Radioreléová komunikace je jedním z typů pozemní rádiové komunikace založené na vícenásobném předávání rádiových signálů [1] . Radioreléová komunikace se zpravidla provádí mezi stacionárními objekty.
Historicky byla radioreléová komunikace mezi stanicemi prováděna pomocí řetězce reléových stanic, které mohly být buď aktivní, nebo pasivní.
Charakteristickým rysem radioreléové komunikace od všech ostatních typů pozemních rádiových komunikací je použití úzce směrovaných antén , stejně jako decimetrových , centimetrových nebo milimetrových rádiových vln.
Historie radioreléové komunikace sahá až do ledna 1898 publikací pražského inženýra Johanna Mattausche v rakouském časopise Zeitschrift für Electrotechnik (v. 16, S. 35 - 36) [2] [3] Jeho představa použití „překladače“ ( Translator), analogicky s překladači drátové telegrafie, bylo dosti primitivní a nebylo možné jej implementovat.
První skutečně fungující radioreléový komunikační systém vynalezl v roce 1899 19letý belgický student italského původu Emile Guarini (Guarini) Foresio (Émile Guarini Foresio) [2] [4] . Dne 27. května 1899, Old Style, Emile Guarini -Foresio podal u belgického patentového úřadu žádost o patent na vynález č. 142911, kde poprvé popsal zařízení pro radioreléový opakovač (répétiteur) [2] [4 ] . Tento historický fakt je nejstarším doloženým důkazem priority E. Guarini-Foresio , což nám umožňuje považovat uvedené datum za oficiální narozeniny radioreléové komunikace. V srpnu a na podzim téhož roku 1899 podal E. Guarini-Foresio podobné žádosti v Rakousku, Velké Británii, Dánsku, Švýcarsku [2] [4] . Charakteristickým rysem vynálezu Guarini-Foresio byla kombinace přijímacích a vysílacích zařízení v jednom opakovači, který přijímal signály, demoduloval je v kohereru a poté je používal k ovládání relé, které zajišťovalo tvorbu aktualizovaných signálů, které byly následně znovu vyzařováno přes anténu. Pro zajištění elektromagnetické kompatibility je přijímací segment opakovače obklopen ochranným štítem určeným k ochraně přijímacích obvodů před silným zářením vysílače.
V roce 1901 provedli Guarini-Foresio společně s Fernandem Poncelem řadu úspěšných experimentů k navázání radioreléové komunikace mezi Bruselem a Antverpami s mezilehlým automatickým relé v Mechelenu. Podobný experiment byl také proveden koncem roku 1901 mezi Bruselem a Paříží [2] [4] .
V roce 1931 André Clavier , pracující ve francouzské výzkumné divizi LCT of ITT , ukázal možnost organizovat rádiovou komunikaci pomocí ultrakrátkých rádiových vln. Během předběžných testů 31. března 1931 Clavier pomocí experimentální radioreléové linky pracující na frekvenci 1,67 GHz úspěšně vysílal a přijímal telefonní a telegrafní zprávy umístěním dvou parabolických antén o průměru 3 m na dva protilehlé břehy řeky. Lamanšský průliv [5] . Je pozoruhodné, že místa instalace antén se prakticky shodovala s místy vzletu a přistání historického letu přes kanál La Manche Louis Blériot . Úspěšný experiment André Claviera vedl k dalšímu vývoji komerčních radioreléových zařízení. První komerční radioreléové zařízení vydala ITT, respektive její dceřiná společnost STC , v roce 1934 a využívala amplitudovou modulaci nosné vlny s výkonem 0,5 wattu na frekvenci 1,724 a 1,764 GHz, získanou pomocí klystronu .
Ke spuštění první komerční radioreléové linky došlo 26. ledna 1934. Trať měla délku 56 km přes kanál La Manche a spojovala letiště Lympne v Anglii a St. Englevere ve Francii. Vybudovaná radioreléová linka umožňovala současně přenášet jeden telefonní a jeden telegrafní kanál a sloužila ke koordinaci letecké dopravy mezi Londýnem a Paříží. V roce 1940, během druhé světové války , linka byla demontována.
