В настоящее время все большее применение находят беспроводные системы охранно-пожарной сигнализации (ОПС) и передачи извещений или радиоканальные вставки в проводные линии связи. Как показывает практика, некоторые специалисты сталкиваются с неустойчивой работой радиоканальных устройств, в то время как у других эти же приборы работают безукоризненно. Возникающие вопросы связаны с природой распространения радиоволн - ведь каждый частотный диапазон характеризуется своими особенностями. Для систем ОПС и передачи извещений, как правило, используется дециметровый диапазон ультракоротких волн. Об особенностях использования этого диапазона пойдет речь в данном материале
М.С. Елькин
Специалист отдела технической поддержки
компании "Аргус-Спектр"
В соответствии с моделью Френеля область распространения радиоволн между источником и приемником ограничивается эллипсоидом вращения вокруг соединяющей их линии. Этот эллипсоид "многослойный" и может включать в себя бесконечно много зон. Ближайшая к соединяющей передатчик с приемником линии зона называется первой зоной Френеля. Принято считать, что она является существенной при распространении радиоволн, так как электромагнитные поля зон с более высокими номерами взаимно компенсируются.
Если первая зона Френеля на всем протяжении от передатчика к приемнику открыта (не имеет препятствий), то радиоинтервал называют открытым. Если препятствие частично закрывает зону Френеля, но не пересекает линию прямой видимости, то интервал полуоткрытый, в противном случае интервал считается закрытым.
Вопрос оценки пригодности полуоткрытых и закрытых интервалов обсуждался в журнале № 5/2010 в статье "Оценка пригодности радиолиний вне помещений". В данной статье будем рассматривать открытые радиоинтервалы.
Открытые радиоинтервалы
В расчетах открытых радиоинтервалов основная задача заключается в поиске и анализе влияния зон отражения сигнала от подстилающей поверхности.
Наиболее типичны подстилающие поверхности в виде воды, солончаков, пойменных лугов, ровных участков среднепересеченной местности. В городских условиях это площади, автостоянки, хозяйственные дворы и т.п.
В беспроводных системах в условиях городской застройки на распространение радиоволн дополнительно влияют здания, находящиеся в непосредственной близости от радиолинии. К примеру, с третьего этажа одного дома на третий же этаж другого дома, находящегося в прямой видимости, требуется передавать сигналы системы ОПС. И вдруг выясняется, что на расстоянии всего каких-нибудь 200–300 м внутри дворовой территории сигнала нет. Использование направленных антенн тоже результата не дает. И тут начинаются разговоры о непригодности вообще беспроводного оборудования, хотя для решения проблемы необходимо просто разобраться в самой природе радиоканала.
Условия отражения радиоволн
На открытых интервалах электромагнитное поле в месте расположения приемника определяется суммой волн – прямой и отраженных (от земли и местных предметов). При определенных условиях возможно отражение радиоволн с последующим их сложением в приемном тракте.
Вспомним из курса физики известное выражение, определяющее множитель ослабления сигнала за счет отражения:
Vосл = (1 + Ф2 – 2Ф • Cos (π • р(0)2/3))1/2,
где Ф – коэффициент отражения (например, для водной поверхности равен 0,9–0,95), р(0) – относительный просвет интервала, равный отношению расстояния от линии прямой видимости до подстилающей поверхности hпр к радиусу первой зоны Френеля в этой точке r (рис. 1).
Если Ф и Cos (π • р(0)2/3) стремятся к единице, множитель ослабления Vосл стремится к нулю. В этом случае уровень принимаемого сигнала падает практически до нуля. Условие, при котором Cos (π • р(0)2/3) становится равным единице, выполняется при величинах относительного просвета р(0), равных 2,44; 3,36 и 4,24 – они называются соответственно точками первых трех интерференционных минимумов.
Второе условие появления отраженной волны: минимальная протяженность отражающей подстилающей поверхности lпр для первых трех интерференционных минимумов должна быть 0,38; 0,28 и 0,23 от длины интервала соответственно.
Третье условие: неровность местности Δhпр должна быть не более 0,3 • р(0)/n1/2, где n – номер интерференционного минимума, принимающий значения, равные 1, 2, 3… и т.д.
