автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Исследование методов оценки влияния замираний сигналов на показатели качества интервалов цифровых радиорелейных линий связи

На правахрукописи

Бабин Николай Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ЗАМИРАНИЙ СИГНАЛОВ НА ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ИНТЕРВАЛОВ ЦИФРОВЫХ РАДИОРЕЛЕЙНЫХ ЛИНИЙ СВЯЗИ

05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

б и:он гт

005061145

Санкт-Петербург — 2013

005061145

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном бюджетном учреждении высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича".

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Данилович Олег Сигизмундович

Официальные оппоненты: Сивере Мстислав Аркадьевич,

доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, заведующий кафедрой "Радиопередающие устройства и средства подвижной связи"

Моисеев Анатолий Алексеевич, кандидат военных наук, профессор, ОАО "Интелтех", заместитель директора научно-технического центра по научной работе

Ведущая организация Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С. М. Буденного" Министерства обороны Российской Федерации, г. Санкт-Петербург.

Защита состоится 20 июня 2013 года в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 219.004.02 при Федеральном государственном образовательном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича», 191186, Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, д. 61, ауд. 205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного образовательного бюджетного учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича».

Автореферат разослан 20 мая 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент

В.Х. Харитонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Радиорелейные линии (РРЛ) играют важную роль на сетях связи России. С одной стороны, это обусловлено известными их преимуществами в сравнении с кабельными, в том числе, волоконно-оптическими линиями (ВОЛС), такими как экономическая эффективность, высокая надежность линейного тракта, слабая зависимость от природных и климатических условий, быстрота ввода в эксплуатацию, возможность использования антенных опор РРЛ для размещения антенн другого назначения. С другой стороны, в условиях огромной территории России с крайне неравномерной плотностью населения, суровых климатических условий в северных районах и слаборазвитой инфраструктурой связи в большинстве регионов страны РРЛ являются одним из наиболее предпочтительных видов транспортных радиолиний связи. Поэтому в тех случаях, когда в настоящее время или в ближайшем будущем не требуется пропускная способность более примерно 2,5 Гбит/с, РРЛ являются хорошей альтернативой по отношению к ВОЛС.

В силу известных преимуществ уже давно практически все строящиеся и реконструируемые РРЛС являются цифровыми. В России цифровые РРЛС широко применяются на магистральных, внутризоновых и местных сетях единой сети электросвязи, в системах подвижной связи, а также на сетях технологической связи различного назначения.

Показатели качества передачи радиорелейных линий в значительной степени определяются условиями распространения радиоволн, причем наиболее сложной задачей является учет влияния замираний, обусловленных случайными изменениями параметров радиоканала. В этой связи исключительно важным является адекватный учет влияния замираний разных видов на показатели качества передачи.

В настоящее время при проектировании РРЛ в России наиболее широкое применение получили следующие два метода оценки влияния замираний

сигналов на интервалах РРЛ сантиметрового диапазона: метод, основанный на Рекомендации Р.530 Международного союза электросвязи (МСЭ), и метод, основанный на российской «Методике расчета трасс цифровых РРЛ прямой видимости в диапазоне частот 2-20 ГГц», разработанной научно-исследовательским институтом радио (НИИР).

В этих условиях актуальной задачей является сравнение указанных методов как с точки зрения рекомендаций по выбору высот подвеса антенн на интервалах, так и с точки зрения оценки показателей качества передачи, а также выработка рекомендаций по использованию этих методов в разных условиях.

Целью настоящей диссертационной работы является сравнительный анализ и выработка рекомендаций по использованию методов учета влияния субрефракционных и интерференционных замираний сигналов на интервалах цифровых радиорелейных линий (ЦРРЛ).

Указанная цель достигается решением следующих научных задач:

1. Сравнительный анализ и выработка рекомендаций по использованию методов выбора высот антенн на интервалах ЦРРЛ.

2. Исследование влияния субрефракционных замираний на показатели качества по ошибкам и неготовности при недостаточных высотах подвеса антенн.

3. Исследование зависимости влияния субрефракционных замираний от характеристик интервалов и требований к показателям качества передачи.

4. Выработка рекомендаций по использованию методов оценки показателей качества по ошибкам и показателей неготовности в условиях недостаточных высот подвеса антенн.

5. Исследование влияния многолучевых замираний на показатели неготовности интервалов.

6. Исследование модифицированного метода оценки интерференционной составляющей неустойчивости.

Объектом исследования является методика автоматизированного проектирования и расчета качественных показателей ЦРРЛ связи.

Предмет исследования - исследование методов оценки влияния субрефракционных и интерференционных замираний сигналов на качественные показатели интервалов ЦРРЛ связи.

При проведении исследований применялись методы математической статистики, теории распространения радиоволн и имитационного моделирования. При этом использовались опубликованные труды, результаты исследований, национальные и международные нормативные акты и официальные статистические материалы.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что в ней впервые выполнен сравнительный анализ основных методов учета влияния субрефракционных и интерференционных замираний сигналов на интервалах ЦРРЛ и разработаны рекомендации по использованию этих методов для оценки влияния указанных замираний при выборе высот подвеса антенн и расчете показателей качества передачи информации в разных условиях.

Личный вклад. Все основные научные результаты, выводы и рекомендации, содержащиеся в диссертации, получены автором самостоятельно. Все расчеты и многочисленные вычислительные эксперименты также выполнены автором самостоятельно с использованием прикладной профессиональной программы ДИСАП-ЦРРЛ и топографических исходных данных интервалов реальных РРЛ.

