Работа в режиме мобильного ретранслятора позволяет значительно увеличить (до нескольких километров) зону действия радиостанций в режиме транковой связи и при отсутствии базовой станции. При режиме мобильного ретранслятора мобильные радиостанции могу становиться ретрансляторами для абонентов, которые находиться в не зоны действия базовых станций. Это означает, что абонент, которые не видит в сети базовую станцию, может получить сеть от абонента, которого он видит и который видит базовую станцию - это основное отличие и преимущество данной технологии. При этом, радиостанции, которая является ретранслятором может работать в дуплексном режиме передачи сигнала, а значит принимать и посылаться данные.

Работа в режимевиртуальных сетей позволяетсоздавать виртуальные сети. Несколько организаций могут использовать виртуальные сети, обеспечивая тем самым секретность и безопасность. Принцип действия виртуальных сетей основывается на разделении физической сети для разных организаций. При этом у каждой организации остается полный контроль (собственный центр), который позволяет управлять коммуникационными функциями инастройками параметров сети.

Основные характеристики системы TETRA:

· Интеграции с сетями различного типа (Интернет, ЛВС, БД, АРМ, линии ISDN, АТС, УАТС);

· Способ передачи сигнала - симплекс или дуплекс;

· Время установки соединения 0,3с;

· Непрерывная, устойчивая связь при движении мобильной станции со скорость до 200км/ч;

· Длина статусных сообщения может достигать до 32000 бит;

· Изменение сообщений пользователем длиной до 2047бит;

· Уровень выходной мощности радиостанции 1Вт, 3Вт, 20Вт и 25Вт.

Также необходимо рассмотреть функции системы TETRA, кроме традиционных функций для транковых систем:

· Возможность вызова абонента диспетчером;

· Возможность определения зоны действия сигнала для пользователя;

· Возможность динамического приоритета. Разные абоненты имеют разные приоритеты доступа в зависимости от установленного периода времени или от загрузки системы;

· Возможность присоединения абонента к протекающему сеансу связи;

· Возможность приоритетного вызова. При занятости вызова пользователя с низким приоритетом, он будет прерван вызовом пользователя с высшим приоритетом;

· Возможность выборочного и циркулярного прослушивания абонентов без обнаружения;

· Возможность индикации и запрета индикации номера вызывающего и вызываемого абонента;

· Возможность радиостанции автоматически посылать свой идентификационный номер при групповой связи;

· Возможность простой переадресации, переадресации при недоступности и занятости абонента;

· Возможность краткого набора номер;

· Возможность ожидания и удержания вызова;

· Возможность передачи управления инициатором группового вызова;

· Возможность запрета на вызовы от пользователя согласно списку [19].

Исходя из анализа данной технологии, можно подчеркнуть, что три режима работы передачи сигналов (режим прямой связи, ретранслятора и режим виртуальных сетей) обеспечивают возможность построения и работы телекоммуникационной структуры в условиях отсутствия или разрушения базовых станций. Это позволяет иметь связь с абонентами, которые пострадали в результате чрезвычайных ситуаций и с различными службами, которые помогают устранять последствия аварий, что крайне важно для МЧС.

3.2.2Технология широкополосного радиодоступа

В данный момент беспроводные сетевые технологии распространяются повсеместно. Спектр оборудования постоянно расширяется, стандарты совершенствуются, улучаются механизмы защиты информации увеличивается скорость передачи. При невозможности использовать оптико-волоконное оборудование и спутниковой связи в чрезвычайных ситуациях необходимо использовать широкополосный радиодоступ.

Принцип широкополосного радиодоступа заключается в передачи данных одновременно для нескольких абонентов по радиоканалу базовой станции. Существует две топологии сети: точка - много точек, точка - точка. При топологии точка - много точек максимальное количество абонентских станции, обслуживаемых только одной базовой станцией, определяется моделью радиостанции и ее программным обеспечением (может достигать нескольких десятков абонентов). Пропускная способность канала базовой станции равномерно делится на число одновременно использующих канал абонентов.

Если в данный момент времени канал связи использует только один абонент, то он использует всю пропускную способность радиоканала базовой станции (также есть возможность ограничить доступ к базовой станции одному абоненту) - это топология точка - точка. Для увеличения дальности связи базовой станции применяются устройства репитеры.

Как уже было замечено ранее радиостанция шестого поколения с помощью технологии TETRAпозволяет абонентам выступать в роли базовой станции при отсутствии доступа до нее (расстояние дальности связи меньше, чем расстояние физического нахождения станции). Помимо очевидных преимуществ, данная схема обладает некоторыми недостатками: один канал связи для абонентов; одна частота передачи сигнала; ограниченное количество абонентов. Данная технология не очень удобна, если в передачи данных требуетсяподключить несколько абонентов на разных частотах.

