Материал: Перспективы развития и области применения атмосферно-оптических линий связи

Перспективы развития и области применения атмосферно-оптических линий связи

КУРСОВАЯ РАБОТА

Перспективы развития и области применения атмосферно-оптических линий связи

Введение

радиорелейный атмосферный оптический связь

В связи с быстрым развитием информационных технологий вопрос простых, дешевых, защищенных систем передачи данных не отходит на второстепенный план, а наоборот, приобретает все большую актуальность в связи с ростом количества вычислительной техники, вовлеченной в производственный процесс, увеличением информационного рынка, внедрением систем распределенных вычислений. Системы беспроводной передачи данных имеют ряд преимуществ перед так называемыми системами с закрытым каналом, что обеспечивает их конкурентоспособность на рынке. Среди беспроводных систем для оптических систем передачи данных остается свободное место, ниша, в пределах которой эта технология не имеет, и вряд ли будет иметь конкурентов. Совместно с увеличением распространенности других беспроводных технологий, оптические каналы передачи данных оказываются все более и более востребованными.

Радиорелейные и атмосферно-оптические системы связи применяются как альтернатива проводным (медным или оптоволоконным) системам там, где прокладка кабеля невозможна или экономически невыгодна и там, где требуется развернуть связь в короткие сроки.

Целью курсовой работы является изучение радиорелейных и атмосферных оптических линий связи, областей их применения и освоение методик проектирования.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи: изучить принципы построения, архитектуру, технологии радиорелейных и атмосферных оптических линий связи, выполнить их сравнительный анализ, ознакомиться с методиками их расчета и проектирования.

1. Общие сведения о радиорелейных линиях связи

Радиорелейные линии связи (РРЛ) предназначены для передачи сигналов в диапазонах дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн. Передача ведется через систему ретрансляторов, расположенных на расстоянии прямой видимости. Ретрансляторы осуществляют прием сигнала, усиление его, обработку и передачу на следующий ретранслятор. Общая протяженность РРЛ может достигать тысяч километров.

До недавнего времени РРЛ использовали диапазоны частот от 2 до 8 ГГц и представляли собой монументальные дорогостоящие структуры. Применялись сложные и дорогие антенные опоры: мачты или башни. Громоздкая аппаратура располагалась на станциях в специальных зданиях с собственной электростанцией и жилыми помещениями для обслуживающего персонала. Такие структуры существуют и строятся в настоящее время при организации магистральных систем связи. В 1993 г. введена в строй магистральная цифровая РРЛ Санкт-Петербург - Москва, а в 1997 г. - Москва - Хабаровск. Запланировано строительство еще нескольких магистральных систем.

Однако, в последние годы, новейшие технологии и освоение диапазонов частот выше 10 ГГц, коренным образом изменили структуры и оборудование радиорелейных линий связи. Габариты и вес оборудования уменьшились в десятки и сотни раз. В типовом исполнении современная радиорелейная аппаратура состоит из наружного и внутреннего модулей, соединенных кабелем. Наружный модуль выполняется в виде моноблока весом в несколько килограмм, состоящего из приемопередатчиков и антенны. Пример конструкций наружных блоков современной отечественной аппаратуры показан на рис. 1, а на рис. 2 наружный блок зарубежной аппаратуры MINI-LINK, которая достаточно широко распространена в России.

Рис. 1 аппаратура Бист и Sandra

Рис. 2 наружный блок аппаратуры MINI-LINK

Наружный блок устанавливается на простой антенной опоре или на здании, дымовой трубе и прочих возвышенных местах. Внутренний модуль располагается в помещении, удаленном от наружного модуля на расстояние до 300 - 400 м и представляет собой настольную или настенную компактную конструкцию. Такие устройства получают массовое распространение в мире и позволяют организовывать радиорелейные линии и сети связи, передавая информацию:

·              между населенными пунктами,

·              внутри населенных пунктов, между отдельными предприятиями или зданиями,

·              между базовыми станциями сотовой связи,

·              между компьютерными центрами.

Кроме того, подобные устройства могут применяться для:

·              обеспечения телекоммуникационными каналами индивидуальных пользователей,

·              оперативной организации связи при различных стихийных бедствиях и катастрофах,

·              организации вставок в действующие и строящиеся телекоммуникации.

