Увеличение дальности и надежности работы радиосистем ОПС

 

Увеличение дальности действия радиосистем ОПС

Дальность действия (связи между устройствами) является одной из важнейших характеристик радиосистем охранно-пожарной сигнализации (ОПС). Для надежной работы радиосистемы необходимо, чтобы между элементами была обеспечена устойчивая радиосвязь с достаточным энергетическим запасом.

При установке радиосистемы в помещениях реальная дальность связи может быть значительно меньше заявленной для открытого пространства, ее величина зависит от количества, материала и толщины стен и перегородок. Одним из наиболее эффективных способов повышения дальности действия радиоканальных систем в таком случае является использование иерархической структуры построения системы, когда для связи приемно-контрольного устройства (ПКУ) с удаленным дочерним устройством используются промежуточные звенья в виде радиорасширителей.

Однако при проектировании охранно-пожарной сигнализации дачных поселков, садоводств, гаражных кооперативов зачастую требуется обеспечить радиосвязь с удаленным объектом – например, отдельно стоящим коттеджем. Установка промежуточного радиорасширителя (радиорасширителей) в данной ситуации может быть сопряжена с определенными трудностями (необходимо выбрать такое место, где можно обеспечить электропитание, а также защиту от воровства и вандализма) или экономически нецелесообразна. В таких случаях имеет смысл применять дополнительные способы повышения дальности радиосвязи:

• использование выносных антенн;
• использование усилителей радиосигнала.

Применение выносных антенн

Использование выносных антенн представляется наиболее оправданным в случае, когда имеет место ослабление сигнала при прохождении через стены здания – например, если ПКУ находится внутри строения и используется штатная антенна. В таком случае внешняя антенна, установленная, например, на крыше, даст значительный выигрыш в дальности, даже если не обладает высоким коэффициентом усиления.

ПКУ радиоканальных систем ОПС имеют возможность подключения (с помощью 50-омного коаксиального кабеля) практически любых внешних антенн.

Условно, все существующие антенны можно разбить на две группы по типу диаграммы направленности: узконаправленные и с круговой диаграммой направленности (ДН).

Направленные антенны

Основные типы направленных антенн, рекомендуемых для использования в радиоканальных системах ОПС, следующие:

• волновой канал;
• зигзагообразные.

Антенна типа «волновой канал» (рис. 1) состоит из ряда параллельных вибраторов, расположенных в одной плоскости. В зависимости от количества вибраторов, усиление может составлять от 7 до 15 dBd.

Рис. 1. Внешний вид антенны типа «волновой канал»

Рис. 2. Диаграмма направленности антенны «волновой канал» в горизонтальной плоскости

Зигзагообразные антенны (рис. 3) состоят из плоского излучателя в форме «восьмерки», расположенного параллельно рефлектору (отражателю), представляющему собой металлическую сетку.

Рис. 3. Внешний вид зигзагообразной антенны

Такой рефлектор увеличивает коэффициент усиления антенны, при этом практически полностью подавляя излучение в направлении, противоположном главному лепестку ДН антенны (рис. 4).

Рис. 4. Типовая диаграмма направленности зигзагообразной антенны в горизонтальной плоскости

Существуют также модификации таких антенн без рефлектора, отличающиеся несколько меньшим коэффициентом усиления, но при этом имеющие два противоположных друг другу главных лепестка ДН. Также существуют модификации с несколько другой формой излучателя (не ромбовидной, а круглой). Коэффициент усиления зигзагообразных антенн с рефлектором, как правило, составляет 10 dBd.

Антенны с круговой диаграммой направленности

Антенны с круговой ДН (иногда их называют «ненаправленные») обеспечивают одинаковый уровень излучения в любом направлении в горизонтальной плоскости. Основные типы антенн с круговой ДН следующие:

• штыревые антенны (5/8 l);
• коллинеарные антенны;
• антенны типа «Шайба».

Штыревые антенны имеют простейшую конструкцию, состоящую из вертикального штыря, длиной 5/8 длины волны, и нескольких противовесов у основания антенны, лежащих в горизонтальной плоскости. Такая антенна обеспечивает усиление ненамного лучше штатных антенн радиорасширителей. На рисунке 5 показана типовая диаграмма направленности антенны данного типа в трехмерном изображении, с учетом влияния земной поверхности.

Рис. 5. Типовая диаграмма направленности антенны 5/8 l

Коллинеарные антенны (рис. 6) фактически, представляют собой несколько (обычно от 2-х до 6-ти) излучателей 5/8 l, расположенных по одной оси.

Рис. 6. Внешний вид коллинеарной антенны

В зависимости от количества излучателей коэффициент усиления таких антенн может достигать 8 dBd. Усиление достигается за счет того, что основная часть излучения направляется вдоль земной поверхности. На рисунке 7 показана типовая диаграмма направленности коллинеарной антенны в трехмерном изображении.

Рис. 7. Типовая диаграмма направленности коллинеарной антенны

Антенны типа «Шайба» (рис. 8) отличаются тем, что имеют очень низкий профиль (около 50 мм) и при этом обеспечивают усиление около 5 dBi, что ненамного хуже, чем усиление коллинеарной антенны 2*5/8 l, при гораздо меньших габаритах.

Рис. 8 Внешний вид антенны «Шайба» и ее диаграмма направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях

Антенны типа «Шайба», работающие в диапазоне 434 МГц, должны крепиться на металлическую поверхность или на специальный металлизированный экран. Крепление может осуществляться с помощью магнита, расположенного в корпусе антенны.

Типичные варианты использования выносных антенн

Направленные антенны имеют больший коэффициент усиления, чем антенны с круговой ДН, однако имеют некоторые ограничения при построении радиосистемы. При использовании направленной антенны все устройства, с которыми требуется обеспечить радиосвязь, должны находиться в направлении главного лепестка ДН антенны, либо в непосредственной близости от самой антенны (рис. 9). В случае, если устройство расположено вне основного лепестка ДН, рабочая дальность радиосвязи с ним может быть значительно меньшей.

Рис. 9. Типичный вариант использования направленной антенны

В случае, если необходимо обеспечить радиосвязь в разных направлениях в горизонтальной плоскости (рис. 10), применение направленной антенны неоправданно, и рекомендуется использовать антенну с круговой диаграммой направленности, предпочтительно коллинеарную.

