ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО

ОМСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПРИБОРСТРОЕНИЯ

На правах рукописи

Юрьев Александр Николаевич

Задачи проектирования св радиоканалов для построения корпоративных систем связи с мобильными базовыми станциями

Специальность 05.12.04

Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук Хазан Виталий Львович

Омск – 2011

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ РЕАЛИЗАЦИИ МАКСИМАЛЬНОЙ ДАЛЬНОСТИ СВЯЗИ ПРИ РАБОТЕ ПОВЕРХ-НОСТНОЙ ВОЛНОЙ В ДИАПАЗОНЕ СРЕДНИХ РАДИОВОЛН 1.1 Анализ путей увеличения размеров зоны обслуживания современных мобильных систем связи 1.2 Расчет напряженности поля сигнала в точке приема 1.3 Методика расчета максимальной дальности связи (радиуса зоны покрытия) поверхностной волной 1.4 Оценка максимальных размеров зоны обслуживания транкинговой системы связи СВ-КВ диапазонов частот 1.5. Мешающее влияние ионосферной радиоволны при работе системы связи поверхностной волной ГЛАВА 2. ПЕРЕДАЧА РЕЧИ В СВ РАДИОКАНАЛАХ С ВРЕМЕННЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ ПРИЕМА И ПЕРЕДАЧИ 2.1 Анализ вариантов реализации дуплексной связи 2.2 Анализ возможности реализации режима дуплексной радиотелефонной связи с временным разделением каналов приема и передачи в СВ радиоканале 2.3 Способ дуплексной телефонной связи 2.4 Особенности применения способа дуплексной связи в транкинговой системе связи СВ диапазона ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБА ДУПЛЕКСНОЙ РАДИО-СВЯЗИ МЕТОДОМ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ 3.1 Методы моделирования каналов связи 3.2 Математическая модель процесса передачи через канал сжатого речевого сигнала системы дуплексной радиосвязи 3.3 Исследование адекватности модели канала связи 3.4 Методика имитационного моделирования систем передачи информации 3.5 Методика и результаты имитационного моделирования системы радиотелефонной связи СВ диапазона с временным разделением каналов приема и передачи 3.51 Описание модели системы дуплексной телефонной связи 3.5.2 Результаты моделирования системы дуплексной телефонной связи ГЛАВА 4. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВА-НИЕ СИМПЛЕКСНЫХ И ДУПЛЕКСНЫХ СВ РАДИОКАНАЛОВ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ КОРПОРАТИВНЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ С МОБИЛЬНЫМИ БАЗОВЫМИ СТАНЦИЯМИ 4.1 Результаты физического моделирования СВ радиоканалов для построения мобильных систем связи поверхностной волны 4.1.1 Трассовые испытания макета системы связи поверхностной волны, укомплектованной штыревыми мобильными антеннами, обеспечивающими работу на стоянке транспортного средства 4.1.2 Трассовые испытания малогабаритных вибраторных антенн СВ диапазона в 2010 -2011 гг. 4.2 Использование симплексных СВ радиоканалов для построения систем связи с мобильной базовой станцией (с увеличенной зоной обслуживания) 4.3 Применение дуплексных СВ радиоканалов для построения система радиосвязи «точка-точка» 4.4 Требования к приемопередатчику СВ-КВ диапазонов, обеспечивающему работу в режиме дуплексной связи с временным разделением каналов приема и передачи 4.5 Применение способа дуплексной связи в транкинговой системе связи СВ диапазона ЗАКЛЮЧЕНИЕ ЛИТЕРАТУРА ПРИЛОЖЕНИЯ

5 12 12 18 26 30 38 46 46 52 60 67 70 70 75 83 90 95 95 109 112 112 112 114 118 122 132 138 140 141 154

ВВЕДЕНИЕ

Важным фактором экономического развития малонаселенных территорий Крайнего Севера, к которым относится значительная часть территории Российской Федерации, является решение задач развития телеком-муникационной инфраструктуры. Актуальность данных работ подчёркнута в Федеральном законе № 78-ФЗ "Об основах государственного регулирования социально-экономического развития Севера Российской Федерации".

Как известно, на территориях с достаточно высокой плотностью населения целесообразно использование систем сотовой и транкинговой связи ультракоротковолнового (УКВ) диапазона. Для регионов с низкой плотностью населения развёртывание данных систем экономически не выгодно в силу длительных сроков окупаемости. Радиоканалы того же УКВ диапазона частот эксплуатируют спутниковые системы связи, позволяющие решать задачи практически глобального территориального покрытия. Но и эти системы достаточно дороги, прежде всего, в силу отсутствия возможности покрытия Северных территорий с геостационарных орбит и необходимости использования относительно большого числа пролётных спутников.

