Радиорелейные каналы. Зачем нужна радиорелейная связь

Для современного состояния общества характерна непрерывно увеличивающаяся потребность в использовании систем передачи информации. Несмотря на огромный прогресс в сфере телекоммуникаций - как по развитию новых технологий в области связи, так и по объему связных систем, возросли и объективные препятствия для дальнейшего развития. Теснота как в частных диапазонах, гак и в пространстве привела к росту взаимных помех между функционирующими радиосистемами. Для решения проблемы электромагнитной совместимости осуществляется международное и внутригосударственное регулирование радиосвязи. Решение идет, в том числе, по пути сужения диаграмм направленности антенных систем, ограничения излучаемой мощности. Это позволяет осуществить пространственное разнесение радиосистем, ограничить их использование локальными территориями. Однако этот ресурс не беспределен.

Регламентация временных режимов работы радиосистем позволяет использовать их на ограниченной территории в одном частотном промежутке. Но при этом накладывается ограничение на информационные возможности радиосисгем.

При росте числа пользователей растет необходимая полоса частот, которая достигает десятка мегагерц. Даже в ВЧ-диапазонс его общая полоса составляет 27 МГц. Наличие звукового вещания в этих диапазонах делает нереальным развитие радиосвязи с использованием этих частот. Использование этих диапазонов для обмена телевизионными программами, каждой из которых требуется полоса в 6,5 МГц (и это без учета защитного интервала), также нереально. Следовательно, переход в УВЧ-, СВЧ- и КВЧ-диапазоны вызван объективными потребностями в обмене информацией.

Однако, как отмечалось в подразд. 6.1.1, электромагнитные колебания этих частот распространяются только по прямой и, следовательно, приемная и передающие антенны должны находиться в пределах геометрической видимости, без учета дифракции, увеличивающей радиогоризонт по сравнению с видимым на 14%. Естественно решение увеличивать дальность передачи информации последовательной ретрансляцией передаваемых сигналов - этот способ связи носит название «радиорелейная связь» (рис. 11.12).

Рис. 6.12.

Оконечные (ОС) и промежуточные (ПС) радиостанции находятся в пределах прямой видимости. В линии осуществляется, как правило, дуплексная (двухсторонняя) радиосвязь. Видно, что ограничение дальности распространения радиоволн, начиная с УВЧ-диапазона и выше, прямой видимостью, с одной стороны, недостаток - необходимо использовать дополнительную ретрансляционную аппаратуру, а, с другой стороны, достоинство - с учетом направленного излучения можно на ограниченной территории использовать одинаковые частоты.

Радиорелейные линии используются там, где это экономически оправдано, например, для организации связи на ограниченное время или в сложных условиях - рельеф, болотистая местность и т.п.

Упрощенная функциональная схема радиорелейной линии представлена на рис. 6.13.

Рис. 6.13.

Оконечные радиостанции включают в себя передающую и приемную части. Источники информации (ИИ) объединены схемой уплотнения информации (СУИ), формирующей групповой сигнал, поступающий на вход передатчика (ИД). Промежуточные радиостанции принимают и передают далее радиосигнал, который подвергается восстановлению с целью сохранения необходимого качества связи. Таких промежуточных радиостанций может быть несколько, в зависимости от рельефа местности и протяженности радиорелейной линии. На промежуточной станции может быть предусмотрен отбор и добавление информации, гем самым линия преобразуется в сегь и место расположения промежуточной станции привязывается к источникам и получателям информации. На оконечной радиостанции, кроме приема, осуществляется разделение группового сигнала на составляющие схемой разделения информации (СРИ) и передача соответствующим получателям информации (ПИ).

Абсолютно аналогично выглядит и образ ный канал. Упомянутое здесь формирование группового сигнала и его последующее разделение далее будет рассмотрено в отдельном разделе. Этот метод общий и применяется с целью более рационального использования передающих, приемных и антенных устройств, а также конструкций - вышек, зданий, входящих в систему.

Отдельно стоит вопрос снижения уровня внутрисистемных помех. Для решения этой проблемы и принимается ряд мер (рис. 6.14).

Рис. 6.14.

Работа на прием и передачу ведется на разных частотах и поляризациях. Это позволяет исключить в пределах ОС и ПС попадание излучаемого сигнала на вход приемника. Кроме того, осуществляется смена несущих частот по линии. Дополнительно предусмотрено, чтобы станции нс располагались по прямой с целью предотвращения попадания сигнала передатчика, расположенного через одну станцию, на вход приемника одновременно с сигналом соседней станции. Информационные потоки группируются в радиочастотные каналы и образуют стволы радиорелейной линии (РРЛ) и их может быть несколько, поэтому изображенные на рис. 6.13 и 6.14 схемы являются упрощенными, поясняющими только принцип построения РРЛ.

Расстояние между станциями определяется прямой видимостью. Будем для простоты считать рельеф местности ровным, без возвышенностей и впадин.

На рис. 6. 15 обозначено: - радиус Земли (R y = 6370км); /;,и h 2 - высота подъема антенн Л, и А 2 над Землей. Линия прямой видимости, равная Л, + d 2 , почти касается поверхности Земли. Учтем малость /?, и h 2 по сравнению с /? 3 и определим расстояние между антеннами Д равное d } + d 2

Рис. 6.15.

