Тропосферное рассеяние радиоволн: связь за горизонтом.

Введение

Метод связи с микроволновыми радиосигналами на значительных расстояниях

Тропосферное рассеяние, также известное как тропоскаттер, – это метод связи с микроволновыми радиосигналами на значительных расстояниях, часто до и более, в зависимости от рабочей частоты, типа оборудования, рельефа местности и климатических факторов. Этот метод распространения использует явление тропосферного рассеяния, при котором радиоволны в диапазонах UHF и SHF случайным образом рассеиваются при прохождении через верхние слои тропосферы. Радиосигналы передаются узким лучом, направленным чуть выше горизонта в сторону приемной станции. По мере прохождения сигналов через тропосферу часть энергии рассеивается обратно к Земле, что позволяет приемной станции принимать сигнал. Обычно сигналы в микроволновом диапазоне распространяются по прямой линии и, следовательно, ограничены приложениями прямой видимости, где передатчик может "видеть" приемник. Расстояния связи ограничены визуальным горизонтом примерно до. Тропоскаттер обеспечивает микроволновую связь за пределами горизонта. Он был разработан в 1950-х годах и использовался для военных коммуникаций до того, как спутниковая связь в значительной степени заменила его в 1970-х годах. Поскольку тропосфера турбулентна и содержит большое количество влаги, радиосигналы тропосферного рассеяния преломляются, и, следовательно, лишь небольшая часть переданной радиоэнергии улавливается приемными антеннами. Частоты передачи около наиболее подходят для систем тропосферного рассеяния, поскольку на этой частоте длина волны сигнала эффективно взаимодействует с влажными, турбулентными областями тропосферы, улучшая отношение сигнал/шум.

Открытие

До Второй мировой войны преобладающая теория радиофизики предсказывала связь между частотой и дифракцией, которая указывала на то, что радиосигналы будут следовать за кривизной Земли, но сила этого эффекта быстро ослабевала, особенно на более высоких частотах. Несмотря на это широко распространенное убеждение, во время войны произошло множество случаев, когда высокочастотные радиолокационные сигналы могли обнаруживать цели на расстояниях, значительно превышающих теоретические расчеты. Несмотря на эти неоднократные случаи аномальной дальности, это явление всерьез не изучалось. Сразу после войны в Соединенных Штатах было снято ограничение на производство телевизоров, и были проданы миллионы аппаратов. Это привело к столь же быстрому расширению сети новых телевизионных станций. Основываясь на тех же расчетах, которые использовались во время войны, Федеральная комиссия по связи (FCC) распределила частоты для новых каналов VHF и UHF, чтобы избежать взаимных помех между станциями. К всеобщему удивлению, помехи возникали часто, даже между станциями, расположенными на значительном расстоянии друг от друга. В результате выдача лицензий на новые станции была приостановлена в так называемом "телевизионном моратории" 1948 года. Bell Labs была одной из многих организаций, которые начали изучать это явление и пришли к выводу, что это ранее неизвестный тип отражения от тропопаузы. Это было характерно для более высоких частот, в диапазонах UHF и СВЧ, поэтому не наблюдалось до войны, когда существующая электроника не могла работать на этих частотах. Хотя подавляющая часть сигнала проходила через тропосферу и уходила в космос, небольшая отраженная часть оказывалась полезной при использовании мощных передатчиков и высокочувствительных приемников. В 1952 году Bell начала эксперименты с лабораторией Линкольна, исследовательским центром радаров, аффилированным с MIT. Используя мощные СВЧ-передатчики Линкольна и чувствительные приемники Bell, они построили несколько экспериментальных систем для тестирования различных частот и погодных условий. Когда Bell Canada узнала об этой системе, они посчитали, что она может быть полезна для новой сети связи в Лабрадоре, и взяли одну из систем туда для испытаний в условиях холодной погоды. В 1954 году результаты обеих серий испытаний были завершены, и началось строительство первой системы тропосферного рассеяния, системы Pole Vault, которая соединяла радиолокационные системы Pinetree Line вдоль побережья Лабрадора. Использование тропосферного рассеяния позволило сократить количество станций с 50 микроволновых ретрансляторов, разбросанных по дикой местности, до всего лишь 10, все расположенных на радиолокационных станциях. Несмотря на более высокую стоимость отдельных станций, строительство новой сети обошлось вдвое дешевле, чем строительство ретрансляционной системы. За системой Pole Vault последовали аналогичные системы, такие как White Alice, ретрансляторы на линии Mid Canada Line и линии DEW, а в 1960-х годах – через Атлантический океан и Европу в рамках системы ACE High НАТО.

