Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/



Аннотация

Объектом данного исследования являетсямаксимальное расстояние между передающем и принимающим устройствами, на котором можно будет передать информацию с минимальным затуханием сигнала в условиях прямой видимости. Целью работы является разработка методики определения максимально достижимой дальности связи между базовой и мобильной многопользовательскими и мультиформатными системами радиодоступа для министерствапо чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий. В процессе работы были исследованы виды модуляции и манипуляции сигналов, а также три основных структуры сетей связи. Проанализированы предыдущие и действующие поколения радиостанций, особо выделены технология систем связи TETRAи многофункциональный терминал широкополосного радиодоступа.

Результаты работы помогут оперативно найти точную дальность связи между базовой и мобильной станциямипри заданных начальных условиях. Печатный текст магистерской диссертации составляет 50 страниц формата А4. В ходе работы было представлено 8 иллюстративных материалов формата JPEG, создана 1 таблица и рассмотрено 13 формул. Авториспользовал19источников: 5печатныхизданийи14интернет-источников.

The object of this research is the maximum distance between the transmitting and receiving devices, where it will be possible to transmit information with the minimum attenuation of the signal in the conditions of direct visibility. The purpose of the work is a development of a methodology for determining the maximum achievable communication range between basic and mobile multi-user and multi-format radio access systems for the Ministry of Emergencies and Disaster Relief. In the process of work, the types of signal modulation and signal manipulation, as well as the three main structures of communication networks were investigated. The previous and current generations of radio stations were analyzed, the technology of TETRA communication systems and the multifunctional terminal of broadband radio access were highlighted.

The results of the work will help to findquickly the exact range of communication between the base and mobile stations under the given initial conditions. The printed text of the master's thesis is 50 A4 pages. During the work 8 illustrative materials of JPEG format were presented, one table was created and 13 formulas were considered. The author used 19 sources: 5 publications and 14 Internet sources.



Содержание

• Введение
• Глава 1
• 1.1 Виды аналоговой модуляции
• 1.2 Виды воздействия на сигнал (виды помех)
• 1.3 Виды цифровой манипуляции
• Глава 2
• 2.1 Стационарные и подвижные узлы связи
• 2.2 Структура сетей связи
• 2.2.1 Магистральные опорные сети связи
• 2.2.2 Распределенные опорные сети связи
• 2.2.3 Абонентские сети связи
• Глава 3
• 3.1 Поколение радиостанций
• 3.1.1 Радиостанция четвертого поколения
• 3.1.2 Радиостанция пятого поколения
• 3.1.3 Радиостанция шестого поколения
• 3.2 Технологии передачи данных
• 3.2.1 Технология системы связи TETRA
• 3.2.2 Технология широкополосного радиодоступа
• 3.3 Разработка методики расчета максимально допустимой дальности связи
• 3.3.1 Обзор модели Эгли
• 3.3.2 Расчет максимально допустимой дальности связи между двумя антеннами
• 3.4.3 Расчет дальности связи при изменении начальных параметров системы
• Заключение
• Список использованных источников


Введение

В условиях повсеместного развития телекоммуникационных технологий, которые обеспечивают передачу аналоговых и цифровых сигналов на заданные расстояния для обычных пользователей, ведомственных министерств, очень важно, чтобы качество передачи сигнала имело высокий уровень. Чтобы качество имело высокий уровень необходимо решить несколько задач, таких как: обеспечить минимальное затухание сигнала, обеспечить кодирование сигнала, обеспечить высокую скорость передачи и так далее. Все эти условия выполняются в рамках стабильной повседневной связи. Но как оперативно обеспечить возможность передачи сигнала и данных в условиях чрезвычайных ситуаций или поломки оборудования? В данных случаях необходимо,быстро восстановить связь путем ремонта имеющейся системы, но бывают случаи, когда возможности починить не остаётся:

1) Произошёл выброс жидкости (наводнение, подтопление или любой другой вид жидкости).При этом может случиться короткое замыкание на всех видах электронных устройств, в том числе на устройствах питания систем, а предохранители вышли из строя;

2) Разрушения систем связи и передачи данных сильным ветром или ураганом без возможности восстановления;

3) Обледенение передающих систем связи при экстремально низких температурах, например, в условиях крайнего севера.

4) Природные и техногенные пожары.

Чтобы восстановить возможность связи на местности, где происходит устранение чрезвычайной ситуации, необходимо развернуть мобильную сеть связи, предоставляющуюуслуги передачи данных и речевой информациис приемлемой скоростью и с наименьшими затратами на закупку, транспортировку и установку. Существуют стационарные передающая станция, которые разворачиваются на месте и имеет неподвижное состояние (базовая станция). Также существуетпередвижная передающая и принимающая станция, которая подключается к базовой станции и может передвигаться по местности (мобильная станция). Совокупность базовой и мобильной станций - тактические фон для МЧС, который выезжает для оперативного устранения последствий техногенных катастроф или стихийного бедствия на не оборудованию местности.

В результате необходимо реализовать структуру при которой будет возможность соединять

· магистральные опорные сети (данный вид сетей должен иметь самую высокую скорость передачи звуковых и видео сигналов, данных при формировании и передачи огромного количества групповых сигналов), которые формируются между базовыми станциями;

· распределённые опорные сети (совокупность опорных и вспомогательных узлов связи, соединенных между собой линиями связи общего назначения, имеют ячеистую топологию);

· абонентские сети (совокупность каналов связи непосредственно до каждого абонента).

Принцип стандартной базовой станции заключается в том, чтобы при подключении абонента к сети, он получается услуги связи базовой станции по способу получения от неё сигнала. Это значит, что у базовой станции есть множество ограничений для работы (условия прямой видимости, помехи природные) и относительно маленькая дальность связи. Но существуют технология TETRA, которая позволяет формировать распределённую сеть не на основе стандартных базовых станций, а на основе создания роли базовой станции любого абонента. Это значит, что, если абонент регистрируется в сети и не видит в зоне своего действия базовую станцию, а другой абонент видит и базовую станцию, и другого абонента, он может выступать в роли базовой станции (ретранслятор) для абонента, которого недоступна базовая станция. Данную технологию реализовывает радиостанции шестого поколения.

