[04-2015] Радиомодемы УКВ-диапазона

[Admin]

Радиомодемы УКВ-диапазона

С.А. МАРГАРЯН, заместитель генерального директора - главный конструктор ЗАО «НПП «Родник»

Для обеспечения безопасности движения поездов, организации высоконадежной структуры управления требуются альтернативные каналы поездной радиосвязи. Наличие радиоканала обмена данными с подвижными единицами (локомотивами) открывает широкие возможности для систем управления интеллектуальным железнодорожным транспортом (ИЖТ)[1]. В настоящее время для управления движением соединенных и тяжеловесных поездов, станционных систем передачи данных используются радиоканалы в диапазоне 160 МГц. Их функционирование обеспечивается так называемыми «прозрачными» радиомодемами ВЭБР, «Мост» и Dataradio T-96SR, позволяющими работать на максимальных скоростях 4800, 9600 и 19200 бит/с соответственно.


Опыт эксплуатации и оперативно-технические возможности технологических радиосетей обмена данными, использующих узкополосные радиомодемы, позволяют рассматривать их в качестве основы для решения задач, связанных с перспективными системами и комплексами, предназначенными для организации и обеспечения безопасности движения, а также для диспетчерского управления. Преимущества диапазона 160 МГц для надежной передачи данных на большие расстояния общеизвестны [2], поэтому представляется целесообразным использовать его в интересах существующих и проектируемых автоматизированных систем управления и сбора данных различного назначения.

РАДИОМОДЕМЫ ДЛЯ СИСТЕМЫ АБЦТ-М

• Одной из перспективных областей применения радиомодемов УКВ-диапазона является система АБЦТ-М [3]. В качестве основного варианта реализации обмена данными между стационарными пунктами управления и подвижным составом разработчики предлагают создание автономной радиосети для каждого перегона с разделением в пространстве, во времени и по радиочастоте перегонов индивидуально или в составе диспетчерского участка. При этом общий объем передаваемой информации в направлении «пункт управления - локомотив» в пределах каждого перегона диспетчерского участка может составлять до 240 байт, а в обратном направлении 400 байт (20 байт с каждого поезда, находящегося на каждом перегоне диспетчерского участка при числе
поездов не более 20).Границы перегонов должны определяться по данным приемника спутниковой навигации.

Предложенная схема организации связи [3] предусматривает работу радиомодемов на базовых станциях и локомотивах с непрерывным циклом в течение 3 с. Базовые станции должны дублировать передаваемые на борт локомотивов данные.Первая секунда выделяется для передачи на борт локомотивов сообщения длиной 240 байт одной базовой станцией и повторения его другой. Таким образом, в течение 1 с двумя базовыми станциями должно быть передано в общей сложности не менее 4800 бит.

Известно, что не все выделенное время используется на передачу информации. Значительная его часть тратится на служебные процедуры, включая установление связи (включение и выключение радиомодема,набор необходимой выходной мощности для начала передачи и ее сброс после завершения). Например, в современных специализированных телеметрических радиомодемах время атаки (время от момента включения передатчика до момента его готовности к передаче. За это время передатчик набирает мощность, необходимую для выхода в эфир) передатчика может составлять не более 10 мс, а в обычных радиостанциях - десятки и даже сотни миллисекунд. Освобождение радиоканала потребует вдвое меньше времени. В связи с
этим в рассматриваемом варианте двум базовым станциям не хватит выделенного времени для трансляции и дублирования сообщения в направлении «пункт управления - локомотив» со скоростью 4800 бит/с. Скорость обмена данными в радиосети, обслуживающей работу АБЦТ-М, должна быть выше обеспечиваемой радиомодемом ВЭБР.
При создании систем обмена данными с жесткой синхронизацией кроме времени, необходимого для выполнения процедур связи, следует учитывать нестабильность (допуски) заявленных технических параметров работы для индивидуальных устройств. В лучших образцах радиомодемов время атаки отдельных устройств одинаковой модели может отличаться на ±10 %. Поэтому при расчете радиосети необходимо устанавливать между сеансами связи так называемый «защитный интервал». Обычно он составляет не менее 20 % заявленного в технических характеристиках устройства времени установления связи.

Аналогичные расчеты для передачи данных в направлении «локомотив - пункт управления» показывают, что общее время трансляции данных от 20 локомотивов достигает 2000 мс, то есть каждому локомотиву выделяется не более 100 мс. Минимальное общее время передачи одного сообщения на скорости 9600 бит/с для радиомодема «Мост» составит 57 мс (установление связи - 22 мс; передача данных - 20 мс; освобождение канала - 11 мс; защитный интервал -4 мс).

