1 Введение

При проектировании радиорелейных систем прямой видимости следует учитывать ряд явлений, связанных с распространением радиоволн, включая следующие:

– дифракционное замирание, обусловленное закрытием трассы наземными препятствиями при неблагоприятных условиях распространения радиоволн;

– затухание в атмосферных газах;

– замирания, обусловленные многолучевым распространением в атмосфере или расхождением лучей (обычно называемым дефокусировкой лучей), которые связаны с существованием аномальных слоев рефакции;

– замирания, обусловленные многолучевостью, возникающей вследствие отражения от поверхности;

– затухание, обусловленное осадками или твердыми частицами в атмосфере;

– колебания угла прихода радиоволн на приемном терминале и угла выхода радиоволн на передающем терминале, обусловленные рефракцией;

– уменьшение избирательности по кроссполяризации (XPD) в условиях многолучевости или при наличии осадков;

– искажение сигнала, обусловленное частотно-избирательными замираниями и запаздыванием в условиях мнолучевого распространения.

Одна из целей настоящего Приложения заключается в том, чтобы в сжатой последовательной форме представить простые методы прогнозирования явлений распространения радиоволн, которые необходимо учитывать при проектировании большинства фиксированных линий связи прямой видимости, а также предоставить информацию о диапазонах их применимости. Другая цель, которую преследует данное Приложение, – это представить дополнительную информацию и методы, которые можно рекомендовать для использования в процессе планирования наземных систем прямой видимости.

Методы прогнозирования, разработанные для территорий конкретных администраций с учетом их специфических климатических и топографических особенностей, могут иметь определенные преимущества по сравнению с изложенными в настоящем Приложении.

За исключением помех, являющихся следствием уменьшения XPD, в настоящем Приложении рассматривается только влияние на полезный сигнал. Некоторые общие соображения относительно внутрисистемных помех в цифровых системах изложены в п. 2.3.6, однако более детально этот вопрос не обсуждается. Другие аспекты влияния помех рассматриваются в отдельных Рекомендациях, а именно:

– в Рекомендации МСЭ-R P.452 рассматриваются межсистемные помехи, связанные с другими наземными линиями и земными станциями;

– в Рекомендации МСЭ-R P.619 рассматриваются межсистемные помехи, возникающие

из-за работы космических станций.

Чтобы сделать это Приложение наиболее полезным для планирования и проектирования систем, вся информация расположена в соответствии с рассматриваемыми явлениями распространения радиоволн, а не согласно физическим механизмам, вызывающим эти явления.

Следует отметить, что понятие "наихудший месяц", используемое в настоящей Рекомендации, эквивалентно понятию "любой месяц" (см. Рекомендацию МСЭ-R P.581).

2 Потери при распространении радиоволн

Потери при распространении радиоволн на наземной трассе прямой видимости, по отношению к потерям в свободном пространстве (см. Рекомендацию МСЭ-R P.525), являются суммой различных составляющих, таких как:

– затухание в атмосферных газах;

– дифракционные замирания, обусловленные закрытием или частичным закрытием трассы;

– замирание, обусловленное многолучевостью, расширением луча и мерцанием;

– затухание, обусловленное колебанием угла прихода/выхода;

– затухание, обусловленное осадками;

– затухание, обусловленное песчаными и пылевыми бурями.

Каждая из этих составляющих имеет свои характеристики, зависящие от частоты, длины трассы и географического местоположения. Они будут описаны в следующих пунктах.

Иногда интерес представляет явление усиления сигнала при распространении. В таких случаях оно рассматривается вслед за соответствующими потерями распространения.

2.1 Затухание в атмосферных газах

Некоторое затухание, вызываемое поглощением в кислороде и водяных парах, всегда присутствует и должно учитываться при расчете общих потерь при распространении радиоволн на частотах выше примерно 10 ГГц. Затухание на трассе длиной d (км) вычисляется по формуле:

. (1)

Погонное затухание _a (дБ/км) должно быть определено из Рекомендации МСЭ-R P.676.

ПРИМЕЧАНИЕ 1. – На длинных трассах на частотах выше примерно 20 ГГц может оказаться желательным учесть известные статистические данные по плотности водяных паров и температуре вблизи трассы. Некоторая информация о плотности водяных паров приводится в Рекомендации МСЭ-R P.836.

