Как построить сеть на радиомодемах: Распространение радиоволн на УКВ

Узнайте, как правильно построить сети на радиомодемах, учитывая распространение радиоволн в пределах земной атмосферы.

Для успешного запуска сети на радиомодемах крайне полезно представлять, как распространяется радиосигнал в реальных условиях, и что может осложнить работу.

 

Любая радиоволна, будучи излученной, затухает во время распространения. Затухание - явление изменения во времени и пространстве амплитуды колебаний составляющих электромагнитной волны. Затухание связано с несколькими факторами, в частности, рассеянием энергии в пространстве, поглощением энергии атмосферой, потерей энергии при переотражение от препятствий, интерференцией.

 

Рассеяние энергии в пространстве легко себе представить, на примере изотропного (излучающего одинаково во всех направлениях) источника излучения. Фронт излучаемой в таком случае волны имеет форму сферы. При распространении волны, с удалением от источника, радиус сферы растет, стало быть, увеличивается и площадь ее поверхности. Таким образом, энергия волны оказывается рассредоточенной по большей поверхности, т.е. уменьшается плотность ее потока. Площадь поверхности сферы S прямо пропорциональна квадрату радиуса R сферы:

 

S=4πR2

 

Плотность потока энергии J  представляет собой полную энергию волны ΔW, переносимую через единицу площади ΔS ее фронта в единицу времени Δt :

 

J=ΔW/ΔSΔt

 

Плотность потока энергии сферической волны оказывается обратно пропорциональной квадрату расстояния R от источника:

 

J=ΔW/4πR2Δt

 

Рассеяние - неизбежный противник радиосвязи. Основной прием борьбы с рассеянием в пространстве - это использование направленных антенн, фокусирующих радиоволну в определенном направлении. В этом случае энергия рассеивается значительно меньше. На рис.1 приведен график зависимости мощности радиосигнала от расстояния с учетом рассеяния в пространстве (красный цвет, мощность излучателя 10мВт). Чувствительность приемного тракта радиомодема Невод-5 - около -118дБмВт (децибелы относительно милливатта). Из графика видно, что сигнал затухает на первых двух километрах совершенно катастрофическим образом, но после семи километров скорость затухания замедляется. Также видно, что уровень сигнала на 7 и на 12 км отличается всего на 5 дБ. Теперь должно стать очевидным, почему так важен каждый децибел при работе маломощных радиомодемов - потери в кабеле, разъемных соединениях и самой антенне могут привести к многократному сокращению зоны покрытия радиомодема.

 

Когда радиоволна распространяется в пределах земной атмосферы, возникает дополнительный фактор, связанный с поглощением радиоволны воздухом и преобразованием ее энергии в тепловую.

 

Рис.1. Затухание сигнала от источника мощностью 10 мВт в свободном пространстве без поглощения атмосферой (красный график) и с учетом поглощения атмосферой (синий график).

 

    Рис.1. Затухание сигнала от источника мощностью 10 мВт в свободном пространстве без поглощения

    атмосферой (красный график) и с учетом поглощения атмосферой (синий график).

 

 

На рис.1 синим цветом приведен график зависимости уровня сигнала от расстояния с учетом затухания в атмосфере, рассчитанный в соответствии с принятыми международными методиками. При сравнении с красным графиком заметно, какие потери вносит атмосфера в радиоканал.

 

Затухание, связанное с преобразованием энергии в тепловую, наблюдается в любых средах, в которых распространяется электромагнитная волна, но с разной интенсивностью. В случае ультракоротких радиоволн затухание при распространении в атмосфере увеличивают туман, дождь, снег. Причем в случае снега и дождя вопрос затухания не однозначен - здесь играет роль и рассеяние, связанное с множественным переотражением волны от капель и снежинок, что играет в основном отрицательную, но в некоторых случаях - и положительную роль.

 

Положительная роль рассеяния на препятствиях связана с изменением формы фронта радиоволны, в результате чего возникающая за крупными препятствиями (зданиями, неровностями рельефа) радиотень перестает быть "черной", а становится "серой". Эффект похож на рассеяние солнечного света облаками: в солнечный день свет ярок, но тени резкие. В пасмурный день свет значительно ослаблен, но и тени отсутствуют! Влияние рассеяния на атмосферных осадках можно наблюдать на радиоканалах длиной в несколько километров, когда антенны не находятся в пределах прямой радиовидимости и связь улучшается, вопреки ожиданиям.

