В рубрику "Пожарная безопасность" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Выполнение проектных работ при использовании радиоканальных систем передачи извещений (РСПИ) без оценки энергетического запаса радиоинтервалов практически невозможно. Но простых и доступных методик оценки пригодности радиолинии немного, и они мало известны.
О непостоянстве уровня сигнала в приемном устройстве известно всем. Рассмотрим, чем оно определяется и на что влияет.
Временные изменения уровня принимаемого сигнала называются замираниями. Условно их можно разделить на быстрые и медленные. Быстрые замирания сигнала – временные изменения уровня принимаемого сигнала, связанные с интерференцией прямой и отраженной волны от поверхности Земли, неоднородностей атмосферы или других предметов. Медленные замирания определяются в основном дневными и сезонными ослаблениями радиосигнала, а также наличием перемещающихся на местности предметов.
Покольку надежность работы радиолинии в первую очередь определяется именно энергетическим запасом на быстрые и медленные замирания, то при расчете радиолинии обязательно должен быть предусмотрен резерв на компенсацию этих замираний. Для определения энергетического резерва необходимо знать энергетический потенциал устройств и условия распространения сигнала.
Энергетический потенциал устройств определяется мощностью передающего устройства, чувствительностью приемного устройства, параметрами антенно-фидерных трактов (АФТ) и выражается в относительных единицах дБм.
Pэ = Рпрд + Pпрм + Gпрд + Gпрм, (1)
где Pэ – энергетический потенциал, дБм, Рпрд – мощность передатчика, дБм, Pпрм – чувствительность приемника, дБм, Gпрд, Gпрм – коэффициенты усиления передающего и приемного АФТ, дБ.
Пример интервала радиолинии в прямой видимости представлен на рис. 1.
Ориентировочно, с учетом рефракции радиоволн в данном диапазоне, дальность прямой видимости в километрах (Lтр) определяется как:
Lтр = 4,12 х (√H–1 + √H–2), (2)
где H1 и H2 – в метрах.
Но наличие прямой видимости между радиоустройствами не может являться критерием обеспечения надежной связи. Более того, опыт радиосвязи в диапазоне ультракоротких волн показывает, что и при отсутствии прямой видимости радиолиния может быть работоспособной. Для этого и существуют методики оценки пригодности радиолиний, учитывающие воздействие рельефа на ее работоспособность. Ослабление сигнала на радиолиниях вне помещений в основном определяется суммой ослабления сигнала в свободном пространстве и ослабления сигнала за счет препятствий.
Ослабление сигнала в свободном пространстве (V0) зависит от расстояния между радиоустройствами и может быть определено как:
V0 (дБ) = 33 + 20lg Lтр(км) + 20 lg F (МГц). (3)
Для сигналов с частотами 150, 433, 868 и 2400 МГц ослабление сигнала в свободном пространстве в дБ можно определить следующим образом:
V0 (150) = 76,5 + 20lg Lтр (км),
V0 (433) = 85 + 20lg Lтр (км),
V0 (868) = 91 + 20lg Lтр (км),
V0 (2400) = 100,6 + 20lg Lтр (км).
На рис. 2 приведена зависимость ослабления сигнала в свободном пространстве от расстояния между радиоустройствами для диапазонов частот 150, 433, 868 и 2400 МГц.
Для объяснения явления огибания радиоволнами различных препятствий, их проникновения в области тени и полутени используется принцип Гюйгенса – Френеля. В соответствии с моделью Френеля область распространения радиоволн между передающим и приемным устройствами ограничивается эллипсоидом вращения вокруг линии, их соединяющей. Этот эллипсоид многослойный и может включать в себя бесконечно много зон.
Ближайшая к линии, соединяющей передатчик с приемником, зона называется первой зоной Френеля. На рис. 3 представлено продольное сечение первой зоны Френеля.
Принято считать, что существенной при распространении радиоволн является первая зона Френеля (примерно половина передаваемой энергии). Без учета потерь сигнала в данной зоне расчет радиолинии невозможен.
Для любой точки радиолинии радиус первой зоны Френеля (R0) можно найти по формуле:
R0= (λ (Lтр – rтек ) r тек / Lтр )1/2, (4)
где λ – длина волны (м), Lтр – расстояние между передатчиком и приемником (м), rтек – удаление от источника сигнала (м). Наибольший радиус для первой зоны Френеля определяется по формуле:
Rn = 0,5 (λLтр)1/2. (5)
Если бы сигнал не встречал препятствий во всей первой зоне Френеля, можно было бы ограничиться только учетом ослабления сигнала в свободном пространстве. Но такое бывает очень редко. В зависимости от наличия преград радиолинии делятся на открытые, полуоткрытые и закрытые.
На рис. 4 изображено 2 типа препятствий. Если в первой зоне Френеля имеется препятствие, не пересекающее линию прямой видимости (hпреп.1), то такой радиоинтервал называется полуоткрытым, в противном случае (hпреп.2) – закрытым. Причем нужно учитывать перекрытие зоны Френеля как в вертикальной (рис. 4), так и в горизонтальной плоскости.
Отношение значения просвета hпреп.1 или hпреп.2 к радиусу зоны Френеля R1 или R2 называется относительным просветом:
p(0) = hпреп. i / Ri. (6)
Для полуоткрытого интервала p(0) имеет положительное значение, для закрытого – отрицательное. При совпадении наивысшей точки препятствия с линией прямой видимости p(0) = 0.