Данную задачу решает многофункциональный терминал широкополосного радиодоступа.Данный терминал позволит абонентам работать на разных частотах (то есть не телефонный аппарат), соответственно могут одновременно подключаться несколько абонентов. Терминал является стационарным самоорганизующимся и самовосстанавливающимся узлом сети радиосвязи. Многофункциональный терминал может передавать и принимать различный вид информации и предназначен для обеспечения открытой или защищенной (с использованием внутренних или внешних устройств) радиосвязи.

Терминал обеспечивает:

1. Возможность создания и реконфигурацию в ручном и автоматическом режиме сетей радиосвязи.

2. Возможность передавать и посылать адресные, групповые и циркулярные вызовы.

3. Возможность обмена звуковыми сигналами (речевая информация).

4. Возможность обмена навигационной информацией.

5. Возможность обмена формализованными и неформализованными тестовыми сообщениями.

6. Возможность передачи данных, которые были получены от внешних устройств по стыкам RS-232, C1-ТЧ, USB, Ethernet и другие

7. Возможность дистанционного управления терминалом по двухпроводной (или четырехпроводной) телефонной линии.

8. Возможность автоматической реконфигурации сети (добавление и уменьшение числа пользователей).

9. Возможность разноформатности (любая из модуляций приемлема в зависимости от передающего устройства)

Внутри терминала существует шина для передачи информации для разных сетей (разные частоты и виды модуляций). Диапазоны и режимы работы можно менять, для этого необходимо выставить приемопередатчикна частоты абонента, с которымнеобходимо связаться.Многофункциональный терминал широкополосного радиодоступа предназначен не для конечных абонентов - обычных людей, а для координации ведомственных служб, таких как пожарные, правоохранительные органы, служба связи и МЧС.Терминал ставится централизованно для организации связи между разными структурами в условиях бедствия или авариных ситуаций.

Автор разобрал способы передачи сигналов, проанализировал радиостанции шестого поколения и технологии, на котором основаны эти станции. Показал преимуществамногофункционального терминала широкополосного радиодоступа, которым пользуется МЧС. При имеющемся оборудовании для связи службам спасения необходимо правильно развернуть базовую станцию, чтобы мобильные станции могли к ней подключаться и организовывать канал связи. Для этого необходимо рассчитать расстояние, на которое максимально можно перенести мобильную станцию от базовой при максимально допустимом затухании сигнала. Алгоритм расчета приведен ниже.

3.3 Разработка методики расчета максимально допустимойдальности связи

При устранении последствий после катастроф и восстановлении связи для передачи информации необходимо заново развернуть некую структуру, которая позволит всем подвижным и неподвижным формированиям иметь связь (услуги голосовой связь и услуги передачи данных). Надо организовать условно стационарный пункт связи (группа оперативного управления) радиально по отношению к мобильным пунктам, это значит, что данный пункт необходимо поставить в центре территории, которую необходимо обрабатывать. Этот стационарный пункт связи является главным пунктом МЧС и управляет всеми подвижными формированиями, выполняющие задачи: помощь населению, ликвидация последствий, восстановление начальной инфраструктуры.

Для того, чтобы расположить радиально базовую станцию необходимо правильно рассчитать расстояние от базовой неподвижной станции до мобильной станции при условии полной видимости и наименьшем затухании безошибочного сигнала. Есть несколько подходов для данного расчета. Существует модель Эгли (Eagle), описывающая минимальный коэффициент передачи по мощности между двумя антеннами позволит автору разработать методику, при которой данная цель достижима.

3.3.1 Обзор моделиЭгли

Необходимо разработать методику расчёта для определения максимально достижимой дальность связи между базовой и мобильной станцией при заданных начальных условиях. Автор воспользовался моделью Эгли- самая простая модель для расчёта, доказанная эмпирически. Данная модель поможет вывести методику расчета расстояния между принимающими и передающими устройствами. Согласно данной модели, для земной волны минимальный коэффициент передачи по мощности между двумя антеннами, обеспечиваемый не менее, чем в 50% точек земной поверхности (под земной поверхностью понимается некая условная среднепересеченная местность) при наличии прямой видимости между антеннами, составляет:

, где

- модули коэффициентов отражения антенн;

- коэффициенты усиления антенн;

- высоты подвеса антенн (м)

- частота (МГц)

- расстояние между антеннами (м)

d выражено в километрах, выражено в метрах

Из формулы (1) необходимо получить затухание в радиолинии в дБ:

(4)

)

Выразим из этого выражения d:

Для дальнейшего расчета необходимо задаться начальными условиями.

