Аналіз можливості побудови радіо мережі спеціального призначення з використанням технології WiMAX

Третій рівень - мобільні абонентські військові системи до окремого солдата на полі бою. Це мобільні військові мережі зв’язку, побудовані на основі комплексів і засобів радіозв’язку.

Така побудова системи  дає можливість використовувати  її як єдине транспортне середовище для інформаційного обміну в інтересах  всіх військ (сил) незалежно від їх підпорядкування та оперативної  приналежності - від танка і солдата до штабів вищого рівня. Польова опорна (базова) мережа зв’язку збройних сил провідних країн світу представляє структуру типу„решітка”. Її основою є автоматизовані опорні вузли зв’язку, з’єднані між собою радіорелейними лініями. До опорних вузлів підключаються автоматизовані вузли доступу, які є вузлами зв’язку пунктів управління, і пункти радіодоступу, які забезпечують вихід абонентів бойових радіомереж на польові і стаціонарні опорні мережі зв’язку.

Аналіз розвитку систем зв’язку  тактичної та оперативно-тактичної  ланки управління армій найбільш розвинених держав (CША, Канада, Великобританія, Франція, Німеччина, Італія та ін.) показує, що  системи зв’язку в більшості є цифровими. Військовий зв’язок є однією зі складових частин концепції військового керівництва США і країн НАТО під умовною позначкою С⁴I² (Command – командування, Control – управління, Communication – зв’язок, Computer – комп’ютер, Intelligence – розвідка, Information – інформація) , що дозволяє пов’язати процеси збору, обробки, передачі, відображення і використання інформації для підготовки та ведення бойових дій з максимальною ефективністю. Основні напрямки розвитку систем зв’язку ОТЛУ та ТЛУ країн НАТО передбачають:

створення систем зв’язку, показники мобільності  яких будуть вище показників мобільності  систем управління військами і зброєю;

забезпечення  надійної та стійкої роботи в складній обстановці в умовах застосування ядерної  зброї і РЕБ;

перехід  всіх  засобів  зв’язку  на  цифрові методи обробки і передачі сигналів та створення цифрових систем зв’язку;

оснащення військ багатофункціональними системами, що вирішують завдання  в  інтересах  управління  в  декількох  областях  бойової діяльності;

значне  розширення  смуги  використовуваних  частот  з високою ефективністю використання радіоспектру;

широке  впровадження комплексної автоматизації  в системи зв’язку.

У результаті реалізації цих планів системи зв’язку  будуть являти собою інтегральні  цифрові системи зв’язку з  можливістю забезпечення управління з’єднаннями  та частинами в складній бойовій  обстановці в масштабі часу, близькому  до реального.

У збройних силах США пропонується поетапна реалізація програми створення  інформаційної мережі поля бою (WIN-T - Warfighter Information Network Tactical), що передбачає реорганізацію дивізій в „комп’ютеризовані”. Мета реорганізації - зменшення бойового та чисельного складу з одночасним зростанням бойової ефективності за рахунок підвищення мобільності, досягнення абсолютної переваги в інформаційному забезпеченні і розвідувальних можливостях.

Одною з основних технічних  вимог до розроблювальних систем зв’язку є повна мобільність  всіх користувачів і елементів системи  та засекреченість передачі всіх видів  інформації.

У ЗС США планується реструктуризація їх бойових систем у напрямку зменшення  бойової чисельності особового  складу, але з одночасним підвищенням  їх бойової ефективності за рахунок  підвищення мобільності, досягнення абсолютної переваги в інформаційному забезпеченні та розвідувальних можливостях.

Таким чином, на основі аналізу існуючих і  перспективних систем зв’язку найбільш розвинених країн світу та досліджень проведених в області СРЗ можна  сформулювати такі висновки.

1. Системам  та засобам радіозв’язку відведена  значима роль у функціонуванні  систем військового зв’язку в  різних ланках управління.

2. Засоби  радіозв’язку, що перебувають на  озброєнні ЗС України не відповідають  сучасним вимогам до системи  зв’язку та автоматизованого  управління військами з погляду  бойової готовності, мобільності,  пропускної спроможності, стійкості  та безпеки в умовах активної  радіоелектронної боротьби та  високоманеврених бойових дій. Зазначені обставини обумовлюють необхідність пошуку шляхів підвищення ефективності системи радіозв’язку ОТЛУ та ТЛУ за допомогою вдосконалення існуючої та доповнення її новими елементами, побудованими на основі нових принципів організації зв’язку.

