Радиорелейная станция. Современная радиорелейная связь. Методы оценки помех в каналах РРЛ

30.03.2019

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)

Радиореле́йная свя́зь - один из видов наземной радиосвязи , основанный на многократной ретрансляции радиосигналов . Радиорелейная связь осуществляется, как правило, между стационарными объектами.

Исторически радиорелейная связь между станциями осуществлялась с использованием цепочки ретрансляционных станций, которые могли быть как активными, так и пассивными.

Отличительной особенностью радиорелейной связи от всех других видов наземной радиосвязи является использование узконаправленных антенн , а также дециметровых , сантиметровых или миллиметровых радиоволн.

История

История радиорелейной связи берет начало в январе 1898 года с публикации пражского инженера Йоганна Маттауша (Johann Mattausch) в австрийском журнале Zeitschrift für Electrotechnik (v. 16, S. 35 - 36) Однако его идея использования «транслятора» (Translator), по аналогии с трансляторами проводной телеграфии, была довольно примитивной и не могла быть реализована.

Первую реально работающую систему радиорелейной связи изобрел в 1899 году 19-летний бельгийский студент итальянского происхождения Эмиль Гуарини (Гварини) Форесио (Émile Guarini Foresio) . 27 мая 1899 г. по старому стилю, Эмиль Гуарини-Форесио подал заявку на патент на изобретение №142911 в Бельгийское патентное ведомство, впервые описав в ней устройство радиорелейного ретранслятора (répétiteur) . Этот исторический факт является самым ранним документальным свидетельством приоритета Э. Гуарини-Форесио, что позволяет считать указанную дату официальным днем рождения радиорелейной связи. В августе и осенью того же 1899 г. аналогичные заявки были представлены Э. Гуарини-Форесио в Австрии, Великобритании, Дании, Швейцарии .

Особенностью изобретения Гуарини-Форесио явилась комбинация приёмного и передающего устройств в одном ретрансляторе, осуществлявшем приём сигналов, их демодуляцию в когерере и последующее использование для управления реле, обеспечивавшем формирование обновлённых сигналов, которые затем переизлучались через антенну. Для обеспечения электромагнитной совместимости приёмный сегмент ретранслятора окружен защитным экраном, призванным оградить цепи приёма от мощного излучения передатчика.

В 1931 году Андре Клавир, работая во французском исследовательском подразделении LCT компании ITT , показал возможность организации радиосвязи с помощью ультракоротких радиоволн. В ходе предварительных испытаний 31 марта 1931 года Клавир с помощью экспериментальной радиорелейной линии, работающей на частоте 1,67 ГГц, успешно передал и принял телефонные и телеграфные сообщения, разместив две параболические антенны диаметром 3 м на двух противоположных берегах пролива Ла-Манш . Примечательно, что места установки антенн практически совпадали с местами взлёта и посадки исторического перелета через Ла-Манш Луи Блерио . Следствием успешного эксперимента Андре Клавира стала дальнейшая разработка коммерческого радиорелейного оборудования. Первое коммерческое радиорелейное оборудование было выпущено ITT, а точнее её дочерней компанией STC, в 1934 году и использовало амплитудную модуляцию несущего колебания мощностью в 0,5 Ватт на частоте 1,724 и 1,764 ГГц, полученного с помощью клистрона .

Запуск первой коммерческой радиорелейной линии состоялся 26 января 1934 года. Линия имела протяжённость 56 км над проливом Ла-Манш и соединяла аэропорты Лимпн в Англии и Сент-Энглевер во Франции. Построенная радиорелейная линия позволяла одновременно передавать один телефонный и один телеграфный канал и использовалась для координации воздушного сообщения между Лондоном и Парижем. В 1940 году в ходе Второй Мировой Войны линия была демонтирована.

Радиорелейная связь прямой видимости

Как правило под радиорелейной связью понимают именно радиорелейную связь прямой видимости.

При построении радиорелейных линий связи антенны соседних радиорелейных станций располагаются в пределах прямой видимости . Требование наличия прямой видимости обусловлено возникновением дифракционных замираний при полном или частичном закрытии трассы распространения радиоволн. Потери при дифракционных замираниях могут вызывать сильное ослабление сигнала, таким образом радиосвязь между соседними радиорелейными станциями станет невозможна. Поэтому для устойчивой радиосвязи антенны соседних радиорелейных станций как правило располагают на естественных возвышенностях или специальных телекоммуникационных башнях или мачтах таким образом, чтобы трасса распространения радиоволн не имела препятствий.

С учётом ограничения на необходимость наличия прямой видимости между соседними станциями дальность радиорелейной связи ограничена как правило 40 - 50 км.