Radioreléovou komunikací se zpravidla rozumí přímá radioreléová komunikace na dohled.
Při výstavbě radioreléových komunikačních linek jsou antény sousedních radioreléových stanic umístěny v zorném poli [1] . Požadavek na přímou viditelnost je způsoben výskytem difrakčního slábnutí , když je dráha šíření rádiových vln zcela nebo částečně uzavřena. Ztráty způsobené slábnutím difrakce mohou způsobit silný útlum signálu, takže rádiová komunikace mezi sousedními radioreléovými stanicemi se stane nemožným. Pro stabilní rádiovou komunikaci jsou proto antény sousedních radioreléových stanic obvykle umístěny na přirozených kopcích nebo speciálních telekomunikačních věžích nebo stožárech tak, aby cesta šíření rádiových vln neměla žádné překážky.
S ohledem na omezení nutnosti přímé viditelnosti mezi sousedními stanicemi je dosah radioreléové komunikace zpravidla omezen na 40–50 km.
Při konstrukci troposférických radioreléových komunikačních linek se využívá efektu odrazu decimetrových a centimetrových rádiových vln od turbulentních a vrstevnatých nehomogenit ve spodních vrstvách atmosféry - troposféře [6] .
Využití efektu dálkového troposférického šíření VHF rádiových vln umožňuje organizovat komunikaci na vzdálenost až 300 km při absenci přímé viditelnosti mezi radioreléovými stanicemi. Komunikační dosah lze zvýšit až na 450 km umístěním radioreléových stanic na přírodních kopcích.
Troposférická radioreléová komunikace se vyznačuje silným útlumem signálu. K útlumu dochází jak při šíření signálu atmosférou, tak v důsledku rozptylu části signálu při odrazu od troposféry. Pro stabilní rádiovou komunikaci se proto zpravidla používají vysílače s výkonem do 10 kW, antény s velkou aperturou (až 30 x 30 m²), a tedy velkým ziskem, stejně jako vysoce citlivé přijímače s nízkým šumem prvky se používají.
Také troposférické radioreléové komunikační linky se vyznačují neustálou přítomností rychlého, pomalého a selektivního slábnutí rádiového signálu. Snížení vlivu rychlého slábnutí na přijímaný signál je dosaženo použitím rozmanitosti frekvenčního a prostorového příjmu. Proto má většina troposférických radioreléových stanic několik přijímacích antén.
Příkladem nejznámějších a nejrozšířenějších troposférických radioreléových komunikačních linek jsou:
Na rozdíl od radioreléových stanic opakovače nepřidávají k rádiovému signálu další informace. Opakovače mohou být pasivní nebo aktivní.
Pasivní zesilovače jsou jednoduchým reflektorem rádiového signálu bez jakéhokoli transceiveru a na rozdíl od aktivních zesilovačů nemohou zesílit užitečný signál ani jej přenést na jiný kmitočet. Pasivní radioreléové opakovače se používají v nepřítomnosti přímé viditelnosti mezi radioreléovými stanicemi; aktivní - pro zvýšení dosahu komunikace.
Jako pasivní opakovač mohou fungovat jak ploché reflektory, tak radioreléové antény spojené koaxiálními nebo vlnovodnými vložkami (tzv. back-to-back antény).
Ploché reflektory se obecně používají při malých úhlech odrazu a mají účinnost blízkou 100 %. S rostoucím úhlem odrazu však účinnost plochého reflektoru klesá. Výhodou plochých reflektorů je možnost využití více radioreléových frekvenčních pásem pro předávání.
Antény připojené „zády k sobě“ se obvykle používají v úhlech odrazu blízkých 180° a mají účinnost 50–60 %. Takové reflektory nelze použít k přenosu více frekvenčních pásem kvůli omezením samotných antén.
Z nových směrů ve vývoji radioreléových komunikací, které se v poslední době objevily, si pozornost zaslouží vytvoření inteligentních opakovačů ( chytré relé ) [7] .