Основные научные результаты диссертации:

1. Результаты сравнительного анализа критериев допустимости пар высот антенн на интервалах ЦРРЛ сантиметрового диапазона.

2. Рекомендации по использованию методов выбора высот антенн на интервалах ЦРРЛ, основанные на результатах сравнительного анализа методов МСЭ и НИИР.

3. Результаты исследования влияния субрефракционных замираний на показатели качества передачи при недостаточных высотах антенн, выбранных в соответствии с приближенной методикой МСЭ.

4. Результаты исследования зависимости влияния субрефракционных замираний от характеристик интервалов при использовании разных методов учета влияния указанных замираний.

5. Рекомендации по использованию методов оценки показателей качества передачи в условиях недостаточных высот подвеса антенн.

6. Результаты сравнительного анализа методов оценки интерференционной составляющей неустойчивости при различных методах приема сигналов.

7. Результаты исследования влияния многолучевых замираний на показатели неготовности интервалов при одинарном и разнесенном методах приема.

8. Результаты исследования модифицированного метода оценки интерференционной составляющей неустойчивости на пересеченных и слабопересеченных интервалах.

Практическая значимость результатов исследования заключается в том, что полученные в диссертации результаты, относящиеся к выбору наименьших допустимых высот подвеса антенн и расчету показателей качества передачи, могут быть использованы при автоматизированном проектировании ЦРРЛ сантиметрового диапазона.

Результаты диссертационной работы внедрены в СПбГУТ им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, где используются при изучении дисциплин: «Спутниковые и радиорелейные системы передачи» и «Моделирование и оптимизация РТС», что подтверждено соответствующим актом внедрения.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 63-й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов СПбГУТ (Санкт-Петербург, 2011), на 64-й Международной научно-технической и научно-методической конференции «Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании»

(Санкт-Петербург, 2012), на 15-й Всероссийской научно-практической конференции Российской академии ракетно-артиллерийских наук «Актуальные проблемы защиты и безопасности» (Санкт-Петербург, 2012), на Всеармейской научно-практической конференции «Инновационная деятельность в Вооруженных силах РФ» (Санкт-Петербург, 2012), на П-й Международной научно-технической и научно-методической конференции «Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании» (Санкт-Петербург, 2013).

Публикации. Основные научные положения, изложенные в диссертации и выносимые на защиту, опубликованы в 8 печатных работах, из них 4 в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертация включает оглавление, введение, четыре главы, заключение, список использованных источников из 72-х наименований и два приложения. Работа содержит 150 страниц текста, включая два приложения, 55 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, излагаются цель и задачи исследования, научная новизна исследования и его практическая значимость.

В первой главе рассмотрены методы выбора высот антенн на пересеченных интервалах ЦРРЛ, основанные на Рекомендациях МСЭ Р.530 и Методике НИИР. Для интервалов разной протяженности проанализирована относительная роль критериев допустимости пар высот антенн в условиях нормальной рефракции и субрефракции радиоволн, используемых в указанных методах. Выполнен сравнительный анализ результатов выбора наименьших допустимых высот антенн на основе методов МСЭ и НИИР.

В соответствии с Рекомендацией МСЭ-Р Р.530 критерии допустимости в условиях нормальной рефракции и субрефракции радиоволн основаны на

вычислении относительных просветов и сравнении их с пороговыми значениями:

при нормальной рефракции:

р(ё) £1,73, (1)

где р(§) - относительный просвет при средней рефракции; при субрефракции:

/>[Я(0,1%)]>0,52, (2)

где р[§(0,1%)] - относительный просвет при субрефракции, соответствующий значению градиента диэлектрической проницаемости, превышаемому в 0,1 % времени.

В соответствии с Методикой НИИР критерий допустимости в условиях нормальной рефракции радиоволн также основан на вычислении просвета, однако при этом полнее учитывается региональная статистика рефракции:

р[8(2 0%)]>1, (3)

где р[я(20%)] - относительный просвет при 20 %-й (стандартной) рефракции, зависящий от среднего значения и стандартного отклонения градиента.

Условием допустимости пары высот антенн при субрефракции является: V (а 1>К (4)

дифр^О'- дифр.мин' '

где g0 - значение вертикального градиента диэлектрической проницаемости в

условиях субрефракции; К,[ифр - дифракционный множитель ослабления

при субрефракции; Рд„фр ми„ - минимально допустимое значение

дифракционного множителя ослабления, зависящее от энергетических параметров.

При проведении сравнительного анализа критериев использован массив топографических данных интервалов реальных ЦРРЛ. При этом рассмотрены 152 интервала различной протяженности от 10 до 65 км.

В процессе проведения вычислительных экспериментов для каждого из 152 рассмотренных интервалов были выбраны наименьшие допустимые

высоты антенн с использованием Рекомендации МСЭ и Методики НИИР.

Установлено, что относительная роль критериев допустимости зависит от длины интервалов, причем в случае коротких интервалов длиной до 30 км для обоих методов определяющую роль обычно играют критерии допустимости при нормальной (средней или стандартной) рефракции, а в случае протяженных интервалов длиной более 40 км определяющими чаще всего становятся критерии допустимости в условиях субрефракции.