Тропосферная радиорелейная связь

При построении тропосферных радиорелейных линий связи используется эффект отражения дециметровых и сантиметровых радиоволн от турбулентных и слоистых неоднородностей в нижних слоях атмосферы - тропосфере .

Использование эффекта дальнего тропосферного распространения радиоволн УКВ диапазона позволяет организовать связь на расстояние до 300 км при отсутствии прямой видимости между радиорелейными станциями. Дальность связи может быть увеличена до 450 км при расположении радиорелейных станций на естественных возвышенностях.

Для тропосферной радиорелейной связи характерно значительное ослабление сигнала. Ослабление возникает как при распространении сигнала через атмосферу, так и вследствие рассеяния части сигнала при отражении от тропосферы. Поэтому для устойчивой радиосвязи как правило используют передатчики мощностью до 10 кВт, антенны с большой апертурой (до 30 x 30 м), а значит, и большим коэффициентом усиления, а также высокочувствительные приёмники с малошумящими элементами.

Также для тропосферных радиорелейных линий связи характерно постоянное наличие быстрых, медленных и селективных замираний радиосигнала. Уменьшение влияния быстрых замираний на принимаемый сигнал достигается использованием разнесенного частотного и пространственного приёма. Поэтому на большинстве стационарных тропосферных радиорелейных станций расположено несколько приёмных антенн.

Примером наиболее известных и протяжённых тропосферных радиорелейных линий связи являются:

ТРРЛ «Север» , «ACE High», «White Alice», «JASDF», линия «Дью» , линии «NARS»;
ТСУС «Барс»

Радиорелейные ретрансляторы

В отличие от радиорелейных станций ретрансляторы не добавляют в радиосигнал дополнительной информации. Ретрансляторы могут быть как пассивными, так и активными.

Пассивные ретрансляторы представляют собой простой отражатель радиосигнала без какого-нибудь приёмопередающего оборудования и, в отличие от активных ретрансляторов, не могут усиливать полезный сигнал или переносить его на другую частоту. Пассивные радиорелейные ретрансляторы применяются в случае отсутствия прямой видимости между радиорелейными станциями; активные - для увеличения дальности связи.

В качестве пассивного ретранслятора могут выступать как плоские отражатели, так и антенны радиорелейной связи, соединённые коаксиальными или волноводными вставками (так называемые антенны, соединённые «спина к спине»).

Плоские отражатели как правило используются при небольших углах отражения и обладают эффективностью близкой к 100 %. Однако с увеличением угла отражения эффективность плоского отражателя уменьшается. Достоинством плоских отражателей является возможность использования для ретрансляции нескольких частотных диапазонов радиорелейной связи.

Антенны, соединённые «спина к спине» как правило используются при углах отражения близких к 180° и обладают эффективностью 50-60 %. Подобные отражатели не могут использоваться для ретрансляции нескольких частотных диапазонов из-за ограниченных возможностей самих антенн.

Smart-ретрансляторы

Среди новых направлений в развитии радиорелейной связи, наметившихся в последнее время, заслуживает внимания создание интеллектуальных ретрансляторов (smart relay) Их появление связано с особенностью реализации технологии MIMO , при которой необходимо знать передаточные характеристики радиорелейных каналов. В smart-ретрансляторе осуществляется так называемая "интеллектуальная" обработка сигналов. В отличие от традиционного набора операций "приём – усиление – переизлучение" в простейшем случае она предусматривает дополнительную коррекцию амплитуд и фаз сигналов с учётом характеристик передачи пространственных MIMO -каналов на том или ином интервале радиорелейной линии . В этом случае делается допущение, что все каналы MIMO имеют одинаковые коэффициенты передачи. Оно вполне может быть оправдано с учётом узких лучей диаграмм направленности приёмной и передающей антенн на дальностях связи, при которых расширение диаграмм направленности не приводит к заметному проявлению эффекта многолучевого распространения радиоволн.

Более сложный вариант реализации принципа smart relay предполагает полную демодуляцию принятых сигналов в ретрансляторе с извлечением передаваемой в них информации, её запоминанием и последующим использованием для модуляции переизлучаемых сигналов с учётом характеристик состояния канала MIMO в направлении на следующий ретранслятор сети . Такая обработка, хотя и является более сложной, позволяет максимально учесть искажения, вносимые в полезные сигналы по трассе их распространения.

Частотные диапазоны

Для организации радиосвязи используются деци- , санти- и миллиметровые волны .