 

1.2.  Аналіз впливу  негативних факторів на якість  передачі інформації 

 

При розповсюдженні в каналі зв’язку корисний сигнал може спотворюватися під дією багатьох факторів (рис. 1.1), які за фізичною природою виникнення поділяються на шуми, завади, завмирання та спотворення. Основним негативним наслідком шкідливих впливів в каналі зв’язку для цифрових систем передачі є помилки.

У межах прямої видимості  основними факторами, що негативно  впливають на якість прийому електромагнітних хвиль, є:

- втрати у вільному просторі;

- стан атмосфери;

- наявність відображаючих об'єктів;

- завади.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Втрати у вільному просторі викликані тим, що зі зростанням відстані від передавальної до приймальної антени випромінена енергія розподілена за все більшої площі, і на приймальну антену доводиться лише частина випромінювань енергії. У найбільш простому випадку, коли передавальна антена є всенаправленною (ізотропне випромінювання), енергія випромінювання як би "розмазується" по сферичній поверхні. Із зростанням відстані (радіуса сфери) площа поверхні сфери збільшується, а щільність електромагнітної енергії, яка припадає на одиницю поверхні, зменшується. Такі втрати визначаються за формулою:

,                                            (1.1)

де  , – потужності випромінювання і прийому, відповідно; – відстань між передавальної до приймальної антени. Найчастіше це відношення потужності виражають в децибелах:

                                   (1.2)

Для будь-якого типу безпроводового зв’язку сигнал розсіюється у міру його розповсюдження в просторі. Отже, потужність сигналу, прийнятого антеною, буде зменшуватися по мірі віддалення від передавальної антени. Для супутникового зв’язку згаданий ефект є основною причиною зниження інтенсивності сигналу. Навіть якщо припустити, що всі інші причини загасання і ослаблення відсутні, переданий сигнал буде затухати у міру поширення у просторі. Причина цього – поширення сигналу по все більшої площі. Даний тип загасання називають втратами у вільному просторі і вираховують через відношення потужності випроміненого сигналу до потужності отриманого сигналу.

,                                              (1.3)

де  – потужність сигналу на передачі; – потужність сигналу, що надходить на антену приймача; λ – довжина хвилі; – відстань, пройдена сигналом між двома антенами; G_t – коефіцієнт підсилення передавальної антени; G_r – коефіцієнт підсилення антени приймача.

Отже, якщо довжина хвилі  несучої і їх рознесення в просторі залишаються незмінними, збільшення коефіцієнтів підсилення передавальної і приймальної антен призводить до зменшення втрат у вільному просторі.

Зі зростанням частоти (зменшенням довжини хвилі) і зменшенням коефіцієнтів підсилення антен загасання збільшується.

Причиною додаткових втрат  потужності сигналу між антенами є атмосферне поглинання, при цьому основний внесок в ослаблення сигналу вносять водні пари і кисень. Дощ і туман (краплі води, що знаходяться в зваженому стані в повітрі) призводять до розсіювання радіохвиль і, в кінцевому рахунку, до ослаблення сигналу. Зазначені чинники можуть бути основною причиною втрат потужності сигналу. Отже, в областях, для яких характерне значне випадання опадів, необхідно або скорочувати відстань між приймачем і передавачем, або використовувати для зв'язку більш низькі частоти.

Наявність відбиваючих об'єктів, які знаходяться в стороні від прямої,  що з'єднує приймальну і передавальну антени, може призвести до потрапляння на приймальну антену відбитих сигналів, що є копіями основного сигналу. Оскільки прямий і відбитий сигнали проходять різні за величиною шляхи, то в точці прийому відбувається їх інтерференція за рахунок зсуву фаз коливань відносно один одного. Такі явища називають завмираннями. Для рухомих об'єктів ці завмирання носять мінливий у часі характер. Причому можуть відбуватися зміни амплітуди як відносно повільні, так і дуже швидкі. На частотах порядку одиниць гігагерц довжина хвилі складає одиниці-десятки сантиметрів, тому швидкі завмирання можуть відбуватися навіть при малих переміщеннях антени приймача. Характер повільних і швидких завмирань добре описується законом Релея. Динамічний діапазон завмирань може досягати 40 дБ. Через швидкі завмирання амплітуда сигналу на частки секунди то збільшується, то зменшується відносно якогось середнього рівня. У міських умовах кількість таких стрибків амплітуди може відбуватися десятки-сотні разів на секунду.