Так как f2R = 3500 м, примем с учетом некоторого огибания поверхности Земли радиоволнами:

(D измеряется в километрах, А,и /г, - в метрах). Если считать /г, « /г, «25, то D = 40 км. Как правило, величину подъема антенн с целью уменьшения стоимости мачт не делают более 40 м и D = 40 - 60 км. При проектировании учитывают рельеф и по возможности антенные мачты устанавливают на возвышениях.

В PPJI используют частоты в области 4 и 6 ГГц. Это позволяет получить достаточно широкую полосу частот и, следовательно, обеспечить высокую пропускную способность. В то же время влияние осадков на т рассе несущественно воздействует на поглощение электромагнитных волн в атмосфере.

На практике в диапазоне 6 ГГц выделяют полосу частот в 500 МГц, в которой формируют 16 каналов - по 8 в каждом направлении, т.е. 8 стволов. Использование вертикальной и горизонтальной поляризаций позволяет одной антенной осуществлять прием и передачу радиосигналов. Но это возможно при небольшом числе стволов.

Радиорелейные линии связи являются одной из наиболее масштабных и прогрессивных сетей передачи, приема и обработки данных во всем мире. Сам принцип передачи сообщений основан на распространении радиоволн в атмосфере. Для того, чтобы сигнал смог преодолевать большие расстояния, необходимо использовать специальное оборудование радиорелейной связи - цепочку ретрансляторов, благодаря которым и будет осуществляться распространение радиоволн определенной частоты.

Принцип работы радиорелейной линии связи

Чтобы понять природу распространения радиоволн, необходимо изучить физику, механику и динамику этих явлений, которые непосредственно связаны с атмосферными свойствами и электромагнитным полем. Исходя из множества факторов, и производится расчет радиорелейных линий связи. Если не вдаваться в подробности, то принцип функционирования всей системы выглядит следующим образом:

сначала в специальном передающем устройстве происходит генерирование колебаний высокой частоты и выделяется так называемый несущий сигнал;
информация, которую необходимо передать (голос, видео, текст), кодируется и преобразовывается в частотные колебания, а затем модулируется вместе с несущим сигналом;
посредством специальных антенн подготовленный сигнал транслируется в пространство, попадая на приемные устройства, которые находятся в определенном радиусе от передатчика;
в случае недостаточной мощности сигнала, сложности его распространения или большого расстояния между передатчиком и приемником, используются радиорелейные линии связи, оборудование которых позволяет решить возникшие проблемы. Как правило, это сеть наземных ретрансляторов, которые не только принимают сигнал, но и усиливают его, устраняют помехи и передают по цепочке к следующему объекту через узконаправленные антенны;
сигнал достигает приемника, где происходит его отделение от несущей частоты и преобразование в изначальный вид с последующим отображением на терминале связи. Это может быть просто голосовое сообщение или полноценная видео трансляция. Эфирное радио и телевизионное вещание как раз и построено на этом принципе передачи сигнала.

Типы линии связи

Радиорелейные и спутниковые линии связи - это комплекс оборудования, которое сочетает наземные и орбитальные ретрансляторы, которые дают возможность транслировать сигнал практически в любую точку на поверхности планеты.

Существует два типа основных способа передачи радиосигнала:

передача по прямой видимости;
радиорелейная тропосферная связь.

В первом случае передача сигнала происходит по стандартному алгоритму - от источника (передатчика) через систему наземных ретрансляционных сетей непосредственно к приемнику. Одна из особенностей заключается в том, что ретрансляторы располагаются фактически в зоне непосредственной видимости, на естественных возвышенностях (горы, холмы). В случае отсутствия прямого прохождения сигнала между антеннами возникают помехи и искажения благодаря дифракционным замираниям, что может привести к существенному ослаблению сигнала и обрыву связи. Использование этого типа коммуникаций ограничено в местах с отсутствием необходимой инфраструктуры и нецелесообразны в малонаселенных районах нашей страны преимущественно в северной ее части.

Решением указанных выше проблем стала новая технология - тропосферная радиорелейная линия связи. Принцип распространения сигнала остался прежним, изменился его способ, который в своей основе содержит физические процессы отражения радиоволн различных диапазонов от нижних слоев атмосферы. Многочисленные испытания показали, что наибольший эффект дает применение волн диапазона УКВ. Благодаря правильным расчетам, трансляцию радиосигнала удалось произвести на 300 км.

Преимущества радиорелейной линия связи

Преимущества новой технологии очевидны:

нет необходимости строить ретрансляторы в зоне прямой видимости;
существенное увеличение радиуса дальности прохождения сигнала;
возможность обеспечения максимальной дальности передачи информации на расстояние до 450 километров благодаря расположению ретрансляторных антенн на холмах и других возвышенностях.

Одна из основных проблем, с которыми столкнулись ученые, заключается в сильном эффекте затухания колебаний при трансляции радиоволн. Вопрос был решен благодаря использованию активного ретрансляторного оборудования, которое позволяет не только принимать и передавать радиоволну, но и стабилизировать уровень сигнала, усиливать его и отфильтровывать помехи. Современная радиорелейная военная связь функционирует на основе технологии распространения сигнала в тропосфере, которая дополнена другими инновационными решениями.

Радиорелейная связь это один из видов радиосвязи, образованной цепочкой приёмо-передающих (ретрансляционных) радиостанций. Наземная радиорелейная связь осуществляется обычно на деци- и санти-метровых волнах (от сотен мегагерц до десятков гигагерц).

