Булгаков Б. М. Інститут радіофізики та електроніки ім. А. Я. Усикова НАН України вул. Академіка Проскури, 12, МПС, Харків 61085, Україна тел. 448-319 Кравчук С. А. Науково-дослідний інститут телекомунікацій НТУУ «КПП» Індустріальний пров., 2, Київ 03056, Україна Тел. 241-77-23, 441-16-85, e-mail: sakrav@users.ntu-kpi.kiev.ua Наритнік Т. Н. Інститут електроніки та зв’язку УАННП пр. 50-річчя Жовтня, 2-Б, Київ 03148, Україна тел. 477-94-30; 478-34-63, e-mail: iec@naverex.kiev.ua


Анотація Представлені напрямки створення телекомунікаційних широкосмугових радіосистем ММВ і СММВ, засновані на обліку особливостей розглянутих діапазонів хвиль і застосування квазіоптичного підходу при побудові нових радіосистем.

I. Вступ

Структура і можливості використовуються в радіосистеми каналів зв’язку визначають такі найважливіші характеристики як пропускна здатність, достовірність передачі, зона дії, ступінь зв’язності, вартість та ін Якщо для провідних каналів граничну пропускну здатність визначають первинні та вторинні характеристики застосовуваних кабелів (опір, ємність, індуктивність, коефіцієнт розповсюдження і хвильовий опір), то для радіосистем основними характеристиками є виділена смуга частот і діапазон, в якому ця смуга виділена.

Виділена смуга частот – це той частотний ресурс, який обмежує максимальну швидкість передачі. Діапазон частот визначає можливі механізми поширення радіохвиль, рівні перешкод, вид і вартість приймально-передавального обладнання. Згідно [1] частотний ресурс – це вид природного ресурсу, що володіє наступними особливостями: він не витрачається з часом, але й не може бути видобутий і використаний в кількостях більших, ніж ту ділянку частотного діапазону, який освоєний для радіозв’язку в даний час. В даний час майже у всіх освоєних діапазонах частот (аж до сантиметрового) спостерігається дефіцит частотних смуг для розміщення нових і розвитку діючих радіосистем. Тому освоєння нових ділянок, безумовно, розширює можливості створення нових радіосистем, але при цьому слід враховувати, що механізми поширення радіохвиль в цих нових ділянках відрізняються від освоєних і тому вимагають додаткових досліджень.

У зв’язку з цим освоєння міліметрового (ММВ) і субміліметрового (СММВ) діапазонів хвиль стає актуально, особливо в плані побудови нових телекомунікаційних радіосистем, що використовують основні переваги цих діапазонів хвиль.

II. Особливості діапазонів ММВ і СММВ

Практична цінність діапазонів ММВ і СММВ для телекомунікаційних систем визначається їх великої інформаційної ємністю. Дійсно, всі діапазони від наддовгих до сантиметрових хвиль займають смугу частот 30 ГГц, а діапазони ММВ і СММВ близько 3000 ГГц. Отже, в них за один і той же проміжок часу можна передати, по крайней мере, в 100 разів більше інформації, ніж в інших низькочастотних діапазонах. Більше того, велика смуга частот цих діапазонів дозволяє, використовуючи перешкодостійкі широкосмугові методи модуляції, здійснювати високоякісну передачу високошвидкісних потоків інформації.

Радіохвилі діапазонів ММВ і СММВ володіють квазіоптичні властивостями [2]:

– У вільному просторі напрямок їх поширення прямолінійно (малий діаметр першої зони Френеля);

– Поблизу поверхні Землі для ММВ рефракція і дифракція мала, а для СММВ ними можна знехтувати;

– При поширенні через область з опадами має місце їх ослаблення, зростаюче з укороченням хвилі;

– При падінні на плоскі поверхні радіохвилі проявляють високу відбивну здатність.

На деяких частотах діапазонів ММВ і СММВ проявляється резонансне поглинання в парах води та в газах атмосфери, внаслідок чого в ній мають місце вікна прозорості і піки поглинання.

На ММВ і СММВ дуже малий рівень атмосферних і промислових перешкод, особливо якщо їх джерела знаходяться за горизонтом поза прямої видимості.

