یکشنبه ۱۰ فروردین ۱۳۹۹
 

اخبار

طراحی لینک رادیویی در تجهیزات رادیویی HF

عملیات دریایی یکی از برجسته‌ترین صنایع بین‌المللی جهان و از نوع فعالیت‌هایی با ریسک بالا است که خطر بسیار بالایی را شامل می‌شود. با توجه به ماهیت فعالیت‌های دریایی، سالانه تلفات زیادی وجود دارد که منجر به پیامدهای اقتصادی و انسانی می‌شود. درحالی‌که کشتی‌ها برای دستیابی به ایمنی به اقدامات پیشگیرانه ترغیب می‌شوند. ازاین‌رو، راهبردهایی برای بهبود ایمنی در دریا براساس یک رویکرد نظارتی واکنشی شکل گرفته است. هر گاه یک حادثه دریایی رخ می‌دهد، سامانه جست‌وجو و نجات (SAR)، به‌عنوان بزرگ‌ترین فعالیت بشردوستانه، به شبکه اصلی ایمنی تبدیل می‌شود. به‌دلیل ضرورت حیاتی فعالیت‌های جست‌وجو و نجات دریایی، پیشرفت مستمری وجود دارد که بر ارتباطات رادیویی متمرکز است. برای کاهش نقص‌ها و بالابردن کیفیت و موفقیت SAR در میان کلیه تجهیزات درگیر در یک عملیات، رادیوهای دریایی وسایل ایمنی ضروری برای برقراری ارتباط با سایر کشتی‌ها و مرکز هماهنگی نجات دریایی (MRCC) هستند. همچنین، از آن‌ها برای دریافت هشدارهای ناوبری و به‌روزرسانی وضعیت هوا استفاده می‌شود. متداول‌ترین انواع رادیوهای دریایی، VHF و HF هستند. به‌عنوان بخشی از الزامات اضطراری دریایی جهانی و نظام ایمنی (GMDSS) موردنیاز منطقه دریا A4، خدمات انتخابی دیجیتالی با فرکانس بالا (HF / DSC) برای کلیه‌ی کشتی‌ها مشمول کنوانسیون‌های بین‌المللی (SOLAS) و SAR  ایمنی در دریا الزامی است. این سرویس یک هشدار با فرکانس بالا، ارتباطات صوتی و رادیو Telex در کانال‌های پخش مستقیم باند باریک HF را فراهم می‌کند. برای عملکرد طبیعی و جلوگیری از EMI و RFI، باید HF Transceiver و واحد کنترل مرکزی در فاصله دور از یکدیگر قرار بگیرند. با توجه به آسیب‌پذیری ناشی از فرکانس رادیویی، مطالعات بسیاری برای نشان‌دادن اثرات چنین طیف‌هایی بر روی سلامت و محیط انجام می‌شود؛ بنابراین، با توجه به خطراتی که بر روی سلامتی، در اثر قرارگرفتن در معرض انرژی فرکانس رادیویی آنتن‌های انتقال‌دهنده HF، دارد و باعث بروز بیماری‌هایی مانند سرطان و ناهنجاری‌های تولیدمثلی است، درنظرگرفتن فاصله اهمیت زیادی دارد. طرف دیگر این تحقیق به این واقعیت مربوط می‌شود که با توجه به تضمین امنیت دریایی، تصمیم‌گیری باید به الگوهای ارتباطی مناسب و پیش‌بینی معیارهای مربوطه متکی باشد. بنابراین، استفاده از HF، به‌عنوان یک فناوری مهم برای افزایش کارایی عملیات SAR، تحقیقات بیشتری را می‌طلبد. این موارد ما را به سمت استفاده از گزینه‌های انتخابی در این مطالعه برای پیاده‌سازی سامانه فرستنده HF، که به ما امکان می‌دهد ایمنی منابع انسانی و جنبه‌های مقرون‌به‌صرفه را در نظر بگیریم، تشویق کرد. ازاین‌رو، داشتن فاصله قابل‌توجهی از ایستگاه‌ها تا مناطق مسکونی باعث می‌شود این مطالعه نسبت به سایر موارد مشابه بسیار پراهمیت باشد، زیرا کمترین اثرات زیست‌محیطی را دارد.