Для обеспечения дуплексной связи каждый частотный диапазон условно разделяется на две части относительно центральной частоты диапазона. В каждой части диапазона выделяются частотные каналы заданной полосы. Частотным каналам «нижней» части диапазона соответствуют определённые каналы «верхней» части диапазона, причём таким образом, что разница между центральными частотами каналов из «нижней» и «верхней» частей диапазона была всегда одна и та же для любых частотных каналов одного частотного диапазона.

Диапазон (ГГц)	Границы диапазона (ГГц)	Ширина каналов (МГц)	Рекомнендации ITU-R	Решения ГКРЧ
0,4	0,4061 - 0,430 0,41305 - 0,450	0,05, 0,1, 0,15, 0,2, 0,25, 0,6 0,25, 0,3, 0,5, 0,6, 0,75, 1, 1,75, 3,5	ITU-R F.1567
1,4	1,350 - 1,530	0,25, 0,5, 1, 2, 3,5	ITU-R F.1242
2	1,427 - 2,690	0,5	ITU-R F.701
	1,700 - 2,100 1,900 - 2,300	29	ITU-R F.382
	1,900 - 2,300	2,5, 3,5, 10, 14	ITU-R F.1098
	2,300 - 2,500	1, 2, 4, 14, 28	ITU-R F.746
	2,290 - 2,670	0,25, 0,5, 1, 1,75, 2, 2,5 3,5, 7, 14	ITU-R F.1243
3,6	3,400 - 3,800	0,25, 25	ITU-R F.1488
4	3,800 - 4,200 3,700 - 4,200	29 28	ITU-R F.382	Решение ГКРЧ № 09-08-05-1
4	3,600 - 4,200	10, 30, 40, 60, 80, 90	ITU-R F.635	Решение ГКРЧ № 09-08-05-1
U4	4,400 - 5,000 4,540 - 4,900	10, 28, 40, 60, 80 20, 40	ITU-R F.1099	Решение ГКРЧ № 09-08-05-2
L6	5,925 - 6,425 5,850 - 6,425 5,925 - 6,425	29,65 90 5, 10, 20, 28, 40, 60	ITU-R F.383	Решение ГКРЧ № 10-07-02
U6	6,425 - 7,110	3,5, 5, 7, 10, 14, 20, 30, 40, 80	ITU-R F.384	Решение ГКРЧ № 12-15-05-2
7			ITU-R F.385
8			ITU-R F.386
10	10,000 - 10,680 10,150 - 10,650	1,25, 3,5, 7, 14, 28 3,5, 7, 14, 28	ITU-R F.747
	10,150 - 10,650	28, 30	ITU-R F.1568
	10,500 - 10,680 10,550 - 10,680	3,5, 7 1,25, 2,5, 5	ITU-R F.747
11	10,700 - 11,700	5, 7, 10, 14, 20, 28, 40, 60, 80	ITU-R F.387	Решение ГКРЧ № 5/1, Решение ГКРЧ 09-03-04-1 от 28.04.2009
12	11,700 - 12,500 12,200 - 12,700	19,18 20	ITU-R F.746
13	12,750 - 13,250	3,5, 7, 14, 28	ITU-R F.497	Решение ГКРЧ 09-02-08 от 19.03.2009
13	12,700 - 13,250	12,5, 25	ITU-R F.746
14	14,250 - 14,500	3,5, 7, 14, 28	ITU-R F.746
15	14,400 - 15,350 14,500 - 15,350	3,5, 7, 14, 28, 56 2,5, 5, 10, 20, 30, 40, 50	ITU-R F.636	Решение ГКРЧ № 08-23-09-001
18	17,700 - 19,700 17,700 - 19,700 17,700 - 19,700 18,580 - 19,160	7,5, 13,75, 27,5, 55, 110, 220 1,75, 3,5, 7 2,5, 5, 10, 20, 30, 40, 50 60	ITU-R F.595	Решение ГКРЧ № 07-21-02-001
23	21,200 - 23,600 22,000 - 23,600	2,5, 3,5 - 112 3,5 - 112	ITU-R F.637	Решение ГКРЧ № 06-16-04-001
27	24,250 - 25,250 25,250 - 27,500 25,270 - 26,980 24,500 - 26,500 27,500 - 29,500	2,5, 3,5, 40 2,5, 3,5 60 3,5 - 112 2,5, 3,5 - 112	ITU-R F.748	Решение ГКРЧ № 09-03-04-2
31	31.000 - 31,300	3,5, 7, 14, 25, 28, 50	ITU-R F.746
32	31,800 - 33,400	3,5, 7, 14, 28, 56, 112	ITU-R F.1520
38	36,000 - 40,500 36,000 - 37,000 37,000 - 39,500 38,600 - 39,480 38,600 - 40,000 39,500 - 40,500	2,5, 3,5 3,5 - 112 3,5, 7, 14, 28, 56, 112 60 50 3,5 - 112	ITU-R F.749	Решение ГКРЧ № 06-14-02-001
42	40,500 - 43,500	7, 14, 28, 56, 112	ITU-R F.2005	Решение ГКРЧ № 08-23-04-001
52	51,400 - 52,600	3,5, 7, 14, 28, 56	ITU-R F.1496
57	55,7800 - 57,000 57,000 - 59,000	3,5, 7, 14, 28, 56 50, 100	ITU-R F.1497	Решение ГКРЧ № 06-13-04-001
70/80	71,000 - 76,000 / 81,000 - 86,000	125, N x 250	ITU-R F.2006	Решение ГКРЧ № 10-07-04-1
94	92,000 - 94,000 / 94,100 - 95,000	50, 100, N x 100	ITU-R F.2004	Решение ГКРЧ № 10-07-04-2

