Проект цифровой радиорелейной линии г. Волгоград – г. Астрахань

Введение

Связь всегда имела большое значение в жизни людей. Особенную важность связь приобрела в последние годы, поскольку многие сферы деятельности человека, например бизнес, напрямую зависят от оперативности получения актуальной информации и скорости принятия и исполнения решений.

До недавнего времени связь была аналоговая. Большое распространение получили два вида связи - проводная и радиорелейная. По проводам передавались в основном телефонные разговоры, а по радиорелейной связи - телевизионные программы. В настоящее время связь стала цифровой, провода заменяются оптоволоконными линиями связи, телевизионное вещание использует программы, передаваемые напрямую со спутников, а область применения радиорелейной связи, значительно расширилась.

Если сравнить использование радиорелейных линий и волоконно-оптических линий связи, то можно отметить следующие преимущества беспроводных технологий, которые с одной стороны требуют гораздо меньших затрат и времени на развертывание, чем ВОЛС, с другой стороны могут быть проложены оперативно в сложных географических условиях. Кроме того, радиорелейные линии наиболее эффективны при развертывании разветвленных цифровых сетей в больших городах и индустриальных зонах, где прокладка ВОЛС слишком дорога или невозможна, а качество передачи информации по современным РРЛ практически не уступает ВОЛС. Кроме того, надо отметить такую проблему кабельных линий связи как банальное воровство, приводящее к понижению надежности ВОЛС. В пользу применения радиорелейных систем для построения территориально-распределенных сетей связи говорит тот факт, что в мире большинство междугородних каналов связи образовано на таких системах (в США - 60-70%, в странах Западной Европы свыше 50%, в Японии порядка 50%). Это обусловлено прежде всего относительной простотой сооружения линии при незначительных затратах на строительство и эксплуатацию, а также возможностью оперативного разрешения проблем развития и реконструкции сети без дополнительных капитальных затрат.

На российском рынке в последние годы появились отечественные РРС нового поколения, которые, не уступая зарубежным аналогам по основным техническим характеристикам, имеют значительно более низкую цену и неоспоримые преимущества в части обеспечения их монтажа и ввода в эксплуатацию, организации гарантийного и послегарантийного обслуживания, расширенного рабочего температурного диапазона (от -50 до +50 градусов по С)

Целью данного курсового проекта является организация цифровой радиорелейной линии между городами Астрахань - Волгоград.

1. Краткая характеристика региона прохождения РРЛ-трассы

радиотехнический антенна линия множитель

Волгоградская область

С севера на юг и с запада на восток область протянулась более чем на 400 км. Занимает площадь 112,9 тыс. кв. км (78% составляют земли сельскохозяйственного назначения). Численность населения 2673,1 тыс. человек (городское - 75,2%, сельское - 24,8%).

Через территорию области проходят важные железнодорожные, автомобильные, водные и воздушные трассы. Низовья Волги и Дона, связанные Волго-Донским судоходным каналом, создают благоприятные условия для транспортировки различных грузов через область из портов государств Европы в зоны судоходства Африки, Ближнего и Среднего Востока.

Климат области засушливый, с резко выраженной континентальностью. Северо-западная часть находится в зоне лесостепи, восточная - в зоне полупустынь, приближаясь к настоящим пустыням. Среднегодовое количество осадков выпадает на северо-западе до 500 мм, на юго-востоке - менее 300 мм.

Рельеф разнообразен, от бессточной низменной равнины в Заволжье до возвышенной расчлененной территории на севере и западе области.

Волгоградская область обладает высоким потенциалом природных ресурсов для развития минерально-сырьевой базы на основе сосредоточенных в недрах разнообразных полезных ископаемых: углеводородного сырья (нефть, конденсат, газ), химического (калийные, магниевые, натриевые соли, фосфориты) и цементного сырья для металлургической промышленности (формовочные пески), промышленности стройматериалов (карбонатные породы и песчаники для производства щебня и бутового камня, пески и глины различного назначения), железных руд, цветных и редких металлов (титано-циркониевые россыпи) и т.д. Значительны запасы подземных вод, в том числе минеральных.

Астраханская область

Равнинная поверхность, сформированная под действием эндогенных процессов, осложнена формами рельефа, которые образовались под влиянием ветра, текучих вод, физического выветривания и других. По своему внешнему облику равнина полого наклонена в сторону Каспийского моря.

