ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЛН РАЗНЫХ ДИАПАЗОНОВ ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ СЕТЕЙ АВАРИЙНОЙ СВЯЗИ

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются волновые диапазоны и возможность их применения в организации аварийных сетей связи. Проводится сравнительный анализ с целью выявления достоинств и недостатков по отношению друг к другу. В завершении работы сделан вывод о выборе диапазона для создания новых стандартов спецсвязи.

Ключевые слова: аварийная радиосвязь, цифровая радиосвязь, КВ и УКВ связь.

Развитие науки и техники, начавшееся в XX-м веке, привело не только к достижению новых вех развития человечества, но и вызвало увеличение крупных техногенных катастроф и аварий. Необходимость проведения аварийно-спасательных работ в зонах ЧС определило вектор развития современной экстренной связи. Оперативное получение информации на большие расстояния, высокая надежность, эффективное использование радиочастотного спектра и низкая стоимость канала связи стали определяющими факторами при организации коммуникаций между службами гражданской защиты, морскими подвижными объектами и береговыми службами, ремонтными бригадами и диспетчерами на железных дорогах.

Зачастую, радиосвязь является единственным видом связи отвечающим требованиям служб по ликвидации последствий ЧС. Радиосвязь позволяет осуществлять сообщения с удаленными труднодоступными районами, где нет возможности использовать проводные каналы связи. Немаловажным преимуществом является ее мобильность: возможность быстрого развертывания, а также поддержания связи с объектами, находящимися в движении.

Передача сообщения между пользователями радиосвязи, осуществляется за счет формирования антенной передатчика высоковольтных электромагнитных колебаний, промодулированных по частоте, амплитуде или фазе в соответствии с необходимой к отправке информацией, распространяясь в свободном пространстве канала связи со скоростью света. На приемной стороне сигнал детектируется и через систему фильтров поступает на вход приемника, декодируется и восстанавливается в изначальной форме представления.

В настоящее время для организации связи с органами ОПЧС используют аналоговую связь КВ и УКВ диапазонов или цифровую мобильную связь GSM стандарта. Аналоговый сигнал имеет ряд существенных недостатков в сравнении цифровым: подвержен ухудшению качества передаваемой речи на границах зоны покрытия, имеет большую ширину занимаемого частотного диапазона в канале, не позволяет передавать голосовые сообщения и данные одновременно. Цифровой стандарт GSM не позволяет в полной мере удовлетворить потребности экстренной связи, ввиду малой дальности передачи сообщений, что ведет к необходимости применения промежуточных базовых станций.

Таким образом существует задача определения оптимального диапазона частот и создания технологий обмена информации. Рассмотрим используемые в связи диапазоны:

Сверхдлинные волны (частоты от 3 до 30 кГц, длинна волны от 10 до 100 км). Главная отличительная черта данного типа волн — способность проникать на большую глубину в толщу воды. Применяются для сообщения с глубоководными аппаратами и подводными лодками оборудованными специальными радиобуями. Среда распространения волн представляет собой пространство между земной поверхностью и ионосферой, что позволяет волнам данного диапазона беспрепятственно простираться на огромные расстояния, вплоть до полного огибания поверхности Земли. Сверхдлинные волны обладают и рядом значительных недостатков: малое значение несущей частоты, и, как следствие, сложность получения достаточной полосы модуляции; невозможность создания эффективной антенны.

Длинные волны (частоты от 30 до 300 кГц, длинна волны от 1 до 10 км). Связь на большие расстояния обеспечивается за счет способности волн огибать препятствия, распространение производится земным и ионосферным путем. ДВ диапазон обладает рядом серьезных недостатков, позволяющих применять его лишь в крайних случаях: малая рентабельность радиоцентров и антенн, большая удаленность населенных пунктов от передатчиков, трудности в реализации эффективных антенн и большая потребляемая мощность передатчика в 100-1500 кВт.

Средние волны (частоты от 300 кГц до 3 МГц, длинна волны 100 м до 1 км). СВ диапазон испытывает поглощение полупроводящей поверхностью Земли. При обычной мощности передатчика, напряженность электрического поля недостаточна для отражения от верхних слоев ионосферы в дневные часы, распространение происходит исключительно наземной волной. Ночью можно наблюдать усиление вещания дальних станций и ослабление ближайших, за счет изменения электронной плотности среды распространения: слой ионосферы, находящийся на высоте 50-90 км, сильно поглощающий волны в светлое время суток, исчезает, позволяя волнам свободно отражаться от слоя между 90 и 150 км. Многолучевое распространение волн, в ночные часы, приводит к одновременному детектированию отраженной и поверхностных волн, колебания напряженности электрического на входе приемника вызывают замирания принятого сигнала. Особенности распространения волн диапазона, большая требуемая мощность 5-10 кВт передатчика и сложность реализации эффективных антенн не позволяет обеспечить необходимую мобильность для аварийной связи.