Достоинства радиорелейной связи:

Возможность организации многоканальной связи и передачи любых сигналов, как узкополосных, так и широкополосных;

Возможность обеспечения двухсторонней связи (дуплексной) связи между потребителями каналов (абонентами);

Возможность создания 2-х проводных и 4-х проводных выходов каналов связи;

Практическое отсутствие атмосферных и промышленных помех;

Узконаправленность излучения антенных устройств;

Сокращение времени организации связи в сравнении с проводной связью.

Недостатки радиорелейной связи:

Необходимость обеспечения прямой геометрической видимости между антеннами соседних станций;

Необходимость использования высокоподнятых антенн;

Использование промежуточных станций для организации связи на большие расстояния, что является причиной снижения надежности и качества связи;

Громоздкость аппаратуры;

Сложность при строительстве радиорелейных линий в труднодоступной местности;/div>

По назначению радиорелейные системы связи делятся на три категории, каждой из которых на территории России выделены свои диапазоны частот:

местные линии связи от 0,39 ГГц до 40,5 ГГц внутризоновые линии от 1,85 ГГц до 15,35 ГГц магистральные линии от 3,4 ГГц до 11,7 ГГц

Аппаратура РРЛ строится обычно по модульному принципу. Функционально выделяют модуль стандартных интерфейсов, обычно включающих в себя один или несколько интерфейсов PDH (E1, E3), SDH (STM-1), Fast Ethernet или Gigabit Ethernet или сочетание перечисленных интерфейсов, а также интерфейсы управления и мониторинга РРЛ (RS-232 и др.) и интерфейсы синхронизации. Задача модуля стандартных интерфейсов заключается в коммутации интерфейсов между собой и другими модулями РРЛ.

Конструктивно модуль стандартных интерфейсов может представлять собой один блок или состоять из нескольких блоков, устанавливаемых в единое шасси. В технической литературе модуль стандартных интерфейсов обычно называют блоком внутреннего монтажа(IDU) т.к. обычно подобный блок устанавливается в аппаратной РРС или в телекоммуникационном контейнере-аппаратной). Потоки данных от нескольких стандартных интерфейсов объединяются в блоке внутреннего монтажа в единый кадр. Далее к полученному кадру добавляется служебные каналы, необходимые для управления и мониторинга РРЛ. Суммарно все потоки данных образуют радиокадр. Радиокадр от блока внутреннего монтажа как правило на промежуточной частоте передается к другому функциональному блоку РРЛ -радиомодулю(ODU). Радиомодуль выполняет помехоустойчивое кодирование радиокадра, модулирует радиокадр согласно используемому виду модуляции, а также преобразует суммарный поток данных с промежуточной частоты на рабочую частоту РРЛ. Кроме того часто радиомодуль выполняет функцию автоматической регулировки усиления мощности передатчика РРЛ.

Конструктивно радиомодуль представляет собой один герметичный блок, имеющий один интерфейс, соединяющий радиомодуль с блоком внутреннего монтажа. В технической литературе радиомодуль обычно называют блоком наружного монтажа, т.к. в большинстве случаев радиомодуль устанавливается на радиорелейной башне или мачте в непосредственной близости от антенны РРЛ. Расположение радиомодуля в непосредственной близости от антенны РРЛ обычно обусловлено стремлением уменьшить затухание высокочастотного сигнала в различных переходных волноводах (для частот больше 6 - 7 ГГц) или коаксиальных кабелях (для частот меньших 6 ГГц).

Для особо тяжелых условий где затруднено обслуживание средств связи, применяется нижнее расположение радиомодулей. Рабочая частота передается к антенне по волноводу. Данный вариант расположения блоков позволяет обслуживать РРС (производить замену радиомодулей) без выхода персонала на антенно-мачтовые сооружения.

Конфигурации и методы резервирования

Состояние, когда радиорелейная линия не может обеспечить требуемое качество каналов для передачи информации называется неготовностью, а отношение времени неготовности к общему времени функционирования линии называется коэффициентом неготовности.

На наиболее важных направлениях с целью уменьшения неготовности интервалов РРЛ применяют различные методы резервирования оборудования РРЛ. Обычно конфигурации с резервированием оборудования РРЛ обозначают в виде суммы N+M, где N обозначает общее количество стволов РРЛ, а M - количество зарезервированных стволов РРЛ (совокупность оборудования, обеспечивающего связь в каждом направлении по одному радиочастотному каналу, называется стволом РРЛ). После суммы добавляют аббревиатуру HSB, SD ил FD, обозначающую метод резервирования стволов РРЛ.

Уменьшение коэффициента неготовности достигается с помощью дублирования функциональных блоков РРЛ или использованием отдельного резервного ствола РРЛ.

Конфигурация 1+0

Конфигурация оборудования РРЛ с одним стволом без резервирования.

Конфигурация N+0

Конфигурация оборудования РРЛ с N стволами без резервирования.

Конфигурация N+0 представляет собой несколько частотных стволов РРЛ или стволов с разной поляризацией, работающих через одну антенну. В случае использования нескольких частотных стволов разделение стволов осуществляется с помощью делителя мощности и частотных полосовых фильтров. В случае использования стволов РРЛ с разной поляризацией разделение стволов осуществляется применением специальных антенн, поддерживающими прием и передачу сигналов с разными поляризациями (например, кроссполяризационных антенн, имеющих одинаковый коэффициент усиления для сигнала с горизонтальной и вертикальной поляризацией).

