Способ повторного использования частотного ресурса в зоне обслуживания узла радиодоступа диапазона ДКМВ
METHOD OF FREQUENCY RESOURCE RE-USE IN SERVICE AREA OF HF WAVES INTERVAL RADIO ACCESS UNIT

Изобретение относится к сетям и системам радиосвязи диапазона ДКМВ с использованием отражения радиоволн от ионосферного слоя F2. Изобретение может быть использовано для создания локальных зон радиодоступа с радиусом зоны обслуживания до 3000 км и повышенной эффективностью использования выделенной группы рабочих частот.
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.
В системах множественного радиодоступа взаимодействие различных групп абонентов выполняется через узлы (базовые станции) радиодоступа. Каждому узлу назначают зону обслуживания и ограниченный частотный ресурс. Количество одновременно обслуживаемых абонентов в зоне зависит от эффективности использования выделенного частотного ресурса. Для увеличения этой эффективности зона обслуживания узла может быть, например, поделена на несколько секторов посредством соответствующих диаграмм направленности антенн. В каждом из секторов некоторые группы частот общего ресурса зоны могут быть использованы повторно и одновременно. При использовании в зоне обслуживания режима прямых связей между абонентами необходим дополнительный частотный ресурс, подобно системе ТЕТ-RA (ETSI EN 300 396-2 V1.3.1 (2006-09) Terrestrial Trunked Radio (TETRA); Technical requirements for Direct Mode Operation (DMO); Part 2: Radio aspects). Каналы прямой связи и каналы радиодоступа абонентов к узлу в УКВ - СВЧ системах не могут работать одновременно в одной зоне обслуживания на одинаковых частотах из-за взаимных помех.
Известна система массового обслуживания диапазона ДКМВ. Сеть коротковолновой радиосвязи для передачи дискретных сообщений по патенту RU №2336635 содержит группу удаленных от зон обслуживания базовых станций, выполняющих роль ретрансляторов для взаимодействия абонентских терминалов, расположенных в зонах радиодоступа. Связь абонентов через базовую станцию выполняется на одной группе частот, соответствующих дальним или средним радиотрассам. Прямая связь без ретранслятора между абонентами зоны может быть установлена на другой группе рабочих частот, соответствующих радиотрассам малой протяженности. И в этом случае подсистема прямой радиосвязи между абонентами одной зоны обслуживания не может работать на частотах, используемых для радиодоступа к узлу.
Существуют различные способы увеличения эффективности использования ограниченного частотного ресурса в зоне обслуживания узла радиодоступа. Наиболее близким аналогом является способ общего повторного использования частотного ресурса в зоне обслуживания базовой станции по патенту RU №2352085. В известном способе зона обслуживания базовой станции (сота) делится на несколько секторов, соответствующих главным лепесткам диаграмм направленности секторных антенн. Частотный ресурс, выделенный зоне, разделяется на две неперекрывающиеся части: специфический набор частот S и общий набор частот С. Частоты из набора S могут быть назначены одновременно нескольким абонентам в различных секторах, а каналы этих частот разделяются за счет характеристик направленности секторных антенн. Каждая частота из набора С одновременно выделяется только одному пользователю в зоне. Таким образом на частотах группы С обслуживаются абоненты, испытывающие помехи со стороны другого сектора при работе на частотах группы S на границе секторов.
Для выделения абонентскому терминалу частотных ресурсов в каком-либо секторе первоначально устанавливают состояние канала для этого терминала на основании, например, результатов измерений прямой линии связи и/или результатов измерений обратной линии связи. Терминалу выделяют ресурсы из общего набора или специфического для сектора набора на основании состояния канала, используемого терминалом. Например, если терминал испытывает сильные помехи со стороны другого сектора, то такому терминалу могут быть выделены ресурсы из общего набора, которые не испытывают или почти не испытывают помех со стороны другого сектора.
Недостатком известного способа является тот факт, что при организации подсистемы прямых связей в пределах зоны и в рамках общего частотного ресурса общее количество одновременно действующих каналов радиодоступа к узлу необходимо уменьшать вследствие взаимного влияния каналов прямой связи и каналов доступа к узлу, использующих одновременно один и тот же частотный ресурс. В противном случае увеличение количества каналов, использующих одновременно общий частотный ресурс одного сектора, приведет к взаимному ухудшению качества таких каналов.
