Высоконадёжная сеть ДКМВ масштаба страны на основе

программно-определяемых радиосредств

Предложены методы построения программно-определяемых систем радиосвязи на основе нового поколения сигнально-кодовых конструкций, позволившие изменить представление о надёжности связи диапазона ДКМВ. Приведено описание структуры сети, обеспечивающей значительное улучшение вероятностно-временных характеристик системы радиосвязи при передаче информации по сравнению с предыдущим поколением и результаты трассовых испытаний прототипа абонентского терминала.

Ключевые слова: ДКМВ, сигнально-кодовые конструкции, программно-определяемое радиосредство, SDR радиостанция

В настоящее время в радиотехнике происходит очередная научно-техническая революция. Её содержание – отказ от аналогово-цифровых радиосредств с классическим построением радиотрактов и переход на программно-определяемые изделия на основе цифровой обработки и синтеза сигналов непосредственно на радиочастоте. Это влечёт за собой изменение потребительских свойств, резкоё улучшение качественных характеристик. Открываются новые возможности построения систем связи с недостижимыми ранее вероятностно-временными характеристиками. Станции нового поколения, разрабатываемые за рубежом ведущими мировыми фирмами известны как Software Defined Radio (SDR), Digitally Future Radio (DFR).

В историческом смысле этот процесс во многом похож на появление первых компьютеров, которые сначала были призваны заменить механические устройства сложения и вычитания. Переход радиосредств на цифровую обработку сигналов вполне справедливо рассматривается как наиболее значимый качественный скачок в развитии средств радиосвязи начиная с появления супергетеродинной схемы приёма. Впервые появилась возможность разделить собственно алгоритмы обработки сигнала, сам сигнал и материальный носитель информации о сигнале. Начиная с этого момента, возможности аппаратуры по синтезу и демодуляции радиосигналов не связаны с возможностями материального носителя, а определяются разрядностью представления сигнала и доступным вычислительным ресурсом. Однако новые возможности появляются не сами по себе. Для того, чтобы реализовать их потребовалось полностью пересмотреть процесс разработки новых изделий, сосредоточив основные усилия на поиске принципиально новых сигнально-кодовых конструкций, наилучшим образом согласованных со свойствами и специфическими особенностями среды прохождения радиосигнала.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

В литературе [1] отмечалось, что большинство видов сигнала обеспечивает хорошее приближение к потенциальной пропускной способности канала в ограниченном диапазоне скоростей даже при приёме на фоне белого шума. В то же время для различных удельных скоростей передачи наилучший результат достигается применением различных видов модуляции. В реальном ДКМВ канале в зависимости от его свойств (многолучевого распространения, сосредоточенных и импульсных помехах, допплеровского размытия, допплеровского смещения, сдвига частоты, быстрых и медленных замираниях, дисперсионность, магнитно-ионное расщепление и других) [2] процесс выбора вида сигнала и соответствующего ему диапазона скоростей передачи информации приобретает решающее значение.

Сигналы, применяемые в современных системах радиосвязи, являются сочетанием трёх основных составляющих: элемент сигнала, канальный код, образующий из совокупности элементов сигнально-кодовую конструкцию (функциональное пространство L2) и согласованный с сигнально-кодовой конструкцией код для обнаружения и исправления ошибок (функциональное пространство L1). Для получения наилучших результатов при синтезе сигнально-кодовой конструкции необходимо проводить согласование свойств этих трёх составляющих, исходя из модели канала распространения и модели помеховой обстановки [3].

Все возможные сигнально кодовые конструкции в соответствии с набором свойств целесообразно разделять на группы, в соответствии с решаемой функциональной задачей. При создании нового поколения сигналов одним из требований была возможность применения существующих комплексов обеспечения электромагнитной совместимости и разработки радиоданных, а также унификация по используемым видам модуляции в части ширины спектра радиоизлучения с находящимися в эксплуатации системами. Для режимов установления соединения и передачи данных был выбран стандартный канал с полосой передачи 0,3-3,4 кГц, далее – канал тональных частот (ТЧ).

Детальная проработка требований к современным системам радиосвязи диапазона ДКМВ позволила сформировать четыре основные группы сигнально-кодовых конструкций (далее сигналов).

