СПОСОБ АДАПТИВНОЙ РАДИОСВЯЗИ НА ДАЛЬНИХ РАДИОТРАССАХ В ДКМВ ДИАПАЗОНЕ
METHOD OF ADAPTIVE RADIO COMMUNICATION AT REMOTE RADIO PATHS IN HF RANGE

Изобретение относится к области техники радиосвязи, а более конкретно - адаптивной радиосвязи с использованием регулярных и аномальных способов распространения радиоволн, и может быть использовано для построения систем радиосвязи ДКМВ диапазона.
Известен способ связи в ДКМВ диапазоне с использованием пространственной (ионосферной) радиоволны, распространяющейся между передатчиком и приемником по кратчайшему расстоянию - короткой части дуги большого круга (БК), который обычно называют регулярным. Качество связи при этом зависит от состояния ионосферы вблизи точек отражения радиоволны, зависящего от многих факторов, к важнейшим из которых относится освещенность ионосферы солнцем. В результате максимальные частоты, отражаемые ионосферой, испытывают периодические изменения и зависят от времени суток, года, фазы солнечного цикла и других причин. В ночные часы эти частоты могут стать настолько малы, что связь прерывается. Другой причиной прерывания связи может стать большое поглощение на трассе распространения сигнала [1].
Надежность радиосвязи на радиотрассах ДКМВ диапазона определяется многими причинами, к важнейшим из которых относятся уровень принимаемого сигнала (соотношение сигнал/шум) и степень многолучевости. Многолучевость (мультипликативные помехи) могут существенно ухудшать связь, делая ее порой невозможной, поэтому поиск путей борьбы с многолучевостью является актуальной задачей.
Для расширения времени устойчивой радиосвязи в течение суток меняют рабочие частоты, отслеживая максимально применимую (МПЧ) и оптимальную (ОРЧ) рабочие частоты (адаптация по частоте) [2, 3], однако не для всех трасс и не всегда это оказывается достаточным и существуют часы непрохождения. Для борьбы с многолучевостью приходится снижать скорость передачи данных или использовать специальные модемы, позволяющие компенсировать ее влияние в ограниченном диапазоне задержек (до 5 мс). Этой величины обычно достаточно для радиосвязи на радиотрассах протяженностью менее 3-6 тыс. км. Если диапазон многолучевости больше этой величины, приходится увеличивать длительность элементарной посылки, снижая скорость передачи данных.
Большие диапазоны многолучевости характерны для радиотрасс протяженностью более 6-10 тыс. км. В качестве мультипликативных помех на этих трассах чаще всего выступают сигналы обратного эхо (СОЭ) - сигналы, распространяющиеся вдоль длинной части дуги большого круга, сигналы, рассеянные землей (СРЗ), экваториальные боковые сигналы (ЭБС), которые распространяются через естественные пассивные ретрансляторы. В роли пассивных ретрансляторов выступает для сигналов СРЗ рассеяние сигналов неровностями земной поверхности в стороне от дуги большого круга, а для ЭБС - ионосферные неоднородности экваториальной зоны [4]. Диапазон многолучевости для дальних радиотрасс может достигать нескольких десятков миллисекунд, меняясь в широких пределах в зависимости от характеристик радиотрасс, времени года и суток, частоты и ионосферных условий. В часы сильно развитой многолучевости радиосвязь на этих радиотрассах может оказаться практически невозможной несмотря на высокие уровни принимаемых сигналов.
Для обеспечения связи в эти часы обычно используются иные способы связи или активные ретрансляторы, что усложняет и удорожает систему радиосвязи и не обеспечивает повышение скорости передачи данных. Поэтому поиск способов расширения времени устойчивой связи и повышения скорости передачи данных в ДКМВ диапазоне является актуальным. Одной из возможностей расширения времени радиосвязи и скорости передачи данных является использование антиподного распространения радиоволн, когда активный ретранслятор расположен в области антипода передатчика. В этой области происходит увеличение амплитуды принимаемых сигналов вследствие антиподной фокусировки и сокращение диапазона многолучевости вследствие групповой фокусировки.
