Разделение (уплотнение) каналов.

Виды радиосвязи

Лекция 4. Радиорелейные и тропосферные линии связи.

Радиосвязь по длинам волн разделяют на радиосвязь c применением ретрансляторов :

Радиорелейная связь,

Спутниковая связь,

Сотовая связь;

без применения ретрансляторов :

СДВ-связь,

ДВ-связь,

СВ-связь,

КВ-связь земной (поверхностной) волной,

КВ-связь ионосферной (пространственной) волной,

УКВ-связь,

Тропосферная связь.

Канал связи может быть:

симплексный - то есть допускающей передачу данных только в одном направлении(радиотрансляция, телевидение);

полудуплексный - поочерёдно ;

дуплексным - то есть допускающей передачу данных в обоих направлениях одновременно(телефон).

Создание нескольких каналов на одной линии связи обеспечивается с помощью разнесения их по частоте, времени, кодам, адресу, длине волны.

- частотное разделение каналов (ЧРК, FDM) - разделение каналов по частоте, каждому каналу выделяется определённый диапазон частот;

- временное разделение каналов (ВРК, TDM) - разделение каналов во времени, каждому каналу выделяется квант времени;

- кодовое разделение каналов (КРК, CDMA) - разделение каналов по кодам, каждый канал имеет свой код наложение которого на групповой сигнал позволяет выделить информацию конкретного канала;

- спектральное разделение каналов (СРК, WDM) - разделение каналов по длине волны.

Возможно комбинировать методы: ЧРК+ВРК.

Радиорелейная связь - радиосвязь по линии (радиорелейная линия, РРЛ), образованной цепочкой приёмо-передающих (ретрансляционных) радиостанций. Наземная радиорелейная связь осуществляется обычно на деци - и сантиметровых волнах (от сотен мегагерц до десятков гигагерц).

РРЛ стали важной составной частью сетей электросвязи – ведомственных, корпоративных, региональных, национальных и даже международных, поскольку имеют ряд достоинств:

Возможность быстрой установки оборудования при небольших капитальных затратах;

Экономически выгодная, а иногда и единственная, возможность организации многоканальной связи на участках местности со сложным рельефом;

Возможность применения для аварийного восстановления связи в случае бедствий, при спасательных операциях;

Эффективность развертывания разветвленных цифровых сетей в больших городах и индустриальных зонах, где прокладка новых кабелей слишком дорога или невозможна;

Высокое качество передачи информации по РРЛ, практически не уступающие ВОЛС и другим кабельным линиям.

РРЛ связи позволяют передавать телевизионные программы и одновременно сотни и тысячи телефонных сообщений. Для таких потоков информации требуются полосы частот до нескольких десятков, а иногда и сотен мегагерц и соответственно несущие не менее нескольких гигагерц. Радиосигналы на этих частотах эффективно передаются лишь в пределах прямой видимости . Поэтому для связи на большие расстояния в земных условиях приходится использовать ретрансляцию радиосигналов. На радиорелейных линиях прямой видимости в основном применяют активную ретрансляцию , в процессе которой сигналы усиливаются.

Протяженность пролетов R между соседними станциями зависит от профиля рельефа местности и высот установки антенн. Обычно ее выбирают близкой к расстоянию прямой видимости R 0 , км. Для гладкой сферической поверхности Земли и без учета атмосферной рефракции:

где h 1 и h 2 – высоты подвеса передающей и приемной антенн (в метрах). В реальных условиях, в случае мало пересеченной местности R 0 = 40…70 км, а h 1 и h 2 составляют 50…80 м.

В зависимости от используемого механизма распространения радиоволн различают:

- радиорелейную линию прямой видимости РРЛ (за счет земной радиоволны);

- тропосферную радиорелейную линию ТРЛ (за счет тропосферной радиоволны).

Земной называют радиоволну, распространяющуюся вблизи земной поверхности. Земные радиоволны короче 100 см хорошо распространяются только в пределах прямой видимости. Поэтому радиорелейную линию связи на большие расстояния строят в виде цепочки приемо-передающих радиорелейных станций (РРС ), в которой соседние РРС размещают на расстоянии, обеспечивающем радиосвязь прямой видимости (радиорелейной линией прямой видимости (РРЛ )).

Тропосферная радиоволна распространяется между точками земной поверхности по траектории, лежащей целиком в тропосфере. (Тропосфера (др.-греч. Τροπή - «поворот», «изменение» и σφαῖρα - «шар») - нижний слой атмосферы, высотой в полярных областях 8-10 км, в умеренных широтах до 10-12 км, на экваторе - 16-18 км. В тропосфере сосредоточено более 80% всей массы атмосферного воздуха, сильно развиты турбулентность и конвекция, сосредоточена преобладающая часть водяного пара, возникают облака, формируются и атмосферные фронты, развиваются циклоны и антициклоны, а также другие процессы, определяющие погоду и климат. При подъёме через каждые 100 м температура в тропосфере понижается в среднем на 0,65° и достигает 220 К (-53° C) в верхней части).

Энергия тропосферной радиоволны короче 100 см рассеивается на неоднородностях тропосферы. При этом часть передаваемой энергии попадает на приемную антенну РРС, расположенной за пределами прямой видимости на расстоянии 250...350 км . Цепочка таких РРС образует тропосферную радиорелейную линию (ТРЛ).

По назначению радиорелейные системы связи делятся на три категории:

- местные линии связи от 0,39ГГц до 40,5ГГц,

- внутризоновые линии от 1,85ГГц до 15,35ГГц,

- магистральные линии от 3,4ГГц до 11,7ГГц.

(По диапазону рабочих частот РРЛ подразделяют на линии дециметрового диапазона и сантиметрового диапазонов. В этих диапазонах, решением ГКРЧ от апреля 1996 года для новых РРЛ определены диапазоны 8 (7.9-8.4); 11 (10.7-11.7); 13 (12.75-13.25); 15 (14.4-15.35); 18 (17.7-19.7); 23 (21.2-23.6); 38 (36.0-40.50) ГГц. Однако в России еще длительное время будут использоваться ранее построенные линии в диапазонах 1.5-2.1; 3.4-3.9; 5.6-6.4 ГГц. Новые РРС используются также в диапазоне 2.3-2.5 ГГц. Прорабатывается возможность использования диапазонов 2.5-2.7 и 7.25-7.55 ГГц.