У цьому діапазоні порівняно нескладно створювати антени з розмірами, у багато разів перевищують довжину хвилі і володіють, внаслідок цього, гостронаправленим випромінюванням. Такі антени, прийнятних габаритів, забезпечують просторову селекцію сигналів, дозволяють організовувати в заданому географічному районі велика кількість радіоліній, в тому числі з повторюваними робочими частотами, виконуючи умови їх електромагнітної сумісності.

Властивості ММВ і СММВ допускають здійснення зв’язку між об’єктами тільки за умови їх прямий взаємної видимості. Якщо вона відсутня, то потрібні активні проміжні або пасивні ретранслятори сигналів.

III. Основні передумови побудови радіосистем діапазонів ММВ і СММВ

Незважаючи на очевидні переваги використання діапазонів ММВ і СММВ в області телекомунікацій, висунуті контраргументи противників такого використання зводяться до положення про неможливість реалізації в розглянутих діапазонах хвиль звичних радиотрасс довгою кілька десятків кілометрів, що є звичайним для діапазонів сантиметрових і дециметрових довжин хвиль. Однак вони упускають при цьому, що дальність радіозв’язку не є, в більшості випадків, головним параметром наземної радіосистеми, якщо вона спеціально не призначена для дальньої дії. Пропускна здатність, вартість і надійність є більш важливими параметрами сучасної системи, а все ширше впроваджуване побудова радіосистем по стільниковому принципу знижує вимогу до збільшення діаметра зони охоплення користувачів однієї сотої або мікростільники. Продовжують розвиватися засоби персонального радіозв’язку, радіус дії яких не перевищує десятків метрів (Bluetooth, HomeRF та ін.) Слід зазначити нераціональне використання для таких радіозасобів діапазонів 2,4 і 5,8 ГГц, смуги яких сильно обмежені. Та й чи так уже значно звужується дальність радіозв’язку в діапазонах ММВ і СММВ.

Fig. 1. Frequency dependence of the maximum range D of a radio link at the precipitation intensity R = 0, 20 and 40 mm per hour

Рис. 1. Частотна залежність максимальної дальності дії D радіолінії при інтенсивності опадів R = 0, 20 і 40 мм / год

Розглянемо симплексних радиолинию типу «точка-точка» з потужністю передавача 10 мВт, коефіцієнтами посилення приймальні і передавальної антен 36 і 36 дБ відповідно, коефіцієнтом шуму приймача 7 дБ. Частотна залежність максимальної дальності дії D такої радіолінії в умовах релеєвської завмирань при передачі ФМ4 сигналу з необхідним ставленням сигнал / шум 24 дБ і за умови роботи приймача на своїй граничної чутливості представлена ​​на рис. 1 для кількох значень інтенсивності опадів R.

Як видно з малюнка, радіосистеми в залежності від використовуваної смуги діапазону хвиль можуть володіти найрізноманітнішої дальністю дії. Так у всепогодних умовах найбільшу дальність дії D <3 … 8 км мають системи діапазону довгохвильової частини ММВ (30 … 50 ГГц), а найменшу D <0,1 км системи СММВ. Крім цього, видно, що для систем з коротким прольотом далеко не настільки істотне значення відіграє поглинання розглянутих хвиль в атмосфері і в опадах. При прольотах менше 1 км можуть використовуватися передавачі з потужністю порядку 1МВт, і вони здатні забезпечити надійний зв’язок при будь-яких погодних умовах. На коротких прольотах, вимірюваних сотнями метрів, радіолінії можуть працювати в усіх вікнах прозорості діапазонів ММВ і СММВ. А проблеми пов’язані з поглинанням ММВ і СММВ в атмосферних опадах в значній мірі втрачають силу. З іншого боку, радіоустаткування діапазонів ММВ і СММВ має малі габарити і вага, високу мобільність, можливість передачі великого об’єму інформації без задіяння складних методів модуляції і вузьку діаграму направленості, що при малій потужності забезпечує екологічну безпеку системи і ускладнює не санкціоніруемий перехоплення інформації. Системи, побудовані з використанням радіообладнання розглянутих діапазонів, не вимагають великих витрат при їх будівництві та експлуатації, стійкі при будь-яких катастрофах. Поглинання радіохвиль у діапазонах ММВ і СММВ для ближнього зв’язку може розглядатися не як недолік, а як перевагу, так як атмосфера як би екранує окремі системи один від одного і усуває їх взаємні перешкоди.