Климат области характеризуется как резко континентальный, засушливый, несмотря на близость моря. Среднегодовое количество осадков Астраханской области колеблется от 180-200 мм на юге до 280-290 мм - на севере области. Зимой осадки выпадают в виде мокрого снега, снега и дождя. Летом ливневые дожди сопровождаются грозами, иногда градом. Основное количество осадков (70-75%) выпадает в теплое время года. Средняя годовая температура воздуха составляет от 10^оС до 8,5^оС. максимальная - 42^оС, а минимальная иногда достигает -30^оС. Около 70% территории области занимают пустыни и полупустыни. Рельеф - равнинный, с солянокупольными поднятиями.

Сегодня Астрахань (с населением около 700000 человек) - крупный промышленный и культурный центр, важнейший пункт перевалки грузов с железной дороги на морской, речной транспорт и наоборот. Преобладающими отраслями промышленности в городе являются судостроительная, легкая, пищевая, машиностроительная и металлообрабатывающая.

Равнинность рельефа к северу от Астраханской области способствует беспрепятственному прохождению холодных арктических масс, с которыми связано понижение температуры в любое время года.

Ввиду необходимости организации связи между Астраханью и Волгоградом и вышеприведённых характеристик становится ясной необходимость организации связи между крупными торговыми центрами с помощью ЦРРЛ: установка оборудования РРЛ займёт значительно меньшее время, чем прокладка оптоволоконных систем передачи, что является немаловажным фактором ввиду большой промышленной активности и важности связи между этими двумя городами.

2. Выбор трассы РРЛ

При выборе трассы необходимо соблюдать следующие условия:

· промежуточные станции должны располагаться на расстояниях не более 40 км друг от друга;

· размещение промежуточных станций на одной линии недопустимо;

· промежуточные станции должны находится в сравнительно легкодоступной местности; оптимальный вариант - вблизи населённых пунктов.

Рисунок 2.1 Трасса ЦРРЛ

Структурная схема ЦРРЛ

Рисунок 2.1 Структурная схема ЦРРЛ

Таблица 2.1 Данные к структурной схеме ЦРРЛ

Расстояние Волгоград - Астрахань (напрямую), км	364
Суммарное расстояние по РРЛ трассе «Волгоград - Астрахань», км	480,964
Количество промежуточных станций, шт.	12

3. Выбор радиотехнического оборудования. Разработка схемы организации связи на проектируемой линии

При выборе радиотехнического оборудования нужно придерживаться следующих критериев:

· объём информации - оборудование подбирается под строго регламентированный объём информации, указанный в задании к курсовому проекту;

· диапазон рабочих частот - выбирается исходя из максимальной длины пролёта. Чем выше частотный диапазон, тем больше затухание. Следовательно, при больших пролётах желательно выбирать оборудование с как можно нижними рабочими частотами;

· мощность излучения передатчика - чем выше этот параметр, тем лучше;

· диаметр антенны - чем больше диаметр, тем более чувствительным будет оборудование. Однако следует учитывать, что цена существенно зависит от диаметра антенны, поэтому нужно выбирать оборудование с наиболее оптимальными параметрами;

· вид модуляции - от этого параметра зависит отношение сигнал / помеха, т.е. защищённость сигнала. Самой лучшей считается ФМ, затем идёт ЧМ, и т.д.

Для своей курсовой работы возьму ЦРРС «Эриком-8». Технические характеристики представлены в таблице 3.1:

Таблица 3.1 - Технические характеристики ЦРРС «Эриком-8»

Наименование модели	ЭРИКОМ-8
Диапазон частот, ГГц	8
Скорость передачи, Мбит/с	16Е1
Конфигурация системы	1+1; 2+0
Сервисные каналы, кбит/с	2*64
Излучаемая мощность, дБВт	-6
Рпор, дБВт (BER=10-3)	-114
Разнос частот между стволами, МГц	30/50
Диаметр антенны, м	1
Вид модуляции	ЧМ

При разработке схемы организации связи необходимо учесть саму структуру построения оборудования. Современные ЦРРС состоят из 2-х основных частей:

· ODU - оборудование наружного размещения. Сюда входят приёмо-передатчики, антенны;

· IDU - оборудование внутреннего размещения; основные функции этого блока - мультиплексирование цифровых потоков;

От IDU до ODU тянется соединительный кабель.