فرستنده HF

در اولین مرحله، به‌دلیل داشتن یک طراحی کامل، شناخت کامل دستگاه‌ها لازم است. در این سامانه از یک جفت انتقال‌دهنده HF R&S XK2900 (kW 1) برای ساخت طیف کاملی از ارتباطات رادیویی استاندارد در هر فاصله‌ای در فرکانس از 1.5MHz تا 30MHz استفاده می‌شود. همچنین، برای تلفن‌های موج کوتاه، نمابر و GMDSS استفاده می‌شود. شبکه فرستنده HF شامل کنسول اپراتور و قفسه فرستنده HF است. نمودار بلوک کنسول اپراتور و قفسه و فرستنده HF در شکل 1 نشان داده شده است.

 

کنسول اپراتوری

کنسول اپراتور شامل گیرنده، واحد کنترل‌ازراه‌دور، رابط رادیویی/ تلفن، آنتن گیرنده، تماس انتخابی دیجیتال، زمان‌پا (تایمر) و رایانه است. گیرنده دیجیتال VLF-HF EK896 یک گیرنده قدرتمند برای دریافت صدا و ارتباط داده است و در محدوده فرکانس 10 کیلوهرتز تا 30 مگاهرتز با وضوح 1 هرتز فعالیت می‌کند. این فرکانسِ به‌خصوص برای برنامه‌های مدنی، اداری و نظامی طراحی شده است که نه‌تنها به ویژگی‌های عالی HF مانند قدرت سیگنال بزرگ، بلکه به بهینه‌بودن آن کمک می‌کند.

 

گیرنده HF

گیرنده HF طیف کاملی از عملکردهای استاندارد ارتباط رادیویی را ارائه می‌دهد. علاوه‌براین، HF Receiver طیف گسترده‌ای از برنامه‌های کاربردی، از قبیل تلفن و نمابر موج کوتاه، انتقال داده‌های تصویر و رایانه را با دو هزار و 700 بیت بر ثانیه، GMDSS برای برنامه‌های دریایی ارائه می‌دهد.

طراحی لینک رادیویی مایکروویو HF

لینک رادیویی مایکروویو با ظرفیت بالا دوپلکس بی‌سیم از طریق لینک رادیویی نقطه‌به‌نقطه با اتصال اترنت در طیف مجاز انتخاب‌شونده براساس مشخصات زیر است:

Modulation 256QAM; Basic Package = 118 Mbps max; PS(BER 10-6)= −67.3 dBm

Tx power=24 dBm (max. Tx power); Antenna gain:30 dBi

Polarization= Vertical; Radio License Band=6 GHz

ایجاد لینک رادیویی مایکروویو line-of-sight، دیدگاه مسیر برای تعیین محل و ارتفاع آنتن‌ها در این مقاله آورده شده است که تضمین می‌کند این لینک بدون هیچ‌گونه مانع است. مراحل چگونگی طراحی لینک مایکروویو آورده شده است [12].

ایجاد «RF line-of-sight» مایکروویو نیاز به منطقه بیشتری از دید مستقیم دارد. برای ایجاد این لینک، یک مرز مسیر انتشار بدون هیچ‌گونه مانعی برای سیگنال رادیویی منتقل‌شده موردنیاز است.

به این مرزها مناطق «Fresnel» گفته می‌شود که 90 درصد انرژی پرتوی سیگنال تابشی بین دو آنتن را تشکیل می‌دهد. با ایجاد «RF line-of-sight»، 60 درصد از مرز منطقه 1 Fresnel موردنیاز است؛ بنابراین، شناسایی حداکثر شعاع اولین منطقه Fresnel بسیار مهم است. اولین منطقه Fresnel به شرح زیر محاسبه می‌شود:

 

 

Rmax =  شعاع منطقه اول فرنل(m)

D = فاصله کل لینک(km)

F =فرکانس (GHz)

