 [15, 16]. Энергетические показатели, требования к аппаратуре такой радиолинии при современном состоянии техники ММВ вполне реализуемы. Так, для наклонной радиолинии с углом наклона 30 °, с пропускной способностью 3 Гбит/с, дальности 20 км, при размерах параболических антенн на борту летательного аппарата 0,2-0,5 м и на Земле в пункте приема 1 м, коэффициент шума наземного приемника ~15 дБ, малом весе и объеме бортовой аппаратуры, потребуются мощности бортового передающего устройства в пределах (0,1-20) Вт
.Подобные радиолинии будут иметь высокую скорость передачи информации, а также высокую надежность связи при малых весах и габаритах бортового передающего устройства и антенной системы.
В последнее время возникла большая потребность в организации высоконадежных однопролетных линий связи, предназначенных для передачи многоканальной телефонии, а также обмена данными между ЭВМ и периферийными устройствами. Для этих целей в наибольшей степени подходят радиорелейные линии диапазона ММВ, достоинствами которых являются: высокая помехозащищенность, малые габариты и вес, высокая пропускная способность и малое потребление энергии.
В работе [17] изложены результаты разработки дуплексной приемо-передающей станции (ППС), работающей в диапазоне 42,5-43,5 ГГц и предназначенной для организации однопролетных цифровых радиорелейных линий протяженностью до 5 км со скоростью передачи информации 8,448 Мбит/с (129 телефонных каналов). Диапазон рабочих частот ППС соответствует регламенту радиосвязи для данного класса аппаратуры. Для передачи информации выбрана частотная модуляция с индексом модуляции равным 1. Разнос частот между каналами приема и передачи, а также значение промежуточной частоты составляют 480 МГц, что позволяет, с одной стороны, обеспечить необходимую величину развязки между каналами, а с другой - организовать автоматическую подстройку частоты относительно стабилизированного гетеродина приемника.
При общем затухании 170 дБ работоспособность радиолинии протяженностью 5 км может быть обеспечена при следующих условиях: коэффициент усиления приемо-передающей антенны не менее 40 дБ, мощность передатчика 30-50 мВт, коэффициент шума приемника не более 13 дБ.
Рис. 4.
Структурная схема ППС приведена на рис. 4. В состав станции входят следующие функциональные узлы: параболическая двухзеркальная антенна 1 диаметром 300 мм (fпрд и fпр – частоты передающей и приемной антенн соответственно); волноводные полосовые приемные 2 и передающие 4 СВЧ фильтры; разделитель поляризаций 3 (горизонтальной Е и вертикальной Н); смесители приемного канала 5 и канала АПЧ 6 на диодах с барьером Шоттки, работающие на четвертой гармонике гетеродина; СВЧ генератор на диоде Ганна 7 с варакторной перестройкой частоты; предварительный УПЧ на кремниевых биполярных транзисторах 8; транзисторный СВЧ генератор 9, стабилизированный диэлектрическим резонатором; частотный детектор канала АПЧ 10; видеоусилитель модулятора передатчика 11 и модуль частотного детектора 12. Модуль частотного детектора выполнен на единой стеклотекстолитовой печатной плате и состоит из главного УПЧ с автоматической регулировкой усиления 13, частотного детектора на расстроенных контурах 14 и видеоусилителя 15. Источник вторичного электропитания 16 обеспечивает преобразование постоянного напряжения +60 В стабилизированные напряжения +12 В, -12 В и +5 В, необходимые для питания функциональных узлов станции.
Параболическая антенна, приемо-передающие устройства и источник вторичного питания конструктивно размещены в герметическом цилиндрическом контейнере диаметром 300 мм и длиной 250 мм. Малые массогабаритные характеристики ППС дают возможность в большинстве случаев отказаться от специальных мачтовых сооружений.
Заключение
Из
приведенного краткого обзора следует , что ММВ находят все более широкое применение в системах широкополосной связи наземных пунктов с ИСЗ , в системах межспутниковой связи, а также могут использоваться при организации широкополосной связи в городах и населенных пунктах, при организации микросостовых и пикосотовых линий передачи информации. Однако, эти системы на ММВ из-за своей ограниченной дальности действия будут расширять возможности существующих сетей связи на сантиметровых и дециметровых волнах. Вместе с тем ММВ могут занять лидирующее положение в системах межспутниковой связи, а также в системах ближней связи при передаче различной широкополосной информации по микросотовым и пикосотовым линиям (цифровое телевидение, передача видеоизображений при движении объекта, обеспечение связи близко расположенных и удаленных друг от друга ПК в помещениях, в офисах и промышленных предприятиях. с радио доступом к глобальным спутниковым системам связи).Литература
Технология ИРИДИУМ. http://www.alienrelecom.ru/satell/ iridium / iridium_techno.htm
Лифшиц И.И., Рожков В.М., Рябов Б.А. // Зарубежная радиоэлектроника , № 5, 1987, с.41-50.
Соколов В.В., Филимонов Е.Б., Пыльцов В.А., Фомин А.Н. // Электромагнитные волны и электронные системы, № 1, т. 1, 1996 с. 56-63.
Соколов В.В., Могучев В.И., Пыльцов В.А., Фомин А.Н. // Зарубежная радиоэлектроника № 2, 1996, с. 64-68.
Весна 1999 г. - начало коммерческой эксплуатации первой глобально системы спутниковой связи Иридиум. http//www.alienrelecom.ru/satell/iridium/IridiumGLSr.htm
Бирюков В.А., Гуляев Ю.В, Соколов А.В. // Радиотехника, № 11, 1995, с. 3-5.
Anne Knowlies // PC wheeк . 933.
Новый рубеж для нотбуков: беспроводная сетевая связь.
Джон Спунер. Создатели Palm приготовили более быстродействующий и дешевый ПК Visor.
Беспроводный Интернет. Новинки технологии распространяются со скоростью лесного пожара. http://www.sotovik.ru/news/news001789.htm
Вебофоны. http://www.zdnet.ru/rewiews.asp?ID=100
Ослабление и рассеяния УКВ в городах и пригородных зонах. под ред. Пономарева Г.А., Соколова А.В. // Сер. Радиотехника, ВИНИТИ АН СССР. т. 42, 1991, 193 с.
Акиншин Н.С., Борзов А.Б., Быстров Р.П., Румянцев В.Л., Соколов А.В . // Зарубежная радиоэлектроника, № 5, 1999, с. 5-41.
Денисов Ю.И., Киселев В.Д., Мягков Ю.В., Щербина А.М. Модели и методы решения задач проектирования и испытания АСУ // Изд. ВПК, М., 1997, 249 с.
Халкин В.Н. // Междун. науч.- техн. конф. по рад. техн. сист. ММ диапазона волн. 1995, с. 11-15.
GPRS (General Packet Radio Services) - ключ к эволюционному переходу к системам третьего поколения. http://www.sotovik.ru/library/analit_16_l.htm
Любченко В.Е, Соколов А.В., Федорова Л.В. Линии связи миллиметрового диапазона волн в локальных информационных сетях // Радиотехника, 1998, № 12, с. 68-75.
Авторы:
Быстров Рудольф Петрович,
Петров Александр Васильевич,
Соколов Андрей Владимирович, e-mail: sokolov@mail.cplire.ru
 |
 |
