ASSESSMENT OF SPECTRUM UTILIZATION EFFICIENCY IN RADIO-RELAY SYSTEMS

Full Text

Введение Радиосвязь продолжает играть важную роль в формировании информационной среды, которая необходима для стабильного развития производственного и научного потенциала страны, поддержания ее обороноспособности, а также для решения важных практических задач в социальной сфере и в государственном управлении за счет создания качественных систем коммуникации. Развитие инфра-структуры связи является важным фактором, способствующим росту деловой активности в стране и существенно влияющим на ее экономику. Отрасль связи РФ динамично развивается - происходит активное развертывание сотовых сетей связи четвертого и третьего поколений. При этом объем данных, передаваемых по этим сетям, ежегодно возрастает [1]. Роль цифровых радиорелейных линий связи (ЦРРЛ) в функционировании и развитии инфраструктуры связи России, по-прежнему, велика. Неравномерность распределения населения по территории страны обусловливает существование больших по площади слабозаселенных территорий с неразвитой инфраструктурой, для которых организация линий связи при помощи ЦРРЛ практически безальтернативна. Но их применение этими случаями не ограничивается. В настоящее время ЦРРЛ всех диапазонов радиочастот широко используются для организации каналов связи между различными элементами сотовых сетей даже в чертах областных центров. Очевидным преимуществом ЦРРЛ перед прокладкой оптических линий связи в данном случае является быстрота и относительная дешевизна организации линии связи. Помимо этого, ЦРРЛ нередко используются в энергетике в качестве резервных каналов связи. Такое их активное использование уже приводит к дефициту свободного радиочастотного ресурса, необходимого для организации их работы, причем проблема становится все острее в связи с постоянным ростом требований к объему и скорости передаваемых по сетям связи данных. Диапазоны радиочастот 7,9-8,4 ГГц; 10,7-11,7 ГГц; 12,75-13,25 ГГц, предназначенные для организации работы радиорелейных линий и имеющие наиболее выгодные с точки зрения ослабления радиоволн в гидрометеорах характеристики, загружены практически полностью. В настоящее время идет вынужденное освоение более высоких диапазонов радиочастот: 17,7-19,7 ГГц; 21,2-23,6 ГГц; 36-40,5 ГГц, а также безлицензионных диапазонов 71-76 ГГц; 81-86 ГГц и 92-94 ГГц. Очевидно, что с течением времени потребность в использовании ЦРРЛ будет только возрастать, а значит, в недалеком будущем можно ожидать полного исчерпания радиочастотного ресурса и в этих диапазонах. Освоение же еще более высоких диапазонов радиочастот сталкивается с очевидными трудностями, среди которых можно выделить значительное поглощение радиоволн в гидрометеорах, сложность построения аппаратуры связи и обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств. В сложившейся ситуации особенно важным становится рациональное, эффективное и экономное отношение к имеющемуся в распоряжении ограниченному природному ресурсу - радиочастотному спектру (РЧС). Такое отношение предполагает его использование исходя из принципа разумной достаточности. Применительно к ЦРРЛ это означает, что выбранные энергетические параметры проектируемой ЦРРЛ должны быть минимальными, но при этом обеспечивающими ее удовлетворительную работу с требуемым запасом на замирания. Здесь и далее под запасом на замирания будем понимать превышение уровня принимаемого сигнала над уровнем чувствительности приемника при заданной частоте битовых ошибок (Bit Error Rate, далее BER). Основными параметрами, определяющими энергетику пролета ЦРРЛ, являются коэффициенты усиления антенн и мощности передатчиков. В связи с тем, что указанные параметры одновременно влияют и на возможность повторного назначения одних и тех же радиочастотных каналов на ограниченной территории, представляется целесообразным оценить обоснованность их выбора на этапе проектирования. Вопросам эффективного использования РЧС посвящено некоторое количество ранее опубликованных работ, среди которых можно отметить [2-4]. Авторами отмечается резкий рост потребления услуг в беспроводных сетях передачи данных, предлагаются как экономические, так и технические методы повышения эффективности использования РЧС. Экономические методы управления РЧС весьма специфичны и в рамках данной публикации не рассматриваются. Среди технических методов предлагаются такие, например, как внедрение новых технологий радиосвязи, оптимизация передаваемого интернет-трафика, внедрение механизма