Для реализации такой схемы необходимо точно знать на какую максимальную дальность можно отнести и установить базовую станцию от мобильных станций. Актуальность данного исследования и разработки методики прежде всего поможет заранее знать при заданных начальные условия (частота, скорость передачи, высоты антенн и другие) значения расстояний между передающим и принимающим сигнал устройствами.

Приступая к исследованию, автор ставил перед собой следующие цели:

1. Обзор литературных источников о видах модуляции и манипуляции, принципе работы и передачи информации, их характеристиках, преимуществах и недостатках.

2. Анализ структур сетей связи, описание стационарных и подвижных узлов связи.

3. Сравнение, выделение преимуществ и недостатков радиостанций четвертого, пятого и шестого поколений.

4. Разработка методики определения максимально допустимой дальности связи для базовой и мобильной многопользовательскими и мультиформатными системами доступа.

Для реализации поставленных целей были решены следующие задачи:

1. Изучение и анализматериалов по теме данного исследования.

2. Расчет максимального допустимой дальности связи между передающей и принимающей системой в рамках условия прямой видимости.

Главная часть магистерской диссертации состоит из 3 глав.

В первой главе автор рассматривает некоторые теоретические сведения, связанные с аналоговыми и цифровыми способами передачи информации. Во второй главе авторописывает виды узлов связи, далее автор анализирует структуры сетей связи и подробно каждую из структур. В третей главе автор рассматривает одну из моделей, по которой можно подсчитать максимально допустимую дальность связи.

Сложности при написании магистерской диссертациивозникали при нахождении точной, достоверной информации и последующем ее отборе. В качестве источников информации для написания исследования были использованы достоверные источники сайтов Интернета и печатных изданийв области радиотехники и систем связи.



Глава 1

1.1 Виды аналоговой модуляции

В общем виде можно обозначить сигнал, как физический процесс, несущий в себе информационную часть. Сигналы описываются математическими функциями времени, в зависимости от типа сигнала. Существует два основных вида сигналов - аналоговый (непрерывный) и дискретный (цифровой).

Общий простой вид системы передачи сигналов имеет следующий вид:

1) Источник сигнала;

2) Модулятор - устройство, служащее для согласования первичного сигнала от источника сигнала на выходе кодирующего устройства с заданными характеристиками линии связи;

3) Линия связи - среда, в которой распространяется сигнал;

4) Демодулятор - устройство, служащее для согласования сигнала, поступившего из линии связи на вход декодирующего устройства;

5) Приемник сигнала.[1]

Для передачи информации устройством используются низкочастотные колебания. Но если передавать низкочастотные колебание на расстояния больше, чем на несколько метров, начинается процесс затухания, то есть ослабления. В следствии чего, мы можем не получить исходного сигнала. Для того чтобы передать информацию на большие расстояния на помощь приходит модуляция. Модуляция - процесс преобразования одного или нескольких характеристик высокочастотного сигнала при воздействии низкочастотного сигнала рис. 1.

Рис.1.Схема модуляции

Аналоговая модуляция бывает трех типов: амплитудная, частотная и фазовая. узел связь опорная сеть

Амплитудная модуляция - процесс изменения амплитуды несущего сигнала в соответствии с изменением модулирующего сигнала. Это вид модуляции самый простой в использовании и имеет узкую ширину спектра модулированного сигнала, но несет в себе очень слабую помехоустойчивость. Слабая помехоустойчивость появляется в следствии узкой полосы моделируемого сигнала. Амплитудная модуляция применяется повсеместно: в системах радиовещания, в условиях передачи телевизионных сигналов и для радиосвязи. Данный тип модуляции используют в средних и низких частотных диапазонах.[2]

Частотная модуляция - процесс изменения частоты несущего сигнала в соответствии с изменением модулирующего сигнала. Это вид модуляции самый распространённый на сегодняшний день, в следствии передачи сигналов высокого качества. Высокое качество достигается за счет высокой помехоустойчивости к естественным и индустриальным помехам. Самый главный недостаток частотной модуляции - большая ширина спектра модулированного сигнала. Частотная модуляция широко применяется в таких системах, как спутникового теле- и радиовещания, телевизионного вещания, радиорелейных и сотовой связи. Данный тип модуляции следует использовать в высоких частотных диапазонах.[3]

Фазовая модуляция- процесс изменения фазы несущего сигнала в соответствии с изменением модулирующего сигнала. Фазовая модуляция обладает высокой помехоустойчивостью, но этот вид модуляции имеет очень широкий спектр, в следствии того, что фаза оборачивается на 180⁰ - это является недостатком. Данный тип модуляции следует использовать в сверхвысоких частотных диапазонах. На рис.2. представлены все три вида аналоговой модуляции.[4]

Рис.2. Аналоговая модуляция

При использовании данных видов модуляции спектр частот и спектральная плотность находится в невыгодном положении, то есть необходимо большое превышение значений сигнал/помеха, чтобы обеспечить высокую помехозащищенность. Данные методы обеспечения помехозащищенности не всегда энергетически выгодны и целесообразно. Поэтому для повышения помехоустойчивости используют манипуляцию.



1.2 Виды воздействия на сигнал (виды помех)

Чтобы разобраться в помехоустойчивости передачи сигналов, необходимо сначала рассмотреть виды помех. Воздействие или помехи на искомый сигнал бывает двух типов: аддитивные и мультипликативные. Если на вход приёмника попадает сумма сигнала и помехи - аддитивная помеха формула(1). Если на вход приёмника попадает произведение сигнала и помехи - мультипликативная помеха формула(2).