- Сигналы, используемые для автоматического установления и ведения соединения (АУС). Диапазон скоростей передачи информации 50..250 бит/c. Характеризуются высокой устойчивостью к шумовым, структурным, импульсным и узкополосным помехам, многолучевому распространению, допплеровскому размытию и сдвигу частот в канале. Эта группа основана на шумоподобном ДЧ сигнале, формируемом как разделимый код с максимальным расстоянием.

- Сигналы, используемые для среднескоростной (300..2400 бит/c) передачи данных (СПД). В ходе ряда работ нам удалось решить задачу синтеза сигналов с перестановочной модуляцией с низким пикфактором. Практически на выходе радиостанции удается получить пикфактор передаваемого сигнала 4.5 дБ и менее без искажения сигнала ограничителем. Благодаря сверхбольшому канальному алфавиту сигнально-кодовой конструкции, 224 и более различаемых канальных символов, скорость передачи 2400 бит/c обеспечивается при длительности канального символа 20 мс, что позволяет работать в условиях сильной многолучёвости. Разработанные модификации также обеспечивают работу в условиях узкополосных и импульсных помех в полосе сигнала.

- Сигналы высокоскоростной (более 2400 бит/c) передачи данных (ВПД). В настоящее время проводятся работы по новому поколению этих сигналов, обладающему более низким пикфактором по сравнению с сигналами параллельных (OFDM) модемов. Также перспективные сигналы не будут нуждаться в затратных процедурах коррекции импульсной характеристики канала, занимающих в модемах последовательного типа по стандарту MIL-STDB до 25 % пропускной способности канала.

- Сигналы типа CHESS (Correlated Hopping Enhanced Spread Spectrum) использующие расширение спектра сигнала коррелированными скачками по частоте. Эта группа сигналов предназначена для передачи небольших объёмов информации при скорости 1..5 бит/с в любых условиях. При скорости псевдослучайной перестройки по частоте до 200 скачков в секунду в полосе до десятков мегагерц сигналы, сигналы этого типа обладают высокой скрытностью и устойчивостью как к обнаружению, перехвату, так и к любым видам естественных и искусственных помех [3].

Для реализации всех преимуществ новых сигнально – кодовых конструкций и с учётом их особенностей были заново синтезированы следующие ключевые компоненты системы радиосвязи [4]:

- система помехозащищёного кодирования с обнаружением и исправлением ошибок, согласованная с канальными сигнально-кодовыми конструкциями и позволяющая реализовать высокие (0.68..0.75 в зависимости от помеховой обстановки) кодовые скорости;

- процедуры помехоустойчивого автоматического установления соединения с выбором наилучшего из доступных частотных каналов для приёма и передачи;

- протоколы передачи данных с гарантированной достоверностью переданной информации для пакетов и потоков данных, обеспечивающие вероятность ошибки менее 2*10-12 на бит при передаче файлов и телеграмм;

- процедуры ведения соединения, реализующие изменение скорости передачи информации, мощности используемого кода, вида используемого канального сигнала и мощности передатчика в антенно-фидерном устройстве;

- процедуры частотной адаптации, реализующие быструю смену рабочей частоты при принятии решения о необходимости смены частоты процедурой ведения соединения.

Сочетание сигнально-кодовых конструкций, малочувствительных к многолучёвому распространению ( до 10 мс), быстрой частотной адаптации и элементов параллельного приёма с разнесением позволило при связи в переходной зоне, на границе поверхностной и ионосферной волны, реализовать связь без мёртвых зон, решив тем самым одну из основных проблем КВ радиосвязи в тактическом звене. Аналогичная по результатам технология NVIS (Near Vertical Incidence Skywave propagation), получает распространение в новейших станциях ведущих зарубежных производителей.

Отдельной задачей, стоящей перед разработчиками новых систем радиосвязи, является обеспечение встречной работы с аппаратурой, уже имеющейся в эксплуатирующих организациях и выпускающейся одновременно с вновь разрабатываемыми изделиями. Ключом к решению этой задачи является реализация радиосредств на базе программно-определяемой аппаратной платформы по технологии SDR. При этом введение различных новых режимов и интерфейсов осуществляется путём обновления программного обеспечения серийно выпускаемых изделий без остановки производства аппаратной части. Также возможна программная модернизация изделий выпущенных ранее и находящихся на складах или в эксплуатации без возвращения на завод-изготовитель.

