CC BY
35rect currier amplifier the feedback circuit with the required factor of the output voltage stabilization, over-controlling of the input current and the output voltage and the range ofphase stability.
Gain-frequency characteristic, phase-response characteristic, switching converter, buck converter, pulse-width modulation, transfer function, averaging and linearization method, correction section
Статья поступила в редакцию 17 сентября 2004 г.
УДК 621.396.93.029.55-52
В. Л. Хазан
Омский государственный технический университет
Декаметровая активная пейджинговая система радиосвязи с удаленными базовыми ретрансляторами
Рассмотрен вариант построения декаметровой активной пейджинговой системы, которая обеспечивает двустороннюю телеграфную связь корреспондентов через удаленные базовые ретрансляторы.
Коротковолновая радиосвязь, пейджинговые системы, подвижные объекты, базовые ретрансляторы, Интернет, частотная телеграфия, амплитудная телеграфия, относительная фазовая телеграфия
Для подвижных объектов (ПО), находящихся на значительном удалении от крупных населенных пунктов, обслуживаемых сотовыми системами связи, существуют два альтернативных варианта двусторонней радиосвязи - спутниковая и коротковолновая (КВ). Спутниковые системы связи (ССС) для многих пользователей являются недоступными из-за своей дороговизны. Стоимость аппаратуры КВ-систем связи для ПО намного дешевле стоимости абонентской аппаратуры ССС. Однако КВ-радиосвязь в России до сих пор все еще не организована в сеть со свободным доступом пользователей, как это сделано в ССС, сотовых и кабельных системах связи.
Проф. Н. И. Чистяковым в [1] впервые было предложено использовать КВ-диапазон радиоволн ("естественное ионосферное зеркало") при построении пейджинговой системы общего пользования, в которой 5-7 базовых радиоцентров обеспечивают передачу экстренных информационных сообщений ограниченного объема сотням тысяч абонентов, находящимся на территории России "в местах со сколь угодно малой плотностью населения и на любом расстоянии от крупных населенных пунктов".
Целью данной статьи является описание разработанного ее автором варианта построения такого рода КВ-системы активной (двусторонней) пейджинговой связи с удаленными базовыми ретрансляторами (БР), обеспечивающей свободный доступ пользователей к ресурсам системы.
Организация двусторонней КВ-радиосвязи с ПО связана с большими техническими трудностями. Дело в том, что мобильные радиопередатчики должны быть исключительно
© В. Л. Хазан, 2005
53
маломощными из-за ограниченных энергетических ресурсов ПО. Кроме того, общей проблемой для всех ПО при организации с ними связи в декаметровом диапазоне радиоволн является необходимость использования малогабаритных низкоэффективных антенн из-за их ограниченных геометрических размеров.
Несмотря на указанные недостатки декаметровые системы, благодаря относительной простоте и дешевизне в настоящее время являются практически единственным широкодоступным средством связи с удаленными ПО как для различных ведомств, так и для частных пользователей.
Следует отметить и тот факт, что несмотря на интенсивное развитие ССС, зарубежные фирмы не ослабили своего внимания к КВ-связи и не прекратили производство приемопередающей аппаратуры этого диапазона радиоволн. Более 30 ведущих зарубежных фирм продолжают разрабатывать и модернизировать магистральные приемопередающие устройства [2]. Среди них такие известные фирмы, как "Marconi" (Великобритания), "Collins" (США), "Harris" (США), "Rohde-Schwarz" (Германия) и др.
Современные цифровые методы обработки сигналов и способы их адаптации к условиям связи позволяют обеспечить достаточно высокую надежность доставки телеграмм по КВ-каналам [2], [3], которая вполне удовлетворяет большинство потенциальных пользователей, нуждающихся в передаче буквенно-цифровых сообщений ограниченного объема.
При решении вопроса об использовании КВ-систем для связи с ПО целесообразно рассматривать этот способ передачи информации не как альтернативный ССС, а как дополняющий ее и взаимодействующий с ней [4].
