Пучки миллиметровых волн в атмосферных радиолиниях высокоскоростных цифровых систем передачи информации тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

РГ6 од 2 2 СЕН «98

На правах рукописи

ОГАРЁВ Сергей Александрович

ПУЧКИ МИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛН В АТМОСФЕРНЫХ РАДИОЛИНИЯХ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Специальность 01.04.03 - Радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1998

Работа выполнена в Институте радиотехники и электроники РАН.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Андреев Герман Андреевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Арсеньян Татьяна Ишхановна; доктор физико-математических наук, Пожидаев Виктор Николаевич

Ведущая организация: АООТ "Импульс" (г. Москва)

Защита состоится "Ь6" октября 1998 г. в 11— часов на заседании диссертационного совета Д.002.74.02 в Институте Радиотехники и Электроники РАН по адресу: 103907, Москва, ГСП-3, Моховая, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН.

Автореферат разослан йЪ^Л 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат техн.наук

-3- .. ■ •

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современное развитие телекоммуникаций требует больших скоростей передачи информации. Например, для передачи ТВ необходимо передавать до 34 Мбит/с в один адрес. Передача информации в перспективных цифровых беспроводных системах с отводимой полосой в 2000...3000 МГц (для десятков адресов) могут быть реализованы только в ММ диапазоне волн (возможности систем УКВ диапазона исчерпаны). В мире существует тенденция использования ММВ (40...42 ГГц, 92 ГГц) в атмосферных радиолиниях различных систем передачи информации в городских и пригородных условиях, как например, системах передачи данных с фиксированным доступом типа Fixed Wireless Access, Wireless Local Loop, Future Wireless Personal C6mmunications,; распределительных системах передачи ТВ и данных по атмосферным радиоканалам типа Local Multipoint Distribution Service, WLAN, а также' в системах широкополосной мобильной связи типа Universal Mobile Telecommunications System, Mobile Broadband Systems, а также Future Public Land Mobile Telecommunications System [JIl]. Известны, например, дуплексные миллиметровые системы стандарта IEEE 802.3 (Radio-Ethernet 10 Мбит/с): 2351 Series американской фирмы Sierra Digital Communications, работающая в диапазоне 21.2...23.6 ГГц; "КРОСС-8" отечественного производства, работающая в диапазоне 37...39.5 ГГц.

Несмотря на действующие атмосферные ММ радиолинии и теорию флуктуаций для УКВ - Т.И.Арсеньян и др. [Л2] и особенно в оптическом диапазоне - В.И.Татарский, С.М.Рытов и др. [ЛЗ], в настоящее время не существует достаточно обоснованных математических моделей расчета полей направленных пучков радиоволн при приеме сигнала ММВ (частот от 30 ГГц и выше) на стационарные и мобильные терминалы в условиях мешающих отражений в различных городских и пригородных "сценариях" распространения (в т.ч. принятых в качестве стандартных международным институтом ETSI [Л1, 24, 25]). Ситуация же приема в области тени препятствия (с учетом интерференции парциальных прямого ослабленного в толще частично-прозрачного препятствия и дифрагировавшего на его крае пучков), как правило, вообще исключается из рассмотрения [Л4, Л5]. Существующие модели, как правило, не учитывают особенностей распространения и приема пучков ММ диапазона и применимы, в основном, для систем ДМ диапазона с их ьсенаправленными приемом и передачей. Использование классических результатов распространения волн УКВ вблизи отражающих поверхностей (например, «квадратичная формула» Б.А.Введенского [Л6]) для описания

распространения пучков ММВ не представляется возможным, т.к. не учитывает особенностей, присущих пучкам ММ волн [1-4,7,9,13-16,18,20,23].

Возможность выделения узкой ДН приёмной антенны только одного когерентно отражённого пучка является ещё одним из преимуществ применения ММВ в условиях города. В этом случае реализуется двухлучевая схема распространения пучка ММВ. Данная работа - развитие анализа поля пучков ММВ на выходе приёмной антенны при её перемещении вдоль и поперёк открытой приземной и затенённой частично-прозрачным препятствием (лесопарком) трассах распространения пучка ММВ в условиях города и пригородной местности в пределах дальности действия 100... 10000 м проектируемых высокоскоростных систем передачи информации.

Основанный на фундаментальных результатах анализа поля пучков ММВ в городских и пригородных условиях распространения, предлагаемый автором диссертации подход к выбору параметров атмосферной радиолинии наиболее полно обосновывает реализацию преимуществ ММВ в аппаратуре нового поколения, в сравнении с ДМ волнами, - так что тема диссертации является актуальной.

Цель диссертационной работы: Теоретическая разработка и экспериментальная проверка математического описания поля пучка ММВ в условиях двухлучееого распространения на приземных радиолиниях в турбулентной тропосфере протяженностью до 10 км, при отражении подстилающим покровом с хаотическими неровностями, на трассе с лесопарком и зданием.

Цель работы достигнута решением следующих задач:

• Получение теоретических выражений и расчет уровня поля пучка вблизи отражающей поверхности с учетом диаграмм направленности передающей и приемной антенн в зависимости от продольного и поперечного к трассе распространения перемещений приемной антенны в горизонтальном и вертикальном направлениях.

• Установление аналитических выражений и расчет амплитудно-частотных и фазочастотныХ характеристик турбулентного атмосферного радиоканала над отражающей подстилающей поверхностью; оценка влияния на них амплитудных, фазовых флуктуаций и хаотических неровностей подстилающего покрова.

• Определение и расчет статистических характеристик поля пучка ММВ на трассе затененной лесопарком; оценка достоверности (вероятности ошибки) приема в этих условиях.

-5* Экспериментальная проверка в натурных условиях теоретических оценок (уровнен поля, АЧХ и статистических характеристик) поля пучка ММВ в условиях двухлучевого распространения вблизи отражающих поверхностей и на трассе затененной лесопарком.

Получены следующие результаты, отличающиеся новизной:

• Математическое описание двухлучевого распространения парциальных пучков на открытой атмосферной трассе вблизи отражающего подстилающего покрова, здания; на трассе затененной лесным массивом; результаты численных расчетов и их подтверждение экспериментальными данными натурных измерений.

» Математическое описание турбулентного приземного радиоканала комплексной частотной характеристикой (ЧХ) в форме произведения парциальных ЧХ, учитывающих поглощение газами атмосферы, флуктуации показателя преломления атмосферы, отражение подстилающей поверхностью с хаотическими неровностями.

» Оригинальная методика измерения АЧХ и полосы пропускания приземного радиоканала ММВ, с использованием принципа эквивалентности варьирования высоты размещения точки наблюдения и девиации несущей частоты.

с- Функциональные взаимозависимости пространственных и временных аргументов структурных функций и коэффициентов автокорреляции флуктуаций пучка ММВ при распространении сквозь турбулентную толщу атмосферы, полученные в приближении метода плавных возмущений (МПВ). Численные расчеты подтверждены данными измерений на частотах 34.8, 36 и 135 ГГц на трассах протяженностью 5 и 8.25 км, при базах приемных антенн 1.7, 2.6 и 3 м.

• Формула расчета вероятности ошибки приема цифрового фазоманипулированного флуктуирующего пучка ММВ в зоне тени частично-прозрачного препятствия при наличии тепловых шумов и сторонних помех, описывающая двухлучевой атмосферный радиоканал с флуктуациями и аддитивным шумом как эквивалентный однолучевой канал.