Рис. 10. Типичный вариант использования коллинеарной антенны

При построении радиосистемы, следовательно, могут быть использованы антенны обоих типов – см. пример на рисунке 11. В данном случае родительское приемно-контрольное устройство (РР0 – радиорасширитель 0) находится на пульте охраны и имеет радиосвязь только с одним дочерним приемно-контрольным устройством (РР1).

Рис. 11. Пример построения радиосистемы с использованием антенн разных типов

РР1 является здесь наиболее «загруженным» узлом радиосистемы и должен обеспечивать связь со многими радиоустройствами, расположенными в разных направлениях. Поэтому к РР1 должна быть подсоединена коллинеарная антенна. Кроме того, антенну данного радиорасширителя следует устанавливать как можно выше (т.к. дальность радиосвязи существенно зависит от высоты установки антенны), поэтому РР1 целесообразно установить в наиболее высоком здании, а антенну установить на крыше на высокой мачте. Для этого радиорасширителя будет наиболее оправдана установка усилителя радиосигнала (см. далее).

РР2 в данном случае имеет радиосвязь с РР1, с одним дочерним устройством, находящимся в том же направлении, что и РР1, а также с дочерним устройством, расположенным в том же здании, что и РР2, так что в этом случае целесообразно использовать направленную антенну.

Для РР3, так же как и для РР1, требуется обеспечить радиосвязь с устройствами, находящимися в разных направлениях, поэтому к нему следует подключить антенну с круговой ДН.

Дополнительное оборудование, необходимое для установки внешней антенны

Для установки внешней антенны требуется следующее дополнительное оборудование:

• коаксиальные кабели;
• ВЧ-разъемы;
• сумматор/делитель.

От качества и правильной установки дополнительного оборудования в значительной степени зависит качество радиосвязи. Рассмотрим важнейшие характеристики данного оборудования.

Коаксиальный кабель

Коаксиальные кабели характеризуются следующими основными потребительскими характеристиками:

• волновое сопротивление;
• внешний диаметр изоляции;
• погонное затухание.

Волновое сопротивление кабеля должно соответствовать волновому сопротивлению устройств, к которым подключается кабель. Поскольку практически все радиосистемы охранно-пожарной сигнализации имеют входное и выходное сопротивление 50 Ом, коаксиальный кабель и антенна должны иметь также волновое сопротивление 50 Ом (1).

Внешний диаметр изоляции определяет тип используемых ВЧ-разъемов. Как правило, большему диаметру изоляции соответствует меньшее погонное затухание. Диаметр внешней оплетки кабеля соответствует определенной спецификации. В частности, спецификациям RG-58, RG-59 и RG-6 соответствует диаметр оплетки соответственно 4,95, 6,15 и 8,4 мм.

Погонное затухание является важнейшей характеристикой коаксиального кабеля. Затухание измеряется в дБ/м и зависит от частоты. Как правило, на частотах до 1 ГГц можно считать, что затухание пропорционально корню из частоты. Таким образом, если, например, для кабеля указано затухание 0,1 дБ/м на частоте 100 МГц, на рабочей частоте 434 МГц затухание будет составлять величину порядка 0,2 дБ/м.

При использовании кабеля с затуханием 0,2 дБ/м мощность радиосигнала будет ослаблена вдвое(2) при длине кабеля 15 м. При использовании кабеля с затуханием 0,1 дБ/м аналогичное уменьшение мощности радиосигнала будет при длине кабеля 30 м.

ВЧ-разъемы

Как правило, на антеннах устанавливаются разъемы типа N-гнездо и TNC-гнездо, т.е. для подключения к ним коаксиальный кабель должен иметь соответственно штекер типа N (рис. 12) или TNC (рис. 13).

Рис. 12. Штекер N-type Рис. 13. Штекер TNC

Разъемы также различаются в зависимости от размеров используемого кабеля. При выборе типа штекера следует удостовериться, что данный тип штекера подходит для имеющегося коаксиального кабеля. Обычно для штекеров указываются тип разъема, вид крепления и спецификации совместимых кабелей, например: TNC-штекер, обжим, RG-58, RG-59.

Общие рекомендации по установке антенны

Обоснованный выбор типа антенны и способа ее установки позволяет добиться технической устойчивости конкретного объекта в процессе его эксплуатации и достижения максимальной дальности в системе. Для стабильной связи между объектом и центральным радиопультом необходимо получить определенный уровень полезного сигнала, как по радио, так и по цифровой составляющим информационного сигнала на входе приемника базовой станции.

Основные варианты устанавливаемых объектовых антенн:

Вариант 1. Штыревая антенна.

Простейший тип антенны – штыревая антенна. Несимметричными (штыревыми) называют антенны, расположенные непосредственно у земли (или металлического экрана) перпендикулярно (реже наклонно) к ее поверхности. Эти антенны применяют, как правило, там, где радиус действия радиосистемы имеет первостепенное значение.

Штыревая антенна представляет собой четвертьволновый отрезок прямого провода или стержня , подключаемого непосредственно к выводу RX/TX. Резонансная длина четвертьволновой штыревой антенны может быть вычислена по формуле:
L (см) = 7500 / частота (МГц)

Длина четвертьволнового отрезка для частоты 433.92 МГц равна 17 см.

Эта формула может служить лишь отправной точкой расчетов, так как антенна может быть короче, если стержень слишком толст или имеет какое-либо покрытие.

Такие антенны очень просты в настройке – достаточно лишь слегка изменить длину провода.
Если антенна устанавливается на удалении от приемного/передающего модуля, для подключения можно использовать кабель с волновым сопротивлением 50 Ом:

 

 

Экранирующая оплетка кабеля должна быть припаяна к «земле» возле антенного вывода модуля.
Штыревую антенну можно, также, изготовить в виде дорожки печатной платы:

 

 

Длина дорожки должна быть на 10-20% меньше, чем дают расчеты. Насколько меньше – зависит от типа диэлектрика и толщины печатной платы. Если устройство портативное, антенну надо делать чуть короче, чтобы компенсировать влияние рук.
Дорожку антенны проводите на плате на расстоянии не менее 5 мм от остальных цепей.

