Результаты испытаний линии загоризонтной связи «ЛАДЬЯ»

, , Муха В. В., ,

Результаты испытаний лИНИИ ЗАГОРИЗОНТНОЙ СВЯЗИ

«Ладья»

1. Испытания станции загоризонтной связи «Ладья».

В апреле 2007г. проведены испытания образцов малогабаритной ТРРС (рис. 1) на загоризонтной линии связи на трассах 29, 84 и 119 км в районе г. Ступино. Параметры станции: диаметр антенн – 1,25м (усиление 32,5 дБ – диапазон 4,5 ГГц), импульсная мощность передатчиков 100 Вт [2].

В сентябре 2010г. проведены испытания этой же аппаратуры в районе г. Орёл с антеннами диаметром 2.5 м из состава станции Р-412 на трассах от 73 до 139 км. Размещение аппаратуры «Ладья» в кузове станции Р-412 показано рис 2а, б, в.

 

Целью испытаний являлась проверка возможности реализации на практике принципов и технических характеристик, заложенных при построении цифрой малогабаритной станции загоризонтной связи. Эти принципы обладают научной и технической новизной и требуют полной проверки как в лабораторных условия, так и в полевых условиях.

К этим новым техническим решениям, ранее в станциях такого типа не применявшимся, можно отнести следующие решения: принцип работы на оптимальной частоте, который теоретически даёт выигрыш по помехоустойчивости по сравнению с широко применяющимся принципом работы с многочастотным сигналом (станции Р-423-1, Р-423-2, Сосник 4);

-  «принцип взаимности» с использованием сложного алгоритма адаптации параметров передачи и приёма станции к постоянно меняющимся условиям распространения радиоволн;

-  впервые в тропосферной станции использован принцип временного дуплекса.

Ниже приведены основные результаты обработки статистических данных, полученных в процессе испытаний.

В процессе испытаний раз в цикле длительностью 10 мс записывались следующие данные: номер частоты передачи и приёма, уровень сигнала на одной частоте, уровень сигнала на оптимальной частоте, уровень сигналов АРУ 1 и АРУ2, количество исправленных ошибок в декодере Витерби.

В процессе испытаний было получено данные на 8 трассах для следующего количества циклов:

Таблица 2
№ трассы	Диаметр антенны	Наименование трассы и протяжённость	Дата	Число записанных циклов
1	1,25 м	Тутыхино - Б. Грызлово 29 км	5.	200000
2	Б. Грызлово –Голофтеево 84 км		460000
3	Малино – Голофтеево 117,6 км		240000
4	2,5 м	Лаврово- Фатнево 73 км	7. 09.2010	120000
5	Курниково – Лески 85 км	7. 09.2010	60000
6	Курниково – Верховье 113 км	8. 09.2010	60000
7	Герасимово- Верховье 137 км	8	3060000
8	Герасимово - Дичня 123 км	9. 09.2010	180000

Полученные данные позволяют проанализировать качество работы радиолинии, определить правильность использованных принципов и принятых технических решений.

1.1 Проверка реализуемости принципа взаимности.

Проверку выполнимости принципа взаимности можно получить двояким образом.

Во-первых, рассмотрением временных гистограмм, показывающих номера частот приёма и передачи в каждом цикле работы станции. Циклы следуют с частотой 100 Гц. На рис 3 приведена одна из гистограмм с количеством циклов 200, полученная на трассе длиной 123 км.

Во-вторых, рассмотрением вероятностных характеристик сигналов, полученных в результате автовыбора наилучшего сигнала. Эти характеристики, рассмотрены в разделе 1.2.

На рис.6 по оси ординат отложен номер частоты от 0 до 7. По оси абсцисс номер цикла. В каждом цикле фиксируется номер частоты передачи и приёма. Амплитуда гистограммы соответствует номеру частоты. Из рисунка следует, что в основном частота передачи и приёма одинаковы. Моменты смены номера оптимальной частоты иногда происходят не одновременно. На участках, где частоты не совпадают, имеет место равенство уровня сигналов двух частот, и номера частот выбираются различными за счёт конечной точности измерения их уровня.

На наш взгляд, гистограммы убедительно свидетельствуют о справедливости принципа взаимности и работоспособности аппаратуры, основанной на этом принципе. Таких гистограмм можно по полученным данным построить большое количество. Все они будут иметь такой же характер.

 

7.2 Проверка работы алгоритма выбора оптимальной частоты.

1.2 Проверка работы алгоритма выбора оптимальной частоты.

Было проведено сравнение распределений уровней сигналов на различных трассах различной протяжённости.