Из-за ограниченного частотного ресурса ионосферного распространения радиоволн диапазона ДКМВ существует потребность формировать каналы прямой связи и каналы радиодоступа к узлу на одних и тех же частотах в одной и той же зоне обслуживания без их взаимного влияния. При этом максимально возможное общее количество одновременно действующих каналов будет возрастать при неизменном выделенном частотном ресурсе без ухудшения качества каналов прямой связи и радиодоступа, работающих на одинаковых частотах.
Решаемая заявляемым изобретением задача заключается в следующем.
Ионосфера является естественным, высокоподнятым, пассивным ретранслятором радиоволн. Протяженность радиолиний при однократном отражении от слоя F2 составляет от 0 до 3000 км. Но рабочий диапазон частот ионосферных каналов незначителен и составляет от 10 до 30 МГц в зависимости от состояния отражающего слоя. Изменение состояния ионосферы имеет суточные и годовые циклы и определяется параметрами солнечной активности и текущей солнечной освещенности. Современные технологии формирования, обработки и излучения радиосигналов позволяют создавать эффективные сетевые структуры с использованием ионосферных каналов. Потенциальная канальная емкость таких структур определяется жесткими физическими и административными ограничениями частотного ресурса.
Из-за ограниченного частотного ресурса ионосферного распространения радиоволн диапазона ДКМВ существует потребность формировать каналы прямой связи и каналы радиодоступа к узлу на одних и тех же частотах в одной и той же зоне обслуживания без их взаимного влияния. При этом максимально возможное общее количество одновременно действующих каналов будет возрастать при неизменном выделенном частотном ресурсе без ухудшения качества каналов прямой связи и радиодоступа, работающих на одинаковых частотах.
Заявленное изобретение направлено на решение задачи увеличения общего объема трафика по ионосферным радиоканалам в зоне обслуживания узла радиодоступа при заданном ограниченном частотном ресурсе.
Сущность изобретения как технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше результата.
Способ повторного использования частотного ресурса в зоне обслуживания узла радиодоступа диапазона ДКМВ, заключающийся в том, что зону радиодоступа радиусом до 3000 км одного узла разбивают на несколько секторов по азимуту, а каждый сектор на несколько элементов по дальности, при этом элементы всех секторов, прилегающие к месту расположения узла, объединяют в одну круговую область радиусом до 500 км, а выделенный зоне частотный ресурс делят на два набора рабочих частот: общий набор зоны и специфический набор секторов, характеризуется тем, что специфический набор секторов дополнительно делят на несколько специфических наборов по дальности, выполняют по суточному расписанию вертикальное зондирование ионосферы над узлом и наклонное зондирование во всех секторах с выделенными стационарными абонентами, затем по результатам зондирования определяют критические частоты слоя F2 над узлом и секторами в радиусе до 1500 км от узла и строят карту распределения максимально применимых частот над зоной обслуживания, при этом все абоненты, зарегистрированные узлом в его зоне обслуживания, перед запросом сеанса с узлом или при вызове от узла определяют свои текущие координаты встроенным приемником спутниковой навигационной системы, причем абоненты при запросе канала связи на сетке вызывных частот своего элемента, кроме общих параметров запроса системы, устанавливают в протоколе признак радиодоступа или прямой связи и свои координаты, а на узле по данным зондирования и навигационным данным определяют пространственные параметры запрашиваемой радиолинии и необходимый диапазон рабочих частот, причем при запросе прямой связи на узле определяют выполнение условий пространственного разделения каналов и при выполнении этих условий повторно назначают для канала прямой связи частоты из какого-либо специфического набора радиодоступа соответствующей дальности, а выделенный частотный ресурс передают абонентам по служебным каналам на сетке вызывных частот, при этом абоненты выполняют сеанс прямой связи с использованием повторно выделенного частотного ресурса из специфического набора радиодоступа.
Технический результат, обеспечиваемый при реализации заявленной совокупности существенных признаков заявленного изобретения, заключается в увеличении кратности одновременного повторного использования ограниченного частотного ресурса при организации прямых связей между абонентами в зоне обслуживания узла радиодоступа диапазона ДКМВ.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен один из возможных вариантов структурирования зоны радиодоступа, на фиг. 2 - пример блок-схемы реализации заявленного способа.