2.2 Дифракционные замирания

Изменения условий рефракции в атмосфере вызывают отклонения эквивалентного радиуса Земли или коэффициента k от его медианного значения, равного приблизительно 4/3 для стандартной атмосферы (см. Рекомендацию МСЭ-R P.310). В условиях достаточно большой атмосферной субрефракции (большие положительные значения градиента индекса рефракции, низкие значения коэффициента k) траектория луча отклоняется таким образом, что Земля как бы закрывает прямую трассу между передатчиком и приемником, в результате чего и возникают замирания, называемые дифракционными. Такие замирания являются фактором, определяющим высоту антенны.

Статистические данные о коэффициенте k в одной точке можно получить из измерений или результатов прогноза градиента индекса рефракции в пределах первых 100 м атмосферы (см. Рекомендацию МСЭ-R P.453 о влиянии рефракции). Полученные значения градиента следует усреднить, чтобы получить эффективное значение k для рассматриваемой длины трассы, k_e. Значения k_e, превышаемые в течение 99,9% времени, обсуждаются в следующем пункте с точки зрения критерия просвета трассы.

2.2.1 Зависимость дифракционных потерь от просвета трассы

Дифракционные потери зависят от типа местности и растительности. При заданном просвете трассы дифракционные потери будут варьироваться от минимального значения в случае единичного клиновидного препятствия до максимального в случае гладкой сферической Земли. Методы расчета дифракционных потерь для двух этих случаев, а также для трасс над пересеченной местностью обсуждаются в Рекомендации МСЭ-R P.526. Верхний и нижний пределы дифракционных потерь показаны на рисунке 1.

Дифракционные потери над средней местностью, если их величина превышает приблизительно 15 дБ, можно аппроксимировать следующей формулой:

, (2)

где h – разница высот (в метрах) между наиболее значительным препятствием на трассе и ее траекторией (h имеет отрицательное значение, если верхняя часть рассматриваемого препятствия находится выше фактической линии прямой видимости), а F₁ – радиус первого эллипсоида Френеля, определяемый по формуле:

, (3)

где:

f : частота (ГГц);

d : длина трассы (км);

d₁ и d₂ : расстояния (км) от терминалов до препятствия на трассе.

На рисунке 1 показана также кривая, основанная на уравнении (2) и обозначенная как A_d. Эта кривая, которая, строго говоря, справедлива для потерь, превышающих 15 дБ, в интересах проектировщиков линий связи была экстраполирована для значений потерь до 6 дБ.

рисунок 1

Дифракционные потери для микроволновых радиотрасс
прямой видимости с препятствиями

2.2.2 Критерии планирования просвета трассы

С дифракционными потерями такого типа на частотах свыше 2 ГГц в прошлом боролись с помощью достаточно высоких антенн, так чтобы при максимальном искривлении луча приемник не оказывался в зоне дифракции в том случае, если эквивалентный радиус Земли был меньше его обычного значения. Согласно теории дифракции условия распространения радиоволн в свободном пространстве обеспечиваются в том случае, если просвет над земной поверхностью для прямой трассы между передатчиком и приемником составляет не менее 60% радиуса первой зоны Френеля. В последнее время, когда накопилось больше информации об этом механизме и статистических данных о k_e, необходимых для статистических прогнозов, некоторые администрации стали устанавливать антенны на высотах, при которых происходят перебои в работе в небольших известных пределах.

В условиях отсутствия общей процедуры, которая позволяла бы прогнозировать дифракционные потери для различных небольших процентов времени, а следовательно, определять статистический критерий просвета трассы, рекомендуется воспользоваться следующей процедурой для умеренного и тропического климата.

2.2.2.1 Антенные конфигурации без разнесения

Шаг 1:  Определить высоту антенн, требуемую для обеспечения соответствующего медианного (точечного) значения коэффициента k (см. п. 2.2; при отсутствии каких-либо данных используется значение k  4/3) и просвета 1,0 F₁ над самым высоким препятствием (умеренный и тропический климат).

Шаг 2:  Пользуясь рисунком 2, определить значение k_e (99,9%) для рассматриваемой длины трассы.

рисунок 2

Значение k_e, превышаемое приблизительно для 99,9% времени наихудшего месяца
(умеренный континентальный климат)



Шаг 3:  Рассчитать высоту антенн, требуемую для обеспечения значения k_e, полученного на Шаге 2, и следующие радиусы просвета в зоне Френеля:

Умеренный климат	Тропический климат
0,0 F1 (т. е. скольжение), если на трассе имеется единичное изолированное препятствие	0,6 F1 для трасс, длина которых больше примерно 30 км
0,3 F1, если препятствие на трассе простирается вдоль ее части

Шаг 4:  Использовать большее из значений высоты антенн, полученных на Шагах 1 и 3 (см. Примечание 1).

