Системы мобильной радиосвязи

предоставление голосовых каналов и каналов ПД MS различных сайтов с указанием номеров сайтов, номеров разговорных групп и индивидуальных номеров MS, которым выделяются голосовые радиоканалы;

формирование команд зоновой сигнализации, используемых для сквозного управления системой;

непрерывная передача по управляющим каналам сайтов и каналов инфраструктуры системы сигналов управления по непрерывному контролю качества сквозного канала и динамической смене радиоканалов при их поражении в процессе ведения связи;

автоматическая регистрация MS в сайте и в системе;

непрерывный мониторинг разговорных каналов сайтов и прогнозированное системное ранжирование каналов по их качеству;

разрешение или запрещение принципа динамического распределения каналов для системы в целом;

централизованное предоставление каналов выделенным абонентам системы для связи с абонентами сети ТФОП;

одновременный вызов нескольких разговорных групп или всех пользователей системы и передача общей информации или команды тревоги;

динамическое перегруппирование разговорных групп в сайтах;

обеспечение самодиагностики отдельных компонентов и всей системы.

Технология ASTRO позволяет формировать многосайтовую систему, включающую 48 сайтов с высокой и низкой плотностью, с общим количеством 48000 абонентов в зоне обслуживания.

Системы персонального радиовызова (СПРВ)

Мобильные СПРВ предназначены для организации вызова абонентов, местоположение которых неизвестно. Так как абоненты системы могут перемещаться в пространстве, то процесс вызова требуемого абонента соответствует его поиску. Поэтому такие системы часто называются поисковыми или пейджинговыми системами (от англ. pagingпоиск), а индивидуальное радиоприемное устройство пейджер (миниатюрный радиоприемник с встроенной антенной).

В отличие от сотовых и транкинговых систем мобильной радиосвязи, использующих общую группу свободнодоступных рабочих частот (trunk), пейджинговые системы работают на одной рабочей частоте, на которую настраиваются базовый радиопередатчик и пейджеры системы. Вызов требуемого мобильного абонента осуществляется путем передачи цифровой кодограммы, содержащей номер (адрес) вызываемого пейджера. Другие пейджеры отвергают этот адрес как чужеродный сигнал внешней помехи. Кроме адресного признака кодограмма вызова включает также информационную часть, состоящую из совокупности формализованных команд и сообщений, в соответствии с которыми действует пользователь пейджера. Вызывающим абонентом является абонент стационарной телефонной сети общего пользования (ТФОП), который осуществляет заявку на вызов. Заявка на вызов по телефону через АТС поступает на контрольно-оконечную станцию (КОС) системы персонального радиовызова, которая формирует кодограмму вызова и подает ее на базовый радиопередатчик по модуляционной линии (рис. 61).

Пейджинговая радиосистема, предназначаемая для массового обслуживания пользователей, может рассматриваться как специфическая система управления, для которой должны выполняться требования:

передачи заданного объема сообщений Vс;

минимального времени доставки сообщения абоненту Тд;

заданной достоверности доставляемой информации Рд.

Главным требованием для большинства СПРВ считается требование минимального времени доставки сообщения Тд. Время доставки Тд складывается из времени набора адреса и информации Ти, времени ожидания канала передачи Т0 и времени передачи сообщения Тп (Тд = =Ти + То + Тп).

Рис. 61

Время набора адреса и информации Тн определяется типом СПРВ. Оно включает время набора номера контрольно-оконечной станции на абонентском телефонном аппарате, время коммутации АТС с контрольно-оконечной станцией и время ввода адреса и информации в кодирующее устройство пульта управления оператора КОС.

Время ожидания канала передачи Т0 включает накопление информации, поступающей от других вызывающих абонентов в памяти КОС и время подготовки радиопередатчика к излучению.

Время передачи сообщения Т0 связано с объемом сообщения Vс и скоростью передачи в канале Rп соотношением .

Скорость передачи сообщения Rп определяется пропускной способностью канала связи С и количеством информации Н, содержащейся в одном элементе сообщения:

, (73)

где полоса частот канала; рс/рш отношение мощности сигнала к мощности шума в месте приема.

С учетом выражения (73) время передачи сообщения будет определяться выражением

, (74)

где количество информации в сообщении. Таким образом, обеспечение условия Тп< Тзад возможно путем ограничения количества информации, приходящейся на одно сообщение , расширения полосы частот тракта передачи и повышения энергетического параметра рс/рш в канале. Поэтому пейджинговые сообщения должны иметь компактную форму (кодовые последовательности с ограниченным количеством знаков n). Это обеспечивает своевременность и достоверность доставки сообщения пользователям.

Время ожидания канала передачи Т0 может быть существенно сокращено, если система не использует принцип ручного диспетчирования, а информация от вызывающего абонента сразу записывается в память КОС. Это реализуется при наличии у абонента сети ТФОП специального телефонного аппарата с тастатурой тонального набора сообщения и частотным кодером, а в КОС преобразователя МЧКК в бинарную дискретную последовательность.