Конфигурация N+0 не обеспечивает резервирования РРЛ, каждый ствол представляет собой отдельный физический канал передачи данных. Данная конфигурация обычно используется для увеличения пропускной способности РРЛ. В оборудовании РРЛ отельные физические каналы передачи данных могут быть объединены в один логический канал.

Конфигурация N+1 HSB (Горячий резерв Hot StandBy)

Конфигурация оборудования РРЛ с N стволами и одним резервным стволом, находящимся в горячем резерве. Фактически резервирование достигается путем дублирования всех или части функциональных блоков РРЛ. В случае выхода одного из блоков РРЛ из строя, блоки, находящиеся в горячем резерве замещают неработоспособные блоки.

Конфигурация N+M HSB (Горячий резерв Hot StandBy)

Главная Радиорелейная связь РАДИОРЕЛЕЙНая СВЯЗь

1.1. ПРИНЦИПЫ РАДИОРЕЛЕЙНОЙ СВЯЗИ. КЛАССИФИКАЦИЯ РАДИОРЕЛЕЙНЫХ СИСТЕМ

В самом общем виде радиорелейную линию (РРЛ) связи можно определить как цепочку приемопередающих радиостанций. Приемник каждой станции принимает сигнал, посылаемый передатчиком предыдущей станции, и усилива-ет его. Усиленный сигнал поступает на передатчик данной станции и далее излучается в направлении следующей станции. Построенная таким образом цепочка станций обеспечивает высококачественную и надежную передачу различных сообщений па больщие расстояния.

В зависимости от используемого вида распространения радиоволи РРЛ можно разделить иа два класса: радиорелейные линии прямой видимости, в которых существует прямая видимость между антеннами соседних станций, и тропосферные радиорелейные линии, в которых нет прямой видимости между антеннами соседних станций.

Наиболее распространены РРЛ прямой видимости, которые работают в диапазонах дециметровых и сантиметровых волн. В этих диапазонах возможно построение щирокополосных приемников и передатчиков. Поэтому РРЛ обеспечивают передачу широкополосных сигналов и, в первую очередь, сигналов многоканальной телефонии и телевидения. В диапазонах дециметровых и особенно сантиметровых воли возможно применение остронаправлеиных антенн, так как благодаря малой длине волиы оказывается возможным построение таких антенн приемлемых габаритных размеров. Использование остронаправлеиных антенн, имеющих больщой коэффициент усиления (1000-10 000 и более по мощности) позволяет обходиться небольщимн мощностями передатчиков (от долей ватт до 10-20 Вт) и, следовательно, иметь компактную и экономичную аппаратуру. Для линий этого класса выделены соответствующие полосы частот в диапазонах 2, 4, 6, 8, 11 и 13 ГГц и в более высокочастотных диапазонах.

Необходимость прямой видимости между антеннами соседних станций требует поднятия антенн над уровнем земли и, следовательно, строительства соответствующих антенных опор - бащеи или мачт. Высота подвеса антеии определяется расстоянием между соседними станциями, а также характером рельефа местности между ними. В зависимости от этих факторов высота оцор может доходить до 100 м, а иногда и более. В ряде случаев, при благопринтном рельефе местности, антенны могут располагаться на небольщой высоте, например иа крыще здания, в котором установлена аппаратура.

Расстояние между соседними станциями обычно находится в пределах 40-70 км. В отдельных случаях эти интервалы сокращаются до 20-30 км из-за необходимости подведения линии в конкретно заданный пункт, а также в случае особо неблагоприятного рельефа местности.

По пропускной способности радиорелейные системы прямой видимости разделяются на три основных вида:

Радиорелейные системы больщой емкости. Емкость радиоствола таких систем составляет 600-2700 иногда и более каналов ТЧ или канал передачи сигналов изображения телевидения с одним или несколькими каналами передачи звуковых сигналов телевидения и звукового вещания. Эти системы используются для организации магистральных радиорелейных линий большой протиженности.

Построение радиорелейной линии. Система резервироеания

Радиорелейные системы средней емкости. Емкость радиоствола этих систем составляет 60-600 каналов ТЧ или канал передачи сигналов изображения телевидения с одним или несколькими каналами передачи звуковых сигналов телевидения и звукового вещания. В отдельных случаях системы этого класса не рассчитаны иа передачу сигналов изображения телевидения. Такие системы используются для организации внутризоновых соединительных линий.

Малоканальные радиорелейные системы с числом каналов ТЧ в радиостволе от 6 до 60. Эти системы не рассчитаны на передачу телевизионных сигналов, они используются для организации местных соединительных линий.

Приведенная классификация радиорелейных систем иосит условный характер: она отражает в основном то положение, которое имеет место на стационарных радиорелейных линиях Министерства связи СССР и министерств связи союзных республик. Радиорелейные системы для технологических связей (иа железнодорожном транспорте, газопроводах, линиях электропередач и т. п.) имеют свою специфику и не всегда укладываются в выще приведенную классификацию. То же относится и к радиорелейным телевизионным системам для репортажных целей.

При передаче сигналов многоканальной телефонии в радиорелейных системах больщой и средней емкостей применяется, как правило, аппаратура кабельных систем передачи с частотным разделением каналов.

В малоканальных радиорелейных системах применяется как аппаратура с частотным, так и с временным разделением каналов.

