Оценка на годността на радиовръзката на открито

Практически е невъзможно да се извърши проектна работа с помощта на системи за предаване на уведомления по радиоканала (RSPI), без да се оцени енергийният резерв на радиоинтервалите. Но има малко прости и достъпни методи за оценка на пригодността на една радиовръзка и те са малко известни.

Всеки знае за променливостта на нивото на сигнала в приемащото устройство. Нека да разгледаме какво представлява и какво прави.

Временните промени в нивото на приемания сигнал се наричат затихване. Условно те могат да бъдат разделени на бързи и бавни. Бързо затихване на сигнала - временни промени в нивото на приемания сигнал, свързани с интерференцията на директни и отразени вълни от земната повърхност, атмосферни нееднородности или други обекти. Бавното затихване се определя главно от дневното и сезонно затихване на радиосигнала, както и от наличието на движещи се обекти на земята.

Тъй като надеждността на радиовръзката се определя основно от енергийния запас за бързо и бавно затихване, тогава при изчисляване на радиовръзката трябва да се предвиди резерв за компенсиране на тези затихвания. За да се определи енергийният резерв, е необходимо да се знае енергийният потенциал на устройствата и условията за разпространение на сигнала.

Енергиен потенциал на устройствата

Енергийният потенциал на устройствата се определя от мощността на предавателното устройство, чувствителността на приемащото устройство, параметрите на антенно-фидерните трасета (AFT) и се изразява в относителни единици dBm.

Pe = Рprd + Pprm + Gprd + Gprm, (1)

където Pe е енергийният потенциал, dBm, Pprd е мощността на предавателя, dBm, Pprm е чувствителността на приемника, dBm, Gprd, Gprm са печалбите на предаващия и приемащия AFT, dB.

Направовидимост по радиовръзката между устройствата

Пример за интервал на радио връзка на линия на видимост е показан на фиг. 1.

Приблизително, като се вземе предвид пречупването на радиовълните в този диапазон, обхватът на линията на видимост в километри (Ltr) се определя като:

Ltr = 4,12 x (√H–1 + √H–2), (2)

където H1 и H2 са в метри.

Но наличието на пряка видимост между радиоустройствата не може да бъде критерий за осигуряване на надеждна комуникация. Освен това опитът на радиокомуникациите в диапазона на ултракъсите вълни показва, че дори при липса на пряка видимост радиовръзката може да работи. За това има методи за оценка на пригодността на радиовръзките, като се отчита влиянието на терена върху нейните характеристики. Затихването на сигнала при външни радиовръзки се определя главно от сумата на затихването на сигнала в свободното пространство и затихването на сигнала поради препятствия.

Затихване на сигнала в свободно пространство

Затихването на свободното пространство (V0) зависи от разстоянието между радиостанциите и може да се дефинира като:

V0 (dB) = 33 + 20lg Ltr (km) + 20 log F (MHz). (3)

За сигнали при 150, 433, 868 и 2400 MHz затихването на свободното пространство в dB може да се определи, както следва:

V0 (150) = 76,5 + 20lg Ltr (км),

V0 (433) = 85 + 20lg Ltr (km),

V0 (868) = 91 + 20lg Ltr (km),

V0 (2400) = 100,6 + 20lg Ltr (км).

На фиг. 2 е показана зависимостта на затихването на сигнала в свободното пространство от разстоянието между радиоустройствата за честотните ленти 150, 433, 868 и 2400 MHz.

Отслабване на сигнала поради препятствия. Зони на Френел

Да се обясни феноменът на радиовълните, огъващи се около различни препятствия, тяхното проникване в районасянка и полусянка се използва принципът на Хюйгенс-Френел. В съответствие с модела на Френел областта на разпространение на радиовълните между предавателното и приемащото устройство е ограничена от елипсоид на въртене около линията, която ги свързва. Този елипсоид е многопластов и може да включва безкрайно много зони.

