Частотно-территориальное планирование

Электромагнитную совместимость РЭС обеспечивают, используя территориальный разнос их антенных систем и/или разнос их рабочих частот. Выбор необходимых частотно-территориальных разносов осуществляют при разработке частотно-территориальных планов сетей радиосвязи, радиовещания и телевидения (ТВ), а также в тех ситуациях, когда имеется возможность выбора пространственного размещения антенн и рабочих частот РЭС. При размещении РЭС на объекте возможности выбора местоположений для антенных систем сильно ограничены и основным способом обеспечения ЭМС становится разнос рабочих частот РЭС.

Обеспечение внутрисетевой и межсистемной ЭМС является необходимым, но не единственным требованием, которое предъявляют к частотно-территориальным планам (ЧТП). Другие требования, относящиеся к ЧТП, включают оптимизацию распределения выделенного для сети множества радиочастот или радиочастотных каналов между базовыми или радиовещательными станциями, образующими сеть, а также наиболее полный охват зоны, в которой работает сеть.

Поскольку ЧТП может быть принят к реализации только, если проведена экспертиза плана на ЭМС и получено положительное заключение, а анализ ЭМС может быть выполнен только, если определены местоположения РЭС и их параметры, т. е. при наличии варианта ЧТП, то разработка ЧТП представляет сложный итерационный процесс. Начальный вариант ЧТП обычно не учитывает всех тонкостей взаимодействия РЭС и дорабатывается по мере того, как в процессе анализа ЭМС выявляются недопустимые внутрисетевые или межсистемные непреднамеренные помехи.

При разработке частотно-территориальных планов применяют разные методы. В число наиболее часто используемых входит метод присвоения частот, основанный на использовании частотно-территориальных ограничений.

Метод частотно-территориального планирования, базирующийся на использовании частотно-территориальных ограничений между РЭС, исходит из того, что для нормального функционирования РЭС должны выполняться определенные условия их территориального и/или частотного разноса. Эти условия определяются нормами частотно-территориального разноса (ЧТР) или характеристиками ЧТР. Характеристика ЧТР описывает связь между расстоянием, разделяющим мешающий передатчик и приемник, которому данный передатчик может создавать помеху, и расстройкой их рабочих частот, при которой еще обеспечивается их электромагнитная совместимость, т. е. приемник может принимать полезный сигнал требуемого качества. На рис. 13.1 представлен общий вид характеристики ЧТР. По оси ординат отложено расстояние между передатчиком и приемником, по оси абсцисс - расстройка их рабочих частот. Расстройка может быть выражена значениями частоты (кГц, МГц) или представлена числом каналов, на которое должны быть разнесены передатчик и приемник, если рассматриваемые РЭС используют одну и ту же сетку частот. Последний случай изображен на рис. 13.1 Область, расположенная над кривой ЧТР, включая саму кривую, соответствует области совместимости РЭС. Область под кривой соответствует области, в которой совместимость отсутствует. Радиочастотное пространство и радиочастотный спектр используются наиболее рационально, если частотно-территориальный разнос между РЭС соответствует точкам кривой ЧТР.

Характеристика ЧТР позволяет установить ограничения на размещение РЭС и выбор их рабочих частот, т. е. определяет нормы частотно-территориального разноса РЭС, а именно:

- радиоэлектронные средства не могут работать на одной и той же частоте, если расстояние между ними меньше, чем d₀;

- радиоэлектронные средства не могут работать на частотах первого соседнего канала, если расстояние между ними меньше, чем d₁ и т. д.

Если рабочие частоты РЭС известны, то эта характеристика определяет минимальное расстояние, на котором могут быть установлены друг от друга данные РЭС.

Чтобы с высокой степенью надежности нормы ЧТР гарантировали исключение непреднамеренных помех, их рассчитывают применительно к наихудшим условиям работы РЭС с точки зрения их ЭМС. Для этих условий характерны взаимная ориентация диаграмм направленности антенн главными лепестками друг на друга, минимально возможные уровни полезных сигналов на входе приемных устройств, максимально возможные уровни излучаемой мощности передающих устройств и т. п. Так как условия, для которых разрабатываются нормы ЧТР, в большинстве случаев отличаются от условий реальной эксплуатации РЭС, то использование таких «гарантированных» норм не обеспечивает высокой эффективности использования радиочастотного ресурса. Более рациональный подход состоит в разработке характеристик частотно-территориального разноса под реальные условия функционирования РЭС. Однако этот процесс может быть выполнен только разработчиком ЧТП, поскольку ему лучше известны реальные условия работы РЭС. Тем не менее, и в этом случае полученный ЧТП нуждается в дополнительной корректировке, так как не учитывает множественный характер помех, который имеет место в реальной обстановке, в том числе возможные интермодуляционные помехи.

Помимо ограничений, вытекающих из норм или из кривых ЧТР, Администрация, занимающаяся присвоением частот, может накладывать дополнительные ограничения, диктуемые принятой практикой планирования или какими-то другими соображениями.

Процедура построения ЧТП на основе частотно-территориальных ограничений включает:

- составление набора ограничений по частотно-территориальному разносу РЭС, которые будут использованы при разработке ЧТП;

- определение множества частот из частот, разрешенных для присвоения, которые не могут быть присвоены очередному РЭС, исходя из уже проведенных частотных присвоений и принятого набора ограничений;

- выбор минимальной частоты (минимального номера канала), которая не вошла (который не вошел) в список запрещенных для присвоения, и присвоение этой частоты (номера канала) очередному РЭС.

