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

Радиорелейные линии (РРЛ) представляют собой цепочку приемо-передающих радиостанций (оконечных, промежуточных, узловых), которые осуществляют последовательную многократную ретрансляцию (прием, преобразование, усиление и передачу) передаваемых сигналов.

В зависимости от используемого вида распространения радиоволн РРЛ можно разделить на две группы: прямой видимости и тропосферные .

РРЛ прямой видимости являются одним из основных назем-ных средств передачи сигналов телефонной связи , программ звукового и ТВ вещания, цифровых данных и других сообщений на большие расстояния. Ширина полосы частот сигналов многоканальной телефонии и ТВ составляет несколько десятков мегагерц, поэтому для их передачи практически могут быть использованы диапазоны только дециметровых и сантиметровых волн, общая ширина спектра которых составляет 30 ГРц.

Кроме того, в этих диапазонах почти полностью отсутствуют атмосферные и промышленные помехи. Расстояние между соседними станциями (протяженность пролета) R зависит от рельефа местности и высоты подъема антенн. Обычно его выбирают близким или равным расстоянию прямой видимости R o . Для сферической поверхности Земли с учетом атмосферной рефракции

где h 1 и h 2 - высоты подвеса соответственно передающей и приемной антенн (в метрах). В реальных условиях, в случае мало пересеченной местности 40 - 70 км при высоте антенных мачт 60-100м.

Рис. 11.1. Условное изображение РРЛ.

Комплекс приемопередающей аппаратуры РРЛ для передачи информации на одной несущей частоте (или на двух несущих частотах при организации дуплексных связей) образует широкополосный канал, называемый стволом (радиостволом). Оборудование, предназначенное для передачи телефонных сообщений и включающее в себя кроме радиоствола модемы и аппаратуру объединения и разъединения каналов, называют телефонным стволом.

Соответствующий комплекс аппаратуры для передачи полных ТВ сигналов (вместе с сигналами звукового сопровождения, а часто и звукового вещания) называют ТВ стволом. Большинство современных РРЛ являются многоствольными. При этом, кроме рабочих стволов, могут быть один или два резервных ствола, а иногда и отдельный ствол служебной связи. С увеличением числа стволов возрастает соответственно и объем оборудования (число передатчиков и приемников) на станциях РРЛ.

Часть РРЛ (один из возможных вариантов) условно изображена на рис. 11.1, где непосредственно отмечены радиорелейные станции трех типов: оконечная (ОРС), промежуточная (ПРС) и узловая (УРС).

На ОРС производится преобразование сообщений, поступающих по соединительным линиям от междугородных телефонных станций (МТС), междугородных ТВ аппаратных (МТА) и междугородных вещательных аппаратных (МВА), в сигналы, передаваемые по РРЛ, а также обратное преобразование. На ОРС начинается и заканчивается линейный тракт передачи сигналов.

С помощью УРС разветвляются и объединяются потоки информации, передаваемые по разным РРЛ, на пересечении которых и располагается УРС. К УРС относят также станции РРЛ, на которых осуществляется ввод и вывод телефонных, ТВ и других сигналов, посредством которых расположенный вблизи от УРС населенный пункт связывается с другими пунктами данной линии.

Рис. 11.2. Структурная схема одноствольного ретранслятора РРЛ.

1 , 10 - антенны; 2,6 - фидерные тракты; 3,7 - приемо-передатчики; 4,9 - приемники;
5,8 - передатчики.

На ОРС или УРС всегда имеется технический персонал, который обслуживает не только эти станции, но и осуществляет контроль и управление с помощью специальной системы телеобслуживания ближайшими ПРС. Участок РРЛ (300-500 км) между соседними обслуживаемыми станциями делится примерно пополам так, что одна часть ПРС входит в зону телеобслуживания одной УРС (ОРС), а другая часть ПРС обслуживается другой УРС (ОРС).

ПРС выполняют функции активных ретрансляторов без выделения передаваемых сигналов электросвязи и введения новых и, как правило, работают без постоянного обслуживающего персонала. Структурная схема ретранслятора ПРС приведена на рис. 11.2. При активной ретрансляции сигналов на ПРС используют две антенны, расположенные на одной и той же мачте. В этих условиях трудно предотвратить попадание части мощности усиленного сигнала, излучаемого передающей антенной, на вход приемной антенны. Если не принять специальных мер, то указанная связь выхода и входа усилителя ретранслятора может привести к его само-возбуждению, при котором он перестает выполнять свои функции.