, где

- сигнал с помехами

- помеха

- искомый сигнал

Аддитивные помехи - естественные помехи, возникающие в самом канале связи или внешние, поступающие от различных источников. К внутренним помехам относят тепловые, дробовые, фоновые и различные наводки внутри калана связи. От этих помех невозможно полностью избавиться, можно только пытаться уменьшить до минимума. К внешним помехам относят взаимные помехи (ослабленные сигналы от других каналов связи), атмосферные (грозовые разряды), индустриальные (помехи от разных видов электрического оборудования) и космические.[5]

В свою очередь аддитивные помехи делаться на три класса:

1) Сосредоточенные по спектру. Это помехи, энергия которых сосредоточена в узкой полосе частот. Данные вид помех создается внешними электрическими источниками (радиостанции, генераторы, собственный канал связи).

Для подавления данных помех автор рассмотрел частотную и амплитудную избирательность в рамках темы работы.

Частотная избирательность заключается в использовании узкополосных режекторных фильтров. Главные недостаток - удаление узкой полосы помех приводит к подавлению полезного сигнала в этой же полосе частот. Это приводит к искажениям искомого сигнала.

Амплитудная избирательность заключается в способе подавления помех в нелинейных участках приемника: в амплитудном ограничителе и детекторе.

2) Импульсные. Это помехи, сосредоточенные во времени. Импульсные помехи - это помехи регулярные или хаотические последовательности импульсных сигналов, однородных с искомым полезным сигналом. Данный вид помех создается цифровыми и коммутирующими элементами цепей,а также электрическими цифровыми устройствами, работающими вблизи.

3) Флуктуационные. Это помехи, представляющие собой случайный процесс с нормальным Гауссовским распределением. Данный вид помех присутствует во всех каналах связи. По сути флуктуационные помехи в системах связи являются отклонениями значений физических величины от их средних значений.

Мультипликативные помехи - искусственные помехи, возникающие при случайных изменениях характеристик канала связи. К мультипликативным помехам относятся нелинейность характеристик линии связи, частота среза линии связи, сопротивление линии связи и другие.[6]



1.3 Виды цифровой манипуляции

Зачастую несущий высокочастотный сигнал скачкообразно изменяет свои параметры при влиянии на него цифрового (дискретного) информационного сообщения. Величина информативного параметра передаваемых сообщение не пропорциональна входному сигналу, а имеет два фиксированного значения. Такой процесс называется цифровая модуляция или манипуляция. Чаще всего используется многопозиционный метод. Суть метода заключается в том, что один элемент линейного сигнала несет в себе информацию о большем числе битов, чем в обычных двухпозиционных (бинарных; логический 0 и логическая 1) методах. Многопозиционный метод позволяет повысить существенно удельную скорость передачи информации. Но при повышении скорости, начинают возникать ошибки, связанные с погрешностью передачи сигнала.

Информационное сообщение может манипулировать такие параметры, как амплитуда, фаза и частота. Из этого следует, что существует несколько видов цифровой манипуляции: частотная, фазовая и амплитудная. Рассмотрим параметры, преимущества для каждой из этих видов манипуляции. [7]

Частотная манипуляция.При частотной манипуляции в процессе формирования сигнала изменяется частота несущего сигнала при неизменной амплитуде сигнала. Частота сигнала меняется в зависимости от значений символов информационного сигнала (либо логическая 1, либо логический 0). Для передачи логической 1 используется высокая частота колебаний, для передачи логического 0 - используется низкая частота колебаний. Для многопозиционной частотной манипуляции используется большое количество частот.

Не смотря на простоту данной схемы (бинарной), в реальности её применяют крайне редко, поскольку необходим переключатель с минимальным переходным процессом. Также при произвольной начальной фазе генераторов могут быть скачки по фазе, когда изменяется символ, а это приводит к расширению спектра. Вместо частотной манипуляции применяется частотная манипуляция с непрерывной фазой. Данный вид манипуляции обладает высоким помехоустойчивыми характеристиками, в сравнении с амплитудной манипуляцией, однако применяется не так часто, в отличие от фазовой манипуляции. [8]

Фазовая манипуляция.При фазовой манипуляции скачкообразно меняется фаза несущего колебания в зависимости от информационного символа. При переходе из логического 0 в логическую единицу и обратно сдвигает фазу несущего сигнала на р, то есть знак сигнала меняется на противоположный (рис. 3). Так большая амплитуда спектральных составляющих фазовой манипуляции сигнала в сравнении с амплитудной манипуляцией обуславливает большую помехоустойчивость.

Рис.3. Бинарная фазовая манипуляция

Существует несколько видов фазовых манипуляций, позволяющие передавать не только логический 0 и логическую 1.

Квадратурная фазовая манипуляция - разделение на четыре фазы, которые позволяют при этом закодировать два бита за сигнал рис. 4.



Рис. 4. Квадратурная фазовая манипуляция

Восьми фазовая манипуляция - разделение на восемь фаз, которые позволяют при этом закодировать три бита за сигнал рис.5.

Рис. 5. Восьми фазовая манипуляция

Фазовая манипуляция плохо подвержена влияниям помех, в следствии сложности метода искажения фазы естественными и прочими видами помех.[9]

Амплитудная манипуляция. При амплитудной манипуляции скачкообразно меняется амплитуда несущего колебания в зависимости от информационного символа. Часто амплитудную манипуляцию называют дискретной модуляцией.Для передачи логической 1 используется большая амплитуда, для передачи логического 0 используется малая амплитуда, также бывают ситуации, когда логическому 0 соответствует отсутствие колебания. Данный вид манипуляции часто применяют в телемеханике и в системах связи, например, в азбуке Морзе. Чаще всего использую многопозиционный метод. При этом методе амплитудной манипуляции задаются не две амплитуда (логический 0, логическая 1), а, например, четыре амплитуда, которые будут соответствовать логическим 00, 01, 10,11 при увеличении амплитуды.

