CC BY
198
УДК 621.396.2
О. Н. Пищин
АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ СЕТИ СИГНАЛИЗАЦИИ И КОНТРОЛЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОСТИ СИСТЕМ ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ
Введение
Как правило, контроль исправности и готовности элементов такой системы связи, как система подвижной радиосвязи общего пользования (СПР ОП), организуется по собственным каналам, например по каналам GSM. Однако в случае отказов или аварий на участках магистральных линий системы информация о действительном техническом состоянии объектов радиоэлектронных средств (далее средств РЭС) или целой их группы на центральный контроллер системы не поступает. Дежурные службы операторов до устранения аварии такой информацией не обладают, информация о части системы утрачивается безвозвратно и не может быть получена до момента её полного восстановления. Более того, имеют место неисправности на сети такого рода, когда их определение существующими элементами контроля невозможно. Так, например, в случае неисправности антенно-фидерного устройства (АФУ) никакой аварийной информации в центр коммутации каналов и центральный контроллер системы не поступает, т. к. базовая станция (БС) исправна, а реальный уровень излучения электромагнитного поля не контролируется.
Таким образом, существующая система контроля состояния и качества предоставления услуг связи не предоставляет полной и исчерпывающей информации о её реальном состоянии.
В настоящее время становится всё более актуальным использование альтернативных сетей передачи данных о состоянии объектов и узлов различных систем как государственного, так и коммерческого назначения. Такими сетями выступают беспроводные сенсорные сети (англ. Sensor Networks).
«Беспроводная сенсорная сеть» или сеть автономных датчиков - это распределенная, самоорганизующаяся сеть множества датчиков (сенсоров) и исполнительных устройств, объединенных между собой посредством радиоканала. Область покрытия подобной сети может составлять от нескольких метров до нескольких километров за счет способности ретрансляции сообщений от одного элемента к другому. Технология ретранслируемой ближней радиосвязи 802.15.4/ZigBee, известная как «сенсорные сети» (англ. WSN - Wireless Sensor Network), является одним из современных направлений развития самоорганизующихся отказоустойчивых распределенных систем наблюдения и управления ресурсами и процессами.
В настоящее время технология беспроводных сенсорных сетей является перспективной беспроводной технологией, с помощью которой можно решить задачи мониторинга и контроля систем сотовой связи. Объединенные в беспроводную сенсорную сеть, датчики образуют территориально распределенную самоорганизующуюся систему сбора, обработки и передачи информации. Основной областью применения является контроль и мониторинг измеряемых параметров физических сред и объектов.
Под измеряемыми параметрами физической среды систем СПР ОП будем понимать уровень электромагнитного поля, наводимого РЭС. Уровень электромагнитного поля, или другими словами, уровень мощности излучения БС сети СПР ОП контролируется операторами сотовой связи периодически выездными бригадами, оснащёнными подвижным комплексом мониторинга и оптимизации сетей связи. Период контроля, как показывает практика, - не чаще 1 раза в квартал. Если оператор в регионе не имеет собственного подвижного комплекса мониторинга, контроль уровня излучения БС производится головным предприятием не чаще 1 раза в год.
Таким образом, постоянным контролем уровень излучения БС в сетях СПР ОП не охвачен, и, соответственно, на негативные изменения в этой области оператор своевременно не отреагирует.
Под измеряемыми параметрами объектов СПР ОП будем понимать измеряемые качественные параметры объектов РЭС. К объектам РЭС системы подвижной радиосвязи относятся: БС, АФУ, радиорелейные станции (РРС), устройства коммутации соединительных линий и уплотнения каналов, устройства энергоснабжения и обеспечения уровня безопасности функционирования объекта.
Работоспособность БС и её элементов оператор сотовой связи контролирует удалённо -через контроллер центральный БС, а такой качественный параметр, как уровень мощности на выходе передатчика контролем не охвачен. Это означает, что в случае заниженной мощности излучения передатчика изменяется в сторону уменьшения зона обслуживания БС и значительно снижается качество предоставляемых услуг. На снижение качества предоставления услуг при наличии исправности остального оборудования, а также стандартной системы сигнализации в каналах GSM оператор сотовой связи не сможет отреагировать ввиду отсутствия информации об этом. Таким образом, необходима дополнительная точка контроля качественных параметров БС - отражения уровня работоспособности или мощности на выходе передатчика БС. При этом уровень мощности излучения передатчика можно контролировать на выходе самого передатчика, на выходе соединительного волновода (на выходе jamper) и, что особенно важно, на входе АФУ. Так под контроль попадают качественные характеристики волноводов фидерного тракта, несущие основную нагрузку по затуханию мощности передатчика при её переносе от приёмопередатчика к антенне.