Данное деление связано с влиянием среды распространения на обеспечение надёжности радиорелейной связи. До частоты 12ГГц атмосферные явления оказывают слабое влияние на качество радиосвязи, на частотах выше 15ГГц это влияние становится заметным, а выше 40ГГц определяющим (потери в атомах кислорода и в молекулах воды).

Практически полная непрозрачность атмосферы для радиоволн наблюдается на частоте 118.74 ГГц (резонансное поглощение в атомах кислорода), а на частотах больше 60 ГГц погонное затухание превышает 15 дБ/км. Ослабление в водяных парах атмосферы зависит от их концентрации и весьма велико во влажном теплом климате.

Отрицательно на радиосвязь влияют гидрометеоры , к которым относятся капли дождя, снег, град, туман. Влияние гидрометеоров заметно уже при частотах больше 6 ГГц, а в неблагоприятных экологических условиях (при наличии в атмосферных осадках металлизированной пыли, смога, кислот или щелочей) и на значительно более низких частотах.

Чем ниже диапазон, тем большую дальность связи можно обеспечить при тех же энергетических характеристиках оборудования, но переход на высокие диапазоны позволяет повысить пропускную способность систем.

Антенны соседних станций располагают в пределах прямой видимости (за исключением тропосферных станций). Для увеличения длины интервала между станциями антенны устанавливают как можно выше - на мачтах (башнях) высотой 10-100 м (радиус видимости - 40-50 км ) и на высоких зданиях. Станции могут быть как стационарными, так и подвижными (на автомобилях).

В зависимости от способа , принятого для формирования сигнала, различают:

Аналоговые РРЛ(ТРЛ);

Цифровые РРЛ(ТРЛ).

АналоговыеРРЛ связи в зависимости от метода модуляции несущей:

РРЛ с частотным разделением каналов (ЧРК) и частотной модуляцией (ЧМ) гармонической несущей,

РРЛ с временным разделением каналов (ВРК) и аналоговой модуляцией импульсов, которые затем модулируют несущую частоту.

В зависимости от числа организуемых каналов (N):

Малоканальные - N =24;

Со средней пропускной способностью - N=60...300;

С большой пропускной способностью - N=600...1920.

Цифровые радиорелейные линии (ЦРРЛ), импульсы (отсчеты сообщения) квантуются по уровням и кодируются.

Цифровые РРЛ классифицируют по способу модуляции несущей:

В зависимости от скорости передачи двоичных символов В:

С малой - В <10 Мбит/с,

Средней - В=10…100 Мбит/с,

Высокой- В>100 Мбит/с пропускной способностью.

Высокоскоростные РРС создаются практически только на основе SDH-технологии и имеют скорость передачи в одном стволе 155.52 Мбит/с (STM-1 ) и 622.08 Мбит/с в одном стволе (STM-4 ). Применяются для построения магистральных и зоновых линий, в качестве радиовставок в ВОЛС на участках со сложным рельефом, для сопряжения ВОЛС (STM-4 или STM-16) с сопутствующими локальными цифровыми сетями, а также для резервирования ВОЛС.

(Синхронная Цифровая Иерархия (англ. SDH - Synchronous Digital Hierarchy) - это технология транспортных телекоммуникационных сетей. Стандарты СЦИ определяют характеристики цифровых сигналов, включая структуру фреймов (циклов), метод мультиплексирования, иерархию цифровых скоростей и кодовые шаблоны интерфейсов.

Стандартизация интерфейсов определяет возможность соединения различного оборудования от разных производителей. Система SDH обеспечивает стандартные уровни информационных структур, то есть набор стандартных скоростей. Базовый уровень скорости - STM-1 155,52 Mбит/с. Цифровые скорости более высоких уровней определяются умножением скорости потока STM-1, соответственно, на 4, 16, 64 и т. д.: 622 Мбит/с (STM-4),2,5 Гбит/с (STM-16), 10 Гбит/с (STM-64) и 40 Гбит/с (STM-256)).

Принципиальным отличием радиорелейной станции от иных радиостанций является дуплексный режим работы, то есть приём и передача происходят одновременно (на разных несущих частотах).

Протяженность наземной линии радиорелейной связи - до 10000 км, ёмкость - до нескольких тысяч каналов тональной частоты в аналоговых линиях связи, и до 622 мегабит в цифровых линиях связи. В общем случае, протяжённость и ёмкость (скорость передачи данных) находятся в обратно пропорциональной зависимости друг от друга: как правило, чем больше расстояние, тем ниже скорость.

В Российской Федерации для вновь вводимых магистральных радиорелейных линий связи определены скорости передачи, равные 155 Мбит/с (поток STM-1 синхронной цифровой иерархии, SDH) или 140 Мбит/с (поток Е4 плезиохронной цифровой иерархии, PDH, передаваемый в составе сигнала STM-1).

В СССР начало развитию радиорелейной промышленности было положено в середине 50-х годов . Причина - дешевизна радиорелейной связи по сравнению с кабельными линиями, особенно в условиях огромных пространств с неразвитой инфраструктурой и сложной геологической структурой местности. Первая магистральная радиорелейная система Р-600 создана в 1958 году. В 1970 году появился комплекс унифицированных радиорелейных систем «КУРС» . Все это позволило в 60-70-е годы развить сеть связи страны, обеспечить качественную телефонию и наладить передачу программ центрального телевидения. К середине 70-х годов в стране была построена уникальная радиорелейная линия, протяжённость которой составляла около 10 тыс. км , емкостью каждого ствола равной 14400 каналов тональной частоты. Суммарная протяженность РРЛ в СССР превысила к середине 70-х годов 100 тыс. км .