Таблица 1. Статистические характеристики разности минимальных допустимых высот антенн А/г при использовании Рекомендации МСЭ и Методики НИИР

Длина интервалов, км Размер выборки Число (процент) интервалов, для которых Среднее значение Ак, м Стандартное отклонение ЛЛ, м Максимальное значение Дй, м (Дй. > 0) Минимальное значение Ак, м (Ак < 0)

АН > 0 М < 0

10-20 26 26(100) 0(0) 2,27 0,50 3,0 -

20-30 43 43 (100) 0(0) 1,66 0,43 2,5 -

30-40 48 43 (89,6) 5(10,4) 1,97 1,38 4,0 - 1,5

40-50 23 11 (47,8) 12 (52,2) -0,30 4,26 6,0 -8,0

50-65 12 4(33,3) 8 (66,7) -8,25 11,61 7,5 -35,5

Из таблицы 1 следует, что для коротких интервалов метод МСЭ всегда дает завышенные значения минимальных допустимых высот антенн в сравнении с методом НИИР, в то время как для интервалов длиной более 40 км в большинстве случаев наименьшие допустимые высоты антенн, выбранные методом МСЭ, оказываются явно недостаточными.

Адекватный учет совместного влияния земной поверхности и рефракции радиоволн при выборе высот антенн на интервалах любой протяженности обеспечивается лишь при использовании Методики НИИР, которая предусматривает комплексный учет всех основных факторов. Метод, основанный на Рекомендации МСЭ Р.530, в большинстве случаев может быть использован лишь для предварительного ориентировочного выбора высот антенн, причем только в случаях интервалов небольшой протяженности.

Во второй главе проведено исследование влияния субрефракционных замираний на нормируемые показатели качества передачи в условиях

недостаточных высот антенн, выбранных в соответствии с Рекомендацией МСЭ. Произведена оценка субрефракционных составляющих показателя качества по ошибкам и показателей неготовности для интервалов разной длины, а также относительных значений этих составляющих по отношению к нормируемым значениям указанных показателей качества.

В соответствии с Методикой НИИР субрефракционная составляющая показателя SESR определяется выражением:

SESRcySр = Т0 (Рр,ин.субр) • «Pro* (5)

где <рт0 - коэффициент готовности в условиях субрефракционных замираний, зависящий от статистики длительности этих замираний и определяющий, какая их часть имеет длительность менее 10 мс.

Субрефракционная составляющая показателя неготовности для худшего месяца UARXм определяется выражением:

VARC= Т0 (V^.cygp) • (1 - <рт0), (6)

а субрефракционная составляющая среднегодового показателя неготовности -выражением:

UARerap = p„-UAReftpm, (7)

где /?„г - коэффициент, учитывающий региональные климатические особенности (сухопутные, морские, приморские районы).

При выборе минимальных допустимых высот антенн в соответствии с Методикой НИИР субрефракционные составляющие показателей качества незначительны и в первом приближении их можно не учитывать. В случае выбора минимальных допустимых высот антенн на основе Рекомендации МСЭ на протяженных интервалах, для которых Ыг < 0, влияние субрефракционных замираний на показатели качества может быть весьма существенным. С целью количественной оценки этого влияния для интервалов разной длины произведен расчет субрефракционных составляющих SESRnSp, UAR^tpxpj и UAR46? для массива из 83 интервалов длиной более 30 км. Результаты этого расчета отражены в таблицах 2 и 3.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что в случае выбора наименьших допустимых высот антенн в соответствии с Рекомендацией МСЭ Р.530 влияние субрефракционных замираний на показатель качества по ошибкам и показатели неготовности в значительной степени зависит от длины интервалов, причем пренебречь этим влиянием можно лишь в случае коротких интервалов длиной менее 30 км.

Таблица 2. Статистические характеристики субрефракционной составляющей показателя качества по ошибкам БЕБИ^р при выборе наименьших высот антенн в соответствии с Рекомендацией МСЭ

Длина интервалов, км Размер выборки Число интервалов, ДЛЯ которых Ак < 0 Среднее значение % Среднее значение 5Е511суер 5Я5Я Д0Р!4 Стандартное отклонение 5Е5Янорц Максимальное значение 5 Е5 Я с^ЪР

30-40 48 5 0,000011 0,005 0,016 0,07

40-50 23 12 0,000369 0,15 0,24 0,83

50-65 12 8 0,005036 1,57 2,27 7,73

Таблица 3. Статистические характеристики субрефракционной составляющей среднегодового показателя неготовности у6р при выборе наименьших высот антенн в соответствии с Рекомендацией МСЭ

Длина интервалов, км Размер выборки Число интервалов, для которых Лк< 0 Среднее значение % Среднее значение ВАЯс, МКнорм Стандартное отклонение Максимальное значение

30-40 48 5 0,000036 0,01266927 0,039447782 0,178598

40-50 23 12 0,000493 0,14 0,21 0,71

50-65 12 8 0,013427 2,93 5,63 18,58

На интервалах длиной от 40 до 50 км расчетные значения 5£,5йсу6р и иАЯ,.уВр в ряде случаев превышает половину нормируемых значений, а для интервалов длиной более 50 км составляющая 5Е5й1:у5р и особенно составляющая УЛД^р могут в несколько раз превышать соответствующие нормируемые значения, что дает основание говорить о неприемлемости выбора

наименьших высот антенн в соответствии с Рекомендаций Р.530 на протяженных интервалах.

Третья глава посвящена исследованию зависимости влияния субрефракционных замираний от характеристик интервалов. Выполнены сравнительный анализ методов выбора высот антенн и оценка нормируемых показателей качества передачи в условиях недостаточных высот антенн, выбранных в соответствии с Рекомендациями МСЭ, для интервалов с разной скоростью передачи информации, разными требованиями к показателям качества передачи и разной региональной статистикой рефракции радиоволн.