В настоящем Справочнике рассматриваются радиорелейные системы, в которых используются аппаратура кабельных систем передачи с частотным разделением каналов и частотная модуляция радиосигнала.

1.2. ПОСТРОЕНИЕ РАДИОРЕЛЕЙНОЙ ЛИНИИ. СИСТЕМА РЕЗЕРВИРОВАНИЯ

Стои.мость бащеи или,мачт, аитеиио-фидериых сооружений, технических зданий и систем электроснабжения значительно превыщает стоимость приемопередатчиков. Поэтому для повыщення экономической эффективности п пропускной способности радиорелейные системы, как правило, делают многоствольны-

"с. 1.1. Структурная схема станций многоканальной радиорелейной линии

МИ, в которых на каждой станции работают на различных частотах несколько приемо-передатчиков на общую антенно-фндерную систему, используя одну в ту же антенную опору, техническое здание и систему энергоснабжения.

Упрощенная структурная схема многоствольной радиорелейной линии приведена на рис. 1.1. Работа нескольких приемопередатчиков Пм-Пд на общую антенную систему осуществляется с помощью систем СВЧ уплотнения (разделительных фильтров н устройств сложения сигналов приема и передачи).

Для обеспечения высокой надежности работы на РРЛ применяетси резервирование оборудования. Различают две основные системы резервирования: постанциоиную и поучастковую.

Постанционнаи система резервирования (рис. 1.2) предусматривает на каждый рабочий приемопередатчик наличие резервного, имеющего те же ра- бочие частоты. При аварии рабочего приемопередатчика происходит автоматическая замена его резервным. Система, управляющая автоматическим резервированием (СУР), работает самостоятельно на каждой станции..

Недостатки систем: большой объем приемопередающего оборудования (100-процентный резерв); отсутствие какой-либо защиты от замираний сигналов; сложность устройств СВЧ коммутации и большое времи коммутации в случае использования механических переключателей. В современных радиорелейных системах постанционное резервирование не применяется.

При поучастковой системе резервирования каждое направление между двумя узловыми (или узловой и оконечной) станциями свизываются в единую

систему (рис. 1.3). Дли целей ре-

зрвироваипя выделяется отдельный резервный ствол, работающий на своих частотах. Аппаратура резервного ствола постоянно включена. При отсутствии аварии в рабочих стволах резервный ствол не загружен передачей. Для коитроли за качеством работы стволов по ним непрерывно передаются спе-:и:алы1ые пилот-сигналы.

Пплот-сигпал вводится в ствол через модулятор первой станции участка резервирования, а выделя-

Рис. 1.2. Структурная схема постапцпонного ре- ется специальным демОДуЛЯТО-

зсрвироваипя ром ИЗ последней станцип этого

участка. Выделенный пилот-сигнал сравнивается с величиной шума в специальном измерительном канале. Если отношение шума к пилот-сигналу превышает заданную величину или уровень пилот-сигнала падает ниже нормы, то начинается проиесс переключения на резервный ствол. Для этого на станции, находящейся на конце участка, включается генератор обратных аварийных сигналов (ГОАС). Для каждого рабочего ствола имеется отдельный ГОАС, работающий на своей частоте. Обратный аварийный сигнал по специальному каналу в системе служебной связи подается на первую станцию участка резервирования, где он воздействует на переключающее устройство, которое производит подключение резервного ствола параллельно поврежденному. В результате этого сообщение н пилот-сигнал начинают передаваться также и по резервному стволу. Выделенный на выходе резервного ствола (на последней станции участка резервирования) пилот-сигнал преобразуется в сигнал команды, который производит дальнейшее переключение тракта передачи с выхода поврежденного рабочего ствола на выход резервного ствола. Время перерыва связи при поучастковом резервировании определяется параметрами аппаратуры резервирования п характером аварии.

При так называемой «мгновенно")» аварии (например, нарушении контакта или замыкании в приемопередающем тракте какой-либо станции участка резервирования) время перерыва связи слагается из времени пробега обратного

Построеиие радиореяейиой линии. Система резервирования

аварийного сигнала от приемного конца до передающего конца участка, времена пробега полезного сообщения по резервному стволу от передающего конца участка до приемного, времени пробега управляющих сигналов в аппаратуре

Пилош-сигиал

РаЪочий стШ

пилот-Г*1 сигнала. Анализ.

Пшт-сигиал

Радот cmSon

Резервный стВол

сл1/шонШ~ с Вязи

Рис. 1.3. Структурная схема поучасткового резервирования

резервирования и времени срабатывания переключающих устройств. Время перерыва связи при «мгновенной» аварии обычно находится в пределах 10- 40 мс.

При так называемой «медленной» аварии (например, глубоком замирании сигнала), когда параметр, по которому определяется состояние аварии (отношение уровня шума к пилот-сигналу), изменяется со скоростью, не превышающей 100 дБ/с, время перерыва связи определяется только временем, необходимым для срабатывания переключающего устройства на премном конце участка резервированпя. Это время при современном уровне техники может быть сведено к единицам микросекунд.

Достоинство поучастковой системы резервирования - меньший, чем при по-стаиционной системе резервирования, объем приемопередающего оборудования (один резервный ствол на несколько рабочих стволов); малое времи переключения на резерв; определения защита от глубоких замирений сигнала интерференционного характера из-за слабой корреляции глубоких замираний сигнала в стволах, работающих на различных частотах. Эта защита тем эффективнее, чем больше разница между частотами, на которых работают рабочий н резервный стволы. Но эта разница иногда может быть недостаточной, так как для работы радиорелейной системы выделены конкретные полосы частот, выходить за пределы которых недопустимо.