Поскольку базовый передатчик пейджинговой системы излучает на одной рабочей частоте fр, то передача сообщений различным мобильным абонентам осуществляется последовательно одно за другим, пока не освободится схема накопления в КОС.

Современные базовые передатчики пейджинговых систем, как правило, используют угловую модуляцию (частотно-манипулиро-ванные сигналы классов F8Д, F1Д, F8WXF). Модуляционные линии, соединяющие КОС с базовым передатчиком, используют типовые каналы ТЧ со стандартными полосами частот = 0,3...3,4 кГц. Для организации модуляционных линий могут использоваться линии телефонной связи (СЛ), а также специальные линии радио и радиорелейной связи (РРЛ), создающие прямые каналы между КОС и базовой станцией.

Мобильные СПРВ с многочастотным комбинаторным и линейным бинарным кодированием

Примером мобильных систем персонального вызова, использующих принцип многочастотного комбинаторного кодирования (МЧКК), являются пейджинговые системы стандартов «Беллбой» и «Пакет-Белл» (США). Структурная схема тракта передачи СПРВ «Беллбой» показана на рис. 62.

Она использует принцип автоматического диспетчирования при приеме заявок на вызов. Последовательность вызова состоит в следующем. На телефонном аппарате набирается семизначный номер вызываемого мобильного абонента СПРВ. Первые три цифры (например, 125) предназначены для установления соединения абонента сети ТФОП с КОС через АТС. Последние четыре цифры (например, 600) служат для преобразования их в кодированные сигналы вызова.

В КОС двоичная кодовая комбинация последних четырех цифр от АТС поступает на входные регистры и далее в блок контроля номеров, где с помощью преобразователя контроля числа производится проверка принадлежности данного четырехзначного номера к группе разрешенных номеров, предназначенных для работы АТС с системой «Беллбой».При положительном результате проверки принятое число (3200) пропускается блоком контроля регистров в свободные цепи схемы накопления. Схема обеспечивает поочередную запись сигналов вызова в преобразователь кода и через блок контроля числа подает сигнал ответа вызывающему абоненту сети ТФОП (передается речевое сообщение «вызов абоненту послан»). Это сообщение слышится в трубке ТА.

Если блок контроля числа не идентифицирует поступившую четырехзначную комбинацию, то вызывающему абоненту сети ТФОП передаются короткие звуковые сигналы «занято».

Рис. 62

Цепи накопления служат своеобразной буферной памятью поступающих от сети ТФОП сигналов. Они собирают сразу несколько номеров. Это обусловлено тем, что запросы на вызов принимаются быстрее, чем передаются сигналы радиовызова. Схема управления накопителем выбирает принятые номера в порядке поступления запросов на радиовызов.

Структурная схема тракта приема системы «Беллбой» представлена на рис. 63.

Рис. 63

Общий тракт приема пейджера представляет радиоприемник супергетеродинного типа с двойным преобразованием частоты (fпр1 = =10,7 МГц; fпр2 = 455 кГц). Отличительной особенностью тракта обработки сигналов после второго преобразования частоты является использование демодулятора (ДМ) с полосовыми фильтрами. Демодулятор выделяет колебания кодовых частот и при принятии присвоенной комбинации не менее трех раз на выходе декодера (ДК) образуется импульс, запускающий прерыватель с частотой 2...3 Гц. В такт импульсам прерывания включается генератор тональной частоты с громкоговорителем на его выходе.

Сегодня в СПРВ общего пользования, в основном, применяют стандарты с двоично-цифровым кодированием (ДЦК).

Из различных СПРВ с двоично-цифровым кодированием наиболее широкое применение нашли стандарты «Мультитон» (Англия) и Мotorola (США). Они имеют самый разнообразный набор оборудования как для малых учреждений (до 900 абонентов), так и для крупных предприятий и городов (до 100 тысяч абонентов). Существуют варианты с ручным и автоматическим диспетчированием, с передачей речевого сообщения, с передачей дополнительной информации в виде определенных звуковых тонов и цифровой индикацией на дисплее из жидких кристаллов. При высоте антенны ВS150 м, мощности ЧМ-передатчика 20...25 Вт и использовании приемников с повышенной чувствительностью радиус действия СПРВ достигает 4...40 км.

Формат кодограммы вызова системы ДЦК «Мультитон» с ограниченной адресной емкостью имеет вид (рис. 64).

Кодограмма вызова состоит из 88 бит информации. Она включает преамбулу и два информационных кадра. Преамбула (П) включает 8 бит тактовой синхронизации (ТС) и 8 бит фазового запуска (ФЗ). Информационный кадр состоит из кода адреса (А) и сообщения (С). Адрес образуется из начальной комбинации (Н) и трех цифр номера адреса (NА1, NА2, NАЗ). Сообщение образуется из комбинации С1 (3 бита из четырех), двух последних цифр номера адреса (NА4, NА5) и конечной комбинации (К). После этого повторяется передача адреса и сообщения (А + ЧС).

Заканчивается кодограмма вызова двумя стоповыми (СТ) 4-битовыми комбинациями.