Частотные диапазоны от 2 ГГц до 38 ГГц относятся к «классическим» радиорелейным частотным диапазонам. Законы распространения и ослабления радиоволн, а также механизмы появления многолучевого распространения в данных диапазонах хорошо изучены и накоплена большая статистика использования радиорелейных линий связи. Для одного частотного канала «классического» радиорелейного частотного диапазон выделяется полоса частот не более 28 МГц или 56 МГц.

Диапазоны от 38 ГГц до 92 ГГц для радиорелейной связи стали выделяться недавно и являются более новыми. Несмотря на это данные диапазоны считаются перспективными с точки зрения увеличения пропускной способности радиорелейных линий связи, так как в данных диапазонах возможно выделение более широких частотных каналов.

Модуляция и помехоустойчивое кодирование

Одними из особенностей использования радиорелейных линий связи является:

необходимость передачи больших объёмов информации в сравнительно узкой полосе частот,
ограниченная мощность сигнала, накладываемые на радиорелейные станции.

Методы резервирования

С целью уменьшения неготовности интервалов РРЛ применяют различные методы резервирования. Обычно конфигурации с резервированием обозначают в виде суммы "N+M", где N обозначает общее количество стволов РРЛ, а M - количество зарезервированных стволов РРЛ. Иногда после суммы добавляют аббревиатуру HSB (Hot StandBy, "горячий" резерв), SD (Space Diversity, пространственный разнесённый приём) ил FD (Frequency Diversity, частотный разнесённый приём), обозначающую метод резервирования стволов РРЛ.

Методы резервирования радиорелейной связи можно разделить

«Горячий» резерв

Конфигурация оборудования РРЛ с N стволами и M резервным стволом, находящимся в "горячем" резерве. Резервирование достигается путём дублирования всех (части) функциональных блоков РРЛ. В случае выхода одного из блоков РРЛ из строя, блоки, находящиеся в "горячем" резерве замещают неработоспособные блоки.

Частотный разнесённый приём

Метод частотного разнесенного приёма направлен на устранение частотно-селективых замираний в канале связи.

Пространственный разнесённый приём

Метод пространственного разнесения применяется для устранения замираний, возникающих вследствие многолучевого распространения радиоволн в канале связи. Метод пространственного разнесения чаще всего используется при строительстве радиорелейных линий связи, проходящими над поверхностями с коэффициентом отражения близким к 1 (водная поверхность, болота, сельскохозяйственные поля).

Поляризационный разнесённый приём

Одним из недостатков поляризационного разнесённого приёма является необходимость использования более дорогостоящих двухполяризационных антенн.

Кольцевые топологии

Наиболее надёжным методом резервирования является построения радиорелейных линий связи по кольцевой топологии.

Применение радиорелейной связи

Из всех видов радиосвязи радиорелейная связь обеспечивает наибольшее отношение сигнал/шум на входе приёмника при заданной вероятности ошибки. Именно поэтому при необходимости организации надёжной радиосвязи между двумя объектами чаще всего используются радиорелейные линии связи.

Магистральные радиорелейные линии связи

Исторически радиорелейные линии связи использовались для организации каналов связи телевизионного и радиовещания, а также для связи телеграфных и телефонных станций на территории со слабо развитой инфраструктурой.

Сети связи нефтепроводов и газопроводов

Радиорелейные линии связи применяются при строительстве и обслуживании нефте- и газопроводов в качестве основных или резервных оптическому кабелю линий связи для передачи телеметрической информации.

Сотовые сети связи

Радиорелейная связь находит применение в организации каналов связи между различными элементами сотовой сети, особенно в местах со слабо развитой инфраструктурой.