Основные защищаемые положения:

1. Впервые на основе спектрального метода получено аналитическое решение (с одновременной его адаптацией к инженерным применениям и разработкой соответствующих машинных алгоритмов обработки данных) задачи расчета уровней когерентного поля направленного излучения (пучка) ММВ, с учетом интерференции парциальных пучков на открытой

турбулентной атмосферной трассе вблизи отражающего подстилающего покрова; и на трассе, затененной частично-прозрачным препятствием (лесным массивом) в разнообразных "сценариях" размещения антенн передатчика и приемника в городских и пригородных условиях.

2. Основанный на фундаментальных результатах анализа особенностей распространения пучков ММВ атмосферной радиолинии в городских к пригородных условиях распространения, предлагаемый автором диссертации подход к выбору параметров атмосферной радиолинии наиболее полно обосновывает реализацию преимуществ ММВ в аппаратуре нового поколения, в сравнении с ДМ волнами.

3. Получен^ новые экспериментальные данные об амплитудных частотных характеристиках турбулентного слоя атмосферы - полупространства над подстилающей поверхностью с хаотическими неровностями; ГХМ, статистических характеристиках флуктуаций амплитуды и фазы пучка ММВ из-за атмосферной турбулентности и при распространении через лесопарк. Эти данные подтвердили теоретические результаты.

4. Представлена новая математическая модель расчета достоверности приема цифрового фазоманипулированного флуктуирующего пучка ММВ в зоне тени частично-прозрачного препятствия при наличии тепловых шумов и сторонних помех, позволяющая описывать атмосферный радиоканал как эквивалентный одполучевой.

Практическая значимость и использование результатов работы:

Результаты работы дают основание предложить использование радиолиний ММВ (Ка и EHF (КВЧ) диапазонов - 28...40 ГГц) как в земных сегментах спутниковых систем, так и для беспроводного ответвления широко распространенных наземных телекоммуникационных систем, что придаст им большую универсальность при- реализации на практике несомненных преимуществ пучков ММВ: избавление от эффектов многолучёвости при распространении вдоль отражающих поверхностей земли и/или зданий; снижение излучаемых мощностей на 30...40 дБ, за счёт коэффициента усиления антенн абонента, при обеспечении необходимого энергетического потенциала радиолиний даже при дифракции пучка на границ:; лесопарка. При этом использование узконаправленных абонентских ММ-дпапазона (с шириной ДН порядка единиц градусов), наряду с поднятой несколько выше уровня леса антенной передатчика секторного (60°) или направленного типа, позволяет на затенённой трассе обеспечить дальность устойчивой связи 10... 12 км.

Работы по созданию, испытанию и оптимизации применения нового поколения аппаратуры для высокоскоростной передачи данных по

атмосферному радиоканалу на ММВ в течение ряда лет ведутся автором диссертации в рамках участия в Федеральной Программе по телекоммуникациям в проектах Миннауки. В частности, автор диссертации является ответственным исполнителем действующего проекта "Разработка, создание и испытания нового поколения аппаратуры для высокоскоростной передачи данных по атмосферному радиоканалу на миллиметровых волнах в интегрированных цифровых системах связи" Миннауки (1998-2000 гг., соисполнитель - промышленная организация), направленного на практическую реализацию преимуществ направленных пучков ММ диапазона волн в аппаратуре нового поколения с целью снижения па десятки дБ энергетического потенциала и достижения более высоких помехоустойчивости и .защиты от несанкционированного доступа (использование сигналов ГТПРЧ). Проект выполняется в рамках подпрограммы "Перспективные средства телекоммуникации и интегрированные системы связи" Федеральной целевой научно-технической программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения" .

Достоверность результатов: „обеспечивается проработкой методик регистрации и алгоритмов статистической обработки аналогов'ых и цифровых сигналов ММВ в условиях открытых и затененных атмосферных трасс распространения; статистической обеспеченностью полученных с участием автора диссертации экспериментальных данных. Полученные результаты не противоречат результатам зарубежных исследователей при аналогичных' измерениях уровня поля ММВ (28.8 ГГц) при взаимном удалении источника и приемника городских условиях (г.Денвер, шт. Колорадо, США [Л7]); в измерениях сигнала ММВ на выходе толщи растительности (орешниковые сады, шт. Техас, США [Л8]); в измерениях флуктуаций параметров ММВ на приземных трассах протяженностью ок.1400 м (г.Флэтвилль, шт. Иллинойс, США [JI9]) и в экспериментах NASA со спутником ATS-6 (угол возвышения трассы 5° [Л 10]). '

Апробация результатов работы: Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях:

• "II Всес. Школа-симпозиум по распространению миллиметровых и субмиллиметровых волн в атмосфере". Фрунзе, октябрь, 1986.

• 13th Japan-USSR Electronics Symposium on "Information and'Communication". Moscow, January 12-13, (IRE - Tokai University), 1987.

» UN Internat. Seminar "Problems of Space Communications". Moscow, June 3. 1987.

-8® "XV Всес. Конфер. по распространению радиоволн" Алма-Ата, 21-24 октября, 1987.

в Internat. Conference on "Millimeter Wave and Far-Infrared Technology".

Beijing, China, June 19-23, 1989. ® "IV Всес. Школа по распространению миллиметровых и субмиллиметровых волн в атмосфере". Н.Новгород, 3-10 сент. 1991.

• 2nd Internat. Conference on "Millimeter Wave and Far-Infrared Technology". Beijing, China, 1992. Publ. House of Electr. Industry, China.

® Межведомств. Научно-технич. Конфер. "Приборы, техника и распространение ММ, СбММ волн". Харьков, 30 июня-3 июля 1992.

• "IEEE Antennas and Propagation Society Internat. Symposium", Ann Arbor, MI, USA. June 28-July 2, 1993.

• "Internat. Confer, on MM and SubMM Waves and Applications". January 10-14, 1994, San-Diego, CA, USA. Publ. by SPIE, 1994.

® "Internat. Sympos. On Future Telecomm.& the Electromagnet. Environment" (COMMSPHERE'95). Eilat, Israel, January 22-27, 1995.

• Конференция "Подвижная связь в России и СНГ". Бизнес-Форум. 14-17 мая 1996, Москва, Россия.

в "Intern. SPIE Conference on MM and SubMM Waves Applications III". 5-8

August, 1996. Denver, CO, USA. ® "XVIII Bccpocc. Конференция по распространению радиоволн". C-Петербург. 17-19 сентября, 1996.

• "Journees Internationales de Nice sur les Antennes" (JINA'96) Conference. 12-14 November, 1996. Nice, France.

® "Third Ka-Band Utilization Conference", Sorrento, Italy, Sept. 15-18,1997.

• 3-й Бизнес-Форум "Мобильные Системы'98". 23-27 марта, 1998, Москва, Россия.

и были представлены в виде стендов на международных выставках:

• "EUROTECH'96", 7-11 мая 1996 г., Бельгия, г. Брюссель;

» "8-я Международная выставка ИНФОРМАТИКА", 6-10 октября 1997 г., г. Москва, Экспоцентр.