Представляет интерес сравнение статистических характеристик сигналов на трассах с различным характером распространения радиоволн. На рис.4 показана временная диаграмма случайных уровней сигнала на короткой дифракционной трассе протяжённостью 29км. Здесь синим цветом показан сигнал Uопт, образованный в результате автовыбора оптимальной частоты и линией красного цвета сигнал на одной зондирующих частот U1.

Из диаграммы следует, что практически отсутствует разница между уровнем на оптимальной частоте Uопт и уровнем на одной частоте U1. Это подтверждает тот факт, что данная трасса является дифракционной и флюктуации уровня на всех частотах коррелированны. Это же подтверждается и тем, что отношение средних значений m{ Uопт}/ m { U1 }=1,031, т. е. Uопт и U1 практически одинаковы. На рис.5 приведено интегральное распределение уровней сигнала Uопт и U1, которые отличаются друг от друга для уровня вероятности 0.01 на величину около 1 дБ. Это позволяет сделать вывод, что на короткой дифракционной трассе частоты в полосе 30 МГц коррелированны.

На рис. 6 показана временная диаграмма случайных уровней сигнала с антеннами 1,25 м на трассе протяжённостью 84км, а на рис.7 приведено интегральное распределение уровней сигнала Uопт и U1, которые отличаются для уровня вероятности 0.01 друг от друга на величину около 20 дБ. Это позволяет сделать вывод, что на трассе протяжённостью 84 имеет место декорреляция сигналов на частотах, сдвинутых на 4 МГц, и имеется выигрыш по замираниям наилучшего сигнала, выбранного из 8 сигналов на разных частотах, практически равный теоретическому выигрышу.

Известно [3], что среднее значение в системе с автовыбором из N сигналов с независимыми релеевскими замираниями равно

В таблице 1 приведены измеренные и теоретические значения среднего значения в системе Ладья, полученные на трасcе протяжённостью 84 км с антеннами диаметром 1.25 м. Эти значения практически полностью совпадают, что свидетельствует о правильности работы системы и правильности выбранной модели канала

Таблица 1
Среднее значение mN
	1 частота	2 частота	4 частота	8 частот
Эксперимент	1	1.59	2.1	2.72
Теория	1	1.5	2.08	2.718

На рис.8 приведены кривые распределения вероятностей уровня сигнала Uопт при различном числе зондирующих частот N=1, 2, 3, 8, построенные по экспериментальным данным (пунктирные линии красного цвета). На этом же рисунке показаны теоретические кривые (сплошные линии синего цвета) для распределения сигнала в системе с автовыбором, построенные по формуле :

(1)

Следует отметить хорошее совпадение теории и эксперимента.

На трассе протяжённостью 139 км с антеннами диаметром 2.5 м были получены данные для случаев, когда характеристики тропосферного канала различны. На рис. 9 и 10 приведены временные диаграммы сигналов Uопт и U1 в различные моменты времени.

На рис. 9 показана диаграмма, когда в канале имели место релеевские замирания. На рис. 10 приведены диаграммы, когда имела место большая постоянная составляющая сигнала. Анализ распределения этого сигнала показывает, что оно хорошо описывается райсовской моделью тропосферы с параметром Райса k=2.24. В этот момент времени, алгоритм выбора оптимальной частоты не работал, Уровень сигнала при этом сильно возрос и запас энергетического потенциала вырос на величину около 20 дБ. Скорость изменения уровня сигнала от одного состояния канала к другому составляла ~1дБ/мин.

 

 

 

 

Результаты обработки данных полученных на трассах в Орловской области, где использовались антенны диаметром 2.5 м, позволили получить интегральные распределения уровней принятого сигнала.

В моменты времени за исключением аномального периода с райсовским распределением, который продолжался около 1 часа, имели место замирания сигнала, распределённые по закону Рэлея. Интегральные распределения вероятности для сигналов, полученных на различных трассах, представлены на рис.11. Экспериментальные кривые сопоставлены с теоретическими кривыми, построенными по формуле (1) для различного числа зондирующих частот. Из этого рисунка следует, что в основном экспериментальные зависимости совпадают с теоретическими зависимостями, соответствующими N=6-8 независимым частотам, имеющимся для автовыбора. На короткой (73 км, антенна диаметром 2.5м) трассе имеет место совпадение экспериментальной кривой с теоретической кривой при N=2-3. Это может означать, что интервал частотной корреляции на этой трассе превышает 10 МГц, что сказывается на количестве независимо замирающих частот доступных для автовыбора.

Таким образом, на основании рассмотрения полученных интегральных распределений можно сделать следующие выводы. На большинстве исследованных трасс имели место условия распространения, описываемые моделью тропосферного канала с релеевскими замираниями. При этом число независимо замирающих частот при диаметре антенны 2.5 м составляло величину N=6-8.

