Стационарный узел территориального радиодоступа диапазона ДКМВ
STATIONARY NODE OF TERRITORIAL RADIO DIVISION OF DKMV RANGE

Изобретение относится к системам радиосвязи ДКМВ диапазона с использованием отражения радиоволн от ионосферного слоя F2. Изобретение может быть использовано для построения крупномасштабных национальных или континентальных сетей радиодоступа.
Изобретение может быть использовано для создания локальных зон радиосвязи с радиусом сплошной зоны обслуживания до 3000 км с повышенной пропускной способностью в районах необорудованных другими системами и устройствами электрической связи.
Для оценки новизны и технического уровня заявленного решения рассмотрим ряд известных заявителю технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленным изобретением признаков, известных из сведений, ставших общедоступными до даты приоритета изобретения.
Известна система стационарного цифрового широкополосного радиодоступа, содержащая базовую (центральную) радиостанцию СВЧ с антенной, имеющей круговую либо секторную диаграмму направленности, и размещенные в пределах прямой радиовидимости, на разных удалениях от базовой (центральной) станции СВЧ групповые абонентские (оконечные) радиостанции СВЧ с высоконаправленными антеннами, ориентированными на базовую (центральную) станцию СВЧ, отличающаяся тем, что в состав базовой станции введен делитель мощности СВЧ на N направлений, введены N-1 остронаправленные антенны, работающие с двумя ортогональными поляризациями, групповой выход широкополосного передатчика (передатчиков) базовой станции СВЧ подключен ко входу делителя мощности, к одному из выходов которого присоединен одномодовый вход селектора поляризации антенны с круговой либо секторной диаграммой направленности в горизонтальной плоскости, а другие N-1 выходов делителя мощности присоединены к соответствующим входам селекторов поляризации N-1 остронаправленных антенн, при этом в состав базовой радиостанции СВЧ введен сумматор принимаемых от абонентских станций сигналов СВЧ с N направлений, имеющий в составе N преселекторов, N малошумящих усилителей СВЧ и схему сложения, выход которой соединен с групповым входом приемника (приемников СВЧ) базовой радиостанции СВЧ, а каждый отдельный вход сумматора сигналов соединен с выходом селектора поляризации соответствующей антенны, см. патент РФ №2285339.
Недостатком таких систем является незначительная (радиусом несколько десятков километров) зона обслуживания одной базовой станции, ограниченная прямой видимостью между антеннами базовой и абонентской радиостанций.
Известны зональные систем ДКМВ радиосвязи с вынесенным ретрансляционным пунктом (О.В. Головин, С.П. Простое. Системы и устройства коротковолновой радиосвязи. Горячая Линия - Телеком. 2006. 600 с.). Основным недостатком таких систем является относительно небольшая (диаметром до 1000) зона обслуживания одного ретранслятора, причем зона расположения самого ретранслятора им не обслуживается.
крF2
Известна система ДКМВ связи с использованием отражения радиоволн от ионосферы, содержащая приемопередающие устройства, подключенные к приемопередающей антенне зенитного излучения (Поляков В.Т. NVIS - ТЕХНИКА БЛИЖНЕЙ СВЯЗИ НА КВ. «Спецтехника и связь», 2009, №1, с. 59-63). Данное техническое решение принято в качестве прототипа заявленного изобретения. Базовая станция или радиоузел, построенные по этой технологии, обеспечивают связь с абонентами в зоне радиусом до 500 км от места расположения антенны зенитного излучения (АЗИ). Недостатками системы являются сравнительно небольшая зона обслуживания и малый диапазон рабочих частот, который ограничен критической частотой слоя F2 ионосферы - ƒ. Эта частота в зимнее ночное время может понижаться до 2,5 - 3.0 МГц с соответствующим уменьшением пропускной способности узла, использующего только эту технологию.
Задача, решаемая заявляемым изобретением, следующая:
Известные узлы радиодоступа (узлы зенитного излучения и удаленные ретрансляторы) диапазона ДКМВ пригодны для организации локальных зон радиодоступа с относительно небольшим количеством радиоабонентов. Это ограничение связано с небольшим допустимым диапазоном рабочих частот таких узлов, обусловленным условиями применения. Квазистационарная ионосфера на интервале стационарности обеспечивает отражение радиоволн, примерно, в диапазоне от 2 до 30 МГц в зависимости от углов падения радиоволн (протяженности радиолиний). Узел, для которого весь этот диапазон является рабочим, может обеспечить максимальное количество радиоканалов и максимальный радиус зоны обслуживания абонентов. В свою очередь узел с максимально возможной зоной обслуживания позволяет формировать крупномасштабные сети радиодоступа при небольшом количестве базовых узлов.