Однако в случае сбоя указанного времени не хватает радиомодему «Мост» для того, чтобы повторить передачу сообщения. При использовании радиомодема DataradioT-96SR шлншмальное общее время передачи одного сообщения составляет 33 мс (установление связи - 7 мс; передача данных - 20 мс; освобождение канала - 4 мс; защитный интервал -2 мс), а при радиомодеме Guardian - 23 мс (установление связи -1 мс; передача данных - 20 мс; освобождение канала - 1 мс; защитный интервал - 1 мс). Таким образом, параметры, обеспечиваемые радиомодемом Guardian, вполне достаточные для дальнейшего развития системы с учетом возможности наращивания скорости обмена данными без замены и модернизации технических средств.

Разработчики АБЦТ-М планируют повысить надежность системы за счет использования помехоустойчивого кодирования с применением кодов Рида Соломона или Рида Маллера. Такое решение потребует увеличения размера транслируемого с борта локомотива сообщения не менее чем на 50 % и полностью исключит возможность повторной трансляции, существенно ограничив возможность повышения надежности данных путем дублирования.

В настоящее время радиомодем «Мост» позволяет работать в помехоустойчивом режиме, но в этом случае данные передаются пакетами длиной от 6 до 15 байт. Время от начала загрузки пакета
информации длиной 8 байт до окончания его выдачи на приемной стороне доходит до 115 мс, что не удовлетворяет требованиям АБЦТ-М.

Сравнительные технические характеристики «прозрачных» радиомодемов УКВ-диапазона, работающих на скоростях выше 4800 бит/с, приведены в табл. 1.

Обеспечить дублирование при передаче данных в направлении «локомотив - пункт управления» с использованием помехоустойчивого кодирования в предлагаемой схеме организации обмена данными [3] можно в случае кардинального увеличения пропускной способности аппаратуры радиосети за счет повышения скорости обмена данными и сокращения времени выполнения служебных процедур связи.

РАДИОМОДЕМЫ ДЛЯ АСУ

• В качестве одного из вариантов обслуживания АБЦТ-М, а также для АСУ, разворачиваемых в рамках развития интеллектуального железнодорожного транспорта, возможно применение радиотехнической платформы Dataradio Viper-SC+.

Такая платформа включает в себя симплексный/полудуплексный радиомодем-маршрутизатор; такой же симплексный/полудуплексный радиомодем-маршрути-затор с двумя антеннами для разнесенного приема радиосигналов; симплексную, полудуплексную или дуплексную базовую станцию и такую же базовую станцию повышенной надежности и живучести.

Технические характеристики платформы Viper-SC+ представлены в табл. 2.

Радиомодем-маршрутизатор Viper-SC+ представляет собой устройство нового поколения класса SDR (Software-defined radio -программно-определяемое радио-
оборудование), предназначенное для обмена данными в стационарной технологической радиосети по IP-протоколу на скоростях 4,8-256 кбит/с с шагом сетки радиочастот 6,25; 12,5; 25; 50 или 100 кГц. Повышение пропускной способности радиосети достигается благодаря применению улучшенной версии протокола с технологией исключения столкновений пакетов FAMA (Floor Acquisition Multiple Access - приобретение множественного доступа), а также алгоритма уплотнения данных, обеспечивающего эффективное сжатие (максимальная пропорция 1:10). Настройка радиомодема производится через Web-интерфейс.

Увеличение скорости обмена данными связано с необходимостью улучшения параметров принимаемого сигнала (соотношения сигнал/шум). Поскольку возможности увеличения выходной мощности передаваемого сигнала ограничены и не всегда эффективны, в составе платформы Viper-SC+ имеется радиомодем с двумя антеннами, осуществляющими разнесенный прием - одновременный прием радиосигналов на каждую из подключенных к радиомодему антенн. Технология интеллектуального объединения сигналов в радиомодеме позволяет применять различные алгоритмы обработки в зависимости от относительной мощности и тренда параллельно принятых сигналов. Например, если более мощный сигнал имеет тенденцию к снижению, предпочтение отдается более слабому сигналу, который все же можно использовать.

Об эффективности описанной технологии можно судить по данным, представленным в табл. 3. Они демонстрируют преимущества этой технологии в сравнении с работой аналогичной радиоприемной системы, использующей одну антенну, в различных условиях приема. Сравнение производилось для условий успешного приема 99 % сообщений длиной 800 бит каждое.

Анализ приведенных в табл. 3 данных показывает, что реализованная в радиомодеме Viper-SC+ технология разнесенного приема позволяет улучшить параметры принимаемого сигнала практически на 10 дБ, что соответствует
увеличению мощности передатчика базовой станции в 10 раз. Это обеспечивает расширение зоны уверенного приема радиосигнала без использования дополнительных базовых станций. В случае когда необходимость расширения зоны электромагнитной доступности отсутствует, использование этой технологии увеличивает процент корректно принимаемых с первой попытки сообщений.
Сокращение количества повторно передаваемых сообщений приводит к существенному росту пропускной способности и сокращению времени реакции системы.