IV. Радіорелейні системи прямої видимості

В даний час широко використовуються радіорелейні системи (РРС) прямої видимості довгохвильової частини діапазону ММВ (частоти 30 … 50 ГГц) [3, 4]. Вони забезпечують радіолінії між базовими станціями стільникового зв’язку, об’єднують комп’ютерні мережі та районні АТС, використовуються для зв’язку з віддаленими пунктами в межах міської забудови та промислових зон, де прокладка кабелів утруднена. Особливо актуальні РРС діапазону ММВ у великих містах при виборі трас, де відчуваються проблеми пов’язані з взаємними перешкодами станцій між собою і з супутниковими системами. У діапазоні ММВ значно більший простір при виборі робочих частот. Проте в діапазонах ММВ і СММВ є і певні проблеми. РРС розглянутих діапазонів призначені тільки для коротких трас прямої видимості (менше 10 км), апаратура і елементна база таких систем, особливо СММВ, ще недостатньо освоєні в масовому виробництві і поки мають високу вартість. Так, до теперішнього часу просування високочастотної транзисторної інтегральної елементної бази досягло тільки частот 40 ГГц.

Найбільш перспективними напрямками розвитку РРС розглянутих діапазонів є впровадження нових схемотехнічних рішень при побудові нової приемопередающей апаратури РРС, що дозволяють з одного боку здешевити обладнання, а з іншого підвищити його високочастотні характеристики, пов’язані, насамперед з поліпшенням частотної стабільності і лінійності радіотракту, що дозволить використовувати більш ефективні методи модуляції. Тут безперечно необхідний перехід від класичного побудови апаратури РРС ММВ, успадкованого від СВЧтехнікі, до квазіоптичного побудови, що базується на відкритих резонаторах, дифракційних решітках і пр.

Практичне використання РРС діапазонів ММВ і СММВ вже затребуване в цифрових синхронних і ассінхронний мережах, де потрібна передача інформації зі швидкостями 155 Мбіт / с і більше. Іншим інтенсивно розвиваються застосуванням таких РРС служить побудова систем зв’язку на основі гібридного з’єднання оптволокно-радіоканал (ГСОР) [4], основні положення яких визначено в Рек. МСЕ-Р F.1332. Основними достоїнствами ГСОР є, насамперед, надання системам широкосмугового радіозв’язку простого та ефективного інтерфейсу з ВОЛЗ, а також використання низки переваг, притаманних оптоволоконним технологій, таких, наприклад, як висока перешкодозахищеність, забезпечення великих розв’язок між радіо оптичними каналами, надширокосмугового і пр.

III. Системи широкосмугового радіодоступу

Системи широкосмугового радіодоступу (СШР) мають на увазі забезпечення з’єднань з швидкостями передачі більш 2,048 Мбіт / с (Е1), які найбільш ефективно можна реалізувати в діапазонах ММВ і СММВ. До СШР, працюючим в діапазонах від 27 до 60 ГГц, відноситься цілий ряд систем стільникової структури: в США це локальна многоточечная розподільна служба LMDS, в Канаді локальна многоточечная система зв’язку LMCS, в Кореї широкосмуговий абонентський доступ B-WLL, в Англії многоточечная служба розподілу телебачення MVDS, в Україну мікрохвильові телекомунікаційні розподільні системи МТРС, МІТРІС-КВЧ, універсальна мультимедійна дистрибутивная система UMDS та ін [5]. Всі вони реалізовані на основі класичного підходу СВЧтехнікі і націлені на надання повного набору широкосмугових послуг зв’язку та мовлення.