Jejich vzhled je spojen se zvláštností implementace technologie MIMO v radioreléové komunikaci, ve které je nutné znát přenosové charakteristiky radioreléových kanálů. V chytrém opakovači se provádí takzvané „inteligentní“ zpracování signálu . Na rozdíl od tradičního souboru operací „příjem – zesílení – opětovné vyzařování“ v nejjednodušším případě poskytuje dodatečnou korekci amplitud a fází signálů s přihlédnutím k přenosovým charakteristikám prostorových MIMO kanálů v určitém intervalu radioreléové vedení [7] . V tomto případě se předpokládá, že všechny MIMO kanály mají stejné zisky. Může být dobře odůvodněno zohledněním úzkých svazků přijímacích a vysílacích antén na komunikační vzdálenosti, ve kterých rozšíření směrových diagramů nevede k znatelnému projevu efektu vícecestného šíření rádiových vln.
Složitější implementace principu inteligentního relé zahrnuje úplnou demodulaci přijímaných signálů v opakovači, extrahování do nich přenášených informací, jejich uložení a následné použití k modulaci znovu vyzařovaných signálů, s přihlédnutím k charakteristikám MIMO kanálu. stav ve směru k dalšímu síťovému opakovači [7] . Takové zpracování, i když je složitější, umožňuje maximální zohlednění zkreslení zaváděných do užitečných signálů podél jejich cesty šíření.
Pro organizaci rádiové komunikace se používají deci- , centi- a milimetrové vlny .
Pro zajištění duplexní komunikace je každý frekvenční rozsah podmíněně rozdělen na dvě části vzhledem ke střední frekvenci rozsahu. V každé části rozsahu jsou přiděleny frekvenční kanály daného pásma. Frekvenční kanály „spodní“ části rozsahu odpovídají určitým kanálům „horní“ části rozsahu, a to tak, že rozdíl mezi středními frekvencemi kanálů z „dolní“ a „horní“ části rozsahu byly vždy stejné pro všechny frekvenční kanály stejného frekvenčního rozsahu.
V souladu s ITU-R F.746 byly pro přímé radioreléové komunikace schváleny následující frekvenční rozsahy:
| Rozsah (GHz) | Limity pásma (GHz) | Šířka kanálu (MHz) | Doporučení ITU-R | rozhodnutí SCRF |
|---|---|---|---|---|
| 0,4 | 0,4061 – 0,430 0,41305 – 0,450 |
0,05, 0,1, 0,15, 0,2, 0,25, 0,6 0,25, 0,3, 0,5, 0,6, 0,75, 1, 1,75, 3,5 |
ITU-R F.1567 | |
| 1.4 | 1,350 - 1,530 | 0,25, 0,5, 1, 2, 3,5 | ITU-R F.1242 | |
| 2 | 1,427 - 2,690 | 0,5 | ITU-R F.701 | |
| 1 700 - 2 100 1 900 - 2 300 |
29 | ITU-R F.382 | ||
| 1 900 - 2 300 | 2,5, 3,5, 10, 14 | ITU-R F.1098 | ||
| 2 300 - 2 500 | 1, 2, 4, 14, 28 | ITU-R F.746 | ||
| 2,290 - 2,670 | 0,25, 0,5, 1, 1,75, 2, 2,5 3,5, 7, 14 | ITU-R F.1243 | ||
| 3.6 | 3 400 - 3 800 | 0,25, 25 | ITU-R F.1488 | |
| čtyři | 3 800 - 4 200 3 700 - 4 200 |
29 28 |
ITU-R F.382 | Rozhodnutí SCRF č. 09-08-05-1 |
| 3 600 - 4 200 | 10, 30, 40, 60, 80, 90 | ITU-R F.635 | ||
| U4 | 4 400 - 5 000 4 540 - 4 900 |
10, 28, 40, 60, 80 20, 40 |
ITU-R F.1099 | Rozhodnutí SCRF č. 09-08-05-2 |
| L6 | 5,925 – 6,425 5,850 – 6,425 5,925 – 6,425 |