Работоспособность РРС определяется в настоящее время по наличию или отсутствию каналов радиорелейного интервала (РРИ). Контроль уровня мощности на выходе передатчика и на входе приёмника РРС удалённо не контролируется. Таким образом, уровень ухудшения такого параметра, как мощность излучения приёмопередатчиков РРС, не контролируется. Уровень воздействия внешних факторов на качественное состояние радиотракта радиорелейных линий должен быть контролируемым для того, чтобы своевременно предотвратить его вероятные замирания. Необходима дополнительная точка контроля состояния РРС, сигнализирующая об изменении уровня мощности передатчика и уровня сигнала на входе приёмника.
Работоспособность систем энергоснабжения также контролируется по наличию выходных напряжений, необходимых для работоспособности объектов РЭС комплекса БС. Не является контролируемым параметром уровень разряда аккумуляторных батарей. По уровню разряда батарей оператор мог бы принимать управляющие решения по снижению мощности излучения БС с целью увеличения продолжительности работы БС в случае отключения электроэнергии на объекте.
Работоспособность и исправность систем безопасности функционирования объекта удалённо не контролируются. Такие параметры, как сопротивление изоляции или исправность устройств заземления в настоящее время удалённо не контролируются. Контроль ухудшения этих параметров помог бы предсказать аварийные ситуации на объекте РЭС и увеличить безопасность функционирования объекта как для элементов комплекса БС, так и для обслуживающего его персонала.
В настоящее время по каналам системы СПР ОП ведётся контроль состояния БС и объекта, на котором она размещена, основывающийся, как правило, на размыкании контактов: включен и выключен вентилятор, открыта или закрыта дверь БС и т. д., а также дополнительный комплекс пожарно-охранной сигнализации. Однако этой информации недостаточно для оценки реального состояния всего объекта связи. Существует потребность контроля большого количества вполне определённых, вышеописанных параметров на объектах сети сотовой подвижной радиосвязи, без информации о которых невозможно принимать управляющие решения на восстановление качества её функционирования. Контроль такого рода информативности осуществить стандартными средствами сигнализации по каналам СПР ОП невозможно. Для получения полной информации о качественном уровне функционирования объекта системы, а также при частичной неисправности линий или участков системы сотовой связи необходима альтернативно функционирующая высоконадёжная сеть передачи данных. Этой сетью могут выступить беспроводные сенсорные сети.
Беспроводная сенсорная сеть (БСС) - это беспроводная система, представляющая собой распределенную, самоорганизующуюся и устойчивую к отказам отдельных элементов сеть миниатюрных вычислительных устройств с автономным источником питания. Узлы такой системы транслируют сообщения друг через друга, обеспечивая значительную площадь покрытия сетью при малой мощности передатчика [1, 2].
Один из вариантов БСС (называемых также специализированными или многоточечными сетями) строится из малых узлов - мотов (от англ. motes - пылинки). Моты - это небольшие автономные компьютеры с питанием от батарей и радиосвязью, которая позволяет им самоорга-
низовываться в специализированные сети, связываясь друг с другом и обмениваясь данными. Основная функциональная обработка данных, собираемых мотами, осуществляется на узле, или шлюзе, который представляет собой достаточно мощный компьютер. Но для того чтобы обработать данные, их нужно сначала получить. Для этой цели узел обязательно оснащается антенной. Однако в любом случае доступными для узла оказываются только моты, находящиеся достаточно близко от него; другими словами, узел не получает информацию непосредственно от каждого мота. Проблема получения сенсорной информации, собираемой мотами, решается следующим образом. Моты могут обмениваться между собой информацией с помощью приемопередатчиков, работающих в радиодиапазоне. Это, во-первых, сенсорная информация, считываемая с датчиков, а во-вторых, информация о состоянии устройств и результатах процесса передачи данных. Информация передается от одних мотов другим по цепочке, и в итоге ближайшие к шлюзу моты сбрасывают ему всю аккумулированную информацию. Если часть мотов выходит из строя, работа сенсорной сети после реконфигурации должна продолжаться. Но в этом случае, естественно, уменьшается число источников информации.
Обмен информацией между узлами системы происходит по беспроводным каналам связи по протоколу ZigBee. Данный протокол предоставляет возможности реализации беспроводной связи с низким энергопотреблением для множества приложений, которые осуществляют функции наблюдения и (или) управления.