Принимаемое сообщение преобразуется в пейджере в соответствующие виды сигнализации:

Звуковую сигнализацию, включающую 8 вариантов сообщений, отличающихся продолжительностью и повторяемостью тонов. В каждом варианте звуковой сигнализации заложена информация для вызываемого абонента (пункт вызова, степень срочности и т.д.). Звуковая сигнализация может дублироваться визуальной индикацией, например высвечиванием цифры светодиодной матрицы от 1 до 8.

Рис. 64

Звуковую сигнализацию, включающую 4 варианта информации (5, б, 7, 8) с одноцифровой световой индикацией, которая используется для передачи 40 различных сообщений.

Звуковую сигнализацию, включающую 8 вариантов информации с четырехцифровой световой индикацией, которая использует принцип «бегущей строки» на одноцифровом индикаторе. Это позволяет передать абоненту номер телефона вызывающего абонента.

Для повышения достоверности сигнализация вызова включается лишь при безошибочном приеме первой и дублирующей адресных комбинаций. Это уменьшает вероятность ложных вызовов.

Для контроля абонента о выходе из зоны уверенного приема базовый передатчик периодически (не реже одного раза в минуту) повторяет передачу преамбулы (П) кодовой комбинации при отсутствии заявок на вызовы. В пейджерах осуществляется счет принимаемых преамбул, и если в течение 184 с отсутствует их прием, то включается сигнализация («вышел из зоны приема»).

Устройство экономии энергии периодически (через 0,96с) включает приемник на 4 мс.

Структурная схема передающей части СПРВ «Мультитон» приведена на рис. 65.

Рис. 65

Формирование сигналов вызова осуществляется кодирующим устройством (КУ) контрольно-оконечной станции (КОС). Сообщения, поступающие от абонентов сети ТФОП, принимаются диспетчерами. Диспетчерские пульты ДП1...ДП12. ДП размешаются в КОС. Отдельные ДП могут размещаться и за пределами КОС. На ДП набирается номер вызываемого абонента (сигнал вызова) и дополнительная информация.

Сформированные в кодирующем устройстве (КУ) цифровые последовательности (цифровые пакеты) от нескольких абонентов сети ТФОП поступают на модемы, где преобразуются в помехоустойчивую форму, и по соединительным линиям (СЛ1, СЛ2) передаются на передающие станции соответствующих зон обслуживания.

Устройства сопряжения (УС) преобразуют поступающие от модемов цифровые последовательности в форму, необходимую для модуляции радиопередающих устройств РПДУ1, РПДУ2. В УС предусмотрены регулируемые линии задержки для коррекции (выравнивания) времени задержки при прохождении сигналов вызова по СЛ1 и СЛ2 (различной длины). Это обеспечивает синфазное включение и выключение обоих передатчиков и передачу ими сигналов радиовызова.

Каждый из передатчиков зарезервирован. Контроль работы РПДУ осуществляется в КОС.

Для повышения надежности приема сигналов вызова диспетчер дважды набирает на ДП один и тот же номер вызова и дополнительную информацию. При этом сигнал повторного вызова вырабатывается в КУ через 16 с во избежание «накладки» в приемнике одинаковых вызовов.

Документальная регистрация всех заявок на вызовы производится печатающим устройством.

Структурная схема приемной части СПРВ «Мультитон» приведена на рис. 66.

Общий тракт приема собран по супергетеродинной схеме с двойным преобразованием частоты. Частоты гетеродинов fГ1 и fГ2 стабилизированы кварцами. Тракт приема до усилителя УПЧ2 выполнен на навесных элементах. Тракт усиления, включающий усилитель УПЧ2, ограничитель, детектор, УЗЧ, триггер Шмитта, выполнен в виде одной гибридной интегральной схемы.

Рис. 66

После триггера Шмитта цифровая последовательность из биимпульсной формы преобразуется в моноимпульсную и далее поступает на декодеры сообщения и адреса.

В декодере адреса принятый адресный сигнал сравнивается с запрограммированной для данного приемника кодовой комбинацией номера адреса. Номер адреса заранее запрограммирован путем определенных соединений выводов декодера и специального коммутатораномера адреса.

Завершается декодирование адреса проверкой совпадения обоих повторно передаваемых адресов. При их полном совпадении вырабатывается команда, по которой осуществляется дешифрация принятой дополнительной информации и преобразование ее в сигналы для цифрового индикатора и для звуковой сигнализации (УЗЧ).

Декодер сообщения позволяет запоминать информацию о двух вызовах. Режим запоминания вызовов может обеспечивать бесшумовой режим «вызов из кармана» (звуковая сигнализация абонентом отключается). С целью извлечения «задержанного» в памяти вызова и сброса принятого вызова предусмотрены специальные органы управления («память», «сброс»).

Система «Мультитон» (Москва), использующая два передатчика мощностью 250 Вт, с высотами подвеса антенн 360 и 180 метров, имеет радиус уверенного приема 58 км. Число абонентов до 10000.

Спутниковые системы связи подвижной службы

Спутниковые ССПС относятся к системам глобальной связи, обеспечивающим, в отличие от региональных ССПС, доставку информации подвижным абонентам, находящимся в любой точке земного шара. Эффект глобализации связи достигается на основе переноса базовых ретрансляторов с поверхности земли в космическое пространство и обеспечения качественных каналов радиосвязи между наземными МS и бортовыми базовыми станциями (ВSб).