Данный вид манипуляции имеет самую низкую помехоустойчивость. Естественные помехи (гроза, ветер, дождь, индустриальные помехи) они в основном аддитивные. Это значит, что данный вид помех коррелируется своей амплитудной с несущим сигналом, то есть складывается. На рис.6.Представлены все три вида бинарной цифровой манипуляции

Рис. 6. Бинарная цифровая манипуляция [10]

Все виды манипуляций используются в радиостанциях разного поколения для передачи сигнала на большие расстояния. Проанализировав главные виды манипуляции, можно сделать вывод, что фазовая манипуляции является главным способом передачи сигнала в структуре связи, так как имеет самые устойчивые помехозащищенные характеристики, несмотря на сложность в конструктивном исполнении. Далее автор разберет структуру связи, которую выстраивает МЧС при отсутствии или повреждении основной связи.



Глава 2

2.1 Стационарные и подвижные узлы связи

Для организации связи в районе чрезвычайной ситуации необходимо развернуть структуру, которая позволяет абонентам устанавливать контакт друг с другом и с различными ведомственными органами. Общий принцип заключается в организации стационарного узла связи, который будет участвовать организации и управлении действия по устранению последствий чрезвычайных ситуаций. Также необходимо организовать и подвижный узел связи, для передачи данных в условиях перемещения мобильного пункта.

Стационарный узел связи - это техническое объединение средств связи и автоматизированного управления, развернутых в пункте оперативного управления для передачи сообщений и обмена информации в момент чрезвычайных ситуациях. Стационарные узлы связи бывают:

1) Узел связи пункта управления. Узел связи пункта управления обеспечивает приём и передачу сигналов между локальными - оперативными пунктами управления. Приём и передача информации должна быть обеспечена с наиболее высоким качеством, скоростью и в разных форматах. Узел связи пункта управления должен поддерживать действующие узлы связи во всех режимах работы (активный, пассивный, резервный) для постоянной связи между друг другом.

2) Опорный узел связи. Данный узел отвечает за образование, поддержку и настройку локальных каналов связи, а также передачу (транзитные соединения) на другие узлы связи. К поддержке локальных каналов связи относится ретрансляция радиосвязи и переприем информации при ухудшении условия прямой видимости, обеспечение связи при передвижении мобильных станций (машин МЧС), оборудованных средствами связи. Настройка и эксплуатация линий связи на закрепленных участках, находящихся на вдали от узла связи.

3) Специальный узел связи. Данный узел связи отвечает за выполнения специальных задач связи (связь между базовой станцией и мобильной станцией, а также передача информации между ними).

Подвижный узел связи или мобильный пункт управления - это совокупность технических средств связи и их автоматизированного управления, которая развернута в пункте мобильного управления для передачи речевых сообщений и обмена информации в момент чрезвычайных ситуациях.

Подвижный узел связи может обеспечить:

1) Оперативную организацию локальной вычислительной сети (ЛВС), включающей рабочие места, оборудование в различных местах.

2) Оперативную организацию высокоскоростных каналов связи для телефонной связи и для передачи данных между составными частями мобильного пункта управления, используя технологию широкополосного радиодоступа.

3) Оперативную организацию коммутации радио абонентов, которые используют ультракороткие волны (УКВ) и короткие волны (КВ) радиосетей как межу собой, так с абонентами, которые используют пользуются внутренней автоматической телефонной станции (АТС).

4) Оперативную организацию сетей связи УКВ с использованием радиостанций различных диапазонов (ультравысокие частоты, очень высокие частоты).

5) Оперативную организацию сетей связи КВ и сетей спутниковой связи в стационарной и подвижной форме.

6) Оперативную организацию дополнительных автоматизированных рабочих мест (АРМ) и установку на них различного комплекта устройств связи (телефонные аппараты,АРМ со специализированным ПО, пользовательский терминал,МФУ).

7) Оперативную организацию видеоконференцсвязи по спутниковым каналам связи.

Дополнительные возможности подвижного узла связи, обеспечивающие работу оперативной группы МЧС в чрезвычайных ситуациях:

1) Автономное электропитания. Возможность подключения промышленной сети к силовым кабелям.

2) Автономное освещения, включая аварийного.

3) Системы отопления, вентиляции и кондиционирования.

4) Санитарно-бытовой отсек.

5) Грузовой отсек; перевозка дополнительного оборудования.

6) Наличие комплектов защиты средств для оперативной группы (фильтрующие и изолирующие противогазы, защитные костюмы, комплекты приборов для проведения разведки радиационной, химической и бактериологической обстановки в месте ЧС, индивидуальные медицинские аптечки и др.).[11]

При организации мобильного и стационарного пункта связи, требуется разработать структуру связи, которая потребуется для МЧС при проведении работ в районе с чрезвычайной ситуацией.

2.2 Структура сетей связи

Обычная сеть связи состоит из нескольких частей: конечные устройства (передатчик и приемник); система передачи информации (линии связи); устройства коммутации. Для оптимальной проектировки системы (наименьшие затраты с наибольшим коэффициентом полезного действия) необходимо выбрать структуру сети. Сеть состоит из узлов (каналов) и ребер (линий связи), соединяющих эти узлы между собой.Для построения сети связи также необходимо обеспечить её высокой надежностью путем применения различных типов линий связи, то есть необходимо сделать резервные пути для обхода в случае аварии.

Есть три основных вида построения сети связи:

- прямое соединение (каждый с каждым), при котором каждый узел имеет прямые связи с другими узлами;

- узловое, при котором несколько пунктов группируются в узлы и далее узлы соединяются друг с другом;

- радиальное (звездообразное), при котором имеется один узел с расходящимися во все стороны линиями к другим пунктам.

