Оценка максимальных размеров зоны обслуживания транкинговой системы связи СВ-КВ диапазонов частот

Представленная в п. 1.3 методика позволяет выполнить расчёты радиуса зоны обслуживания рассматриваемой в разделе 4.2 системы радиосвязи. В качестве тестовой по разработанной методике решалась задача определения дальности от передатчика (мощность 1 кВт, изотропная антенна), на которой напряженность поля составляет 1 мкВ/м. Результаты решения представлены на рис. 1.3 в виде кривых зависимостей удаления от базовой станции, на котором Е_с = 1 мкВ/м, от частоты для различных значений проводимости почвы σ. Величина напряженности в 1 мкВ/м принята потому, что она близка к критической, определяемой уровнем внешнего шума.

 

 

Из рис. 1.4 видно, что расчетное удаление от передатчика в значительной степени определяется параметрами подстилающей поверхности и частоты. При этом, при работе поверхностными волнами на частотах ниже 3 МГц, при хорошей проводимости почвы и низком уровне внешних шумов, при наличии в системе мощных (1 кВт) передатчиков и эффективных антенн потенциально могут быть получены дальности связи превышающие 300 км и более. Таким образом, по результатам расчёта тестового примера использования методики можно утверждать, что потенциально достижимый радиус зоны обслуживания рассматриваемой системы транкинговой связи может достигать 300 км и более. Вместе с тем, разработка антенн с высокими значениями коэффициента усиления для систем связи с подвижными объектами является достаточно сложной технической задачей. В связи с этим далее рассмотрено влияние на размер зоны обслуживания транкинговой системы связи СВ-КВ диапазонов волн характеристик антенн базовой и абонентской радиостанций.

Рассмотрим передачу сообщения абонента на базовую станцию, так как ввиду малой мощности абонентской радиостанции и менее эффективной малоразмерной антенны именно она определяет размер зоны обслуживания. Пусть базовая станция оснащена радиостанцией с антенной «штырь 10 м». В качестве абонентской станции примем автомобильные радиостанции мощностью 200 Вт с антеннами «штырь 10 м», «штырь 4 м» и портативную радиостанцию 5 Вт с антенной «штырь 2 м». Коэффициенты усиления указанных антенн, взятые из справочника [20], представлены в табл. 1.7.

Таблица 1.7. Коэффициенты усиления антенн

Частоты, МГц	1,0	1,5	2,0	3,0	5,0	7,5
Штырь 10 м	0,02	0,04	0,08	0,18	0,4	0,56	0,6
Штырь 4 м	0.007	0.012	0.022	0.055	0.18	0.35	0.45
Штырь 2 м	0.0004	0.0007	0.0012	0.0027	0.013	0.04	-

 

В табл. 1.8 представлены необходимые для расчета электрические параметры различных видов почвы - относительная диэлектрическая проница-емость почвы (ε _зм) и удельная электрическая проводимость почвы (σ _зм), выражаемой в См/м.

Таблица 1.8. Электрические параметры различных типов почв

Тип почвы	εзм	σзм, См/м
Морская вода		1-6
Лед (t = - 10° C)	4-5	10^-2 – 10^-1
Влажная почва	10-30	3·10^-3 – 3·10^-2
Пресная вода рек и озер		10^-3– 10^-2
Мерзлая почва	3-6	10^-3 – 10^-2
Болотистая равнина, густо поросшая лесом		7,5·10^-3
Холмы средней высоты, среднее облесение		6·10^-3
Среднее облесение, тяжелые глинистые почвы		5·10^-3
Каменистая почва, крутые холмы		2·10^-3
Сельская местность, слегка холмистая, чернозем		10^-3
Песок	2-5	2·10^-4 – 2·10^-3
Городские и индустриальные районы		10^-4 – 10^-3
Сухая почва	3-6	10^-5 – 5·10^-3
Снег (t = - 10° C)		10^-6

В соответствие с методикой расчета, приведенной в разделе 1.3, мощность сигнала на входе приемника рассчитывалась по формулам (1.15), (1.16).

Для приемной и передающей антенн «штырь 10 м», частот 1 ÷ 10 МГц, удалений абонентской станции от базовой 20 ÷ 160 км, для двух видов подстилающей поверхности (с параметрами ε = 4, σ = 3∙10^-2; и ε=4, σ =10^-3) и мощности передатчика абонентской радиостанции 0,2 кВт величины мощности сигнала на входе приемника приведены в табл. 1.9. в единицах дБм.

Из табл. 1.9 видно существенное падение мощности принимаемого сигнала при увеличении частоты сигнала от 1 до 10 МГц, а также сильное влияние параметров земли на величину затухания сигнала.