На трасах протяжённостью 84 км и 117,6 км с антеннами диаметром

1.25 м число независимо замирающих сигналов составило N=8 .

Полученные данные показывают, что система с автовыбором сигнала на оптимальной частоте себя полностью оправдала.

1.3 Определение временной корреляции процессов

Под временной корреляцией понимается среднее значение произведения нормированного центрированного случайного уровня сигнала одной частоты на этот же сигнал, сдвинутый на n циклов. Обозначим эти значения G (i), где – текущий номер цикла.

Функция корреляции равна

Rk (n) = ), [6] (2)

где , , N –объём выборки.

В результате обработки данных для всех испытанных трасс были получены функции корреляции, которые хорошо описываются функцией

Rkа (n)= . (3)

Интервал корреляции по циклам равен nk, а по времени tкор = 10мс·nk.

Некоторые из этих функций представлены на рисИз рассмотрения этих рисунков видно, что на трассах одинаковой длины время корреляции увеличивается с увеличением размера антенн. Это связано с изменением размеров тропосферного объёма переизлучения, который зависит как от размеров антенн, так и от расстояния. Чем больше объём, тем меньше интервал корреляции. Мерой размеров объёма переизлучения может служить разность задержек сигнала, пришедших от верхнего и нижнего краёв объёма.

Рис.11. Интегральное распределение вероятности уровня входного сигнала для системы «Ладья» с антеннами диаметром 2.5м на трассах различной протяжённости (точки соединённые сплошными линиями) и теоретическое распределение для системы с автовыбором из N сигналов (пунктирные линии)

137км 137км 85 км 73 км 123 км

Поскольку величина объёма переизлучения зависит от угла диаграммы направленности антенны и расстояния связи можно построить зависимость величины интервала корреляции от этих двух параметров. На рис.14 представлен двухмерный график, характеризующий зависимость интервала корреляции от дальности связи r и диаметра антенн D на частоте 4734 МГц.. На этом графике нанесены линии равных значений tкор'.

Зависимость на рис.20 наглядно показывает степень влияния на исследуемый параметр диаметра антенн. В частности, для антенны диаметром 1,25м интервал корреляции tкор< 50мс имеет место для дальности связи r > 130 км, а для антенны с D=2,5 м для дальности r > 350 км.

Следует отметить, что приведённые зависимости основаны на ограниченном числе экспериментальных данных (всего 6 интервалов). Однако они не противоречат зависимостям этого параметра от диаметра антенн и расстояния, приведённых в [1,4]. Эти результаты позволяют поставить вопросы, которые следует разрешить при последующих исследованиях.

1) Каков оптимальный цикл работы в аппаратуре «Ладья»? В настоящем исполнении этот цикл взят равным 10 мс. Однако приводимые выше результаты позволяют для системы с антеннами диаметром 2,5 м выбрать этот параметр в 2 или 3 раза большим. Это позволит уменьшить долю вспомогательных символов в информационном пакете и тем самым несколько увеличить помехоустойчивость

2) Как использовать декорреляцию сигналов во времени для создания системы с временным разнесением символов информации? Такое разнесение ранее на практике не применялось, однако для системы с антеннами диаметром ~ 1 м, на расстояниях больше 100 км временная декорреляция сигналов может быть использована для повышения помехоустойчивости. В аппаратуре «Ладья» применено перемежение символов кода на глубину 80 мс, которое даёт дополнительный выигрыш в помехоустойчивости за счёт декорреляции символов кода.

 

1.4 Проверка соответствия рассчитанных и измеренных уровней сигнала на трассе загоризонтной связи.

В процессе испытаний на всех трассах проводилась запись уровня входного сигнала. По данным записи были получены средние значения уровней сигнала на различных трассах (таблица 2). Трассы 1-3 проводились в районе г. Ступино с 5.04 по 12.04.2007г, трассы 4-8 в районе г. Орёл с 6.09 по 9.г. Время усреднения от 2 до 10 мин. Эти значения приведены в таблице 2 в графе «Измеренный уровень сигнала, дБм». В этой же таблице приведены значения коэффициента преломления воздуха у Земли Nz , рассчитанные по данным Гидрометцентра России (www. *****). В этой же таблице приведены значения сигналов, рассчитанные по методике [5]. В соответствующей графе таблицы приведена разность измеренного и рассчитанного уровня.

Анализ данных таблицы показывает, что в основном рассчитанные значения мало отличаются от измеренных. При испытаниях в г. Ступино различие составило от 1 до 3.7дБ. При испытаниях в районе г. Орёл отмечены два различных по механизму распространения периода на трассе №7. Первый наиболее длительный соответствует типовому состоянию тропосферы - рассеянию сигнала на мелкомасштабных неоднородностях. При этом замирания сигнала могут быть описаны законом Релея. Разность измеренных и рассчитанных значений составляет величину не более 1.6 дБ. Второй период продолжительностью около 1 часа соответствовал состоянию канала с сильной постоянной составляющей, при котором наблюдается значительное возрастание уровня сигнала. Ошибка расчёта достигала величины 19 дБ.

