Задачи проектирования св радиоканалов для построения корпоративных систем связи с мобильными базовыми станциями
Скачать 314.87 Kb.
|
ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО ОМСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ На правах рукописи  Юрьев Александр Николаевич ЗАДАЧИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СВ РАДИОКАНАЛОВ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ КОРПОРАТИВНЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ С МОБИЛЬНЫМИ БАЗОВЫМИ СТАНЦИЯМИ Специальность 05.12.04 Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Омск - 2011 Работа выполнена в ОАО «Омский научно-исследовательский институт приборостроения».
Защита состоится « 15 » декабря 2011 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д212.178.01 при Омском государственном техническом университете по адресу: 644050, г. Омск, проспект Мира, 11. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государст-венного технического университета. Автореферат разослан " 14 " ноября 2011 г. Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 644050, г. Омск, проспект Мира, 11, Омский государственный технический университет, ученому секретарю диссертационного совета Д212.178.01. У  ченый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук В.Л. Хазан ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы Важным фактором экономического развития малонаселенных территорий Крайнего Севера, к которым относится значительная часть территории Российской Федерации, является создание современной телекоммуникационной инфраструктуры. Актуальность данных работ подчёркнута в Федеральном законе № 78-ФЗ "Об основах государственного регулирования социально-экономического развития Севера Российской Федерации". Как известно, на территориях с достаточно высокой плотностью населения целесообразно использование систем сотовой связи ультракоротковолнового (УКВ) диапазона. Для регионов с низкой плотностью населения развёртывание данных систем экономически не выгодно в силу длительных сроков окупаемости. Радиоканалы того же УКВ диапазона частот эксплуатируют спутниковые системы связи, позволяющие решать задачи практически глобального территориального покрытия. Но и эти системы достаточно дороги, прежде всего, из-за отсутствия возможности покрытия Северных территорий с геостационарных орбит и необходимости использования относительно большого числа пролётных спутников. В связи с этим, представляется целесообразным рассмотрение возможностей радиоканалов других диапазонов частот, которые могли бы применяться в корпоративных сетях загоризонтной связи и позволяли в силу физических особенностей их распространения поверхностной волной обеспечить существенно бóльшую площадь зоны обслуживания, например, по сравнению с УКВ транкинговыми системами связи (ТСС). В качестве таких радиоканалов были исследованы каналы средневолнового (СВ) диапазона. В основу работы положены результаты исследований, полученные Л.М. Финком, Д.Д. Кловским, Д. Миддлтоном, К. Феером, Д.Д. Прокисом, О.В. Головиным, В.Ф. Комаровичем, В.А. Ивановым, Е.А. Хмельницким, В.Л. Хазаном, М.П. Долухановым, В.Д. Челышевым, У.К. Джейксом, В.С. Семенихиным, И.М. Пышкиным, Ю.А. Громаковым, М.М. Маковеевой, Ю.С. Шинаковым, В.П. Ипатовым и другими отечественными и зарубежными учеными. Малая канальная ёмкость, повышенный уровень шумов и помех, а при ионосферном распространении дополнительно - замирания и многолучевость, являются факторами, сдерживающими применение СВ радиоканалов в системах транкинговой связи. Передача сообщений с использованием СВ радиоканалов в техническом плане достаточно хорошо решается для организации радиосвязи между стационарно расположенными радиоузлами и в меньшей степени для мобильных узлов радиосвязи. Организация связи во время движения неизбежно наталкивается на проблемы, связанные с ограничениями по мощности передатчиков подвижных объектов и габаритам передающих (обычно проволочных) антенн, которые должны быть расположены непосредственно на подвижном объекте, а также низкой эффективности для данного диапазона частот такого рода антенн. Нерешенными до сих пор также являются проблемы реализации дуплексной передачи речи для указанных диапазонов. Недостаточно совершенными нужно признать и методики расчёта зон обслуживания таких систем. Исходя из этого и были сформулированы цели и задачи, решаемые в настоящей работе. Цель работы Исследование методов построения СВ радиоканалов для корпоративных систем связи с мобильной базовой станцией, обеспечивающих увеличенную зону обслуживания. Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи: 1. Теоретическое исследование зависимости размеров зоны обслуживания корпоративных системы связи от основных влияющих факторов при использовании СВ радиоканалов передачи информации. 