Совместимость радиоканальных систем

К радиоканальным системам сигнализации малого радиуса действия в последнее время привлечено большое внимание. Актуальность их применения диктуется минимальными сроками установки. Особенности радиосвязи для устройств данного класса, диапазоны частот, предназначенные для их функционирования, "правила игры", предусмотренные в нашей стране.

Радиоэлектронные средства (РЭС) малого радиуса действия находят все большее применение в системах управления, охраны и сигнализации в силу упрощенного порядка доступа к спектру. Однако использование так называемого "безлицензионного" доступа к спектру не исключает влияния РЭС малого радиуса действия на РЭС другого назначения. Под РЭС малого радиуса действия понимают средства, которые не должны создавать недопустимых помех для уже действующих и планируемых к применению РЭС иного назначения и которые не должны предъявлять жалоб на помехи от РЭС иного назначения, функционирующих в той же полосе частот.

Осуществить такую работу нелегко из-за постоянного увеличения плотности размещения РЭС при ограниченном частотном ресурсе, что приводит к увеличению уровня взаимных помех. Весьма остро проблема взаимных помех проявляется там, где целые комплексы РЭС должны размещаться на ограниченной территории. Число РЭС на одном объекте может достигать нескольких десятков, а расстояния между ними могут составлять единицы метров и менее.

Пути решения проблем совместного функционирования РЭС малого радиуса действия и других РЭС

Для того чтобы устанавливаемые РЭС малого радиуса действия могли уживаться с РЭС, уже эксплуатирующимися в данной полосе частот на первичной основе, необходимо заранее обозначить ограничения параметров и принципов их функционирования. Например, ответственный производитель предоставит информацию по максимальному количеству устройств в зоне взаимной радиовидимости, а кроме того, обеспечит дополнительные способы улучшения совместной работы радиосистем на объекте, такие как:

• сканер эфира (перед установкой радиосистемы можно выбрать частотный канал, в котором меньше помех);
• автоматическая регулировка мощности и смена частотного канала, если на нем появляется помеха.

Основной вопрос изготовителя РЭС малого радиуса действия - "быть или не быть?" То есть, сможет ли новая радиосистема стабильно работать в том диапазоне частот, который уже используется ранее установленными на объекте беспроводными системами? Второй вопрос, который вытекает из первого: какие характеристики необходимо закладывать на этапе производства РЭС и в чем состоят потребительские преимущества данных характеристик? На эти вопросы можно дать следующий ответ: практически в любой полосе частот можно создать условия (технические и организационные), при которых оказывается возможным применение новых РЭС малого радиуса действия. Достигается это за счет введения различных ограничений на их функции и параметры. Ограничения можно разделить на три категории:

• технические:

   

  - ограничения на параметры излучения (максимальная мощность передатчика);

  - ограничения на параметры антенных элементов. В радиоустройствах малого радиуса действия нашли применение, главным образом, три типа антенн: интегральная (отсутствует антенный порт для подключения внешних антенн), специализированная (имеется антенный порт для подключения только специализированного для данного типа оборудования набора внешних антенн) и внешняя (имеется антенный порт для подключения антенны любого типа);

  - ограничения на спектральные характеристики. Речь идет о частотном разносе соседних каналов, ширине полосы частот радиосигнала, значениях базы используемых сигналов;

  - использование определенного метода доступа к каналу. Например, LBT (Listen Before Talk, что дословно можно перевести следующим образом: "слушай перед тем, как сказать"). Данный протокол связи перед началом передачи сканирует каналы на активность. Называемый еще "доступом к свободному каналу" (Clear Channel Assessment - CCA), он успешно может использоваться в системах с перескоком по частоте без ограничения цикла функционирования;

• организационно-технические:

   

  - ограничения на количество (плотность) РЭС, устанавливаемых на единицу площади объекта;

  - ограничения на активность работы передающих устройств. В качестве показателя используется так называемый коэффициент активности (Duty Cycle). Он равен проценту времени работы РЭС малого радиуса действия на излучение, измеренному в течение любого часа;

• организационные:

   

  - ограничения на место установки радиоустройств малого радиуса действия (удаленность металлических предметов, силовых кабелей), а также на сферу и условия их применения; - участие представителей территориальных радиочастотных органов в установке на объекте и проверке технических характеристик РЭС данной категории.

Технические ограничения, как правило, заранее известны и прописываются в соответствующих документах регулирующих органов (нормы ГКРЧ).