Рамочные антенны находят применение, в основном, в передатчиках, в особенности, когда критичны размеры и вес конструкции. Рамочные антенны изготавливаются как часть печатной платы. Один конец антенны заземляется, а другой подключается к выводу TX/RX через конденсатор. Конденсатор используется для согласования и настройки антенны:

 

 

Существенным преимуществом рамочных антенн является их слабая чувствительность к влиянию рук и независимость от топологии «земли». По этой причине рамочные антенны широко используются в передатчиках дистанционного открывания ворот, автосигнализациях и т.п.
Конструируя рамочную антенну, старайтесь сделать ее как можно больше, так как маленькая антенна имеет плохое усиление и очень узкую полосу пропускания. Крайне важна правильная настройка антенны. Для настройки часто используются подстроечные или постоянные конденсаторы.

Штыревая антенна, устанавливаемая на объектовом блоке, непосредственно подключается к передатчику, между корпусом передатчика и “землей” протекает примерно такой же по величине ток, что и в антенне. Достоинство такого подключения – простота монтажа, недостаток – дополнительные потери в радиоканале и большая вероятность возникновения помех другим электронным устройствам в широком интервале частот. В связи с этим необходимо обеспечить хорошее заземление корпуса объектового прибора, длина которого не должна превышать 0,1 λ , т.е. при частоте 167.500 кГц это составит около 18 см, в противном случае будет иметь место излучение через заземляющий провод, снижающее энергетику объекта. Далее, при расстоянии между антенной и стеной S равном 5-10 сантиметров, стена (ее материал) и находящиеся рядом металлические предметы, оказывают сильное влияние на нее. При этом увеличивается реактивное сопротивление антенны, в результате чего передатчик при излучении будет потреблять повышенный ток, что, в свою очередь, ведет к снижению его к.п.д. и перегреву выходного каскада.

Рис. 2. Штыревая антенна

Подводя итог, можно сказать, что штыревая антенна имеет наибольшие физические размеры и должна использоваться там, где радиус действия имеет первостепенное значение.
Рамочные антенны из всех рассмотренных имеют самый маленький радиус действия.

Неплохим компромиссом, особенно в тех случаях, когда важны габариты устройства является спиральная антенна. Конструкция должна заключатся в корпус, и может быть сделана весьма компактной. В установке и настройке спиральные антенны сложнее, чем штыревые, так как на них оказывают сильное влияние соседние объекты.

 

 

Спиральная антенна изготавливается, как правило, намоткой отрезка стального, медного или латунного провода.

Из-за высокой добротности спиральных антенн их полоса пропускания очень мала, и межвитковое расстояние оказывает на характеристики антенн значительное влияние.

Число витков зависит от диаметра провода, диаметра намотки и межвиткового расстояния. Проще всего необходимое количество витков определять экспериментально, первоначально сделав антенну заведомо большей длины и укорачивая ее до обнаружения резонанса на требуемой частоте. Точная настройка антенны выполняется сжатием или растягиванием спирали.

Для изготовления антенны на частоту 433.92 МГц необходимо намотать 17 витков эмаль-провода диаметром 1 мм на оправке диаметром 5 мм и растянуть катушку так, чтобы ее длина равнялась 30 мм.

Большим недостатком спиральных антенн является их высокая чувствительность к любым предметам, подносимым к антенне, в частности, к рукам, поэтому такие антенны плохо подходят для портативной аппаратуры.

Вариант 2. Выносная антенна.

Использование выносной антенны (рисунок 2) на объекте заметно улучшает его энергетику. При использовании кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом потери мощности будут минимальными. При монтаже антенну можно расположить в месте, наиболее благоприятном для ее эффективного излучения, желательно в сторону расположения радиопульта, возможно это позволит уменьшить мощность передатчика до 2-х ватт, что приведет к снижению помех другим электронным устройствам и повышению “живучести объекта” при работе на резервном питании.

Для увеличения дальности радиосвязи большое значение имеет высота установки выносной антенны. В любом случае она должна быть такой, чтобы обеспечить «прямую видимость» между антеннами, причем высота подъема над крышей должна быть не менее 1 м (кроме антенн типа «Шайба»).

Не следует устанавливать антенну ближе, чем в 2–3 м от других антенн или металлических объектов. Если при прокладке кабеля остались лишние метры, то его следует либо укоротить, либо, по крайней мере, выпрямить (например, пустить по периметру помещения), поскольку в скрученном кабеле затухание сигнала может быть несколько выше.

Антенны должны быть установлены с одинаковой поляризацией, причем обязательно вертикальной, в случае, если в радиосистеме используются коллинеарные антенны. Для установки антенны «волновой канал» с вертикальной поляризацией вибраторы (штыри на траверсе) должны располагаться вертикально. При установке зигзагообразной антенны два излучателя должны располагаться по горизонтали, т.е. антенна должна быть установлена широкой частью параллельно земле (рис. 14). Антенны типа «Шайба» имеют вертикальную поляризацию при установке плоской частью параллельно земле.

Рис. 14. Иллюстрация правильной установки антенн: и зигзагообразная антенна, и антенна «волновой канал» установлены с вертикальной поляризацией

Применение двунаправленных антенных усилителей

Помимо направленных антенн, для увеличения дальности радиосвязи могут использоваться двунаправленные усилители радиосигнала.

Двунаправленный усилитель имеет в своем составе два усилителя, подключенных навстречу друг другу, а также переключатели, управляемые детектором входного сигнала (рис. 15).

Рис. 15. Структурная схема двунаправленного усилителя радиосигнала

Общий алгоритм работы таких усилителей следующий. В случае, если на вход 1 усилителя сигнал не поступает, т.е. приемно-контрольное устройство работает на прием, усилитель также работает на прием, т.е. усиливает сигнал с антенны (на приемно-контрольное устройство идет усиленный сигнал со входа 2). Это приводит к улучшению чувствительности приемника и, соответственно, увеличению дальности радиосвязи.

В случае, если на вход 1 начинает поступать сигнал (есть некоторый пороговый уровень мощности), усилитель переходит в режим усиления передачи, на антенну идет усиленный сигнал со входа 1, т.е. от приемно-контрольного устройства.

В случае, если усилитель содержит систему автоматического регулирования уровня (АРУ), уровень выходной мощности практически не зависит от входной мощности(3). Устанавливать усилитель, оборудованный системой АРУ, следует как можно ближе к антенне, поскольку при этом будут максимально скомпенсированы потери в кабеле. Однако, при больших суммарных потерях в кабеле и/или сумматоре есть опасность, что уровень на входе усилителя мощности будет ниже порогового и усилитель не сможет переключиться в режим передачи. В этом случае усилитель следует устанавливать ближе к приемно-контрольному устройству.