Зоната, която е най-близо до линията, свързваща предавателя с приемника, се нарича първа зона на Френел. На фиг. 3 показва надлъжен разрез на първата зона на Френел.

Общоприето е, че първата зона на Френел (около половината от предаваната енергия) е от съществено значение при разпространението на радиовълните. Без да се вземат предвид загубите на сигнал в тази зона, изчисляването на радиовръзката е невъзможно.

За всяка точка от радиовръзката радиусът на първата зона на Френел (R0) може да се намери по формулата:

R0= (λ (Ltr – rток ) rток / Ltr )1/2, (4)

където λ е дължината на вълната (m), Ltr е разстоянието между предавателя и приемника (m), rc е разстоянието от източника на сигнала (m). Най-големият радиус за първата зона на Френел се определя по формулата:

Rn = 0,5 (λLtr)1/2. (5)

Ако сигналът не срещне препятствия в цялата първа зона на Френел, би било възможно да се ограничим само до отчитане на затихването на сигнала в свободното пространство. Но това се случва много рядко. В зависимост от наличието на препятствия радиовръзките се делят на отворени, полуотворени и затворени.

На фиг. 4 показва 2 вида препятствия. Ако в първата зона на Френел има препятствие, което не пресича линията на видимост (hprev.1), тогава такъв радиоинтервал се нарича полуотворен, в противен случай (hprev.2) - затворен. Освен това е необходимо да се вземе предвид припокриването на зоната на Fresnel както във вертикалната (фиг. 4), така и в хоризонталната равнина.

Съотношението на стойността на празнината hprev.1 или hprev.2 към радиуса на зоната на Френел R1или R2 се нарича относителен клирънс:

p(0) = hprev. i / Ri. (6)

За полуотворен интервал p(0) има положителна стойност, за затворен интервал има отрицателна стойност. Когато най-високата точка на препятствието съвпада с линията на видимост, p(0) = 0.

В съответствие със стойността на p(0) и естеството на профила на препятствието, от диаграмата (фиг. 5) е възможно да се получи затихването на сигнала, причинено от наличието на единично препятствие. Ако има две или повече препятствия в случай на близост, те се заменят с едно еквивалентно. Ако разстоянието между препятствията надвишава сумата от дължините на самите препятствия, тогава затихването на сигнала се разглежда отделно за всяко от тях.

Както се вижда от диаграмата, най-голямото затихване се внася от препятствие с плоска или гладка сферична повърхност. Покриването на долната част на зоната на Френел с повече от 75% от плосък релеф води до затихване на сигнала с повече от 15–20 dB.

При радиовръзка с обхват над 5 km е необходимо допълнително да се вземе предвид кривината на Земята като препятствие:

Hmax = 1,96. 10-2 • Ltr2 (7),

където Hmax е максималната височина на препятствието, създадено поради кривината на Земята (m), Ltr е разстоянието между предавателя и приемника (km).

Стойностите на височината на препятствието, създадено поради кривината на Земята за относителни разстояния rcurrent / Ltr са дадени в таблицата.

Примери за оценка на годността на радиовръзките на открито

Следват два типични примера за оценка на пригодността на радиовръзките за една от най-популярните системи: радиосистемата OPS и системата за уведомяване на радиоканала.

Радиовръзка между два радиоразширителя на безжичната FSS система

Разстоянието между RROPS е 600 м. Работната честота на сигнала е 433 (868)MHz. Мощност на предавателя - 10 mW. Чувствителност на приемника - 107 dBm. Монтажна височина на устройствата - 5м.

1. Нека преведем мощността на предавателното устройство в dB по отношение на мощността от 1 mW:

Pprd (dBm) = 10 lg (Pprd (mW)) = 10 dBm.

2. Енергиен резерв на радиовръзката:

Pe = Rprd + Pprm + Gprd + Gprm = 117 dBm

(Коефициенти AFT = 0, тъй като се използват стандартни антени).