Частота. Система проектируется для вполне определенного диапазона - ультравысокие частоты или дециметровые волны. Автор совместно с руководителем определили частоту равную 450 МГц.

Высота размещения антенн. Целесообразно взять высоту антенны на базовой станции 8 метров, а на мобильной станции 4 метра.

Скорость передачи данных. Целесообразно взять 300 кбит/с иначе при больших скоростях наземной связи нужна технология OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing -- мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов), а при OFDM необходим линейный усилитель сигналов, который имеет достаточно низкий КПД. Также при скоростях менее 300 кбит/с типовая мощность мобильной станции составляет 5 Вт, мощность базовой станции равна 20 Вт. При скоростях более 300 кбит/с необходимо обеспечить передатчик большей мощностью, что является не целесообразным.

Мощность передатчика. Мощность передатчика соответственно 20 Вт.

Полоса частот. Полоса частот рассчитывается из отношения 1 бит/с/Гц, соответственно при скорости 300кбит/с полоса частот будет 300 кГц.

Коэффициент шума приёмника. Автор берет за основу, что приемное устройство не идеальное (реальный случай для приёмных и передающих устройств). Эмпирический расчет приемного тракта показывает, что реально достижимы значения коэффициента шума приёмника порядка 3 дБ. Можно получить и менее 3 дБ, однако это приведет к ухудшению динамического диапазона приемника, то есть снижение его реальной избирательности до неприемлемых значений. Если же к реальной избирательности приемника предъявляются повышенные требования, то на его входе должны быть предусмотрены перестраиваемые фильтры. Затухание в перестраиваемых фильтрах неизбежно увеличивает коэффициент шума до 6 - 8 дБ, что негативно скажется на передающей системе.

Защитное отношение демодулятора. Соотношение сигнал к шуму (SNR) может быть приближено к пределу Шеннона (SNRmin) только при бесконечной длине блока данных на входе демодулятора, что автоматически влечет за собой бесконечную задержку в канале связи. В реальных системах задержка лимитирована, поэтому используются достаточно короткие (100 - 10000 бит) пакеты. При таких условиях может быть достигнуто требуемое защитное отношение демодулятора SNR, равное 3 - 6 дБ. Приемлемо взять 3 дБ.

Температура. Автор взял температуру в 290 К, что соответствует нормальной температуре в 16.85 С⁰.

Коэффициенты отражения антенн. При условии, что антенны настроены точно (идеально) коэффициент отражения равен 0. В реальных случаях приемлемой считается антенна, у которой коэффициент отражения не превышает 0.5.

Коэффициенты усиления антенн по отношению к изотропному излучателю. Для вертикального несимметричного четвертьволнового штыря (как и для полуволнового диполя), что соответствует выбору антенных систем - коэффициент усиления равен 3 дБ.

3.3.2 Расчет максимально допустимой дальности связи между двумя антеннами

Для расчета дальностирадиолинии необходимо рассчитать изначально несколько параметров: чувствительность приёмника; максимально допустимое затухание;расстояние, при котором достигается максимально допустимое затухание.

Чтобы найти чувствительность приемного устройства, необходимо определить шум приемного устройства в полосе пропускания приемника (Гц), приведенный к его входу:

(Вт)(7)

Уровня собственных шумов приемного устройствавыраженных вдБм:



Притемпературе, где- постоянная Больцмана:

Коэффициент шума приемника тоже удобно выражать в дБ:

Отсюда удобная инженерная формула для уровня собственных шумов приемного устройства, приведенного к его входу:

Сигнал на входе приемного устройства должен превысить его собственные шумы, как минимум, на величину, требуемую демодулятором. Отсюда чувствительность приемного устройства:

, тогда

Подставляем в формулу значение для



, где

Максимально допустимое затухание рассчитывается, как разность мощности на входе передающего устройства, к чувствительности приемного устройства.

, где (12)

- уровень мощности на выходе передающего устройства при отсутствии помех

При )

Расстояние, при котором достигается максимально допустимое затухание(формула, рассчитанная исходя из геометрических условий).

Условие наличия прямой видимости:

, где

d выражено в км, выражено в м

Это значит, что дальность связи в радиолинии при заданных начальных условиях не может превышать 17.24км.