Радиорелейная связь (РРЛ) – вид радиосвязи, образующийся в результате работы цепочки принимающих и передающих радиостанций. Наземная радиорелейная связь функционирует на миллиметровых, сантиметровых и дециметровых волнах. РРЛ-сети играют важную роль в сотовой связи, поскольку позволяют передавать очень большие объемы трафика при минимальных затратах. В будущем эта технология способна покрыть потребности сотовых операторов в пропускной способности на все 100%, а значит обеспечить качественную работу множества различных услуг и приложений, подключение к интернету устройств и вещей.

Возможности РРЛ

Главное преимущество РРЛ связано с возможностью увеличить пропускную способность как backhaul-, так и fronthaul-сетей. РРЛ позволяет использовать сразу несколько частотных диапазонов и таким образом увеличить емкость сети при минимальных расходах. Например, используя частоты в диапазоне E-band (70/80 ГГц), можно увеличить пропускную способность в семь раз и при этом разгрузить традиционные для сотовой связи частоты. Это имеет большое значение в свете запуска в коммерческую эксплуатацию сетей пятого поколения (5G), запланированного на 2020 год.

Для модернизации существующих сетей в процессе развертывания 5G будет использоваться комбинация технологий радиорелейной и оптоволоконной связи. Выбирая между РРЛ и оптоволокном как технологией развития транспортной сети, операторы принимают решение исходя из наличия оптоволокна в том или ином районе и стоимости владения сетью (показатель ТСО). «В России не везде можно и целесообразно прокладывать ВОЛС, поэтому мы не планируем отказываться от использования РРЛ. В каждом конкретном случае мы изучаем все возможные способы строительства и модернизации сети и выбираем тот, который является оптимальным», - поясняет представитель компании «МегаФон» Юлия Дорохина. Аналогичной стратегии придерживается Tele2. «Мы используем радиорелейное оборудование там, где это экономически целесообразно», - говорит представитель Tele2 Константин Прокшин.

Оптоволокно в силу надежности обеспечиваемых соединений все чаще применяется для государственных услуг и фиксированной связи, например, при развертывании FTTH-решений в домене доступа. РРЛ, в свою очередь, является основной технологией для соединения базовых станций, ее преимущества – быстрота, невысокая стоимость развертывания и серьезный рост пропускной способности. «Радиорелейная связь - это основной способ подключения базовых станций на нашей сети наряду с ВОЛС. Мы используем этот способ подключения сейчас и планируем использовать его в будущем. При этом мы строим ВОЛС до позиций в городах и на узловых позициях, что обеспечивает эффективную целевую архитектуру транспортной сети», -

комментирует директор по развитию сети ПАО «ВымпелКом» Сергей Кнышев.

По прогнозам Ericsson к 2020 году около 65% всех типов базовых станций в мире в качестве среды передачи будут использовать РРЛ (исключение составят Китай, Япония, Южная Корея и Тайвань, где высока степень проникновения оптического волокна). При этом активней всего будет осваиваться частотный диапазон E-band, на который в 2020 году будет приходиться около 20% вновь развертываемых РРЛ систем. К этому времени доля традиционных частотных диапазонов 6-42 ГГц составит 70% для вновь развертываемых РРС. Впрочем, популярность РРЛ будет сильно варьироваться от региона к региону. Например, в Северной Америке к 2020 году число подключенных через РРЛ базовых станций достигнет 20%, а в Индии этот показатель составит 70%. Столь существенная разница сложилась исторически и связана, в основном, со степенью зрелости телекоммуникационных рынков и доступностью услуг фиксированной связи.

Используемые частотные диапазоны

В настоящее время, для радиорелейной связи используется полоса шириной около 40 ГГц, однако она доступна целиком не во всех странах мира. В РРЛ выделяется 5 диапазонов, каждый из которых имеет свои характеристики:

6–13 ГГц Это низкие частотные диапазоны, они менее чувствительны к дождю, и по этой причине применяются в дождливых регионах на протяженных транзитных участках.

Пропускная способность в этом диапазоне ограничена, однако проблема решается агрегацией нескольких каналов. Чаще всего используется полоса 7 ГГц, менее популярны 6 ГГц и 8 ГГц. Что касается более высоких участков этого спектра, в большей части стран мира используется 13 ГГц, а в Северной Америке – 11 ГГц. Полоса 10 ГГц эксплуатируется в основном на Ближнем Востоке.

15–23 ГГц Эти частоты сейчас используются во многих странах мира, и они продолжат играть важную роль в ближайшие годы. С недавних пор в данных диапазонах используются более широкие каналы, и это при сочетании с технологиями, повышающими эффективность использования спектра, позволит увеличить пропускную способность сетей в будущем.

26–42 ГГц В этих диапазонах существуют как широко используемые частоты, так и не используемые вовсе. В Европе операторы активно работают в диапазоне 38 ГГц, и в дальнейшем ситуация не изменится. Также операторами занят диапазон 26 ГГц, и растет интерес к частотам в диапазонах 28 ГГц и 32 ГГц. Большие перспективы у частотных каналов шириной 56 МГц и 112 МГц, поскольку они способны обеспечить гигабитные скорости передачи данных.

60 ГГц Диапазон V-band (58,25-63,25 ГГц) идеально подходит для приложений малых сот, так как обеспечивает высокую пропускную способность из-за большой ширины каналов и низкий уровень интерференции из-за большого затухания. До настоящего времени диапазон 60 ГГц активно не использовался, поскольку уличные сети из малых сот не развертывались в больших масштабах. В ряде стран операторы уже начали строить РРЛ сети в этом диапазоне, однако в во многих уголках мира его статус остается неясным. Сейчас важно определиться с регулированием совместного использования данного диапазона, для того, чтобы операторы и разные службы не создавали помех для работы друг друга.

70/80 ГГц В последние годы растет число развертываний в диапазоне E-band, главным преимуществом которого является возможность обеспечить очень высокую пропускную способность. Эти частоты применяются для передачи данных на сравнительно короткое расстояние в 2-5км, однако этого достаточно для городских условий. Во многих странах существует упрощенный режим лицензирования в данном диапазоне, который стимулирует интерес к нему со стороны операторов.