Заявленное изобретение направлено на создание узла радиодоступа диапазона ДКМВ с максимальным радиусом зоны обслуживания и максимальным диапазоном рабочих частот, который позволяет обслуживать большое количество абонентов с использованием радиолиний, свободных от замираний многолучевости.
Сущность изобретения как технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше результата.
Согласно изобретению стационарный узел территориального радиодоступа диапазона ДКМВ, содержащий приемный радиоцентр с многоканальным радиоприемным устройством, соединенным с приемной антенной зенитного приема, и передающий радиоцентр с многоканальным радиопередающим устройством, соединенным с передающей антенной зенитного излучения, соединенные между собой выделенной линией кабельной или радиорелейной связи и подключенные к линиям связи единой автоматизированной сети связи каждый, характеризуется тем, что на приемном радиоцентре он снабжен комплектом приемных поддиапазонных антенн расширения зоны доступа, подключенных к входам антенного коммутатора, выходы которого соединены с функциональными группами многоканальных радиоприемных устройств ионосферно-волновой службы, автоматического установления связи и адаптивных радиолиний, сигнальные выходы которых соединены с сигнальными входами соответствующих программно-аппаратных комплексов, объединенных в единую локальную сеть узла с программно-аппаратными комплексами геоинформационной службы, информационной безопасности управления радиоузлом, коммутатора-маршрутизатора, шлюзами выделенной линии связи передающего радиоцентра и внешних сетей; при этом на передающем центре стационарный узел снабжен комплектом передающих диапазонных антенн расширения зоны доступа, каждая из которых подключена к выходу схемы сложения мощностей, объединяющей по своим входам соответствующую группу радиопередающих устройств, причем все устройства каналообразования вместе с дополнительно введенными программно-аппаратными комплексами управления передающим радиоцентром, коммутатора-маршрутизатора и шлюзами объединены в локальную сеть радиоцентра.
Технический результат, обеспечиваемый при реализации заявленной совокупности существенных признаков, заключается в следующем:
- увеличение радиуса зоны обслуживания территориального узла радиодоступа до 3000 км;
- исключение замираний сигнала, обусловленных многолучевым распространением в большой зоне обслуживания;
- расширение диапазона рабочих частот в зоне обслуживания одного узла.
Увеличение радиуса зоны обслуживания территориального узла радиодоступа до 3000 км обеспечивается комплектами диапазонных приемных и передающих антенн радиодоступа для радиолиний любой протяженности в интервале 0-3000 км.
Исключение замираний сигнала, обусловленных многолучевым распространением в большой зоне обслуживания, обеспечивается ПАК ИВ, ПАК ГЕО, определяющими параметры радиолиний с модой 1F2, а также ПАК АУС, ПАК АРЛ, создающими и поддерживающими радиолинию с найденными параметрами.
Расширение диапазона рабочих частот в зоне обслуживания одного узла обеспечивается всеми существенными признаками, так как поддержка радиолиний в диапазоне дальностей 0-3000 км только модами 1F2 требует использования всего диапазона частот ионосферного распространения 2-30 МГц.