Оптимальный вариант частотно-территориального плана на основе частотно-территориальных ограничений, при котором планируемая совокупность РЭС занимает минимальную полосу частот, может быть получен только путем полного перебора всех возможных вариантов назначения частот. Поэтому этот метод может быть эффективным для относительно небольшого числа РЭС. Если вопрос об оптимизации частотно-территориального плана не стоит, то метод может быть с успехом использован и для частотного планирования больших совокупностей РЭС.

Еще один метод построения предварительного частотно-территориального плана, имеющий практическое применение, строится на основе теории регулярных сетей. Метод используется для построения частотно-территориальных планов сетей телевизионного и звукового вещания и сотовых сетей связи и рассматривает идеализированные сети.

При планировании сети предполагается, что все передатчики сети имеют одинаковые эффективные излучаемые мощности и одинаковые эффективные высоты передающих антенн. В горизонтальной плоскости антенны имеют круговую диаграмму направленности. Поляризационные состояния антенн и эффективные высоты приемных антенн также предполагаются одинаковыми. Распространение радиоволн считается изотропным и не меняется с частотой, по крайней мере, в рассматриваемом диапазоне частот.

При этих условиях зона обслуживания каждого передатчика будет представлять круг, радиус которого зависит от мощности передатчика и потерь при распространении радиоволн, которые характерны для рассматриваемого диапазона частот и характера местности. В конкретной идеализированной сети радиусы зон обслуживания будут одинаковыми. Если поверхность требуется покрыть подобными зонами обслуживания, то число передатчиков будет минимальным, когда они располагаются в вершинах равностороннего треугольника (передатчики Т₁, Т₂ ,Т₃ на рис. 13.2), сторона которого «а» и радиус зоны обслуживания R_обс связаны соотношением

В этом случае границы зон обслуживания пересекаются в центре треугольника. Такой треугольник идеализированной сети называется элементарным треугольником. Два смежных элементарных треугольника образуют элементарный ромб (рис. 13.2). Площадь зоны обслуживания передатчика S_обс близка к площади элементарного ромба S_рмб, а точнее S_обс=1.2 S_рмб. Для сетей сотовой связи площадь обслуживания часто аппроксимируют шестиугольником. В этом случае площадь ромба совпадает с площадью шестиугольника. Если имеется N частотных каналов, то ими можно обслужить поверхность, состоящую из N элементарных ромбов. Передатчики размещают в вершинах элементарных треугольников. При составлении частотно - территориального плана предполагается, что полоса частот, в которой планируется размещение сети, разбита на каналы с одинаковой шириной полосы частот. Передатчики, работающие в совмещенном канале (т. е использующие одну и ту же рабочую частоту) размещают на максимальном удалении. Расстояние между ними должно быть таким, чтобы на границах зон обслуживания отношение полезного сигнала к помехе по совмещенному каналу на несколько децибел превышало защитное отношение. Треугольник, в вершинах которого располагаются передатчики, работающие в совмещенном канале, называется треугольником совмещенного канала. Два смежных треугольника совмещенного канала образуют ромб совмещенного канала, который называют также соканальным ромбом.

Для построения идеализированной сети используют косоугольную систему координат (x, y), в которой угол между осями координат составляет 60° (рис. 13.3).

Сетка, покрывающая плоскость (x, y), имеет одинаковый масштаб по осям координат. За единицу длины принимают длину стороны элементарного треугольника. Вершины элементарных треугольников называют узлами сети.

Ромб совмещенного канала располагают таким образом, чтобы его вершины совпадали с узлами сетки (узлы «с» на рис. 13.3). Одну из вершин ромба помещают в начало координат. При выбранной единице длины можно построить ромб совмещенного канала, вершины которого совпадают с узлами масштабной сетки, если существуют такие целые положительные числа i и j, что

i² + i j +j² = N (13.1)

Числа N, удовлетворяющие уравнению (13.1), называются ромбическими числами. Ромбические числа широко используются при определении размеров кластера сети, который обычно стремятся выбрать равным ромбическому числу.

Ромб совмещенного канала является лишь элементом идеализированной сети. Полная сеть состоит из некоторого множества примыкающих ромбов совмещенного канала, покрывающих заданную территорию.

Однородность сети достигается распределением каналов по узлам внутри ромба совмещенного канала в соответствии с частотно-территори-альными ограничениями, накладываемыми на назначение частот, и повторением ромбов совмещенного канала с одинаковой структурой. Частотно-территориальные ограничения, накладываемые в данном случае, определяют минимальное число каналов, на которые должны быть разнесены частоты передатчиков, которые располагаются в вершинах элементарного треугольника. Эти ограничения влияют на число частот, необходимое, чтобы их удовлетворить, и на то, как именно будут эти частоты распределены между РЭС внутри ромба совмещенного канала.

Допущения, принятые на начальном этапе построения ЧТП на основе теории регулярных сетей, позволяют его рассматривать только как предварительный план. Кроме того, при его построении, так же как и в случае с использованием частотно-территориальных ограничений, рассматриваются не все виды возможных помех. Дальнейшая коррекция плана может быть выполнена последовательным приближением начальных идеализированных условий планирования к реальным условиям работы сети на основе анализа внутрисетевой и межсистемной ЭМС проектируемой сети. Окончательный план должен обеспечить частотно-территориальный разнос между РЭС сети, а также между РЭС сети и работающими РЭС, не входящими в состав сети, при котором будет иметь место их электромагнитная совместимость.