«При новом строительстве достаточно популярным в городских условиях решением является использование оборудования нелицензионных диапазонов частот 60, 70/80 ГГц (V-band, E-band) в силу ряда факторов: относительная простота самого оборудования, оперативность, универсальность, уведомительных характер использования», - поясняет представитель компании «Ростелеком» Андрей Поляков.

«Мы используем самые современные типы оборудования РРЛ на базе IP и новые технологии: широкополосные РРЛ и РРЛ в высокочастотных диапазонах - Eband, Vband, которые обеспечивают большие скорости при использовании нелицензируемых диапазонов», - говорит директор по развитию сети ПАО «ВымпелКом» Сергей Кнышев.

На данный момент в диапазоне E-band оборудование РРЛ способно обеспечивать передачу данных на скорости до 5 Гбит/сек. В частности, с февраля этого года такие скорости доступны в сети египетского оператора Mobinil, входящего в Orange Group. Оператор использует системы Ericsson MINI-LINK 6352. «Ширина диапазона E-band обеспечивает высокую пропускную способность сети, - поясняет глава Ericsson в регионе Ближний Восток и Африка Рафия Ибрагим (Rafiah Ibrahim). - Использование систем MINI-LINK 6352 позволило улучшить LTE-покрытие и существенно увеличить скорость передачи данных в сети Mobinil».

В целом, каждый из пяти диапазонов радиорелейной связи имеет большой потенциал, для использования которого в полной мере требуется внести коррективы в законодательство. При использовании V- и Е-диапазонов и технологий XPIC, MIMO, а также антенн со сверхвысокой производительностью, таких как ETSI class 4, можно добиться более эффективного использования имеющегося частотного спектра и повысить пропускную способность сетей. «В традиционных диапазонах мы стали использовать адаптивную модуляцию, XPIC, и другие технологии, увеличивающие пропускную способность и надежность сети», - говорит Сергей Кнышев.

Кроме того, сейчас ведутся дискуссии об использовании диапазонов W-band (92-114,5 ГГц) и D-band (141–174,8 ГГц). В частности, компания Ericsson и Технический университет Чалмерса недавно продемонстрировали работу чипсета, обеспечивающего передачу данных на скорости 40 Гбит/сек в диапазоне 140 ГГц.

Перспективы РРЛ

Простота использования, быстрота развертывания и высокая пропускная способность сетей востребованы во всех отраслях промышленности. РРЛ используется в секторе ЖКХ для передачи трафика SCA DA, для которого важна высокая пропускная способность. Благодаря надежности и гибкости РРЛ применяется в работе государственных служб, в частности, полиции. Также РРЛ используется в корпоративных сетях в качестве технологии, дополняющей оптоволокно. Интернет-провайдеры применяют радиорелейную связь для оказания услуг домашним хозяйствам, поскольку такие сети строятся в короткие сроки и позволяют быстро начать получать доход от предоставления услуг доступа в интернет. РРЛ все чаще используется для трансляции эфирного телевидения, особенно больше значение данная технология приобрела в связи с переходом с аналогового на цифровое вещание. Кроме того, РРЛ применяется в создании мультисервисных сетей, в которых требуется обеспечить стабильность передачи и защиту данных.

«Сфера применения РРЛ трансформируется, всё более смещаясь в сегмент региональных и городских линий связи, а также в сегмент линий доступа. Традиционные магистральные РРЛ продолжают использоваться в основном в северных регионах, но постепенно их роль снижается в пользу оптических технологий там, где такая замена возможна и экономически целесообразна, - говорит представитель компании «Ростелеком» Андрей Поляков. - РРЛ, на мой взгляд, могут иметь перспективы развития в северных регионах с низкой плотностью населения и, соответственно, незначительным прогнозируемым ростом трафика, а также, в силу природных особенностей территорий (горы, вечная мерзлота, нестабильные грунты), удорожающих прокладку ВОЛП по сравнению со средней полосой РФ. Также РРЛ могут быть востребованы в местах, где прокладка ВОЛП практически невозможна- различные природоохранные территории и заповедники».

Варианты развертывания РРЛ-сетей

Существует множество вариантов развертывания радиорелейных сетей. При этом выбранный сценарий развертывания влияет на все аспекты работы, начиная от базовых станций и расходов на поддержание работы сети, заканчивая производительностью и возможностями для модернизации. Один из путей – пошаговое развертывание (hop-by-hop) по аналогии с коробками для пиццы с фиксированной конфигурацией, которая создается постепенно, исходя из текущих потребностей. Сетевые узлы при этом представляют из себя модули, что позволяет с легкостью расширять их, увеличивая пропускную способность. Ценность такого подхода - гарантия минимальной цены каждого шага и как следствие – наилучший показатель TCO. Недостаток данной модели заключается в том, что в итоге можно получить сеть, сплошь состоящую из оборудования разных вендоров.

Для того, чтобы в полной мере оценить преимущества концепции сетевых узлов, специалисты компании Ericsson изучили типичный сетевой кластер из узлов, состоящих из 109 транзитных сегментов, построенных на базе радиорелейного оборудования шести различных вендоров. При проектировании сети использовалась звездная топология, в которой центральный узел агрегирует весь трафик со всех узлов РРЛ. При этом для кластера был предусмотрен план модернизации, рассчитанный на пять лет и учитывающий поддержку растущего 3G- и 4G-трафика.

Было разработано три модели:

Пошаговая (hop-by-hop) модель,

Модель с использованием сетевых узлов,

Модель, комбинирующая оба варианта.

План развития сети состоял из следующих этапов:

Рост скорости передачи данных по сети 3G: 30 Мбит/сек в первый год с дальнейшим ростом на 10% в год;

Расширение сети 4G: 10 МГц в первый год, 10+10 МГц во второй и третий годы, 10+20 МГц в четвертый и пятый годы.