3. Определяме затихването на сигнала в свободното пространство по формулата (3) - 80 dB.

4. Максималният радиус на зоната на Френел R по формула (5) е 10,2 m, а разстоянието между линията на видимост и земната повърхност = 5 m (височина на монтаж на антената). Следователно относителният клирънс p(0) = 5/10,2 = 0,49.

5. Съгласно фиг. 5 определяме затихването, дължащо се на релефа (равна повърхност): 14 dB.

6. Общо затихване на сигнала по радиовръзката = 94 dB.

7. Енергийният запас на радиоинтервала 117 - 94 = 23 dBm, който е достатъчен за нормалната работа на радиовръзката.

След като извършихме подобно изчисление за честота от 868 MHz, получаваме общо затихване от 94,5 dB, докато енергийният запас ще бъде 22,5 dB.

Радиовръзка, базирана на RSPI

Разстоянието между устройствата е 15 000 м. Работната честота на сигнала е 150 MHz. Мощност на предавателя - 5 вата. Чувствителност на приемника - 109 dBm. Височина на монтаж на антената - 5 м. AFT усилване - 3 dB.

1. Нека преведем мощността на предавателя в dB спрямо мощността от 1 mW:

Pprd (dBm) = 10 lg (Pprd (mW)) = 37 dBm

2. Енергиен резерв на радиовръзката:

Pe = Rprd + Pprm + Gprd + Gprm = 37 + 109 + 3 + 3 = 152 dBm.

3. Определяме затихването на сигнала в свободното пространство по формулата (3) - 100 dB.

4. Максималният радиус на зоната на Френел по формула (5) = 86,5 м. По формула (7) намирамевисочината на препятствието, създадено поради кривината на Земята, получаваме 4,4 м. Разстоянието между земната повърхност и линията на видимост е 0,6 м. Относителният просвет p (0) = 0,6 / 86,5 = 0,007.

5. Съгласно фиг. 5 определяме затихването на сигнала поради релефа (равна повърхност) - 23 dB.

6. Общо затихване на сигнала - 123 dB.

7. Енергиен резерв = 152 - 123 = 29 dBm, което е напълно достатъчно за стабилна работа на радиовръзката.

Анализ на резултатите

За надеждна работа на радиовръзката енергийният запас за бързо и бавно затихване на сигнала трябва да бъде 20–30 dB. В реални условия не винаги е възможно да се осигури такава доставка на енергия. В този случай ще е необходимо да се промени взаимното разположение на радиоустройствата или да се приложат допълнителни мерки за увеличаване на потенциала на радиовръзката.

Има няколко начина за подобряване на надеждността на радиопредаване:

1. Разнообразното радиоприемане може да се реализира чрез пространствено, поляризационно и честотно разнообразие на сигналите. Пространствено разнообразие - използването както на предаване, така и на приемане на няколко антени, разделени на разстояние повече от 10λ.

Разнообразието на поляризацията е използването на антени за предаване и приемане на сигнали както с вертикална, така и с хоризонтална поляризация.

Методът на честотното разнообразие се основава на излъчването на един и същ сигнал на различни честоти.

2. Многократно предаване на сигнал, включително с потвърждение: този метод се състои в многократно предаване на една и съща информация след определен период от време. В системи с двупосочен обмен това повторение може да се извърши, докато приемникът получи правилни данни, за които предаващата страна уведомявапотвърждение (потвърждение).

3. В допълнение, няколко трансивъра могат да образуват пространствено разделена мрежа, което прави възможно доставянето на сигнали по няколко маршрута.

За да се осигури надеждна комуникация между устройствата, е необходимо да се изчисли енергийният марж на конкретна радио връзка на етапа на проектиране. Статията представя методологията и примерите за такива изчисления, като посочва критичните стойности на енергийния потенциал. Всички изчисления трябва да се правят въз основа на специфичните параметри на устройствата на радиосистемата и възможностите за използване на методи за компенсиране на бързото и бавното затихване.