Современные радиорелейные линии связи способны обеспечить передачу больших объёмов информации от базовых станций 2G, 3G и 4G к основным элементам опорной сети сотовой связи.

Недостатки радиорелейной связи

Ослабление сигнала в свободном пространстве
Ослабление сигнала в дожде и тумане На частотах до 12 ГГц осадки в виде дождя или снега слабо влияют на работу радиорелейных линий связи.

Mattausch J. Telegraphie ohne Draht. Eine Studie. // Zeitschrift für Elektrotechnik. Organ des Elektrotechnischen Vereines in Wien.- Heft 3, 16. Jänner 1898. - XVI. Jahrgang. - S. 35-36..
Слюсар В.И. Радиорелейным системам связи 115 лет. // Первая миля. Last mile (Приложение к журналу "Электроника: наука, технология, бизнес"). – 2015. - № 3.. - С. 108 - 111 .
Slyusar V.I. First Antennas for Relay Stations.// International Conference on Antenna Theory and Techniques, 21-24 April, 2015, Kharkiv, Ukraine. - Pp. 254 - 255. .
Harry R. Anderson Fixed Braadband Wireless System Design - John Wiley & Sons, Inc., 2003 - ISBN 0-470-84438-8
Roger L. Freeman Radio System Design for Telecommunications Third Edition - John Wiley & Sons, Inc., 2007 - ISBN 978-0-471-75713-9
Ingvar Henne, Per Thorvaldse n Planning of line-of-sight radio relay systems Second edition - Nera, 1999
Каменский Н. Н., Модель А. М., под редакцией Бородича С. В. Справочник по радиорелейной связи - Радио и связь, 1981
Слюсар В.И. Современные тренды радиорелейной связи. //Технологии и средства связи. – 2014. - № 4.. - С. 32 - 36. .
В. Т. Свиридов. Радиорелейные линии связи. //Государственное издательство физико-математической литературы. – 1959. - С. 81 .

Радиорелейная связь (от радио и французского relais – промежуточная станция), радиосвязь, осуществляемая при помощи цепочки приемо-передающих радиостанций, как правило, отстоящих друг от друга на расстоянии прямой видимости их антенн. Таким образом, радиорелейная связь – это особый вид радиосвязи на ультракоротких волнах с многократной ретрансляцией сигнала .

Радиорелейная связь первоначально применялась для организации многоканальных линий телефонной и телевизионной связи, в которых сообщения передавались с помощью аналогового электрического сигнала. Одна из первых таких линий протяженностью 200 км с 5 телефонными каналами появилась в США в 1935 году. Она соединяла Нью-Йорк и Филадельфию.
В 1932–1934 г.г. в СССР была разработана приёмопередающая аппаратура, работающая на метровых волнах, и созданы опытные линии связи Москва–Кашира и Москва–Ногинск. Первое отечественное оборудование «Краб», используемое на линии радиорелейной связи через Каспийское море, между Красноводском и Баку (1953–1954 гг.), работало в метровом диапазоне.

В те годы для радиорелейных линий считалось наиболее целесообразным применение импульсной модуляции, техника которой была хорошо освоена в радиолокации, одновременно с временным уплотнением. Казалось, что при тогдашнем уровне развития технологий это сулит большие преимущества. Но цикл теоретических исследований и экспериментальных проработок, проведенных в Научно-исследовательском институте радио, подтвердил складывающееся в то время у специалистов в области радиорелейной связи мнение, что сочетание частотной модуляции с частотным уплотнением позволит создать линии, не уступающие даже наиболее совершенным коаксиальным кабельным системам. Надо подчеркнуть, что сказанное относится к концу 1940-х – началу 1950-х годов. А поскольку, как известно, развитие общества и науки идет по спирали, то сегодня современные новейшие технологии позволили вернуться к цифровым методам передачи на более высоком уровне – передача данных, цифровая телефония и телевидение.

В середине 50–х годов прошлого века в России было разработано семейство радиорелейной аппаратуры «Стрела» , работавшей в диапазоне 1600-2000 МГц: «Стрела П» – для пригородных линий, обеспечивающих передачу 12 телефонных каналов; «Стрела Т» – для передачи одной телевизионной программы на расстояние 300–400 км и «Стрела М» – для магистральных линий емкостью 24 канала и протяжённостью до 2500 км. На аппаратуре «Стрела» был построен ряд первых отечественных радиорелейных линий (РРЛ). Вот некоторые из них: Москва – Рязань, Москва – Ярославль – Нерехта – Кострома –Иваново, Фрунзе – Джалал Абад, Москва – Воронеж, Москва – Калуга, Москва – Тула.