2. Экспериментальные исследования обеспечиваемой СВ радиоканалом дальности связи радиосистем при использовании мобильных антенн. 3. Исследование вариантов технической реализации дуплексных средневолновых радиоканалов для систем связи с мобильной базовой станцией. 4. Разработка методов имитационного моделирования дуплексного режима работы транкинговых систем связи СВ диапазона и обоснование, с их помощью, характеристик канала связи, работающего в таком режиме. Методы исследования В диссертационной работе приведены результаты исследований, полученные с использованием методов статистической радиотехники, теории потенциальной помехоустойчивости, теории распространения радиоволн, математической статистики, имитационного моделирования. Математическое моделирование и вычислительные эксперименты проведены с использованием оригинальных программ, разработанных непосредственно автором или под его руководством, и пакетов программ МАТLАВ, PropWiz 1.7, ASAPS 5, MMANA. Приведенные в работе результаты экспериментальных исследований дальности связи поверхностной волной получены при участии автора в трассовых испытаниях малогабаритных антенн СВ диапазона. Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:
Достоверность полученных результатов Достоверность данных полученных аналитическим путём подтверждена результатами имитационного моделирования и экспериментальных исследований. Достоверность результатов имитационного моделирования обеспечивается корректным использованием исходных данных, а также строгой математической обработкой результатов моделирования. Достоверность результатов экспериментальных исследований обеспечивается применением поверенного оборудования и апробированных методов проведения экспериментов. Положения, выносимые на защиту:
Практическая ценность работы Применение рассматриваемых в данной работе СВ радиоканалов для создания корпоративных систем связи позволяет значительно увеличить радиус их зоны обслуживания, а также реализовать мобильную базовую станцию, обеспечивающую работу в процессе её движения. Использование таких радиоканалов для передачи информации целесообразно в малонаселенных районах с неразвитой инфраструктурой, на этапе начального освоения территорий, а также в случаях, когда применение проводных линий связи, и радиоканалов УКВ диапазона оказывается экономически неэффективным. Результаты проведённых исследований могут быть полезны работникам нефтегазового комплекса, дорожно-строительных служб, МЧС, пограничной службе и др. корпоративным структурам, ведущим хозяйственную деятельность в малонаселённых районах РФ. Представленные в работе результаты теоретических и экспериментальных исследований дальности связи реализуемой СВ радиостанциями, снабженными малогабаритными резонансными антеннами могут быть полезны при разработке носимых и возимых радиостанций, трансиверов и радиосистем СВ диапазона, работающих в движении (на ходу) с использованием поверхностных волн. Результаты работы были использованы в ОАО «Омский НИИ приборостроения» при проектировании приемных и приемопередающих мобильных радиоузлов, способ дуплексной связи внедрен при проведении инициативной ОКР «Транк-ОНИИП», методика расчета и разработанное программное обеспечение для расчета радиуса зоны обслуживания системы связи поверхностной волны применялись в ходе выполнения НИР «Набат» и НИОКР «Сажень», что подтверждено соответствующими актами внедрения. Апробация работы Основные результаты по теме диссертационного исследования докладывались на: научно-технической конференции «Направления развития систем и средств радиосвязи» (г. Воронеж, 1996); 1-ой и 2-ой международной научно-практической конференции «Информационные технологии и радиосети» (г. Омск, 1996 г. и 2000 г.); технологическом конгрессе «Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения» (г. Омск, 2001 г.); VIII и IХ международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация и связь» (г. Воронеж в 2002 г. и 2003 г.); V международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (г. Омск, 2004 г.); III Российской научно-технической конференции «Новые информационные технологии в связи и управлении» (г. Калуга, 2004 г.); 5-й Всероссийской научной конференции «Проблемы развития системы специальной связи и специального информационного обеспечения государственного управления России» (г. Орел, 2007 г.); 69-й международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров «Какой автомобиль нужен России» (г. Омск, 2010 г.); научно-технической конференции «Комплексная система безопасности на транспорте» (Москва, 2010 г.); региональной научно-практической конференции «Наука, образование, бизнес» (Омск, 2011 г.); международной научно-технической конференции «Радиотехника, электроника и связь», (Омск, 2011 г.), а также неоднократно обсуждались на заседаниях научно-технического совета ОАО «ОНИИП» и семинарах научно-исследовательской лаборатории научно-технического комплекса № 4 ОАО «ОНИИП». Публикации По теме диссертации опубликовано 28 печатных работ, в том числе 3 статьи в научно-технических изданиях, рекомендованных ВАК, 10 статей в других научно-технических сборниках и журналах, 6 полнотекстовых докладов и 4 публикаций в виде тезисов докладов в сборниках трудов научно-технических конференций; получено 5 патентов и авторских свидетельств на изобретение. Структура и объем работы Диссертация изложена на 153 страницах, содержит 46 рисунков и 18 таблиц. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, состоящего из 130 источников, и приложения. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, рассмотрены вопросы научной новизны и указана практическая ценность работы. В главе 1 для обоснования актуальности проведённых исследований обобщены известные ограничения возможности увеличения размеров зоны обслуживания современных ТСС стандартов TETRA, APCO 25 и др. Максимальный радиус зоны обслуживания УКВ транкинговых систем связи ограничен расстоянием прямой видимости, которое, в свою очередь, определяется высотой поднятия антенн базовой станции и абонентской радиостанции. Представлены результаты анализа следующих методов увеличения зоны обслуживания: 1) увеличением расстояния прямой видимости путём: - увеличения высоты установки антенны базовой станции; - расположения антенны базовой станции на летательном аппарате (вертолет, самолет, беспилотный летающий аппарат, дирижабль); 2) использование ретрансляторов, размещенных вблизи границы прямой видимости. Перечисленные методы либо технически сложны и затратны, либо ограничены по возможностям увеличения зоны обслуживания. Размер зоны обслуживания, обеспечиваемый мобильной базовой станцией УКВ диапазона работающей на ходу не превышает единиц километров, вследствие ограничения высоты поднятия антенны (не более 3 ÷ 4 м). Это обусловливает необходимость исследования путей построения транкинговой системы связи с мобильной базовой станцией, обеспечивающей существенно бóльшую зону обслуживания. Для решения поставленной задачи предлагается использование в корпоративных системах связи СВ радиоканалов. В главе 1 представлена методика оценки радиуса зоны обслуживания [2, 20], приводятся результаты анализа применимости известных методик расчёта напряженности поля сигнала в точке приема, а также теоретические оценки дальности связи [3], реализуемой системой в радиоканалах СВ диапазона, при работе поверхностной волной с различными штыревыми мобильными антеннами. Как известно, мощность сигнала на входе приемника Pс пр, при согласовании выходного сопротивления антенны и входного сопротивления приемника описывается выражением  (1) где λ - длина волны; PП [кВт] - мощность передатчика; r – длина радиолинии; Ga1 и Ga2 - коэффициенты усиления передающей и приемной антенн; ηф1 и ηф2 - к.п.д. фидеров передающей и приемной антенн; F – множитель ослабления, зависящий от электрических параметров подстилающей поверхности (диэлектрической проницаемости ε и удельной проводимости σ). В зависимости от соотношения величин r и λ множитель F рассчитываемый либо по методике Шулейкина-Ван-дер-Поля, либо по дифракционным формулам Фока. При использовании кривых распространения поверхностной волны, представленных в рекомендациях МККР № 368 для ряда частот и пяти видов подстилающих поверхностей, мощность сигнала на входе приемника может быть определена из формулы  (2) , где  - значение напряженности поля в точке приема, определяемое из графиков рекомендаций МККР № 368. При этом, знания только Рс пр недостаточно для принятия решения о возможности использования радиоканала. Данная информация должна быть сопоставлена с информацией об уровне шумов.Мощность шумов на входе приемника в предлагаемой методике определяется с помощью формулы  (3) , где k = 1,38·10-23 Дж/град – постоянная Больцмана; T0 – абсолютная температура антенны, К;  - коэффициент внешних шумов, определяемый по кривым отчета МККР № 322 для атмосферных шумов и из рекомендаций ITU-R P.372-9 для индустриальных шумов;  - к.п.д. приемной антенны;  - коэффициент шума приемника.