В зависимости от массы КА, видов работы и высот орбит вращения различают 5 групп спутниковых ССПС. К ним относятся группы: littleLEO, bigLEO, MEO, NEO, GEO.

Группа littleLEO использует группировки легких КА, размещаемые на низких круговых орбитах вращения порядка 1000 км. Основное назначение ССПС группы littleLEO состоит в передаче данных в виде коротких цифровых сообщений, организации электронной почты и определения местоположения объектов на местности.

К положительным качествам ССПС группы littleLEO относятся высокие энергетические потенциалы радиолиний при малой энергетике ВSб (выходные мощности передатчиков порядка 5...4 Вт, коэффициент усиления антенн 2 дБ).

Использование легких КА (50...250 кг), запускаемых группой одним ракетоносителем либо в качестве дополнительного груза, обеспечивает сравнительно низкие экономические затраты при формировании космических сегментов.

К недостаткам следует отнести невозможность передачи больших объемов информации (из-за низкой скорости передачи 1,2...9,6 кбит/с) в реальном масштабе времени, а также введения сложных систем корректировки доплеровского сдвига частоты.

Системы работают в диапазоне частот до 1 ГГц. К группе littleLEO относятся стандарты Гонец, Starsys, Faisat.

Группа bigLEO использует квазистациорнарные группировки КА на низких круговых орбитах вращения порядка 780 км и является основной для организации персональной радиотелефонной и пейджинговой связи. Суммарная потребляемая мощность ВSб в ССПС при формировании радиолиний земля-космос составляет порядка 24 Вт. Для обеспечения требуемых потенциалов радиолиний и передачи больших объемов информации и реальном масштабе времени стандарты спутниковых ССПС группы bigLEO используют автоматические фазированные антенные решетки (АФАР), создающие множество парциальных лучей в сторону земли. Каждый из лучей создает на поверхности земли свою ЗО. Таким образом формируются общие ЗО с диаметром более 4000 км.

В группе bigLEO работают широко распространенные стандарты спутниковых ССПС Iridium, GlobalStar, Сигнал.

Группа МЕО использует группировки КА на средневысотных орбитах вращения высотою 5 00015000 км. К группе МЕО относятся широкораспространенные стандарты спутниковых ССПС Oddyssey, IS0, ELLIPSO.

Проблема реализации персональной связи для наземных мобильных станций, создаваемых по принципу «трубка в руке», из-за низких потенциалов радиолиний земля-космос остается не решенной.

Наземная инфраструктура

Наземная инфраструктура системы включает станции сопряжения (наземные базовые станции ВSн), центры управления системой (ЦУС), терминалы общего пользования и мобильные терминалы персональной связи (MS). Базовые станции сопряжения ВSб обеспечивают интерфейс радиоканальной части комплекса со стационарными сетями телефонной связи (ТФОП), телефакса и передачи данных. Терминалы общего пользования наземной аппаратуры являются средствами коллективной телефонной связи, используемой по принципу «телефон-автомат». Они устанавливаются в местах, не оборудованных стационарной телефонной сетью, а также в труднодоступных участках местности (горных районах, островах, пустынях, тундре и т.д.). Мобильные терминалы персональной связи (МS) являются средствами индивидуального пользования по принципу «трубка в руке». Для обеспечения факсимильной связи и передачи данных (ПД) абонентской терминал дополняется модемом. Терминалы общего пользования и мобильные терминалы обеспечивают глобальную радиосвязь с абонентами через бортовые ретрансляторы спутников связи. Мобильные терминалы могут использоваться абонентами, находящимися в подвижных объектах сухопутного, морского и воздушного транспорта.

Космический сегмент

Космический сегмент стандарта IRIDIUM включает 66 бортовых базовых станций (ВSб), размещаемых на низкоорбитальных искусственных спутниках земли (ИСЗ), имеющих круговые приполярные орбиты с высотой 780 км и углом наклона 86О. Искусственные спутники земли распределяются по шести орбитальным плоскостям, каждая из которых содержит 11 ВSб. Угловое расстояние между соседними орбитальными плоскостями составляет 3,6О. Между 1-й и 6-й плоскостями угловое расстояние составляет 22О.

Антенные системы (шесть программно-управляемых АФАР) каждой ВSб формируют 48 парциальных лучей с узкими диаграммами направленности, создающими общую зону покрытия участка земной поверхности, причем линия земля-космос работает на первичной основе, линия космос-земля на вторичной основе. Фидерные линии между бортовыми радиостанциями спутников BSб и наземными станциями сопряжения ВSн работают в К-диапазоне частот фиксированной спутниковой службы (ФСС) 19,4...3,3 ГГц, причем линия космос-земля работает в полосе 19,4...19,6 ГГц; а линия земля-космос 3,1...3,3 ГГц.

Для межспутниковой ретрансляции сигналов и создания сетки линий космической радиосвязи используется промежуточный участок К-диапазона частот в полосе 23,18...23,38 ГГц.

