BAF projekt

A Nyugat-mecseki telefonpótló URH rádiórendszer kialakítása

Címkék: URH rádiórendszer szinkron multicast voting

A feladat

A Mecsekérc Környezetvédelmi Rt. a Nyugat-Mecsekben a BAF projekt keretében egyszerre több helyen üzemelő geológiai kutatófúrásainak kiszolgálására URH rádiórendszer tervezését és kiépítését rendelte meg. A fúróállomások jövőbeli helyszínei jellemzően völgyek mélyén, lakott területektől távol lettek kijelölve. Ezen leendő objektumoknál sok esetben egyetlen mobiltelefon-szolgáltató rendszere sem működőképes.
Az URH rendszer elsődleges célja a telephelyek telefon-pótlása, ezen kívül a munkacsoportok közti rádiókapcsolat biztosítása adóvevőkkel, harmadsorban a kiszolgáló járművek bekapcsolása a rádióhálózatba.

A terep

Az ellátandó terület a Nyugat-Mecsek gerincvonalától ÉNy-Ny-DNy irányokkal jellemezhető karéj. Az átjátszóállomás számára ideális telepítési bázispont a Jakab-hegy teteje lenne, de az tájvédelmi körzet része, ahol semmilyen épített környezet nincsen, így átjátszó elhelyezése nem lehetséges.

Az URH rádiórendszer bázispontjainak kiválasztása

A hegyvidék további sajátossága, hogy mindössze két kis iparterület helyezkedik el rajta egymástól 1,5 km távolságra – amelyek az egykori uránbánya üzemeinek még fenntartott maradványai – és ott a megbízónak tulajdonrészei vannak. Az energiaellátás adott, saját, feléleszthető telefonkábel-hálózat rendelkezésre állt, mely egy harmadik objektumban, egy jelenleg is működő távoli telefonközpontban végződik.
E szerencsés adottságok mellett hátrányos, hogy a két bázispont a hegy északi és déli oldalán helyezkedik el, ezért a két állomás által külön-külön besugárzott terület együttesen sem teremti meg a teljes rádió-lefedettséget.

Az ideális rádiótechnikai rendszer kiválasztása

A mindkét átjátszó-bázispont felé többé-kevésbé takart nyugati területek ellátása a legnehezebben kezelhető. A konvencionális, „egy átjátszó bázis-egy URH csatorna” rendszer semmiképpen sem alkalmas a féloldalas térbeli besugárzás miatt. A „két bázis-két csatorna” fogalommal jellemezhető rádiórendszer kialakítása is el lett vetve, mert a kézi csatornaváltásra sok helyen, és sok alkalommal szükség lenne. A felhasználóktól ez nem várható el, nem ez a feladatuk. Automatikus csatornaváltású, trönkölt rádiórendszer elve is kiesett, mert a kritikus térerők gyengítik a felkapcsolódás stabilitását.

A szinkron átjátszók lefedettségi területei

Egy különleges rádiórendszer megvalósítása lett a terv, amelyik olyan, mintha egy kétszeres teljesítményű állomásnak a hegy két oldalán lenne egy-egy irányított antennája. Így nagyobb eséllyel lehet fenntartani a rádiókapcsolatot, hiszen az azonos frekvenciájú gyenge jelek összeadódva nagyobb térerőt jelentenek a terepen, mint az összetevők külön-külön.

Az URH rádiórendszer besorolása

A koncepció vételre vonatkozó része a több bázisállomáson megvalósítható egycsatornás diversity reception, avagy uplink voting, voted system neveken ismert eljárás. Az erősebb, tisztább vételt produkáló állomás jelét érdemes felhasználni az összes átjátszó vezérlésére.
A szakirodalomban simulcast network fogalom vonatkozik a tervbe vett adó-szinkronizáció megalkotására, amelynek eredménye több átjátszó adásának teljes egyezősége.

A szinkron rádióadók ismérvei

Két adó szinkron működésű, ha:

  • azonos az adásra kapcsolási időszakuk,
  • a rádiófrekvenciás jel frekvenciában, fázisban teljesen egyforma, vagyis
  • minden pillanatban a modulációs frekvenciaváltozás azonos előjelű és nagyságú,
  • az előzőekből adódóan a modulációs frekvencia- és amplitudómenet egyforma,
  • és a szubaudió kódok (CTCSS) hasonlóan viselkednek.

Az átjátszó hardver kialakítása

A bázisállomások átjátszóiként Kenwood TKR-751 készülékek szolgálnak, melyek kedvező tulajdonságokkal rendelkeznek a feladathoz. A vételjelzés, térerőmérő kimenet (RSSI), valamint az adó hagyományos vezérléséhez szükséges ki- és bemenetek rendelkezésre állnak, amennyiben duplex radio a kiválasztott üzemmód a repeater helyett. Az áramköri beavatkozást igénylő művelet a két egymástól távoli átjátszó-adó vezéroszcillátorok együttfutásának megoldása.
A berendezés – mivel duplex a hardver – a működési frekvenciák előállítására két elkülönült PLL szintézerrel rendelkezik az adó és vevő fokozatban. Ezek az adásperiódustól függetlenül állandóan a beprogramozott frekvenciákat tartják, valamekkora szórással. Az adófrekvenciák abszolút pontossága nem követelmény, de a két berendezés adófokozata szinkron működésű kell hogy legyen, ez a simulcast feltétele.

szikron szabályozás becsatlakozási pontja

A TCXO (hőkompenzált kvarcoszcillátor) modul VC (Voltage Control) bemenetére kapcsolódik az oszcillátor finomhangolását végző Beat-Shift áramkör, ami gyári funkció. Ez adja a legalkalmasabb beavatkozási pontot a két készülék szinkron működésének szabályozására.