29,65 90 5, 10, 20, 28, 40, 60 |
ITU-R F.383 | Rozhodnutí SCRF č. 10-07-02 |
| U6 | 6,425 - 7,110 | 3,5, 5, 7, 10, 14, 20, 30, 40, 80 | ITU-R F.384 | Rozhodnutí SCRF č. 12-15-05-2 |
| 7 | ITU-R F.385 | |||
| osm | ITU-R F.386 | |||
| deset | 10 000 – 10 680 10 150 – 10 650 |
1,25, 3,5, 7, 14, 28 3,5, 7, 14, 28 |
ITU-R F.747 | |
| 10,150 - 10,650 | 28, 30 | ITU-R F.1568 | ||
| 10 500 – 10 680 10 550 – 10 680 |
3,5, 7, 1,25, 2,5, 5 |
ITU-R F.747 | ||
| jedenáct | 10 700 - 11 700 | 5, 7, 10, 14, 20, 28, 40, 60, 80 | ITU-R F.387 | Rozhodnutí SCRF č. 5/1,
Rozhodnutí SCRF 09-03-04-1 ze dne 28.04.2009 |
| 12 | 11 700 – 12 500 12 200 – 12 700 |
19.18 20 |
ITU-R F.746 | |
| 13 | 12 750 - 13 250 | 3,5, 7, 14, 28 | ITU-R F.497 | Rozhodnutí Státního výboru pro rádiové frekvence 09-02-08 ze dne 19.03.2009 [8] |
| 12 700 - 13 250 | 12.5, 25 | ITU-R F.746 | ||
| čtrnáct | 14 250 - 14 500 | 3,5, 7, 14, 28 | ITU-R F.746 | |
| patnáct | 14 400 – 15 350 14 500 – 15 350 |
3,5, 7, 14, 28, 56 2,5, 5, 10, 20, 30, 40, 50 |
ITU-R F.636 | Rozhodnutí SCRF č. 08-23-09-001 |
| osmnáct | 17 700 – 19 700 17 700 – 19 700 17 700 – 19 700 18 580 – 19 160 |
7,5, 13,75, 27,5, 55, 110, 220 1,75, 3,5, 7 2,5, 5, 10, 20, 30, 40, 50 60 |
ITU-R F.595 | Rozhodnutí SCRF č. 07-21-02-001 |
| 23 | 21 200 – 23 600 22 000 – 23 600 |
2,5, 3,5 - 112 3,5 - 112 |
ITU-R F.637 | Rozhodnutí SCRF č. 06-16-04-001 |
| 27 | 24 250 - 25 250 25 250 - 27 500 25 270 - 26 980 24 500 - 26 500 27 500 - 29 500 |
2,5, 3,5, 40 2,5, 3,5 60 3,5 – 112 2,5, 3,5 – 112 |
ITU-R F.748 | Rozhodnutí SCRF č. 09-03-04-2 |
| 31 | 31 000 - 31 300 | 3,5, 7, 14, 25, 28, 50 | ITU-R F.746 | |
| 32 | 31 800 - 33 400 | 3,5, 7, 14, 28, 56, 112 | ITU-R F.1520 | |
| 38 | 36 000 - 40 500 36 000 - 37 000 37 000 - 39 500 38 600 - 39 480 38 600 - 40 000 39 500 - 40 500 |
2,5, 3,5 3,5 – 112 3,5, 7, 14, 28, 56, 112 60 50 3,5 – 112 |
ITU-R F.749 | Rozhodnutí SCRF č. 06-14-02-001 |
| 42 | 40 500 - 43 500 | 7, 14, 28, 56, 112 | ITU-R F.2005 | Rozhodnutí SCRF č. 08-23-04-001 |
| 52 | 51 400 - 52 600 | 3,5, 7, 14, 28, 56 | ITU-R F.1496 | |
| 57 | 55 7800 – 57 000 57 000 – 59 000 |
3,5, 7, 14, 28, 56 50, 100 |
ITU-R F.1497 | Rozhodnutí SCRF č. 06-13-04-001 |
| 70/80 | 71 000 – 76 000 / 81 000 – 86 000 | 125, N x 250 | ITU-R F.2006 | Rozhodnutí SCRF č. 10-07-04-1 |
| 94 | 92 000 – 94 000 / 94 100 – 95 000 | 50, 100, N x 100 | ITU-R F.2004 | Rozhodnutí SCRF č. 10-07-04-2 |
Frekvenční rozsahy od 2 GHz do 38 GHz patří ke "klasickým" radioreléovým frekvenčním rozsahům. Zákony šíření a útlumu rádiových vln, stejně jako mechanismy pro výskyt vícecestného šíření v těchto rozsazích, jsou dobře prostudovány a bylo nashromážděno velké množství statistik o použití radioreléových komunikačních linek. Pro jeden frekvenční kanál „klasického“ radioreléového frekvenčního rozsahu je přiděleno frekvenční pásmo nejvýše 28 MHz nebo 56 MHz.