В результате проведенных исследований выяснилось, что использование сетевых узлов является наиболее эффективным и наименее затратным способом увеличения пропускной способности, при котором новый функционал внедряется шаг за шагом. После пяти лет использования сети, состоящей из узлов, затраты сократились на 40%. Это было достигнуто за счет повторного использования оборудования, обеспечивающего экономию на расходах, связанных с покупкой нового оборудования и комплектующих. В то же время, по мере развития сети пошаговая модель потребовала полной замены всего оборудования, а также апгрейда базовых станций и кабелей. Совместное использование коммутаторов, вентиляторов, блоков питания и процессоров позволило снизить потребление энергии и, следовательно, сократить расходы на оборудование при расширении существующих сайтов.

Модель на базе сетевых узлов обеспечила сокращение количества оборудования в три раза. Это привело к упрощению операций и процессов поддержки работы сети, что в конечном итоге вылилось в снижение трудозатрат и издержек. Также удалось добиться снижения затрат за счет сокращения времени, требующегося для решения проблем с производительностью и отказами оборудования. Кроме того, активно применялся апгрейд действующего оборудования, который также уменьшил возможные расходы. В придачу к этому сокращение количества элементов оборудования позволило улучшить процессы мониторинга и минимизировать время, требующееся для восстановления сети после отказов и время, необходимое для принятия мер для улучшения пользовательских характеристик.

Помимо всего перечисленного, в ходе испытаний специалисты Ericsson выяснили, что при применении модели с сетевыми узлами требуется в три раза меньшая площадь, чем при использовании пошаговой модели. Сокращение количества стоек при узловой модели позволяет сэкономить на покупке шкафов. Дело в том, что на многих сайтах расходы на шкафы и соответсвующую инфраструктуру могут превышать расходы на транспортное оборудование, а при строительстве сети на основе узлового подхода можно избежать этих расходов. Также при такой модели в пятилетней перспективе значительно сокращается показатель OPEX, поскольку установка меньшего количества оборудования требует меньше места, что ведет к уменьшению затрат на аренду и меньшему энергопотреблению.

Определение радиорелейной связи противопоставляют прямой радиосвязи. Сообщение абонента многократно передаётся промежуточными звеньями цепи, образующими радиорелейную линию (РРЛ). Название заложено англичанами: relay - смена. Физические особенности распространения заставили инженеров применять ультракороткие волны (УКВ): дециметровые, сантиметровые, реже, метровые. Потому что длинные самостоятельно способны обогнуть Земной шар. Причина применения радиорелейных линий объясняется необходимостью заложить большой объем информации, невозможный на низких частотах. Ограничения объясняет теорема Котельникова.

Примечание. Тропосферную связь считают подвидом радиорелейной.

Достоинства метода

1. Первое преимущество названо – возможность заложить больший объем информации. Число каналов пропорционально ширине пропускания приёмопередающей аппаратуры. Величину повышает рост частоты. Упомянутый факт обусловлен формулами, описывающими колебательный контур, иные избирательные участки электрической цепи.
2. Линейность распространения УКВ обусловливает высокие направленные свойства. Направленность растёт с увеличением площади антенны относительно длины волны. Короткие проще охватить тарелкой. Например, дальняя связь осуществляется длинами, достигающими километров. Сантиметровые, дециметровые волны легко охватываются сравнительно малыми параболоидами, значительно снижая требуемую мощность (за исключением случая тропосферной передачи информации), уровень помех. Шумы фактически ограничены внутренней неидеальностью входных каскадов приёмника.
3. Устойчивость объясняется фактом прямой видимости тандема передатчик-приёмник. Мало влияния оказывают погода, время дня/года.

Указанные преимущества уже в начале второй половины XX века позволяли экономистам сопоставлять экономическую эффективность цепочки с кабелем. Допускалась возможность передачи аналоговых телевизионных каналов. Оборудование вышек значительно сложнее регенераторов. Однако кабелю восполнять сигнал приходится каждые 6 км. Вышки обычно разделены дистанциями 50-150 км, расстояние (км) ограничено величиной, равной квадратному корню из высоты вышки (м), умноженному на 7,2. Наконец, вечная мерзлота сильно усложняет прокладку кабельных линий, лепту вносят болота, скалы, реки.

Эксперты отмечают простоту развёртывания системы, экономию цветных металлов:

• Медь.
• Свинец.
• Алюминий.

Отмечается малая эффективность автономных вышек. Неизбежно требуется обслуживающий персонал. Необходимо людей расквартировать, назначить несение вахты.

Принцип действия

Линия обычно реализует дуплексный (двунаправленный) режим передачи информации. Чаще применяли частотное деление каналов. Первыми европейскими соглашениями установили участки спектра:

• Дециметровые волны:

1. 460-470 МГц.
2. 1300-1600 МГц.
3. 1700-2300 МГц.

• Сантиметровые:

1. 3500-4200 МГц.
2. 4400-5000 МГц.
3. 5925-8500 МГц.
4. 9800-10.000 МГц.

Метровые волны способны огибать препятствия, допускается использование ввиду отсутствия непосредственной видимости. Частоты выше 10 ГГц невыгодны, поскольку превосходно поглощаются осадками. Послевоенные конструкции компании Белла (11 ГГц) оказались неконкурентоспособными. Участок спектра чаще выбирают сообразно получению необходимого числа каналов.

История

Цифровой набор предложили раньше импульсного. Однако реализация идеи запоздала на 60 лет. Судьбу антибиотиков повторяет радиорелейная связь.

Изобретение идеи

Историки единогласно отдают приоритет открытия Иоганну Маттаушу, написавшему (1898) в журнале Заметки электротехника (том 16, 35-36) соответствующую публикацию. Критики отмечают несостоятельность теоретической части, предлагавшей создать телеграфные ретрансляторы. Однако год спустя Эмилем Гуарини-Форестио построен первый работоспособный экземпляр. Уроженец итальянской общины Фазано (Апулия), будучи студентом, 27 мая 1899 года запатентовал в бельгийском подразделении радио-репитер. Дату считают официальным днём рождения радиорелейной связи.

Устройство представлено комбинацией приёмопередающей аппаратуры. Конструкция производила демодуляцию принятого сигнала, последующее формирование, излучение ненаправленной антенной, формируя широковещательный канал. Фильтр защищал приёмный тракт от мощного излучения передатчика.