В тех случаях, когда тип климата не определен, можно воспользоваться наиболее консервативным правилом определения просвета (см. Примечание 1) для тропического климата или хотя бы правилом, основанном на определении среднего значения просвета в условиях умеренного и тропического климата. Для того чтобы избежать недопустимо больших значений высоты антенн, при выполнении Шагов 1 и 3 может оказаться необходимым взять меньшие доли F₁ для частот ниже приблизительно 2 ГГц.

На частотах выше примерно 13 ГГц точность оценки высоты препятствия начинает быть сопоставимой с радиусом зоны Френеля. Эту точность оценки следует добавить к вышеуказанному просвету.

ПРИМЕЧАНИЕ 1. – Хотя эти правила консервативны с точки зрения дифракционных потерь, обусловленных субрефракционными замираниями, необходимо понимать, что чрезмерный акцент на сведении к минимуму степени неготовности из-за дифракционных потерь в условиях субрефракции может привести к еще большему ухудшению качества связи и степени готовности в условиях многолучевости. В настоящее время невозможно дать общие критерии для установления компромисса между этими двумя условиями. Подходящими факторами могут стать запасы на замирания в системе.

2.2.2.2 Конфигурации из двух или трех антенн с пространственным разнесением

Шаг 1:  Рассчитать высоту более высокой антенны, используя описанную выше процедуру для одной антенны.

Шаг 2:  Рассчитать высоту более низкой антенны, требуемую, чтобы обеспечить соответствующее медианное точечное значение коэффициента k (при отсутствии каких-либо данных используется значение k  4/3) и следующие просветы в зоне Френеля (см. Примечание 1):

от 0,6 F₁ до 0,3 F₁, если препятствие на трассе простирается вдоль ее части;

от 0,3 F₁ до 0,0 F₁, если на трассе имеется одно или два изолированных препятствия.

В случае необходимости можно взять одно из меньших значений в двух указанных выше диапазонах, для того чтобы избежать недопустимого увеличения высоты антенн или в том случае, когда частота меньше 2 ГГц.

Как вариант, просвет более низкой антенны можно выбрать таким, чтобы дифракционные потери в условиях с нормальной рефракцией (т. е. в полдень; см. п. 8) равнялись приблизительно 6 дБ или другому значению потерь, соответствующему определенному в результате контрольных измерений запасу системы на замирание. Измерения следует проводить в течение нескольких дней, чтобы избежать условий с аномальной рефракцией.

В этом альтернативном случае дифракционные потери также можно оценить с помощью рисунка 1 или уравнения (2).

Шаг 3:  Удостовериться в том, что пространственное разнесение двух антенн удовлетворяет требованиям к разнесению в условиях многолучевого замирания (см. п. 6.2.1), и, если эти требования не удовлетворяются, произвести соответствующие изменения.

ПРИМЕЧАНИЕ 1. – Эти диапазоны величин просвета были выбраны так, чтобы установить диапазон потерь изза дифракции в пределах от примерно 3 дБ до 6 дБ и чтобы уменьшить вероятность появления замираний, обусловленных поверхностной многолучевостью (см. п. 6.1.3). Очевидно, что профили некоторых трасс не позволят уменьшить просвет до такой степени, и для снижения влияния замираний из-за многолучевости должны быть найдены другие средства.

На трассах, где замирания, обусловленные поверхностной многолучевостью в результате одного или нескольких отражений от ровной поверхности, являются преобладающими (например, над водой или над районами с очень плоской поверхностью), может оказаться желательным сначала рассчитать высоту верхней антенны с использованием процедуры п. 2.2.2.1, а затем рассчитать оптимальное минимальное расстояние для разнесенной антенны в целях защиты от поверхностной многолучевости (см. п. 6.1.3).

В предельных ситуациях (например, очень протяженные надводные трассы) может оказаться необходимым применение конфигурации из трех разнесенных антенн. В этом случае просвет самой низкой антенны может основываться на правиле просветов в Шаге 2, а просвет средней антенны – на требовании оптимального разноса с верхней антенной для снижения влияния поверхностной многолучевости (см. п. 6.2.1).

<предыдущая страница | следующая страница>