Личный вклад автора: состоит в самостоятельной выработке методик и алгоритмов решения рассматриваемых в диссертации электродинамических задач, выборе двухлучевой математической модели, составлении и отладке компьютерных программ с последующей их реализации в вычислительных средствах, в проведении сравнительного анализа полученных результатов с экспериментальными данными и формулировании основных научных выводов.

Все расчеты (на ПЭВМ Pentium-PC и ЭВМ DEC VAX-I ¡/780), проведенные в диссертации, осуществлены лично автором. Натурные измерения пространственных структур поля ММВ на открытых и затененных трассах вблизи отражающих поверхностей; измерения флуктуации амплитуды, фазы и разности фаз пучков ММВ выполнены совместно с соавторами в период с 1984 по 1997 г. в ФИРЭ (г. Фрязино) и на территории полигона г. Пущино.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитируемой литературы из5^наименований и 2 приложений, содержащих основные математические выкладки. Содержание работы изложено на-{йСЬтраницах машинописного текста, иллюстрируется"^Q рисунками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулированы цель работы, научные положения, выносимые на защиту, . описана структура диссертации и указана роль соавторов. Отмечается обеспечение достоверности полученных результатов, их использование и апробация.

Первая глава содержит теоретическое и экспериментальное описание поля пучка ММВ отраженного подстилающим покровом и зданием при распространении на трассах прямой видимости.

В §1.1 и 1.2 приводится математическое описание пространственных зависимостей уровня поля пучка ММВ с учётом ДН корреспондирующих антенн (на примере апертурных антенн с диаграммой направленности в виде

9п } = ———) в двухлучевой схеме

распространения вблизи отражающей поверхности подстилающего покрова и здания при продольном (§1.1) и поперечном (§1.2) к трассе движении приёмной антенны. Нормированное суммарное поле пучка ММВ представляется как:

Е.,

JL

РЩ

lA'K]jA<Klx

2 • Л /2

1л,К! ■КМ

где . А г - ^/(z, + zr)2 + L2 -^{z, - zr )2 + L2 - разность хода;

= \v\Bl. -ехр(-2Агсг525т25) - эффективный коэффициент отражения.

В сопоставлении с экспериментальными данными о продольной относительно трассы распространения (у зарубежных авторов [JI7], что и иницировало данную часть работы) и поперечной (собственные измерения автора, описанные в работах [20, 22, 23]) структуре поля ММВ вблизи ' поверхности, найдено выражение нормированного суммарного, поля пучка ММВ, учитывающее характеристики отражения. Полученное* выражение адекватно описывает напряженность поля пучка ММВ, поведение к-рого с расстоянием отличается от общепринятой для .волн УКВ диапазона "квадрйтичкой" ф-лы Введенского. В §1.2 показано, что характерные пространственные периоды поперечного изменения интерференционого поля на несколько порядков меньше, чем продольные, что подтверждено данными натурных измерений (§,1.3). ;

Теоретическая зависимость (сплошная) суммарного поля |£.1| пучка ММВ при перемещении точки приема вдоль трассы распространения в сопоставлении с экспериментом (квадратики) и расчетами для УКВ. ДНА параллельны земной поверхности. Высота антенн над асфальтовой (е'=2,25+10,6) -поверхностью: передатчика г, = 2,15 м и приемника гг = 1,8 м. Длина волны Л. = 10,710'3 м. Апертуры корреспондирующих антенн 2р, = 2,210'1 м и 2рг = 2,910'' м.

-11В § 1.3 описаны приемопередающая аппаратура (2 комплекта аппаратуры на 28.070 / 28.825 и 28.126 ГГц) и измерения структуры поля ММВ вблизи здания, подтвердившие математическое описание. Использованные антенны -(а) параболические типа Кассегрена апертурами 0.22 и 0.29 м; (б) конический рупор апертурой 0.08 м; (в) Н-плоскостная рупорно-линзовая антенна 8.5°х60° (по уровню -3 дБ).

Во Второй главе рассматриваются частотные характеристики турбулентного тропосферного радиоканала над хаотической подстилающей поверхностью.

В §2.1 представлены математическое описание, результаты расчетов и проводится анализ амплитудной (АЧХ) и фазочастотной характеристик (ФЧХ) турбулентного атмосферного радиоканала над отражающей подстилающей поверхностью с хаотическими неровностями. Показано, что в совокупности ЧХ поглощающей атмосферы с учетом флуктуаций диэлектрической проницаемости, многократного рассеяния дискретными неоднородностями и отражения подстилающей земной поверхностью может быть представлена произведением соответствующих парциальных ЧХ по аналогии с мнбгозвенным линейным фильтром [13-15, 17]:

I- , < г * \ ® °№ + {х\а))\

|Я/ю)| = ехр(-аэ(й>);=ехр|/яг—+ —-^-Ч.

= | + |(К)|2й г ■ ехр(-2А«э) + 7\{У)\в г ■ ехр(-Ааэ) ■ соз^САД!-»)''

_ | Р^Аг) + Рх(Аг) Лаэ - кптаг Н ~ , Ох ф - структурные функции флуктуаций

уровня и фазы ММВ. Из выполненных оценок следует, что на протяженных атмосферных трассах (единицы км) ЧХ определяются через пространственные структурные функции флуктуаций уровня и фазы пучка ММВ.

Это обусловило в §2.2 рассмотрение статистических характеристик флуктуаций амплитуды и фазы пучка ММВ на открытых тропосферных трассах. В §2.2 в приближении МПВ, с учетом особенностей пучков ММВ (в т.ч. с использованием двухпараметрического пространственного спектра неоднородностей показателя преломления) решены задачи: установления вид и параметрические зависимости пространственно-временных структурных и корреляционных функций флуктуаций уровня амплитуды, фазы, разности фаз и угла прихода гауссова пучка ММВ на выходе атмосферного радиоканала;

аппроксимации зависимостей среднеквадратичных флуктуаций уровня амплитуды, фазы и разности фаз пучка ММВ от параметров: геометрии трассы, формы волнового фронта, размещения точек наблюдения, интенсивности турбулентности (структурная характеристика) и показателя преломления атмосферы. Численными методами выполнены расчеты характерных для ММ диапазона .функциональных взаимозавимсимостей пространственных и временных статистических характеристик вида:

обусловленные особенностями, неоднородного пучкового переноса [1-5, 7, 912]. Анализ показал асимптотическое стремление найденных функциональных зависимостей величин среднеквадратичных флуктуаций параметров пучка ММВ к,известным ф-лам для плоской,и сферической волн [Л2, ЛЗ, Л11].

- • ПУЧОК ММВ Приближения

сг1 = С'(ЛУгг-)-С.г*"6£"/6 ' ~ Л / \ Ль 2 (0.124 при Р» 1, —> со * " { 0.307 при Р = 0 . »

ГХМ: . При Ь0 = 10 м, -Ш = 2,6 м, = 12,5 С1 = 0,5 т*=0.24<£7/6/,11/6

<г1"= С1 (Р,1°/г~) ■ С* (г)*2/(-У 9 /Ш. 1,2*7 при ь0 » -ДТ-, С1 = 0.788 при Ь0 » ЛЕ

\ •.""|0.82,;- при Р» 1, ¿„-4-00 \ Г { 2.09 ' .. - при /'= 0

-13В §2.3 изложена оригина.пьная методика (основанная на принципе Асот _ cL

эквивалентности ~ <\z z ' В малоУгловом приближении, варьирования

высоты размещения точки наблюдения и девиации несущей частоты) измерения АЧХ пропускания радиоканала ММВ вблизи отражающих поверхностей; описаны аппаратура и натурные измерения АЧХ и полосы пропускания атмосферного радиоканала в ММ диапазоне волн в натурных условиях на трассе прямой видимости протяженностью 5 км флуктуаций разности фаз ММВ на частоте 36 ГГц [14, 15]; осуществлена экспериментальная проверка теоретического подхода, позволившая оценить полосу пропускания радиоканала ММВ вблизи отражающих поверхностей порядка 1000 МГц.

