Troposférické radiokomunikační systémy

Troposférické radiokomunikační systémy

Samostatná velká kapitola profesionální komunikační techniky tvoří sítě „Point to Point“ (dále jen PtP), tedy pevné radiové body, mezi kterými je vytvořeno trvalé radiové spojení. Toto spojení může být využito jak pro přenos hlasové komunikace, tak pro datové spojení. Z pohledu technického provedení bych takové spoje rozdělil do 4 základních skupin.

1.Přímé spojení (přímá linka) – je v současné době nejrozšířenějším způsobem tvorby PtP radiové sítě. Předpokladem je, že obě základnové stanice na sebe mají přímý optický výhled. Základem jsou dvě směrové antény s adekvátním ziskem a vhodnou vyzařovací charakteristikou (dle používaného pásma, použitého výkonu a modulace). V současné době je toto nejrozšířenějším principem spojení, jelikož jsou takto budovány digitální sítě připojení k internetu, páteřní sítě mobilních operátorů, ale také jednoúčelové datové spojení v rámci budov firem či institucí. Ale kdybychom se podívali do nedávné analogové historie, někteří z vás jistě pamatují radiové telefonní linky označené Tesla VAM, které byly budovány velmi často na horách, kde nebylo ekonomické stavět speciální drátovou linku pro jeden telefonní přístroj k daleké ústředně. Zařízení VAM umožňovalo zpočátku jednokanálové, jednolinkové spojení (v pásmu 240 MHz), později (po přeladění do pásem 410-430 MHz) bylo možné širokým kanálem přenášet více linek současně. Toto spojení využívaly nejen spoje pro telefonní linky, ale využívány byly i na dráze pro spojení výpravčích podél tratě a nebo pro účely ministerstva vnitra (především jako linky komunikace VB v pásmu 80 MHz).

2.Retranslace – je variantou PtP spojení, kdy koncové body na sebe nemají přímý výhled, ale je mezi nimi geograficky vyšší bod, který umožňuje spojení s oběma body současně. Pokud byla mezi dvěma body větší vzdálenost, byly budováno i několik retranslačních bodů, které komunikační trasu prodloužily. Tohoto principu velmi často využívala armáda, která měla v pásmu 230 – 400 MHz vybudovanou telefonní retranslační síť pomocí známých radiostanic RDM. Podobný princip spojení ovšem lze nalézt i v civilním sektoru. Páteřní datové sítě velmi často fungují na principu retranslace, někdy se využívá i různého spojení mezi dvěma retranslačními body (spojení mezi body může být tvořeno jako jednoúčelový PtP v jiném pásmu nebo za pomocí metalického, nebo dnes již optického vedení).

3.Satelitní spojení – je velmi často využívanou variantou spojení, ale vzhledem k poměrně vysokým nákladům se jedná především o velké korporace, vládní a armádní složky či výzkumné projekty. Telekomunikační satelity na stacionární orbitální dráze slouží jako PtP retranslace na mnohem větší vzdálenosti (i mezi kontinenty), než jaké by umožňovala pozemní retranslační síť. Další jednoznačnou výhodou je mobilita koncových bodů díky jednoduché a rychlé instalaci koncových přípojek. Ale i toto spojení má svoje omezení. Jednak jsou zde nemalé náklady na provoz, pro vyšší přenosové rychlosti (především směrem k satelitu) je nutné budování větších anténních systémů kvůli velkému útlumu celé trasy a navíc některé části země nejsou pro tento druh spojení vůbec použitelné. Konkrétně se jedná o polární oblasti, které jsou mimo vyzařovací charakteristiky družic, které „visí“ na rovníku.

4.Troposférické radiové linky – jedná se o speciální druh PtP spojení, které využívá rozptylu radiových signálů v horních vrstvách troposféry. Tento systém umožňuje spojení na vzdálenosti 150 – 400 km bez nutnosti přímé viditelnosti mezi základnovými stanicemi, není závislé na geografické poloze a nevyžaduje speciální infrastrukturu nebo připojení do rozvodných sítí elektrické energie. Toto spojení je tedy možné realizovat na neobydlených nebo velmi odlehlých místech země.