Эффективность различных способов увеличения дальности радиосвязи

Для оценки эффективности различных способов увеличения рабочей дальности радиосвязи между устройствами радиосистемы охранно-пожарной сигнализации СТРЕЛЕЦ® специалистами компании “Аргус-Спектр” был проведен ряд экспериментов.

Эксперименты проводились в условиях открытой местности, антенны устанавливались на высоте около 5 м над уровнем земли. Использовались направленные антенны с усилением около 10 dBd, а также коллинеарные антенны с усилением 5,5 dBd. В ряде экспериментов был использован также усилитель «Модус-А». Результаты представлены в таблице 1.

По результатам эксперимента можно сделать вывод, что как использование внешних антенн, так и использование двунаправленных усилителей позволяет значительно увеличить рабочую дальность между приемно-контрольным устройством (РР – радиорасширителями). Следует заметить, что рабочая дальность радиосвязи между приемно-контрольным устройством и дочерним устройством в открытом пространстве будет примерно в полтора раза ниже, чем дальность радиосвязи с другим приемно-контрольным устройством со штатной антенной. К примеру, дальность радиосвязи между дочерним устройством и приемно-контрольным устройством (радиорасширителем), оборудованным направленной антенной и усилителем, составит порядка 2,5-3 км. В случае, если дочернее устройство находится в строении, рабочая дальность уменьшится.

Табл. 1. Экспериментально полученная рабочая дальность радиосвязи между устройствами радиосистемы охранно-пожарной сигнализации СТРЕЛЕЦ®

В таблице приведены данные для рабочей дальности радиосвязи, т. е. для дальности с оценкой качества радиосвязи не ниже «4». Максимальная дальность, при которой возможна радиосвязь, может быть заметно выше рабочей дальности (в 1,5–2 раза), однако устанавливать радиорасширители на расстоянии, близком к предельному, не рекомендуется. Следует также учитывать, что в таблице приведены ориентировочные данные. Реальная рабочая дальность может быть несколько ниже или выше в зависимости от рельефа местности, уровня внешних радиошумов и высоты установки антенны.

Таким образом, применение выносных антенн и усилителей радиосигнала позволяет значительно увеличить дальность действия радиосистем охранно-пожарной сигнализации. При использовании этого оборудования необходимо учитывать рельеф местности, высоту установки антенн и соблюдать общие рекомендации по установке.

Как настроить радиоканал в системах безопасности

Работа любого радиоканала проходит в условиях, когда на вход приёмного устройства кроме полезного сигнала всегда воздействуют и внешние помехи. Поэтому для обеспечения качественного функционирования радиоканала необходимо оценить уровень полезного сигнала и помех на входе приёмного устройства расчётным путём и проверить эти данные экспериментально.

Уровень полезного сигнала в точке расположения приёмной антенны аппаратуры ПЦО будет определяться следующим выражением:

Pвыхпр - Lфпрд + Gапрд – Lmp + Gапрм – Lфрпм ≥ Nчпрм + 20(дБ) (1)

где Pвыхпрд – выходная мощность (дБ),
Lфпрд – потери в фидере (дБ),
Gапрд – усиление антенны (дБ) соответственно ПРД ОК;
Lтр – потери сигнала на радиотрассе (дБ);
Gапрм – усиление антенны (дБ), – потери в фидере (дБ),
Nчпрм – чувствительность приёмника (дБ) соответственно ПРМ ПЦО;
20 – необходимый запас на затухание сигнала на радиотрассе (дБ).

В свою очередь, потери на трассе можно определить по следующей формуле [2]:

Lmp = 69,55 + 26,16lgfc - 13,82lghпрд – А(hпрм) + (44,9 - 6,55lghпрм)lgS (дБ) (2)

где fc – частота несущей в мегагерцах,
hпрд – высота антенны ПРД ОК (в метрах),
hпрм – высота антенны ПРМ ПЦО (в метрах), S – расстояние между антеннами (в км),
А(hпрм) – поправочный коэффициент для антенны ПРМ ПЦО.

Для больших городов поправочный коэффициент определяется по формуле:

A(hпрм) = 8,29[ lg(1,54hпрм)]2 - 1,1 (дБ) для fc ≤ 300 МГц (3)

A(hпрм) = 3,2[ lg(11,75hпрм)]2 - 4,97 (дБ) для fc ≥ 300 МГц

 

Для небольших городов поправочный коэффициент определяется следующим образом:

A(hпрм) = (1,1lgfc-0,7)hпрм - (1,56lgfc - 0,8) дБ (4)

Для потерь на открытом пространстве Lmроmк можно воспользоваться следующей формулой:

Lmроmк = Lmp - 4,78lg(fc)2 - 18,733(lgfc) - 40,98 (дБ) (5)

 

Для определения качественного функционирования радиоканала необходимо вначале по формуле (2) или (5) определить потери сигнала на радиотрассе для заданного расстояния S между ОК и ПЦО. При этом поправочный коэффициент А(hпрм) считается по формулам (3) или (4) в зависимости от городской застройки для заданной частоты работы системы. После этого по формуле (1) необходимо проверить выполнение условия: если уровень сигнала на входе ПРМ ПЦО превышает значение Nчпрм на 20 дБ, то радиоканал обеспечивает требуемое качество функционирования.

Если данное условие не выполняется, необходимо предпринять меры к снижению потерь сигнала Lтр на радиотрассе: увеличить высоты подъёма антенн ОК и ПЦО, уменьшить потери сигнала в фидерных линиях, применить антенны с большим коэффициентом усиления или, наконец, уменьшить расстояние между объектами.

Выходная мощность передатчика оказывает небольшое влияние на дальность связи. К примеру, если удвоить мощность передатчика с 10 Вт до 20Вт, уровень сигнала в точке приёма увеличится на 3 дБ, а если увеличить мощность в 10 раз (с 10 Вт до 100 Вт), то на 10 дБ.

Радиоканал необходимо планировать таким образом, чтобы мощность передатчика радиостанции была как можно ниже, а увеличение уровня сигнала в точке приёма добиваться за счёт тех предложений, о которых говорилось выше.

Если же увеличения мощности передатчика не удаётся избежать, необходимо принять меры к тому, чтобы увеличение мощности не привело к блокированию рядом расположенных приёмных устройств объекта контроля (или ПЦО), а также увеличению уровня интермодуляционных помех.

Данный алгоритм справедлив и для определения качества функционирования радиоканала в направлении ПРД ПЦО ПРМ ОК.