برآمدگی زمین که بر اثر انحنای فیزیکی زمین در طول یک مسیر مستقیم بین دو آنتن با شکست جوی یا K نشان داده می‌شود. در طراحی لینک، K- فاکتور 4/3 (یا 33/1) در بیشتر موارد استفاده می‌شود. K مطابق با شرایط آب‌وهوایی منطقه‌ی در نظر گرفته‌شده تعیین می‌شود. برآمدگی زمین موثر به شرح زیر محاسبه می‌شود:

 

2) 

 

h = فاصله عمودی از یک خط مرجع افقی

d1 = A فاصله از نقطه داده تا نقطه‌ی 

d2 = B فاصله از نقطه داده تا نقطه‌ی 

k = مقدار فاکتور شکست جوی 

 

 

 

شکل 2: اثر انحنای زمین بر روی لینک رادیویی

 

 

محاسبه‌ی لینک

نصب یک لینک مایکروویو اولین قدم برای تجزیه‌وتحلیل و محاسبه لینک مایکروویو است. با تعیین امکان‌سنجی لینک، تجزیه‌وتحلیل صورت گرفت. تجزیه‌وتحلیل شامل مراحل زیر است:

 

3) 

FSL =  تضعیف فضای آزاد(dB)

F = فرکانس سیگنال ساطع‌شده  (MHz)

D = طول لینک (km)

 

امواج منعکس‌شده‌ای که با آنتن گیرنده دریافت می‌شوند باعث محوشدگی می‌شوند. این محوشدن براساس ITU-R p.530-12 (2007) به شرح زیر محاسبه می‌شود:

4)

 

 

Po= در دسترس بودن لینک (٪) 

d= فاصله لینک (Km)

f=فرکانس  (GHz)  

h=  ارتفاع آنتن پایین(m)

A= عمق محوشدگی (dB)

K= عامل جغرافیایی ـ   اقلیمی 

 

 

 

اصطلاح dN1 گرادیان انکسارپذیری نقطه‌ای است که براساس توصیه ITU-R P.453-9 (2003) و ITU-R P.530-12 (2007) محاسبه می‌شود. مقدار dN1 را می‌توان با استفاده از ابزارهای تخصصی برنامه‌ریزی نرم‌افزار (http://www.engineering-tools.ch) به دست آورد. با توجه به ارتفاع آنتن (متر از سطح دریا)، بزرگی شیب مسیر │εP│ (mrad به شرح زیر محاسبه می‌شود:

 

5) 

 

d=  فاصله لینک(km)

hr , he=  ارتفاعات آنتن از سطح دریا(m)

 

محاسبه‌ی بودجه‌ی لینک

با داشتن یک لینک پایدار، هر دو سیگنال دریافتی و حاشیه محوشدگی باید به ترتیب از حساسیت گیرنده در BER موردنیاز قوی‌تر بوده و به دلیل تضعیف در طول مسیر لینک برقرار باشد. حساسیت گیرنده حداقل قدرت سیگنال است که در آن رادیو قادر به دریافت سیگنال با موفقیت است. قدرت سیگنال دریافت شده با استفاده از فرمول زیر محاسبه می‌شود:

 

6)

 

PR=سطح توان گیرنده  (dBm)

PT=  توان گیرنده(dBm)

GT= بهره آنتن فرستنده (dBi)

GR=بهره آنتن گیرنده  (dBi)

FSL = تضعیف فضای آزاد (dB)

توجه داشته باشید که رابطه بین PR و PS باید بدین صورت باشد: PR> PS

 

نتایج و بحث

پس از بررسی‌های انجام‌شده، با توجه به شرایط آب‌وهوایی خلیج فارس، مقدار K-2/3 انتخاب شد که کمتر از مقدار استاندارد 4/3 است و بر همین اساس، برآمدگی زمین موثر سه متر محاسبه می‌شود. با محاسبه حداکثر شعاع منطقه اول فرنل به‌طول 11 متر، حداقل ارتفاع آنتن 14 متر و دسترسی به لینک مورد نیاز 995/99 درصد محاسبه شد. حداقل ارتفاع آنتن در هر انتهای لینک، ارتفاع منطقه اول فرنل به‌علاوه ارتفاع اضافی لازم برای سرکوب برآمدگی زمین موثر است. ارتفاع موانع در طول مسیر با حداکثر ارتفاع 16 متر، ارتفاع آنتن در محل انتقال 30 متر تعیین می‌شود، درحالی‌که ارتفاع آنتن در محل دریافت 55 متر بالاتر از سطح زمین انتخاب شده است. نمای مسیر لینک مایکروویو در شکل 3 نشان داده شده است. اولین شعاع ناحیه فرنل در هر نقطه بین نقاط انتهایی لینک نشان داده شده است.