Trocha historie

Možnosti trvalého radiového spojení na delší vzdálenost než je optický horizont byly zkoumány již za druhé světové války. Po válce bylo v tomto výzkumu (především pro vojenské účely) pokračováno na obou stranách železné opony. V této době samozřejmě neexistovalo spojení přes telekomunikační satelity, a proto byly do této technologie investovány velké peníze. Od padesátých let minulého století byl tento druh radiového spojení budován ve velkém na obou stranách Atlantiku. Spojené státy americké budovaly síť radiových linek směrem na sever k Aljašce a Sovětský svaz budoval tisíce kilometrů dlouhé troposférické retranslační sítě směrem na Sibiř a dálný východ. Důvody stavby těchto speciálních linek byly v podstatě dva. Jednak to mělo být páteřní radiové spojení protivzdušné obrany, pravděpodobně i pro distribuci rozkazů z generálních štábů a druhou funkcí mělo být spojení mezi mobilními staniceni při koordinaci odpalu jaderých raket z mobilních ramp. Jelikož se jedná o směrové spoje, bylo téměř nemožné bez použití letecké nebo satelitní techniky tyto linky zaměřovat či sledovat. Dodnes jsou tyto systémy ve výbavě armád, ale dnes již především v mobilních, snadno instalovatených variantách.

Troposférické radiové sítě ovšem nebyly využívány jen armádou. V západním světě byly budovány sítě i pro komerční soukromou sféru. Například British Telecom (BT) budoval telefonní spoje na ropné plošiny v severním moři, ale takových projektů nalezneme po celé zemi více a spousta z nich je stále, nebo byla donedávna, funkční. S rozvojem satelitní techniky a především díky její běžné dostupnosti jak po technické stránce, tak po finanční způsobily, že byla spousta troposféricých linek zrušena, nebo zůstala jen jako záložní systém.

Technologie

Krátké vlny jsou pro budování stálých radiových uzlů nevhodné, protože se podmínky šíření mění jak s denním cyklem, tak s ročním obdobím a o vlivu slunce na nestabilitu šíření v ionosféře nebudu vůbec mluvit. Jedinou možností je pásmo VKV resp. pásma, která nejsou příliš ovlivněna procesy probíhající vysoko v ionosféře. Výzkumem šíření radiových vln bylo objeveno zajímavé (a mimochodem do dnešní doby stále ne-zcela vysvětlené) šíření pomocí rozptylu radiových vln od horních vrstev troposféry. Tento způsob šíření radiových vln také není stoprocentní, jelikož v troposféře probíhají meteorologické jevy, které mohou šíření radiových vln ovlivnit (jedná se především o dočasný vyšší útlum celé radiové trasy), dle některých uváděných zdrojů, je ovšem spolehlivost spojení při vhodně zvolených parametrech soustavy ( tj. frekvenční pásmo, vysílací výkon, druh modulace, zisk přijímacích antén, přenosová rychlost, vhodná korekce chyb apod.) až 99,98 %. Frekvenční rozsah použitelný pro tyto účely je od cca 350 MHz až do 8,5 GHz s tím, že ideální pásmo pro šíření (kde vzniká nejméně rušení na trase jak ze země, tak z vemíru) je kolem 2GHz. V současnosti se používají v pricipu dvě pásma – již zmiňované pásmo 1,5 – 2 GHz a 4-5 GHz. Pro spojení na přímou viditelnost se samozřejmě používají i vyšší pásma (v řádech desítek GHz), ale ta nejsou použitelná pro spojení odrazem od troposféry, protože zde již mnohem větší část radiových vln prostupuje volně do tropopauzy témeř bez odrazů.

V prvních tropo sítích byl hlavním účelem přenos analogových hlasových linek, těch bylo možné přenášet i několik současně. V počátcích se jednalo o 6 až dvanáct nezávislých linek, později jich bylo možné přenášet až 24 plnně duplexních. S rozvojem digitálních technologií, vývojem nových druhů modulací a především vývojem samokorekčních přenosových protokolů byly analogové linky postupně nahrazeny digitálními, které umožňovaly jak přenášet mnohem více telefonních hovorů (60 a v některých případech až 120 digitálních linek), tak vytvářet digitální počítačové sítě na velké vzdálenosti o poměrně vysoké kapacitě. Na počátku 80 let byla průměrná přenosová rychlost kolem 500 kbit (samozřejmě součtem několika paralelně vysílaných kanálů), v devadesátých letech už se bavíme o přenosových rychlostech kolem 2 Mbit a současné vojenské mobilní verze radiových spojů umožňují vytvářet linky o rychlostech řádově stovkách Mbit.