,2.5Ù\ . 3,00 3,50 4,00 4,50 S,Di !,00------------------

0,50

Фрагмент записи (реализации) частотной характеристики атмосферного радиоканала над песчаной подстилаюгцей поверхностью.

(,00

0.80

0,50.

\kj\ АЛ ЛЛ ЛЛ m

Аи>12Я = ч V 1055 МГц /1/ \ 'VI VI1 Z,m

2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00

Теоретическая АЧХ для эффективного коэф-та отражения [(К)] =0,177.

В Третьей главе рассматривается распространение пучков ММВ на закрытых трассах (затененных растительностью).

В §3.1 приводится математическое описание функции ослабления когерентного поля при двухлучевом распространении пучка ММВ на трассе с

лесопарком (дифракция и "прямое" распространение в зоне геометрической тени), с учётом диаграмм направленности приёмной и передающей антенн, их расположения друг относительно друга и ослабления (экстинкции) лесным массивом. Учет ослабления пучка при распространении сквозь толщу растительности производится аналогично рассмотрению распространения пучка в поглощающей тропофере (Гл.2), дифракция на крае лесопарка -аналогично дифракции пучка ММВ на поглощающей полуплоскости [Л12, 18, 19, 22]. На основе развитой математической модели выполнены расчеты высотных зависимостей (интерференционного типа) функции ослабления поля пучка ММВ в зоне тени частично-прозрачного препятствия (городского лесопарка), которые подверждены результатами натурных экспериментов (§3.3). Учет "прямого" пучка в двухлучевой модели объясняет "добавку" примерно в 40 дБ в уровне принятого когерентного поля за лесом по сравнению с использованием чисто дифракционной модели.

Ы 8/р,

Функция ослабления поля пучка ММВ в области геометрической тени лесопарка, в зависимости от безразмерного отношения "затенения" А2у к первой зоне Френеля р/ (верхняя ось абсцисс); и высоты приемной антенны гг -(нижняя шкала). Сплошная кривая соответствует расчетам по двухлучевой модели ¡«прямой» и дифракционный пучки), пунктир — учет только пучка ММВ, дифрагировавшего на крае лесопарка. Лепестковая структура определяется ДНА. Крестики - эксперимент.

В §3.2 анализируются статистические характеристики флуктуации амплитуды пучка ММВ, прошедшего через лесопарк, приводятся аппроксимационные выражения корреляционных функций и спектральных плотностей в сопоставлении соответствующими экспериментальными данными [6, 23,25].

В §3.3 приводятся результаты нескольких серий натурных измерений [23, 25] в различных сезонных условиях структуры поля и экстинции ММВ при распространении пучка сквозь редкий лесопарк на трассах протяжённостью до 700 м, подтведившие математическую модель §3.1. Полученные оценки величин погонного (дБ/м) коэффициента ослабления не противоречат известным по литературе [JI8] экспериментальным данным на частоте 28,8 ГГц для густого лиственного лесного массива в летних условиях на трассах протяженностью 100...900 м. . 1

В §3.4 приводится математическое описание достоверности (вероятность ошибки Ре ) приема цифрового фазоманипулированного флуктуирующего пучка ММВ в зоне тени частично-прозрачного, препятствия (в условиях двухлучевого распространения) при наличии тепловых шумов и сторонних помех. Принимаемый сигнал (совокупность сигналов Ës{t,r) - флуктуирующего прямого, Ed - дифракционного и помехи ç'(0 ) представлена как узкополосный случайный процесс [Л 13, JI14], что позволило описывать двухлучевой атмосферный радиоканал с фйуктуациями и аддитивным шумом как эквивалентный однолучевой канал. Выражение вероятности ошибки получено через функцию Макдональда Kv(x) (цилиндрическую модифицированную функции Бесселя второго рода чисто мнимого аргумента) как функция коэффициента автокорреляции R( (г) и отношения С/Ш q2 :

, M-RHt) [ ,

Р. (Я ) = --— fexp {- 0. Rt (г)К (9. )d0..

*

Приводятся результаты численного интегрирования Ре ("двухлучевая ОФМ") в сопоставлении с классической потенциальной помехоустойчивостью В.А.Котельникова [Л 13], и не противоречащие результатам [Л15].

В заключении приведены основные результаты работы:

1. Предложено математическое описание, выполнены численные расчеты с учетом ДН передающей и приемной антенн, получены экспериментальные

данные поля ММВ вблизи отражающих поверхностей. Показано, что при перемещении приемника вдоль трассы распространения, в отличие от УКВ, поле пучка практически не убывает до дальности 1500 м от передающей антенны. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что при перпендикулярном перемещении приемника (на дальности до 100 м) период интерференционных замираний принимаемого сигнала составляет доли метра.

2. Разработано математическое описание турбулентного слоя атмосферы над подстилающим покровом частотной характеристикой - как канала передачи информации, которое позволило создать и реализовать методику измерения полось*! частот радиоканала. Полоса пропускания атмосферного радиоканала (I = 2.2 10"3 м, L = 3200 м , z, = 15 м zr = 2.5...5 м) ограничена -1000 МГц, но увеличивается с уменьшением высоты антенны передатчика.

3. В первом , приближении МПВ получены аналитические выражения и выполнены численные расчеты в диапазоне частот 30... 140 ГГц пространственно-временных структурных функций и коэффициентов автокорреляции флуктуаций уровня, фазы и разности фаз (угла прихода) пучка ММВ при распространении в турбулентной атмосфере.

4. Установлена взаимозависимость пространственных ре и временных те радиусов корреляции флуктуаций, отличающиеся от обычно подразумеваемого переноса для плоской волны, либо коллимированного оптического пучка, соответственно, в виде ре = Vite. Коэффициент пропорциональности Ci между ними зависит от значений волнового параметра Р и среднеквадратичных флуктуаций поперечного переноса неоднородностей показателя преломления gv2 и составляет, в частности, Cj. « 2 для Vj. = const.

5. Приводятся данные экспериментов (дисперсия, ГХМ, АКФ) по распространению ММВ (на частоте 36 ГГц) на приземной трассе длиной 5 км, методом непосредственного измерения разности фаз фазометром в двух пространственно-разнесенных точках (на базе 3 м) при измерениях. Величины Стз составили 5... 10", что соответствует теоретически ожидаемым.