К преимуществам декаметрового радиоканала следует отнести оперативность установления в нем связи на большие расстояния, простоту организации КВ-радиосвязи с ПО, возможность обеспечения связи с абонентами в труднодоступных, в том числе в горных, районах, высокую мобильность средств связи, относительно простую восстанавливаемость связи в случае ее нарушения в результате воздействия как случайных, так и преднамеренных помех, а также низкую стоимость передачи информации [5]. Следует подчеркнуть, что особое значение КВ-радиосвязь приобретает в чрезвычайных ситуациях: при организации и проведении аварийно-спасательных работ, координации действий различных служб в районах стихийных бедствий и т. п.
В работах [3], [4] описаны различные варианты построения систем декаметровой радиосвязи с использованием вынесенных из зоны ведения связи БР. Там же рассмотрен вариант общероссийской сети КВ-радиосвязи, для которого достаточно пяти БР. Исследования, проведенные американскими специалистами, показали [5], что создание такого рода сети КВ БР позволяет уменьшить мощность абонентских радиостанций до 10 Вт без снижения надежности связи, обеспечиваемой передающими устройствами мощностью 10 КВт на магистральных КВ-радиолиниях без БР, что особенно важно при организации радиосвязи с ПО.
Известно [1], [3], [6], что наилучшие условия связи в КВ-диапазоне имеют место на односкачковых трассах, когда расстояние между передающим и приемным концами радиолинии равно 2000...3000 км. В этом случае зона обслуживания отдельно взятого БР представляет собой кольцо с внутренним радиусом около 2000 км и с внешним радиусом
порядка 3000 км. Для повышения надежности передачи сообщений требуется, чтобы зоны обслуживания БР, расположенных с противоположных сторон каждого из корреспондентов, взаимно пересекались [3]. На рис. 1 ПО А и В находятся в районе пересечения зон, одновременно обслуживаемых двумя БР M и N, что обеспечивает корреспондентским радиостанциям возможность автовыбора одного более надежного канала связи из двух возможных. ПО C и D обслуживаются только одним БР М, а ПО Е, соответственно, только БР N, что, естественно, несколько снижает надежность связи с объектами C, D и Е по сравнению с объектами А и В. Все БР имеют прямой выход в обычную автоматическую телефонную сеть (АТС) и в сеть ССС. Это позволяет им непосредственно и оперативно взаимодействовать друг с другом и делает реальной двустороннюю оперативную связь между сколь угодно далеко находящимися друг от друга корреспондентами, например C и E или D и Е, а также обеспечивает пользователям КВ-пейджинговой сети связи взаимодействие с пользователями других сетей и предоставляет им возможность выхода в сеть Интернет.
Мощность КВ-абонентских радиостанций для ПО обычно не превышает 20 Вт [2]. Для компенсации такого рода вынужденного снижения мощности, а также потерь мощности из-за низкоэффективных антенн на ПО необходимо, чтобы сообщения со стороны последних передавались с предельно низкой скоростью манипуляции, обусловленной скоростью замираний в канале связи передаваемого с ПО сигнала. Известно [7], что период быстрых замираний сигнала на односкачковых трассах редко превосходит 4 с. Длительность элемента сообщения должна быть во много раз меньше периода замираний сигнала [7]. Установив для выполнения этого условия отношение полупериода замираний к длительности элемента сообщения, равное 10, находим максимально допустимую длительность элемента - 200 мс, что соответствует минимально допустимой скорости манипуляции 5 бод.