0
1
2
3
На фиг. 1 выделена центральная круговая область, из которой доступ выполняется зенитным излучением. Центральной области присвоен специфический набор частот S для радиолиний зенитного излучения. Каждый из секторов зоны разбит на три дополнительных элемента по дальности, которым присвоены специфические наборы частот S, S, S, соответствующие дальности абонента от узла.
Позициями на фигурах обозначены:
1 - узел радиодоступа;
З
3
2 - абонентские терминалы в режиме радиодоступа (АТРД), работающие на одинаковых частотах ƒ из специфического набора S;
З
3;
3 - пара абонентов в режиме прямой связи (АТПС) на тех же частотах ƒ из специфического набора S
0;
4 - пара абонентов в режиме прямой связи на частотах из специфического набора S
5 - пара абонентов в режиме прямой связи на частотах из общего набора С;
6 - блок, позволяющий структурировать зону обслуживания и распределять выделенный частотный ресурс;
7 - блок, позволяющий по суточному графику выполнить процедуры зондирования и формировать текущую карту фактических значений критических частот;
8 - блок, позволяющий выполнить служебную процедуру установления связи на сетке вызывных частот;
9 - блок, позволяющий по данным зондирования и навигационным данным определить пространственные параметры запрашиваемой радиолинии и необходимый диапазон рабочих частот;
10 - блок, позволяющий выполнить условный переход по функциональному признаку радиолинии;
11 - блок, позволяющий выполнить условный переход линии радиодоступа по качеству канала;
12 - блок, позволяющий выполнить условный переход по оценке местоположения абонентов и условиям пространственного разделения каналов;
13 - блок, позволяющий назначить рабочие частоты из общего набора;
14 - блок, позволяющий повторно назначить частоты специфического набора;
15 - блок, позволяющий назначить частоты из общего набора;
16 - блок, позволяющий сообщить рабочие частоты корреспондентам.
Заявленный способ осуществляют следующим образом.
0 max
н max
В основе предложенного способа лежат следующие известные физические явления. (Яковлев О.И., Якубов В.П., Урядов В.П., Павельев А.Г. Распространение радиоволн: Учебник / Под ред. О.И. Яковлева. - М.: ЛЕНАНД, 2009. - 496 с.). При наклонном падении радиоволны на ионосферу максимальной дальности одного скачка соответствует некоторый угол θ между направлением распространения и вертикалью в области отражения. Этому углу соответствует некоторая максимальная частота отражения ƒ, которая является верхней границей рабочего диапазона частот для соответствующего сектора зоны обслуживания. Соответствующая максимальная дальность устанавливает предел радиуса зоны обслуживания одного узла радиодоступа диапазона ДКМВ для радиолиний с использованием только одного отражения от слоя F2 (мода 1F2). Каждой длине радиолинии соответствует некоторая максимально-применимая частота (МПЧ). Для радиолинии с модой 1F2 всегда может быть найден рабочий диапазон частот исключающий появление моды 2F2 с двумя отражениями от ионосферы (Зайцев В.В., Круковская И.Я. Выбор рабочих частот в зоне обслуживания узла радиодоступа диапазона ДКМВ. Информация и Космос. 2015, №4, с. 10-12.)
p
L
р
р
При организации наклонной линии радиодоступа длиной L с модой 1F2 между узлом и удаленным абонентом на частоте ƒ вблизи МПЧ между передатчиком и приемником этой линии имеется область, называемая зоной молчания, или «мертвой зоной», в которой сигнал передатчика отсутствует. Этот эффект вызван превышением выбранной рабочей частоты ƒ над МПЧ более коротких радиолиний. Радиоволны рабочей частоты не отражаются от областей ионосферы, расположенных ближе к передатчику, и не достигают поверхности земли в зоне молчания. Если какой-либо другой абонентский терминал находится в зоне молчания, он не может принимать сигналы радиолинии L. Абонентский терминал из зоны молчания АТПС 3 может создать линию прямой связи со своим корреспондентом, удаленным от него на расстояние, соответствующее L, на той же частоте ƒ. Если второй корреспондент АТПС 3 также находится в зоне молчания линии радиодоступа, то корреспонденты последней не принимают сигналов линии прямой связи. Этот эффект можно назвать пространственным разделением каналов, занимающих одинаковые частоты, в общей зоне обслуживания узла радиодоступа. Особенностью эффекта является его независимость от характеристик направленности секторных антенн. Эффект проявляется даже в том случае, если зона обслуживается антенной (или комплектом антенн) с круговой диаграммой в азимутальной плоскости.