Следующая разработка для РРЛ – аппаратура Р-60/120. Она позволяла создавать 3–6-ствольные магистральные линии длиной до 2500 км для передачи 60–120 телефонных каналов и на дальности до 1000 км для передачи телевизионных программ с выполнением рекомендаций МККТ и МККР по качественным показателям. Радиорелейные линии на базе аппаратуры Р–60/120 были построены в различных районах СССР. Одной из первых и, пожалуй, самой протяженной была линия Москва – Ростов-на-Дону. Оборудование типа Р-60/120, работавшее в диапазоне 2 ГГц, было предназначено для внутризоновых РРЛ.

Чтобы передавать телевизионные сигналы на большие расстояния, а также сигналы телефонных каналов, нужно было создать радиорелейное оборудование магистральных РРЛ.

Магистральным РРЛ были выделены соответствующие полосы частот в диапазонах 4 и 6 ГГц. В таких диапазонах, при одинаковых габаритных размерах антенн и прочих равных условиях, излучаемая в эфир мощность увеличивается в 2,5–3 раза за счёт большого коэффициента усиления антенны. Это было весьма существенно для достижения необходимых качественных показателей передаваемых сигналов телевидения и многоканальной телефонии. Первой отечественной радиорелейной системой магистральной радиорелейной связи была система Р-600 , работающая в диапазоне 4 ГГц. Первая магистральная радиорелейная линия Ленинград–Таллин, оборудованная аппаратурой Р-600, была построена в 1958 г., после этого началось их серийное производство.

Система и аппаратура Р-600 послужили основой дальнейшего совершенствования радиорелейного оборудования для магистральных РРЛ. В период 1960-1970 г.г. были разработаны, произведены и внедрены в эксплуатацию новые виды оборудования семейства Р-600: Р-600М, Р-6002М, Р-600-2МВ и «Рассвет», также работающие в диапазоне 4 ГГц. В телевизионном стволе обеспечивалась передача видеосигнала и сигнала звукового сопровождения. Основные технические показатели этих систем приведены в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Параметр				«Рассвет»
Диапазон частот, ГГц
Поучастковая система резервирования
Мощность передатчика, Вт
Коэффициент шума приёмника, дБ
Емкость ТФ ствола, каналов ТЧ

Важнейшей разработкой, проводившейся в СССР в середине 60-х годов, было создание магистральной радиорелейной системы большой ёмкости «Восход». Она предназначалась, в первую очередь, для РРЛ Москва – Дальний Восток. Разработка системы связи, радиоаппаратуры, источников гарантированного электропитания, системы резервирования и методов контроля качества работы аппаратуры проводилась с учётом обеспечения высокой надёжности линии. Расчётный коэффициент исправного действия линии протяжённостью 12 500 км составлял 0,995, а потеря достоверности при передаче бинарной информации без кодовой защиты – не более . Сверхвысокочастотная (СВЧ) приёмопередающая аппаратура «Восход» работала в полосе частот 3400-3900 МГц. Все активные элементы аппаратуры «Восход» были выполнены на полупроводниковых приборах, исключение составляли СВЧ выходные ступени передатчиков и гетеродинных трактов, где использовались лампы бегущей волны (ЛБВ).

Для обеспечения высокой надежности в системе «Восход» было предусмотрено применение разнесенного по высоте приёма с быстродействующей системой автоматического выбора и параллельная работа передатчиков. Система разнесенного приёма, весьма эффективно решая задачу борьбы с замиранием сигналов на интервалах РРЛ, одновременно позволяла автоматически резервировать приёмники станции. Параллельная работа передатчиков обеспечивала их автоматическое резервирование и удвоение выходной мощности передатчиков, которая в аппаратуре «Восход» составляла 10 Вт. Вся система автоматического резервирования приёмопередающего оборудования замыкалась в пределах каждой станции, поэтому в «Восходе» не было необходимости передавать по служебным каналам какие-либо сигналы для управления работой системы резервирования (как это имеет место в радиорелейных системах с поучастковой системой резервирования стволов). Таким образом, особенностью системы «Восход» являлось отсутствие специального резервного ствола, что позволяло сделать все радиостволы рабочими и, следовательно, лучше использовать отведенную для системы полосу радиочастот.

В системе «Восход» было предусмотрено 8 широкополосных рабочих стволов, из которых 4 предназначались для работы на основном магистральном направлении и 4 – на ответвлениях или пересекающих магистралях. Все стволы универсальны, одинаково пригодны как для передачи сигналов многоканальной телефонии, так и для передачи сигналов телевизионных программ.