В качестве прототипа выбран способ связи с вынесенным ретрансляционным пунктом [5], получивший достаточно широкое применение в зоновых системах радиосвязи, но для трасс длиннее 6-10 тыс. км недостаточно эффективный из-за действия мультипликативных помех.
Основной задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение времени связи (надежности связи) и скорости передачи данных в ДКМВ диапазоне на радиотрассах большой протяженности (15000-20000 км) за счет использования ретранслятора, расположенного в антиподной области и использующего эффеты антиподного распространения радиоволн и адаптивного выбора канала радиосвязи.
В предлагаемом способе используется двухпараметрическая адаптация по направлениям приема-передачи и частоте. Критерием оптимальности служит максимизация оценки соотношения сигнал/помеха или надежности радиосвязи, сделанных в пределах времени стационарности радиоканала.
Технический результат достигается тем, что предлагаемый способ адаптивной радиосвязи на дальних радиотрассах в ДКМВ диапазоне с применением активного ретранслятора отличается тем, что для повышения скорости передачи данных и надежности радиосвязи активный ретранслятор помещают в антиподную передатчику область, где многолучевость минимальна, связь с которым осуществляют с адаптацией по направлениям излучения и приема, а также по частоте на основе трассовых расчетов антиподного распространения радиоволн и измерений, проводимых в реальном времени.
На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемого способа связи. Цифрами на ней обозначены:
1 - источник информации;
2 - радиопередатчик;
3 - передающая антенна;
4 - среда распространения (антиподный ионосферный радиоканал);
5 - приемная антенна;
6 - радиоприемник;
7 - приемник информации;
8, 9 - управляющие ЭВМ, служащие для отслеживания азимутов излучения и приема и выбора рабочей частоты;
10 - внутризоновые каналы радиосвязи;
11, 12…13 - корреспонденты внутри зоны связи.
К отличительным признакам способа относятся:
1. Для связи между передатчиком и приемником ретранслятора используется антиподный канал радиосвязи, что обеспечивает увеличение уровня принимаемого сигнала за счет антиподного эффекта и уменьшение интервала многолучевости за счет групповой фокусировки в антиподе.
2. Передающую и приемную антенны ориентируют в направлении выбранной для данного времени суток оптимальной трассы распространения. Азимуты излучения и приема находят в результате трассовых расчетов или измерений.
3. Для повышения эффективности способа его применяют в сочетании с частотной адаптацией (выбор наилучшей из нескольких частот), поскольку каждой паре азимутов излучения-приема наилучшие условия наступают в разное время суток и на разных частотах.
4. Управление ориентацией передающей и приемной антенн производится на основании программы, включающей модели ионосферы и распространения радиоволн или на основании тестовых измерений на радиотрассах.
5. Связь на участках ретранслятор-корресподенты внутри зоны радиосвязи осуществляется в ДКМВ или МВ-ДМВ диапазонах.
Проведенными исследованиями [1, 4, 6, 7] установленно, что на радиотрассах ДКМВ диапазона протяженностью 3-20 тыс. км наиболее часто наблюдаются три основных типа распространения радиоволн: распространение вдоль короткой части дуги большого круга, связывающего передатчик и приемник (включает все моды распространения с отражением от ионосферы) - прямой сигнал - ПС; распространение вдоль длинной части дуги большого круга - сигнал обратного эхо - СОЭ и распространение с использованием пассивного ретранслятора, в роли которого выступают ионосферные неоднородности экваториальной зоны - экваториальный боковой сигнал - ЭБС или неоднородности земной поверхности - сигналы, рассеянные землей - СРЗ.