Ощущая недостатки представленной конструкции, Гуарини-Форезио (декабрь 1899) патентует (Швейцария, №21413) конструкцию направленной спиральной антенны (круговая поляризация), снабжённой металлическим рефлектором. Устройство исключало взаимный перехват вышками чужих сообщений. Дальнейшее усовершенствование произведено тесным сотрудничеством с Фернандо Понтселе. Вместе изобретатели провели попытку установить связь меж Брюсселем и Антверпеном, используя Малины промежуточным пунктом, местом базирования ретранслятора.

Конструкцию снабдили цилиндрическими антеннами диаметром 50 см, снабдив аппаратурой высотное здание. Отталкиваясь от результатов, полученных жарким июнем 1901 года, началась подготовка линии Париж – Брюссель дальностью 275 км. Шаг установки ретрансляторов составил 27 км. Декабрь принёс задумке успех, обеспечив время задержки сообщения 3..5 секунд.

Завидя радужные перспективы, Гуарини витал в облаках, предвкушая коммерческий успех (эквивалентный прибылям компании Белла) радиорелейной связи, устраняющей проблемы дальности. Реальность внесла коррективы. Потребовался широкий ассортимент решений:

1. Питание приёмопередающей аппаратуры.
2. Конструирование более удобоваримых антенн.
3. Снижение стоимости оборудования.

Лишь 30 лет спустя изобретение подходящих электронных высокочастотных ламп позволило идее выплыть на поверхность. Изобретатель удостоился ордена Короны Италии.

Ламповые конструкции покоряют Ла-Манш

В 1931 году англо-французский консорциум (Компания международного телефона и телеграфа, Англия; Лаборатория телефонного оборудования, Франция), возглавляемый Андрэ Клавиром, покорил Ла-Манш (Дувр-Кале). Событие осветил журнал Radio News (август, 1931 г, стр. 107). Напомним суть проблемы: прокладка подводного кабеля обходится дорого, разрыв линии означает необходимость тратить значительные средства на ремонт. Инженеры двух стран решили преодолеть водное пространство (40 км) семидюймовыми (18 см) волнами. Экспериментаторы передали:

1. Телефонный разговор.
2. Кодированный сигнал.
3. Изображения.

Система параболических антенн диаметром 10 футов (19-20 длин волн) давала два параллельных луча, конфигурация автоматически блокировала явление интерференции. Мощность потребления передатчика составила 25 Вт, КПД – 50%. Положительные результаты заставили предполагать возможность генерации более высоких частот, включая оптические. Сегодня очевидна нецелесообразность подобных замашек. Технические характеристики используемых вакуумных ламп замалчивались организаторами, упоминался лишь общий принцип действия, изобретённый Хайнрихом Баркхаузеном (Университет Дрездена), усовершенствованный французским экспериментатором Пирье. Затейники выражали благодарность учёным-предшественникам:

1. Глагольева-Аркадьева А.А. изобрела (1922) микроволновый генератор (5 см..82 мкм) из взвешенных в масляном сосуде алюминиевых опилок.
2. Профессор Эрнест Николс, доктор Тир проводили аналогичные исследования в США, добившись генерации волн, сравнимых с инфракрасным диапазоном.
3. Разработчикам помогли бесчисленные эксперименты Густава Ферье, занимавшегося миниатюризацией вакуумных приборов в попытке снизить длину волны.

Ключом стала идея Баркхаузена получать колебания прямо внутри лампы (принцип действия современных магнетронов). Наблюдатели сразу отметили возможность закладки множества каналов. Дециметровое вещание тогда полностью отсутствовало. Диапазон на четыре порядка шире волн, широко используемых тогда телевидением. Резкий рост числа каналов вещания становился настоящей проблемой. Открываемые дециметровым спектром возможности явно превышали потребности.

Уже тогда заметка предполагала использование атомных переходов для генерации волн высокой частоты. Обсуждалось рентгеновское излучение. Журналисты окончили всеобщим призывом инженеров осваивать открывающиеся перспективы.

Дубль два

Несколькими годами позже опыты возобновились. Линия длиной 56 км соединила берега пролива:

1. Община святого Инглевера (Франция).
2. Замок Лимпн (Кент, Великобритания).

Создатели линии рассчитывали серьёзно устроиться, поставив две стальные вышки, украшенные параболическими антеннами диаметром 9,75 фута. Генератор спрятался позади рефлектора, тонкое жало волновода пробивало тарелку, облучатель сформирован шаровидным зеркалом. Оператору построили наземный пункт управления, оборудовав необходимыми панелями, включая регулятор напряжения. Функциональный набор предполагал использование азбуки Морзе, факса, телерадиовещания.

Супергетеродинный приёмник с кварцевой стабилизацией понижал входной сигнал до 300 кГц, декодируя амплитудную модуляцию. Согласно заявлениям организаторов, оснастка призвана заменить морские телефонные, телеграфные кабели. Американская компания Белла построила аналогичную систему, форсировав залив Кейп-Код.

Технологии радаров Второй мировой

Начавшаяся Вторая мировая война подстегнула развитие микроволновых генераторов. Помогли начинаниям американские (Стэнфорд) изобретатели клистрона (1937) Рассел и Зигмунд Варианы. Новые лампы помогли создать усилители, генераторы СВЧ диапазона. Ранее повально применяли трубки Баркхаузена-Курца, магнетроны с расщепленным анодом, выдающие слишком малую мощность. Демонстрация прототипа успешно прошла 30 августа 1937 года. Западные разработчики немедля занялись построением станций воздушного обзора.

Братья создали организацию, занимающуюся коммерциализацией изобретения. Линейный ускоритель протонов помогал медикам лечить некоторые заболевания (рак). Принцип действия использует концепцию модуляции скорости (1935) Оскара Хайля и его жены. Хотя эксперты предполагают полную неосведомлённость Варианов относительно существования сего научного труда.