Таблица 1.9. Величины мощности сигнала на входе приемника для двух видов почвы, в зависимости от удаления от передатчика и частоты сигнала.

Дальность, км	σ, См/м	Частота, МГц
	1,5				7,5
20 км	3·10^-2	-39.61	-40.11	-39.08	-41.56	-49.06	-57.66	-65.56
10^-3	-64.11	-68.61	-69.08	-72.56	-75.06	-80.66	-85.56
40 км	3·10^-2	-47.10	-48.61	-49.08	-54.56	-63.06	-71.16	-79.56
10^-3	-76.61	-81.61	-82.09	-84.56	-88.06	-93.16	-98.96
60 км	3·10^-2	-52.60	-55.11	-56.08	-62.56	-71.06	-79.66	-88.56
10^-3	-84.91	-88.61	-89.09	-92.56	-96.06	-102.16	-107.6
80 км	3·10^-2	-57.10	-60.11	-62.08	-68.56	-77.56	-86.66	-95.56
10^-3	-90.11	-94.11	-95.59	-98.56	-102.6	-108.6	-115.0
100 км	3·10^-2	-60.10	-64.61	-66.58	-74.06	-82.56	-92.66	-101.5
10^-3	-95.11	-98.61	-100.1	-104.6	-108.1	-115.1	-122.5
120 км	3·10^-2	-63.60	-67.61	-71.08	-78.56	-88.06	-98.66	-107.5
10^-3	-99.11	-103.1	-105.1	-109.0	-113.6	-122.6	-128.5
140 км	3·10^-2	-65.80	-71.61	-75.58	-82.56	-92.56	-103.6	-114.5
10^-3	-103.1	-107.6	-108.6	-113.6	-118.0	-127.16	-134.5
160 км	3·10^-2	-69.10	-74.61	-79.58	-86.56	-97.56	-108.6	-119.5
10^-3	-105.1	-111.6	-113.6	-117.6	-123.0	-132.6	-139.5

Определим величину мощности шумов на входе приемника базовой станции из формулы (1.25).

В табл. 1.10 представлены коэффициенты индустриального шума, подсчитанные для приемной антенны «Штырь 10 м» в соответствии с рекомендациями [122] для условий сельской местности (rural) и удаленной сельской местности (quet rural), и значения мощности шума на входе приемника базовой станции (знаменатель), рассчитанные для тех же условий.

Таблица 1.10. Коэффициенты индустриального шума F_ш [дБ] и мощность шума на входе приемника базовой станции P_{ш пр} [дБм]

Шумовая характеристика местности	Пара-метры	Частота шума,МГц
	1.5				7.5
Сельская местность (rural)	Fш	76.40	71.52	68.06	63.18	57.03	52.16	48.70
Pш пр	-79.65	-81.52	-81.97	-83.32	-86.00	-89.42	-92.58
Удаленная сельс-кая местность (quiet rural)	Fш	62.80	57.76	54.19	49.15	42.81	37.77	34.20
Pш пр	-93.25	-95.27	-95.84	-97.35	-100.2	-103.8	-107.1

 

В табл. 1.11 представлены рассчитанные отношения сигнал/шум на входе приемника базовой станции, для частот 1-10 МГц, удалений абонентской станции от 20 до 160 км и для почвы с параметрами (ε = 4, σ = 3∙10^-2), при работе передатчика абонентской радиостанции мощностью 0,2 кВт на антенну «штырь 10 м».

Таблица 1.11. Величины отношения сигнал/шум [дБ] на входе приемника БС. Передающая антенна «штырь 10м». Параметры земли ε=4, σ =3*10^-2. Сельская местность.

Дальность радиолинии	1 МГц	1,5 МГц	МГц	МГц	МГц	7,5 МГц	10 МГц
20 км	40.04	41.41	42.88	41.76	36.93	31.75	27.01
40 км	32.54	32.91	32.88	28.76	22.93	18.25	13.01
60 км	27.04	26.41	25.88	20.76	14.93	9.754	4.015
80 км	22.54	21.41	19.88	14.76	8.436	2.754	-2.984
100 км	19.54	16.91	15.38	9.260	3.436	-3.246	-8.984
120 км	16.04	13.91	10.88	4.760	-2.063	-9.246	-14.98
140 км	13.84	9.91	6.383	0.760	-6.563	-14.24	-21.98
160 км	10.54	6.91	2.38	-3.239	-11.56	-19.24	-26.98

Заливкой серым цветом отмечены ячейки, в которых значения сигнал/шум, превышают значение коэффициента защиты 15 дБ, при котором обеспечивается хорошее качество передачи речи; в каждом столбце таблицы подчеркиванием помечены самые нижние значения сигнал/шум, превышающие значение коэффициента защиты 6 дБ, при котором обеспечивается минимально удовлетворительное качество передачи речи.