Tropospheric Scatter Microwave Radio Terminal (TRC-170)

Celá technologie šíření rozptylem o troposféru je po technické stránce poměrně náročná. Jelikož je celkový útlum radiové trasy v řádech desítek až stovek dB, je potřeba používat velmi ziskové anténní soustavy a poměrně velmi vysoký vysílací výkon (řádově od stovek wattů až desítky kilowattů). Proto typická zařízení pro spojení přes troposféru používají jednak parabolické směrové antény a nezřídka i soustavu několika antén pro celkové zvětšení přijímacího zisku, popřípadě pro zvětšení kapacity přenosového kanálu (oddělené přijímací a vysílací antény). Pro přenos dat se používají velmi robustní druhy modulací OFDM (rozprostřené spektrum) nebo vícekanálové QPSK (čtyřstavová fázová modulace) využívající korekce chyb na principu FEC (Forward Error Correction) a redundance dat. Vše je přizpůsobeno možným nestabilitám v šíření troposférou.

Spojení rozptylem v troposféře je možné budovat linky na různé vzdálenosti. Nebudu-li počítat stabilní spojení na přímou viditelnost, kde je oficiálně uváděna hranice maximálně 80 km, je možné vytvářet linky na vzdálenosti 120 až 250 km (jen připomínám, že se jedná o možnost spojení BEZ přímé viditenosti mezi stanicemi). V minulých dobách bylo s velkými anténními soustavami možné provozovat spojení na vzdálenosti 350 až 400 km. Pokud byly budovány radiové linky na delší vzdálenosti, bylo nutné vytvářet retranslační body. V praxi tedy vznikaly sítě na vzdálenosti 2 až 5000 km s několika desítkami retranslačních stanic na trase.

Tyto speciální komunikační technologie nevznikaly jen na území hlavních mocností východu a západu, ale nalézt jste je mohli i na území menších států. V dobách studené války (přesněji ke konci v 80 letech) byla vytvořena napříč státy bývalé varšavské smlouvy vojenská taktická komunikační síť označená jako BARS.

BARS (Bojevaja Armejskaja Radiorelejnaja Systema )
(rusky mluvící čtenáři prominou :-))

Jak již jsem naznačil, tato síť začala vznikat v 80 letech minulého století na území všech států varšavské smlouvy tj. SSSR, Polsko, Ukrajina, Rumunsko, Maďarsko, DDR a samozřejmě i ČSSR. Síť tvořilo celkem 26 radiových uzlů a 6 řídících stanic. Kompletně funkční tj. na stacionárních zodolněných stanovištích postavená byla v roce 1987. Sloužit měla jednak jako síť včasné výstrahy pro účely protivzdušné obrany východního bloku a současně by se přes ní vydávaly rozkazy generálního štábu v případě vojenského konflitku. BARS tedy sloužil jako záloha za vojenské dálkové metalické linky.

Na našem území byly aktivní dva hlavní retranslační body – severně od Prahy Dolní Slivno (to dodnes mimochodem slouží armádě jako radiokomunikační bod pro síť Tempo a jako krátkovlnná základnová stanice) a na Moravě u obce Potštát-Kozlov. Z Dolního Slivna ještě existovalo přímé radiové spojení s Milovicemi, to ale nebylo přímo součástí této páteřní sítě, ale pravděpodobně linka vedení na tento strategický bod v případě válečného konfliktu.

Samotný vývoj systému BARS začíná již v 60 letech minulého století, kdy ruská armáda začíná používat nové radiokomunikační komplexy s označením MNIRTI R-408 „Baklan“. Jedná se troposférický komunikační systém v pásmu UHF. Dosah je do 120 km a umožňuje vytvořit 6 analogových telefonních linek (tedy vysílání na 6 kmitočtech současně). Anténní systém je tvořen parabolou o průměru 10m. O dva roky později je tento systém nahrazen R-408M, který již umožňoval spojení do 150 km a 12 nezávislých radiových linek.