Работы американского физика Хансена (1939) по ускорению частиц могли быть использованы с целью замедления электронов, передающих энергию выходному тракту радиочастоты. Резонатор Хансена иногда называют румбатроном. Клистроны использовались преимущественно фашистами, станции союзников начинялись магнетронами. Армия США построила мобильные системы связи на базе грузовых машин, переплывшие океан помогать союзникам. Армейцам понравилась идея быстро налаживать связь на дальние дистанции. После войны компания AT&T применяла 4-ваттные клистроны, создавая радиорелейную сеть, покрывающую Северную Америку. Собственную инфраструктуру, благодаря 2К25, построил Вестерн Юнион.

Главным двигателем бурного прогресса считают идею резкого расширения объёма каналов, покупаемого низкой стоимость возведения вышек. Релейные сети (РРЛС) окутали три линии обороны Северной Америки времён Холодной войны. Прототип TDX разработали (1946) Лаборатории Белла. Система быстро совершенствовалась, обновляя вакуумные лампы:

• 416В.
• 416С.

Послевоенные попытки организовать связь наталкивались на необходимость выбора элементной базы. Эксперты всерьёз обсуждали конструкции ламп, клистронов, жаловались на влияние дождя. Типичные проблемы незащищённой аналоговой связи. Первые линии (включая оборонные сети ПВО США) питались дизельным топливом. Башня непременно вмещала нижний этаж-хранилище горюче-смазочных материалов, чаще ядовитых.

Угасание технологии

Переход на сантиметровый диапазон требует упразднить металлокерамические, маячковые триоды. Взамен вводят клистроны, лампы бегущей волны. Антенные устройства, наоборот, выходят миниатюрнее. Сантиметровый диапазон сильно увеличивает потери родных спектру ДМВ коаксиальных соединений. Взамен решили ставить волноводы. Третье поколение TDX перешло на твердотельную электронику. Мобильные варианты передавали 24 канала с частотным делением. Каждый вмещал 18 телетайпных линий. Аналогичные системы разрабатывались повсеместно. Лишь в 1980-е пользу технологии подвергли сомнению, ввиду внедрения спутниковой связи. Оптический кабель перекрыл возможности радиолиний.

Это интересно! Группа спутников Риолит занималась перехватом советской радиорелейной связи.

Современное состояние

Ныне идея повсеместно применяется мобильными сетями наземного базирования. Учёные чаще рассматривают возможность переноса энергии. Источником идеи следует считать Николу Теслу, задумавшего ещё в начале XX века покрыть территорию США сетью передатчиков. Изобретатель демонстрировал полную безопасность высокочастотных разрядов. Сегодня эксперты подразумевают перенос действа в открытый космос.

Передача энергии

Открытие электромагнетизма заставило учёных ломать голову, осмысливая способы передачи энергии. Первым реализованным методом назовём тороидальный трансформатор Майка Фарадея (1831). Рассмотрев уравнения Максвела, Джон Генри Пойнтинг создал теорему (1884), описывающую процесс переноса мощности электромагнитной волной. Четыре года спустя Хайнрих Рудольф Герц подтвердил теорию практикой, наблюдая искровой разряд приёмного вибратора. Проблемой занимались Вильям Генри Вэрд (1871), Махлон Лумис (1872), оба желали использовать потенциал атмосферы Земли.

«Секретные» книги полны проектами Теслы победить фашистскую авиацию беспроводными излучателями. Факты упоминают посмертное тотальное изъятие бумаг изобретателя американскими спецслужбами. Катушки Теслы шутя позволяли получить высокочастотные разряды молнии. Башня Ворденклиф (1899) серьёзно пугала округу, производителей меди наводнила ужасом мысль беспроводной передачи. Тесла дистанционно поджигал трубки Гисслера (1891), лампочки накала.

Сербский изобретатель распространил методику генерации колебаний резонансными контурами LC. Методика гениального Теслы предусматривала запуск воздушных шаров на высоты 9,1 км. Пониженное давление облегчало передачу мегавольтных напряжений. Второй идеей изобретатель задумал заставить электрический потенциал Земного шара вибрировать, снабжая станции планеты энергией. Задуманная Мировая Беспроводная система могла также передавать информацию. Неудивителен испуг инвесторов, набивавших карман производством меди.

Метод питания поездов напряжением частотой 3 кГц запатентован Морисом Хатином и Морисом Лебланком (1892). В 1964 году Вильям Браун создал модель игрушечного вертолёта, питаемого энергией электромагнитной волны. Технологии RFID (например, ключ домофона) изобретены в середине 70-х:

1. Марио Кардулло (1973).
2. Коэлле (1975).

Позже появились карты доступа. Сегодня технологию заездили мобильные гаджеты, подзаряжающиеся беспроводным путём. Аналогичная технология используется индукционными варочными панелями, плавильными печами. Инженеры активно реализуют идеи компьютерных игр начала второго тысячелетия, планируя создать орбитальные солнечные электростанции, обороняемые боевыми дронами, питаемыми энергией электромагнитных волн. Большинству известен лазерный скальпель, использующий принцип передачи мощности коже пациента.

Это интересно! Концепцию беспроводных дронов (1959) выдвинула фирма Радеон, выполняя проект Министерства обороны. Канадский Исследовательский центр связи (1987) создал первый прототип, месяцами исполнявший возложенные функции.

Консорциум беспроводной передачи энергии

17 декабря 2008 года сформирована организация, призванная рекламировать стандарт беспроводной зарядки устройств Qi. Свыше 250 мировых компаний поддержали идею. Позже проект одобрили Нокиа, Хуавей, Вистеон. Заранее стали известны планы оснастить технологией мобильные устройства. В октябре 2016 обнародовали намерение создать зарядные точки доступа.

24 компании составили «стальной стержень» группы лоббистов. 2017 год пополнил список маркетинговыми менеджерами Apple. Касательно безопасности методики мнения учёных разделились. Эксперты сошлись в одном: вскорости методика индуктивной подзарядки станет общепринятой.

Связь с релейными системами

Подобно тому, как первые экспериментаторы преодолели Ла-Манш, ранние орбитальные солнечные электростанции станут питать спутники, продляя кардинально срок службы оборудования. Затем передача энергии станет глобальной, охватив все человеческие устройства. Технологию проще всего именовать релейной. Энергия станет приниматься, усиливаться, передаваться далее.