Совершенствование ССПС в XXI столетии определяется общими тенденциями мирового экономического развития, порождающими новый гигантский сектор рынка информационных услуг. Техническую основу рынка информационных услуг будут составлять телекоммуникационные технологии (микроэлектроника, большие интегральные схемы, электросвязь, новые сетевые архитектуры и стандарты), обеспечивающие:

- высокоскоростную передачу данных (144…2 Мбит/с);

- интеграцию услуг, предоставляемых фиксированным и мобильным сетям связи;

- интеграцию услуг,предоставляемых локальным, региональным и глобальным сетям мобильной связи, включая обеспечение глобального роуминга и выход на глобальные спутниковые сети связи;

- прием мультимедийной информации на мобильный терминал;

- интерактивное взаимодействие с Web-информацией и Internet-услугами;

- создание многофункциональных мобильных терминалов.

Международный союз электросвязи (ITV) выделяет преимущественное развитие систем мобильной связи, обеспечивающих активную работу потребителей. Важнейшим условием активной работы становится свобода передвижения и свобода выбора места и времени для принятия решения.

ITV отмечает, что в XXI столетии сети мобильной связи будут составлять важнейшую составляющую Глобального информационного общества. Мобильные ССПС новых поколений будут не просто доступным, но и массовым средством телефонной связи. Рынок мобильной связи уже к 2010 г. достигнет важной критической черты по количеству пользователей (200 миллионов абонентов) и еще более укрепит свои позиции.

Европейская комиссия по развитию мобильных коммуникаций, созданная в 1994 г., определила важнейшие принципы построения общеевропейской телекоммуникационной инфраструктуры и заложила основу технической политики по созданию Универсальной мобильной телекоммуникационной системы 3-го поколения DMTS (UniversalMobileTelecommunicationsSystem).

Фирма INTELCORPORATION объявила о разработке программ-драйверов для мобильных ПК и обеспечения развития базовой мобильной операционной системы WindowsC, которая в течение ближайших 2 3 лет станет базовой операционной системой для интерактивного телевидения, автомобильных и носимых персональных компьютеров и мультимедийных радиотелефонов.

В Северной Америке создана группа GSMAlliance, которая поставила цель выработки согласованной технической политики и промышленной кооперации, обеспечивающих реализацию проекта Сетевого компьютинга.

Сетевой компьютинг - это новая технологическая среда, основу которой составляют композиция технологий Web, Internet и мобильной связи. Сетевой компьютинг составит основу глобальной инфраструктуры мировой экономики и обеспечит перспективные телекоммуникации для офисных, корпоративных систем (на базе Internet) и распределенных систем глобального характера.

В Японии при активной поддержке фирм ERICSSON и NOKIA уже в 2000 году заработала мобильная связь 3-го поколения, а в Европе ведутся работы по созданию проекта ETSI в рамках ACTS по стандартизации протоколов радиодоступна, ориентированных на требования таких систем. Разрабатываемая гибридная технология TD/CDMA, названная FRAMES, позволит обеспечить:

- широкий набор услуг мобильной связи;

- скорости передачи данных до 2 Мбит/с;

- транспортные услуги по технологии коммутируемых каналов.

Этот проект обеспечит преемственную связь двух международных стандартов UMTS и IMT-2000 с платформой GSM.

Для стандарта UMTS выделяются дополнительные полосы частот: 2360…2400…2483,5…2520 и 2520…2670 МГц.

Частотный спектр, предназначенный для использования UMTS, должен обеспечивать широкополосную связь и предоставление мультимедийных услуг в диапазоне скоростей передачи данных 144 кбит/с…2 Мбит/с.

Эксплуатация и контроль радиосистем

Сложность современной опто- и электронной аппаратуры, используемой в судовождении и авиации, космонавтике и в военном деле, вызвала к жизни серьезную проблему обеспечения ее качественного хранения и эксплуатации. Еще в 40-х гг. ХХ века массовой проверкой эксплуатирующихся в США РЛС было установлено, что потенциал РЛС, определяющий дальность действия станций и равный

П = РпG2/Рmin, (75)

где Рп - мощность передатчика; Рmin - чувствительность приемника, G - коэффициент усиления антенны, оказывался в среднем на 14-15 дБ ниже указанного в ТУ, причем гистограмма потери потенциала имела вид, показанный на рис. 67.

Поэтому только в совокупности со всей вспомогательной аппаратурой контроля работоспособности радиосистема управления составляет законченный радиотехнический комплекс соответствующего назначения.

Количественной характеристикой надежности электронных систем является вероятность безотказной работы, равная

p0 = exp(0t), (76)

где 0 интенсивность отказов оборудования.

Рис. 67

Вероятность исправного состояния электронной системы в произвольно выбранный момент времени характеризуется коэффициентом готовности, равным

Кг = Т0/(Т0 = tn), (77)

где Т0 - среднее время безотказной работы (математическое ожидание); tn = tпн + tун + tсн среднее время простоя на отказ соответственно из-за поиска неисправности, устранения неисправности, времени эксплуатации или хранения со скрытой неисправностью. Ясно, что высокий коэффициент готовности может быть получен при высокой надежности (большом Т0) либо при малом простое, последнее достигается профилактическими проверками и ремонтом.