Основною особливістю таких радіосистем є те, що принцип їх роботи перенесено з діапазонів дециметрових і довгохвильової частини сантиметрових хвиль в ММВ. Це веде за собою ускладнення способів стабілізації частот генераторів (багаторазове множення від низькочастотного джерела), пристосування під себе методів многостанционного доступу, не враховують специфіку ММВ, неповне використання переваг антенно-фідерних систем ММВ, зростання вартості і як наслідок зниження конкурентоспроможності в порівнянні з кабельними системами широкосмугового доступу DSL (Digital Subscriber Line).

На думку авторів, кардинальним рішенням у розвитку СШР ММВ і СММВ є реалізація квазіоптичного підходу при побудові радіосистем даних діапазонів. Залучення Квазіоптика дозволяє перейти на нову приладову базу, що використовує високодобротні резонансні контури, малопотерьние фідерні тракти, високостабільні мазерного джерела коливань, техніку просторової обробки частотного сигналу за допомогою поляризаційних решіток і уголкових відбивачів і пр. Крім цього такі СШР можуть дуже швидко просунутися в діапазон СММВ, підтримуючи інформаційні потоки зі швидкостями понад 500 Мбіт / с без застосування складних видів модуляції і не завантажуючи довгохвильові освоєні діапазони хвиль.

Рис. 3. Реалізація радіомережі ММВ і СММВ в умовах тунелів і шахт

Fig. 3. Implementation of mm/submm radio network in tunnels and mines

Велика перспектива відкривається при використанні ММВ і СММВ для створення радіосистем, що працюють в критих спортивних, торговельних і виставкових комплексах, тунелях метро, ​​шахтах, різних будівлях. Захищеність таких місць від погодних впливів забезпечує радіосистемам розглянутих діапазонів досягнення їх гранично можливих характеристик. Висока пропускна здатність, скритність, простота установки таких радіосистем робить їх просто незамінними при модернізації або навіть повну заміну зв’язкового кабельного господарства в тунелях метро, ​​шахтах і пр. Приклад реалізації такої квазиоптической системи представлений на рис. 3.

Слід також зазначити, що в якості направляючої середовища поширення сигналів ММВ і СММВ можуть використовуватися металеві вентиляційні комунікації і труби, що дозволяє за допомогою подібних систем реалізувати радіомережі в місцях, де прокладка кабелю і використання звичайних радіозасобів ускладнені.

IV. Висновок

Таким чином, радіосистеми діапазонів ММВ і СММВ дозволяють реалізувати широкосмугові екологічно безпечні телекомунікаційні системи. Такі системи перспективні, перш за все, в додатках, де потрібні високі швидкості передачі і невеликі дальності радиотрасс. Особливий інтерес викликає побудова таких систем в закритих приміщеннях, тунелях і шахтах. При цьому широкі можливості відкриваються при реалізації квазіоптичного підходу до побудови таких радіосистем ММВ і СММВ.

V. Список літератури

[1] Бунін С. Г., Войтер А. П. Обчислювальні мережі з пакетною радіозв’язком, К.: Технка, 1989,223 с.

[2] Наритнік Т. Н., Кравчук С. А., Потієнко В. П. та ін Телекомунікаційні системи та технології міліметрового діапазону хвиль, В кн. 7-а Міжнародна Кримська конференція «СВЧ техніка і телекомунікаційні технології ». Матеріали конференції [Севастополь, 15-18 вересня 1997 р.]. Севастополь: Вебер, 1997, т. 1, с. 50-55.

[3] Наритнік Т., Сайко В., Потієнко В., Войтенко А. Радіорелейна зв’язок сьогодні. Мережі та телекомунікації, 2001, № 4, с. 38-45.

[4] Кравчук С. А., Ліпатов А. А. Сучасні телекомунікаційні технології діапазону міліметрових хвиль В кн. 12-я Міжнародна Кримська конференція «СВЧ техніка і телекомунікаційні технології». Матеріали конференції [Севастополь, 9-13 вересня

2002 р.]. Севастополь: Вебер, 2002, с. 41-42.

ISBN 966-7968-12-Х, IEEE Cat. Number 02ЕХ570.

[5] Наритнік Т. Н., Бабак В. П., Ільченко М. Е.,

Кравчук С. А. Мікрохвильові технології в телекомунікаційних системах. Київ: Технка, 2000 р.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.