6. Предложено математическое описание, выполнены численные расчеты с учетом ДН передающей и приемной антенн, и проведены натурные измерения (28 ГГц) когерентной составляющей и статистических характеристик флуктуаций поля пучка ММВ (дисперсия, ГХМ, АКФ, спектры мощности) на затененных трассах при распространении через лесопарк, учитывающие интерференцию парциальных пучков различных амплитуд: (1) пучка, дифрагировавшего на кромке леса; и (2) "прямого",

прошедшего и ослабленного в толше растительности. Результаты расчётов, с учётом усреднения поля апертурой приёмной антенны, хорошо согласуются с измеренными высотными зависимостями поля ММВ в пределах Z, = 3 ...14.5 м за смешанным лесом в натурных условиях лета и зимы на приземных трассах до 700 м. 7. Разработана методика и выполнены расчеты вероятности ошибки приема цифрового фазоманипулированного флуктуирующего пучка ММВ в зоне тени частично-прозрачного препятствия при наличии тепловых шумов и сторонних помех. Приведено аналитическое выражение (в интегральной форме) вероятности ошибки приема ОФМ сигнала пучка ММВ, параметрически зависящее от отношений сигнал/помеха и мощностей парциальных пучков (прямого и дифракционного). Предложенная математическая модель позволяет описывать двухлучевой атмосферный радиоканал с флуктуациями и аддитивным шумом как эквивалентный однолучевой канал.

В приложениях П1 и Г12 содержатся основные математические выкладки, соответственно, (а) по парциальным частотным характеристикам турбулентного поглощающего полупространства над подстилающим покровом с хаотическими неровностями; и (б) по расчету вероятности ошибки приема флуктуирующего сигнала в условиях двухлучевого распространения пучка ММВ (с использованием ф-ии Макдональда).

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. G.A.Andreyev, S.A.Ogarev, S.L.Fedorov, G.I.Khokhlov "Amplitude, intensity, phase and angle-of-arrival scintillations of a MM-beamwave propagating through the atmosphere thickness". Digest of the "Ninth Internat. Conference on InfraRed and Millimeter Waves", Takarazuka, Japan. Oct.22-26, 1984, p.279-280.

2. Г.А. Андреев, С.А. Огарёв, СЛ. Федоров, B.B, Фролова, Г'.И. Хохлов "Пространственно-временные флуктуации пучка ММВ при распространении в турбулентной атмосфере". Тезисы докл. и лекций "II Всес. Школы-симпозиума по распространению миллиметровых и субмиллиметровых волн в атмосфере". Фрунзе, октябрь, 1986. Изд.: Илим, Фрунзе, 1986. С.34-37.

3. G.A.Andreyev, S.A.Ogarev "Atmospheric phase distortion of the manipulated millimeter waves". Proc. of the 13th Japan-USSR Electronics Symposium on

"Information and Communication". Moscow, January 12-13, 1987. Publ. by Gen.Res,Org., Tokai University, PRICO Inc., Japan, 1987. Pp.23-34.

4. G.A.Andreyev, E.V. Frolova, S.A.Ogarev, L.V. Zaentsev "The atmosphere turbulent thickness and effect of rain on millimeter wave pulse transmission in Space-Earth path". Coll. of papers of the UN Internat. Seminar "Problems of Space Communications". Moscow, June 3. 1987. pp.37-44.

5. Андреев Г.А., Легошин M.JI., Огарёв С.А. "Корреляционные функции флуктуаций разности фаз миллиметровых волн на приземной трассе". Тезисы докл. "XV Всес. Конфер. по распространению радиоволн" Алма-Ата, 21-24 октября, 1987. М.: Наука, с. 270.

6. Андреев Г.А., Огарёв С.А., Рыжиков С.Е., Федосов В.В. "Потери достоверности приема цифровых сигналов миллиметровых волн из-за растительности и турбулентности атмосферы". Тезисы докл. "XV Всес. Конфер. по распространению радиоволн" Алма-Ата, 21-24 октября, 1987. М.: Наука, с. 275.

7. Андреев Г.А., Огарёв С.А. "Фазовые искажения манипулированных сигналов ММВ при распространении в турбулентной атмосфере". //Радиотехника, 1988, №11, с.45-47.

8. G.A.Andreyev, S.A.Ogarev "The coherence losses of MMW-field in turbulent atmosphere". Proceedings of the "1989 Internat. Sympos. On Electromagnetic Compatibility (EMC'89)", Nagoya, Japan. Sept. 8-10,1989, Vol.1, p.58-63.

9. G.A.Andreyev, S.A.Ogarev "Effect of atmospheric turbulence on measurement of angular position of MMW-source".Conference Digest of Internat. Conference on "Millimeter Wave and Far-Infrared Technology". Beijing, China, June 19-23, 1989. Session T7.11, pp.208-211.

Ю.Андреев Г.А., Огарёв С.А. "Пространственно-временные корреляционные функции флуктуаций ММВ при распространении в турбулентной атмосфере". Тезисы докл. "IV Всес. Школы по распространению миллиметровых и субмиллиметровых волн в атмосфере". Н.Новгород, 3-10 сент.1991. С.185-186.

11.G.A.Andreyev, S.A.Ogarev "Fluctuations of MMW propagating in layered inhomogeneous turbulent thickness". Conference' Digest of 2nd Internat. Conference on "Millimeter Wave and Far-Infrared Technology". Beijing, China, 1992. Publ. House ofElectr. Industry, China. Session T7.4, pp.178-181.

12.Андреев Г.А., Огарёв С.А. "Фазовые флуктуации ММВ в слоисто-неоднородной толще атмосферы". Тезисы докл. Научно-техн'ич. Семинара

"Распространепие и дифракция электромагн. волн в неоднородных средах". Смоленск, 1-5 июня 1992. Изд. РНТОРЭС им. А.С. Попова, Москва, 1992. С. 127-129.

13.Г.А. Андреев, С.А. Огарёв, Г.И. Хохлов "Интерференционная структура поля ММВ в турбулентной атмосфере над подстилающей поверхностью". Тезисы Межведоств. Научно-технич. Конфер. "Приборы, техника и распространение ММ, СбММ волн". Харьков, 30 июня-3 июля 1992. С. 127.

14.G.A.Andreyev, S.A.Ogarev and G.I.Khokhlov "Frequency Response of turbulent atmospheric radiochannel overlain the terrestrial surfaces". Digest of the "IEEE Antennas and Propagation Society Internat. Symposium", Ann Arbor, MI, USA. June 28-July 2, 1993. Vol.2, p.1097-1100.

15.Г.А. Андреев, С.А. Огарёв, Г.И. Хохлов "Частотные характеристики в ММ диапазоне волн тубулентного тропосферного радиоканала над хаотической подстилающей поверхностью". //Радиотехника и Электроника, 1994, вып. 11, стр. 1741 - 1750.

16. Andreyev G.A., Ogarev S.A., Khokhlov G.I. "The influence of atmosphere and reflections from underlying terrestrial cover on the characteristics of short MM and SubMM Waves". Confer. Dig. of "Internat. Confer, on MM and SubMM Waves and Applications". January 10-14, 1994, San-Diego, С A, USA. Publ. by SPIE, 1994, pp. 607-608.

17.G.A.Andreyev, S.A.Ogarev, E.V.Frolova "The interference phenomena in atmospheric millimeter-wave radio link: BS - MSC". Proceedings of the "Internat. Sympos. On Future Telecomm.& the Electromagnet. Environment" (COMMSPHERE'95). Eilat, Israel, January 22-27, 1995.