Установлено, что в наибольшей степени различие в результатах выбора наименьших высот антенн и расчета обоих нормируемых показателей качества проявляется в радиоклиматических районах № № 4, 9 и в наименьшей степени - в районах № № 1 в, 6.

В то время как метод МСЭ при выборе наименьших высот антенн вообще не учитывает пропускную способность РРЛ и требования к показателям качества передачи, метод НИИР обеспечивает адекватный учет влияния указанных факторов. При этом на интервалах длиной более 40 км снижение пропускной способности РРЛ позволяет уменьшить величину наименьших допустимых высот антенн, рассчитанных по Методике НИИР. В то же время для магистральных и внутризоновых линий связи большой длины выбор наименьших высот антенн в соответствии с Рекомендацией Р.530 на интервалах РРЛ протяженностью свыше 40 км является неприемлемым.

В четвертой главе содержатся результаты исследования и сравнительного анализа методов оценки влияния интерференционных замираний сигналов, основанных на Рекомендации МСЭ Р.530-11 и Методике НИИР.

В соответствии с Методикой НИИР для приземных трасс интерференционная составляющая неустойчивости Гинт определяется выражением, %

Гинт(НИИР) = РЙНТ - 10-а'1М, (8)

где: Ртт = 4.1 ■ 1(Г4 • (} • /т1-5 -Я2 при 20 км < Я < 100 км;

РЙНТ = 2.05 • 10"5 • <? • /1-5 • Я3 при Я < 20 км; М - запас на интерференционные замирания, дБ; - параметр, зависящий от климатических и топографических особенностей местности; /- частота, ГГц; Л - длина интервала, км.

В соответствии с Рекомендацией МСЭ Р.530-11 Т,лпт определяется, %

ГИНТ(МСЗ) = Гият.п + Гинт,с, (9)

где Т.,пт п и Гият с - составляющие Тиит, обусловленные влиянием плоских и частотно-селективных многолучевых замираний.

С целью сравнения рассматриваемых методов выполнен расчет интерференционной составляющей неустойчивости при одинарном приеме сигналов. Расчет выполнен для 68 интервалов длиной от 10 до 55 км с использованием энергетических параметров современного радиорелейного оборудования.

Результаты выполненного расчета при одинарном приеме сигналов отражены в таблице 4, где представлены значения относительной величины различия Гинт(НИИР) и ГИНТ(МСЭ), не зависящие от величины запаса на замирания,

К(МСЗ) = Г-(МСЭ?-Г""0,ИИР). (10)

14 7 ГКНТ(НИИР)

Таблица 4. Статистические характеристики относительной величины различия расчетных значений 7^нт(НИИР) и ГИНТ(МСЭ) при одинарном приеме сигналов

Тип интервала Размер выборки Среднее значение У^МСЭ) Стандартное отклонение У^МСЭ} Минимальное значение К,(Л/СЗ) Максимальное значение К((Л/СЭ)

Пересеченный сухопутный 25 0,24 0,75 -0,86 1,81

Пересеченный приморский 22 -0,68 0,16 -0,93 -0,38

Слабопересеченный сухопутный 10 -0,81 0,09 -0,92 -0,66

Слабопересеченный приморский 11 -0,92 0,05 -0,99 -0,79

Все типы интервалов 68 -0,40 0,68 -0,99 1,81

Полученные результаты дают основание говорить, во-первых, о существенном различии Гинт(НИИР) и 7],НТ(МСЭ), во-вторых о значительном разбросе значений К (МСЭ). При этом в целом (для всех интервалов) Гинт(НИИР) и ГИНТ(МСЭ) могут отличаться в несколько раз, в отдельных случаях, даже в десятки раз, а разброс значений относительного различия Уг (МСЭ) лежит в пределах от минус 0,86 до плюс 1,81.

Результаты сравнительного анализа методов МСЭ и НИИР при пространственно разнесенном методе приема сигналов представлены в таблице 5.

Таблица 5. Статистические характеристики различия расчетных значений Тият

при пространственно разнесенном приеме сигналов

Тип интервала Размер выборки Среднее значение Г^МСЭ) Стандартное отклонение УЯ1И!(ЖЭ) Минимальное значение КггХ-Ксэ) Максимальное значение Укрп(МСЭ)

Пересеченный сухопутный 21 0,94 1,51 -0,92 4,70

Пересеченный приморский 21 -0,79 0,15 -0,99 -0,46

Слабопересеченный сухопутный 9 0,57 1,48 -0,78 3,38

Слабопересеченный приморский 6 -0,63 0,27 -0,89 -0,13

Все типы интервалов 57 0,08 1,36 -0,99 4,70

Результаты выполненных расчетов свидетельствуют о большом различии расчетных значений Гинтпрп(НИИР) и Гинтпрп(МСЭ), разнонаправленном характере и большом разбросе указанного различия.

При оценке показателя неготовности на интервале в соответствии с Рекомендацией МСЭ Р.530-11 учитывается лишь ослабление радиоволн в гидрометеорах. В соответствии с Методикой НИИР интерференционные замирания влияют как на показатели качества по ошибкам, так и на показатели неготовности.