Для передачи сообщений по КВ-каналам связи обычно используют режим частотной телеграфии (ЧТ) или относительной фазовой телеграфии (ОФТ). Режим ОФТ не допускает уменьшения скорости манипуляции ниже 100 бод из-за больших значений флуктуации фазы в канале связи за время длительности элемента сообщения [3], [7]. Поэтому низкоскоростная
передача сообщений со стороны ПО должна вестись в режиме ЧТ. Для разделения демодулятором приемного устройства частот поднесущих ЧТ-сигнала, соответствующих символам "нажатия" и "отжатия", он должен передаваться с девиацией частоты, как минимум, в два раза превышающей значение скорости манипуляции [8]. Если придерживаться этого правила, то при скорости манипуляции 5 бод девиация частоты ЧТ сигнала должна быть равной 10...20 Гц. Однако в этом случае при селективных замираниях сигнала его поднесущие будут замирать коррелированно. Кроме того, сосредоточенные по спектру аддитивные помехи от посторонних радиостанций будут также одновременно поражать частоты обеих поднесу-щих сигнала. В связи с этим целесообразно предельно увеличить девиацию частоты ЧТ-сигнала и принимать его поднесущие индивидуально как два независимых частотно-разнесенных сигнала амплитудной телеграфии (АТ). Например, девиация частоты может быть выбрана равной 3000 Гц. В этом случае при селективных замираниях разнесенные по частоте поднесущие сигнала замирают независимо и одновременное их поражение сосредоточенными по спектру аддитивными помехами становится менее вероятным.
На рис. 2 приведены полученные в соответствии с методикой, описанной в работе [9], результаты имитационного моделирования по определению зависимости от мощности передатчика P коэффициента исправного действия (КИД) систем связи, работающих со скоростью манипуляции 5 бод в режиме АТ (1), в режиме ЧТ с девиацией 20 Гц (2) и в режиме ЧТ с девиацией 3000 Гц и приемом разнесенных по частоте поднесущих как двух АТ-сигналов с автовыбором телеграмм (3), а также с автовыбором наиболее высококачественных элементов (4). Мощность передатчика изменялась с дискретностью 6 дБ. На каждой градации мощности для каждого режима работы имитировалась передача 100 телеграмм. Моделирование проводилось при медленных селективных рэлеевских замираниях сигнала и медленных замираниях помех посторонних радиостанций. Вероятность поражения одиночного канала связи сосредоточенными по спектру аддитивными помехами от посторонних радиостанций принималась равной 0.3. Из приведенных на рис. 2 графиков надежности связи следует, что наиболее помехоустойчивый прием сигналов ЧТ с девиацией 3000 Гц реализуется при автовыборе наиболее качественных элементов разнесенных по частоте сигналов "нажатия" и "отжатия", принимаемых как два АТ-сигнала. Получаемый при этом энергетический выигрыш AP (рис. 3) зависит от уровня надежности связи. Из рисунка видно, что чем выше уровень надежности связи, тем больше энергетический выигрыш системы, которой соответствует кривая надежности 4 (на рис. 2,) по отношению к системе ЧТ, которой соответствует кривая надежности 2 (на рис. 2,). При удов-
КИД, %
AP, дБ
75 -
50 -
25
0
-21
-6
9
P, дБ
30 44
58
72 КИД, %
Рис. 2
Рис. 3
летворительных условиях связи, когда принимается около 70% телеграмм, энергетический выигрыш составляет более чем 13 дБ, т. е. больше 20 раз по мощности. С улучшением условий связи энергетический выигрыш становится еще более внушительным. Например, при уровне надежности 85% он составляет 29 дБ, что составляет около 1000 раз по мощности.
При скорости манипуляции 5 бод занимаемая спектром каждой поднесущей ЧТ-сиг-нала полоса частот составляет около 10 Гц. Поэтому при девиации 3000 Гц и при частотном уплотнении однополосного телефонного канала с учетом защитных интервалов в нем можно разместить более 100 индивидуальных каналов для одной из поднесущих, а в соседнем однополосном телефонном канале - 100 индивидуальных каналов для другой поднесущей каждого корреспондента. Таким образом, с помощью одного приемного устройства на БР можно по двум однополосным телефонным каналам одновременно принимать ЧТ-сигналы с девиацией 3000 Гц от 100 корреспондентов.
За назначение каналов для передачи сообщений отдельными корреспондентами после получения от них заявок на связь ответственны БР, с которыми взаимодействуют эти корреспонденты. При предоставлении каналов учитываются очередность поступления заявки на связь и приоритет корреспондентов. Сигналы типа SOS не требуют предварительных заявок на связь и передаются без задержек по отдельным зарезервированным каналам, которые не используются для передачи обычной информации.