На основании полученных данных можно сделать вывод, что методика расчёта даёт достаточно точные значения при типовом состоянии тропосферы, когда она хорошо описывается моделью канала с замираниями сигнала по закону Релея. При состоянии тропосферы, при котором имеется постоянная составляющая, методика даёт большие ошибки, существенно занижая результат. Такое состояние тропосферы описывается моделью с замираниями сигнала по закону Райса. Это означает, что при проектировании линии тропосферной связи указанная методика [5] может быть использована по двум причинам. Во - первых типовое состояние тропосферы, описываемое релеевской моделью, встречается наиболее часто на практике. Во вторых в случае состояния тропосферы, описываемого райсовской моделью, сигнал, как правило, значительно больше, чем в первом случае. Это позволяет рассматривать результаты расчёта по методике [5] как оценку снизу ожидаемых уровней сигнала и поэтому её можно рекомендовать для расчётов линии загоризонтной связи.

Таблица 2
№ №	Наименование трассы	Nz	Длина интервала, км	Суммарный угол закрытия,	Измер. уровень сигнала ,дБм	Рассчит. уровень сигнала ,дБм	Разность измеренного и рассчитанного уровня, дБм	Дата и время работы
	Испытания в районе г. Ступино
1	Тутыхино –Б. Грызлово	297	29	1,2	-72	-	-	05.04.2007 10:00-11:31
2	Б. Гызлово - Голофтеево	316	84	0,7	-101	-97.6	3.4	11.04.2007 9:28-10.31
3	Малино - Голофтеево	313	117,6	0,3	-110,7	-107	-3,7	13.04.2007 10:22-11:01
	Испытания в районе г. Орёл
4	Лаврово Фатнево	306	73	-	-83	-84.3	1.3	07.09.2
5	Курниково - Лески	311	85	1,05	-98	-98.5	0.5	07.09.2
6	Курниково - Верховье	308	113	1,1	-103	-102.3	-0.7	08.09.2
7	Герасимово - Верховье	305	137	0,9	-104	-105.6	1.6	08.09.2
308	-104	-103.4	-0.6	08.09.2
314	-107	-100	-7	09.09.2
315	-80	-99	19	09.09.2
8	Герасимово - Дичня	306	123	0.45	-106	-100	-6	09.09.2
302	-104	-102.6	-1.4	09.09.2

Заключение.

Малогабаритная цифровая станция загоризонтной связи «Ладья» была испытана на интервалах различной протяжённости в апреле 2007г в районе г. Ступино и в сентябре 2010г в районе г. Орёл.

Испытания показали правильность технических решений, принятых при построении станции:

- показана реализуемость принципа взаимности;

- получен ожидаемый выигрыш в помехозащищённости, связанный с выбором наилучшей частоты передачи;

- доказана правильность выбора алгоритма вхождения в синхронизм;

- получен выигрыш в помехоустойчивости от применения рекуррентного кодирования с перемежением;

- расчётные характеристики дальности связи совпадают с экспериментальными, что доказывает правильность оценки энергетического интервала радиолинии.

При испытаниях полностью подтвердилась работоспособность принципа передачи с выбором оптимальной частоты. Был зафиксирован практический выигрыш в помехозащищённости близкий теоретическому выигрышу.

 На тропосферных трасах была получена функция корреляции сигналов во времени. Выявлена зависимость интервала корреляции от расстояния и диаметра антенн.

Произведена оценка скорости изменения среднего уровня сигнала при изменении условий тропосферного распространения радиоволн. Эта скорость составляет величину 1дБ в минуту. Этот параметр можно использовать при реализации программы адаптации скорости передачи к пропускной способности канала.

Методика расчёта линий загоризонтной связи [5] даёт достаточно точные значения ожидаемого качества связи при учёте климатических параметров.

Литература.

1. Справочник по радиорелейной связи. Под ред. , М., Радио и связь, 1981г.

2. Отчёт о полевых испытаниях станции загоризонтной связи «Ладья», М, МНИРТИ, 2007г.

3 , , Троицкий тропосферная радиосвязь // М., Связь, 1968г.

4 , Черенкова радиоволн и работа радиолиний. // М. Связь. 1971.

5 Методика энергетического расчёта загоризонтной линии связи МНИТИ. 2010г.

6. Левин основы статистической радиотехники. М., Советское Радио, 1966.