З
З
З
З
На фиг. 1 АТРД 2 находятся на, примерно, одинаковом большом расстоянии от узла и могут работать в режиме радиодоступа на одинаковых частотах ƒ из специфического набора S3 благодаря характеристикам направленности секторных антенн. Пара АТПС 3 находится в зонах молчания для частот радиодоступа ƒ, между узлом и АТРД 2, но расстояние между АТПС 3 соответствует рабочим частотам радиодоступа ƒ и эти абоненты могут установить прямую связь на этих частотах. Кратность использования частот ƒ дополнительно увеличивается благодаря пространственному разделению каналов за счет эффекта зоны молчания.
0
АТПС 3 находятся на относительно близком расстоянии между собой (300-500 км), но значительно удалены от центральной зоны. Эти абоненты могут использовать для прямой связи частоты зенитного излучения специфического набора S и кратность использования этого набора также увеличивается
1
2,
Эти рассуждения справедливы и для элементов секторов со специфическими наборами S, S кратность использования которых также возрастает. В случае, если один из абонентов прямой связи не находится в зоне молчания соответствующей линии радиодоступа, этой паре для организации прямой связи выделяются частоты из общего набора С.
Обязательными новыми условиями для реализации технического эффекта являются:
- периодический контроль состояния ионосферы над зоной обслуживания для определения МПЧ радиолиний и рабочего диапазона частот;
- определение местоположения абонентов для решения о возможности использования частот радиодоступа для канала прямой связи.
Периодический контроль ионосферы над зоной обслуживания узла может выполняться известными средствами и методами вертикального зондирования над узлом и наклонного зондирования между узлом и абонентами по различным азимутам. Определение местоположения абонентов в зоне обслуживания может выполняться с помощью встроенных в абонентские терминалы навигационных приемников одной из существующих спутниковых навигационных систем. Данные о своем местоположении абонентские терминалы могут передавать узлу при выполнении принятой для конкретной системы процедуры установления связи.
0
1
2
3
На фиг. 2 приведен пример блок-схемы процесса для реализации предложенного способа. Блок 6 структурирует зону обслуживания по секторам и элементам секторов и разделяет и периодически корректирует выделенный частотный ресурс на частоты общего набора С и частоты специфических наборов S, S, S, S. Блок 7 периодически по суточному графику выполняет процедуры зондирования области ионосферы над зоной обслуживания и формирует текущую карту фактических значений критических частот. Блок 8 при запросе от узла или абонентского терминала выполняет процедуру установления связи на сетке вызывных частот, уточняет положения терминала по данным его навигационного приемника, по данным протокола установления связи определяет функциональное назначение радиолинии - прямая связь или радиодоступ, а также определяет качество планируемых каналов. Блок 9 по данным зондирования и навигационным данным определяет пространственные параметры запрашиваемой радиолинии и необходимый диапазон рабочих частот. Блок 10 анализирует функциональный признак радиолинии и выполняет условный переход и выполнения условий пространственного разделения каналов. Если признак прямой связи, то блок 12 выполняет оценку местоположения абонентов и выполнения условий пространственного разделения каналов, после чего выполняет условный переход. Если оба абонентских терминала находятся в зоне молчания какого-либо элемента сектора радиодоступа, блок 14 повторно назначает одну из частот радиодоступа этого элемента. Если нет - блоком 150 этой паре назначается частота из набора С.
Если присутствует признак радиодоступа, блок 11 анализирует качество каналов и выполняет условный переход. При удовлетворительном качестве канала блок выбирает рабочие частоты из соответствующего специфического набора. При неудовлетворительном качестве каналов блок 13 выбирает рабочие частоты из общего набора. После определения рабочих частот радиолинии блок 16 сообщает их соответствующим корреспондентам.
Возможность промышленного применения заявленного технического решения подтверждается известными и описанными в заявке средствами и методами, с помощью которых возможно осуществление заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения. Заявленное устройство может быть реализовано промышленным способом с использованием известных технических и программных средств.