18.Андреев Г.А., Гладышев Г.А., Огарёв С.А., Фролова Е.В., Хохлов Г.И. "Атмосферные радиолинии миллиметрового диапазона волн в цифровой сотовой сети". Доклады Конференции "Подвижная связь в России и СНГ". Бизнес-Форум. 14-17 мая 1996, Москва, Россия. С.156-172.

19.G.A. Andreyev, E.V. Frolova, G.A. Gladyshev, G.I. Khokhlov, and S.A. Ogarev "Millimetre-Wave wireless link in digital network applications". Proc. of "Intern. SPIE Conference on MM and SubMM Waves Applications III". 5-8 August, 1996. Denver, CO, USA. Vol. 2842, p. 578-587.

20.Г.А. Андреев, С.А. Огарёв, Г.И.Хохлов "Отражение зданием пучка миллиметровых волн". Тезисы докл. "XVIII Всеросс. Конференции по распространение радиоволн". С-Петербург. 17-19 сентября, 1996. Т.2.

21.Г.А. Андреев, С.А. Огарёв, Г.И.Хохлов "Поле пучка миллиметровых волн в зоне тени лесопарка". Тезисы докл. "XVIII Всеросс. Конференции по распространению радиоволн". С-Г1етербург. 17-19 сентября, 1996. Т.2.

22.G.A. Andreyev, G.A. Gladyshev, G.I. Khokhlov, and S.A. Ogarev "Measurements of MMW field behind building and woodland park, with the usage of narrow-directed and wide-angle antennas". Proc. of "Journees Internationales de Nice sur les Antennes" (JINA'96) Conference. 12-14 November, 1996. Nice, France. Sec.III.7, p. 305-308.

23.G.A.Andreyev, S.A.Ogarev and G.I.Khokhlov "Utilization of narrow-directed Ka-band wavebeams within the framework of terrestrial systems". Proceedings of the "Third Ka-Band Utilization Conference", Sorrento, Italy, Sept. 15-18, 1997.

24.Г.А. Андреев, С.А. Огарёв "Радиосистема беспроводной связи "Multigain Wireless - MGW"". //Зарубежная радиоэлектроника, 1997, № 12. с. 49-55.

25.Г.А. Андреев, С.А. Огарёв "Узконаправленные пучки миллиметровых волн в системах высокоскоростной передачи цифровой информации". Доклады 3-го Бизнес-Форума "Мобильные Системы'98". 23-27 марта, 1998, Москва, Россия. 4.II. C.II-74 - 87.

Цитируемая литература

[Jll] J.Schwarz da Silva, B.Barani, B.Arroyo-Fernandez, J.Pereira, D.Ikonomou "Mobile and Personal Communications in Europe. The Road Ahead". //Доклады 3-го Бизнес-Форума "Мобильные Системы'98". 23-27 марта, 1998, Москва, Россия. 4.1. C.I-26 - 50.

[JI2] А.А.Семенов, Т.И.Арсеньян «Флуктуации электромагнитных волн на приземных трассах». М.: Наука, 1978, 272 с.

[J13] С.М.Рытов, Ю.А.Кравцов, В.И.Татарский «Введение в статистическую радиофизику». 4.II. Случайные поля. М.: Наука. 1978.

[JI4] Th. Kurner, D.J.Cichon, W.Wiesbeck, "Concepts and results for 3D Digital Terrain-based wave propagation models: an overview", IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol.11, No 7, 1993, ppl002-1012.

[JI5] R.L.Freeman "Radio System Design for Telecommunications (1-100 GHz)". N.Y.: Publ. J.Wiley & Sons, 1987.

[JI6] Е.Л.Фейнберг "Распространение радиоволн вдоль земной поверхности". М.: Изд-во АН СССР, 1961.

[JI7J E.J.Violette, R.H.Espeland, R.O.DeBolt, F.K.Schwering "Millimeter-Wave Propagation at Street Level in an Urban Environment". // IEEE Trans.on Geoscience & Remote Sensing. 1988. Vol.26. No 3. P. 368.

[JI8] F.K.Schwering, E.J.Violette, R.H.Espeland " Millimeter-Wave Propagation in Vegetation: Experiments and Theory". // IEEE Trans.on Geoscience & Remote Sensing. 1988. Vol.26. No 3. P. 355.

[Л9] R.J.Hill, R.A.Bohlander, S.F.Clifford, R.W.McMillan, J.T.Priestley, W.P.Schoenfeld "Turbulence-induced Millimeter-Wave Scintillation Compared with Micrometeorological Measurements". IEEE Trans.on Geoscience & Remote Sensing. 1988. V.26. No 3. P. 330.

[JI10] L.J. Ippolito «Radio Propagation for Space Communication Systems». //Proc.

IEEE, Vol.69, June 1981, p.29.

[Jill] А.Исимару "Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах". 4.2. М.: Мир, 1981.

[JI12] Г.А.Андреев, Г.А.Гладышев, Г.И.Хохлов «Распределение поля пучка ММВ в зоне тени препятствия». //Радиотехника и Электроника, 1997, т. 42, №3, с. 290-294.

[JI13] Тихонов В.И. «Статистическая радиотехника». М.: Сов.радио, 1966.

[JI14] Н.Т.Петрович "Передача дискретной информации в каналах с фазовой манипуляцией".- М.: Сов.Радио, 1965. - 263 с.

[JI15] J.D. Oetting "A Comparison of Modulation for Digital Radio". //IEEE Trans. OnComm-s, 1979, Vol. COM-27, Nol2, p.1752.

Подписано в печать 17.07.98 г. Формат 60x84/16. Объем 1,39 усл. п. л. Ротапринт ИРЭ РАН. Тир. 100 экз. Зак. 20.

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

61: 5/222-3

На правах рукописи

ОГАРЁВ Сергей Александрович

ПУЧКИ МИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛН В АТМОСФЕРНЫХ РАДИОЛИНИЯХ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Специальность 01.04.03 - Радиофизика

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1998

Работа выполнена в Институте радиотехники и электроники РАН.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Андреев Г. А.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Арсеньян Т.И. $.<р.Й.н. Пожидаев В.Н.

Ведущая организация: АООТ «Импульс»

ОГЛАВЛЕНИЕ:

Введение 4

Глава 1. Поле пучка ММВ, отраженного подстилающим покровом и зданием 16 при распространении на трассах прямой видимости.

1.1. Пространственные зависимости уровней когерентного поля пучка ММВ при 18 отражении подстилающим покровом.

1.2. Структура поля ММВ вблизи поверхности здания. 25

1.3. Приемопередающая аппаратура и измерения структуры поля ММВ вблизи 28 здания.

Глава 2. Частотные характеристики турбулентного тропосферного

радиоканала над хаотической подстилающей поверхностью.

2.1. Частотные характеристики слоя турбулентной атмосферы. 35

2.2. Статистические характеристики флуктуаций амплитуды и фазы пучка ММВ на 41 открытых тропосферных трассах.

2.3. Методика, аппаратура и натурные измерения АЧХ атмосферного радиоканала в 60 ММ диапазоне волн.

Глава 3. Распространение пучков ММВ на трассах;затененных растительностью.

3.1. Функция ослабления когерентного поля при двухлучевом распространении 68 пучка ММВ на трассе с лесопарком.