Для моего случая схема организации связи может быть представлена в следующем виде (рис. 4.1).

Опишем путь прохождения сигнала с первой станции на вторую:

16 потоков Е1 поступают на регенератор Р1. В регенераторе сигнал подвергается восстановлению. В преобразователе кода ПК1 происходит преобразование кода стыка в бинарный код типа NRZ. Длительность импульса в коде NRZ равна тактовому интервалу, в результате чего приёмо-передающая аппаратура может иметь наиболее узкую полосу пропускания.

Скремблер СКР выполняет определённые логические преобразования двоичного цифрового сигнала, в результате которых в выходном сигнале исключается возможность появления длинных серий одинаковых символов.

С выхода скремблера сигнал поступает на преобразователь кода ПК2, на входе которого формируется модулирующий сигнал. В модуляторе МД производится модуляция сигнала промежуточной частоты (ПЧ) по одному из параметров.

Сигнал ПЧ с выхода модулятора по кабельной соединительной линии КСС поступает на передатчик ПД.

В направлении приёма производятся обратные операции.

На промежуточной станции с выхода дескремблера ДСКР выделяются 5 потоков Е1, остальные 11 потоков Е1 передаются на скремблер для дальнейшей транспортировки. Туда же подаются и 5 транзитных потока Е1, вводимые на данной станции для передачи в обратном направлении.

На других промежуточных переприёмных станциях осуществляется только приём и усиление сигнала, выделения не осуществляется.

Приём сигнала на оконечной станции происходит в последовательности, обратной последовательности передачи.



Рис. 3.1 Схема организации связи ЦРРС

4. Расчёт качественных показателей проектируемой ЦРРЛ

Расчёт устойчивости связи при одинарном приёме (одинарный безрезервный)

Построение профиля пролёта

Для построения профиля пролёта выбираем самый длинный пролёт линии. Условный нулевой уровень, обусловленный выпуклостью земной поверхности, рассчитываем по формуле (4.1):

, (4.1)

где Ro - длина пролёта, км,

Rз - геометрический радиус Земли (6370 км),

Кi - текущая относительная координата заданной точки.

, (4.2)

Ri - расстояние до текущей точки от левого конца пролёта.

Рассчитываем профиль интервала по формуле:

Y_i=Y₁+Y₂, (4.3)

где у₁ - значения выпуклости поверхности Земли, а у₂ - значения высот по заданию. Результаты расчётов заносим в таблицу 4.1.

Таблица 4.1 - Результаты расчёта профиля пролёта

Кi, км	0.0	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	1.0
Ri, км	0.0	4.0	8.0	12.0	16.0	20.0	24.0	28.0	32.0	36.0	40.0
уi(кi), м	0.0	11.2	20.0	26.2	30.0	31.2	30.0	26.2	20.0	11.2	0.0
У2(кi), м	79.0	99.0	74.0	56.0	35.0	20.0	26.0	44.0	52.0	57.0	45.0
Y=Y1+Y2	79.0	110.2	94.0	82.2	65.0	51.2	56.0	70.2	72.0	68.5	45.0

Расчёт величины просвета Н(0)

Находим величину просвета без учёта рефракции по формуле (4.4):

Н(0)=Н₀-ДН(g), (4.4)

где Н₀ - критический просвет, определяемый как:

, (4.5)

где R₀ - длина пролёта (R₀=39,883 км),

л - рабочая длина волны (л =0,037 м),

Ктр - относительная координата наивысшей точки профиля пролёта (Ктр=0,1).

, (4.6)

где - среднее значение вертикального градиента диэлектрической проницаемости тропосферы, (=-6*10^-8 1/м).

Тогда согласно формуле (5.4):

Н(0)=6,65-2,15=4,5 м.