В соответствии со значением p(0) и характером профиля препятствия можно по диаграмме (рис. 5) получить ослабление сигнала, вызванного наличием одиночного препятствия. При наличии двух и более препятствий в случае их близкого расположения они заменяются одним эквивалентным. Если расстояние между препятствиями превышает сумму длин самих препятствий, то ослабление сигнала считается раздельно для каждого из них.
Как видно из диаграммы, наибольшее ослабление вносит препятствие с плоской или гладкой сферической поверхностью. Закрытие плоским рельефом нижней части зоны Френеля более чем на 75% ведет к ослаблению сигнала более чем на 15–20 дБ.
При дальности радиолинии более 5 км необходимо дополнительно как препятствие учитывать кривизну Земли:
Hмакс = 1,96 . 10-2 • Lтр2 (7),
где Hмакс – максимальная высота препятствия, создаваемая за счет кривизны Земли (м), Lтр – расстояние между передатчиком и приемником (км).
Значения высоты препятствия, создаваемого за счет кривизны Земли, для относительных расстояний rтек / Lтр приведены в таблице.
Далее приводятся два характерных примера оценки пригодности радиолиний для одних из наиболее популярных систем: радиосистемы ОПС и радиоканальной системы передачи извещений.
Расстояние между РРОПами – 600 м. Рабочая частота сигнала – 433 (868) мГц. Мощность передатчика – 10 мВт. Чувствительность приемника – 107 дБм. Высота установки устройств – 5 м.
1. Переведем мощность передающего устройства в дБ по отношению к мощности 1 мВт:
Рпрд (дБм) = 10 lg (Рпрд (мВт)) = 10 дБм.
2. Энергетический запас радиолинии:
Pэ = Рпрд+ Pпрм + Gпрд+Gпрм = 117 дБм
(коэффициенты АФТ = 0, так как используются штатные антенны).
3. Определяем ослабление сигнала в свободном пространстве по формуле (3) – 80 дБ.
4. Максимальный радиус зоны Френеля R по формуле (5) – 10,2 м, а просвет между линией прямой видимости и земной поверхностью = 5м (высота установки антенн). Следовательно, относительный просвет p(0) = 5/10,2 = 0,49.
5. По рис. 5 определяем ослабление за счет рельефа (плоская поверхность): 14 дБ.
6. Суммарное ослабление сигнала на радиолинии = 94 дБ.
7. Энергетический запас радиоинтервала 117 – 94 = 23 дБм, что достаточно для нормальной работы радиолинии.
Проведя аналогичный расчет для частоты 868 МГц, получим суммарное ослабление 94,5 дБ, при этом энергетический запас составит 22,5 дБ.
Расстояние между устройствами – 15 000 м. Рабочая частота сигнала – 150 МГц. Мощность передатчика – 5 Вт. Чувствительность приемника – 109 дБм. Высота установки антенн – 5 м. Коэффициенты усиления АФТ – 3 дБ.
1. Переведем мощность передатчика в дБ по отношению к мощности 1 мВт:
Рпрд (дБм) = 10 lg (Рпрд (мВт)) = 37 дБм
2. Энергетический запас радиолинии:
Pэ = Рпрд+ Pпрм + Gпрд+Gпрм = 37 + 109 + 3 + 3 = 152 дБм.
3. Определяем ослабление сигнала в свободном пространстве по формуле (3) – 100 дБ.
4. Максимальный радиус зоны Френеля по формуле (5) = 86,5 м. По формуле (7) найдем высоту препятствия, создаваемого за счет кривизны Земли, получим 4,4 м. Просвет между земной поверхностью и линией прямой видимости – 0,6 м. Относительный просвет p(0) = 0,6/86,5 = 0,007.
5. По рис. 5 определяем ослабление сигнала за счет рельефа (плоская поверхность) – 23 дБ.
6. Суммарное ослабление сигнала – 123 дБ.
7. Энергетический запас = 152 – 123 = 29 дБм, что вполне достаточно для стабильной работы радиолинии.
Для надежного функционирования радиолинии энергетический запас на быстрые и медленные замирания сигнала должен составлять 20–30 дБ. В реальных условиях такой запас энергетики обеспечить удается не всегда. В этом случае потребуется изменить взаимное расположение радиоустройств или применить дополнительные меры по повышению потенциала радиолинии.
Существует несколько способов повышения надежности передачи радиосигналов:
1. Разнесенный радиоприем может быть реализован путем пространственного, поляризационного и частотного разнесения сигналов. Пространственное разнесение – использование как на передачу, так и на прием нескольких антенн, разнесенных на расстояние между собой более чем на 10λ.
Поляризационное разнесение – использование антенн для передачи и приема сигналов как с вертикальной, так и с горизонтальной поляризацией.
Метод частотного разнесения основан на излучении одного и того же сигнала на разных частотах.
2. Многократная передача сигнала, в том числе с подтверждением: данный метод заключается в многократной передаче одной и той же информации через определенный промежуток времени. В системах с двухсторонним обменом этот повтор может производиться до получения приемником корректных данных, о чем передающую сторону уведомляет подтверждение (квитирование).
3. Кроме того, несколько приемопередатчиков могут образовывать пространственно разнесенную сеть, что дает возможность осуществить доставку сигналов несколькими маршрутами.
Для обеспечения надежной связи между устройствами необходимо еще на этапе проектирования произвести расчет энергетического запаса конкретной радиолинии. В статье представлена методика и примеры подобных расчетов с указанием критичных значений энергетического потенциала. Все вычисления должны производиться исходя из конкретных параметров устройств радиосистем и возможностей использования методов компенсации быстрых и медленных замираний.
Опубликовано: Журнал "Системы безопасности" #5, 2010
Посещений: 27582
Автор
| |||
В рубрику "Пожарная безопасность" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