Все радиотрассы подвержены постоянно изменяющимся внешним факторам. Внешние факторы мало влияют на функционирование радиотрассы, если никакие препятствия не попадают в зоны Френеля. Зоны Френеля – это индукционное поле, возбуждаемое вокруг распространяющегося радиосигнала. Если степень вторжения помех в индукционное поле радиосигнала меняется, изменяется и качество радиотрассы. Чтобы обеспечить надёжность радиотрассы, необходим запас на затухание сигнала. На практике запас на затухание обычно берут в 20 дБ.

После проведения расчётов необходимо экспериментально проверить полученные результаты и при необходимости внести коррективы в схему построения радиоканала системы безопасности.

Аттенюатор предназначен для экспериментальной проверки наличия необходимого запаса на затухание в 20 дБ на данной радиотрассе. Если при включённом аттенюаторе система продолжает работать надёжно, необходимый запас на затухание обеспечен. Если же в системе появляется шум или связь пропадает, необходимо ввести дополнительное усиление.

Алгоритм контроля радиоканала заключается в следующем. На вход ПРД ОК от ГНЧ подаётся сигнал с частотой 1 кГц и амплитудой, обеспечивающей получение номинальной девиации частоты. Как правило, в системах безопасности при организации радиоканала используется частотная модуляция. При использовании других видов модуляции функциональная схема и алгоритм контроля радиоканала остаются такими же.

Низкочастотным вольтметром определяется отношение полезного сигнала на выходе ПРМ ПЦО при номинальной девиации частоты несущей к напряжению помех при снятой модуляции (при подаче немодулированной несущей) по следующей формуле:

где Uc и Uп соответственно напряжения сигнала и помехи, В.
Для обеспечения качественной работы радиоканала в системе безопасности необходимо, чтобы на входе ПРМ ПЦО было значение входного сигнала, обеспечивающего значение Uc/Uп на выходе не менее 20дБ. При этом уровень входного сигнала измеряется высокочастотным вольтметром. Если уровень входного сигнала не обеспечивает необходимое значение Uc/Uп на выходе ПРМ ПЦО, необходимо принять меры к снижению потерь сигнала на радиотрассе, рассмотренные выше.

Предложенный алгоритм позволяет настроить радиоканал и обеспечить надёжную работу систем безопасности.

Проектирование и расчет дальности действия радиоустройств в помещениях

Процесс составления проектно-сметной документации можно разделить на следующие этапы:

• утверждение заказчиком ТЗ;

 

• составление коммерческого предложения или проекта стадии “П” (технико-экономического обоснования - для больших объектов);

 

• утверждение рабочей документации (проекта стадии Т”);

 

• согласование сметной документации;

 

• составление исполнительской документации (рабочей документации с внесенными изменениями).

Техническое задание (ТЗ) составляется по РД 25.952-90 “Системы автоматические пожаротушения, пожарной, охранной и охранно-пожарной сигнализации. Порядок разработки задания на проектирование”. Для небольших объектов затем формируется коммерческое предложение, а для крупных - проект стадии “П”. Уже на этапе проектирования становятся очевидны преимущества радиоканальных систем:

• высокая скорость выполнения монтажных работ;

 

• возможность монтажа оборудования без вывода объекта из эксплуатации;

 

• минимальное вмешательство в интерьер помещений.

Итоговая стоимость реализации проекта на базе беспроводной системы не превышает затрат на оборудование здания традиционными проводными системами, что, учитывая перечисленные выше преимущества радиоканала, объясняет возросшую популярность беспроводных систем сигнализации и оповещения. Рабочая документация является основой для определения тактики работы радиосистемы, ее составление включает в себя следующие шаги:

• размещение охранных и пожарных извещателей и оповещателей на планах объекта с учетом надежного обнаружения признаков вторжения или опасных факторов пожара;

 

• размещение радиорасширителей на планах с учетом дальности действия радиоканала как между самими радиорасширителями, так и между ними и радиоизвещателями;

 

• определение параметров и тактики использования системы (разделы, сигнальные и исполнительные устройства, устройства управления и их взаимосвязь).

На данный момент наиболее непривычным, но не таким уж и сложным процессом является расчет дальности действия радиоканальных устройств или оценка пригодности радиоинтервалов между ними. Если на уже функционирующих объектах в ходе их обследования можно произвести замеры уровней сигналов, то для проектируемых зданий такой возможности не существует. Единственный выход из положения - проведение расчета. Эти вычисления целесообразно производить для оптимального размещения на планах объекта радиоустройств, в частности радиорасширителей - приборов, которые контролируют свои дочерние извещатели, собирают и ретранслируют сообщения от них на пост охраны.
Необходимо отметить, что для радиосистем пожарной сигнализации и оповещения следует руководствоваться требованиями свода правил СП 5.13130.2009, пункт 13.2.3: “Удаленность радиоканальных устройств от приемно-контрольного прибора определяется в соответствии с данными производителя, приведенными в технической документации и подтвержденными в установленном порядке”. То есть эти цифры должны быть приведены в руководстве по эксплуатации на радиосистему и подтверждены при сертификации оборудования.

Очень часто приходится сталкиваться с вопросом “Какова дальность действия того или иного радиоустройства?”. Но о конкретных цифрах можно говорить, лишь разобравшись в природе распространения радиоволн. Итак, каждая пара радиоустройств (например, “извещатель - радиорасширитель”) характеризуется энергетическим потенциалом, который определяется мощностью передающих устройств, чувствительностью приемных трактов и параметрами антенно-фидерных трактов. Этот энергетический потенциал (запас) на радиолинии в итоге определяет вероятность достоверной передачи цифровой информации и выражается в децибелах (дБ). Энергетический потенциал необходим для компенсации ослаблений радиосигнала, которые складываются из:

• ослабления сигнала в свободном пространстве;

 

• ослабления сигнала за счет препятствий на пути распространения радиоволн.

Ослабление сигнала на радиолиниях в свободном пространстве зависит от расстояния между радиоустройствами и носит логарифмический характер. На рис. 1 графически приведена зависимость ослабления сигнала от удаленности радиоустройств для радиочастотных диапазонов 433 и 868 МГц.