Пути распространения этих типов сигналов показаны на фиг.2. Цифрами на нем обозначены:
14 - точка расположения передатчика;
15 - точка расположения приемника;
16 - район области рассеяния;
17 - путь распространения прямого сигнала;
18 - путь распространения сигнала обратного эхо;
19 - путь распространения ЭБС (или СРЗ) от передатчика до области рассеяния;
20 - путь распространения ЭБС (или СРЗ) от области рассеяния до приемника.
Установлена регулярность и предсказуемость появления этих типов сигналов и наличие у них суточного хода основных параметров [1, 2, 8], вследствие чего для фиксированной трассы в разное время суток и на разных частотах наиболее интенсивными оказываются разные сигналы. Разное время распространения этих сигналов и разные направления прихода позволяют различить и разделить эти сигналы.
Способ осуществляют следующим образом.
На основании измерений или расчетов для антиподной радиолинии в зависимости от времени суток выбирают ориентацию используемых антенн и оптимальную частоту связи. В течение суток их значения при необходимости меняют, отслеживая наиболее выгодные условия связи. Желательна работа вблизи максимальной применимой частоты трассы, что обычно обеспечивает максимальное соотношение сигнал/шум. В качестве помех выступают аддитивные и мультипликативные помехи, связанные с отражением от различных слоев ионосферы, интервал многолучевости для которых обычно не превышает 5 мс, что может быть нейтрализировано с помощью существующих модемов с защитой от многолучевости. Многолучевость с большими задержками в точке антипода обычно отсутствует [5]. Это свойство антиподного распространения позволяет осуществлять передачу данных с высокими скоростями (до нескольких кбит/с). Передача информации между ретранслятором и корреспондентами внутри зоны связи осуществляется по обычным каналам связи в ДКМВ, MB или ДМВ диапазонах.
Из изложенного очевидно, что связь с использованием антиподного распространения требует выбора, ориентации антенн и рабочей частоты. Существенно, что вследствие суточного вращения земли эти направления и частоты будут постоянно меняться, что требует постоянного отслеживания азимутов излучения и приема.
Возможность использования предлагаемого способа демонстрируют результаты эксперимента по приему сигналов станции единого времени (СЕВ) и многочастотного радиопередатчика на радиотрассах Иркутск - Тихий океан протяженностью 15000-20000 км в июне - июле 1980 г. [4, 6, 7].
Станция СЕВ РИД (Иркутск) работала круглосуточно на частотах вблизи 10 и 15 МГц. Кроме того, по специальной программе вблизи г.Иркутск работал многочастотный передатчик. Прием производился в Тихом и Атлантическом океанах на трассах протяженностью 15-20 тыс. км при пересечении судном области антипода г.Иркутск. Маршрут судна в течение эксперимента приведен на Фиг.3. Эксперименты показали, что в области антипода наблюдается четко выраженный суточный ход амплитуды принимаемого сигнала, которая в течение суток меняется на 20-40 дБ. Оптимальные условия радиосвязи наступают в часы сближения трассы с линией терминатора, что соответствует известным результатам [9, 10, 11]. Важным является то обстоятельство, что на ряде частот сигнал принимается круглосуточно, что позволяет поддерживать постоянную радиосвязь. Было обнаружено также то, что вблизи области антипода интервал многолучевости резко сужается, что было названо групповой фокусировкой, и объясняется тем, что в эту область сигнал может попасть только вдоль дуги большого круга протяженностью 20 тыс. км, где все сигналы суммируются. Это справедливо для прямых сигналов, сигналов обратного эхо, экваториальных боковых сигналов, сигналов, рассеянных землей. Интервал многолучевости в области антипода формируется только за счет многолучевости в вертикальной плоскости и редко превышает 5 мс.
В качестве примера, на фиг.4 приведены схемы распространения радиоволн от передатчика (точка a) при приеме в антиподе (точка с) и при приеме вдали от антипода (точка b) в присутствии областей интенсивного рассеяния радиоволн землей (область d) и ионосферными неоднородностями (область e). Видно, что в точку с сигнал от обеих областей может попасть только вдоль дуги большого круга протяженностью 20 тыс. км, а в точку b приходят лучи с различными задержками, формируя диффузные сигналы, что поясняется приведенными осциллограммами.