Это интересно! Питер Гласер первым (1968) предложил фармить энергию Солнца орбитальными заводами, передавая луч наземным станциям.

Лазерный луч эффективно переносит энергию. Мощность 475 Вт настигла мишень, преодолев многие мили свободного пространства. Система показала КПД 54%. Лаборатории НАСА передали 30 кВт, применив частоту 2,38 ГГц (спектр микроволновой печи) тарелкой диаметром 26 метров. Итоговый КПД достиг 80%. Япония (1983) затеяла исследования передачи энергии слоем ионосферы, полной свободных носителей заряда.

Прототип создан командой Марина Соляшича (Массачусетский технологический университет). Резонансный передатчик отправил 60 Вт энергии на частоте 10 МГц, преодолев дистанцию 2 метра, достигнув КПД 40%. Год спустя группа Грега Лея и Майка Кеннана (Невада), используя частоту 60 кГц, покорила дальность 12 метров. Полагаем, новейшие разработки быстро засекретят.

Обнародованную историю завершает создание НАСА летательного аппарата (2003), питаемого излучением лазера. Анонсированный 12 марта 2015 года проект JAXA призван реализовать идеи Николы Тесла.

Отечественной радиорелейной промышленности более 50 лет. За время своего развития отрасль вышла на ожидаемые позиции. Сегодня радиорелейные каналы (РРЛ) отлично зарекомендовали себя в обеспечении удаленных районов с низкой инфраструктурой, охвате больших пространств и местностей со сложной структурой геологии. К числу заметных отличий от проводной технологии добавился более низкий бюджет оснащения.

Радиорелейная связь относится к беспроводным каналам связи, но их не нужно путать с известным WI —FI . Отличия следующие:

• В РРЛ создаются резервные каналы и применяется агрегирование. Теоретически, понятие дальности связи к радиорелейным станциям не применяется, так как расстояние ретрансляции зависит от количества вышек;
• Высокая пропускная способность;
• Работа в полном канальном дуплексе;
• Использование собственных (локальных) диапазонов и высокоэффективных модуляций.

Применение радиорелейных линий связи

Радиорелейные линии связи находят широкое применение в различных отраслях промышленности. В общем случае беспроводные каналы заменяют проводные сети многоканальной телефонной связи. Лидером по протяженности радиорелейных линий связи остается Киргизия. Использование РРЛ обусловлено преобладанием горного рельефа на всей территории Республики. Вторым направлением оснащения современными линиями передачи остается телевидение. Учитывая, что средний радиус распространения вещания составляет 100 километров, федеральные каналы все чаще осваивают строительство так называемых беспрограммных телецентров.

Беспроводная связь РРЛ активно используется провайдерами интернета, сотовыми операторами. Известно применение радиорелейных каналов для организации корпоративной связи. Ввиду большего чем у WI —FI бюджета и необходимости получения лицензии, РЛЛ остается недоступным для малого и среднего бизнеса, частных лиц. Срок службы оборудования достигает 30 лет с учетом того, что комплексы могут работать даже в суровых условиях климата.

Традиционные РРЛ магистрального типа постепенно переходит в сегмент городских линий, уступая место оптоволоконным линиям. Однако такие шаги требуют согласования бюджета проекта. Безусловным остается применение РРЛ в северных, малозаселенных районах, где нет необходимости в прогнозировании трафика.

В практике развертывания РРЛ сегодня используются два типа технологии. Первый – PDH – плезиохронная цифровая иерархия. При такой организации передачи сигнала обеспечивается скорость в режимах 32 каналов или мультиплексирования на скорости от 2 до 139 Мбит в секунду. Считается устаревшей технологией радиорелейной связи. На смену предыдущему поколению пришел стандарт SDH . Иерархия цифровой синхронизации обеспечивает более устойчивые каналы связи посредством транспортных модулей STM . Скорость потоков в этом диапазоне варьируется от 155 Мбит в секунду до 160 Гбит. По утверждениям разработчиков стандарта, скорость передачи данных совместимой с PDH технологии может быть и выше.

В практике применения РРЛ-сетей используется несколько вариантов развертывания. Самый популярный сценарий размещения станций – пошаговое размещение вышек на маршруте оснащения. Применение технологии hop-by-hop обеспечивает возможность оперативного внесения изменений в действующие конфигурации или модернизацию устаревшего оборудования.

Принцип построения, используемое оборудование, применение

Основными компонентами, обеспечивающими передачу сигналов на большие расстояния, являются радиорелейные линии прямой видимости. В их задачи входит обеспечение устойчивой связи при передаче до потребителя сообщений в цифровом формате, вещания телевидения и звуковых эфиров. В состав волнового спектра входят диапазоны сантиметровых и дециметровых волн.

В используемых диапазонах прямой видимости не наблюдаются помехи атмосферного и техногенного происхождений. Расстояние между ближайшими станциями, работающих в ширине спектра 30 ГГц является расчетным, зависит от высоты вышек и рельефа в местности размещения.

Для передачи информации на одной частоте или дуплексе используется комплекс аппаратуры. Это радиоствол (канал с широкой пропускной способностью), телефонный ствол и ТВ ствол, предназначенные для передачи сигналов соответствующего типа. Топология построения комплекса оборудования представлена трехуровневой системой:

Радиорелейная связь нашла широкое применение в областях народного хозяйства. Принцип ретрансляции активно используется для организации и построения локальных сетей крупных корпораций. Надежность и достоверность передаваемых сигналов применяется для управления войсками и организации коммерческой связи.

Преимущества технологии РРЛ успешно внедряются в инфраструктуру производств, имеющих большое количество удаленных объектов. Это аэропорты, железнодорожные и морские министерства сообщений. Единственным недостатком, который остается ощутимым при возведении систем передачи данных остается необходимость обеспечения прямой видимости между ретрансляторами. Это требование ставит целый ряд условий перед службами технического оснащения, повышает бюджет проекта за счет необходимости увеличения числа промежуточных станций.