Сущность изобретения модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена схема соединения разнесенных приемного (ПРЦ) и передающего центров (ПДРЦ) узла, их подключение к единой автоматизированной сети связи (ЕАСС) и взаимодействие с CAT, на фиг. 2 - функциональная схема приемного радиоцентра в составе узла, на фиг. 3 - функциональная схема передающего радиоцентра в составе узла.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - стационарный узел территориального радиодоступа ДКМВ;
2 - приемный центр (ПРЦ) узла;
3 - передающий центр (ПДРЦ) узла;
4 - мобильные и стационарные сетевые абонентские терминалы (CAT);
5 - единая автоматизированная сеть связи (ЕАСС);
6 - комплект поддиапазонных стационарных приемных антенн радиодоступа, количество которых зависит от количества антенн в комплекте;
7 - комплект поддиапазонных стационарных приемных антенных решеток магистральных радиолиний, количество которых зависит от количества антенн в комплекте;
8 - приемный антенный коммутатор;
9 - комплект цифровых многоканальных радиоприемных устройств (ЦРПУ) ионосферно-волновой службы;
10 - комплект многоканальных ЦРПУ службы автоматического установления;
11 - комплект многоканальных ЦРПУ службы адаптивных радиолиний;
12 - программно-аппаратный комплекс ионосферно-волновой службы (ПАК ИВ);
13 - программно-аппаратный комплекс службы автоматического установления связи (ПАК АУС);
14 - программно-аппаратный комплекс адаптивных радиолиний (ПАК АРЛ);
15 - программно-аппаратный комплекс геоинформационной службы (ПАК ГЕО);
16 - программно-аппаратный комплекс информационной безопасности (ПАКИБ);
17 - программно-аппаратный комплекс управления радиоузлом (ПАК УР);
18 - шлюз выделенной линии связи с передающим радиоцентром;
19 - шлюз сопряжения с линиями ЕАСС и другими внешними сетями;
20 - программно-аппаратный узловой коммутатор-маршрутизатор (ПАК УКМ);
21 - комплект поддиапазонных стационарных передающих антенн радиодоступа, количество которых зависит от количества антенн в комплекте;
22 - комплект поддиапазонных стационарных передающих антенных решеток магистральных радиолиний, количество которых зависит от количества антенн в комплекте;
23 - устройство сложения мощностей, количество которых зависит от общего количества антенн радиоцентра;
24 - комплект цифровых радиопередающих устройств (ГДРПДУ) радиодоступа, количество которых зависит от количества антенн в комплекте;
25 - комплект цифровых радиопередающих устройств (ЦРПДУ) магистральных радиолиний, количество которых зависит от количества антенн в комплекте;
26 - программно-аппаратный комплекс управления передающим радиоцентром (ПАК УРПРД);
27 - программно-аппаратный коммутатор-маршрутизатор передающего центра (ПАК ЦКМ),
28 - шлюз выделенной линии связи с приемным радиоцентром;
29 - шлюз сопряжения с линиями ЕАСС и другими внешними сетями. Заявленный стационарный узел радиодоступа содержит приемный 1 и передающий 2 радиоцентры с программно-определяемым оборудованием, антенны зенитного приема и излучения, соединенные между собой выделенной линией связи и подключенные присоединительными линиями связи к ЕАСС 5 каждый. ПРЦ 2 узла содержит комплект поддиапазонных стационарных приемных антенн радиодоступа 6 и комплект поддиапазонных стационарных приемных антенных решеток магистральных радиолиний 7. Все антенны соединены с антенными входами антенного коммутатора 8, к выходам которого подключены комплект многоканальных ЦРПУ ионосферно-волновой службы 9, выходы которых подключены к сигнальным входам ПАК ИВ 12, комплект многоканальных ЦРПУ службы АУС 10, выходы которых подключены к сигнальным входам ПАК АУС 13, комплект многоканальных ЦРПУ службы адаптивных радиолиний 11, выходы которых подключены к сигнальным входам ПАК АРЛ 14. Перечисленные выше функциональные программно-аппаратные комплексы вместе с ПАК ГЕО 15, ПАК ИБ 16, ПАК УР 17, шлюзами 18 и 19, ПАК УКМ 20 объединены высокоскоростной шиной управления и передачи данных в единую узловую локальную вычислительно-управляющую сеть.
ПДРЦ 3 узла содержит комплект поддиапазонных стационарных передающих антенн радиодоступа 21, комплект поддиапазонных стационарных передающих антенных решеток магистральных радиолиний 22, входы которых подключены к сигнальным выходам устройств сложения мощностей 23, сигнальные входы которых подключены к сигнальным выходам канальных ЦРПДУ радиодоступа 24 и сигнальным выходам канальных ЦРПДУ магистральных радиолиний 25. Перечисленные выше функциональные программно-аппаратные комплексы вместе с ПАК УРПРД 26, ПАК ЦКМ 27, шлюзами 28 и 29 объединены высокоскоростной шиной управления и передачи данных в единую узловую локальную вычислительно-управляющую сеть ПДРЦ.
Заявленный стационарный узел радиодоступа работает следующим образом.
ПАК ИВ 12 узла по заданному суточному графику выполняет вертикальное зондирование ионосферы над узлом и наклонное зондирование со стационарными CAT 4 по заданной группе азимутов вокруг узла. По результатам зондирования определяет распределение критических частот в круговой области ионосферы диаметром 3000 км над узлом.