В силу указанных обстоятельств, представляется целесообразным рассмотрение возможностей радиоканалов других диапазонов частот, которые могли бы применяться в транкинговой связи и позволяли в силу физических особенностей их распространения поверхностной волной обеспечить существенно бóльшую площадь зоны обслуживания. В качестве таких радиоканалов были исследованы каналы средневолнового (СВ) диапазона.

В основу работы положены результаты исследований, полученные Л.М. Финком [83], Д.Д. Кловским [41, 42], Е.Л. Файнбергом [81], К. Феером [80], .Д.. Д. Прокисом [66], О.В. Головиным [21], В.Ф. Комаровичем [46], В.А. Ивановым [36], Е.А. Хмельницким [86], В.Л. Хазаном [89], М.П. Долухановым [26], В.Д. Челышевым [68], У.К. Джейксом [25], В.С. Семенихиным [75], И.М. Пышкиным [67, 75], Ю.А. Громаковым [23], М.М. Маковеевой и Ю.С. Шинаковым [56], В.П. Ипатовым [38] и др. отечественными и зарубежными учеными.

Малая канальная ёмкость, повышенный уровень шумов и помех, а при ионосферном распространении дополнительно - замирания и многолучевость являются факторами, сдерживающими применение СВ радиоканалов в системах транкинговой связи. Передача сообщений с использованием СВ радиоканалов, в техническом плане достаточно хорошо решается для организации радиосвязи между стационарно расположенными радиоузлами и в меньшей степени для мобильных узлов радиосвязи. Организация связи во время движения, неизбежно наталкивается на проблемы, связанные с ограничениями мощности передатчиков подвижных объектов и габаритов передающих (обычно проволочных) антенн, которые должны быть расположены непосредственно на подвижном объекте, а также низкой эффективности для данного диапазона частот такого рода антенн. Не решенными до сих пор также являются проблемы реализации дуплексной передачи речи для указанных диапазонов. Недостаточно совершенными нужно признать и методики расчёта зон обслуживания таких систем. Исходя из этого и были сформулированы цели и задачи, решаемые в настоящей работе.

Цель диссертационной работы

Исследование методов построения СВ радиоканалов для транкинговых систем с мобильной базовой станцией, обеспечивающих увеличенную зону обслуживания.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Теоретическое исследование зависимости размеров зоны обслуживания транкинговой системы связи (ТСС) от основных влияющих факторов при использовании СВ радиоканалов передачи информации.

2. Экспериментальные исследования обеспечиваемой СВ радиоканалом дальности связи при использовании мобильных антенн.

3. Исследование вариантов технической реализации дуплексных средневолновых радиоканалов связи для ТСС с мобильной базовой станцией.

4. Разработка специализированных методов имитационного моделирования дуплексного режима работы транкинговой систем связи СВ диапазона и исследование с их помощью характеристик канала связи, работающего в таком режиме.

Методы исследования

В диссертационной работе приведены результаты исследований, полученные с использованием методов статистической радиотехники, теории потенциальной помехоустойчивости, теории распространения радиоволн, математической статистики, имитационного моделирования.

Математическое моделирование и вычислительные эксперименты проведены с использованием оригинальных программ, разработанных непосредственно автором и под его руководством, и пакетов программ МАТLАВ, PropWiz 1.7, ASAPS 5, MMANA.

Приведенные в работе результаты экспериментальных исследований дальности связи поверхностной волной получены при участии автора при трассовых испытаниях малогабаритных антенн СВ и КВ диапазонов.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Получены новые результаты теоретических и экспериментальных исследований дальности связи, обеспечиваемой поверхностной волной в СВ радиоканале с рядом мобильных и портативных антенн, подтвердившие возможность существенного увеличения дальности связи мобильных абонентов с мобильной базовой станцией и мобильных абонентов друг с другом, в диапазоне частот 1,5 ÷ 3,0 МГц при использовании малогабаритных вибраторных антенн.

2. Разработан способ дуплексной телефонной связи, использующий уплотнение канала связи во времени, обеспечивающий прием и передачу информации на одной рабочей частоте в трансиверном режиме работы радиостанции.

3. Разработаны метод временного сжатия телефонного сигнала и система дуплексной связи с временным разделением каналов приема и передачи, использующая указанный метод.

4. Разработана имитационная модель дуплексного канала связи с временным уплотнением и с её помощью получены результаты исследования характеристик дуплексного режима работы ТСС ГКМ диапазона.

5. Разработаны основные научно-технические положения, обеспечивающие построение транкинговой системы связи с мобильной базовой с увеличенной зоной обслуживания на основе применения СВ радиоканалов.

Научная новизна работы подтверждена патентами [3, 51, 52, 102, 104].

Достоверность полученных результатов

Достоверность данных полученных аналитическим путём подтверждена результатами имитационного моделирования и экспериментальных исследований. Достоверность результатов имитационного моделирования обеспечивается корректным использованием исходных данных, а также строгой математической обработкой результатов моделирования. Достоверность результатов экспериментальных исследований обеспечивается применением поверенного оборудования и апробированных методов проведения экспериментов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Новые результаты теоретических и экспериментальных исследований зависимости дальности связи, обеспечиваемой поверхностной волной в СВ радиоканале, от влияющих факторов, при использовании мобильных антенн.