Все параметры, необходимые для предварительного определения высот подвеса антенн, найдены. Произведём необходимые построения и графическим методом находим высоты подвеса антенн (рисунок 4.1)



Рисунок 4.1 Профиль пролёта

Методика вычисления высот следующая: от наивысшей точки профился вертикально вверх откладываем величину просвета без учёта рефракции радиоволн Н(0). Через полученную точку проводим линию прямой видимости так, чтобы высоты подвеса на обоих пунктах были примерно одинаковы. Вертикально вниз от наивысшей точки профиля откладываем отрезок, равный критическому просвету Н₀. Через полученную точку проводим линию, параллельную линии прямой видимости. По точкам пересечения этой линии с профилем пролёта определяем величину параметра s, характеризующего протяжённость препятствия на пролёте. Находим, что высоты подвеса антенн равны по 40 метров.

Расчёт минимально допустимого множителя ослабления

Расчёт минимально-допустимого множителя ослабления проводится по формуле:

Vмин = Р_ПОР-Р_ПД+А_СВ-G_ПД - G_ПР+a_прд+a_прм, дБ (4.7)

где

Р_ПОР - пороговая мощность сигнала на входе приёмника, дБВт;

Р_пд - мощность сигнала на выходе передатчика, дБВт;

А_св - затухание сигнала в свободном пространстве, дБВт:

(4.8)

G_ПД, G_ПР - коэффициенты усиления передающей и приёмной антенн, дБ.

Величина G рассчитывается по формуле

_, (4.9)

где S - площадь раскрыва антенны:

К_L - коэффициент использования поверхности раскрыва антенны. В расчетах принимаем К_L=0,6.

Суммарную величину потерь в антенно-фидерном тракте принимаем равной 1 дБ

V_мин=-114+6+142,62-2*36,36+1=-37,092 дБ

Расчёт устойчивости связи для выбранных высот подвеса антенн

В общем виде

(4.10)

- процент времени, в течение которого множитель ослабления меньше минимально-допустимого за счёт интерференции прямой волны и волн, отражённых от земной поверхности;

- процент времени, в течение которого множитель ослабления меньше минимально допустимого за счёт интерференции прямой волны и волн, отражённых от земной поверхности;

- процент времени, в течение которого множитель ослабления меньше минимально допустимого за счёт интерференции прямой волны и волн, отражённых от неоднородностей тропосферы;

- процент времени, в течение которого множитель ослабления меньше минимально допустимого за счёт деполяризационных явлений в осадках.

Расчёт замираний за счёт экранирующего действия препятствий

Величина зависит от протяжённости интервала, длины волны, величины просвета, рельефа местности и рассчитывается после построения профиля пролёта. При этом находится в зависимости от параметра , который определяется по формуле (4.11):

(4.11)

Параметр А рассчитываются по формуле (4.12):

, (4.12)

где у - стандартное отклонение градиента диэлектрической проницаемости тропосферы;

р(g) - относительный просвет на пролёте при среднем значении градиента диэлектрической проницаемости тропосферы:

(4.13)

р(g₀) - относительный просвет на интервале, при котором V=V_МИН. Определяется из графиков на рисунке 5.2 в зависимости от параметра м, который определяется по формуле (4.14):

, (4.14)

где - относительная ширина препятствия. Эта величина определена в пункте 5.1.2 на рисунке 4.1 графическим путём L=0.08.

Рисунок 4.2. Зависимости множителя ослабления от относительного пролёта



Рисунок 4.3. Зависимость от параметра ш

По графику на рисунке 5.2 находим р(g₀)=-5,5; По формуле (4.13) р(g)=1

Находима параметр ш:

По графику на рисунке 5.3 определяем, что < 10^-5 и =0.

=0.

Расчёт составляющей, обусловленной интерференцией прямой волны и волн, отражённых от земной поверхности

При расчёте составляющей из-за интерференции прямой волны и волн, отражённых от земной поверхности, важное значение играет коэффициент отражения Ф.

Если профиль гладкий, т.е. Дh=h_МАКС-h_МИН < 2H₀, где h_МАКС, h_МИН - соответственно наивысшая и наименьшая высоты трассы, то в этом случае Ф>1;

Если профиль пересечённый, т.е. Дh=h_МАКС-h_МИН > 2H₀, то в этом случае Ф=0 и отражений нет;

В моём случае Дh=h_МАКС-h_МИН=110,2-56 = 56,2 > 2Н₀=2*6,65=13,3, следовательно, эта составляющая отсутствует.