На рис. 1.5для передающей антенны «штырь 10 м» и мощности передатчика 0,2 кВт представлены расчетные значения максимальных дальностей, на которых обеспечивается минимально удовлетворительное качество речи для «хорошей» земли с высокой проводимостью (σ =3·10^-2) – кривая 1 и для «плохой» земли с низкой проводимостью (σ =10^-3) – кривая 3, а также максимальные дальности, на которых обеспечивается хорошее качество передачи речи для «хорошей» земли (σ =3·10^-2) – кривая 2 и для «плохой» земли (σ =10^-3) – кривая 4 соответственно. В отличие от кривых рисунка 1.4, которые могут использоваться только для качественной оценки дальности связи, кривые рис. 1.5 построены с учетом характеристик приемной антенны, уровня шума в точке приема и вида передаваемого сигнала.

	Рисунок 1.5. Максимальные дальности связи для передающей антенны «штырь 10 м» и мощности передатчика 0,2 кВт. Приемная антенна – «штырь 10 м».

 

Антенна "Штырь 10 м" относится к классу мобильных антенн, с легкими складными мачтами, которые могут оперативно устанавливаться силами экипажа при остановке транспортного средства и обеспечивать работу на стоянке.

На рис. 1.6 представлены расчетные значения максимальных дальностей для передающих антенн «Штырь 4 м», для мощности передатчика 0,2 кВт, для «хорошей» и «плохой» земли (σ =3*10^-2 и σ =10^-3), а также для хорошего и минимально удовлетворительного качества передачи речи. Приемная антенна базовой станции – «Штырь 10 м». Антенна "Штырь 4 м" может устанавливаться на мобильных абонентских радиостанциях и обеспечивать работу как на стоянке, так и в процессе движения (на ходу).

 

 

 

На рис. 1.7 представлены расчетные значения максимальной дальности связи абонентской радиостанции и базовой станции для передающих антенн «Штырь 2 м» и для мощности передатчика 5 Вт (приемная антенна базовой станции – «Штырь 10 м»). Антенна "Штырь 2 м" может устанавливаться на портативных радиостанциях и обеспечивать связь абонента с базовой станцией в процессе движения. Как видно из таблицы 1.7 коэффициенты усиления антенны "Штырь 2 м" ниже соответствующих коэффициентов усиления антенны "Штырь 4 м" на порядок и более. Результаты расчета дальности связи при использовании антенны "Штырь 2 м" показывают, что в этом случае выигрыш по дальности связи по сравнению с УКВ системами не обеспечивается.

 

 

Таким образом, приведённые выше зависимости позволяют утверждать, что в рассматриваемой системе связи наиболее приемлемым частотным диапазоном работы является диапазон 1 – 3 МГц.

При использовании на абонентской радиостанции достаточно простых мобильных штыревых антенн высотой 10 м и выше, обеспечивающих работу на стоянке транспортного средства, и умеренной мощности передатчика P = 200 Вт, в местах с низким уровнем индустриальных шумов (rural и quet rural по классификации рекомендаций [122]) и для высокой проводимости почвы (σ = 3∙10^-2) может быть обеспечен радиус зоны обслуживания порядка 160 - 190 км. При тех же условиях и для низкой проводимости почвы (σ = 10^-3) может быть обеспечен радиус зоны обслуживания порядка 90 – 105 км. Полученные результаты хорошо согласуется с данными трассовых испытаний, представленными в работе [30]. При использовании на абонентской радиостанции штыревых антенн высотой 4 м расчетный радиус зоны обслуживания составляет 105 - 140 км для высокой проводимости почвы и 65 – 80 км для низкой проводимости почвы. Практически, для обеспечения возможности работы на ходу с такой антенной, её верхний конец фиксируется с помощью оттяжек.

Расчетные дальности связи для антенны «Штырь 2 м» составляют 6 – 22 км для различных проводимостей почвы, при минимально удовлетворительном качестве связи, и (4 – 10) км – для хорошего качества связи. Низкая эффективность коротких штыревых антенн КВ и, особенно, СВ диапазонов обуславливает необходимость создания высокоэффективных малогабаритных антенн, которые могут быть использованы как в портативных и мобильных абонентских радиостанциях, так и в мобильных базовых станциях, обеспечивающих работу на ходу. В последнее время были проведены ряд испытаний малогабаритных антенн, разработанных специалистами ОмГТУ и НПООО «КВ-СВЯЗЬ» (вибраторная антенна [79]) и специалистами ФГУП ОНИИП (резонансная ЕН-антенна). Далее в главе 4 приведены результаты испытаний указанных антенн.