Современное оборудование обладает очень высокой надежностью. На аппаратуру ведущих фирм дается время наработки на отказ до 25-30 лет. Условия распространения сигнала на интервалах РРЛ значительно отличаются от условий свободного пространства. Во-первых, электромагнитные волны могут отражаться от поверхности Земли и приходить вместе с прямой волной на вход приемника. Во-вторых, на вход приемника может приходить волна, отраженная от неоднородностей атмосферы. Взаимодействие прямой и отраженных волн приводит к изменениям уровня сигнала в приемной антенне, другими словами - к замираниям. Это обстоятельство усугубляется тем, что радиоволны распространяются по кривым траекториям, зависящим от состояния атмосферы (времени года, времени суток, погоды и пр.). Следовательно, замирания на трассе РРЛ являются случайной величиной. Помимо этих явлений, на распространение сигнала в диапазонах волн выше 8-10 ГГц, сильное влияние оказывают дождь, снег, туман, смог. Несмотря на эти дестабилизирующие факторы современные технологические решения позволяют обеспечивать надежную и эффективную связь по интервалам РРЛ. В труднодоступных местах и для специальных целей находят применение тропосферные радиорелейные линии (ТРЛ), которые работают на расстояниях значительно превышающих прямую видимость. Передача сигнала идет за счет рассеяния электромагнитной энергии в тропосфере. Вследствие того, что уровни рассеянных сигналов очень малы, мощности передающих устройств в ТРЛ составляют до 10 киловатт, применяются громоздкие антенны с размерами до 30х30 м и сложные малошумящие приемники. Протяженность одного интервала может быть 200 - 400 км. Радиорелейные каналы связи получили широкое распространение во всем мире. По сравнению с традиционными наземными медными или оптоволоконными линиями. [1]

Системы сотовой связи по своей природе являются распределенными телекоммуникационными объектами. Наибольший географический разброс по своей специфике получили элементы системы базовых станций (BSS/UTRAN), а именно сами базовые станции (BTS, NodeB). Это связано с тем, что задача базовых станций обеспечивать покрытие сигналом сотовой связи на как можно большей территории. Одним их ограничивающих факторов быстрого разворачивания сети сотовой связи является необходимость организации транспортных потоков между базовыми станциями и контроллером базовых станций. Для строительства кабельных сооружений (электрических или оптических) может потребоваться длительное время: от нескольких месяцев, до нескольких лет. Если речь идет о горной, болотистой либо другой труднопроходимой местности, то строительство кабельной линии связи может оказаться практически невозможным. Кроме того, строительство проводной линии связи требует больших финансовых затрат, что может оказаться экономически невыгодным, если требуется организовать интерфейс лишь до одной-двух базовых станций. Удобное решение в подобной ситуации предлагают радиорелейные линии связи. Строительство пролета РРЛ занимает не более нескольких дней с учетом времени необходимого на настройку и запуск. Также разворачивание радиорелейного пролета требует гораздо меньших финансовых затрат, а максимальная протяженность может достигать 50 км и более.

Рассмотрим принцип организации связи с помощью радиорелейных систем передачи. На каждом из двух концов должен быть установлен комплект оборудования для организации связи, который обычно включает в себя внутренний блок, внешний модуль и излучающая параболическая антенна. Внутренний модуль устанавливается в аппаратной, в непосредственной близости к телекоммуникационному оборудованию, либо в специальный термоизоляционный контейнер. Он выполняет задачи коммутации и мультиплексирования нескольких сигналов в один, модуляцию сигнала на промежуточную частоту, управление внешним модулем, а также отвечает за переключение на резерв, если это предусмотрено конструкцией РРЛС. Внутренний модуль может обслуживать от одного до нескольких комплектов внешнего оборудования (внешний модуль + антенна) Структура радиорелейного пролёта указана на рис. 3. Внешний модуль представляет собой преобразователь, который переносит сигнал с промежуточной частоты, полученный от внутреннего модуля на основную частоту, лежащую в пределах 6-38 ГГц. Это его главная функция. Внутренний и внешний модули соединяются, обычно, коаксиальным кабелем. После перемодуляции сигнала во внешнем модуле сигнал излучается через параболическую антенну. С противоположной стороны должен быть установлен аналогичный комплект оборудования. Обычно все современные РРЛ являются дуплексными, т.е. и передавать, и принимать сигнал они могут через один и тот же комплект оборудования.

Рис. 3 Структура радиорелейного пролета

При настройке РРЛС должна быть обеспечена прямая видимость между обеими антеннами. Сам процесс настройки носит название «юстировка». При этом путем изменения направления излучения основного лепестка для обеих антенн добиваются максимально возможного уровня приема сигнала на каждой стороне. Чем выше будет уровень принимаемого сигнала, тем более устойчив будет радиорелейный пролет к внешним метеоусловиям. Кроме того, уровень сигнала может повлиять на емкость системы, т.к. оборудование некоторых производителей предусматривает снижение емкости РРЛС при достижении некоторого минимального уровня.

Предельная дальность современных РРЛ, как правило, ограничена 50 км. Благодаря цифровому способу передачи и помехоустойчивому кодированию, они могут противостоять неблагоприятным метеоусловиям. Однако обычно для длинных пролетов вводятся некоторые ограничения: пролет должен быть максимально «чистым», т.е. между антеннами не должно быть ни каких препятствий. Кроме того, должна быть использована минимальная частота и максимальный диаметр параболической антенны. Также обычно эти РРЛС имеют уменьшенную емкость. На практике чаще используются менее длинные пролеты (протяженностью до 30 км).