Заявки на связь принимаются БР в режиме частотно-временного кодирования. Для этого выделяется отдельный однополосный телефонный канал, в котором размещается 100 индивидуальных каналов с полосой 10 Гц каждый. После получения периодически передаваемого от БР общего для всех корреспондентов (циркулярного) запроса заявок на связь те абонентские радиостанции, у которых имеются подготовленные для передачи сообщения, на закрепленных за ними индивидуальных частотах в строго определенные для них моменты времени излучают радиоимпульсы длительностью 200 мс, сообщая тем самым БР свой адрес. Легко определить, что в этом случае интервал времени в 1 мин достаточен для кодирования адресов 30 тыс. пользователей. Запрос заявок на связь производится БР каждую минуту, поэтому среднее время ожидания канала связи для передачи обычных сообщений при отсутствии очереди составляет 30 с. Если считать, что одна телеграмма содержит в среднем 150 знаков [4], для набора каждого из которых с помощью клавиатуры оператором тратиться 0.5 с, то на подготовку сообщения к отправке будет тратиться порядка 75 с. При 8-разрядном коде и скорости манипуляции 5 бод время доставки такого рода сообщения занимает 240 с. В результате суммарное время набора и доставки сообщения составит не менее 315 с, что на порядок больше среднего времени ожидания вызова 30 с, которое в этом случае следует считать вполне приемлемым. Если заявка на связь не принята с первого раза, то она повторяется до тех пор, пока не будет удовлетворена или отменена.
БР имеют высокоэффективные антенны, большую мощность передатчиков (10 кВт) и работают, используя уплотнение во времени в режиме ОФТ или в режиме двойной относительной фазовой телеграфии (ДОФТ) со скоростью манипуляции 500 бод. Режим работы ОФТ или ДОФТ выбирается автоматически в зависимости от условий связи, т. е. в канале "ретранслятор-корреспондент" осуществляется адаптация к условиям связи по ви-
ду манипуляции. Рабочие частоты в КВ-канале связи зависят от времени суток [3], [7]. С учетом того, что каждый БР обслуживает корреспондентов, расположенных на востоке, западе, севере и юге, для удовлетворения требований работы на оптимальных рабочих частотах в различное время суток связь с корреспондентами должна вестись одновременно, как минимум, в трех диапазонах частот (5, 10 и 15 МГц). Перед началом передачи сообщений абонентская радиостанция автоматически сканирует каналы всех БР и выбирает тот из них, сигнал которого принимается с наиболее высоким качеством.
С учетом доставки одного сообщения за 240 с по 100 частотно-разнесенным каналам связи в течение суток может быть передано более 35 тыс. телеграмм. Если каждый пользователь в течение суток будет отправлять в среднем 3-4 телеграммы, то один комплект оборудования БР сможет обслуживать порядка 10 тыс. пользователей. Поэтому, если для передачи телеграфных сообщений выделить по 1 МГц в области каждого указанного выше диапазона частот, то, увеличивая число параллельно работающих комплектов радиоаппаратуры БР, можно обслуживать в КВ-диапазоне более 0.5 млн. пользователей пейджинговых систем связи.