Далее, в предлагаемой методике, для различных удалений от передатчика определяется отношение сигнал/шум, значение которого уменьшается с увеличением расстояния. Расчётная длина радиоканала по поверхности земли определяется как расстояние до передатчика, для которого отношение сигнал/шум равно минимальному (пороговому) значению р, при котором ещё обеспечивается заданное качество связи. Пороговое значение сигнал/шум, зависит от вида модуляции, кодирования сигнала, методов приема и обработки сигнала, и может быть определено из известных рекомендаций МККР, а также путем физического, либо имитационного моделирования. Предлагаемые способы моделирования представлены в главе 3. С использованием предлагаемой методики проведена теоретическая оценка максимальных размеров зоны обслуживания базовой станции СВ-КВ диапазонов для различных мобильных штыревых антенн. В расчетах рассматривался СВ радиоканал от абонентской станции (передача) на базовую (прием). На рисунке 1 представлены полученные расчетным путем графики зависимости максимальной длины радиоканала от частоты, при использовании для его организации антенн типа «Штырь 10 м» и передатчика мощностью 0,2 кВт.  Частота, МГц Расчет проводился для значений удельной электрической проводимостью почвы σ = 3∙10-2 и σ = 10-3 для пороговых отношений сигнал/шум p = 6 дБ и p = 15 дБ. Для этих же значений σ и p расчетным путем получены приведенные на рисунке 2 графики зависимости дальности радиоканала от частоты, для условий: передающая антенна портативной абонентской станции - «Штырь 2 м», и мощность передатчика - 5 Вт, приемная антенна базовой станции – «Штырь 10 м» . |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Рабочая программа составлена на основе фгос впо и учебного плана... Изучаются основные стандарты и методология проектирования, построения профилей открытых информационных систем (ИС), методология управления... | | Программа дисциплины “Датчики и устройства связи с объектом в технических... Задачи изучения дисциплины: овладение принципами построения датчиков и устройств связи с объектами управления в технических системах,... |
| 1 Цель. Задачи дисциплины, ее место в подготовке специалиста (с учетом... Изучение курса «Инструментальные средства проектирования информационных систем» имеет целью- получение базовых знаний по применению... | | Программа учебной дисциплины «эвм и периферийные устройства» Эвм, систем и их периферийных устройств, теоретических основ и практических навыков их анализа, проектирования и исследования, взаимодействия... |
| Рабочая программа учебной дисциплины ЭВМ и периферийные устройства Эвм, систем и их периферийных устройств, теоретических основ и практических навыков их анализа, проектирования и исследования, взаимодействия... | | Решение проблем автоматизации проектирования с помощью ЭВМ основывается... Чем глубже разработана теория того или иного класса технических систем, тем большие возможности объективно существуют для автоматизации... |
 | Программа дисциплины «архитектура корпоративных информационных систем»... Программа предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину, учебных ассистентов и студентов направления подготовки 080500.... | | Программа дисциплины «Архитектура корпоративных информационных систем»... «Архитектура корпоративных информационных систем» для направления 080700. 68 «Бизнес-информатика» подготовки бакалавра |
| Рабочая программа учебной дисциплины «интегрированные системы технической... Задачи дисциплины освоение методов проектирования и исследования интегрированных систем управления и проектирования; сформировать... | | Рабочая программа учебной дисциплины проектирование автоматизированных информационных систем Курс «Проектирование автоматизированных информационных систем» направлен на изучение современных методов и средств проектирования... |
| Учебная программа по дисциплине информационные сети растягаев Д. В В процессе обучения студент знакомится с теоретическими основами, технологиями и инструментами проектирования, построения и эксплуатации... | | Отчет о научно-исследовательской работе исследования в области построения... Этап 1 «Анализ и исследование систем управления информационным обменом в сетях обработки данных» |
| Лабораторная работа №5 тема: “Исследование корпоративных информационных... Исследование корпоративных информационных систем на реализацию функции расчёта реальной себестоимости” | | Пояснительная записка на курсовой проект по дисциплине «Разработка... Целью данной работы является разработка программы для автоматизации проектирования систем молниезащиты на базе сапр компас 3D, с... |
| М етод автоматизированного извлечения знаний из слабоструктурированных... Етод автоматизированного извлечения знаний из слабоструктурированных источников и его применение для создания корпоративных информационных... | | Программа учебной дисциплины «проектирования систем электроснабжения» Целью дисциплины является приобретение студентами знаний в области проектирования и расчета систем электроснабжения и установок горного... |