Узел выполняет обслуживание абонентов в следующих режимах. В режиме вызова от абонента внешней сети к CAT 4 обслуживаемой зоны через ПАК У КМ 20, ПАК АУС 13 запрашивает у ПАК УР 17 свободные радиосредства каналообразования и на закрепленной зональной сетке вызывных частот выполняет процедуру АУС с вызываемым CAT 4. Во время процедуры выполняется аутентификация CAT 4 совместно с ПАК ИБ 16, уточнение текущих координат CAT 4 и расчет дальности и азимута радиолинии совместно с ПАК ГЕО 15, определение диапазона рабочих частот для моды 1F2 совместно с ПАК ИВ 12. После определения параметров радиолинии ПАК АУС 13 выбирает исходные частоты для передачи данных и передает их с параметрами радиолинии в ПАК АР Л 14, который выполняет сеанс связи в режиме частотной адаптации и после его окончания возвращает ПАК УР 17 освободившиеся средства каналообразования.
В режиме вызова от CAT 4 обслуживаемой зоны к абоненту внешней сети ПАК АУС 13 получает запрос от CAT 4 на сетке вызывных частот, запрашивает у ПАК УР 17 свободные радиосредства каналообразования и выполняет процедуру АУС с вызывающим CAT 4. Во время процедуры выполняется аутентификация CAT 4 совместно с ПАК ИБ 16, уточнение текущих координат CAT 4 и расчет дальности и азимута радиолинии совместно с ПАК ГЕО 15, определение диапазона рабочих частот для моды 1F2 совместно с ПАК ИВ 12. После определения параметров радиолинии ПАК АУС 13 выбирает исходные частоты для передачи данных и передает их с параметрами радиолинии в ПАК АР Л 14, который выполняет сеанс связи в режиме частотной адаптации, передает данные сеанса внешнему абоненту через ПАК УКМ 20 и после окончания сеанса возвращает ПАК УР 17 освободившиеся средства каналообразования.
В режиме обмена двух CAT 4 обслуживаемой зоны на первом этапе выполняется процедура АУС с вызывающим абонентом. На втором этапе выполняется процедура АУС с вызываемым абонентом и ПАК АУС 13 принимает решение о выполнении сеанса либо ретрансляцией сообщений, либо по радиолинии прямой связи. Во втором случай на третьем этапе процедуры АУС обоим абонентам передают признак и параметры радиолинии прямой связи без ретрансляции сообщений и сеансы связи узла с этими абонентами прекращаются.
Антенны зенитного излучения (АЗИ), используемые в прототипе, позволяют обслуживать при вертикальном падении и отражении от ионосферы позволяют обслуживать зону радиусом до 500 км. АЗИ могут быть реализованы различными известными способами (например, авторское свидетельство СССР №766487).
Для электромагнитного доступа в любую, незакрытую препятствием, область зоны обслуживания радиусом 3000 км узел должен использовать весь диапазон частот ионосферного распространения. Весь диапазон делится на несколько, например четыре поддиапазона, соответствующие радиолиниям различной протяженности (Зайцев В.В. Оценка размеров зоны обслуживания и нижней границы пропускной способности узла радиодоступа диапазона ДКМВ. Информация и космос, №1, 2014, с. 13-17). Для каждого из поддиапазонов реализуется одним из известных способов антенна с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости и обеспечивающая излучение под углами к горизонту, соответствующими протяженности радиолиний, обслуживаемых этим поддиапазоном. Антенны для такого комплекта могут быть реализованы как в виде антенных решеток, так и в виде простейших вибраторных антенн, например комплекта приподнятых над землей горизонтальных турникетных антенн с различной длиной вибраторов для различных поддиапазонов.
Программно-аппаратные комплексы для предлагаемого узла реализуются на любых современных образцах вычислительной техники и архитектуре вычислительных сетей и комплексов с использованием общедоступных операционных систем, включая операционные системы реального времени. Специальное программное обеспечение для решения задач определения параметров ионосферы и радиолиний может быть выполнено на основе известных методов и способов. Для ПАК ИВ 12 может быть использован, например, «Способ определения максимально применимой частоты радиотрассы в декаметровом диапазоне», авторское свидетельство СССР №1762413. Методы определения протяженности радиолиний с учетом кривизны земной поверхности также известны (Н.Н. Степанов. Сферическая тригонометрия. ОГИЗ, Государственное издательство технико-теоретической литературы. Л., М.: 1948 г.). Способ выбора рабочих частот радиолиний различной протяженности для моды 1F2 известен и опубликован. (Зайцев В.В., Круковская И.Я. Выбор рабочих частот в зоне обслуживания узла радиодоступа диапазона ДКМВ. «Информация и Космос». 2015 г. №4 С. 10-12). Вся профессиональная приемная и передающая аппаратура для диапазона ДКМВ имеет диапазон рабочих часто от 1,5 до 30 МГц.