Ослабление за счет препятствий (строительных конструкций помещений) происходит в результате поглощения ими радиосигнала. Необходимо отметить, что долгое время для расчета ослабления сигнала за счет препятствий использовался механизм, основанный на теории дифракции (огибания) радиоволнами препятствий. Совсем недавно в целях планирования сотовых систем связи был разработан так называемый механизм проникновения радиоволн, который основан на возможности формирования вторичной электромагнитной волны после прохождения сигнала сквозь препятствие.
В итоге для оценки пригодности радиоинтервала сумму указанных ослаблений сигнала (в дБ) необходимо вычесть из заявленного производителем энергетического потенциала между радиоустройствами. Полученный результат и является расчетным энергетическим запасом между радиоустройствами. Его рекомендуемая величина (порядка 20-30 дБ) характеризует стабильную радиосвязь и предназначена для компенсации так называемых быстрых и медленных замираний радиосигнала. К быстрым замираниям, помимо явлений, связанных с самой природой распространения радиоволн, относятся ослабления сигнала, связанные с присутствием и перемещением в помещениях людей, а также многократным переотражением радиоволн внутри этих помещений. Вне помещений присутствуют также медленные замирания, определяемые в основном дневными и сезонными ослаблениями радиосигнала, вызванными рефракцией (искривлением траектории) за счет изменения диэлектрической проницаемости воздуха.
При распространении радиоволн внутри помещений имеется некоторое ограничение, связанное с так называемой предельной толщиной препятствия (стены), при превышении которой уже не происходит формирование вторичной электромагнитной волны. В зависимости от частоты сигнала и материала стен и перегородок предельная толщина составляет:

• бетон - 0,47 м (433 мГц) и 0,24 м (868 мГц);

 

• кирпич - 4,3 м (433 мГц) и 2,18 м (868 мГц).

Таким образом, можно считать, что ослабление радиосигнала в результате прохождения через одну стену при угле падения радиоволн на плоскую поверхность, равном 90°, не зависит от толщины препятствия при условии, что оно меньше предельной толщины и будет составлять значения, приведенные в таблице.
Если электромагнитная волна на поверхность попадает под углом, отличным от 90°, то предельная толщина стены становится несколько меньше, а ослабление сигнала за счет частичного отражения радиоволны - больше. На рис. 2 представлены графики ослабления радиосигнала в зависимости от угла, под которым он попадает на стены или перекрытия, и материалов, из которых они выполнены.

Пример оценки дальности радиосвязи на объекте

Для примера возьмем шесть помещений. В первом из них установлен радиорасширитель, в последнем на расстоянии 48 м от радиорасширителя размещается радиоизвеща-тель (рис. 3).
Между ними имеется пять стен толщиной по 15 см, выполненных из пенобетона. Угол падения волны ф = 20°.

Ослабление сигнала в свободном пространстве V0= 58 дБ (рис. 1).
Ослабление сигнала за счет препятствий
Vnp= 5х5дБ = 25дБ (рис.2).
Суммарное ослабление сигнала Vj = 25 + 58 = 83 дБ.
Энергетический потенциал между радиорасширителем и его дочерним извещателем составляет 114 дБм, а между радиорасширителями -117 дБм. В рассмотренном случае энергетический запас на замирание равен 31 дБ (Рс = 114-83), в большинстве случаев этого более чем достаточно для организации надежной радиосвязи.
В целях увеличения дальности радиосвязи целесообразно применение радиорасширителей-маршрутизаторов. Не занимая адресного пространства системы, они позволяют создать более равномерную энергетическую плотность между радиорасширителями и в полной мере реализовать принцип автовыбора маршрута доставки сигналов между компонентами радиосистемы (динамическая маршрутизация).

Определение параметров радиосистемы

Последним этапом при разработке рабочей проектной документации является определение параметров радиосистемы - частотных каналов, разделов, сигнальных и исполнительных устройств и устройств управления с указанием их взаимосвязи.
Зачастую в проектной документации приводится только размещение радиоустройств на планах объекта и схемы их подключений, а в пояснительной записке указывают тип оповещения о пожаре и приводят расчет требуемой емкости резервных источников питания. Однако очень важно определить и документально оформить тактику работы радиосистемы! Именно на этапе проектирования должны задаваться и параметры радиорасширителей, как приемно-контрольных устройств радиосистемы:

• общие: параметры функционирования радиорасширителя;

 

• разделы: локальный раздел является основной функциональной единицей для управления и индикации состояния системы;

 

• реле: внешняя реакция на события в разделах;

 

• дочерние устройства: сигнальные, исполнительные и устройства управления, входящие в раздел, и их параметры функционирования;

 

• пользователи: кто и с каким кодом допущен к управлению локальным разделом.

Удобнее всего представить эти параметры в проектной документации в виде таблиц, таким образом облегчив впоследствии проверку конфигурации радиосистемы в будущем.

Таблица 2

Как показывает практика, приведенная методика оценки пригодности радиоинтервалов для беспроводных систем охранно-пожарной сигнализации и оповещения не вызывает каких-либо трудностей при расчетах. Более того, при внесении каких-либо изменений в планировку функционирующих зданий предложенная методика позволяет спрогнозировать и своевременно спланировать необходимые мероприятия по изменению структуры радиосистемы без проведения серьезных изыскательских работ, для чего иногда достаточно ограничиться перемещением одного или двух радиорасширителей. Понимание специалистами монтажных подразделений этой методики позволяет значительно сократить время при поиске мест оптимального расположения радиоустройств.

В заключение приведем основные рекомендации по монтажу оборудования радиосистем:
– радиорасширители и дочерние устройства следует монтировать по возможности дальше от металлических предметов, металлических дверей, металлизированных оконных проемов, коммуникаций и др.
– следует избегать установки радиоустройств вблизи различных электронных приборов, компьютерной техники, токоведущих кабелей, проводов, для того чтобы исключить влияние помех от функционирующих преобразователей напряжения, микропроцессоров и проч. на качество радиоприема. Рекомендуемое расстояние между радиорасширителями и электронными устройствами – не менее 1–1,5 м.

Сравнение дальности действия радиоканальных систем
в диапазонах 433 и 868 МГц, 2,4 ГГц

В настоящее время на рынке систем безопасности наиболее распространены внутриобъектовые радиоканальные системы сигнализации, работающие в следующих диапазонах частот: 433 и 868 МГц, 2,4 ГГц. Это нелицензируемые диапазоны с разрешенной максимальной мощностью передатчика 10 мВт (для 433 и 868 МГц), а также 100 мВт (для 2,4 ГГц). Однако при использовании диапазона 2,4 ГГц необходимо зарегистрировать установленное на объекте оборудование в территориальных органах Роскомнадзора.