Prior to World War II, prevailing radio physics theory predicted a relationship between frequency and diffraction that suggested radio signals would follow the curvature of the Earth, but that the strength of the effect would fall off rapidly and especially at higher frequencies. In spite of this widespread belief, during the war there were numerous incidents in which high frequency radar signals were able to detect targets at ranges far beyond the theoretical calculations. In spite of these repeated instances of anomalous range, the matter was never seriously studied. In the immediate post war era, the limitation on television construction was lifted in the United States and millions of sets were sold. This drove an equally rapid expansion of new television stations. Based on the same calculations used during the war, the Federal Communications Commission (FCC) arranged frequency allocations for the new VHF and UHF channels to avoid interference between stations. To everyone's surprise, interference was common, even between widely separated stations. As a result, licenses for new stations were put on hold in what is known as the "television freeze" of 1948. Bell Labs was among the many organizations that began studying this effect, and concluded it was a previously unknown type of reflection off the tropopause. This was limited to higher frequencies, in the UHF and microwave bands, which is why it had not been seen prior to the war when these frequencies were beyond the ability of existing electronics. Although the vast majority of the signal went through the troposphere and on to space, the tiny amount that was reflected was useful if combined with powerful transmitters and very sensitive receivers. In 1952, Bell began experiments with Lincoln Labs, the MIT affiliated radar research lab. Using Lincoln's powerful microwave transmitters and Bell's sensitive receivers, they built several experimental systems to test a variety of frequencies and weather effects. When Bell Canada heard of the system they felt it might be useful for a new communications network in Labrador and took one of the systems there for cold weather testing. In 1954 the results from both test series were complete and construction began on the first troposcatter system, the Pole Vault system that linked Pinetree Line radar systems along the coast of Labrador. Using troposcatter reduced the number of stations from 50 microwave relays scattered through the wilderness to only 10, all located at the radar stations. In spite of their higher unit costs, the new network cost half as much to build as a relay system. Pole Vault was quickly followed by similar systems like White Alice, relays on the Mid Canada Line and the DEW Line, and during the 1960s, across the Atlantic Ocean and Europe as part of NATO's ACE High system.