Протокол ZigBee - это международный открытый стандарт, контролируемый объединением ZigBee Alliance, который был создан на основе стандарта IEEE802.15.4 для пакетной беспроводной передачи данных. Он обеспечивает гибкие, расширяемые сетевые топологии, содержит встроенные функции для организации сетей и маршрутизации передаваемых данных. Он обеспечивает также простую установку и высокую устойчивость к сбоям, полноценные меры по безопасности, преодолевает традиционные ограничения маломощных беспроводных сетевых решений, такие как малая дальность и ограниченное покрытие, а также уязвимость к сбоям в узле и в радиолинии.
Вообще все моты - устройства стандарта ZigBee - по уровню сложности разбиваются на три класса. Высший из них - координатор - управляет работой сети, хранит данные о ее топологии и служит шлюзом для передачи данных, собираемых всей беспроводной сенсорной сетью, для дальнейшей обработки. В сенсорных сетях обычно используется один координатор. Средний по сложности мот является маршрутизатором, т. е. может принимать и передавать данные, а также определять направления передачи. И наконец, самый простой мот может лишь передавать данные ближайшему маршрутизатору. Таким образом, получается, что стандарт ZigBee поддерживает сеть с кластерной архитектурой (рис. 1). Кластер образуют маршрутизатор и простейшие моты, у которых он запрашивает сенсорные данные.
Маршрутизаторы кластеров ретранслируют данные друг другу, и в конечном счете данные передаются координатору. Координатор обычно имеет связь с ГР-сетью, куда и направляются данные для окончательной обработки.
О УЗЕЛ КОНТРОЛЯ __I МАРШРУТИЗАТОР
КООРДИНАТОР
Рис. 1. Кластерная архитектура стандарта ZigBee
Однако это недостаточно удобно, т. к. возникает необходимость организации достаточно сложной иерархии и распределения функций между узлами по сложности выполнения назначенных задач.
Другим вариантом организации сенсорных сетей, наиболее предпочтительным, могут выступать Mesh-сети - новый перспективный класс широкополосных беспроводных сетей передачи мультимедийной информации.
Основным отличием этой платформы от ZigBee является ориентация на построение одноранговых ячеистых сетей (рис. 2). В таких сетях функциональные возможности каждого мота одинаковы. Возможность самоорганизации и самовосстановления сетей ячеистой топологии позволяет в случае выхода части мотов из строя спонтанно формировать новую структуру сети. Правда,
в любом случае необходим центральный функциональный узел, принимающий и обрабатывающий все данные, или шлюз для передачи данных на обработку узлу. Спонтанно создаваемые сети часто называют латинским термином ad hoc, что означает «для конкретного случая».
Рис. 2. Построение одноранговых ячеистых сетей
Топология Mesh (или MeshLogic) основана на децентрализованной схеме организации сети, что дает высокую степень надежности. Сеть можно представить в виде узлов, которые не только предоставляют возможность связи с сетью, но и выполняют функции маршрутизаторов/ретрансляторов для других узлов этой же сети. Благодаря этому появляется возможность создания самоустанавливающейся и самовосстанавливающейся сети. Mesh-сети строятся как совокупность кластеров. Территория покрытия разделяется на зоны, число которых теоретически не ограничено. В зависимости от конкретного решения узлы сети могут выступать в роли ретранслятора (транспортный канал) либо ретранслятора и абонентской точки доступа. Особенностью Mesh является использование специальных протоколов, позволяющих каждой точке доступа создавать таблицы абонентов сети с контролем состояния транспортного канала и поддержкой динамической маршрутизации трафика по оптимальному маршруту между соседними точками. При отказе какого-либо из узлов происходит автоматическое перенаправление трафика по другому маршруту, что гарантирует не просто доставку трафика адресату, а доставку за минимальное время. Процедура расширения сети ограничивается установкой новых узлов, интеграция которых в существующую сеть происходит автоматически. Недостаток подобных сетей заключается в том, что они используют промежуточные пункты для передачи данных; это может вызвать задержку при пересылке информации и, как следствие, снизить качество трафика реального времени. Но для передачи данных сигнализации о состоянии объектов эта задержка не будет значимой.