Совместимость радиоустройств малого радиуса действия с другими РЭС

В настоящее время основные проблемы эксплуатации отдельных устройств малого радиуса действия (устройства охранной радиосигнализации, некоторые неспециализированные устройства и т.д.) связаны с желанием разработчиков и пользователей "вынести" их из помещения и использовать в открытом пространстве. Основные регулирующие ограничения в данном случае связаны с максимальной выходной мощностью передатчика (как правило, она не превышает 10 мВт).

Наиболее эффективным решением могло бы также стать введение ограничений на время активности работы передающих устройств, их количество на единицу площади, а также на выбор места установки РЭС, сферы и условий их применения. Для нормального совместного функционирования радиосистемы малого радиуса действия и уже существующих более мощных РЭС необходимо предварять ее установку соответствующими расчетами. Электромагнитные поля, излучаемые антеннами передатчиков, не должны приводить к перегрузке входных каскадов и нарушению нормального функционирования приемников РЭС. Не менее опасным являются одновременное воздействие нескольких сигналов, порождающих интермодуляционные помехи, которые могут попасть в полосу рабочих частот приемников РЭС и ухудшить условия приема полезных сигналов. Можно предположить, что сигнал на входе приемника какого-либо РЭС от нескольких устройств малого радиуса действия, расположенных в зоне действия, будет пропорционален следующей зависимости:

где N - количество устройств малого радиуса действия;

Р _пер - мощность i-го передатчика устройства малого радиуса действия;

T_A- коэффициент активности и особенностей принципов построения устройства малого радиуса действия (отношение времени излучения устройства к времени ожидания; предоставляется производителем оборудования);

K_A- антенный коэффициент, учитывающий направленность, поляризацию, высоту подвеса и угол местности антенны устройства малого радиуса действия и взаимодействующего РЭС. Анализ электромагнитной совместимости устройства малого радиуса действия целесообразно проводить отдельно для внутриобъектовых РЭС и устройств наружного применения. Например, в полосе частот 2400-2483,5 МГц (2,4 ГГц) распространение радиоволн внутри здания отличается от распространения вне здания. Внутри здания необходимо рассматривать воздействие таких факторов, как: расположение и тип объекта, материалы стен и перегородок, а также и другие конструктивные характеристики здания. Из-за того, что длина волны в данной полосе частот составляет приблизительно 12 см, существует довольно много предметов и поверхностей внутри здания, имеющих размеры порядка половины длины волны (6 см), которые могли бы взаимодействовать в рассматриваемой полосе частот. Каждый такой предмет является потенциальным источником рефракции, дифракции или рассеивания радиочастотной энергии.

Внешними факторами, которые необходимо учитывать при анализе электромагнитной совместимости РЭС наружного применения, являются потери при распространении радиоволн на трассе и флуктуации уровней принимаемых сигналов и радиопомех. Считается, что качественная передача информации по радиоканалу обеспечивается в случае, если выполнены следующие условия:

• изменения уровня полезного сигнала, обусловленные его замираниями как вследствие мно-голучевости, так и вследствие препятствий, возникающих на пути распространения радиоволн, приводят к уменьшению интенсивности полезного сигнала не ниже чувствительности радиоприемника;
• изменения уровня полезного сигнала и непреднамеренной радиопомехи приводят к снижению отношения сигнал/помеха ниже защитного на входе радиоприемника не более чем в заданном проценте времени. Спектр сигнала и функция избирательности являются важнейшими техническими характеристиками РЭС, существенно влияющими на их электромагнитную совместимость (ЭМС). Поэтому к уровням внеполосных и побочных излучений радиопередатчиков предъявляют особые требования. При оценке ЭМС РЭС с целью проверки соответствия параметров сигналов РЭС установленным требованиям необходимо руководствоваться нормами на внеполосные и побочные излучения радиопередающих устройств гражданского назначения (ГКРЧ).

В ходе оценки ЭМС РЭС следует определить требуемые удаления потенциально несовместимых радиоустройств при различных частотных расстройках при разных вариантах взаимной ориентации их антенн. Полученные результаты для наземных РЭС с учетом принятой модели распространения радиоволн и без учета влияния рельефа местности представляют собой оценку сверху требуемых территориальных разносов. В случае если реальные значения территориальных разносов больше чем требуемые, то считается, что ЭМС РЭС обеспечивается. В противном случае может потребоваться введение дополнительных ограничений на мощность излучения, частотную расстройку и (или) пространственную ориентацию и высоту расположения антенн РЭС. Одним из эффективных способов согласования условий совместной работы РЭС является разработка и реализация норм частотно-территориального разноса (ЧТР) между взаимовлияющими РЭС. Нормы ЧТР представляют собой функцию от значений территориального и частотного разноса РЭС с учетом ориентации их антенн, при которых обеспечивается их ЭМС. На основе норм ЧТР определяются или конкретные рабочие частоты, которые могут быть использованы РЭС, или необходимый для обеспечения ЭМС территориальный разнос для заявленных рабочих частот. Нормы ЧТР позволяют установить требования к характеристикам направленности и ориентации антенных систем РЭС в пространстве при заданных рабочих частотах и расстояния между РЭС.