При одинарном приеме сигналов показатель неготовности, учитывающий влияние интерференционных замираний и относящийся к худшему месяцу

определяется выражением, %:

= Тиюп (НИИР) ■ (1 - <рттт-). (11)

В случае пространственно разнесенного приема (ПРП) показатель неготовности, учитывающий влияние интерференционных замираний и относящийся к худшему месяцу для пересеченных интервалов определяется выражением, %:

МК™.»^ = Слк • 10"2(1 - <р,инт) - Т^НИИР), (12)

где Сдй. - параметр, характеризующий статистическую зависимость замираний пространственно разнесенных сигналов.

Полученные результаты дают основание говорить о существенном влиянии интерференционных замираний на показатели неготовности. В этой связи неучет указанного влияния в большинстве случаев приводит к неоправданно оптимистической оценке показателей неготовности интервалов. При этом необходимо отметить две особенности: во-первых, интерференционные замирания значительно сильнее влияют при одинарном приеме сигналов, причем на интервалах любого типа, во-вторых, наибольшие значения интерференционных составляющих показателей неготовности относятся к приморским интервалам, как пересеченным, так и слабопересеченным, причем как при одинарном, так и при пространственно разнесенном приеме.

В последнее время предложен ряд модификаций существующих методов оценки интерференционной составляющей неустойчивости за усредненный худший месяц. В связи с этим проведено исследование модифицированного метода, разработанного НИИР и обеспечивающего большую точность учета влияния тропосферных многолучевых замираний, по крайней мере, для территории стран СНГ.

Проведенный анализ свидетельствует о существенном различии результатов оценки интерференционной составляющей неустойчивости, полученных с помощью модифицированного метода, с одной стороны, и методов НИИР и МСЭ, с другой стороны, причем указанное различие

соизмеримо с величиной Гн"ят(НИИР). Кроме того, следует отметить разнонаправленный характер и большой разброс значений этого различия. В среднем по всем типам интервалов величина Ги*нт(НИИР) значительно превышает ГИНТ(МСЭ), однако существенно меньше Г1ШТ(НИИР).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные научные результаты позволяют сформулировать следующие рекомендации по использованию методов выбора наименьших допустимых высот антенн и оценки показателей качества передачи на интервалах ЦРРЛ:

- метод, основанный на методике НИИР, является наиболее совершенным с точки зрения учета условий распространения радиоволн и потому может быть использован при выборе высот антенн на интервалах любой протяженности;

- метод, основанный на Рекомендации МСЭ Р.530, может быть использован лишь для предварительного ориентировочного выбора высот антенн, причем только в случаях интервалов длиной до 30 км, при этом полученные высоты антенн почти всегда могут быть уменьшены на 2-3 м;

- в случае коротких интервалов указанной протяженности в большинстве случаев можно ограничиться использованием лишь одного, наиболее простого, критерия допустимости - критерия допустимости в условиях нормальной рефракции радиоволн (средней в случае использования метода МСЭ и стандартной при использовании метода НИИР);

- в случае протяженных интервалов длиной более 50 км адекватный выбор высот антенн возможен только на основе метода НИИР, использование в этом случае приближенного метода, основанного на Рекомендации МСЭ, недопустимо;

- в случае, если при выборе наименьших допустимых высот антенн использован метод МСЭ, необходим расчет субрефракционных составляющих обоих нормируемых показателей качества передачи (показателя 8Е8Я) и

среднегодового показателя неготовности с использованием Методики НИИР и сравнение их расчетных значений с соответствующими нормами;

- при оценке влияния интерференционных замираний на интервалах всех типов наряду с расчетом показателя качества по ошибкам в соответствии с Методикой НИИР необходимо выполнять расчет интерференционной составляющей показателя неготовности и учитывать ее при оценке суммарного показателя неготовности.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Бабин, Н. Н. Многовариантная оптимизация сетей радиосвязи со звездообразной топологией / Н. Н. Бабин, С. В. Бачевский, О. С. Данилович // Вопросы радиоэлектроники. Серия Общетехнические. - 2013. - Выпуск 1. -С. 23-31 (в перечне ВАК).

2. Бабин Н. Н. Оптимизация мощностей передатчиков и частотно-территориального планирования на сетях радиосвязи со звездообразной топологией / Н. Н. Бабин, Д. А. Данилович, О. С. Данилович // Известия вузов. Поволжский регион. Технические науки. - 2012. - №4(24). - С. 67-75 (в перечне ВАК).

3. Бабин H.H. Сравнительный анализ методов оценки влияния интерференционных замираний на интервалах цифровых РРЛ / Н. Н. Бабин, О. С.Данилович // Телекоммуникации. - 2013. - Спец. выпуск. - С. 34-46 (в перечне ВАК).

4. Бабин Н. Н. Особенности учёта влияния субрефракционных замираний при проектировании цифровых радиорелейных линий связи / Г. В. Сызранцев, О. С. Данилович, Н. Н. Бабин // Труды 15-й Всероссийской НПК PAP АН «Актуальные проблемы защиты и безопасности». — Москва, 2012. - Том 5. Спец. выпуск. - С. 54-61 (в перечне ВАК).

5. Бабин Н. Н. Сравнительный анализ методов выбора высот антенн на интервалах РРЛ / Н. Н. Бабин, О. С. Данилович // Инновационная деятельность в Вооруженных силах РФ. Труды Всеармейской научно-практической

конференции 29-30 ноября 2012 г. - СПб.: Военная академия связи, 2012. -С. 51-54.

6. Бабин Н. Н. Оптимизация мощностей передатчиков на интервалах цифровых РРЛ с учетом помех от сигналов обратного направления / Н. Н. Бабин, О. С. Данилович // 63-я научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов университета СПбГУТ им. проф. М. А. Бонч-Бруевича: материалы. - СПб.: СПбГУТ, 2011. - С. 19.