=0

Расчёт замираний, обусловленных интерференцией прямой волны и волн, отражённых от неоднородностей тропосферы

Вероятность того, что множитель ослабления будет меньше V_МИН за счёт интерференции прямой и отражённой от тропосферы волны, определяем по формуле:

, (4.15)

где - параметр, учитывающий вероятность возникновения многолучевых замираний, обусловленных отражениями радиоволн от слоистых неоднородностей тропосферы с перепадом диэлектрической проницаемости воздуха.

, (4.16)

где Q - климатический коэффициент, равный 1 для сухопутных районов и равный 5 для приморских районов, а также для районов вблизи водохранилищ и крупных рек и озер.

В формулу (4.16) величина R₀ подставляется в километрах, f₀ - в Гигагерцах. В этом случае величины Т(ДЕ) и получаются в процентах.

Для моего случая Q=5;

R₀ - длина пролёта, в км;

f - рабочая частота, в ГГц;

Получим

V_мин =37,092 (дБ);

V_мин =10^-0,05*37,092=0,013977 раз

Расчёт замираний, обусловленных потерями энергии в осадках

Замирания радиоволн из-за деполяризации и ослабления в дожде сказываются на частотах от 8 ГГц и выше. Для определения длительности замираний по известному V_МИН определяют минимально допустимую интенсивность дождей I_доп для данного пролёта (рисунок 5.4).

После этого по найденному I_доп для заданного климатического района можно определить процент времени, в течение которого I> I_доп, т.е. искомую величину по графикам, приведённым на рисунке 5.5.

На рисунке 5.5 кривые соответствуют следующим регионам:

1 - Европейская часть Росси,

2 - Западная Сибирь,

3 - Восточная Сибирь.

Рисунок 4.4 Зависимости допустимой интенсивности дождей от длины пролёта и V_МИН



Рисунок 4.5 Кривые для определения

По графику на рисунке 4.4 при V_МИН=-37,02 дБ I_доп>190. Так как Астрахань находится в европейской части России, то по кривой 1 по графику на рисунке 4.5 возьмём минимальное значение Т_д=0,0001

Расчёт замираний для всей ЦРРЛ Т_ож(V_МИН)

Расчёт производим по формуле:

, (1.17)

где n - число пролётов на линии (n=13).

Полученное значение превышает допустимую величину замираний Тдоп(V_МИН)=0,012%.

Для дальнейших расчётов проанализируем полученные результаты. Как следует из проведённых расчётов, основной вклад в замирания вносят замирания, обусловленные интерференцией прямой волны и волн, отражённых от неоднородностей тропосферы . Поэтому не имеет смысла делать оптимизацию высот, которая могла бы помочь уменьшить замирания и . Необходимо проводить резервирование.

Расчёт устойчивости связи при наличии резервирования

Нарушения связи из-за замираний и неисправностей аппаратуры снижает надёжность работы ЦРРЛ. Для повышения устойчивости связи и надёжности применяют резервирование.

Для моей аппаратуры я возьму резервирование (1+1). Применение такой конфигурации значительно повышает надёжность связи. Переключение стволов производится «безобрывным» способом, предусматривающим предварительное выравнивание времени задержки цифровых сигналов в двух стволах. Это сохраняет структуру цифровых сигналов и не приводит к нарушениям работы оборудования временного группообразования.

Применим «горячее резервирование»: в этом случае организована работа стволов на двух парах частот. Передатчики обоих стволов включены на излучение одновременно. На приёмной стороне в модуле доступа производится анализ качества принимаемых сигналов обоих стволов и выравнивание по фазе принимаемых цифровых потоков. Резервирование осуществляется независимо по направлениям.

В случае поучастковой системы резервирования, которую я и использую, неустойчивость связи на ЦРРЛ в пределах одного участка резервирования может быть рассчитана:

(4.18)

где k - число пролётов на участке резервирования;

N - число рабочих стволов на участке;

С_f - поправочный коэффициент, учитывающий корреляцию разнесённых сигналов. Обычно в расчётах для учебных целей принимают равным единице. Для всей проектируемой ЦРРЛ с поучастковым резервированием неустойчивость связи определится по формуле:

, (4.19)

где m - число участков резервирования.

Согласно схемы на рисунке 3.1 возьмём 2 участка резервирования: «Волгоград - Грачи» и «Грачи - Астрахань».