Рис. 11.3. Схемы распределения частот в РРЛ.

Эффективным способом устранения опасности самовозбуждения является разнесение по частоте сигналов на входе и выходе ретранслятора. При этом на ретрансляторе приходится устанавливать приемники и передатчики, работающие на разных частотах. Если на РРЛ предусматривается одновременная связь в прямом и обратном направлениях, то число приемников и передатчиков удваивается, и такой ствол называется дуплексным (см. рис. 11.2). В этом случае каждая антенна на станциях используется как для передачи, так и для приема высокочастотных сигналов на каждом направлении связи.

Одновременная работа нескольких радиосредств на станциях и на РРЛ в целом возможна лишь при устранении взаимовлияния между ними. С этой целью создаются частотные планы, т.е. планы распределения частот передачи, приема и гетеродинов на РРЛ.

Исследования показали, что в предельном случае для двусторонней связи по РРЛ (дуплексный режим) можно использовать лишь две рабочие частоты ƒ 1 и ƒ 2 . Пример РРЛ с таким двухчастотным планом условно изображен на рис. 11.3, а. Чем меньше на линии используется рабочих частот, тем сложнее устранить взаимовлияние сигналов, совпадающих по частоте, но предназначенных разным приемникам. Во избежание подобных ситуаций на РРЛ стараются использовать антенны с узкой диаграммой направленности, с возможно меньшим уровнем боковых и задних лепестков; применяют для разных направлений связи волны с различным типом поляризации; располагают отдельные станции так, чтобы трасса представляла собой некоторую ломаную линию.

Применение указанных мер не вызывает сложностей, если связь осуществляется в диапазоне сантиметровых волн. Реальные антенные устройства, работающие на менее высоких частотах, обладают меньшим направленным действием. Поэтому на РРЛ дециметрового диапазона приходится разносить частоты приема на каждой станции. В этом случае для прямого и обратного направлений связи выбирают различные пары частот ƒ 1 , ƒ 2 и ƒ 3 , ƒ 4 (четырехчастотный план) (см. рис. 11.3, б), и необходимая для системы связи полоса частот возрастет вдвое. Четырехчастотный план не требует указанных выше мер защиты, однако он неэкономичен с точки зрения использования полосы частот. Число радиостволов, которое может быть образовано в выделенном диапазоне частот, при четырехчастотном плане вдвое меньше, чем при двухчастотном.

Для радиорелейной связи в основном используются сантиметровые волны, поэтому двухчастотный план получил наибольшее распространение.

1. Общие принципы построения радиорелейных линий. Спутниковые и радиорелейные системы передачи

1. Общие принципы построения радиорелейных линий

1.1. Принципы радиорелейной связи

Используемые на РРЛ и ТРЛ диапазоны радиочастот обладают рядом достоинств. В каждом из этих широкополосных диапазонов можно передавать много широкополосных сигналов. В этих диапазонах антенны с большими коэффициентами усиления имеют сравнительно небольшие размеры. Применение таких антенн позволяет получить устойчивую связь при малой мощности передатчика. Спектр внешних помех атмосферного и промышленного происхождения лежит в более низкочастотной области, чем УВЧ. Поэтому в диапазонах УВЧ и более высокочастотных таких помех практически нет. Наибольшее распространение на магистральных РРЛ нашли АРРС, работающие в сантиметровом диапазоне волн.

Радиорелейную линию связи строят в виде цепочки приемопередающих РРС. На РРЛ устанавливают передатчики мощностью 0,1...10 Вт, приемники с коэффициентом шума около 10 дБ, антенны с коэффициентом усиления около 40 дБ (площадь раскрыва около 10 м2).

На такой РРЛ между антеннами соседних РРС должна быть прямая видимость. Для этого антенны устанавливают на опорах, чаще всего на высоте 40...100 м. Расстояние между соседними РРС магистральных РРЛ обычно около 50 км. На ТРЛ среднее расстояние между соседними станциями около 250 км. На ТРЛ применяют передатчики мощностью 1...10 кВт, приемники с малошумящими усилителями (МШУ), имеющими эффективную шумовую температуру 150... 200 К, антенны с коэффициентом усиления около 40 дБ

Типы станций . Основные типы РРС: оконечная (ОРС), узловая (УРС) и промежуточная (ПРС). На ОРС и УРС устанавливают радиопередатчики и радиоприемники (рис. 1.1). В составе радиопередатчика - модулятор Мд и передатчик СВЧ сигнала П, в составе радиоприемника - приемник СВЧ сигналов Пр и демодулятор Дм (ср. с рис. В.1). В передатчике СВЧ модулированный сигнал промежуточной частоты (ПЧ) преобразуется в сигнал СВЧ либо УВЧ диапазона, в приемнике СВЧ происходит обратное преобразование принятого СВЧ сигнала в сигнал ПЧ. Приемник СВЧ и передатчик, СВЧ вместе образуют приемопередатчик СВЧ, устанавливаемый на ПРС.