Узловое и непосредственное соединения в технико-экономическом отношении невыгодны, хоть и непосредственное соединение имеет высокую надежность. Звездообразное соединение наиболее экономически дешевое, но не обеспечивает полной надёжностью за счёт отсутствия резервирования. Наилучший результат в экономическом и техническом плане дают комбинации данных соединений. Например, сочетание радиальной и узловой системами. Одноименные узлы соединяются линиями связи между собой и с нижестоящими узлами, что дает разветвленную, устойчивую и экономически выгодную структуру. При такой схеме может быть осуществлена прямая связь в обход главных узлов. Также стремятся создать сетку связи. При ней каждый узел связи связан напрямую со смежными (ближайшими) узлами,при этом создаются обходные пути, и обеспечивается несколько (обычно два или три) независимых выхода к любому узлу связи.[12]

В рамках создания структуры сетей связи в экстренных ситуация и высокой оперативности наиболее частый метод построения - смешанный метод для поддержки связи с локальными инфраструктурами и головным центром при использовании резервных каналов связи. Смешанный метод подразумевает возможность интеграции создаваемых сетей связи в единое информационно-вычислительное пространство. Система связи должна оперативно изменяться (трансформироваться) за счет высокой мобильность узлов связи. Смешанная структура радиосвязи представляет собой совокупность взаимосвязанных сетей радиосвязи, объединённых в единую разноформатную сеть, предназначенную для предоставления пользователям услуг связи. Данная мультисервисная сеть связи будет состоять из сетей независимых друг от друга: магистральных опорных сетей связи, распределенных опорных сетей связи и абонентских сетей связи.

2.2.1 Магистральные опорные сети связи

Магистральная опорная сеть связи представляет собой телекоммуникационную высокоскоростную транспортную инфраструктуру, объединяющую отдельные станции, узлы и сегменты, к которой подключены другие разные распределенные опорные сети с абонентским оборудованием. Для формирования между базовыми станциями необходимо развернуть магистральные опорные сети связи.Существует несколько видов магистральных сетей, основанных на различных видах кабелей (оптико-волоконные, витая пара и другие). Но в данный момент чаще всего основу магистральных линий составляют оптико-волоконные линии связи, которые соединяют между собой основные узлы коммутации, которые в свою очередь поддерживают высокие скорости передачи данных. Магистральные сети соединяют между собой распределенные сети абонентов, локальные вычислительные сети. Такие сети организуются в больших масштабах, таких как страна, область или крупный город. Но в рамках данный работы, автор рассматривает организацию магистральных сетей в рамках крупного района, где работает МЧС для устранения последствий чрезвычайной ситуации.

Основные цели, которые достигаются путем построение магистральных сетей: оперативный обмен информацией (передача данных любого формата); устойчивость высокоскоростного соединения удаленных и распределенных дата центров; расширение каналов связи для быстрой и качественной передачи; надежность передачи данных в рамках дальних и ближних соединениях.

Необходимо указать особенности и некоторые характеристики нескольких технологий построения магистральных сетей.

Синхронная цифровая иерархия (SDH - SynchronousDigitalHierarchy) - это основная технология цифровой передачи данных, основанная на синхронизации по времени принимающего и передающего узла. Данная технология имеет ряд особенностей. Записи в международных стандартах, функции и параметры аппаратуры, позволяющие обеспечить совместимость оборудования разных производителей, что позволят в свою очередь операторам различных сетей беспрепятственно взаимодействовать друг с другом.

Структура сигнала SDH позволяет мультиплексировать и демультиплексировать транспортный поток, а также получать доступ ко всем его компонентам, не используя сторонние. Основой этой структура является синхронный транспортный модуль STM-N, где N- уровень SDH. На данный момент часто используется STM-1, STM-4, STM-16и STM-64.

Время повторения передачи сигналов транспортных модулей всех уровней равно 125*10^-6 с. Такое единообразие обеспечивает мультиплексирование потоков нижних уровней в более высокие.Одно повторение транспортного модуля представляют в виде прямоугольных таблиц. Можно привести пример: модуль STM-1 содержит 9 строк по 270байт, а первые 9байт образуют заголовок цикла в каждой строке. При модулях более высокого порядка мультиплексирование побайтное происходит за счёт такого же, как и прежне размещения секционных заголовков, полезного сигнала и указателей. Эта универсальность была достигнута путем применения контейнеров, в которых по сети SDH переносятся полезные сигналы нагрузки.В данной технологии используется сложная система указателей и заголовков различного типа. Но именно благодаря им возможен доступ к передаваемой информации, а также возможна передача по сети SDH сигналов синхронизации, сетевого управления, мониторинга и технического обслуживания.

Уплотнение волнового мультиплексирования (DWDM - DenseWaveDivision Multiplexing) - это технология мультиплексирования оптических каналов по длинам волн, которая начала применяться не так давно. Эта технология предназначена для созданиямагистральных сетей, основанных на оптико-волоконных канал связи нового поколения, обеспечивающих сверхскорости (гигабитные и терабитные). Из описания ясно, что информация передается большими количествами одновременной передачи световых волн. Основными функциями технологииDWDMявляются коммутации каналов. Каждая световая волна - это отдельный спектральный канал, который несет в себе полезную информацию. Количество каналов в одном волокне равно 64 световым пучкам в окне прозрачности 1550нм. Скорость переноса информации, которой обладает световая волна достигает 40Гбит/с. В перспективе, ведутся разработки и моделирование оборудования, где световая волна будет достигать 100Гбит/с.[13]

Предшествующая технология DWDM - это технология волнового мультеплексирования (WDM). В этой технологии используются четыре спектральных канала в окнах прозрачности 1310нм, 1550нм с разбегом несущих в 800-600ГГц. DWDM-технология называется «уплотненной» потому что в ней используется гораздо меньшее расстояние между длинами волн, по сравнению с технологией WDM. Главными недостатками при построении магистральных сетей с помощью технологии DWDM являются перекрытие спектров соседних каналов и размытие светового пучка, из-за уменьшения шага частот. А уменьшение шага частот ведет к увлечению вероятности ошибок и невозможности передачи корректной информации по заданным системам рис. 7.