Дальность связииз формулы Эгли:

(км)

Можно сделать вывод, что максимально достижимая дальность связи между базовой и мобильной станциями может достигать 16.72км в диапазоне волн 450 МГц, с восьмиметровой антенной базовой и четырехметровой антенной мобильной станциями, при скорости передачи информации в 300кбит/с и мощностью передающего устройства в 20 Вт.

3.4.3 Расчет дальности связи при изменении начальных параметров системы

По моделиЭгли можно рассчитать максимально допустимую дальность связи при заданных начальных условиях. Автору необходимо выбрать начальную частоту 900 МГц и 1800 МГц, а также изменить скорость передачи данных на 150 кбит/с и 300 кбит/с соответственно. Последний параметр, которые необходимо поменять - мощность на 15 Вт и 10 Вт. При этом остальные параметры остаются неизменными в рамках технического задания. Провести сравнительный анализ полученных данных.

Чувствительность приемного устройства по формуле (11):

· При частоте 900МГц, скорости передачи данных 150 кбит/с и мощности 15 Вт

· При частоте 1800МГц, скорости передачи данных 300 кбит/с и мощности 10 Вт

Максимально допустимое затухание по формуле (12):

· При частоте 900МГц, скорости передачи данных 150 кбит/с и мощности 15 Вт

При )

· При частоте 1800МГц, скорости передачи данных 300 кбит/с и мощности 10 Вт

При )

Расстояние, при котором достигается максимально допустимое затухание остается такое же при неизменных высотах антенн и равно:

Тогда дальность связи по формуле (6):

· При частоте 900МГц, скорости передачи данных 150 кбит/с и мощности 15 Вт

Условие соответствует расстоянию, при котором достигается максимально допустимое затухание.

· При частоте 1800МГц, скорости передачи данных 300 кбит/с и мощности 10 Вт

(км) Условие соответствует расстоянию, при котором достигается максимально допустимое затухание.

При изменении начальных условий (частота сигнала, скорость передачи данных, мощность передающего устройства) и неизменных высотах антенн, коэффициенты отражения антенн, коэффициенты усиления антенн по отношению к изотропному излучателю, защитное отношение демодулятора, коэффициент шума приёмного устройства можно сделать несколько выводов:

1. Уменьшение скорости передачи сигнала оказывает слабое влияние на дальность радиосвязи и уменьшает расстояние, при котором осуществляется связь.

2. Увеличение мощности передающего устройства оказывает существенное влияние на дальность радиосвязии увеличивает расстояние, при котором осуществляется связь.

3. Увеличение частоты оказывает сильное влияние на дальность радиосвязи и значительно ее уменьшает.



Заключение

Возможность организации связи - одна из важных составляющих аварийно-спасательных работ при стихийных бедствиях или чрезвычайных ситуациях. При таких ситуациях необходимо оперативно развернуть стационарный узел связи (желательно радиально к подвижным узлам связи). В такой ситуации стационарный узел называется - группа оперативного управления для возможности соединения между пользователями сети и передающими станциями. Основными задачи, которые необходимо выполнить при чрезвычайных ситуациях:

· Необходимо обеспечить оповещение населения.

· Необходимо обеспечить устойчивую связь для органов управления во время таких ситуаций.

· Необходимо обеспечить оперативное оповещение аварийно-спасательных служб об угрозе воздействия факторов от источников чрезвычайных ситуаций.

· Необходимо обеспечить оперативное оповещение аварийно-спасательных служб, проводящих разведывательные работы в зоне чрезвычайных ситуаций.

При полном или частичном разрушении проводной связи требуется использовать радиосвязь. Состав, возможности и год выпуска оборудования у разных ведомственных, спасательных и медицинских служб может быть абсолютно разный. Это означает, что радиостанции могу работать в разных диапазонах, с разной модуляции и на разных расстояниях друг от друга.

Во избежание отсутствия связи друг с другом были разработаны радиостанции нового шестового поколения с технологией TETRA, которые позволяют абонентам самим выполнять роль базовой станции для связи с абонентами, для которых недоступна базовая станция на далёком расстоянии. А многофункциональный терминал широкополосного радиодоступа позволяет соединить несколько абонентов друг с другом при разном оборудовании (разный способ передачи сигнала - модуляции), передавая не только звуковую и текстовую информацию, но и возможность передачи видео сообщений и электронной почты.

Автором была выделена проблема размещения базовых станций, и как отмечалось ранее, они должны размещаться радиально по отношению к мобильным станциям. Это значит, что стационарную станцию необходимо разместить в эпицентре чрезвычайной ситуации для того, чтобы абоненты могли установиться связь на отдалённых участках. При помощи модели Эгли можно вывести формулы для расчёта расстояния, при котором будет осуществляться связь между мобильной и стационарной станцией в условиях прямой видимости и при максимально допустимом затухании сигнала между двумя антеннами с заданными высотами.