динамического управления РЧС (так называемое «когнитивное радио») [5-8]. Не отрицая важности этих решений, отметим, что отдельным проблемам, а именно оптимизации параметров работы ЦРРЛ с целью более эффективного использования ими РЧС, имеющей существенное практическое значение, не уделено достаточного внимания. Цель статьи -оценка эффективности использования РЧС радиорелейными линиями, выявить имеющиеся ресурсы для повышения эффективности его использования, предложить возможные решения для повышения эффективности использования РЧС. Проведение оценки На этапе проектирования ЦРРЛ определяются, помимо прочего, значения коэффициентов усиления антенн РРЛ и мощностей их передатчиков, составляется частотно-территориальный план, который впоследствии проходит ряд экспертиз, в том числе на предмет возможности использования заявленных радиоэлектронных средств (РЭС) и их электромагнитной совместимости (ЭМС) с действующими и планируемыми для использования РЭС. В соответствии с действующим на данный момент решением Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) [9], для проведения экспертизы ЭМС РЭС достаточно того, чтобы поступившая заявка соответствовала установленным требованиям, а также, чтобы технические характеристики РЭС, которые планируется использовать, не превышали максимальных значений, изложенных в решении ГКРЧ для соответствующей полосы радиочастот. При этом организация, проводящая экспертизу ЭМС, не вправе потребовать от заявителя обосновать выбранные параметры работы РЭС (мощность, коэффициент усиления антенны и др.) или принять самостоятельное решение о снижении этих параметров в случае их явно необоснованного завышения. Такое положение вещей, очевидно, не способствует уменьшению дефицита РЧС в наиболее загруженных полосах радиочастот. Таблица 1. Максимальные значения мощностей передатчиков РРС по диапазонам радиочастот, в соответствии с решениями ГКРЧ, по состоянию на сентябрь 2017 г. Диапазон радиочастот, ГГц Номер решения ГКРЧ Максимальная разрешенная мощность передатчика РРС, Вт 7,25-7,55 09-04-06-2 1* 7,9-8,4 09-01-06 1* 10,7-11,7 09-03-04-1 1 12,75-13,25 09-02-08 0,5 14,5-15,35 08-23-09-001 0,5 17,7-19,7 07-21-02-001 0,5 21,2-23,6 06-16-04-001 0,5 24,25-29,50 09-03-04-2 0,5 36-40,5 06-14-02-001 0,5 71-76; 81-86 10-07-04-1 0,15 92-94; 94,1-95 10-07-04-2 0,15 * Дополнительно ограничивается максимальная ЭИИМ передатчиков на уровне 55 дБВт Отметим, что максимальные возможные значения мощностей передатчиков ЦРРЛ и, в некоторых случаях, их эквивалентной изотропно излучаемой мощности (ЭИИМ) на территории РФ определяются в отдельности для каждого диапазона радиочастот соответствующими решениями ГКРЧ, которые могут быть использованы неограниченным кругом лиц для упрощенного получения разрешений на использование радиочастот [9-10]. Для справки в таблице 1 приведены эти значения для радиорелейных станций (РРС) разных диапазонов радиочастот. Приведем в таблице 2 статистические данные о фактических значениях мощностей передатчиков РРС, зарегистрированных установленным порядком на территории Томской области (взято для примера) с разбивкой по диапазонам радиочастот. Данные получим из [11] по состоянию на сентябрь 2017. Это позволит нам оценить количество радиорелейных станций, использующих максимальную разрешенную по решению ГКРЧ мощность. Таблица 2. Статистические данные о мощностях передатчиков РРС, зарегистрированных на территории Томской области Диапазон радиочастот, ГГц Число РРС, шт. Число РРС, использующих максимальную разрешенную мощность ед. ед. 7,25-7,55 471 154 32,7 7,9-8,4 513 57 11,1 10,7-11,7 367 35 9,5 12,75-13,25 227 46 20,3 14,5-15,35 543 344 63,4 17,7-19,7 194 39 20,1 21,2-23,6 644 160 24,8 24,25-29,50 8 0 0,0 36-40,5 299 0 0,0 71-76; 81-86 462 148 32,0 92-94; 94,1-95 0 0 0 Руководящего документа, регламентирующего требуемое значение запаса на замирания для ЦРРЛ нет, но из [12] известны типовые рекомендуемые значения запаса на замирания для РРС различных диапазонов радиочастот: для диапазона радиочастот 5,67-8,4 ГГц оно равно 37 дБ. Выполним расчет потерь при распространении радиоволн для конкретной радиорелейной линии, использующей максимальную разрешенную по решению ГКРЧ мощность, и сравним полученные значения запаса на замирания с рекомендованным в [12]. Для примера рассмотрим ЦРРЛ, которая расположена на территории Томской области, имеет среднюю частоту рабочего диапазона 8,15 ГГц, реальную чувствительность приемников (при заданном BER) -102 дБВт. Коэффициент