7. Бабин Н. Н. Методы прогнозирования явлений, связанных с распространением радиоволн в системах цифровых линий связи, работающих в пределах прямой видимости / Н. Н. Бабин // 1-я Международная научно-техническая и научно-методическая конференция «Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании». 20-24 февраля 2012 года: материалы. - СПб.: СПбГУТ, 2012. - С. 309-310.

8. Бабин Н. Н. Анализ критериев допустимости высот антенн на интервалах цифровых РРЛ сантиметрового диапазона / О. С. Данилович, Н. Н. Бабин // П-я Международная научно-техническая и научно-методическая конференция «Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании». 26-27 февраля 2013 года: материалы. - СПб.: СПбГУТ, 2013. -С. 109-11.

Подписано в печать 30.04.2013. Формат 60x84 1/16. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ Отпечатано в СПбГУТ, 191186, Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, 61

Санкт-Петербургский Государственный университет телекоммуникаций

им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

На правах рукописи

04201 3592 51

Бабин Николай Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ЗАМИРАНИЙ СИГНАЛОВ НА ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ИНТЕРВАЛОВ ЦИФРОВЫХ

РАДИОРЕЛЕЙНЫХ ЛИНИЙ СВЯЗИ

05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Данилович О.С.

Санкт-Петербург 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ................................................................................... 4

ГЛАВА 1. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ ВЫБОРА ВЫСОТ АНТЕНН НА ИНТЕРВАЛАХ ЦИФРОВЫХ РАДИОРЕЛЕЙНЫХ ЛИНИЙ (РРЛ) ..........................................................................................11

1.1. Критерии допустимости пар высот антенн на интервалах РРЛ .............11

1.2. Характеристика используемых исходных данных и условий проведения анализа ...................................................................18

1.3. Результаты сравнительного анализа критериев допустимости и

методов выбора высот антенн .......................................................21

1.4. Основные выводы по главе 1 .......................................................34

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СУБРЕФРАКЦИОННЫХ ЗАМИРАНИЙ НА ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ПЕРЕДАЧИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПРИБЛИЖЕННОЙ МЕТОДИКИ ВЫБОРА ВЫСОТ АНТЕНН .................................................................................... 37

2.1. Общая характеристика влияния субрефракционных замираний на показатели качества передачи .................................................... 37

2.2. Расчет субрефракционных составляющих показателей качества ......... 39

2.3. Расчет показателя качества по ошибкам в условиях недостаточных

высот антенн ......................................................................... 42

2.4. Расчет показателей неготовности в условиях недостаточных высот антенн ................................................................................. 48

2.5. Основные выводы по главе 2 ...................................................... 56

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ВЛИЯНИЯ СУБРЕФРАКЦИОННЫХ ЗАМИРАНИЙ ОТ ХАРАКТЕРИСТИК ИНТЕРВАЛОВ РРЛ ..................................................................... 59

3.1. Характеристика особенностей интервалов .................................... 59

3.2. Исследование влияния энергетических характеристик интервалов ...... 61

3.3. Исследование влияния региональной статистики рефракции

радиоволн .............................................................................. 65

3.4. Исследование влияния требований к показателям качества передачи..... 69

3.5. Основные выводы по главе 3 ...................................................... 83

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ЗАМИРАНИЙ НА ИНТЕРВАЛАХ ЦИФРОВЫХ РРЛ ......................................................................... 87

4.1. Сравнительный анализ методов оценки интерференционной составляющей неустойчивости при одинарном приеме сигналов ..........87

4.2. Сравнительный анализ методов оценки влияния интерференционных замираний при разнесенном приеме ............................................. 94

4.3. Оценка влияния интерференционных замираний на показатели неготовности ......................................................................... 100

4.4. Исследование модифицированного метода оценки интерференционной составляющей неустойчивости ....................... 108

4.5. Основные выводы по главе 4 ................................................... 114

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .......................................................................... 117

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ............................... 124

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. РЕЗУЛЬТАТЫ СРАВНИТЕЛЬНОГО АНАЛИЗА ВЛИЯНИЯ КРИТЕРИЕВ ДОПУСТИМОСТИ И МЕТОДОВ ВЫБОРА ВЫСОТ АНТЕНН В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ХАРАКТЕРИСТИК

ИНТЕРВАЛОВ РРЛ....................................................................... 130

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. АКТ ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ В УЧЕБНЫЙ

ПРОЦЕСС................................................................................... 149

ВВЕДЕНИЕ

Радиорелейные линии (РРЛ) играют важную роль на сетях связи России /1-5/. С одной стороны, это обусловлено известными их преимуществами в сравнении с кабельными, в том числе, волоконно-оптическими линиями (ВОЛС), такими как экономическая эффективность, высокая надежность линейного тракта, слабая зависимость от природных и климатических условий, быстрота ввода в эксплуатацию, возможность использования антенных опор РРЛ для организации подвижной связи (сотовой или транкинговой) и фиксированного радиодоступа вдоль трассы РРЛ. С другой стороны, в условиях огромной территории России с крайне неравномерной плотностью населения, суровых климатических условий в северных районах и слаборазвитой инфраструктурой связи в большинстве регионов страны РРЛ являются наиболее предпочтительным видом транспортных радиолиний связи. Поэтому в тех случаях, когда в настоящее время или в ближайшем будущем не требуется пропускная способность более примерно 2,5 Гбит/с, РРЛ являются хорошей альтернативой по отношению к ВОЛС /6-8/.