Рис.7. Перекрытие спектра соседних волн для различных частотных планов и скоростей передачи данных [14]

Две основных этих технологий, которые применяются при построении магистральных сетей связи заранее обеспечивают характеристики сети: высокая скорость передачи информации по одному оптико-волоконному физическому каналу (от 400Гб/с); максимальная плотность задействования оптической среды за счет спектрального мультиплексирования по частоте и фазовой модуляции, исключая необходимость ввода второстепенной линии; мультиформатность - передача любого вида информации (голосовая связь, видеосвязь, потоки данных); самовосстановление пропускной способности после сбоев при минимальном времени; поддержка любой структуры связи (кольцевой, древовидной, смешанной); перестроение при использовании разного вида оборудования. А данные характеристики жизненно необходимы при развертывании системы связи в рамках чрезвычайных ситуаций.

2.2.2 Распределенные опорные сети связи

Распределенные опорные сети - совокупность опорных и вспомогательных узлов связи, соединенных между собой линиями связи общего назначения. Распределенные опорные сети связиимеют ячеистую топологию. У данной структуры связи основной задачейявляется транспортная функция, которая объединяет возимые и носимые радиостанции различных подразделений. Опорные сети создаются в районе чрезвычайных ситуаций с целью образования начальных каналов связи и групповых трактов. Групповые тракты распределяются между узлами связи пунктов оперативного управления, контроля, коммутации и резервирования каналов связи. В каждой распределенной опорной сети может насчитываться несколько десятков базовых возимых и носимых радиостанций.[15]

2.2.3Абонентские сети связи

Одной из быстро развивающихся структур сетей связи является структура с доступом абонентов к узлам и каналам связи от магистральных сетей для предоставления телекоммуникационных пользовательских услуг. Такой вид сетей называется абонентские сети связи. Абонентские сети или сети прямого доступа делятся на три основных вида:

· Простые сети абонентского доступа. Сети, которые строятся на существующей инфраструктуре низкочастотных кабелей (медных проводов) для предоставления доступа к широкополосным и узкополосным видам услуг. Предоставлять услуги могут модемы цифровые абонентские линии в симметричных и ассиметричных высокоскоростных линиях. При этом, скорость передачи данных достигает 50Мбит/с на расстояние до нескольких километров.

· Оптические сети абонентского доступа. Сети, которыестроятся на оптико-волоконных кабелях для организации доступа к любым видам услуг (любой вид передачи данных). При этом, скорость передачи данных достигает 40Гбит/с на расстояние до нескольких десятков километров.

· Радиосети абонентского доступа.Сети, скоторые строятся на технологии радиодоступа для мобильного широкополосного и узкополосного доступа. При широкополосных и узкополосных доступах применяются разделение по времени, спектру частот, кодовое разделение и разделение пакетов для радиочастотных ресурсов. Скорость передачи данных может достигать 100Гбит/с на расстояние до нескольких десятков километров.

Можно сделать вывод, что при использовании всех видов абонентских сетей предоставляется любой формат передачи данных (любой вид информации): телефонная связь (в том числе и IP-телефония), видеосвязь, Интернет, электронная почта, цифровое телевидение, звуковое вещание и так далее. Чтобы передавать и получать любого вида информацию, абонентам предоставляется терминал в виде: радиостанция, мобильный телефон, персональный компьютер, терминалы сетевых подключений цифровых сетей и более сложные терминалы (например, многофункциональный терминал широкополосного радиодоступа - МТШРД). В связи с тем, что все чаще и чаще создаются телекоммуникационные мультисервисные абонентские сети между терминалом пользователя и коммутационной станцией, то они уже перестают быть элементами сети электросвязи только между абонентами и станциями. Стандартная структура представлена ниже (рис. 8).

Рис. 8. Стандартная структура сетей абонентского доступа

Сеть прямого доступа в простейшем случае состоит из абонентского терминала, пользовательской линии и узла коммутации. Тогда можно сделать вывод, что в общем случае под абонентскими сетями доступа принимается совокупность линий, конечных и промежуточных узлов, включаемых в коммутационное оборудование магистральной сети напрямую или через внешний модуль (мультиплексор, концентратор). Структурно сеть прямого доступа располагается между оборудованием, помещённым между расположением абонента и мобильной станцией. Граница между сетью прямого доступа и терминалом абонентским может быть распределенная коробка или розетка. Граница междусетью прямого доступа и магистральной сетью проходив в месте установки узла коммутации, в абонентские комплекты которого входят подключаемые абонентские линии.[16]

Можно сделать вывод, что основная структура связи, которую оперативно развертывают для передачи данных состоит из магистральных опорных сетей, для передачи основного траффика данных, распределенных опорных сетей, как некий узел приема и передачи информации с магистральных сетей и абонентских сетей, задействованных для обеспечения непосредственного контакта с конечными пользователями.

В третьей главе будет рассматриваться поколение радиостанций, работающих на уже указанной структуре сетей связи и будет представлен алгоритм расчета дальности связи.



Глава 3

3.1 Поколение радиостанций

Значение качественной, помехоустойчивой и постоянной радиосвязи при возникновении стихийных бедствий или чрезвычайных ситуаций сложно недооценить. В силу необходимости увеличения дальности связи и улучшения качества передачи сигнала необходимо постоянно совершенствовать технологии сетей связи. Еще со времен Первой Мировой Войны шло развитие радиосвязи.

В 1940 году была решена проблема организации радиосвязи низкого звена управления в армии - взвод, батарея и так далее. Имеющиеся станции, работающие в коротковолновом диапазоне, обсуживаемые двумя связистами, не соответствовали экономическивыгодным требованиям и имели большой объем и вес. Эти станции забивали эфир так, что используемый диапазон, в условиях масштабных операций, становился практически непроходимым.