3.2. Флуктуации амплитуды пучка ММВ, прошедшего через лесопарк. 74

3.3. Измерения структуры поля и экстинции ММВ при распространении пучка 79 сквозь редкий лесопарк.

3.4. Достоверность (вероятность ошибки) приема совокупности фазо- 86 манипулированных пучков ММВ в условиях двухлучевого распространения.

Заключение 90

Приложение П1 92

Приложение П2 95

Список использованных источников 97

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы:

Современное развитие телекоммуникаций требует больших скоростей передачи информации. Например, для передачи ТВ необходимо передавать до 34 Мбит/с в один адрес. Передача информации в перспективных цифровых беспроводных системах с отводимой полосой в 2000...3000 МГц (для десятков адресов) может быть реализована только в ММ диапазоне волн (возможности систем УКВ диапазона исчерпаны). В мире существует тенденция использования ММВ (40...42 ГГц, 92 ГГц) в атмосферных радиолиниях различных систем передачи информации в городских и пригородных условиях, как например, системах передачи данных с фиксированным доступом типа Fixed Wireless Access, Wireless Local Loop, Future Wireless Personal Communications, распределительных системах передачи ТВ и данных по атмосферным радиоканалам типа Local Multipoint Distribution Service, WLAN, а также в системах широкополосной мобильной связи типа Universal Mobile Telecommunications System, Mobile Broadband Systems, а также Future Public Land Mobile Telecommunications System [1]. Известны, например, дуплексные миллиметровые системы стандарта IEEE 802.3 (Radio-Ethernet 10 Мбит/с): 2351 Series американской фирмы Sierra Digital Communications, работающая в диапазоне 21.2...23.6 ГГц; "КРОСС-8" отечественного производства, работающая в диапазоне 37...39.5 ГГц.

Несмотря на действующие атмосферные ММ радиолинии и теорию флуктуаций для УКВ - Т.И.Арсеньян и др. [2] и особенно в оптическом диапазоне - В.И.Татарский, С.М.Рытов и др. [3], в настоящее время не существует достаточно обоснованных математических моделей расчета полей направленных пучков радиоволн при приеме сигнала ММВ (частот от 30 ГГц и выше) на стационарные и мобильные терминалы в условиях мешающих отражений в различных городских и пригородных "сценариях" распространения (в т.ч. принятых в качестве стандартных международным институтом ETSI [1,4,5]). Ситуация же приема в области тени препятствия (с учетом интерференции парциальных прямого ослабленного в толще частично-прозрачного препятствия и дифрагировавшего на его крае пучков), как правило, вообще исключается из рассмотрения [6,7]. Существующие модели, как правило, не учитывают особенностей распространения и приема пучков ММ диапазона и применимы, в основном, для систем ДМ диапазона с их всенаправленными приемом и передачей. Использование

классических результатов распространения волн УКВ вблизи отражающих поверхностей (например, "квадратичная формула" Б.А.Введенского [8]) для описания распространения пучков ММВ не представляется возможным, т.к. не учитывает особенностей, присущих пучкам ММ волн [9-21].

Возможность выделения узкой ДН приёмной антенны только одного когерентно отражённого пучка является ещё одним из преимуществ применения ММВ в условиях города. В этом случае реализуется двухлучевая схема распространения пучка ММВ. Данная работа - развитие анализа поля пучков ММВ на выходе приёмной антенны при её перемещении вдоль и поперёк открытой приземной и затенённой частично-прозрачным препятствием (лесопарком) трасс распространения пучка ММВ в условиях города в пределах дальности действия 100...10000 м проектируемых мобильных высокоскоростных систем передачи информации.

Предлагаемый автором диссертации подход к обоснованию выбора параметров атмосферной радиолинии основан на фундаментальных результатах анализа поля пучков ММВ в городских и пригородных условиях распространения наиболее полно обосновывает реализацию преимущества ММВ в аппаратуре нового поколения, в сравнении с ДМ волнами, так что тема диссертации является актуальной.

Цель диссертационной работы:

Теоретическая разработка и экспериментальная проверка математического описания поля пучка ММВ в условиях двухлучевого распространения на приземных радиолиниях в турбулентной тропосфере протяженностью до 10 км, при отражении подстилающим покровом с хаотическими неровностями, на трассе с лесопарком и зданием.

Цель работы достигнута решением следующих задач: • Получение теоретических выражений и расчет уровня поля пучка вблизи отражающей поверхности с учетом диаграмм направленности передающей и приемной антенн в зависимости от продольного и поперечного к трассе распространения перемещений приемной антенны в горизонтальном и вертикальном направлениях.

• Установление аналитических выражений и расчет амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик турбулентного атмосферного радиоканала над отражающей подстилающей поверхностью; оценка влияния амплитудных, фазовых флуктуаций и хаотических неровностей подстилающего покрова.

• Определение и расчет статистических характеристик поля пучка ММВ на трассе затененной лесопарком; оценка достоверности (вероятности ошибки) приема в этих условиях.

• Экспериментальная проверка в натурных условиях теоретических оценок (уровней

1 амги-ктул но - цас^откоь..

поля,уАЧХ и статистических характеристик) поля пучка ММВ в условиях двухлучевого распространения вблизи отражающих поверхностей и на трассе затененной лесопарком.

Основные защищаемые положения:

1. Впервые на основе спектрального метода получено аналитическое решение (с одновременной его адаптацией к инженерным применениям и разработкой соответствующих машинных алгоритмов обработки данных) задачи расчета уровней когерентного поля направленного излучения (пучка) ММВ, с учетом интерференции парциальных пучков на открытой турбулентной атмосферной трассе вблизи отражающего подстилающего покрова; и на трассе, затененной частично-прозрачным препятствием (лесным массивом) в разнообразных "сценариях" размещения антенн передатчика и приемника в городских и пригородных условиях.

2. Основанный на фундаментальных результатах анализа особенностей распространения пучков ММВ атмосферной радиолинии в городских и пригородных условиях распространения, предлагаемый автором диссертации подход к выбору параметров атмосферной радиолинии наиболее полно обосновывает реализацию преимуществ ММВ в аппаратуре нового поколения, в сравнении с ДМ волнами.

3. Получены новые экспериментальные данные об амплитудных частотных характеристиках турбулентного слоя атмосферы - полупространства над подстилающей поверхностью с хаотическими неровностями; ГХМ, статистических характеристиках флуктуаций амплитуды и фазы пучка ММВ из-за атмосферной турбулентности и при распространении через лесопарк. Эти данные подтвердили теоретические результаты.

4. Представлена новая математическая модель расчета достоверности приема цифрового фазоманипулированного флуктуирующего пучка ММВ в зоне тени частично-прозрачного препятствия при наличии тепловых шумов и сторонних помех, позволяющая описывать атмосферный радиоканал как эквивалентный однолучевой.

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитируемой литературы из 50 наименований и 2 приложений, содержащих основные математические выкладки. Содержание работы изложено на 100 страницах машинописного текста, иллюстрируется 30 рисунками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава содержит теоретическое и экспериментальное описание поля пучка ММВ отраженного подстилающим покровом и зданием при распространении на трассах прямой видимости.