Диапазон 433 МГц в России уже более 10 лет широко применяется для систем сигнализации. Несколько лет назад у нас и в Европе “открыли” новый диапазон – 868 МГц. Необходимо отметить, что в России невозможно применение радиосистем для этого диапазона, произведенных в Европе, так как ни один из европейских поддиапазонов не отвечает российским требованиям.

Диапазон 2,4 ГГц используется в основном для скоростной передачи данных в сетях WiFi, WiMAX и т.д. Производство радиоканальных систем охранно-пожарной сигнализации в этом диапазоне стало возможным с появлением маломощных передатчиков, работающих в протоколе ZigBee.

Проведем оценку дальности радиосвязи между извещателем и приемно-контрольным прибором (ПКП) в здании. Напомним, что каждая пара радиоустройств характеризуется энергетическим запасом (потенциалом), который необходим для компенсации ослаблений радиосигнала. Для устойчивой работы на этом радиоинтервале должен быть предусмотрен энергетический запас в 20–25 дБ. Дальность радиосвязи определяется четырьмя параметрами:

* мощность передатчика;
* чувствительность приемника;
* ослабление сигнала в свободном пространстве;
* ослабление сигнала при прохождении через стены помещений.

Определим начальные условия.

Мощность передатчика
Максимальная разрешенная мощность передатчиков в диапазонах 433 и 868 МГц равняется 10 мВт. В диапазоне 2,4 ГГц разрешенная мощность составляет 100 мВт. Но, для того чтобы обеспечить несколько лет работы устройств от батарей, необходимо снизить мощность излучения до тех же 10 мВт. Таким образом, мощность передатчиков одинакова для всех радиосистем – 10 мВт.

Чувствительность приемника
Будем рассматривать радиосистемы с двухсторонним протоколом обмена, то есть в каждом устройстве используется приемопередатчик. Для радиоустройств, работающих на частотах 433 и 868 МГц, используются трансиверы, максимальная чувствительность которых равна 107 дБм. Для трансиверов диапазона 2,4 ГГц чувствительность не превышает 100 дБм. С учетом мощности излучения передатчиков получаем энергетический запас 117 дБ для диапазонов 433/868 МГц и 110 дБ для 2,4 ГГц.

Ослабление сигнала в свободном пространстве
Оно определяется рабочей частотой системы. График зависимости ослабления сигнала в свободном пространстве от расстояния представлен на рис. 4.

Ослабление сигнала при прохождении через стены помещений
Значения ослабления сигнала при прохождении через стены помещений представлены в табл. 2. Если толщина стены превышает некоторую предельную величину, то радиосигнал не будет проходить через нее. Предельная толщина стены для разных диапазонов частот представлена в табл. 3. В качестве примера возьмем здание с бетонными стенами. Будем считать, что толщина стен не превышает предельную величину и дополнительных препятствий не существует. Проведем расчет дальности устойчивой радиосвязи между прием-но-контрольным прибором и извещателем.

Рассмотрим три случая.

Расстояние 15 м, 2 стены
Диапазон 433 МГц. Ослабление сигнала в свободном пространстве: Vо = 49 дБ. Ослабление сигнала за счет препятствий: Vпр.= 2 x 10 дБ = 20 дБ. Суммарное ослабление сигнала: VΣ = 49 + 20 = 69 дБ. Энергетический запас на замирание равен: 117-69 = 48 дБ. Диапазон 868 МГц. Ослабление сигнала в свободном пространстве: Vо = 55 дБ. Ослабление сигнала за счет препятствий: Vпр.= 2 x 10 дБ = 20 дБ. Суммарное ослабление сигнала: VΣ = 55 + 20 = 75 дБ. Энергетический запас на замирание равен: 117 – 75 = 42 дБ. Диапазон 2,4 ГГц. Ослабление сигнала в свободном пространстве: Vо = 64 дБ. Ослабление сигнала за счет препятствий: Vпр.= 2 x 10 дБ = 20 дБ. Суммарное ослабление сигнала: VΣ = 64 + 20 = 84 дБ. Энергетический запас на замирание равен: 110 – 84 = 26 дБ. Энергетический запас для всех диапазонов больше 20 дБ, что достаточно для стабильной радиосвязи.

Расстояние 20 м, 3 стены
Для диапазона 433 МГц энергетический запас равен 36 дБ, для диапазона 868 МГц – 30 дБ, для диапазона 2,4 ГГц – 14 дБ. Энергетический запас больше 20 дБ только для диапазонов 433 и 868 МГц.

Расстояние 25 м, 4 стены
У диапазона 433 МГц энергетический запас равен 24 дБ, у диапазона 868 МГц – 18 дБ, у диапазона 2,4 ГГц отсутствует связь. Энергетический запас больше 20 дБ только для диапазона 433 МГц (устойчивая радиосвязь). Для диапазона 868 МГц – неустойчивая радиосвязь. Таким образом, мы определили, что расчетные значения максимальной дальности устойчивой радиосвязи для разных диапазонов отличаются и составляют:

* диапазон 2,4 ГГц: дальность 15 м, 2 стены;
* диапазон 868 МГц: дальность 20 м, 3 стены;
* диапазон 433 МГц: дальность 25 м, 4 стены.

Теперь давайте сравним полученные величины с результатами практических измерений в здании.

Результаты практических измерений

Специалистами были произведены замеры дальности устойчивой радиосвязи и максимальной дальности между приемно-контрольным прибором и извещателем для каждого из рассматриваемых диапазонов. Результаты показаны на рис. 5–7. Дальность устойчивой радиосвязи – расстояние, при котором энергетический запас на быстрые и медленные замирания между приемно-контрольным прибором и извещателем не меньше 20 дБ (на рисунках отмечено зеленой заливкой).

Максимальная дальность – расстояние, при котором за период контроля приемно-контрольный прибор принимает хотя бы один тестовый сигнал от извещателя (отмечено коричневой заливкой).

Итоги сравнения

1. Теоретическая оценка радиосвязи (представленная в статье “Радиоканальные системы сигнализации. Проектирование и расчет дальности действия” в журнале “Системы безопасности”, №2, 2010) подтверждается реальными измерениями. Для частоты 2,4 ГГц измеренная дальность получилась меньше расчетной. Это объясняется тем, что толщина бетонных стен в здании равна 10 см, что является предельной толщиной проникновения для указанного диапазона.