Для решения данной проблемы решили использовать ультракороткие волны. При использовании амплитудно-модулированного сигнала при мощности передающего устройства в 1Вт, дальность связи достигала до 8км. Позднее разработали радиостанцию с частотной модуляцией. Все последующие разработки приводили к улучшению данных параметров:

1. Снижение веса радиостанции и уменьшение её габаритов;

2. Снижение энергопотребления;

3. Расширение частотного диапазона и уменьшение междуканального расстояния;

4. Повышение надёжности;

5. Техническое маскирование речи (кодирование);

6. Программная перестройка радиочастот;

7. Возможность передачи и приема данных.

Изменение данных параметров определяется изменением таких параметров, как чувствительность приемного устройства, мощность передающего устройства, коэффициент усиления антенны, максимально допустимое затухание и так далее.

Все радиостанции делятся на шесть поколений. В радиостанциях первого поколения, как уже рассматривалось ранее, применялась амплитудная модуляция. В радиостанциях второго поколения- однополосная амплитудная модуляция. Начиная с третьего поколения, в радиостанция использовали частотную модуляцию. Автор рассмотрит ближайшие предшествующие шестому поколению (четвертое и пятое поколения) радиостанции, которые соответствуют теме исследования.

3.1.1 Радиостанция четвертого поколения

В восьмидесятые годы была разработана радиостанция, использующая ультракороткие волны, которые были приняты за основу при разработке помехоустойчивости радиостанций. Для данных изделий был разработан ряд микросборок, позволяющих реализовать высокие технические характеристики - малые габариты и энергопотребление. Мобильные УКВ радиостанции 4 поколения предназначены для обеспечения связи на небольшие расстояния, в них широко используется диапазон метровых волн. Радиоволны метрового диапазона распространяются вдоль земной поверхности на расстояния, ограниченные прямой видимостью между приемными и передающими антеннами. В связи с этим, значительно снижается уровень станционных помех. Для улучшения помехоустойчивости радиостанции четвертого поколения используют частотную модуляцию, не применяя однополосную модуляцию (сложность конфигурации схемы передающего и принимающего устройств, вызывающего увеличение габаритных характеристики и веса устройства).

Радиостанции, использующие ультракороткие волнывыполняются по трансиверной схеме: использование одних и тех же элементов схемы в приемном и передающем устройствах. Данная схема позволяет уменьшить габариты и вес, потребляемую энергию, упрощает процесс пред надстройки и непосредственной эксплуатации радиостанции, но способ связи остаётся симплексным.

3.1.2 Радиостанция пятого поколения

В девяностые годы была разработана радиостанция пятого поколения, предназначенная для обеспечения автоматизированного закрытого канала связи в коротковолновом и ультракоротковолновом диапазонах волн. Данная мобильная и стационарная радиостанции имели выходную мощность от 0,1 до 100Вт. В радиостанциях пятого поколения сконфигурировали несколько помехозащищенных режимов работы: адаптивная антенная система (ААС)и Программная перестройка рабочей частоты (ППРЧ) со скоростью 100 скачков в секунду. В пятом поколении стали применять технологии:

· расширенного диапазона частот (от 30 до 108МГц);

· криптографическая защита информации;

· временное разделение каналов (обеспечивает одновременно передачу речевых сообщение и передачу данных).

Радиостанции пятого поколения предназначены для формирования и обеспечения устойчивой связи в сложных погодных, эксплуатационных условиях.[17]

3.1.3 Радиостанция шестого поколения

На данный момент в России уже создана цифровая радиостанция для связи армии, правоохранительных органов и МЧС, основанная на программно-определяемом радио (SoftwareDefinedRadio - SDR) и когнитивная радиосистема (CognitiveRadioSystem - CRS). Технологическая база данной радиостанции обладает мощными аппаратными ресурсами, которые наделяют её возможностью смены аппаратных параметров в зависимости от сценария чрезвычайных действий, например, изменение дальности связи, скорости передачи информации, выбор формата и способа передачи информации при экстренных ситуациях. Многие предприятия уже разработали свои прототипы и даже серийные образцы. Вот некоторые компании, которые уже производят данные станции: «Объединенная приборостроительная корпорация» (ОПК), входящая в госкорпорацию «Ростех»; Концерн «Созвездие»; «НПО Ангстрем»; ОПК АО «Электроавтоматика»; АО «НИИССУ» и другие.

Радиостанция шестого поколения работает в дуплексном режиме передачи сигнала. Может передавать телеграфные сообщения,речевой вид информации и информационные сообщения. Зона покрытия сигнала радиостанцией может быть в любой пересеченной местности, в зонах боевых действий и чрезвычайных ситуаций, вдали от группы оперативного управления, например, в горах, при пожаре, при наводнении, при урагане или штормы и других техногенных катастрофах. С помощью радиостанцииможно легко организовать стабильную связь, в любых чрезвычайных ситуациях, где разрушена или полностью отсутствует основная телекоммуникационная инфраструктура для передачи сигналов.[18]

В новой радиостанции удалось спроектировать и реализовать технологию связи самого современного поколения - шестого поколения. Данная технология позволит сделать радиостанцию «умной». Радиостанция шестого поколения является самоорганизующейся и самовосстанавливающаяся.

Как ранее было сказано, радиостанция базируется на технологиях связи шестого поколения (эта технология не совпадает с нумерацией поколений технологии сотовой связи). Основой является программно-конфигурируемое радио (SDR). Этот вид технологии аналогичен программно-конфигурируемым сетям.Программно-конфигурируемое радио позволяет посредством программного обеспечения изменять многие параметры радиосистемы и добиваться более качественного сигнала:

1) Радиостанция способна самостоятельно выбирать тип передачи (выбор частотной, амплитудной или фазовой манипуляции) без участия человека;

2) Радиостанция способна самостоятельноизменять выходную мощностьбез участия человека.