Végcél szerint az egyik készülék vezér funkciójú, mely referenciajelet ad, a másik rádió oszcillátora kényszerítetten ezt másolja.
A master rádió adóoldali 16,8 MHz-es TCXO jelének frekvenciája erősítés után egy 210 bináris osztáson megy át, így az alacsony, 16,4 kHz körüli frekvencia már átvihető telefonvonalon, mint referencia frekvencia. Ez a központi egységben csak regenerálásra kerül, majd a slave rádióban, annak hasonlóan leosztott jelével egy fáziszárt hurkot, PLL-t képez a két frekvencia. A fázisdiszkriminátor LP szűrőjének kimenete a rádió processzorának D/A kimenetéről származó Beat Shift egyenfeszültséget váltja fel. A szabályozás a slave berendezés TCXO időalapjának szinkron üzemben tartására irányul.
Mivel az adóoldali TCXO-k a készenléti időszakban is működnek, a szinkron üzemállapot egyfolytában fennáll, az indítási tranziensek nem késleltetik a rendszer adásra kapcsolását, a simulcast adásra készen.

Egyszerűsített blokkvázlat

blokkvázlat szikron adás, voting diversity vétel

Műhelybeli tapasztalatok: szinkron, voting

A két készülék bemérése során a két adó modulációs frekvencia/amplitudó és frekvencialöket együttfutása gyári állapotban minden várakozást felülmúlóan szinte tökéletesnek bizonyult. A szükséges korrekció a külső modulációs áramkörrel elvégezhető volt.
A TKR-751 berendezésekben a beszédsávi moduláció a VCO-ban keletkezik, a szubaudió (CTCSS, QT) modulálás az időalap TCXO áramkörében történik. Az összekapcsolás során a master készülék TCXO frekvenciáján ülő szubaudió-kód tartalma még a legmagasabb, 240 Hz körüli frekvenciával is teljesen elveszett, a slave-en nem jelent meg. A nagymértékű frekvenciaosztás miatt ugyanis a slave-et vezérlő PLL kiszabályozta, kisimította.

A rendszertechnika véglegesítése

Bár az alacsonyfrekvenciás jel külön útvonalon történő átjuttatására adott a műszaki lehetőség az igénybe vett érpárokon, az átjátszókban a TX-oldali CTCSS alkalmazására nem került sor. Az eleve szelektív hívósnak tervezett rendszer e nélkül is teljes mértékben zavarvédett a felhasználói állomások tekintetében.
Az utóbbiak adása, valamint az átjátszók vételi kritériuma tartalmaz szubaudió kódot, a zavarvédelem, valamint az adásvégi csattanások kizárása így teljesül az átjátszók RX ágán.
A felhasználói terminálokban a kellemetlen hanghatású adás-zárások gyakori megjelenését az átjátszók TX-tartásideje akadályozza meg. Ez az időzítés egyben megszakítás-védelem is, mert egy esetleges új forgalmazás belépésének késleltetését is kiváltja.

A simulcast adás és az egy-antennás vétel miatt a közös lefedésekben aszimmetrikus képességűvé válik a bázisállomás-rendszer: kétszeres látszólagos adóteljesítmény keletkezik, de a vételi oldalon csak az egyik (a kiválasztott) antenna jele hasznosul. Ezért a felhasználói-végpont oldali viszonylagos kisebb adóteljesítmény kiegyenlítésére mindkét átjátszó RX bemenetén kis zajú vételi előerősítő szolgál a gyári átjátszó-paramétereket feljavítva. Ez a módosítás az alkalmazásra kerülő, az adót és vevőt közös antennára csatoló duplexerek minőségére ad magasabb szintű követelményeket.

Terepi mérések

A két adófrekvencia fáziseltolódása (mely a szabályozási folyamat alapfeltétele) a végleges telepítési körülmények között is stabilnak bizonyult, a szabályozási folyamat ¼ radián lassú fázismozgáson belül maradt. Ez a fázismozgás a két irányított antennán kialakuló összegzett fősugár-vektor kismértékű imbolygását okozza ugyan, de a térerő-változás a rendszer eszközeivel nem érzékelhető.
Az összegzett fősugár irányát (az antennák fizikai irányán túlmenően) a két antenna-tápvonal hossza is befolyásolja a futásidő különbség miatt, azt kábeltoldással kalibrálni kellett.