 

Огибание (дифракция) на ультракоротких волнах не проявляется практически никак. Можно быть уверенным, что в тени железобетонного здания не будет принимать сигнал радиомодем даже с направленной антенной. В этом случае спасет только наличие пассивных отражателей сигнала в других направлениях: зданий, неровностей рельефа, растительности.

 

Отражение на УКВ происходит весьма эффективно от препятствий с размерами порядка нескольких метров. Наличие на пути распространения радиоволны отражающих препятствий приводит к возникновению так называемого многолучевого распространения. Многолучевое распространение при правильном использовании способно значительно облегчить настройку сети, а отсутствие учета этого явления - напротив, вызвать ряд сложностей. Эти сложности в первую очередь связаны с возникновением стационарной интерференционной картины при сложении амплитуд и фаз электромагнитных волн прямого и отраженных лучей. Если фазы прямой и отраженной волн совпадают, в данной точке пространства образуется интерференционный максимум, если фазы противоположны - минимум. Поэтому при наладке связи с объектами, расположенными вне прямой оптической видимости, следует тщательно выбирать место расположения антенн - иногда смещение на расстояние порядка 0,5м может драматическим образом изменить ситуацию с радиоприемом.

 

Многолучевое распространение в городе делает возможной устойчивую связь в отсутствие прямой видимости. Мы ежедневно используем многолучевое распространение, когда общаемся по мобильному телефону. Мы знаем, что в помещениях и во дворах домов есть зоны плохого и хорошего приема. В этом отношении прелесть мобильной связи в том, что абонент всегда может переместиться из "плохой" зоны в "хорошую" ("Подожди, сейчас к окну подойду"). Проблема стационарных сетей в неподвижности антенн и радиомодемов абонентов, поэтому зоны интерференционных максимумов и минимумов необходимо выявлять заранее. Следует отметить, что зона минимумы и максимумы могут быть неглубокими и не приводить к заметному изменению качества связи.

 

Типичный случай распространения УКВ радиоволны в городе - многолучевое. Пред монтажом городской радиосети, необходимо проводить радиообследование, выявлять зоны интерференционных максимумов и минимумов на объектах. Не стоит бояться работы на отраженных волнах - это вполне законный способ, на котором основана работа, например, всех городских сотовых сетей. Но проблема городской среды - в ее изменчивости. Изменение городской застройки - возведение или снос зданий - изменяют и условия распространения радиоволн. В результате, в определенный момент можно обнаружить, что сеть, нормально работавшая в течение нескольких лет, начинает давать сбои. Поэтому, при установке радиомодемов в городе следует обращать внимание на стабильность окружающей застройки и выбирать правильное расположение и направленность антенны.

 

Вследствие того, что здания имеют разную этажность, высота установки антенны также влияет на качество связи. Например, если связь между радиомодемами с антеннами на высоте двух метров составляет 300-500 м в застройке средней густоты, то на уровне 9-10 этажа дальность связи возрастает до 10 км. Если объект низок (например, ЦТП или ТП) и расположен в окружении высотных зданий, имеет смысл вынести антенну, а лучше - антенну вместе с модемом на крышу близлежащего высотного дома, либо расположить на нем ретранслятор.

 

Еще одна проблема города - повышенный вандализм - связана с высокой плотностью населения. Это приводит к тому, что на неогороженных и неохраняемых объектах невозможно поставить полноразмерную штыревую или, тем более, направленную антенну. На помощь приходят укороченные антенны повышенной прочности, например, АГ-433. Это четвертьволновой вибратор по эффективности уступает АШ-433, но превосходит ее в вандалозащищенности.

 

Основной принцип вандалозащиты - это неприметность. Устройство будет работать долгие годы, если не будет бросаться в глаза. С другой стороны, если им заинтересовался злоумышленник, то прочность самой антенны и ее крепления не смогут помочь.