Для будь-якої передачі даних  справедливе твердження, що отриманий  сигнал складається з переданого сигналу, модифікованого різними спотвореннями, які вносяться самою системою передачі, а також з додаткових небажаних сигналів, що приходять у точку прийому. Ці небажані сигнали прийнято називати завадами. Завади є основним чинником, який обмежує продуктивність систем зв'язку.

Завади можна розділити на чотири категорії: теплові, інтермодуляційні, перехресні, імпульсні.

Теплові завади є результатом  теплового руху електронів. Даний  тип завад впливає на всі електричні прилади, а також на середовище передачі електромагнітних сигналів.

Радіохвилі в діапазоні 3 – 66 ГГц поширюються прямолінійно і схильні до поглинання при наявності дощу або сильного снігу. Будь-які будівлі або об'єкти ландшафту заважають їхньому поширенню, навіть якщо перекривають видимість між антенами частково. Рекомендуються вертикальна або горизонтальна поляризації.

Крім теплових завад у  системах зв'язку здійснюють значний заважаючий вплив імпульсні завади. Вони можуть бути викликані блискавками, роботою електрозварювального обладнання, його іскрінням, несправностями в самій апаратурі зв'язку або навіть можуть бути штучно створені для нависно. Імпульсні завади мають значну амплітуду і широкий спектр частот. При передачі голосового сигналу вплив імпульсних завад досить незначний. Він проявляється в появі клацань і потріскувань. При передачі цифрових даних цей вид завад може стати визначальним. За час тривалості імпульсної завади можуть бути втрачені всі біти, що передавались за цей час. Боротьба з імпульсними завадами представляє дуже складну задачу. В основному рішення полягає в відфільтровуванні у вхідних ланцюгах приймача всіх частотних складових поза використовуваної смуги частот каналу. При цьому фільтрується частина потужності імпульсної завади і послаблюється вплив завади на сигнал. В іншому випадку необхідно знижувати швидкість передачі і збільшувати тривалість передаваних символів, щоб за час тривалості імпульсної завади виявилася ураженою незначна частина символу.

Іншим джерелом завад є інтермодуляційні завади. Дія таких завад проявляється в тому, при взаємодії на нелінійних елементах двох (або більше) сигналів, наприклад, на частотах f₁ і f₂ з'являються паразитні сигнали на частотах f₁ ± f₂. Якщо корисний сигнал виявиться рівним також f₁ ± f₂, то корисний і паразитний сигнали будуть інтерферувати, а сигнал, що приймається, стане спотвореним. Подібний ефект інтермодуляції виникає і на частоті дзеркального каналу, коли паразитний сигнал створюється при демодуляції сигналу на проміжній частоті приймача. Інтермодуляційні завади можуть виникати через нелінійні елементи в трактах передавача (можливо й стороннього) і приймача або несправності в приймальному обладнанні. При великих рівнях сигналу в підсилювачах, що працюють при нормальному рівні сигналу в лінійному режимі, можуть виникати перевантаження, при яких підсилювач може перейти в нелінійний режим. Паразитні сигнали в результаті нелінійного перетворення можуть опинитися в смузі корисного сигналу. Допустимий рівень сигналу (точка насичення) на вході сучасних високочутливих приймачів становить приблизно мінус 55 дБм (~ 1,8 мкВ). При більш високому рівні вхідний підсилювач починає працювати в нелінійному режимі. У серійному обладнанні систем рухомого зв'язку чутливість приймачів трохи нижча. Для систем рухомого зв'язку типовою є ситуація, коли одна мобільна станція знаходиться поблизу кордону зони покриття, а інша – поблизу базової станції. При однаковій потужності передавачів мобільних станцій передавач другої станції може перевантажити вхідний підсилювач приймача базової станції, що обслуговує віддаленого абонента. Продукти нелінійного перетворення можуть потрапити в смугу пропускання сусіднього каналу і створять там завади. Таким чином, висока потужність ближнього передавача може викликати завади відразу в декількох приймачах базової станції. На практиці проблему далекого і ближнього користувача вирішують адаптивним регулюванням потужності (АРП) передавачів. Чим ближче рухома станція підходить до базової, тим автоматично зменшується взаємна потужність їх передавачів. Зрозуміло, система автоматичного контролю і регулювання взаємної потужності є складною і дорогою. Для систем з фіксованим розташуванням базових і користувальницьких станцій (WiMAX-2004) взаємні потужності можна прорахувати заздалегідь і встановити потрібні рівні в процесі інсталяції обладнання. Вплив інтермодуляційних завад вдається помітно послабити за допомогою фільтрів у вхідних ланцюгах приймача. Використання вхідних фільтрів з крутими схилами частотних характеристик дозволяє послабити і паразитні сигнали по сусідніх каналах.