Одним из главных принципов построения Mesh-сети является принцип самоорганизации архитектуры, обеспечивающий такие возможности, как реализация топологии сети «каждый с каждым»; устойчивость сети при отказе отдельных компонентов; масштабируемость сети - увеличение зоны информационного покрытия в режиме самоорганизации; динамическая маршрутизацию трафика, контроль состояния сети и т. д. [3]. В Mesh-сетях каждый мот может выполнять ретрансляцию пакетов, т. е. по своим функциям напоминает маршрутизатор ZigBee. Mesh-сети
являются в полной мере самоорганизующимися: узлы-координаторы не предусмотрены. В качестве радиочастотных приемопередатчиков в Mesh-сетях могут использоваться различные устройства, в частности Cypress WirelessUSB, которые, так же как и устройства стандарта ZigBee, работают в диапазоне частот 2,4...2,4835 ГГц. Следует отметить, что для платформы Mesh-сетей существуют только нижние уровни стека протоколов. Считается, что верхние уровни, в частности сетевой и прикладной, будут создаваться под конкретные приложения [4].
Обмен информацией в Mesh-сетях происходит по протоколу IEEE 802.11s. В существующих сетях стандарта 802.11 терминальные (абонентские, конечные) станции (STA) связаны с точками доступа (Access Point - AP) и могут взаимодействовать только с ними. АР имеют выход в другие сети (например, Ethernet), но не могут обмениваться информацией друг с другом. В Mesh-сети, помимо терминальных станций и точек доступа, присутствуют особые устройства -узлы Mesh-сети (Mesh Point - MP), способные взаимодействовать друг с другом и поддерживающие Mesh-службы. Одно устройство может совмещать несколько функций. Так, узлы Mesh-сети, совмещенные с точками доступа, называются точками доступа Mesh-сети (Mesh Access Point, MAP). Порталы Mesh-сети (Mesh Point Portal, MPP), являясь МР, соединяют Mesh-сеть с внешними сетями. Таким образом, Mesh-сеть с точки зрения других устройств и протоколов более высокого уровня функционально эквивалентна широковещательной Ethernet-сети, все узлы которой непосредственно соединены на канальном уровне.
Как технология ZigBee, так и технология Mesh подходят для использования контроля за изменяющимися параметрами объектов комплекса БС в случае исправной работы сети сотовой связи, т. к. информация будет интегрироваться в сеть общего пользования через сеть СПР ОП. В случае же выхода из строя БС информация должна быть передана на соседние исправные участки сети сотовой связи. Для этого случая более подходит технология Mesh-сетей, ввиду их самоорганизующейся структуры и реализации топологии связности «каждый с каждым».
Заключение
Использование альтернативной сети передачи данных, основанной на использовании сети датчиков (сенсорной сети), позволит не только контролировать работоспособность объектов сети, но и производить их постоянный мониторинг, отражая качественное состояние объектов, линий связи, а также уровень излучения электромагнитного поля.
Наличие информации об уровне качественного состояния сети сотовой связи через контроль ключевых параметров функциональности радиоэлектронных средств излучения позволит предсказывать изменения в системе (отклонения её параметров от норм) и своевременно принимать управляющие решения по восстановлению её качества, а также предотвращать аварийные случаи или минимизировать время на их устранение.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Восков Л. С. Беспроводные сенсорные сети и прикладные проекты / http://nit.miem.edu.ru/sbornik/ 2009/plen/006.html (дата обращения: 29.04.2010).
2. Комаров М. М., Ефремов С. Г. Универсальная платформа для беспроводной сенсорной сети: тез. докл. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. - М.: МИЭМ, 2009. -С. 153-155.
3. Вишневский В., Лаконцев Д., Сафонов А., Шпилев С. Mesh-сети стандарта IEEE 802.11s - технологии и реализация. Первая миля. - 2008. - № 2-3 / http://www.lastmile.su/issue/2008/2/6 (дата обращения 29.04.2010).
4. Сергиевский М. Беспроводные сенсорные сети. Электронный журнал «Компьютер-пресс». - 2007. -№ 8 / http://www.compress.ru/article.aspx?id=17950 (дата обращения 29.04.2010).
Статья поступила в редакцию 14.05.2010
ALTERNATIVE NETWORKS OF THE SIGNAL SYSTEM AND CONTROL OF FUNCTIONALITY OF MOBILE RADIO SYSTEMS
O. N. Pishchin
The necessity to increase the quantity of controllable parameters of objects in mobile networks is investigated in the paper. The control of the basic parameters of radioelectronic means of radiation functionality will allow to predict some changes in the system, and to make decisions in time on recovery of its quality. It is offered to use wireless sensor networks in order to start controlling the extended quantity of parameters in networks of public usage. The distinctions of Mesh-networks technology and technologies based on the platform ZigBee, used as alarm networks in mobile radio systems, are investigated.
Key words: mobile radio system, touch networks, monitoring system of functionality, Mesh-network technology, ZigBee technology.