 

Использование малогабаритных антенн для повышения вандалозащищенности, малая высота контролируемых сооружений (ЦТП, ТП, котельные и насосные станции) в окружении высотных зданий, многолучевое распространение - это характерные особенности радиосетей в городе. Они подталкивают к кустовой (или микросотовой) организации сетей на радиомодемах. На одном из высоких зданий микрорайона устанавливается радиомодем в режиме ретранслятора, и все низкорасположенные объекты этого района связываются с центром сбора данных через этот ретранслятор. Радиус зоны покрытия такого ретранслятора может составлять 2-5 км для произвольной точки на поверхности земли в зависимости от характера застройки. Антенны на близлежащих объектах в этом случае могут вообще располагаться внутри помещений.

 

В одном из проведенных экспериментов, пять радиомодемов Невод-5 с антеннами АШ-433 устанавливались внутри помещений ЦТП микрорайона размером 500х500м с высотной застройкой. Сбор данных осуществлялся с мобильного комплекта с антенной, установленной на крыше автомобиля. Надежная связь наблюдалась практически на всей территории микрорайона, не смотря на низкое расположение антенны на автомобиле.

 

Для связи с ретрансляторами, антенну центра сбора информации следует также располагать на высоком здании.

 

Еще одна особенность города - плохая помеховая обстановка. Большое количество широкополосных источников радиоволн (ЭВМ, ЛВС, телевизионных и вещательных станций) с "грязным" спектром приводят к повышенному шумовому фону, что ухудшает условия радиосвязи. Методы борьбы с источниками помех - использование направленных антенн, применение поляризации, не совпадающей с поляризацией помехи, использование качественных узкополосных антенн.

 

Если в городе в отсутствие прямой радиовидимости связь возможна на расстоянии в несколько километров, то в лесу дело обстоит иначе. Следует признать, что лес - самое неприятное из всех препятствий на пути распространения УКВ-радиоволны. Стоит вспомнить, как хорошо лесополоса гасит шум шоссе. Стоит зайти в лес на 50-100 м, и звук проезжающих машин едва слышен. Еще хуже дело обстоит с радиосвязью.

 

Рис.2. Затухание радиоволны от источника мощностью 10 мВт в смешанном лесу.

 

     Рис.2. Затухание радиоволны от источника мощностью 10 мВт в смешанном лесу.

 

 

Красноречивы результаты проведенного эксперимента, показавшего, что для комплекта радиомодемов и антенн, обеспечивавших надежную связь на расстоянии 10км на открытой местности, пределом в смешанном лесу становилось 300-500 м!

 

Это связано с тем, что лес состоит из огромного количества разнонаправленно ориентированных рассеивателей радиоволн, приводящих к множественным их переотражениям. При этом энергия теряется как при каждом таком отражении, вследствие чего сигнал затухает с расстоянием очень быстро.

 

При построении телеметрических сетей на радиомодемах следует избегать растительности на пути распространения. Наиболее правильный путь - вынос антенн на мачтах или трубах выше крон деревьев. Если это не возможно, следует приподнять антенну на низком лесном объекте хотя бы на 6-8 м. Дело в том, что лес имеет несколько ярусов. И самый густой из них - подлесок - имеет высоту около 5 м. Над подлеском плотность растительности значительно снижается, что уменьшает затухание.

 

Еще одна проблема растительности - сезонное изменение проницаемости. Летом лиственный лес имеет более высокий коэффициент затухания, чем зимой. Поэтому, при настройке сетей в зимний период следует учитывать, что летом при наличии листвы затухание значительно возрастет, что может привести к потере радиосвязи.

 

Учесть изменения в условиях распространения позволяет коэффициент запаса (устойчивости) радиоканала, представляющий собой соотношение между уровнем принимаемого сигнала и пределом чувствительности радиомодема. Коэффициент затухания в смешанном лесу составляет около 0,25 дБ/м. Разница между летним и зимним лесом - около 0,12 дБ/м. Отсюда видно, что запас устойчивости радиоканала при настройке зимой должен составлять 0,12 дБ на каждый метр глубины лесного массива.

 

Организация радиоканала - работа, требующая внимательного и аккуратного подхода. В процессе проектирования радиосети следует проводить радиообследование местности на предмет затухания на будущей трассе, уровня шума и наличия источников помех (используя специализированные приборы, либо сервисные возможности радиомодемов Невод-5). Если выполнение таких работ невозможно, требуется осуществлять расчет радиоканала. Это позволит избежать неприятных сюрпризов при реализации проекта.

Категория: Применение