В силу известных преимуществ уже давно практически все строящиеся и реконструируемые РРЛ являются цифровыми. Следует отметить совместимость цифровых РРЛ и ВОЛС, которая обеспечивается за счет наличия в радиорелейном оборудовании не только электрических, но и оптических интерфейсов /3, 6/. Это позволяет обеспечить взаимное резервирование РРЛ и ВОЛС, по крайней мере, в части приоритетного трафика, а также дает возможность построения смешанных линий, содержащих участки ВОЛС и РРЛ (например, на участках, где строительство ВОЛС экономически не целесообразно).

В России цифровые РРЛ широко применяются на магистральных, внутризоновых и местных сетях единой сети электросвязи, а также на сетях технологической связи. Основными пользователями линий и сетей радиорелейной связи в России являются операторы фиксированной и подвижной связи, а также корпоративные пользователи, прежде всего, компании нефтегазовой отрасли. В

настоящее время PPJI работают в широком диапазоне частот от 160 МГц до примерно 80 ГГц, при этом наиболее широко используется сантиметровый диапазон с частотами от 4 до 23 ГГц /9-12/.

В соответствии с рекомендациями Международного союза электросвязи в настоящее время используются единые показатели качества передачи информации для всех типов кабельных линий и радиолиний связи /13-15/. При этом показатели качества передачи радиолиний и, особенно радиорелейных линий, в значительной степени определяются условиями распространения радиоволн, причем наиболее сложной задачей является учет влияния замираний, обусловленных случайными изменениями параметров радиоканала /16-21/. В этой связи исключительно важным является адекватный учет влияния замираний разных видов на показатели качества передачи.

Исследованию влияния замираний сигналов на интервалах PPJI посвящен целый ряд работ отечественных и зарубежных авторов. Наибольший вклад в результаты этих исследований внесли российские ученые: А.И. Калинин, В.Н. Троицкий, J1.B. Надененко, В.В. Святогор, Г.О. Василенко /22-32/, а также зарубежные исследователи: М. Glauner, R.L. Olsen, Т. Tjelta, I. Henne, Р. Thorvald-sen, J. Henriksson /33-39/.

В настоящее время существует целый ряд методов оценки влияния замираний сигналов на интервалах PPJI сантиметрового диапазона /33-39/, однако наиболее широкое применение получили следующие два метода. Первый из них основан на Рекомендации Р.530 Международного союза электросвязи (МСЭ) /40-43/. Второй метод соответствует российской «Методике расчета трасс цифровых PPJI прямой видимости в диапазоне частот 2-20 ГГц», разработанной научно - исследовательским институтом радио (НИИР) /18, 44/.

В этой связи представляет интерес сравнение указанных методов как с точки зрения рекомендаций по выбору высот подвеса антенн на интервалах, так и с точки зрения оценки показателей качества передачи.

Целью настоящей диссертационной работы является сравнительный анализ и выработка рекомендаций по использованию методов учета влияния суб-

рефракционных и интерференционных замираний сигналов на интервалах цифровых радиорелейных линий.

Указанная цель достигается решением следующих задач.

1. Сравнительный анализ критериев допустимости пар высот антенн на интервалах цифровых РРЛ в условиях нормальной рефракции и субрефракции радиоволн.

2. Сравнительный анализ и выработка рекомендаций по использованию методов выбора высот антенн на интервалах цифровых РРЛ.

3. Исследование влияния субрефракционных замираний на показатели качества по ошибкам и неготовности при недостаточных высотах подвеса антенн.

4. Исследование зависимости влияния субрефракционных замираний от характеристик интервалов и требований к показателям качества передачи.

5. Выработка рекомендаций по использованию методов оценки показателей качества по ошибкам и показателей неготовности в условиях недостаточных высот подвеса антенн.

6. Сравнительный анализ методов оценки интерференционной составляющей неустойчивости при одинарном и разнесенном методах приема.

7. Исследование влияния многолучевых замираний на показатели неготовности интервалов.

8. Исследование модифицированного метода оценки интерференционной составляющей неустойчивости.

Объектом исследования является методика автоматизированного проектирования и расчета качественных показателей цифровых радиорелейных линий связи.

Предмет исследования - исследование методов оценки влияния субрефракционных и интерференционных замираний сигналов на качественные показатели интервалов цифровых радиорелейных линий связи.

При проведении исследований применялись методы математической статистики, теории распространения радиоволн и имитационного моделирования. При этом использовались опубликованные труды, результаты исследований,

национальные и международные нормативные акты и официальные статистические материалы.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что в ней впервые выполнен сравнительный анализ основных методов учета влияния субрефракционных и интерференционных замираний сигналов на интервалах цифровых радиорелейных линий и разработаны рекомендации по использованию этих методов для оценки влияния указанных замираний при выборе высот подвеса антенн и расчете показателей качества передачи информации в разных условиях.

Основные научные результаты, выносимые на защиту.

1. Результаты сравнительного анализа критериев допустимости пар высот антенн на интервалах цифровых РРЛ сантиметрового диапазона.

2. Рекомендации по использованию методов выбора высот антенн на интервалах цифровых РРЛ, основанные на результатах сравнительного анализа указанных методов.

3. Результаты исследования влияния субрефракционных замираний на показатели качества передачи при недостаточных высотах антенн, выбранных в соответствии с приближенной методикой.