Применение модели радиомодема Viper-SC+ с двумя антеннами дает возможность существенно повысить надежность работы и дальность уверенного приема сигнала в стационарных радиосетях.

Базовая станция Viper-SC+ имеет встроенную функцию автоматической подстройки скорости обмена данными в зависимости от уровня принимаемого сигнала. В территориально распределенных радиосетях такая станция обеспечит более высокую скорость обмена данными с объектами, находящимися относительно близко, и надежную работу на более низкой скорости с объектами, находящимися в максимальном удалении.

В варианте исполнения платформы с повышенной надежностью и живучестью все составляющие компоненты резервируются. При этом схема управления предусматривает автоматический переход на резерв в случае выхода из строя основных компонентов. Таким образом достигается непрерывность работы в аварийных ситуациях.

Радиомодем-маршрутизатор Viper-SC+ может быть настроен на работу в качестве маршрутизатора или моста по протоколу Ethernet IEEE 802.3 (поддерживаются IP-протоколы ICMP, IGMP, TCP, UDP, IPSec, SNTP), а также в качестве DHCP клиента или сервера. Платформой обеспечиваются IP-фрагментация (IP-f rag mentation), трансляция сетевых адресов (NAT - Network Address Translation), динамическая маршрутизация RIPv2, протокол определения адресов (ARP - Address Resolution Protocol).

В отличие от «прозрачных»
радиомодемов, транслирующих данные в эфир без изменений, Viper-SC+ предварительно их пакетирует, после чего передает индивидуальному абоненту, группе абонентов или циркулярно. При этом обеспечивается автоматическое определение основного и резервного маршрутов доставки сообщений, поддержка разнесенного приема на две антенны (приемо-передающая и приемная), режимы ручной и автоматической настройки, работа в симплексном режиме. Кроме того, платформа Viper-SC+ позволяет использовать ее в качестве маршрутизатора или моста, а также в качестве ретранслятора («прием-регистрация-пе-редача»); поддерживать множественную ретрансляцию (не менее четырех ретрансляций) как по основному, так и резервному каналам; выполнять конфигурирование с использованием WEB-интерфей-са и удаленную загрузку встроенного программного обеспечения по радиоканалу; автоматическую оптимизацию скорости обмена данными в случае использования в радиосети с базовой станцией Viper-SC+.

Оборудование Viper-SC+ имеет встроенную диагностику и дает возможность организовать автоматический сбор данных о текущем техническом состоянии элементов в реальном масштабе времени. Диагностическая информация передается с каждым отправляемым сообщением. Для
Внешний вид радиотехнической платформы Viper-SC+
ее получения не требуется отдельного запроса, поскольку данные поступают в режиме ООВ (Out-of-band), не загружая радиоканал, и могут сниматься с настроечного порта базовой станции по протоколу Telnet, не мешая работе системы управления и сбора данных, либо транслироваться вместе с другой информацией с использованием IP-протокола. Эти данные включают в себя информацию о температуре внутри корпуса, напряжении питания, сигналах RSSI, мощности прямой и обратной волны; количестве сбоев (PER - Packet Error Rate). Их вполне достаточно для оценки текущего состояния радиосети средствами Единой системы мониторинга и администрирования технологической сети связи ОАО «РЖД» (ЕСМА).

Таким образом, радиотехническая платформа Viper-SC+ позволяет эффективно решать функциональные задачи в интересах интеллектуального железнодорожного транспорта в специализированных автономных радиосетях для каждого перегона с разделением в пространстве, во времени и по радиочастоте перегонов индивидуально или в составе диспетчерского участка, какэто предусмотрено в системе АБЦТ-М. Однако она не располагает всеми возможностями, необходимыми для функционирования современных распределенных автоматизированных систем на транспорте и некоторыми важными атрибутами подвижной технологической радиосети обмена данными.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГапановичВ.А., Розенберг Е.Н. Современные средства обеспечения комплексной безопасности движения поездов с применением спутниковых технологий. - М.: Евразия вести, 2011. №1,с. 16-17.

2. Маргарян С.А. Радиосети для систем управления поездами. - М.: Автоматика, связь, информатика, 2014, №4, с. 19-23.

3. Ваванов Ю.В. Радиосети системы АБТЦ-М. Подходы к проектированию. - М.: Автоматика, связь, информатика, 2014, № 6, с. 2-7.

В одном из последующих номеров журнала будет рассмотрена перспективная подвижная радиосеть интеллектуального железнодорожного транспорта с использованием радиомодемов ParagonG4 и GeminiG3.

[СЦБот]

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Автоматика, связь, информатика".

Перенес: Admin