Короткие волны (частоты от 3 до 30 МГц, длинна волны от 10 до 100 м). Относительно малая длинна волны позволяет значительно упростить создание направленной антенны в сравнении с СВ и ДВ диапазонами. Распространение волн зависит от частоты: при низких сигнал распространяется вдоль земли, при высоких «скачками» - отражаясь внутри слоя ионосферы на высоте 50-90 км. С увеличением частоты значительно возрастает поглощение наземных радиоволн проводящей поверхностью земли, что позволяет с большей эффективностью применять КВ диапазон на морских путях сообщений для передачи информации между судами. Ионосферное распространение КВ диапазона характеризуется расстоянием скачка, числом скачков, углами выхода и прихода, максимальной применимой частотой и наименьшей применимой частотой. Симметричность траектории волны зависит от однородности ионосферы в горизонтальном направлении. Минимальное расстояние скачка, для которого выполняется условие отражения, называют расстоянием зоны молчания. Для отражения волны необходимо выполнение условий:

• Рабочая частота меньше значения максимальной применимой частоты (верхняя граница рабочего диапазона для данного расстояния). Для вещания в ближней зоне используют антенны зенитного излучения, сообщение осуществляется за счет одного отражения сигнала от ионосферы.

• Уменьшение частоты приводит к усилению поглощения волн ионосферой (нижний предел рабочего диапазона). Наименьшая применяемая частота определяется из условия, что уровень шумов не должен превышать мощность электрического поля сигнала передатчика мощностью 1 кВт, а следовательно, поглощение сигнала в слоях ионосферы должна быть не больше допустимых значений.

Изменения электронной плотности ионосферы в течении суток, времени года и периода солнечной активности требует динамически изменять рабочую длину волны и границы диапазона вещания.

Исходя из вышеперечисленного, в процессе передачи, на приемной стороне можно наблюдать замирания (фединг) сигнала. Быстрые фединги вызваны многолучевым распространением радиоволн, и могут достигать значений до нескольких десятков децибел. Многолучевое распространение выражается в приходе в точку приема нескольких разных лучей сигнала, отраженных от ионосферы. Основной использующийся способ борьбы с замираниями — разнесенный прием. Медленные фидинги вызваны изменением характеристик ионосферы. Антенные системы данного диапазона компактны, неприхотливы, имеют малые размеры и дешевы в эксплуатации.

Волны ОВЧ (частоты от 30 до 300 МГц, длинна волны от 1 до 10 м). Могут огибать препятствия размером в несколько метров, а также имеют хорошую проникающую способность. За счет таких свойств этот диапазон широко используется для радиотрансляций. Недостатком волн ОВЧ является их сравнительно быстрое затухание при встрече с препятствиями. Не способны осуществлять надежную связь на пересеченной местности с изгибами рельефа до 5 метров, а также в лесу. При этом нужно учитывать малую дальность связи, обусловленную большим затуханием сигнала в этих диапазонах, а также неспособностью этих волн огибать препятствия.

Волны УВЧ (частоты от 300 до 3000 МГц, длинна волны от 0,1 до 1 м). Волны данного диапазона практически не огибают препятствия, имеют сравнительно хорошую проникающую способность, но относительно быстро затухают. Связь УКВ диапазона имеет малую дальность, ввиду поглощения волн ионосферой. Используются в сетях сотовой связи и в СБШД.  Антенные системы данного диапазона компактны, неприхотливы, имеют малые размеры и дешевы в эксплуатации. Недостатки данного диапазона заключаются в малой дальности связи (до 70 км), что критично при отсутствии в зоне досягаемости усилителей-базовых станций, большой чувствительности к индустриальным помехам, зависимости мощности сигнала от рельефа местности, распространение происходит в пределах прямой видимости.

Волны СВЧ (частоты от 3 до 30 ГГц, длинна волны от 0,01 до 0,1 м). Отражаются практически всеми препятствиями, свободно проникают через ионосферу. За счет своих свойств используются в спутниковой связи. Недостатком спутниковых систем связи является действие космических шумов на наземные радиоприемные устройства. Микроволновые радиосистемы не проходят сквозь твердые предметы. Это может быть проблематично в городах с большим количеством высоких зданий или горных районов. Сравнив данные затрат КВ и СВЧ диапазонов, можно сделать вывод: при необходимости поддерживать значительный поток сообщений, затраты использования систем КВ-связи оказываются в сотни раз более низкими.

Таким образом, аварийная радиосвязь, используемая спецслужбами, устарела и на данный момент не способна в полной мере удовлетворить растущие требования к связи. МЧС и РЖД активно разрабатывают новые технологии двусторонней радиосвязи, наиболее перспективными являются стандарты цифровой связи КВ диапазона, обеспечивающие наиболее эффективное использования радиочастот и надежность передачи сообщений на большие расстояния.

Список литературы:

1. Тютякин, А.В. Базовые технологии беспроводной связи/ А. В. Тютякин. –  Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Орловский государственный университет имени И. С. Тургенева. - Орел : ОГУ, 2020. - 116 с.
2. В.Н. Полещук и др. Организация выполнения мероприятий гражданской обороны: Методическое руководство. Под общей редакцией Э.Р. Бариева. – Минск: Изд-во Центр сертификации и лицензирования МЧС Республики Беларусь, 2009, - 249 с.
3. Комарович, В.Ф. КВ радиосвязь. Состояние и перспективы развития / В.Ф. Комарович, В.Г. Романенко // Зарубежная радиоэлектроника. 1990. – № 12. – С. 3-16.