На ОРС, располагаемых на концах РРЛ, происходит ввод и выделение передаваемых сигналов, например МТС.

На ПРС происходит ретрансляция радиосигнала: прием, усиление, сдвиг по частоте и передача в направлении следующей РРС. При передаче радиосигналов вещательного телевидения по РРЛ на каждой ПРС предусмотрена возможность выделения телевизионной программы. Станция, на которой такая возможность реализована, называется ПРС с выделением телевидения (ПРСВ).

На УРС имеет место ретрансляция радиосигнала и разветвление РРЛ. От УРС часто берут начало новые РРЛ или кабельные линии связи. На УРС всегда происходит выделение из МТС части ТФ сигналов и ввод новых, поэтому там всегда устанавливают модуляторы и демодуляторы. Конструктивно их часто объединяют в устройстве, получившем название модем. Рекомендуемое для нашей страны среднее расстояние между соседними УРС составляет 250 км.

На УРС, как правило, имеет место разветвление радиосигналов вещательного телевидения, так называемый транзит по ПЧ. Поскольку модемы вносят шумы, то исключение их из схемы позволяет улучшить отношение сигнал-шум в канале на конце РРЛ. На крупных УРС, где сходятся несколько РРЛ, устанавливают специальные коммутаторы по ПЧ сигналов вещательного телевидения, позволяющие оперативно выбирать ту или иную программу. Модуляторы устанавливают лишь на тех УРС, где необходимо ввести новую ТВ программу. Рекомендуемое расстояние между такими УРС в нашей стране - 2500 км.

Радиорелейный пролет и радиорелейный участок . Часть радиорелейной линии связи между соседними РРС, включающую аппаратуру и среду распространения радиосигнала, называют радиорелейным пролетом. Часть радиорелейной линии связи, ограниченную двумя близлежащими радиорелейными станциями, которые являются оконечными или узловыми, называют радиорелейным участком.

Сдвиг по частоте . Разность уровней сигналов на выходе и входе приемопередатчика ПРС превышает 100 дБ. Чтобы предотвратить самовозбуждение этого устройства, радиосигналы одного направления связи на ПРС (УРС) принимают и передают на разных частотах f1 и f2. Частотным сдвигом называют величину fсдв = |fа -f1|. Обычно на магистральных РРЛ fсдв=266 МГц.

Особенности обслуживания. На РРЛ обслуживающий персонал постоянно присутствует только на ОРС и УРС. Для контроля за состоянием аппаратуры на ПРС и управления ею используют систему телеобслуживания (ТО), при организации которой всю РРЛ разбивают на эксплуатационные участки, содержащие до 10 РРС. В середине такого участка находится УРС, с которой управляют работой ПРС участка, расположенных по обе стороны от УРС. Оконечные РРС обслуживают близлежащие ПРС. Для повышения надежности и устойчивости работы аппаратуру РРЛ резервируют. Распространены два способа автоматического резервирования: постанционное и поучастковое. При постанционном резервировании в случае неисправности рабочего комплекта аппаратуры на данной станции происходит автоматическая замена его на резервный, работающий на тех же частотах.

При поучастковом резервировании на каждой станции устанавливают рабочие и резервные комплекты приемопередатчиков СВЧ, причем рабочие частоты этих комплектов не совпадают. При повреждении аппаратуры на любой ПРС происходит автоматическое переключение модемов на концах радиорелейного участка, после чего передача сигналов на всем участке происходит с помощью резервных СВЧ приемопередатчиков. На РРС с поучастковым резервированием на концах участка устанавливают аппаратуру резервирования, с помощью которой контролируют состояние аппаратуры ВЧ стволов и переключают модемы. Команду переключения с конца участка к началу передают по каналам служебной связи. Каналы служебной связи предназначены также для передачи сигналов ТО и переговоров обслуживающего персонала.