Pásma od 38 GHz do 92 GHz pro radioreléovou komunikaci jsou novější a novější. Navzdory tomu jsou tyto rozsahy považovány za slibné z hlediska zvýšení propustnosti radioreléových komunikačních linek, protože v těchto rozsazích je možné alokovat širší frekvenční kanály.
Jednou z vlastností použití radioreléových komunikačních linek je:
Metody redundance rádiové komunikace lze rozdělit
Metoda „horké“ pohotovosti je založena na zavedení redundance do vybavení radioreléových stanic. "Hot" redundance je zaměřena na zlepšení spolehlivosti zařízení a nemůže ovlivnit vlastnosti rádiového signálu v komunikačním kanálu .
Metoda frekvenčně diverzního příjmu je zaměřena na eliminaci frekvenčně selektivního zeslabování v komunikačním kanálu. Jeho implementace je v současnosti prováděna na bázi technologie OFDM . Lze také použít signály N-OFDM [7] .
Metoda prostorové diverzity se používá k eliminaci vyblednutí, ke kterému dochází v důsledku vícecestného šíření rádiových vln v komunikačním kanálu. Metoda prostorové diverzity se nejčastěji používá při konstrukci radioreléových komunikačních linek procházejících po plochách s koeficientem odrazu blízkým 1 (vodní hladina, bažiny, zemědělská pole). Nejjednodušší variantou jeho realizace je umístění několika přívodů do ohniskové roviny reflektorové antény pomocí MIMO technologií pro generování a příjem signálů. .
Tato metoda je druh technologie MIMO a při použití ortogonálních polarizací umožňuje zvýšit rychlost přenosu dat 2krát [9] . Jednou z nevýhod polarizační diverzity je nutnost používat dražší duální polarizační antény.
Nejspolehlivější metodou redundance je konstrukce radioreléových komunikačních linek pomocí kruhové topologie.
Ze všech typů rádiové komunikace poskytuje radioreléová komunikace nejvyšší poměr signálu k šumu na vstupu přijímače pro danou pravděpodobnost chyby. Proto, je-li potřeba zorganizovat spolehlivou rádiovou komunikaci mezi dvěma objekty, se nejčastěji používají radioreléové komunikační linky.
Historicky byly radioreléové komunikační linky používány k organizování komunikačních kanálů pro televizní a rozhlasové vysílání, jakož i k propojení telegrafních a telefonních stanic v oblastech se špatně rozvinutou infrastrukturou.
Radioreléové komunikační linky se používají při výstavbě a údržbě ropovodů a plynovodů jako hlavní nebo záložní optické kabelové komunikační linky pro přenos telemetrických informací.
Radioreléová komunikace se používá při organizaci komunikačních kanálů mezi různými prvky celulární sítě, zejména v místech se špatně rozvinutou infrastrukturou.
Moderní radioreléové komunikační linky jsou schopny přenášet velké množství informací ze základnových stanic 2G, 3G , 4G a 5G do hlavních prvků celulární páteřní sítě. Až 20 km mezi věžemi v Rusku .