Результаты анализа полученных данных показывают:
1. В области антипода существует суточный ход амплитуды сигнала, и наилучшие условия радиосвязи наступают при сближении радиотрассы с терминатором.
2. Максимальная суточная амплитуда сигнала имеет наибольшее значение в точке антипода и при удалении от нее снижается.
3. Диапазон многолучевости при приеме в антиподе минимален. Он определяется только разницей времени распространения лучей с различным числом отражений от ионосферы и обычно не превышает 5 мс. В районах вне области антипода диапазон многолучевости возрастает и достигает нескольких десятков миллисекунд за счет сигналов обратного эхо и сигналов, отраженных или рассеянных в стороне от трассы распространения прямых сигналов.
4. Адаптация по частоте позволяет выбрать частоту с максимальным уровнем принимаемого сигнала, расширить время приема сигнала практически до круглосуточного и минимизировать диапазон многолучевости.
5. Условия связи на антиподных радиотрассах могут быть рассчитаны с использованием современных глобальных моделей ионосферы и ионосферного распространения радиоволн, что позволяет управлять антиподным каналом радиосвязи.
Полученные результаты указывают на возможность использования антиподного распространения радиоволн с адаптивным выбором трасс радиосвязи и рабочих частот для организации радиосвязи на радиотрассах большой протяженности. Для территории России такая схема наиболее оптимальна для связи с южными районами Тихого и Атлантического океанов. В системах ДКМВ радиосвязи она позволит увеличить надежность радиосвязи, повысить скорость передачи информации и сократить необходимое количество узлов связи.
ЛИТЕРАТУРА
1. Альперт Я.Л. Распространение радиоволн и ионосфера. - М.: Изд. АН СССР, 1960. - 480 с.
2. Иванов В.А., Рябова Н.В., Шумаев В.В. Основы радиотехнических систем ДКМ диапазона. Йошкар-Ола, 1998, с.62-78.
3. Грудинская Г.П. Распространение коротких и ультракоротких радиоволн. - М.: Радио и связь, 1981, с.19-25.
4. Брянцев В.Ф. О причинах появления перемещающихся сигналов на трансэкваториальных трассах. // Изв. вузов. Радиофизика, 1998. - №3, с.395.
5. О.В.Головин, С.П.Простов. Системы и устройства коротковолновой радиосвязи. / под ред. проф. О.В.Головина. Москва Горячая линия - Телеком 2006, 598 с.; с.47-54 (прототип).
6. Брянцев В.Ф. Аномальные моды распространения - резерв увеличения возможностей ДКМВ радиосвязи. Труды 13 международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (RLNC*2007), Воронеж, 2007, т.2, с.1083-1090.
7. Брянцев В.Ф., Птицын А.С., Стародубровский А.С. Аномальные моды распространения радиоволн на радиотрассах большой протяженности. / Распространение радиоволн. 23 всероссийская научная конференция. Йошкар-Ола 23-26 мая 2011 г., сборник докладов. Йошкар-Ола МарГТУ, 2011, т.3, с.47-51.
8. Брянцев В.Ф. Исследования и испытания каналов радиосвязи с подвижными объектами с использованием радиофизических методов контроля среды распространения радиоволн. Диссертация на соискание ученой степени доктора физ.-мат. наук. Н.Новгород, 2000.
9. Шпионский А.Г. Дальнее распространение радиоволн в ионосфере. М.: «Наука», 1979.
10. Bold G.E.J. Распределение напряженности поля вблизи антипода KB передатчика. // J. Atmos and Terr. Phys. - 1969. - v.31. - №12. - pp.1391-1411.
11. Gerson N.C., Henger J.G., Pipp R.M., Webster J.В. // Canad. J. Phys. 1969, v.47. - №20 - p.2143-2159.