Радиостанция также является когнитивной радиосистемой (CRS). Когнитивная радиосистема способна анализировать данные об особенностях и характеристиках собственной эксплуатации. Также радиостанция способна получать характеристики об окружающей среде с целью динамической корректировки рабочих параметровсистемы для достижения поставленных задач в условиях чрезвычайной ситуации. После того как система обновила параметры, она заново повторят цикл и смотрит на полученные результаты.Радиостанция способна самостоятельно выбирать оптимальные маршруты связибез участия человека.

Без участия человека означает, что связист, включая приемопередатчик, будет точно уверен, что аппаратура уже автоматически настроена и полностью готова к работе за минимальные сроки настройки. Это очень важно вэкстремальных условиях, когда обстановка меняется стремительно и времени на наладку радиостанции и другого оборудованияв остром дефиците.

Новая радиостанция шестого поколения обеспечивает защищенную передачу данных и гарантирует исключение «мертвых зон» (кольцевая область вокруг передатчика, в которой прием радиосигналов-коротких волн невозможен. Это обусловлено тем, что земные волны, испытывая в диапазоне коротких волн сильное поглощение) на линиях связи радиусом до 600 км. Передача сигналов и информации ведется непосредственно между двумя мобильными (носимыми) радиостанциями, исключая применение ретрансляторов и радиорелейных станций.

Максимальная скорость передачи данных составляет 2,4 кбит/с, а в коротковолновом диапазоне достигает 4,8 кбит/с. В зависимости от производителя вес радиостанции составляет от 3,4 до 38 килограмм, что позволяет использовать её как переносное средство связи. [18]

Радиостанции шестого поколения активно начали использовать службы МЧС для связи с другими ведомственными службами для устранения последствий техногенных катастроф или стихийных бедствий. Преимущества данного поколения дает возможность связистам не настраивать оборудование, а делать это в автоматическом режиме. Технологии передачи данных, которые используют эти радиостанции будут подробно рассмотрены далее.

3.2 Технологии передачи данных

В данный момент существует множество технологий передачи данных. Такие характеристики системы радиодоступа, как мультиформатность и многопользовательская обеспечиваются технологиями Tetraи широкополосной технологией радиодоступа. Улучшенная технология широкополосного радиодоступа - это использование одного многофункционального терминала широкополосного радиодоступа для организации радиосвязи с несколькими радиосредствами различных диапазонов, входящих в диапазон МТШРД.

3.2.1 Технология системы связи TETRA

ТехнологияTetra (TErrestrialTrunkedRAdio)представляетсобойназемнуюцифровуютранкинговуюрадиосвязь.Технология системы связи TETRA используют технологию множественного доступа с разделением по времени (Time Division Multiple Access - TDMA). Технология TETRA использует четыре канала, которые могут объединяться в общую шину - поток. Это поток передается по радиочастотному каналу связи полосой частот в 25 кГц. Частотный спектр используется более эффективно при построении общего потока. Также объединение каналов связи позволяет использовать всего один ретранслятор и значительно упростить оборудование базовой станции (антенна, фидер).

Большим преимуществом перед другими технологиями является то, что в режиме передачи данных для одного пользователя может выделяться разное количество потоков. Если требуется максимальная скорость передачи информации, то технология TETRAпозволяет использовать два, три и все четыре потока. При использовании всех четырех потоков можно передавать любой вид информации, включая речевую, графическое изображение, электронные письма и видеоинформацию. Каждый отдельный канал из четырех может обеспечить скорость передачи данных в 7,2 кбит/с. Для передачи уже оцифрованного, зашифрованного сигнала требуется 4,8 кбит/с, остальные 2,4 кбит/с требуется для передачи кода коррекции ошибок.

Средства защиты, встроенные в систему TETRAмогут передавать зашифрованные голосовые сигналы, зашифрованные данные. Существует взаимосвязь между уровнем шифрования и скоростью передачи данных проиллюстрированнаяв таблице 1.

Таблица 1 Характеристика режимов

Режим защиты	Скорость (кбит/с) и число выделенных потоков	Вид передающего сообщения
	4	3	2	1
Незащищенный режим	28,8	21,6	14,4	7,2	графическая информация, видеоинформация, использование Интернет
Защищенный режим	19,2	14,4	9,6	4,8	текстовые сообщения, передача картографических данных
Крайне защищенный режим	9,6	7,2	4,8	2,4	конфиденциальная служебная информация (правоохранительные органы, военные ведомства, МЧС), банковская информация



При защищенном режиме шифрования из максимально возможной скорости на один канал (7,2 кбит/с) вычитается скорость (2,4 кбит/с), требуемая на шифрованиевсего канала между конечными устройствами и базовой станцией, к которой подключено устройство. А при крайне защищенном режиме шифрования из максимально возможной скорости на один канал вычитается скорость,требуемая на шифрование канала между конечными устройствами и базовой станцией и скорость, требуемая на шифрование канала между базовой станцией и другими конечными устройствами. Проверка абонентовпо идентификационному и электронному номерам, которые передаются от базовой станции, также используется в системе TETRA помимо шифрования.

Очень важными особенностями технологии TETRA являются несколько режимов передачи сигналов. Первый режим - прямой режим связи, второй режим - режим мобильного ретранслятора, третий режим - режим виртуальных сетей.

Работа в режиме прямой связи позволяет абонентам (радиостанциям) взаимодействовать друг с другом без участия базовой станции. Данный режим связи позволяет функционировать радиостанциям в зоне действия транковой системы и вне ее, а также при нахождении абонентов в зоне радиовидимости. Базовая станция не участвует в процессе передачи сигналов и данных, что значительно снижает нагрузку на систему связи. Это значит, что система остается функционировать даже при повреждении или полном разрушении базовой станции, что очень важно при чрезвычайных ситуациях и стихийных бедствиях. При этом, дальность распространения связи зависит только от физических принципов распространения радиоволн, зон видимости и погодных условий.

...