Следует также иметь в виду, что система поучасткового резервирования дает определенную защиту от замираний сигнала только в то время, когда резервный ствол не используется для резервирования вышедшего из строи оборудования рабочего ствола.

Систему поучасткового резервирования радиорелейных систем принято сокращенно обозначать суммой двух цифр, из которых первая обозначает число рабочих стволов, а вторая - число резервных стволов. Так, система 3-1-1 означает радиорелейную систему, имеющую три рабочих ствола и одни резервный ствол.

1.3. ПЛАНЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТ

В РАДИОРЕЛЕЙНЫХ СИСТЕМАХ СВЯЗИ ПРЯМОЙ

ВИДИМОСТИ

Двухчастотная система (рис. 1.4) экономична с точки зрения использования полосы частот, выделенной для радиорелейной связи в данном диапазоне, но требует высоких защитных свойств антенн от приема сигналов с обратного направления. При двух частотной системе используются рупорно-параболиче-ские, высококачественные осесимметричные антенны и другие типы антенн, имеющие защитное действие -60-70 дБ.

Четырехчастотная система (рис. 1.5) допускает использование более простых и дешевых антенных систем. Однако количество дуплексных радиостволов, которое может быть образовано в данной полосе частот при четырехчастотной системе, в 2 раза меньше, чем при двухчастотной системе. Как правило, в современной радиорелейной аппаратуре применяется двухчастотная система. Четырехчастотная система обычно использовалась на РРЛ с перископическими антеннами в диапазоне 2 ГГц.

Частоты приема и передачи в одном радиостволе РРЛ чередуются от станции к станции. Станции, на которых прием осуществляется на более низкой частоте, а передача на более высокой частоте, обозначаются символом «НВ>, а

Передача

Рис. 1.4. Двухчастотная система

Рис. 1.5. Четырехчастотная система

Планы распределения частот для многоствольных РРЛ разработаны таким образом, чтобы свести к минимуму интерференционные помехи, возникающие при одновременной работе нескольких приемников и передатчиков на общий антенио-фидериый тракт.

Планы распределеиня частот

Во всех современных радиорелейных системах применяются планы радиочастот, в которых частоты приема размещаются в одной половине отведенной полосы частот, а частоты передачи - в другой половине.

Станция N-

Станция N°3

Рис. 1.6. Схема участка т;)ассы РРЛ

Puc. 1.7. Система с разнесенными частотами приема и передачи

Структурная схема радиорелейной станции, использующей данный принцип приведена на рис. 1.7. Для приема и передачи сигналов используется одна общая антенна. Система разделительных фильтров рассчитана на работу только в половине полосы частот, отведенной для радиорелейной системы. Тракты приема и передачи объединяются в общий тракт с помощью поляризационного фильтра или ферритового циркулятора (УС) (см. рис 17)

План распределения частот радиорелейной системы кУРС-2М в диапазоне Иц приведен на рис. 1.8. Он соответствует Рекомендации 382-2МККР и ооеспечивает оганизацию шести дуплексных стволов по двухчастотной системе зЛ\ дуплексных стволов по четырехчастотной системе). Номинальные по формуле нижней половине диапазона определяются

/» = /, -208 + 29 п,

а в верхней половине диапазона f„ - no формуле /„«/,+ 5+29 п

Радиорелейная связь - особый тип беспроводной связи, позволяющий передавать данные на большие расстояния (десятки и сотни километров), с высокой пропускной способностью (от сотен мегабит до нескольких гигабит). Прием и передача данных разнесены по разным частотам и происходят одновременно - все РРЛ работают в режиме полного дуплекса.

В сегодняшней статье мы рассмотрим:

Применение радиорелейной связи

Радиорелейные станции (РРС) обычно используются:

для создания высокоскоростных беспроводных магистралей провайдерами, сотовыми операторами,
в крупных корпоративных сетях для передачи информации по беспроводным мостам между различными подразделениями,
для каналов "последней мили" и других подобных задач.

РРС сравнительно редко применяются в сегменте SOHO и частными лицами, так как их использование чаще всего требует лицензирования и стоят они гораздо дороже оборудования WI-FI, даже провайдерского класса.

Помимо производительности высокая цена оправдывает себя длительным сроком службы оборудования: большинство моделей ведущих вендоров радиорелейных станций рассчитано на несколько десятков лет службы (20-30 лет), в том числе в суровых климатических условиях.

Основные отличия РРЛ от беспроводной связи по Wi-Fi:

Собственные диапазоны передачи сигнала и стандарты связи.
Использование высокоэффективных модуляций сигнала (256QAM, 1024QAM).
Тип передачи данных - направленный (РРЛ комплектуется узконаправленными антеннами). На радиорелейках строят, в основном, беспроводные мосты, раздача трафика в режиме точка-многоточка не используется.
Высокая пропускная способность и дальность связи.
Полный дуплекс каналов.

Кроме того, в радиорелейной связи, в отличие от обычного WiFi, активно применяется:

агрегирование каналов для повышения пропускной способности пролета;
резервирование канала передачи для повышения надежности соединения;
ретрансляция сигнала от станции к станции для увеличения общей дальности передачи.