1.2. Многоствольные радиорелейные линии

Стволы РРЛ . На всех станциях одной РРЛ, как правило, устанавливают однотипные приемники и передатчики СВЧ. В большинстве радиорелейных систем Пр и П на ПРС соединяют по ПЧ. Цепочка таких передатчиков и приемников СВЧ на радиорелейном участке образует высокочастотный (ВЧ) ствол. Этот ствол является универсальным, так как по нему можно организовать передачу различных сообщений. Для чего на ОРС и УРС к ВЧ стволу подключают Мд и Дм и соответствующие оконечные устройства. Последние входят в состав модема. Если по ВЧ стволу передают МТС методом аналоговой модуляции, то такой ствол называют телефонным (ТФ). Кроме него методом аналоговой ЧМ организуют телевизионные (ТВ) стволы, по которым передают ТВ программы. Цифровой (ЦФ) ствол организуют, подавая на модулятор РРС цифровой сигнал.

Сигнал, подаваемый на модулятор, называют групповым сигналом ствола , а спектр его - линейным спектром , В аналого-цифровых (АЦФ) стволах ГС составляют из МТС и цифрового сигнала.

Структурная схема трехствольной РРЛ . Для повышения пропускной способности на РРЛ, как правило, организуют одновременную работу нескольких ВЧ стволов на различных частотах на общие антенно-фидерный тракт (АФТ) и антенну. Такую РРЛ называют многоствольной. Она имеет более высокую экономическую эффективность, чем одноствольная, поскольку стоимость антенны, антенных опор, а также общих для всех стволов - технического здания и системы электропитания, значительно выше, чем стоимость аппаратуры ВЧ ствола.

Для подключения нескольких приемопередатчиков к одной антенне (рис. 1.2) служат устройства совмещения (УС) и разделительные фильтры (РФ). Устройства совмещения нужны для разделения волн приема и передачи. В качестве УС используют поляризационные селекторы или ферритовые циркуляторы. Разделительные фильтры приема (РФ1) служат для разделения сигналов различных стволов на приеме на частотах f1, f3, f5. Разделительные фильтры передачи (РФ2) служат для объединения на передаче сигналов на частотах f1", f3", f5".

На рис. 1.2 показаны ТФ и ТВ стволы, а также резервный - Рез. Аппаратура резервирования установлена на концах радиорелейного участка: приемном - Рез. пр и передающем - Рез. П. В точку 3 может поступать сигнал об аварии, который должен быть передан к началу участка на предыдущую УРС, аналогичный сигнал от последующей УРС поступает в т. 4. В ТВ стволе организован транзит по ПЧ. Выбор ответвляемой программы осуществляют с помощью коммутатора по ПЧ-Км ПЧ, к которому также подводят (в т. 5) сигнал ТВ ствола обратного направления.

Пропускная способность ствола. В современных магистральных РРЛ с ЧМ для ВЧ ствола выделена полоса частот 28 МГц. Следовательно, ЧМ сигналы, передаваемые по стволу, должны иметь спектр не шире 28 МГц. Напомним, что ширина спектра ЧМ сигнала

(1.1)

где - максимальная девиация частоты, FB - верхняя модулирующая частота. Поскольку на РРЛ девиация частоты задана, то и величина FB, а следовательно, и пропускная способность ствола ограничены. Ориентировочно F<9 МГц

1.3. Планы распределения частот

Для работы РРЛ выделены полосы частот шириной 400 МГц в диапазоне1 2 ГГц (1,7...2,1 ГГц), 500 МГц в диапазонах 4 (3,4... 3,9), 6 (5,67 ...6,17) и 8 (7,9... 8,4) ГГц и шириной 1 ГГц в диапазонах 11 и 13 ГГц и более высокочастотных. Эти полосы распределяют между ВЧ стволами радиорелейной системы по определенному плану, называемому планом распределения частот. Планы частот составляют так, чтобы обеспечить минимальные взаимные помехи между стволами, работающими на общую антенну.

В полосе 400 МГц может быть организовано 6, в полосе 500 МГц - 8 и в полосе 1 ГГц-12 дуплексных ВЧ стволов.

В плане частот (рис. 1.3) обычно указывают среднюю частоту f0. Частоты приема стволов располагают в одной половине выделенной полосы, а частоты передачи - в другой. При таком делении получают достаточно большую частоту сдвига, чем обеспечивают достаточную развязку между сигналами приема и передачи, поскольку РФ приема (или РФ передачи) будут работать только в половине всей полосы частот системы. При этом можно использовать общую антенну для приема и передачи сигналов. В случае необходимости получают дополнительную развязку между волнами приема и передачи в одной антенне за счет применения разной поляризации. На РРЛ используют волны с линейной поляризацией: вертикальной или горизонтальной. Применяют два варианта распределения поляризаций. В первом варианте на каждой ПРС и УРС происходит изменение поляризации так, что принимают и передают волны разной поляризации. Во втором варианте в направлении "туда" используют одну поляризацию волн, а в направлении "обратно"- другую.