 

 

 

نتیجه‌گیری

سیستم ارتباطی HF براساس پروتکل TCP / IP برقرار شده است. آزمایشات نشان می‌دهد کیفیت سیگنال‌های صوتی تبدیل‌شده بسیار خوب است و هیچ‌گونه تداخل در فرکانس رادیویی و تاخیر در عملکرد سامانه و انتقال داده‌ها مشاهده نمی‌شود. نتایج نشان می‌دهد که طرح پیشنهادی قابل اعتماد، به‌راحتی قابل ارتقا و مقرون‌به‌صرفه است. با توجه به پروتکل TCP / IP،

 یک سامانه نظارت بر داده‌ها به‌راحتی قابل نمایش است؛ بنابراین، با ایجاد این سامانه نظارت، می‌توان پایش (مانیتورینگ) لینک در زمان واقعی و بدون تاثیرگذاری در دستگاه‌های خدماتی را به دست آورد. سرانجام، ارتباطات رادیویی و انتقال داده‌ها با کشتی‌های مختلف در منطقه خلیج فارس ایجاد شده است و نقاط کور رادیویی به دست آمده است، که نتایج به‌دست‌آمده باعث موفقیت در عملیات جست‌وجو و نجات می‌شود.|

 

  

منابع

1. European Commission. Action plan for a maritime strategy in the Atlantic area delivering smart, sustainable and inclusive growth, 2013. www.google.com.

2. Erdin R. Combining rain gauge and radar measurements of a heavy precipitation event over Switzerland: Comparison of geostatistical methods and investigation of important influencing factors. Veröffentlichungen der MeteoSchweiz 2009; 81: 108.

3. Hassel M, Asbjørnslett BE, Hole LP. Underreporting of maritime accidents to vessel accident databases. Accid Anal and Prevention 2011; 43: 2053-2063.

4. Yan L, Jinsong B , Xiaofeng H, Ye J. A heuristic project scheduling approach for quick response to maritime disaster rescue. Int. J of Project Management 2009; 27: 620–628.

5. Kao SM, Pearre NS. Jeremy Firestone Adoption of the arctic search and rescue agreement: A shift of the arctic regime toward a hard law basis?. Mar Policy 2012; 36: 832–838.

6. Ni Z, Qiu Z, Su TC. On predicting boat drift for search and rescue. Ocean Eng 2010; 37: 1169–1179. 

7. Skogdalen J E, Khorsandi J, Vinnem JE. Evacuation, escape, and rescue experiences from offshore accidents including the Deepwater Horizon. J of Loss Prev in the Process Ind 2012; 25: 148-158.

8. IMO. International Convention for the Safety of Life at Sea (SOLAS), 1974. www.imo.org/About/Conventions/ListOfConventions/Pages/International-Convention-for-the-Safety-of-Life-at-Sea-(SOLAS),-1974.aspx.

9. IMO.International Convention on Maritime Search and Rescue (SAR), 1979. www.imo.org/About/Conventions/ListOfConventions/Pages/International-Convention-on-Maritime-Search-and-Rescue-(SAR).aspx

10. Hu D, Mao S. On co-channel and adjacent channel interference mitigation in cognitive radio networks. Ad Hoc Netw 2013; 11: 1629–1640 .

11. Seyf L. Measurement of electromagnetic radiation with respect to the hours and days of a week at 100kHz–3GHz frequency band in a turkish dwelling. Meas 2013; 46: 3002–3009.

12. ITU. Recommendation ITU-R P.530-12, “Propagation data and prediction methods required for the design of terrestrial line-of-sight systems”. )2007(, www.itu.int/rec/R-REC-P.530-12-200702 S/en

 

۲۷ اسفند ۱۳۹۸ ۱۵:۱۹