Телефонный ствол системы обеспечивал передачу сигналов 1920 каналов ТЧ в случае, когда аппаратура промежуточных станций размещалась в кабинах наверху башни (т. е. при коротких волноводах), а аппаратура узловых и оконечных станций – в наземных помещениях. Пропускная способность телефонного ствола при размещении аппаратуры в наземных помещениях на всех станциях составляла 1020 каналов ТЧ. В нижней части группового спектра телефонного ствола обеспечивалась передача сигналов служебной связи и дистанционного обслуживания (телеобслуживания). Система телеобслуживания позволяла иметь до 16 автоматизированных промежуточных станций между соседними узловыми станциями.

Телевизионный ствол системы давал возможность передавать видеосигнал и четыре канала тональных (звуковых) частот, организованных на поднесущих частотах и расположенных выше спектра видеосигнала. Эти тональные звуковые каналы использовались как для передач сигналов звукового сопровождения телевидения, так и радиовещания.

Следующим важным этапом в развитии техники радиорелейной связи стала разработка в 1970 году комплекса унифицированных радиорелейных систем связи «КУРС». Комплекс охватывал четыре системы связи, работающие в диапазонах 2, 4, 6 и 8 ГГц. Аппаратура в диапазонах 4 и 6 ГГц предназначалась для магистральных радиорелейных линий (РРЛ), а в диапазонах 2 и 8 ГГц – для зоновых РРЛ.

В приёмопередающей аппаратуре различных диапазонов частот широко использовались унифицированные узлы и блоки (УПЧ, умножители частоты и т. п.). Все они были выполнены на наиболее совершенных для того времени полупроводниковых приборах и других комплектующих изделиях отечественного производства.

Аппаратура КУРС-4 и КУРС-6 отличалась от предыдущих разработок и своей компактностью. Например, в системе КУРС-4 в одной стойке шириной 600 мм размещалось 4 приёмника или 4 передатчика. В табл. 6.2 приведены основные технические характеристики магистральных систем КУРС–4 и КУРС–6.

Таблица 6.2

Тип аппаратуры	Полоса частот, ГГц	Число стволов	Вид информа-ции	Число каналов ТЧ	Мощ-ность Пд, Вт	Шум-фак-тор Пм, дБ	Мощ-ность, потреб-ляемая, Вт
		3 + 1 или 7 + 1
		3 + 1 или 7 + 1

К середине 70-х годов в стране была построена уникальная радиорелейная линия, протяженность которой составляла около 10 тыс. км, емкостью каждого ствола, равной 14 400 каналов тональной частоты. В эти годы суммарная протяженность радиорелейных линий в СССР превысила 100 тыс. км.

Последней разработкой в СССР для магистральной радиорелейной связи было создание нового поколения оборудования «Радуга». В его состав вошли: приёмопередающее оборудование, работающее в диапазоне 4 ГГц – «Радуга- 4»; приёмопередающее оборудование, работающее в диапазоне 6 ГГц – «Радуга- 6»; оборудование резервирования «Радуга».

Для «Радуги» было разработано новое поколение унифицированного оборудования «Рапира-М», включающего: оконечную аппаратуру телефонных и телевизионных стволов; ЧМ-модемы; аппаратуру служебной связи и телеобслуживания.

Магистральная радиорелейная система «Радуга-Рапира-М» позволяла создавать магистральные РРЛ в двух диапазонах частот: 4 ГГц (в полосе частот 3400–3900 МГц) и 6 ГГц (в полосе частот 5670–6170 МГц).

В каждом диапазоне возможна организация до семи рабочих стволов и одного резервного ствола. По каждому из рабочих стволов обеспечивалась:
в режиме передачи многоканальной (аналоговой) телефонии – передача сигналов 1920 каналов ТЧ и при необходимости дополнительно – 48 каналов ТЧ в спектре 60–252 кГц, а также передача в одном из телефонных стволов сигналов служебной связи в спектре 0,3–52 кГц, которые необходимы для нормальной работы РРЛ;

В режиме передачи телевидения – передача видеосигнала и сигналов 4 каналов звукового сопровождения и вещания.

Технические параметры оборудования системы «Радуга-Рапира-М» обеспечивали высокие качественные показатели и надежность работы каналов и трактов РРЛ, оснащенных этим оборудованием.

Таким образом, в России со времен СССР существует широко развитая сеть аналоговых магистральных и внутризоновых радиорелейных линий, что делает экономически целесообразным использование существующих радиорелейных станций для организации цифровых трактов. В настоящее время процесс модернизации аналоговых радиорелейных линий в цифровые называют цифровизацией.