1 участок. «Волгоград - Грачи»

N=12 - так как у нас 6 пролётов, и на каждом работает по 2 ствола;

2-ой участок. «Грачи - Астрахань»

N=14 - так как у нас 7 пролётов, и на каждом работает по 2 ствола;

Это укладывается в норму Т_доп(V_МИН)=0,012%.

Расчёт диаграммы уровней на пролётах ЦРРЛ

При проектирования ЦРРЛ рассчитывают средние мощности сигнала на входах приёмников всех интервалов линии. Средние значения уровней сигналов рассчитываются для оценки качества настройки аппаратуры и антенно-волноводного тракта; для проверки правильности построения профилей пролётов; для оценки точности юстировки антенн; для определения и поддержания в заданных пределах при эксплуатации ЦРРЛ энергетического запаса аппаратуры на замирания сигнала, определяемого как:

, (4.20)

где Рср - средний уровень сигнала, дБВТ,

Рпор - пороговый уровень сигнала, дБВт.

Средняя мощнсть сигнала на входе приёмника:

, (4.21)

где Р₀ - мощность сигнала на входе приёмника для случая свободного пространства, определяемая по формуле:

, дБВТ (5=4.22)

где Асв - затухание радиоволн в свободном пространстве;

а_прд и а_прм - потери энергии в антенно-волноводных трактах (по 0,5 дБ каждая);

Рпд - уровень мощности сигнала на выходе передатчика;

Gпд и Gпр - коэффициенты усиления передающей и приёмной антенн;

Vср - значение множителя ослабления при среднем значении градиента диэлектрической проницаемости тропосферы.

Величина Vср находится в зависимости от относительного просвета при среднем значении градиента по формуле 5.13;

Так как оптимизация высот мною не производилась, то расчёт диаграммы уровней будет проводиться для 2-х случаев: для свободного пространства и для V=V_мин.

Расчеты диаграммы уровней для самого длинного пролёта приведу в таблице 4.2

Таблица 4.2 Расчёт диаграммы уровней

Р(g)=1; Vср=0 дБ *(свободное пространство)
Рпрд, дБ	Рвх.ант.прд, дБ	Рвых.ант.прд, дБ	Рвх.ант.прм, дБ	Рвых.ант.прд, дБ	Рср, дБ	Vз, дБ
-6	-6,5	29,86	-112,76	-76,4	-76,9	37,1
V=Vмин=-37,092 дБ
-6	-6,5	29,86	-149,852	-113,492	-113,992	Рпр=Рпор

По результатам расчёта построю диаграмму уровней (рисунок 4.6)

Рисунок 4.6 Диаграмма уровней сигнала на пролёте ОРС1 - ПРС1-В

В данном случае передача осуществляется при наилучших условиях, предельно приближенных к условиям свободного пространства. Запас на замирание Vз =37,1 дБ.

Заключение

В данном курсовом проекте в соответствии с заданием спроектирована ЦРРЛ протяжённостью 481 км между городами Волгоград и Астрахань. Разработана структурная схема цифровой радиорелейной линии, состоящая из 13 пролётов. Произведён выбор радиотехнического оборудования, в качестве которого предложена аппаратура «Эриком -8». Разработана схема организации связи на проектируемой линии с выделением 5 потоков Е1. Проведён расчёт качественных показателей ЦРРЛ: выбраны оптимальные высоты подвеса антенн, рассчитана устойчивость связи для малых процентов времени. Расчёты показали, что на проектируемой ЦРРЛ обеспечивается требуемое качество связи при применении резервирования в соответствии с рекомендациями ВСС РФ. Построена диаграмма уровней сигналов на заданном пролёте, из которой следует, что при выбранных высотах подвеса антенн обеспечивается требуемый запас на замирания, что свидетельствует о правильность проделанных расчётов.

Список литературы

радиотехнический антенна линия множитель

1. Маглицкий Б.Н. Проектирование цифровых радиорелейных линий. - Учебное пособие/ Сиб. гос. университет телекоммуникаций и информатики: Новосибирск, 2006 г. - 58 с.

2. Маглицкий Б.Н. Низкоскоростные цифровые радиорелейные станции. - Учебное пособие/ Сиб. гос. университет телекоммуникаций и информатики: Новосибирск, 2006 г. - 126 с.