Рисунок 1.3. План распределения частот для радиорелейной системы КУРС для станции типа НВ в диапазонах 4 (f0=3,6536), 6(f0=5,92) и 8(f0=8,157)

Станцию, на которой частоты приема расположены в нижней (Н) части выделенной полосы, а частоты передачи в верхней (В) - обозначают индексом "НВ". На следующей станции частота приема окажется выше частоты передачи и такую станцию обозначают индексом "ВН".

Для обратного направления связи данного ствола можно взять или ту же пару частот, что и для прямого, или другую. Соответственно говорят, что план частот позволяет организовать работу по двухчастотной (рис. 1.4) или четырехчастотной (рис. 1.5) системам. На этих рисунках через f1н, f1в,…f5н, f5в обозначены средние частоты стволов. Индексы частот соответствуют обозначениям стволов на рис. 1.3. При двухчастотной системе на ПРС и У PC для приема с противоположных направлений обязательно должна быть взята одинаковая частота. Антенна WA1 (рис. 1.4,а) будет принимать радиоволны на частоте f1н с двух направлений: главного А и обратного В. Радиоволна, приходящая с направления В, создает помеху. Степень ослабления этой помехи антенной зависит от защитных свойств антенны. Если антенна ослабляет волну обратного направления не менее, чем на 65 дБ по сравнению с волной, приходящей с главного направления, то такую антенну можно использовать при двухчастотной системе. Двухчастотная система имеет то преимущество, что позволяет в выделенной полосе частот организовать в 2 раза больше ВЧ стволов, чем четырехчастотная, однако она требует более дорогих антенн.

На магистральных РРЛ, как правило, применяют двухчастотные системы. В плане частот не предусмотрены защитные частотные интервалы между соседними стволами приема (передачи). Поэтому сигналы соседних стволов трудно разделить с помощью РФ. Чтобы избежать взаимных помех между соседними стволами, на одну антенну работают либо четные, либо нечетные стволы. В плане частот указывают минимальный частотный разнос между стволами приема и передачи, подключенными к одной антенне (98 МГц на рис. 1.3). Как правило, четные стволы используются на магистральных РРЛ, а нечетные - на ответвлениях от них. В таком случае частоты приема и передачи между стволами магистральной РРЛ распределяют согласно рис. 1.4,в, а между стволами зоновой РРЛ при четырехчастотной системе - согласно рис. 1.5,в.

На практике план частот, реализованный на РРЛ на основе двухчастотной (четырехчастотной) системы, называют двухчастотным (четырехчастотным) планом.

На РРЛ имеет место повторение частот передачи через пролет (см. рис. 1.1). При этом для того, чтобы снизить взаимные помехи между РРС, работающими на одинаковых частотах, станции располагают зигзагообразно относительно направления между оконечными пунктами (рис. 1.6). При нормальных условиях распространения сигнал от РРС1 на расстоянии в 150 км сильно ослаблен и практически не может быть принят на РРС4. Однако в отдельных случаях возникают благоприятные условия для era распространения. В целях надежного ослабления такой помехи используют направленные свойства антенн. На трассе между направлением максимального излучения передающей антенны РРС1,т. е. направлением на РРС2, и направлением на РРС4 (направление АС на рис. 1.6) предусматривают защитный угол изгиба трассы a1 в несколько градусов, так чтобы в направлении АС коэффициент усиления передающей антенны на РРС1 был достаточно мал.

Вопросы для самоконтроля

1. Назовите энергетические параметры радиорелейной аппаратуры. Приведите их значения для РРЛ и ТРЛ.
2. В каких диапазонах радиоволн и частот работают РРЛ и ТРЛ? Каковы особенности этих диапазонов?
3. Назовите типы станций на РРЛ, основные функции этих станций.
4. Что такое ВЧ ствол? По каким признакам различают ВЧ, ТФ и ТВ стволы?
5. Поясните назначение элементов структурной схемы ОРС трехствольной РРЛ.
6. Поясните принципы построения плана распределения частот РРЛ. Сопоставьте планы, организованные по двух- и четырехчастотным системам.

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.

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)