Преимущества и недостатки радиорелейного канала связи по сравнению с волоконнооптическими линиями:

Преимущества:

Возможность построить РРЛ в местности со сложными географическими условиями (горы, ущелья, болота, леса и т. д.), где прокладка оптоволоконной магистрали невозможна или экономически нецелесообразна.
Быстрота возведения - буквально несколько дней. Для запуска РРЛ нужно только установить станции в начальных, конечных и, возможно, промежуточных точках, не нужно прокладывать кабель на всем протяжении трассы.
Отсутствие риска падения канала связи из-за повреждения или кражи кабеля.
Низкая себестоимость беспроводной трассы.

Основной недостаток радиорелейной линии (РРЛ) по сравнению с оптоволокном - невозможность достижения действительно высокой пропускной способности. Максимум, что вы можете получить по беспроводу - это до 10 Гбит/сек, в то время, как скорость по оптоволоконной магистрали измеряется терабайтами.

Несмотря на узкую нишу, существует довольно много различных типов радиорелейных станций. Ниже мы рассмотрим их основную классификацию и общие характеристики, а также серию радиорелеек Ubiquiti, оптимальных по соотношению цена/производительность для украинского сегмента рынка.

Частота работы радиорелейных станций

Диапазон частот, который может использоваться для развертывания РРЛ, чрезвычайно широк - от 400 Мгц до 94 ГГц. В Украине чаще всего радиорелейные станции работают на 5, 7, 8, 11, 13, 18 ГГц и на высоких частотах (70-80 ГГц).

Так как разбег частот большой, особенности развертывания линков на них и характеристики связи серьезно отличаются. Можно выделить основные закономерности:

Чем выше частота, тем больше затухание сигнала в атмосфере (в децибелах на километр). Правда, зависимость не линейная - на рисунке ниже можно видеть, что в диапазоне 60 ГГц показатель затухания резко зашкаливает, далее снижается и растет постепенно.

Соответственно, чем выше частота - тем меньше дальность связи. Если радиорелейные линии на 5 ГГц, 7 ГГц - это 40-50 и более км, то на 70-80 ГГц - до 10 км, а на 60 ГГц - еще меньше, из-за пикового затухания.

Чем выше частота, тем большее влияние на сигнал оказывают атмосферные осадки. В диапазоне 2-8 ГГц их влияние на мощный радиорелейный канал практически незаметно, а в диапазонах выше 40 ГГц дождь становится серьезной помехой. Смотрим график зависимости:

Чем выше частота, тем большей пропускной способности можно достичь на радиорелейной линии, за счет использования широких частотных каналов внутри диапазона (56 МГц, 112 МГц и более). Сейчас активно осваиваются так называемые диапазоны V-Band и E-Band - 60 ГГц и 70-80 ГГц. Скорость радиорелейной линии здесь может достигать 10 Гбит/сек.

Условия развертывания РРЛ и дальность связи

Сейчас, в основном, используется и производится оборудование для радиорелейной связи прямой видимости - станции должны располагаться в зоне так называемой радиовидимости друг друга. Сигнал от станции к станции не должен встречать на пути препятствий, в том числе в зоне Френеля. Для увеличения расстояния видимости и исключения попадания в зону Френеля препятствий и земной поверхности, станции размещают на высоких мачтах - это помогает увеличить дальность пролета.

Но из-за естественного искривления поверхности Земли максимальная дальность беспроводного линка между двумя радиорелейными станциями составляет обычно не более 100 км (на равнинной местности - до 50 км).

Хотя, при удачном рельефе местности, можно достичь и большего - как в примере компании Ubiquiti, прокинувшей беспроводной мост на AirFiber 5X на 225 км ( ):

Также для дальности связи, как мы уже сказали выше, имеет значение диапазон, в котором работает радиорелейное оборудование:

Станции на низкой частоте - "дальнобойные", в среднем до 35 км, в хороших условиях до 80-100 км.
Дальность связи на высоких частотах - до 10 км.

Технологии PDH и SDH

Все используемые сейчас РРЛ разделяются на два основных типа:

с использованием технологии передачи PDH (плезиохронной цифровой иерархии) ,
с использованием технологии передачи SDH (синхронной цифровой иерархии).

Передача данных по радиорелейной связи с использованием технологии PDH на практике происходит по 4 видам потоков:

В теории существует еще поток E5, со скоростью 565 Мбит/сек, но на практике, по рекомендациям стандарта G.702, он не используется. Поэтому 139 Мбит/сек - это фактически, максимум пропускной способности данной технологии радиорелейной связи. Неудивительно, что PDH на данный момент считается устаревшей технологией, хотя еще достаточно работающих РРЛ, произведенных с ее использованием.

Второй ее существенный недостаток - мультиплексирование и демультиплексирование происходят достаточно медленно, что вызывает задержки на канале.

SDH, или синхронная цифровая иерархия - новая технология, обеспечивающая гораздо более актуальные скорости передачи. Когда говорят о скорости радиорелейного оборудования с технологией SDH, используется понятие синхронного транспортного модуля - STM. Скоростные потоки образуются путем умножения базового потока STM-1 на 4, 16, 64, 256 и т. д.

Обозначение потока	Пропускная способность
STM-1	155 Мбит/сек
STM-4	622 Мбит/сек
STM-16	2,5 Гбит/сек
STM-64	10 Гбит/сек
STM-256	40 Гбит/сек
STM-1024	160 Гбит/сек

Картина уже поинтересней, согласитесь. И STM-1024 - это еще не ограничение, теоретически скорость может быть больше.