2. Способ дуплексной телефонной связи, использующий уплотнение канала связи во времени, обеспечивающий прием и передачу информации на одной рабочей частоте в трансиверном режиме работы радиостанции и пути его реализации в СВ и КВ радиоканалах.

3. Метод временного сжатия телефонного сигнала и система дуплексной связи с временным разделением каналов приема и передачи, использующая указанный метод.

4. Имитационная модель дуплексного канала связи с временным уплотнением и полученные с её помощью результаты исследования характеристик дуплексного режима работы ТСС СВ диапазона.

5. Основные научно-технические положения, обеспечивающие построение транкинговой системы связи с мобильной базовой станцтей с увеличенной зоной обслуживания на основе применения СВ радиоканалов.

Практическая ценность работы

Применение рассматриваемых в данной работе СВ радиоканалов для создания ТСС позволяет значительно увеличить радиус её зоны обслуживания, а также реализовать мобильную базовую станцию, обеспечивающую работу в процессе движения. Подобные радиосистемы и радиосредства наиболее эффективны при использовании в малонаселенных районах с неразвитой инфраструктурой, на этапе начального освоения территорий, в других случаях, когда применение проводных, спутниковых, сотовых и транкинговых УКВ систем связи оказывается экономически неэффективным, и могут быть полезны различным корпоративным структурам, в том числе, работникам нефтегазового комплекса, дорожно-строительным службам, службам МЧС, пограничной службе и др.

Предложенные в работе способ и система дуплексной связи, а также метод временного сжатия телефонного сигнала позволяют реализовать дуплексный метод ведения телефонной радиосвязи в мобильных и портативных трансиверных радиостанциях как СВ, так и КВ диапазонов. Представленный в работе приемопередатчик позволяет реализовать режим дуплексного обмена при мощности передатчика до 1 кВт. Представленные в работе результаты теоретических и экспериментальных исследований дальности связи реализуемой СВ радиостанциями, снабженными малогабаритными резонансными антеннами могут быть полезны при разработке радиостанций, трансиверов и радиосистем СВ диапазона, работающих с использованием поверхностных волн.

Результаты работы были использованы в ОАО «Омский НИИ приборостроения» при проектировании приемных и приемопередающих мобильных радиоузлов, способ дуплексной связи внедрен при проведении инициативной ОКР «Транк-ОНИИП», методика расчета и разработанное программмное обеспечение радиуса зоны обслуживания по пространственной волне применялись в ходе выполнения НИР «Набат» и НИОКР «Сажень».

Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть полезны разработчикам, занимающимся проектированием мобильных средств радиосвязи.

Апробация работы

Основные результаты по теме диссертационного исследования докладывались:

на науч­но-технической конференции «Направления развития систем и средств радиосвязи» (г. Воронеж, 1996);

на 1-ой и 2-ой международной научно-практической конференции «Информационные технологии и радиосети» (г. Омск, 1996 г. и 2000 г.);

на технологическом конгрессе «Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения» (г. Омск, 2001 г.);

на VIII и IХ международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация и связь» (г. Воронеж в 2002 г. и 2003 г.);

на международной научной конференции «Современная радио-электроника в ретроспективе идей В.А. Котельникова» (г. Москва, 2003 г.);

на V международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (г. Омск, 2004 г.);

на III Российской научно-технической конференции «Новые информационные технологии в связи и управлении» (г. Калуга, 2004 г.);

на 5-й Всероссийской научной конференции «Проблемы развития системы специальной связи и специального информационного обеспечения государственного управления России» (г. Орел, 2007 г.);

на 69-й международной научно-технической конференции ААИ «Какой автомобиль нужен России» (г. Омск, 2010 г.);

на научно-технической конференции «Комплексная система безопасности на транспорте» (Москва, 2010 г.);

на региональной научно-практической конференции «Наука, образование, бизнес» (Омск, 2011 г.);

на международной научно-технической конференция «Радиотехника, электроника и связь» (г. Омск, 2011),

а также неоднократно обсуждались на заседаниях научно-технического совета ОАО «ОНИИП» и семинарах научно-исследовательской лаборатории научно-технического комплекса № 4 ОАО «ОНИИП».

Публикации

По теме диссертации опубликовано 28 печатных работ, в том числе 3 статьи в научно-технических изданиях, рекомендованных ВАК, 10 статей в других научно-технических сборниках и журналах, 6 полнотекстовых докладов и 4 публикации в виде тезисов докладов в сборниках трудов научно-технических конференций разного уровня; получено 5 патентов и авторских свидетельств на изобретение.

Структура и объем работы

Диссертация изложена на 153 страницах, содержит 46 рисунков и 18 таблиц. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, состоящего из 130 источников, и приложения.