Для практической проверки полученных результатов «Созвездие» в инициативном порядке была разработана абонентская SDR радиостанция ДКМВ диапазона «Терминал-10К», в которой были реализованы все перечисленные выше достижения в области ДКМВ радиосвязи. Изделие создавалось как демонстратор технологий современной ДКМВ радиосети, предназначалось для практической отработки протоколов и процедур радиосвязи в условиях реальной трассы. Проведённые в годах многочисленные трассовые испытания на дистанциях от 0 до 7000 км на полностью подтвердили правильность выбранного подхода к построению современных пакетных систем радиосвязи.

При мощности передатчика 10 Вт на расстоянии между однотипными изделиями от 0 до 600 км, числе Вольфа в зимний и летний радиосезон обеспечивается круглосуточный обмен телеграфной и файловой информацией сигналами типа CHESS. При повышении мощности до 500 Вт обеспечивается круглосуточный обмен файловой информацией со скоростями до 2400 бит/c. Более 12 часов в сутки обеспечивается обмен цифровой речевой информацией со скоростями 600 и 1200 бит/c, а также предоставляется сервис внешней ОА типа Т-231-1Н по передаче непрерывного цифрового потока со скоростью до 1200 бит/c.

Полученные на этапе отработки технологий результаты позволили уточнить достижимые при использовании новейших технологий характеристики систем радиосвязи ДКМВ и перейти к разработке высоконадёжной сети ДКМВ масштаба страны с распределенной многосвязной структурой, с пакетной передачей информации на основе программно определяемых радиосредств.

После длительного изучения существующих и перспективных отечественных и зарубежных радиосетей и радиосредств для них было принято решение ограничится двухуровневой аппаратной архитектурой радиосредств – абонентским радиотерминалом и масштабируемым стационарным комплектом для построения многоканальных разнесённых радиоцентров. Построение узлов связи на совмещённых приёмо-передающих радиоцентрах технически значительно более сложно, не позволяет реализовать совместную работу CHESS и узкополосных радиолиний и не приводит к заметным экономическим преимуществам при значительном числе одновременно действующих радиолиниях.

На рис 1. показан вариант структуры фрагмента высоконадёжной сети ДКМВ на основе программно-определяемых радиосредств.

Основу сети составляют радиосредства двух основных типов:

- Портативный абонентский радиотерминал, интегрирующий в одном герметическом конструктиве весом около 4 кг (с аккумуляторами) многоканальные приёмники, передатчики, усилситель мощности, согласующее антенное устройство (САУ) на pin-диодах с неограниченным ресурсом перестроек по частоте, модемы оконечной аппаратуры, аппаратуру установления и ведения соединения, аппаратуру наклонного ионосферного зондирования, программно определяемые интерфейсы с внешней оконечной аппаратурой, алфавитно-цифровую клавиатуру и флуоресцентный дисплей, а также другие функциональные узлы. Такой радиотерминал не требует дополнительного внешнего оборудования для предоставления абоненты сети необходимых сервисных услуг и легко интегрируется в контуры управления подвижных и переносных узлов связи. Абонентский радиотерминал должен обеспечивать обмен короткими сообщениями и цифробуквенными кодами и файлами между двумя любыми мобильными абонентами сети.

- Стационарный комплект аппаратуры с выходной мощностью используемого усилиВт в зависимости от требуемой зоны радиосвязи с круглосуточной доступностью. Комплект предназначен для построения многоканальных разнесённых приёмных и передающих радиоцентров, реализует предоставление полного набора услуг для пользователей сети. Он имеет выход непосредственно или через цифровой узловой коммутатор в каналы ЕАСС, которые может использовать для маршрутизации принятых сообщений, если получатель находится на значительном удалении. Также каналы ЕАСС могут быть использованы, наряду с выделенными прямыми линиями связи, для организации телеуправления и телесигнализации (ТУ-ТС) между приёмным радиоцентром (ПрмЦ) и передающим радиоцентром (ПДРЦ). Дополнительно к возможностям абонентского комплекта реализует следующие дополнительные функции:

- Совместный с другими стационарными комплектами, в том числе и расположенными на значительном расстоянии, приём сигналов типа CHESS для повышения вероятности приёма до уровня 0.99 и выше.

- Маршрутизация принятых сообщений в рамках подсети стационарных радиоцентров.

- Возможность наращивания канальной ёмкости радиоцентров путём введения дополнительных стационарных комплектов в рамках одного узла.

- Одновременная работа (дежурство) как в составе подсети стационарных радиоцентров, так и в составе подсети абонентских радиотерминалов.