V roce 1967 dostává ruská armáda nový typ radiolinkového zařízení s označením R-410 „Atlet“. Stále se jedná o komunikaci v pásmu UHF, ale s vyšším výkonem. Délka radiové linky mohla být až 250 km a provozováno mohlo být až 24 plnně duplexních linek. V letech 1968-1971 byly dodávány ještě zmenšené varianty s parabolou o velikosti 7,5 a 5,5m. Ty samozřejmě umožňovaly spojení „jen“ do vzdálenosti 150 km.

Rok 1975 znamená nasazení inovovaných troposférických pojítek, tentokrát velmi dlouhé vzdálenosti. Pod označením R-420 „Atlet-D“ se objevily vylepšené radiové soustavy, které mohly být instalované buď na stávající anténní systémy R-410 nebo R-408 nebo na nové 16m velké paraboly, které pak měly směrový zisk až 35dB. S touto soustavou bylo možné vytvořit linku na vzdálenost 350-400 km. Zmenšil se sice počet radiových kanálů na 12, ale zato došlo k vylepšení přijímací části. Toto byl poslední systém využívající radiového pásma UHF (350-1000 MHz).

V roce 1977 došlo k dohodě mezi ministry obrany států varšavské smlouvy o vybudování troposférické komunikační sítě, jelikož se doposud využívalo jen speciálních vojenských telefonních linek nebo nespolehlivých krátkovlnných radiových sítí (viz úvod). Bylo ovšem nutné jednak vytipovat a vybudovat základní komunikační uzly, mezi tím vyrobit a vyzkoušet spolehlivé radiotechnické vybavení a v neposlední řadě také propojit tento systém do komunikačních uzlů stávajícího velení. Toto celé pak trvalo 10 let.

Rok 1980 byl ve znamení novinky s označením MNIRTI R-417 „Baget“. Jedná se první kompletně digitální radioreléový systém pracující v mikrovlnném pásmu 4-6 GHz. Jednalo se o soustavu 4 antén (v jednom směru). Radiový vysílač pracoval současně na 16 frekvencích a přenosová rychlost byla součtem 480 kbit/s nebo až 60 digitálních hovorových linek.

V roce 1981 se objevují jak mobilní varianty troposférických radioreléových spojů s označením R-423-1, které umožňují vytvořit digitální síť s přenosovou rychlostí až 2 Mbit/sek a na vzdálenost až 150 km, tak stacionární systém R-444 „Ešelon“, který pracuje v pásmu UHF a umožňuje vytvořit linku na vzdálenost 130-150 km s přenosovou rychlostí 1 Mbit/sek.

Rok 1984 znamenal budování sítě BARS založené na nové radiová soustavě R-417S „Baget S“. Tento systém umožňoval budovat radioreléové body ve vzdálenostech až 200 km od sebe a provozovat v nich síť 60 až 120 nezávislých digitálních hovorových kanálů nebo datovou linku 480 kbit/sec.

V devadesátých letech minulého století byla tato radiokomunikční síť zrušena a drtivá většina techniky byla buď zlikvidována do šrotu, nebo skončila někde ve vojenských skladech. Zodolněné stavby ovšem buď slouží pro armádní účely dodnes a nebo už jen chátrají, ale jejich charakteristické tvary, které jasně ukazují co na nich bylo namontováno a k čemu sloužily.

Moderní armády samozřejmě tento způsob komunikace v žádném případě neopustily a tak je můžete nalézt jak ve výbavě armád NATO s označením AN/TRC170 nebo na východě ve výbavě čínská armády CETC TS-504. Ruská armáda mezitím disponuje poslední verzí mikrovlnných pojítek použitelých jak pro komunikaci v rámci optického horizontu, tak pro komunikaci za horizont s označením R-169RRS, který využívá pásma až do 20 GHz s možností budování sítí s přenosovou rychlostí až 150 Mbit/s.