Известно, что для аппаратуры, состоящей из N одинаковых по надежности элементов, выход из строя каждого из которых приводит к отказу аппаратуры,

T0 = 1/N0, (78)

где 0 = вн + пост суммарная интенсивность внезапных и постепенных отказов, причем обычно доля постепенности отказов составляет 70…90%, т.е. вн ? (0,1…0,3)0. Различают постепенные и внезапные отказы. Постепенные отказы поддаются прогнозированию и их интенсивность на время действия прогноза может быть принята равной нулю, поэтому контроль параметров позволяет прогнозировать математическое ожидание времени безотказной работы как

Tпрогн Т0(0/вн), (79)

которое может превышать на порядок среднее время наработки на отказ.

Одним из возможных путей решения проблемы экономичной эксплуатации радиокомплексов при постоянной готовности к действию является включение в их состав рационально построенных и в достаточной степени автоматизированных средств контроля параметров. Система контроля считается ручной, если более 50 % операций производится человеком-оператором вручную, если число автоматизированных операций превышает 98% система автоматическая, в промежуточном случае - полуавтоматическая.

Исходными данными для автоматизации может служить сравнительная таблица возможностей человека и машины. Представленные в табл. 6 данные соответствуют возможностям автоматических логических устройств, выполненных на базе ЭВМ 2-го и 3-го поколений, т.е. при компоновке цифровых устройств с помощью дискретных полупроводниковых компонентов или интегральных микросхем.

Хотя ручные системы проще и дешевле в производстве, но их малая производительность приводит к повышенной стоимости эксплуатации. Автоматизация процессов контроля позволяет: существенно сократить время на проверку оборудования; снизить квалификацию обслуживающего персонала; удешевить стоимость эксплуатации; ускорить процесспоиска повреждений с указанием необходимых мероприятий по их устранению; прогнозировать надежность систем.

Таблица 6

Характеристика	Человек	Машина
Время реакции	0,15 - 1,5 с	1,0 мкс
Время решения	0,5 - 1,5 с	2,5 мкс
Точность отсчета	0,5 с	0,001 мкс
Достоверность измерений	2 - 9 % ошибок	1 ошибка на 106 - 108операций

Тенденция к расширенному применению наземного вспомогательного контрольно-испытательного оборудования для военных самолетов может быть проиллюстрирована следующими цифрами и фактами:

наземное вспомогательное оборудование для реактивного сверхзвукового истребителя F-102 имеет в 10 раз большую стоимость, чем для бомбардировщика В-24, разработанного раньше на 10 лет;

стоимость вспомогательного оборудования возросла еще в 10 раздля самолета F-106, что было вызвано установкой на нем системы автоматического управления огнем.

Следует отметить, что при разработке F-106 и ЗУРС «Терьер» и «Тартар», конструкция летательных аппаратов и схемное построение аппаратуры наведения выполнялись с учетом требований, вытекающих из применения автоматизированной системы контроля.

Отметим теперь некоторые причины, влияющие на условия передачи информации, т.е. прохождение ЭМВ.

Условия распространения радиоволн

Известно, что на параметры распространения ЭМВ существенное влияние оказывает состояние атмосферы. Рассмотрим кратко ее общие свойства и ее строение.

Атмосферу условно можно разделить на следующие основные слои (рис. 68):

тропосферу (содержит 0,75 всего вещества атмосферы), имеющую верхней границей тропопаузу, лежащую над экватором на уровне 16 18 км, а в умеренных широтах - на уровне 10 12 км;

стратосферу, занимающую область вплоть до высот 60 80 км от тропосферы (содержащую незначительное количество водяных паров);

ионосферу, расположенную выше стратосферы и характеризующуюся наличием огромного числа электрически заряженных частиц - электронов и ионов, возникающих в результате расщепления (ионизации) нейтральных молекул воздуха.

Ионосфера переходит в радиационные пояса Земли (открытые в 1959 году, образовавшиеся в результате захвата магнитосферой Земли потоков заряженных частиц, вторгающихся в околоземное космическое пространство).

На высоте 9000 км над экватором регистрируется около 25000 импульсов в секунду, что соответствует дозе излучения = 10 р/ч (если частица электроны) или 100 р/ч (если протоны). Внутренний пояс состоит из протонов с энергией до 100 Мэв и электронов до 1 Мэв. Внешний из электронов от 100 Кэв до 3 6 Мэв (рис. 69).

Основным источником ионизации земной атмосферы являются электромагнитные волны солнечного излучения с <1340(0,134 мкм), т.е. нижний участок ультрафиолетового диапазона и мягкие рентгеновские лучи, имеющие 20, а также испускаемые с поверхности потоки заряженных частиц, образующих корпускулярное излучение Солнца.

Плотность потока солнечного электромагнитного излучения вне земной атмосферы составляет около 1400 Вт/м2. Кроме того, в ионизации земной атмосферы участвуют ультрафиолетовые излучения «горячих» звезд и микрометеорные потоки (космическая пыль). Огромное число микрометеоритов (до 1020 частиц в сутки) размером в основном меньше 20 мкм непрерывно бомбардируют земную атмосферу и вызывают ее ионизацию.