4. Результаты исследования зависимости влияния субрефракционных замираний от характеристик интервалов при использовании разных методов учета влияния указанных замираний.

5. Рекомендации по использованию методов оценки показателей качества передачи в условиях недостаточных высот подвеса антенн.

6. Результаты сравнительного анализа методов оценки интерференционной составляющей неустойчивости при различных методах приема сигналов.

7. Результаты исследования влияния многолучевых замираний на показатели неготовности интервалов при одинарном и разнесенном методах приема.

8. Результаты исследования модифицированного метода оценки интерференционной составляющей неустойчивости на пересеченных и слабопересеченных интервалах.

Практическая значимость результатов исследования заключается в том, что полученные в диссертации результаты могут быть использованы в проектных институтах отрасли «Связь»: ОАО «Гипросвязь (г. Москва), ОАО «Ги-просвязь СПб» (г. С-Петербург), ОАО «Гипросвязь» (г. Самара), ОАО «Гипро-газцентр» (г. Нижний Новгород), ОАО «Гипроспецгаз» (г. С-Петербург) и других проектных организациях при автоматизированном проектировании цифровых радиорелейных линий сантиметрового диапазона. Особенно это относится к организациям и проектно-конструкторским отделам, использующим методику расчета РРЛ, основанную на рекомендациях МСЭ. Кроме того, указанные результаты могут быть использованы в учебном процессе высших учебных заведений связи: СПбГУТ (г. С-Петербург), МТУСИ (г. Москва), ПГУТИ (г. Самара), СибГУТИ (г. Новосибирск) и других вузов, готовящих специалистов в области радиосвязи.

Результаты диссертационной работы внедрены в СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, где используются при изучении дисциплин: «Спутниковые и радиорелейные системы передачи» и «Моделирование и оптимизация РТС», что подтверждено соответствующими актами внедрения.

Основные результаты работы докладывались на 63-й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов СПбГУТ 2011 г., на 64-й Международной научно-технической и научно-методической конференции «Актуальные проблемы инфотелекоммуни-каций в науке и образовании», СПб, 2012 г., на П-й Международной научно-технической и научно-методической конференции «Актуальные проблемы ин-фотелекоммуникаций в науке и образовании», СПб, 2013 г.

Основные научные положения, изложенные в диссертации и выносимые на защиту, опубликованы в 8 печатных работах, из них 4 в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.

Диссертация включает оглавление, введение, четыре главы, заключение, список использованных источников из 72-х наименований и два приложения.

Работа содержит 150 страниц текста, включая два приложения, имеет 55 таблиц.

В первой главе рассмотрены методы выбора высот антенн на пересеченных интервалах цифровых PPJI, основанные на Рекомендациях МСЭ Р.530 и Методике НИИР. Для интервалов разной протяженности проанализирована относительная роль критериев допустимости пар высот антенн в условиях нормальной рефракции и субрефракции радиоволн, используемых в указанных методах. Выполнен сравнительный анализ результатов выбора наименьших допустимых высот антенн на основе методов МСЭ и НИИР, в результате которого установлено, что в большинстве случаев результаты выбора существенно отличаются, причем это различие в значительной степени зависит от длины интервалов. Произведена количественная оценка и получены соответствующие статистические характеристики разности минимальных допустимых высот антенн на интервалах разной протяженности при использовании Рекомендации МСЭ и Методики НИИР. На основе проведенного анализа сформулированы рекомендации по использованию рассмотренных методов выбора высот антенн на интервалах разной длины.

Вторая глава посвящена исследованию влияния субрефракционных замираний на субрефракционную составляющую неустойчивости и нормируемые показатели качества передачи в условиях недостаточных высот антенн, выбранных в соответствии с Рекомендациями МСЭ. Произведена оценка субрефракционных составляющих показателей качества по ошибкам и показателей неготовности для интервалов разной длины, а также относительных значений этих составляющих по отношению к нормируемым значениям указанных показателей качества передачи. Получены статистические характеристики субрефракционных составляющих показателей качества по ошибкам и показателей неготовности. На основе анализа полученных результатов представлены рекомендации, относящиеся к оценке влияния субрефракционных замираний на показатели качества передачи и выбору высот антенн на пересеченных интервалах.

Третья глава посвящена исследованию зависимости влияния субрефракционных замираний от характеристик интервалов. Выполнены сравнительный анализ методов выбора высот антенн и оценка нормируемых показателей качества передачи в условиях недостаточных высот антенн, выбранных в соответствии с Рекомендациями МСЭ, для интервалов с разной скоростью передачи информации, разными требованиями к показателям качества передачи и разной региональной статистикой рефракции радиоволн. На основе анализа полученных результатов представлены рекомендации, относящиеся к оценке влияния субрефракционных замираний на показатели качества передачи и выбору высот антенн на пересеченных интервалах, для пересеченных интервалов с различными характеристиками.

В четвертой главе содержатся результаты исследования и сравнительного анализа методов оценки влияния интерференционных (многолучевых) замираний сигналов, основанных на Рекомендации МСЭ Р.530-11 и Методике НИИР. Приведены результаты исследования влияния плоских и частотно-селективных многолучевых замираний на интерференционную составляющую неустойчивости при одинарном и пространственно разнесенном методах приема сигналов на интервалах с разными геоклиматическими характеристиками. Представлены результаты выполненной на основе Методики НИИР оценки интерференционных составляющих показателей неготовности на пересеченных и слабопересеченных интервалах, а также статистические характеристики этой составляюще