Использование

Потери распространения очень высоки; на приемнике доступна лишь около одной триллионной части мощности передатчика. Это требует использования антенн с исключительно высоким коэффициентом усиления. Изначальная система Pole Vault использовала большие параболические антенны, но вскоре они были заменены антеннами типа "билборд", которые были несколько более надежными – важное качество, учитывая, что эти системы часто устанавливались в суровых условиях. Для работы требовались антенны размером от и усилители мощностью от 1 до 50. Это были аналоговые системы, способные передавать несколько голосовых каналов. Системы тропосферного рассеяния (тропоскаттера) развивались с течением времени. С появлением спутников связи для дальней связи, современные системы тропоскаттера используются на меньших расстояниях, чем предыдущие, используют антенны и усилители меньшего размера и обладают значительно большей пропускной способностью. Типичные расстояния составляют от , хотя большие расстояния могут быть достигнуты в зависимости от климата, рельефа местности и требуемой скорости передачи данных. Типичные размеры антенн варьируются от , а типичные размеры усилителей – от 10 до 2. Скорость передачи данных свыше 20 можно достичь с использованием современных технологий. Тропосферное рассеяние – достаточно безопасный метод распространения, поскольку критически важна точная ориентация антенн, что делает перехват сигналов чрезвычайно сложным, особенно при передаче через открытую воду, что делает его привлекательным для военных. Военные системы, как правило, были "узкополосными" тропо – так их называли, потому что по системе тропо передавался только узкий канал "информации"; обычно до 32 аналоговых (широкополосных) каналов. Современные военные системы являются "широкополосными", поскольку они работают по 4 цифровым каналам передачи данных со скоростью 16 Мбит/с. Гражданские системы тропоскаттера, такие как сеть связи British Telecom (BT) для нефтедобычи в Северном море, требовали каналов "информации" с большей пропускной способностью, чем предоставляли радиосигналы высокой частоты (ВЧ – от до ) до появления спутниковых технологий. Системы BT, расположенные в Скусбурге на Шетландских островах, Мормонд-Хилл в Абердиншире и Роу-Брау возле Скарборо, могли передавать и принимать 156 аналоговых (широкополосных) каналов данных и телефонии на/с нефтедобывающих платформ в Северном море, используя мультиплексирование с частотным разделением каналов (ЧРМ) для объединения каналов. Из-за характера турбулентности в тропосфере использовались четыре независимых канала распространения для обеспечения 99,98% надежности обслуживания, что эквивалентно примерно 3 минутам простоя в месяц из-за потери сигнала. Для четырехканальной пространственной и поляризационной диверсификации требовались две отдельные антенны (на расстоянии нескольких метров друг от друга) и два кормовых устройства с разной поляризацией – одно с вертикальной, другое с горизонтальной поляризацией. Это гарантировало, что хотя бы один канал передачи сигнала был открыт в любой момент времени. Сигналы из четырех различных каналов рекомбинировались в приемнике, где фазокорректор устранял разницу фаз каждого сигнала. Разница фаз была вызвана различной длиной пути каждого сигнала от передатчика к приемнику. После фазовой коррекции четыре сигнала можно было сложить.

The propagation losses are very high; only about one trillionth of the transmit power is available at the receiver. This demands the use of antennas with extremely large antenna gain. The original Pole Vault system used large parabolic reflector dish antennas, but these were soon replaced by billboard antennas which were somewhat more robust, an important quality given that these systems were often found in harsh locales. Paths were established at distances over They required antennas ranging from and amplifiers ranging from 1 to 50. These were analogue systems which were capable of transmitting a few voice channels. Troposcatter systems have evolved over the years. With communication satellites used for long distance communication links, current troposcatter systems are employed over shorter distances than previous systems, use smaller antennas and amplifiers, and have much higher bandwidth capabilities. Typical distances are between , though greater distances can be achieved depending on the climate, terrain, and data rate required. Typical antenna sizes range from while typical amplifier sizes range from 10 to 2. Data rates over 20 can be achieved with today's technology. Tropospheric scatter is a fairly secure method of propagation as dish alignment is critical, making it extremely difficult to intercept the signals, especially if transmitted across open water, making them highly attractive to military users. Military systems have tended to be ‘thin line’ tropo – so called because only a narrow bandwidth ‘information’ channel was carried on the tropo system; generally up to 32 analogue ( bandwidth) channels. Modern military systems are "wideband" as they operate 4 16 Mbit/s digital data channels. Civilian troposcatter systems, such as the British Telecom (BT) North Sea oil communications network, required higher capacity ‘information’ channels than were available using HF (high frequency – to ) radio signals, before satellite technology was available. The BT systems, based at Scousburgh in the Shetland Islands, Mormond Hill in Aberdeenshire and Row Brow near Scarborough, were capable of transmitting and receiving 156 analogue ( bandwidth) channels of data and telephony to / from North Sea oil production platforms, using frequency division multiplexing (FDMX) to combine the channels. Because of the nature of the turbulence in the troposphere, quadruple diversity propagation paths were used to ensure 99.98 reliability of the service, equating to about 3 minutes of downtime due to propagation drop out per month. The quadruple space and polarisation diversity systems needed two separate dish antennas (spaced several metres apart) and two differently polarised feed horns – one using vertical polarisation, the other using horizontal polarisation. This ensured that at least one signal path was open at any one time. The signals from the four different paths were recombined in the receiver where a phase corrector removed the phase differences of each signal. Phase differences were caused by the different path lengths of each signal from transmitter to receiver. Once phase corrected, the four signals could be combined additively.