В §1.1 и 1.2 приводится математическое описание пространственных зависимостей уровня поля пучка ММВ с учётом ДН корреспондирующих антенн (на примере апертурных антенн с диаграммой направленности в виде Лямбда-функции 1-го порядка) в двухлучевой схеме распространения вблизи отражающей поверхности подстилающего покрова и здания при продольном (§1.1) и поперечном (§1.2) к трассе движении приёмной антенны. В сопоставлении с экспериментальными данными о продольной относительно трассы распространения (у зарубежных авторов [22], что и инициировало данную часть работы) и поперечной (собственные измерения автора, описанные в работах [15-18,20,21,23]) структуре поля ММВ вблизи поверхности, найдено выражение нормированного суммарного поля пучка ММВ, учитывающее характеристики отражения. Полученное выражение адекватно описывает напряженность поля пучка ММВ, поведение которого с расстоянием отличается от общепринятой для волн УКВ диапазона «квадратичной» ф-лы Введенского. В §1.2 показано, что характерные пространственные периоды поперечного изменения интерференционного поля на несколько порядков меньше, чем продольные, что подтверждено данными натурных измерений (§1.3).

В §1.3 описаны приемопередающая аппаратура (2 комплекта аппаратуры на 28,070 / 28,825 и 28,126 ГГц) и измерения структуры поля ММВ вблизи здания, подтвердившие математическое описание. Использованные антенны - (а) параболические типа Кассегрена апертурами 0,22 и 0,29 м; (б) конический рупор апертурой 0,08 м; (в) Н-плоскостная рупорно-линзовая антенна 8.5°х60° (по уровню -3 дБ).

Во Второй главе рассматриваются частотные характеристики турбулентного тропосферного радиоканала над хаотической подстилающей поверхностью.

В §2.1 представлены математическое описание, результаты расчетов и проводится анализ амплитудной (АЧХ) и фазочастотной характеристик (ФЧХ) турбулентного атмосферного радиоканала над отражающей подстилающей поверхностью с хаотическими неровностями. Показано, что в совокупности ЧХ поглощающей атмосферы с учетом флуктуаций диэлектрической проницаемости, многократного рассеяния дискретными неоднородностями и отражения подстилающей земной поверхностью может быть представлена произведением соответствующих парциальных ЧХ по аналогии с многозвенным линейным фильтром [15-17,24]. Из выполненных оценок следует, что на протяженных атмосферных трассах (единицы км) ЧХ определяются через пространственные структурные функции флуктуаций уровня и фазы пучка ММВ.

Это обусловило в §2.2 рассмотрение статистических характеристик флуктуаций амплитуды и фазы пучка ММВ на открытых тропосферных трассах. В §2.2 в приближении метода плавных возмущений (МПВ) [3], с учетом особенностей пучков ММВ (в т.ч. с использованием двухпараметрического пространственного спектра неоднородностей показателя преломления) решены задачи: установлены вид и параметрические зависимости пространственно-временных структурных и корреляционных функций флуктуаций уровня амплитуды, фазы, разности фаз и угла прихода гауссова пучка ММВ на выходе атмосферного радиоканала; аппроксимированы зависимости среднеквадратичных флуктуаций уровня амплитуды, фазы и разности фаз пучка ММВ от параметров: геометрии трассы, формы волнового фронта, размещения точек наблюдения, интенсивности турбулентности (структурная характеристика) и показателя преломления атмосферы. Численными методами выполнены расчеты характерных для ММ диапазона функциональных взаимозависимостей

пространственных и временных аргументов статистических характеристик, обусловленные особенностями неоднородного пучкового переноса [9-14,25-28]. Анализ показал асимптотическое стремление найденных функциональных зависимостей величин среднеквадратичных флуктуаций параметров пучка ММВ к известным ф-лам для плоской и сферической волн [2,3,29].

В §2.3 изложена оригинальная методика (основанная на принципе эквивалентности, в малоугловом приближении, варьирования высоты размещения точки наблюдения и девиации несущей частоты) измерения АЧХ пропускания радиоканала ММВ вблизи отражающих поверхностей; описаны аппаратура и натурные измерения АЧХ и полосы пропускания атмосферного радиоканала в ММ диапазоне волн в натурных условиях на трассе прямой видимости протяженностью 5 км флуктуаций разности фаз ММВ на частоте 36 ГГц [16,17]; осуществлена экспериментальная проверка теоретического подхода, позволившая оценить полосу пропускания радиоканала ММВ вблизи отражающих поверхностей порядка 1000 МГц.

В Третьей главе рассматривается распространение пучков ММВ на закрытых трассах (затененных растительностью).

В §3.1 приводится математическое описание функции ослабления когерентного поля при двухлучевом распространении пучка ММВ на трассе с лесопарком (дифракция и «прямое» распространение в зоне геометрической тени), с учётом диаграмм направленности приёмной и передающей антенн, их расположения друг относительно друга и ослабления (экстинкции) лесного массива. Учет ослабления пучка при распространении сквозь толщу растительности производится аналогично рассмотрению распространения пучка в поглощающей тропосфере (Гл.2), дифракция на крае лесопарка - аналогично дифракции пучка ММВ поглощающей полуплоскости [19,23,30,31]. На основе развитой математической модели выполнены расчеты высотных зависимостей (интерференционного типа) функции ослабления поля пучка ММВ в зоне тени частично-прозрачного препятствия (городского лесопарка), которые подтверждены результатами натурных экспериментов (§3.3). Учет «прямого» пучка в двухлучевой модели объясняет «добавку» примерно в 40 дБ в уровне принятого когерентного поля за лесом по сравнению с использованием чисто дифракционной модели.

В §3.2 анализируются статистические характеристики флуктуаций амплитуды пучка ММВ, прошедшего через лесопарк, приводятся аппроксимационные выражения

корреляционных фикций и спектральных плотностей в сопоставлении с соответствующими экспериментальными данными [5,21,32].

В §3.3 приводятся результаты нескольких серий натурных измерений [5,21] в различных сезонных условиях структуры поля и экстинкции ММВ при распространении пучка сквозь редкий лесопарк на трассах протяжённостью до 700 м, подтвердившие математическую модель §3.1. Полученные оценки величин погонного (дБ/м) коэффициента ослабления не противоречат известным по литературе [33] экспериментальным данным на частоте 28,8 ГГц для густого лиственного лесного массива в летних условиях на трассах протяженностью 100.. .900 м.

В §3.4 приводится математическое описание достоверности (вероятности ошибки Ре) приема цифрового фазоманипулированного флуктуирующего пучка ММВ в зоне тени частично-прозрачного препятствия (в условиях двухлучевого распространения) при наличии тепловых шумов и сторонних помех. Принимаемый сигнал (совокупность

сигналов Es(t,r) - флуктуирующего прямого, Ed - дифракционного и помехи g'(t) )

представлена как узкополосный случайный процесс [34,35], что позволило описывать двухлучевой атмосферный радиоканал с флуктуациями и аддитивным шумом как эквивалентный однолучевой канал. Выражение вероятности ошибки получено через функцию Макдональда Kv(x) (цилиндрическую модифицированную функцию Бесселя 2-го рода чисто мнимого аргумента) - в параметрической зависимости от коэффициента автокорреляции Rf (г) и отношения С/Ш q2. Приводятся результаты численного

интегрирования Ре ("двухлучевая ОФМ") в сопоставлении с классической потенциальной помехоустойчивостью В.А.Котельникова [34], и не противоречащие результатам [36].

На