Рис. 68

На характер распространения радиоволн сильное влияние оказывают земная поверхность (табл. 7), тропосфера и ионосфера. Вследствие этого радиоволны могут распространяться между радиопередающим и радиоприемным устройством различными путями: прямыми, поверхностными и пространственными волнами (рис. 70, где 1 - поверхностная волна;2 пространственная волна;3 прямая волна;4 связь вида земля-космос-земля;5 невозвращающаяся к земле волна).

Рис. 69

Прямые волны (3), распространяющиеся по прямолинейным траекториям, могут наблюдаться за пределами земной атмосферы.

Таблица 7

Среда	Свойства среды
	Диэлектрик	Полупроводник	Проводник
Сухая Земля	<4 м	4м<<400 м	>400 м
Морская вода	<3 см	3 см<<3 м	>3м

Поверхностные волны (1) распространяются в непосредственной близости от Земли и частично огибают ее вследствие дифракции, рефракции (преломления) и рассеяния в тропосфере. Иногда радиоволны (особенно в УКВ-диапазоне) распространяются на расстояние до 1000 км из-за действия рефракции и рассеяния; их называют тропосферными волнами.

Дифракция радиоволн - способность радиоволн огибать препятствия, лежащие на пути распространения (горы, строения, выпуклость земного шара и т.п.). Наиболее существенное значение явление дифракции имеет в диапазонах СВ, ДВ, СДВ (1000 100; 10000 1000; 100000 10000). В основном распространение в УКВ-диапазоне (от 5 до 1 м - метровый; 1 0,1- дециметровый; 0,1 0,01 - сантиметровый; 0,01 0,001 - миллиметровый) происходит тропосферными волнами, а на > 4 5 м существенным оказывается пространственное прохождение (пространственные волны).

Рис. 70

В связи с большими потерями энергии в почве и малой длиной волны (при средней мощности передатчиков) дифракция на УКВ выражена слабо. Значительно сильнее при приеме УКВ за «пределами видимости» сказываются рефракция и рассеяние радиоволн в тропосфере.

При организации уверенной связи (Р = n·1 Вт и чувствительность приемника 1 мВ) дальность прямой видимости оценивают как

, (80)

(h1, h2 - высоты антенн в метрах, Rпр - в километрах).

При учете рефракции (нормальной) атмосферы получим

(81)

Причем напряженность электрического поля на радиолиниях небольшой протяженности (R<Rпр), когда выполняется условие h1h2<R/18, может оцениваться «квадратичной» формулой Б.А. Введенского

, (82)

где Ед - действующее значение напряженности электрического поля (мВ/м), R - расстояние (в км); h1, h2 - высоты антенн (м); Р мощность передатчика (кВт); G - коэффициент усиления передающей антенны. Если R< (1,5 2)Rпр, то напряженность оценивают по дифракционной формуле

, (83)

где n показатель степени затухания поля за горизонтом (рис. 71); f - рабочая частота в МГц.

Рис. 71

Однако во многих случаях удается получить сигнал от передатчика на расстоянии, в несколько десятков раз превышающем Rпр, причем величина Ед значительно превосходит значения, полученные по дифракционным формулам.

Обычно прием сигналов УКВ обуславливается рассеянием радиоволн в нижних слоях тропосферы. Причем в случае, когда ДН передающей и приемной антенн > 0,044oR, напряженность поля оценивается по формуле «рассеянного поля»:

(84)

Следует отметить, что максимальное расстояние возможного приема волн, рассеянных в тропосфере в УКВ-диапазоне, может достигать 1000 км. Для радиосвязи на такие расстояния требуются передатчики большой мощности (Р до 1 кВт и более) и высокочувствительные приемники. (Для получения более надежной связи увеличивают Р или направленность передающей и приемной антенны).

Качество принимаемых сигналов при R>>Rпр получается невысоким из-за фазовых сдвигов радиоволн, пришедших в точку приема из разных областей тропосферы. Это обстоятельство приводит к ограничению полосы частот, пропускаемых тропосферой. В случае слабонаправленных антенн полосу пропускания тропосферы (МГц) оценивают как

(85)

(R - в сотнях километров).

Для увеличения полосы пропускания приходится применять остронаправленные приемные и передающие антенны.

Прием тропосферных сигналов обычно сопровождается глубокими быстрыми и медленными замираниями. (Быстрые - секунды или минуты - вызваны изменениями в положении и характере вихревых неоднородностей тропосферы, имеют место при многолучевом распространении; медленные - часы изменением степени рефракции, усиление рефракции увеличивает амплитуду рассеянных сигналов и наоборот).

С быстрыми замираниями успешно справляются, применяя на приемной стороне две разнесенные на расстояние 10 антенны (располагают вдоль линии, перпендикулярной направлению приема).