усиления антенн на передающей и приемной сторонах всех пролетов РРЛ одинаков и равен 41 дБ. Расчет произведем с учетом рельефа и подстилающей поверхности местности с помощью программного комплекса [13]. Результаты расчета приведены в таблице 3, схема построения ЦРРЛ приведена на рисунке 1. Для расчета потерь при распространении радиоволн используем методику [14]. Покажем процесс проведения расчетов по этой методике на примере пролета A-B рассматриваемой ЦРРЛ. При помощи программного комплекса [13] построим продольный профиль рассматриваемого пролета с учетом рельефа и подстилающей поверхности местности (см. рисунок 2а), а также его трехмерную модель (см. рисунок 2б), которую используем для проведения расчетов. Таблица 3. Расчет потерь на трассе ЦРРЛ Пролет РРЛ Длина пролета, км Затухание сигнала в дожде, дБ Дифракционные потери при средней рефракции, дБ Потери распространения в свободном пространстве, дБ Ослабление в атмосферных газах, дБ Запас на замирания, дБ A-B 41,8 9,6 0 143,1 0,49 39,6 B-C 37,2 8,6 0 142,1 0,44 40,7 C-D 37,9 8,7 0 138,0 0,32 44,9 D-E 36,6 8,4 0 141,9 0,43 40,9 E-F 29,8 6,9 0 140,2 0,35 42,7 F-G 25,2 5,8 0 138,7 0,30 44,2 G-H 38,8 9,0 0 142,5 0,46 40,3 H-I 21,5 5,0 0 137,3 0,25 45,7 I-J 46,5 10,7 0 144,2 0,56 38,5 J-K 29,4 6,8 0 140,2 0,35 42,7 K-L 29,4 6,8 0 140,2 0,35 42,7 Произведенный расчет показывает, что лишь на двух интервалах запас на замирания имеет значение, близкое к рекомендованному: на интервале A-B он равен 39,6 дБ, на интервале I-J равен 38,5 дБ. На остальных интервалах фактический запас на замирания существенно превышает рекомендованное значение и составляет от 40,3 до 45,7 дБ. На рисунках 2а-б, использованы данные, полученные Национальным Агентством Геопространственной Разведки США (NGA) методом дистанционного зондирования Земли во время одной из миссий космического шаттла «Endeavour» (Shuttle Radar Topography Mission, SRTM). Рисунок 1. Схема построения рассматриваемой ЦРРЛ Рисунок 2а. Продольный профиль пролета A-B с учетом рельефа и подстилающей поверхности местности Рисунок 2б. Трехмерная модель пролета A-B В ходе данной миссии были получены данные о рельефе и подстилающей поверхности для 80% суши между 60° северной и 56° южной широты. Отсчеты по высоте рельефа получены с точностью до одной угловой секунды, то есть приблизительно через каждые 30 м [15]. Результаты проведенных ранее выборочных измерений высоты на местности подтвердили точность используемых данных [16]. Выводы 1. На примере Томской области показано, что число РРС, использующих максимальную разрешенную по решению ГКРЧ мощность, составляет до 63,4% от общего числа для отдельно взятого диапазона радиочастот. 2. На примере ЦРРЛ, использующей максимальную мощность, показано, что на большинстве интервалов фактически имеющийся запас на замирания существенно (от 3 до 8 дБ) превышает рекомендуемый. 3. Необоснованно завышенные энергетические параметры ЦРРЛ уменьшают возможность повторного назначения одних и тех же радиочастотных каналов на ограниченной территории, снижают эффективность использования ограниченного природного ресурса - РЧС. 4. Дефицит радиочастотного ресурса, имеющийся в отдельных полосах радиочастот, предназначенных для работы ЦРРЛ, в некоторой степени обусловлен его неэффективным использованием. Учитывая взрывной рост потребления услуг связи, это в недалеком будущем может привести к полному исчерпанию возможных для назначения радиочастот. 5. Возможным решением этой проблемы могло бы стать внесение изменений в существующий порядок проведения экспертизы ЭМС РЭС. Целесообразным было бы введение дополнительных требований к заявкам на проведение экспертизы ЭМС РЭС для ЦРРЛ об обосновании выбранных энергетических параметров их работы. В настоящее время заявитель обязан представлять для проведения экспертизы ЭМС РЭС лишь частотно-территориальный план и набор тактико-технических характеристик РЭС. Введение дополнительного требования о предоставлении на экспертизу ЭМС РЭС расчета качественных показателей ЦРРЛ (включая и расчетный запас на замирания) могло бы помочь оценить обоснованность выбора энергетических параметров работы ЦРРЛ и при необходимости снизить их до разумных пределов на этапе экспертизы.

About the authors

Dmitry Borisovich Shmakov

Tomsk State University of Control Systems and Radio Electronics

Email: dshrfc@gmail.com

Talgat Rashitovich Gazizov

Tomsk State University of Control Systems and Radio Electronics

Email: talgat@tu.tusur.ru

References

Supplementary files