Основные выводы исследования:

1. Исследованы основные способы передачи аналогового и дискретного сигналов.

2. Проанализированы приемные и передающие устройства разного поколения, их преимущества и недостатки.

3. Выделены наиболее значимые технологии систем связи.

4. Разработана методика определения максимально достижимой дальности связи между базовой и мобильной станциями многопользовательскими и мультиформатными системами радиодоступа при заданных начальных технических условиях для министерства по чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий.

Результаты исследования помогут при проектировании расположения стационарных и подвижных узлов связи для разных диапазонов частот, высот антенн, мощностей передающих устройств и скоростей передачи данных.



Список использованных источников

1. Дивеев В.Н. Формирование и передача сигналов. Часть 1. Методы формирования сигналов: Тексты лекций. М.: МГТУ ГА, 2010. С. 3-4.

2. Программа передач для EPG. Общие сведения о модуляции. URL: http://conture.by/post/422 (дата обращения 22.02.2019).

3. Союз радиолюбителей Кыргызской Республики. Виды модуляции. URL: http://qrzex.com/modulation/ (дата обращения 25.02.2019).

4. ПУЭ8. Виды модуляции сигналов. URL: https://pue8.ru/silovaya-elektronika/494-vidy-modulyatsii-signalov.html (дата обращения 01.03.2019).

5. Горюнов А.Г. Телеконтроль и телеуправление. Помехи в каналах связи: Лекция №11. Томск: ЭАФУ ФТИ, 2012. С. 3.

6. Шпилевой А. Характеристика помех в канале связи. Теория электрической связи: Текст лекции №8. Калининград: Балтийский федеральный университет имени И. Канта, 2011. С. 6.

7. Студми. Учебные материалы для студентов. Цифровая модуляция сигналов (манипуляция). URL: https://studme.org/109972/informatika/tsifrovaya_modulyatsiya_signalov_manipulyatsiya (дата обращения 09.03.2019).

8. Свободная библиотеки алгоритмов цифровой обработки сигналов. Частотно-манипулированные сигналы. URL: http://ru.dsplib.org/content/signal_fsk/signal_fsk.html (дата обращения 11.03.2019).

9. Bstudy. Статьи для высших учебных заведений. Фазовая манипуляция. URL: https://bstudy.net/641294/tehnika/fazovaya_manipulyatsiya (дата обращения 20.03.2019).

10. Университет ИТИМО. Вики-конспект. Физический уровень - Модуляция URL: http://neerc.ifmo.ru/wiki/index.php (дата обращения 20.03.2019).

11. Мытищинский приборостроительный завод. Подвижный узел связи ПУЗ. URL: http://www.mpz.ru/catalogue.php?id=73 (дата обращения 06.04.2019).

12. Линии связи на основе коаксиальных кабелей. Основные положения развития сети и связи. URL: https://kunegin.com/ref/coax/page2.htm (дата обращения 06.04.2019).

13. Журнал сетевые решения LAN. Магистральные сети. URL: https://www.osp.ru/lan/2001/07-08/135030 (дата обращения 13.04.2019).

14. EVILEG Статьи. Технология передачи данных. DWDM Технология. URL: https://evileg.com/ru/post/38/ (дата обращения 13.04.2019).

15. Ткачев Д. Ф., Ткачев А. Ф. Интеграция сетей радиосвязи специального назначения в единое информационное пространство на основе применения средств радиосвязи шестого поколения. Международный научный журнал. Статья. Казань: 2017. С. 87-89.

16. Макаренко С.И., Федосеев В.Е. Системы многоканальной связи. Вторичные сети и сети абонентского доступа. Учебное пособие. СПб.: 2014. С. 111-113.

17. Российский ФМ проект. История радиосвязи в СССР и РФ. URL: http://www.433175.ru/index.php?newsid=2267 (дата обращения 20.04.2019).

18. C-NEWS Издания о высоких технологиях. Первая цифровая радиостанция. URL: http://www.cnews.ru/news/top/2016-03-11_v_rossii_sozdana_pervaya_tsifrovaya_radiostantsiya (дата обращения 20.04.2019).

19. Специальные радиосистемы. Статья. Системы транкинговой связи. URL: http://www.radioscanner.ru/info/article123/ (дата обращения 25.04.2019).

Размещено на Allbest.ru

...