На волнах, длиннее 4 5 м, наблюдаются интенсивные отражения от ионосферы (особенно в годы высокой солнечной активности). Причем, чем меньше угол возвышения антенны относительно земной поверхности, тем проще выполняется условие для отражения радиоволн обратно на землю. Более длинные волны отражаются при больших углах, чем короткие. Ультракороткие волны (короче 4 м) в обычных условиях не отражаются от ионосферы даже при 0, они пронизывают ее, испытывая незначительное искривление траектории, и уходят в космическое пространство.

Максимальная дальность прохождения радиоволной пути (передатчик-ионосфера-земля) не превышает 4000 4.500 км. Однако возможно использование последовательного многократного отражения радиоволн от ионосферы и земли, вследствие чего дальность действия пространственных волн может достигать 10000 15000 км и более (на КВ).

Для большей надежности радиосвязи требуются передатчики мощностью до 10 кВт и более, а также остронаправленные антенны.

Применяются и передатчики средней мощности, особенно в случае, когда работа на линии радиосвязи ведется с перерывами, т.е. когда линия автоматически включается только на моменты «вспышек» ионосферы, вызванных действием метеоритных ионизированных следов. Такие линии работают без смены рабочих частот в течение суток и года.

Прием рассеянных ионосферой полей в диапазоне УКВ сопровождается быстрыми и глубокими запираниями (аналогичными тропосферным). Борьба с ними ведется с помощью приема сигнала на две разнесенные (на R> 10) антенны.

Наилучшие результаты при приеме ионсферных рассеянных полей на УКВ достигаются на трассах R = 1000 2500 км. На R<1000 км от передатчика уровень рассеянных в ионосфере сигналов резко падает.



Библиографический список

1. Червяков Г.Г. Применение Электронных приборов и устройств. Ч.1. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1999. 60 с.(№2571).

2. Червяков Г.Г. Микроволновые полупроводниковые устройства. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2002. 63 с.(№2571-2).

3. Червяков Г.Г. Электронные устройства. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2003. 165 с.(№2571-3).

4. Малышев В.А., Червяков Г.Г., Ганзий Д.Д. Нелинейные микроволновые полупроводниковые устройства. Таганрог: Изд-во ТРТУ. 2001. 354 с.

5. Малышев В.А. Бортовые активные устройства сверхвысоких частот. Л.: Судостроение, 1990. 264 с.

6. Пении П. И., Филиппов Л. И. Радиотехнические системы передачи информации.М.: Радио и связь, 1984. 256 с.

7. Белавин О.В. Основы радионавигации: Учебное пособие для вузов. М.: Сов.радио, 1977.320 с.

8. Пестряков В.В., Кузенков В.Д. Радиотехнические системы: Учебник для вузов. М.: Радио и связь, 1985.376 с.

9. Ширман Я.Д., Голиков В.Н. и др. Теоретические основы радиолокации. М.: Сов.радио, 1970. 364 с.

10. Кинкулькин В.Е. и др. Фазовые методы определения координат. М.: Сов.радио, 1977. 20 с.

11. Теоретические основы радиолокации/ Под ред. В.А.Дулевича. М.: Сов.радио, 1978.607 с.

12. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации. М.:Радио и связь, 1983.320 с.

13. Марков В.В. Радиорелейная связь. М.:Связь, 1979.198 с.

14. Ацеров Ю.С. Морская международная спутниковая система связи «Инморсат». М.: Электросвязь, 1982. №12.с.14 16.

15. Ярив А.Введение в оптическую электронику/Пер.с англ. Г.Л.Киселева; Под ред. О.В.Богданкевича. - М.: Высш.шк., 1983. 398 с.

16. Оптика и связь/А. Козанне, Ж. Флере, Г. Мэтр, М. Руссо: Пер. с франц.; Под ред. В. К. Соколова.М.: Мир, 1984. 502 с.

17. Оптическая связь: Пер. с англ.; Под ред. И. И. Теумина.М.: Радио и связь, 1984. 384 с.

18. Воронина Э.И., Привалов В.Е., Шеманин В.Г. Расчет параметров лазерного дистанционного зондирования молекулярного водорода // РАН. Научное приборостроение. 1998. Т.8. № 12. С.6870.

19. Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование. М.: Мир, 1987. 550 с.

20. Оптические системы передачи: Уч.для вузов/Под ред. В.И.Иванова. -М.: Радио и связь, 1994. 224 с.

21. Обоимов А.Я., Деревянко С.А. Проблемы организации сети подвижной радиосвязи общего пользования // Электросвязь. 1991. №8.236с.

22. Adrew J. Viterbi. GDMA. Principles of Spread Communication. Addison-Wesley Wireless Communication Series. 1997.Р.148

23. DX200 GENERAL DESCRIBTION (MTX) NOKIA. Telecommunikations 1990.

24. Ли, УильямК. Техникаподвижныхсистемсвязи. М.: Радиоисвязь,1985.

25. Гольдштейн Б.С. Сигнализация в сетях связи. М.: Радио и связь, 1997.

26. Мухин А.М., Чайников Л.С. Энциклопедия мобильной связи. Системы подвижной службы общего пользования. СПб: Наука и техника, 2001. -201 с.

Размещено на Allbest.ru

...