Рис 2. Зоны радиодоступа стационарных радиоцентров сети ДКМВ диапазона масштаба страны.

Стационарные комплекты с учётом новых технологий должны быть способны обеспечивать создание сплошной зоны радиодоступа на всей территории до 1500 км от каждого СРЦ (рис. 2) при обеспечения круглосуточной надежности связи для стационарных абонентов в режиме передачи данных в условиях преднамеренных и непреднамеренных помех не хуже 0.99, мобильных абонентов не хуже 0.95, со средствами старого парка - не хуже 0.6.

На рис. 1 показаны три из множества возможных вариантов построения сетей радиосвязи с двухуровневой архитектурой аппаратных средств.

Стационарные радиоцентры входят в одноранговую радиосеть, построенную как совокупность магистральных постоянно действующих радиолиний. Основное назначение этой сети - дублирование каналов ЕАСС, организация совместного приёма различными стационарными центрами сообщений от абонентских терминалов и передача информации в направлении от стационара к корреспондентам (оконечному оборудованию). Необходимая связность в радиодиапазоне достигается увеличением числа одновременно действующих радиолиний.

Между стационарными радиоцентрами и абонентами с радиотерминалами организуется, например, вызывная радиосеть типа «звезда» с возможностью внеочередного вызова. Количественные возможности стационарного и абонентского комплекта по работе в различных радиосетях могут быть увеличены не только за счёт увеличения количества оборудования, но и путём разделения по времени дежурства в различных сетях с учётом приоритетов.

Абоненты, укомплектованные радиотерминалами, также могут образовывать радиосети различной конфигурации с учётом взаимной радиовидимости. На рис.1 показана одноранговая радиосеть взаимодействия, образованная абонентскими терминалами одновременно с работой в вызывной радиосети.

Как показали длительные трассовые испытания демонстратора технологий «Терминал-10К», обеспечение надёжности доставки сообщений сигналами типа CHESS с вероятностью 0.99 и выше в ДКМВ радиосетях с многоскачковыми трассами невозможно без использования разнесённого приёма, причём целесообразно использовать пространственное разнесение от 500 км. На рис. 3 показан пример использования нескольких совместно функционирующих приёмных радиоцентров, обеспечивающих разнесённый приём сообщений от одного абонента.

Рис. 3 Приём сообщений от абонента с использованием нескольких стационарных радиоцентров

Радиосеть, построенная на основе программно-определяемых радиосредств, в отличие от существующих, обладает уникальными возможностями по конфигурации и возможным топологиям реализуемых в её рамках подсетей. Такие особенности приводят к необходимости выделения подобных систем радиосвязи в отдельный класс – программно определяемых сетей радиосвязи. Возможности подобного рода систем и способы реализации их потенциальных возможностей в настоящее время являются предметом интенсивных исследований. Однако уже полученные результаты подтверждают, что такие системы позволяют наиболее полно воспользоваться появившимися в SDR радиосредствах возможностями.

Выводы

Высоконадёжная сеть ДКМВ масштаба страны на основе программно определяемых радиосредств является недорогой альтернативой спутниковым системам связи при высоконадёжной передаче небольших объёмов информации. В условиях сетецентрической борьбы наличие подобной децентрализованной системы передачи информации с высокой связностью её опорных узлов позволяет обеспечить абонентов минимально необходимым объёмом телекоммуникационных услуг в любой точке территории страны и в любое время суток.

Развёрнутая радиосеть должна предоставлять телекоммуникационные услуги всем силовым ведомствам, при этом должно обеспечиваться как создание ведомственных подсетей в рамках единой сети, так и сетей (шлюзов) для организации взаимодействия потребителей телекоммуникационных услуг, имеющим различную ведомственную принадлежность.

Литература:

1. Прокис Дж. Цифровая связь. Пер с англ. / Под ред. . - М.: Радио и связь, 2000. - с. 241.

2. Побережский типичных коротковолновых трасс. Техника средств связи, серия Техника радиосвязи вып. 8. – 1979 г. – с. 86 – 92.

3. , Николаев в теоретико-игровой анализ радиоэлектронного конфликта систем радиосвязи со средами радиоподавления и некоторой оценки результатов конфликта / ВНИИС. - Воронеж, 1995. – 46 с.: ил

4. Маковий современных систем радиосвязи КВ диапазона. Теория и техника радиосвязи, № 3, 2009 г. - с. 76-86.

Версия 1.2

от 01.01.2001