Описанная декаметровая активная пейджинговая система связи способна предоставить своим пользователям следующий перечень услуг [10]:
• прием коротких сообщений (с накоплением) во время движения и на стоянках транспорта (при этом, если абонент находится вне транспорта, то сообщение запоминается и может быть прочитано абонентом при его возвращении);
• предварительную проверку готовности радиоканала (зондирование перед передачей сообщения) с получением оценки его качества;
• передачу коротких сообщений во время движения и на стоянках транспорта любому из корреспондентов или группе корреспондентов сети радиосвязи, находящимся в пределах обслуживаемой системой зоны;
• приоритет при передаче срочных сообщений;
• получение радиоквитанции о доставке переданного сообщения;
• передачу условных сообщений с их автоматической расшифровкой на приемной стороне;
• передачу сигналов типа SOS без задержки во времени по отдельным специально выделенным для этих целей каналам;
• автоматическое считывание цифровых данных с дистанционно-удаленных датчиков, сопряженных с абонентскими радиостанциями, которые могут постоянно не обслуживаться, находясь в труднодоступных местах, и ввод этих данных в ЭВМ;
• автоматическое считывание буквенно-цифровых данных из удаленных ЭВМ, сопряженных с корреспондентскими радиостанциями, и ввод этих данных в собственную ЭВМ;
• считывание буквенно-цифровых данных из "электронного ящика", расположенного на БР, в случае, если корреспондент временно выключал свою аппаратуру или находился в таких условиях, когда прием радиосигналов некоторое время был невозможен, а за этот период времени в его адрес передавались сообщения;
• автоматическое считывание буквенно-цифровых сообщений, оставленных абонентом сети для автоответа при соответствующем запросе;
• периодическую автоматическую передачу географических координат по заданному адресу;
• выход в сеть Интернет.
Таким образом, в данной статье изложен вариант построения декаметровой системы связи со свободным доступом пользователей, обеспечивающей передачу буквенно-цифровых сообщений с ПО и на ПО через БР, удаленные от корреспондентов на оптимальные (с точки зрения условий распространения радиоволн) расстояния. Рассмотренный в статье вариант КВ-системы связи отличается от известных высокой надежностью доставки сообщений со стороны ПО, которая достигается за счет передачи сообщения в режиме ЧТ с предельно допустимой низкой скоростью манипуляции 5 бод и с относительно большой девиацией 3000 Гц, что снижает как вероятность одновременного замирания поднесущих ЧТ-сигнала в канале связи, так и вероятность их одновременного поражения сосредоточенными по спектру аддитивными помехами. Прием поднесущих ЧТ-сигнала на БР производится индивидуально, как двух частотно-разнесенных АТ-си-гналов с автовыбором наиболее высококачественных элементов в ветвях разнесения.
Библиографический список
1. Чистяков Н. И. Персональный радиовызов и его место в комплексной системе радиосвязи // Электросвязь. 1994. № 5. С. 10-13.
2. Техника электросвязи за рубежом: Справ. / Л. И. Яковлев, В. Д. Федоров, Г. В. Дедюкин, А. С. Неми-ровский. М.: Радио и связь, 1990. 256 с.
3. Головин О. В. Декаметровая радиосвязь. М.: Радио и связь, 1990. 240 с.
4. Корпоративные системы спутниковой и коротковолновой связи / Под ред. А. А. Смирнова. М.: Эко-Трендз, 1997. 132 с.
5. Комарович В. Ф., Романенко В. Г. КВ радиосвязь. Состояние и направления развития // Зарубеж. радиоэлектроника. 1990. № 12. С. 3-16.
6. Коноплева Е. Н. О расчете надежности радиосвязи на коротких волнах // Электросвязь. 1967. № 11. С. 36-38.
7. Хмельницкий Е. А. Оценка реальной помехозащищенности приема сигналов в КВ диапазоне. М.: Связь, 1975. 232 с.
8. Финк Л. М. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Сов. радио, 1970. 728 с.
9. Хазан В. Л., Юрьев А. Н. Исследование надежности связи двух методов передачи информации в экстремальных условиях посредством аналитико-имитационного моделирования // Информ. технологии и радиосети (ИНФОРАДИО'96). Новосибирск: Изд-во ин-та математики им. С. Л. Соболева СО РАН, 1998. С. 118-120.
10. Хазан В. Л. Система декаметровой мобильной автоматической радиосвязи "МАРС" //Техника радиосвязи. 1998. Вып. 4. С. 59-66.
V. L. Hazan
Omsk state technical university
Short Wave Radio Communication Active Paging System with Remote Base Repeaters
The variant of construction of the radio communication active paging system, which provides two-way exchange of telegrams through the remote base repeaters is considered.
Short wave radio communication, paging systems, mobile objects, base repeaters, Internet, frequency modulation, amplitude modulation, phase modulation
Статья поступила в редакцию 15 декабря 2004 г.