При этом оборудование SDH полностью совместимо с радиорелейными станциями, спроектированными под PDH.

Надежность радиорелейной связи

Радиорелейная связь считается одной из самых надежных среди беспроводных способов передачи данных. Это обеспечивается как различными прогрессивными технологиями беспроводной передачи, так и активным применением резервирования каналов (стволов) связи - так называемые конфигурации N+1 (1+1, 2+1). Это может быть:

"холодное" резервирование, с подключением дополнительного комплекта приемо-передающего оборудования в выключенном состоянии;
"горячее" резервирование, с одновременной передачей данных по резервному каналу. Для исключения взаимных помех каналы разносятся в пространстве (ПР - пространственное разнесение) или по частотам (ЧР - частотное разнесение).

Конструкция радиорелейных станций

Радиорелейные станции можно разделить на два типа.

Первый - это радиорелейные станции, состоящие из 3 модулей :

внутреннего блока (IDU), устанавливаемого в помещении в непосредственной близости от телекоммуникационного оборудования. Внутренний блок отвечает за питание, мультиплексирование, модулирование сигнала, коммутирование, передачу данных в сеть LAN;
внешнего блока (ODU), преобразующего частоту сигнала из служебной в частоту, на которой будет вестись передача, и обратно, усиление мощности передатчика при необходимости и т. д.;
приемо-передающей антенны.

Здесь нужно уточнить, что производители по-разному распределяют функционал между внутренним и наружным блоками, вплоть до того, что внутреннему модулю могут остаться только функции питания, защиты и подключения к LAN-сети, а большая часть активного функционала передается во внешний блок.

Внешний и внутренний блоки соединяются коаксиальным кабелем, антенна и внешний модуль могут соединяться непосредственно или также с помощью кабеля. Одним из очевидных недостатков такой конструкции является кабельное соединение, приводящее к потерям на пути от передатчика к антенне, а также двойное преобразование сигнала с частоты на частоту.

Второй тип радиорелейных станций - это интегрированные системы , в которых весь функционал сосредоточен в наружном блоке. Антенны в них могут быть встроенными, соединяться с передатчиком непосредственно, или с помощью RF-кабеля - все это существенно снижает потери, по сравнению с обычным, довольно протяженным кабельным соединением. РРЛ второго типа гораздо более компактны.

В качестве примера радиорелейных станций интегрированного типа можно привести серию AirFiber компании Ubiquiti.

Современные радиорелейные станции Ubiquiti - AirFiber

Несколько лет назад американский вендор, специализирующийся на производстве беспроводного оборудования, выпустил на рынок устройства операторского класса - радиорелейные станции Ubiquiti AirFiber. Первые модели работали в диапазоне 24 ГГц, чуть позже были выпущены устройства для 5 ГГц, еще чуть позже - линейка AirFiber X, в которой сейчас есть модели для нескольких диапазонов.

Радиорелейные станции AirFiber стали на тот момент по-настоящему революционным событием: компания предлагала пропускную способность до 1,5 Гбит/сек в полном дуплексе (750 Мбит/сек в одну сторону) на расстоянии до 13 км по очень приятной цене (для оборудования такого класса).

В радиорелейных станциях Ubiquiti:

в одном корпусе собраны внешний, внутренний блоки и антенны (для серии AirFiber, в AirFiber X - антенны внешние);
используется технология MIMO XPIC (с подавлением кроссполяризационных помех) для повышения пропускной способности канала;
используется адаптивная модуляция для повышения надежности связи в любых погодных условиях;
отсутствуют потери в антенно-фидерном тракте, благодаря непосредственному соединению модулей, без использования кабеля - в моделях со встроенными антеннами;
меньшие потери в антенно-фидерном тракте в моделях со внешним антеннами - благодаря предельно короткой длине соединительного кабеля;
сигнал формируется сразу на частоте излучения , без использования промежуточной частоты, благодаря чему также повышается эффективность работы.

Иллюстрация технологии адаптивной модуляции:

Сейчас компания выпускает 4 модели РРЛ со встроенными антеннами и 6 моделей без антенн, к которым можно подключать антенны разного усиления.

Модель	Внешний вид	Антенна	Дальность	Скорость	Диапазон	Особенности
		Встроенная, 23 dBi, 6	100 км	1,2 Гбит/сек	5,470 - 5,875 ГГц	1024QAM MIMO HDD (полудуплекс), FDD (полный дуплекс)
		Встроенная, 23 dBi, 6 °, двойная наклонная поляризация	100 км	1,2 Гбит/сек	5,725 - 6,200 ГГц	1024QAM HDD (полудуплекс), FDD (полный дуплекс)
		Встроенная, 33 dBi, 3,5 °, двойная наклонная поляризация	13 км	1,4 Гбит/сек	24,05 - 24,25 ГГц	64QAM HDD (полудуплекс), FDD (полный дуплекс)
		Встроенная, 33 dBi, 3,5 °, двойная наклонная поляризация	20 км	2 Гбит/сек	24,05 - 24,25 ГГц	256QAM HDD (полудуплекс), FDD (полный дуплекс)
		Внешняя. Подходят модели:	200 км	500 Мбит/сек	2,300 - 2,700 ГГц	1024QAM