2. Наибольшая дальность радиосвязи в здании – у диапазона 433 МГц. Частота 2,4 ГГц подходит лишь для небольших объектов.

Электромагнитная совместимость радиоканальных средств охраны

Справка. Согласно ГОСТ Р 50397-93 «Совместимость технических средств электромагнитная. Термины и определения», электромагнитная совместимость (ЭМС) определяется как «способность технического средства функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам».

Практически все радиоканальные системы охраны, поставляемые потребителям, имеют сертификаты соответствия стандартам. В том числе и ГОСТ Р 50009-2000 «Совместимость технических средств электромагнитная. Технические СРЕДСТВА ОХРАННОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ».

В перечне испытаний в рамках этого ГОСТа имеется ГОСТ Р 51317.4.3-99 (МЭК 61000-4-3-95) «Требование устойчивости к кондуктивным помехам, наведенным радиочастотными электромагнитными полями».

В этом документе установлены 4 степени жесткости испытаний.

Класс 1 – обстановка, характеризующаяся низким уровнем электромагнитных излучений. Соответствует случаю расположения маломощных радиовещательных и телевизионных передатчиков на расстоянии более 1 км от места эксплуатации технического средства (ТС).

Класс 2 – обстановка, характеризующаяся средним уровнем электромагнитных излучений. Соответствует случаю применения переносных радиостанций мощностью менее 1 Вт при ограничении их работы в непосредственной близости к техническому средству. Представляет собой типичную коммерческую обстановку.

Класс 3 – обстановка, характеризующаяся высоким уровнем электромагнитных излучений. Соответствует случаю применения переносных радиостанций мощностью более 1 Вт в непосредственной близости к ТС (но не менее 1 м), а также близкому расположению мощных радиовещательных и телевизионных передатчиков и промышленных, научных и медицинских высокочастотных установок. Представляет собой типичную промышленную обстановку.

Класс Х – особые условия электромагнитной обстановки при эксплуатации технического средства, применительно к которым степень жесткости испытаний устанавливают в стандарте на техническое средство конкретного вида или в технической документации на техническое средство.

Та же классификация применяется и для характеристики воздействий электромагнитных помех через пространство.

Степень жесткости испытаний выбирается в зависимости от предполагаемых условий применения конкретного изделия и заявляется производителем этого изделия.

В соответствии с европейской классификацией существует три класса пожарных и охранных проводных и радиоканальных систем, отличающихся между собой, прежде всего, по степени риска технически подготовленного взлома (ЕМ 50131-1):

• класс А: низкая степень риска – объекты частного пользования (загородные дома, квартиры);
• класс В: средняя степень риска – объекты общественного пользования (магазины, учебные заведения);
• класс С: высокая степень риска – объекты государственной важности (музеи, исторические памятники).

Таким образом, наиболее надежные радиоканальные системы охраны должны соответствовать классам степени риска В, С и пройти испытания, как минимум, по 2-му, а лучше по 3-му классу степени жесткости. Возникает вопрос: как можно определить степень устойчивости охранной системы к помехам? Подходит ли выбранное устройство для установки на конкретном объекте?

В сертификатах на радиоканальные системы охраны бывает указан только ГОСТ Р 50009-2000 и нет данных о выборе степени жесткости проведенных испытаний на воздействие сторонних помех. Разумеется, что опосредованно эту информацию можно получить, изучая техническую документацию, где указаны сферы применения изделия. Но информация об испытаниях по степени жесткости воздействия является более важной в том случае, если уже известно, какие радиопередающие средства находятся рядом с объектом, где предполагается установка радиоканальной системы охраны. Так, например, если радиоканальная система охраны не прошла испытаний по 3-му классу жесткости, нет гарантий, что она будет стабильно работать вблизи мощных радиовещательных и телевизионных передатчиков, промышленных, научных и медицинских высокочастотных установок.

Современные радиоканальные системы с двусторонним протоколом обмена информацией между извещателями и приемно-контрольным прибором имеют наилучшую помехоустойчивость. Для улучшения помехоустойчивости в таких системах используются несколько каналов связи, автоматический выбор рабочей частоты при наличии помех, автоматическая регулировка мощности передатчика тревоги, индикация уровня помех. Однако все производители в руководствах по эксплуатации отражают тот факт, что при наличии сильных электромагнитных помех возможность надежного функционирования радиоканальной системы нужно проводить экспериментально.

Из вышесказанного можно сделать вывод о том, что во всех конкретных случаях обязательно требуется предварительное изучение электромагнитной обстановки на том объекте, где предполагается установка радиоканальной системы охраны.

К основному методу изучения электромагнитной совместимости на объекте относится измерение напряженности мешающего электромагнитного поля. Для этой цели используются измерительные приемники или селективные вольтметры.

Согласно таблице 1, приведенной в ГОСТ Р 51317.4.3-99 (МЭК 61000-4-3-95), 2 и 3 степеням жесткости воздействия помех соответствуют напряженности электромагнитного поля 130 и 140 дБ (относительно 1 мкВ/м). Эти цифры служат ориентиром для максимально допустимых уровней помех на объекте. Измерения на объекте проводятся преимущественно в местах предполагаемой установки радиоканальных приемно-контрольных приборов и ретрансляторов. При измерениях следует учитывать интерференционные эффекты, которые могут проявляться в помещениях, а также влияние объектов, расположенных рядом с антенной.

Часть информации о наличии близко расположенных радиостанций может быть получена визуально, по наружным антенным устройствам. Кроме этого, обязательно доскональное изучение границ применяемости конкретного изделия. При неоднозначных рекомендациях, приведенных в технической документации, следует запросить дополнительную информацию у производителя – протоколы испытаний по электромагнитной совместимости, отзывы клиентов, примеры использования на конкретных объектах и т.п.

И уж точно ничто не заменит «опытную эксплуатацию», которая позволяет убедиться в работоспособности выбранной системы охраны.

Совместимость радиоустройств малого радиуса действия с другими РЭС

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).

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:

Рпр = ΣР_перТ_АК_А, i-1-N

где N - количество устройств малого радиуса действия;
P_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.

Использованные материалы и публикации:
1. Н. Сметанин, cпециалист отдела технической поддержки компании «Аргус-Спектр»
2. Александр БАБКИН, доцент кафедры технических систем безопасности и связи Воронежского института МВД России.
3. В. Берсенев, эксперт ЗАО «Фирма «ЮМИРС».
4. Журнал “Системы безопасности” №4, 2009, №2, №3 2010