К числу радиорелейных станций (РРС) цифровизация которых возможна, относятся: «Восход-М», «Курс-4», «Курс-6», «Курс-4М», «ГТТ-70/4000», «ГТТ-70/8000», «Ракита-8», «Радуга-4», «Радуга-6», «Радуга-АЦ», «Комплекс» и др. При цифровизации указанных РРС используется оборудование, обычно подключаемое по промежуточной частоте 70 МГц. Кроме того, возможен вариант дополнительной передачи цифрового сигнала Е1 (2048 кбит/с) без нарушения работы аналоговой РРЛ.

В конце прошлого века были разработаны различные варианты цифровых модемов на скорости от 2 до 34 Мбит/с. В результате, было создано семейство цифровых модемов для аналоговых РРЛ на скоростях: 2,048 Мбит/с, 8,448 Мбит/с, 17 Мбит/с и 34,368 Мбит/с.

Для организации передачи различной цифровой информации со скоростями

8,448 Мбит/с, 17 Мбит/с или 34,368 Мбит/с использовались свободные от аналоговой информации стволы. Модемы на эти скорости могут комплектоваться мультиплексной аппаратурой и, таким образом, обеспечивать передачу соответственно 4, 8 или 16 цифровых потоков по 2,048 Мбит/с, что хорошо согласуется с принципами построения синхронной цифровой иерархии (SDH).

Во всех типах цифровых модемов обеспечивался контроль входного и выходного сигналов, обнаружение и генерация сигналов индикации аварийного состояния (СИАС) и контроль коэффициента ошибок без перерыва и с перерывом связи. Было организовано производство всех названных цифровых модемов, и они нашли свое применение на действующей сети РРЛ.

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.

25.01.2011

В середине 50–х годов прошлого века в России было разработано семейство радиорелейной аппаратуры «Стрела», работавшей в диапазоне 1600-2000 МГц: «Стрела П» – для пригородных линий, обеспечивающих передачу 12 телефонных каналов; «Стрела Т» – для передачи одной телевизионной программы на расстояние 300–400 км и «Стрела М» – для магистральных линий емкостью 24 канала и протяжённостью до 2500 км. На аппаратуре «Стрела» был построен ряд первых отечественных радиорелейных линий (РРЛ). Вот некоторые из них: Москва – Рязань, Москва – Ярославль – Нерехта – Кострома –Иваново, Фрунзе – Джалал Абад, Москва – Воронеж, Москва – Калуга, Москва – Тула.

Магистральным РРЛ были выделены соответствующие полосы частот в диапазонах 4 и 6 ГГц. В таких диапазонах, при одинаковых габаритных размерах антенн и прочих равных условиях, излучаемая в эфир мощность увеличивается в 2,5–3 раза за счёт большого коэффициента усиления антенны. Это было весьма существенно для достижения необходимых качественных показателей передаваемых сигналов телевидения и многоканальной телефонии. Первой отечественной радиорелейной системой магистральной радиорелейной связи была система Р-600, работающая в диапазоне 4 ГГц. Первая магистральная радиорелейная линия Ленинград–Таллин, оборудованная аппаратурой Р-600, была построена в 1958 г., после этого началось их серийное производство.

Важнейшей разработкой, проводившейся в СССР в середине 60-х годов, было создание магистральной радиорелейной системы большой ёмкости «Восход». Она предназначалась, в первую очередь, для РРЛ Москва – Дальний Восток. Разработка системы связи, радиоаппаратуры, источников гарантированного электропитания, системы резервирования и методов контроля качества работы аппаратуры проводилась с учётом обеспечения высокой надёжности линии. Расчётный коэффициент исправного действия линии протяжённостью 12 500 км составлял 0,995, а потеря достоверности при передаче бинарной информации без кодовой защиты – не более. Сверхвысокочастотная (СВЧ) приёмопередающая аппаратура «Восход» работала в полосе частот 3400-3900 МГц. Все активные элементы аппаратуры «Восход» были выполнены на полупроводниковых приборах, исключение составляли СВЧ выходные ступени передатчиков и гетеродинных трактов, где использовались лампы бегущей волны (ЛБВ).

Для организации передачи различной цифровой информации со скоростями 8,448 Мбит/с, 17 Мбит/с или 34,368 Мбит/с использовались свободные от аналоговой информации стволы. Модемы на эти скорости могут комплектоваться мультиплексной аппаратурой и, таким образом, обеспечивать передачу соответственно 4, 8 или 16 цифровых потоков по 2,048 Мбит/с, что хорошо согласуется с принципами построения синхронной цифровой иерархии (SDH).