Az átjátszó-alapfunkciók vezérlése

  • A kapcsolójelek állapotát (vételjelzés, adásindítás) hangfrekvenciás vivő léte, nem léte reprezentálja a telefonvezetéken. A fogadó oldalon PLL hangdetektor adja vissza a logikai szinteket.
  • A voting vételt biztosító térerő-arányos feszültség, ami az átjátszóberendezések csatlakozóján hozzáférhető, egy feszültség/ frekvencia konvertálással kerül átvitelre. A két frekvencia összehasonlításának eredményeképpen a jobb vételt produkáló ág adja a közös moduláló jelet.
  • A két vételi hangfrekvencia átalakítás nélkül jut a központi egységbe, majd onnan a kiválasztott jel az átjátszókhoz érkezik. A szükséges korrekciók a modulátor bemenetek előtt következnek be.
  • A 4 km körüli vezetékágak leválasztó vonaltranszformátorokon, optocsatolókon keresztül kapcsolódnak össze, összesen négy-négy érpár biztosítja a teljes vezérlést.
  • A kábeleken bekövetkező frekvenciamenet-változást korrekciós erősítő teszi rendbe. A hangfrekvenciás futásidő különbségeket művonalak egyenlítik ki.

simulcast vagy szinkron TX vezérlő, voting RX kezelő, telefonautomatika és URH vezérlő
Központi telefonautomatika és URH vezérlő

Speciális funkciók, telefonautomatika

Az URH rádiórendszer a telefon-funkciók mellett kiszolgálja a hagyományos, szelektív hívós forgalmazást is. Az egyéni- és csoporthívás, státuszüzenet-adás is rendelkezésre áll. A bejövő hívások azonosíthatók rádió ID-k és telefonvonalak szerint.
A központi vezérlő a szinkron szabályozás és voting kapcsolás mellett az alábbi funkciókkal rendelkezik:

1. kimenő hívások kezelése

  • Vonalhang (búgó) kiadása a kézzel beadott felvevő kód után automatikusan leellenőrzött, „interaktív” készülékazonosítóra történik meg.
  • Egyes készülékekhez, csoportokhoz, alvállalkozókhoz más-más kimenő telefonvonal rendelhető.
  • A vonalfoglalás időtartama korlátozható.

2. bejövő hívások kezelése

  • Egyes telefonvonalakhoz egy-egy rádió adóvevő párosítható, így ezek állandó telefonszámmal rendelkeznek.
  • Központi funkciójú vonalon automatikus beemelés és hangbemondásos tájékoztatás üzemel.
  • A telefonos hívó által bebillentyűzött rádió-hívószám DTMF szelektív-hívásként megy ki adásba.
  • A meghívott készülék automatikusan leadja az azonosítóját. Ennek hiányában a hívó fél „nem elérhető” tartalmú üzenetet kap.
  • A kézi felkapcsolódás csak érvényes azonosító beérkezése után történhet meg.
  • A vonaltartás időtartama korlátozható.

3. Rendszerfoglaltsági információk

  • Mivel a hálózat egyszerre csak egy telefonhívást tud kiszolgálni, folyamatban lévő beszélgetés alatt a 8 (bővítve 16) telefonvonal nem aktív tagjait foglaltra teszi az automatika.
  • A felhasználói berendezések (Kenwood TK-760 és TK-280 adóvevő készülékek) csendes üzem mellett fényjelzéssel és a kijelzőn látható ikonnal jelzik a csatornafoglaltságot.

4. Rendszervédelem

  • A készülék ID automatikus bekérése nagymértékben gátolja az illegális felhasználást.
  • Az eltulajdonított, elvesztett készülékek rádión keresztül letilthatók, illetve a jogosultságuk a rendszervezérlőben megszüntethető.
  • A jogosulatlan használati kísérletek, kódfejtés ellen az átjátszó lejövő oldalán csak a szelektív hívások kódjai hallhatóak, a készülék ID-k és a telefon-automatikának szóló parancsok nem.
  • Forgalmi naplózás lehetősége adott a rendszerfelügyelet hatásossága érdekében.
  • A felhasználói készülékekkel kompatibilis opcionális titkosítási lehetőség dedikált vonalakon az információ-biztonság fokozása céljából.
  • Távvezérelhető- és automatikus egybázisú üzemmód, műszaki hiba esetére.

Mechanikus kialakítás

A központi vezérlőegység egy 19” méretű rackben, a telefonközpont egy fiókjaként épült be. Az átjátszók a szükséges eszközökkel egy-egy Rittal faliszekrényben lettek elhelyezve az archaikus objektumokon belül. Az átjátszóantennák 5 elemes Yagi típusúak, az irányszög egységesen 280 fok, a magasság 20-22 méter.

Felhasználói állomások

Fúrótorony az URH rádiórendszerben, Yagi antennával. Simulcast szinkron adást vesz, és az itteni adás voting kiválasztással kerül valamelyik bázisról a rendszerbe.

A megbízható rádiókapcsolat érdekében egyes fúrótornyoknál azok teljes magasságát ki kellett használni az antenna felszerelésekor.

címkék: URH rádiórendszer multicast voting

A felhasználói kezelési utasítás itt letölthető.