У радіозв'язку, як і в  провідному, можуть виникати перехресні завади, якщо на частотах прийому будуть працювати "чужі" передавачі. У цьому випадку їх сигнали не можуть бути відфільтровані вхідними ланцюгами приймача, і корисний сигнал виявиться спотвореним. Якщо рівень паразитного сигналу виявиться рівним або буде більше корисного, то прийом може виявитися неможливим. Для уникнення таких ситуацій існують органи контролю та розподілу робочих частот. Для кожної системи радіозв’язку виділяються свої смуги частот, які не перетинаються з частотами інших систем, і видається ліцензія на виділювані частоти. При цьому рівень можливих перехресних завад зазвичай не перевищує рівень теплового шуму. Проте історично склалося, що в багатьох країнах у багатьох діапазонах частот можуть працювати організації та служби, які розгорнули своє обладнання значно раніше. Тому в деяких регіонах (в залежності від ситуації, електромагнітної обстановки) можуть дозволити роботу і в не ліцензованих діапазонах. У цьому випадку перехресні завади можуть стати домінуючими.

У більшості випадків інтермодуляційні і перехресні завади є передбачуваними і їх можна врахувати при проектуванні та розгортанні нових систем зв'язку.

Особливу небезпеку для  систем радіозв’язку спеціального призначення  представляють навмисні завади, створювані системою радіоелектронного подавлення противника.

Для подавлення СРЗ можуть застосовуватися різні види організованих завад, що реалізуються у відповідних станціях завад (СЗ). Все різноманіття варіантів СЗ визначається в основному шляхами, якими їх розробники прагнуть сконцентрувати обмежену потужність передавачів в певних частотних діапазонах, часових інтервалах та просторових секторах. Метою постановника завад є розробка такої стратегії вибору завади, яка при загальній обмеженості потужності передавача завад Р_з повинна забезпечити мінімізацію співвідношення сигнал/завада на виході приймача.

Загальну класифікацію навмисних  радіоелектронних завад подано в табл. 1.1.

 

Таблиця 1.1

 

Класифікація навмисних радіоелектронних завад

Класифікаційна ознака	Характеристика завад
За способом формування (реалізації)	Активні – завади, що створюються  енергією джерел завад (генераторів  або ретрансляторів)
	Пасивні – завади, що створюються  розсіюванням енергії електромагнітних хвиль об’єктами або середовищами
За ефектом (характером) впливу на РЕЗ	Маскувальні – завади, що затрудняють  виявлення, розпізнавання та визначення параметрів корисних сигналів засобів  радіозв’язку
	Імітаційні (дезінформуючі) – завади, що створюють невірну інформацію (сигнали) в засобах радіозв’язку
За співвідношенням спектра  завад і корисних сигналів	Прицільні – завади, що випромінюються на робочій частоті засобів радіозв’язку, що подавлюється
	Загороджувальні – завади з шириною  спектра, що перевищує смугу частот сигналу засобів радіозв’язку
	Прицільно-загороджувальні – завади (скануючі, ковзаючі) зі змінною частотою випромінювання в діапазоні роботи засобів радіозв’язку супротивника
За структурою випромінювання	Неперервні – завади, модульовані  за амплітудою, частотою (фазою) або  шумовою напругою
	Імпульсні – завади у вигляді  серій не модульованих або модульованих радіоімпульсів
За інтенсивністю	Слабкі – завади, що не перевищують  за рівнем корисний сигнал. Можуть визвати  втрату до 25% переданої інформації, при цьому не знижують можливостей  засобів радіозв’язку по виконанню  бойових завдань
	Середні – завади, які за рівнем співрозмірні з сигналами засобів радіозв’язку. Викликають втрату не менше 50% інформації та знижують здатність виконання засобами радіозв’язку бойових завдань
	Сильні – завади, що значно перевищують  корисний сигнал за рівнем. Призводять до втрати не менше 75% інформації і виключають можливість виконання засобами радіозв’язку бойових завдань