В настоящее время на рынке телекоммуникационного оборудования представлено множество вариантов различных производителей, как по емкости, так и по стоимости. Существуют РРЛ, которые позволяют передавать до 500 Мбит/сек и поддерживают транспортные потоки 2хSTM-1, Fast и Gigabit Ethernet. Однако данные системы достаточно дорогие и на практике большее распространение нашли РРЛС емкостью 16 и 64 E1 потоков. Хотя системы радиорелейных линий связи и предусматривают помехоустойчивое кодирование и резервирование, они обладают меньшей надежностью, чем кабельные линии связи. Поэтому на важных интерфейсах, например BSC-MSC, RNC-MGW, RNC-SGSN и т.п., обычно применяются кабельные линии связи. Однако высокая скорость реализации и низкая стоимость позволяют говорить, что РРЛ будут и в дальнейшем применятся при строительстве систем базовых станций (BSS/UTRAN) [2].

Основные преимущества радиорелейных линий связи перед проводной связью

Благодаря своей многофункциональности, радиорелейные линии связи способны обеспечить доступ к широкополосному выходу в Интернет и к цифровой телефонии, объединять собеседников в видеоконференции и поддерживать электронный документооборот.

Там, где прокладка ВОЛС затруднена (интенсивная городская застройка или удаленная от магистральной связи сельская местность), преимущество РРЛС особо актуально. Стоит отметить, что бесспорным плюсом радиорелейных линий связи является возможность передавать сигнал над водными объектами и транспортными магистралями.

Неоспоримым преимуществом РРЛС является менее затратная установка оборудования, высокая эксплуатационная рентабельность, при этом время на развертывание уходит гораздо меньше, чем ВОЛС. Простота сооружения радиорелейных линий связи при невысоких затратах на эксплуатацию и строительство, а также возможностью оперативного разрешения проблем развития и реконструкции сети без дополнительных капитальных затрат позволяют с уверенностью сказать, что качество передачи информации по таким линиям связи практически не уступает ВОЛС. [3]

Основные недостатки радиорелейных линий связи

Принято считать, что основным недостатком радиорелейных линий связи является их относительно невысокая надежность по сравнению с ВОЛС.

Тем не менее нельзя не упомянуть о недостатках, сопровождающих установку и эксплуатацию ЦРЛС. Как известно, радиочастотный ресурс ограничен, поэтому иногда достаточно сложно получить разрешение на эксплуатацию радиорелейной линии из-за условий обеспечения отсутствия помех другим станциям. На небольших расстояниях оптимальным вариантом является использование более высокочастотного оборудования, поскольку с повышением частоты снижается дальность связи, и уже при меньшей удаленности ЦРЛС друг от друга взаимное влияние исключается.

Другой минус - замирания. Их можно свести к минимуму грамотным проектированием линии связи, применением эффективных антенн и оборудования. Еще один и, возможно, главный недостаток - достаточно высокая цена на оборудование. Однако не следует забывать, что дальнейшие расходы на эксплуатацию ЦРЛС незначительны, в отличие от других способов связи, где необходимо выделять средства для обеспечения сохранности кабельных или оптоволоконных линий связи либо оплату аренды цифровых каналов. К недостаткам так же можно отнести: ограниченную дальность одного сегмента, не превышающую 100 км не только из-за энергетики, но и из-за влияния кривизны земли на обеспечение прямой видимости (исключение - ТРЛ), зависимость качества связи от времени года и времени суток. [4]

Характеристика радиорелейных систем передачи прямой видимости

Радиосистема передачи, в которой сигналы электросвязи передаются с помощью наземных ретрансляционных станций, называется радиорелейной системой передачи РРСП. Цепочка радиорелейных станций образует радиорелейную линию связи РРЛС. Сигналы от первой станции принимаются второй, усиливаются и передаются далее к третьей станции, там вновь усиливаются и передаются к четвертой станции и т.д.

Станции, которые устанавливают на конечных пунктах РРЛС и предназначенные для введения и выделения передаваемых сигналов электросвязи, называют оконечными радиорелейными станциями ОРС, станции ретрансляции называются промежуточными радиорелейными станциями ПРС. На отдельных станциях осуществляется ответвление части сигналов для передачи в другом направлении или частичное выделение сигналов для передачи потребителям. Такие станции называются узловыми радиорелейными станциями УРС.

Аппаратура РРСП состоит из каналообразующей аппаратуры КОА, радиопередатчиков, радиоприемников и антенно-фидерных трактов. Один приемопередающий комплекс обычно может пропустить несколько сотен, а в ряде случаев и тысяч телефонных сигналов, или один телевизионный. В тех случаях, когда РРСП предназначена для передачи большего числа сигналов, она образуется несколькими приемопередающими комплексами, работающими в одном направлении на различных частотах. Каждый из таких комплексов сверхвысокочастотных приемопередатчиков принято называть стволом. На ОРС с помощью КОА формируется группой сигнал из нескольких исходных сигналов. Он является модулирующим для несущей частоты f1. Модулированный радиосигнал с выхода радиопередатчика через разделительно-полосовой фильтр РПФ подводится к антенне и излучается в сторону ближайшей РПС. Без РПФ обойтись нельзя, так как на одну антенну, как правило, работают одновременно несколько радиопередатчиков разных стволов.