Если все эти условия одновременно имеют место, то ослабление сигнала может достигать 60–80 дБ, что приводит к потере радиосигнала на приемнике (рис. 2).
К примеру, на интервале протяженностью 300 м для диапазона 430 МГц получаются результаты, приведенные в таблице.
Таким образом, если в центре трассы радиолинии имеется заасфальтированная площадка или стоит дом (рис. 1, точки 1 и 3) на расстоянии 10, 14,4 или 17,8 м от линии прямой видимости, то в точке приема уровень сигнала будет практически равен нулю. Если же площадка (точка 2) или дом (точка 4) находятся на расстоянии 30 м от приемника или передатчика, то минимум будет наблюдаться при нахождении препятствий на расстояниях 6, 9 и 10 м от линии прямой видимости.
Как с этим бороться: рекомендации
В ситуации с возможным появлением отраженных сигналов достаточно сместить передатчик или приемник либо их антенны на 1–2 м по вертикали или по горизонтали в зависимости от месторасположения возможной точки отражения. Неплохо работает принцип сужения диаграммы направленности излучения путем перемещения передатчика из оконных проемов внутрь помещения – так, чтобы стены, примыкающие к окну, ограждали предполагаемые участки отражения на интервале. Можно также использовать имеющиеся у зданий выступы или углубления.
Отметим, что применение направленных антенн на таких участках не приносит требуемого эффекта. Углы, при которых происходит переотражение сигнала, как правило, не превышают угла раскры-ва направленной антенны в данном диапазоне. Таким образом, соотношение уровней прямой и отраженной волны при этом не изменяется. Использование направленных антенн обоснованно при большой протяженности радиоинтервала и наличии постоянных непреднамеренных помех в используемом диапазоне частот.
Ближняя зона
Коснемся еще одной особенности распространения радиоволн. Практически все имеющиеся методики оценки радиоинтервалов, в том числе модель зон Френеля, применимы в так называемой дальней зоне электромагнитного поля.
Помимо дальней зоны у излучателей существует еще и ближняя. Границей областей принято считать расстояние, на котором волновое сопротивление перестает меняться и становится постоянным и равным волновому сопротивлению вакуума Z0 = 120π (377 Ом). Граница между ближней и дальней зоной находится примерно на расстоянии λ/2π. Для диапазона 433 МГц это порядка 0,11 м.
В ближней же зоне, которую еще называют областью статического поля, переноса энергии не происходит, и излучение отсутствует. Ближняя зона характеризуется наличием только электрического поля и высоким волновым сопротивлением. Вследствие этого любой токопроводящий предмет, вносимый в ближнюю зону, изменяет распределение электрического потенциала, и как следствие это приводит к значительному изменению диаграммы направленности излучающих устройств.
Как ни странно, но строительные конструкции, к которым крепятся беспроводные технические средства, являются частично токопроводящими и вносят свой вклад в распределение электромагнитного поля в пространстве. В кирпичных стенах еще могут находиться металлические кладочные сетки, в потолочных перекрытиях – арматура. Поэтому, как бы это ни казалось парадоксальным, небольшое смещение в пространстве беспроводных устройств оказывает значительное влияние на качество связи. Достаточно, например, переместить извещатель на 10–15 см, и уровень связи может измениться на 10–15 дБ.
Предупрежден – значит вооружен!
Вероятность возникновения рассмотренных в этой статье ситуаций невелика, но если у одного из сотни установленных беспроводных извещателей будет выявлено низкое качество связи при минимальном расстоянии до приемно-контрольного прибора, тогда уместно вспомнить приведенные здесь рекомендации.
С другой стороны, если в оборудовании предусмотрена возможность автоматической смены рабочих частот и разнесенный радиоприем, то риск столкнуться с описанными ситуациями минимален. Наличие этих возможностей целесообразно учитывать непосредственно при выборе самих технических средств.
Вполне вероятно, что большинство специалистов, работающих с беспроводными системами, никогда не столкнутся с перечисленными особенностями радиоканала. Но, как говорится, предупрежден – значит вооружен! И именно опыт мобильной сотовой связи наглядно доказал, что радиоканал действительно может являться надежной альтернативой проводным системам.
Опубликовано: Журнал "Системы безопасности" #1, 2011