Нормы ЧТР определяются для конкретных типов РЭС с учетом их энергетических, частотных и пространственных характеристик. В случае удовлетворения требованиям норм ЧТР ЭМС между РЭС считается обеспеченной.

Пример расчета совместимости радиоустройства малого радиуса действия с другим РЭС

В качестве примера для расчета возьмем новый для систем безопасности диапазон частот 2,4 ГГц. Рассмотрим систему фиксированного широкополосного беспроводного доступа АР 4000 (Proxim, США), работающего в диапазоне частот 2,4-2,483 ГГц. Оборудование базовой станции данной системы сочетает в себе функционал сетей доступа и транспортных сетей. Оно рассчитано на использование недорогих и широко распространенных маломощных (до 100 мВт) абонентских устройств WiFi без внешних направленных антенн. В качестве взаимодействующего устройства технологии Bluetooth рассмотрим радиомодем ЕК 2400RF производства компании Eka Systems (США). Данный модем применяется в автоматизированной информационно-измерительной системе коммерческого учета электрической энергии, которая предназначена для текущего контроля потребления электроэнергии путем считывания выходных данных соответствующих счетчиков и автоматической выдачи счетов для энергоресурсов через компьютер сервера. Характеристики радиомодема:

• полоса частот - 2400-2483,5 МГц;
• вид модуляции - GFSK;
• число каналов - 79;
• скорость передачи данных - 720 Кбит/с;
• установка рабочего диапазона - дискретная (ППРЧ);
• режим работы - полудуплексный;
• мощность передатчика - 100 мВт;
• антенна - интегрированная.

Для расчета ЭМС будут использоваться следующие исходные данные, соответствующие наихудшим условиям:

• точное направление антенн друг на друга (максимальный коэффициент усиления антенны передатчика 0 дБ, приемника 16 дБ);
• совпадение поляризаций сигналов;
• максимальная мощность передатчика базовой станции 20 дБ;
• отсутствие потерь в антенно-фидерном тракте приемника;
• отсутствие атмосферных помех (туман, дождь, снег);
• чувствительность приемника базовой станции -88 дБ;
• расположение РЭС на одной высоте (10 м).

В результате расчета определено минимальное расстояние между радиомодемом ЕК 2400RF и базовой станцией фиксированного широкополосного беспроводного доступа, которое должно составлять не менее 390 м. Этот результат получен для режима непрерывного излучения модема и говорит о том, что при таком разносе недопустимых помех для РЭС технологии WiFi, от устройств малого радиуса действия этого класса точно не будет. Оценка вероятности нарушения работоспособности РЭС технологии WiFi из-за влияния РЭС технологии Bluetooth требует учета остальных параметров: активность (менее 5%), рабочий цикл излучения передатчиков (определяется протоколом обмена), перестройку частоты и т.д. Учет этих факторов показывает, что вероятность нарушения работоспособности РЭС технологии WiFi не превышает 0,1%, что является допустимыми потерями пропускной способности сетей WiFi. Поэтому ограничения на минимальное расстояние меду РЭС технологии WiFi и РЭС технологии Bluetooth (применяемом с установленными ограничениями по цели и активности) устанавливать не требуется.

Заключение

При выборе и установке радиоустройств малого радиуса действия (например, беспроводной сигнализации, устройств систем управления) необходимо точно знать, какие условия установки и ограничения на параметры РЭС должны быть выполнены для обеспечения ЭМС с уже действующими РЭС, и предпринять действия по выполнению этих ограничений. Только в этом случае гарантируется устойчивая работа РЭС. Для применения РЭС малого радиуса действия в требуемых режимах для конкретной прикладной задачи необходимо выбрать подходящий диапазон частот и условия применения разрешенной технологии. Если ни одно из разрешенных условий не подходит с точки зрения решения прикладных задач, необходимо проводить исследования по возможности установления новых условий применения РЭС малого радиуса действия на территории РФ, которые позволят решить прикладную задачу и при этом будут соблюдены условия ЭМС с уже действующими РЭС.

В.А. Григорьев
Доктор технических наук, член-корреспондент Академии инженерных наук РФ, член IEEE, профессор кафедры космической связи Военной инженерно-космической академии им. А.Ф. Можайского.
Источник: Журнал “Системы безопасности” #4, 2009