CC BY
8
ИЗМЕРЕНИЯ РАДИОПОМЕХ В УСЛОВИЯХ МЕГАПОЛИСОВ
Б.М. Халматов, магистрант В.А. Коптев, студент Д.А. Везарко, магистрант
Московский технический университет связи и информатики (Россия, г. Москва)
DOI:10.24412/2500-1000-2022-10-2-129-135
Аннотация. Тенденция к урбанизации ведет к увеличению количества больших городов. Все отрасли современного города сосредоточены на автоматизации, оцифровке и беспроводной связи, чтобы справиться с растущим числом потребителей услуг разного рода. Соответствующие отрасли, например транспортная, могут полагаться на совместную связь в одной и той же полосе частот. В силу использования одной полосы частот крайне важно своевременное детектирование помех для предотвращения дальнейших сбоев в работе. Актуальность приведенного в данной статье исследования заключается в предоставлении технологий и способов измерений помех в условиях больших городов. Помехи напрямую влияют на функционирование критической инфраструктуры города, в частности транспортной. Полученные результаты напрямую отражают важность обнаружения помех, а также борьбы с ними.
Ключевые слова: помехоустойчивость, город, радиосвязь, измерения, транспорт.
Сегодня как общественный, так и индивидуальный транспорт сталкивается с растущей урбанизацией, вызывающей заторы, задержки и личные неудобства. Транспортные системы будущего устраняют эти негативные последствия. Совместная связь в одной полосе частот увеличит пропускную способность транспорта и безопасность при одновременном снижении воздействия на окружающую среду. На автомобильном транспорте несколько технологий беспроводной связи были стандартизированы и конкурируют за долю рынка в диапазоне 5,9 ГГц [1].
В то же время городские железнодорожные операторы внедряют систему управления поездами на основе связи для региональных железных дорог и метрополитенов в городах в диапазоне 5,9 ГГц. Более всесторонний анализ показывает, что во многих Европейских городах линии метро, а в случае с Москвой диаметры, проходят над землей и часто в непосредственной близости от дорог. Таким образом, существует лишь небольшое пространственное разделение между радиотехнологиями для автомобильных и железнодорожных видов транспорта, определенных в городских условиях. Без соответ-
ствующих мер необходимо предполагать наличие помех между различными средствами связи, и надежная связь для критически важных приложений не может быть гарантирована [2].
Для разработки соответствующих мер необходимы точные и реалистичные модели помех для нынешних и будущих радиотехнологий. Было проведено исследование по измерению помех с использованием ITS-G5, C-V2X и 802.11a в качестве желаемой линии передачи данных между базовыми станциями. Также было проведено измерение мощности приемника для обоих каналов и функции передачи канала для 1 канала, что позволило разработать точные модели помех для текущих и будущих радиотехнологий.
Радиотехнологии
В автомобильной промышленности система связи ITS-G5, основанная на стандарте IEEE 802.11p, в настоящее время внедряется в диапазоне 5,9 ГГц. Важной функциональностью канального уровня передачи данных ITS-G5, помимо контроля доступа к среде, является децентрализованный контроль соединения, который управляет нагрузкой на сеть, уменьшая коллизии пакетов, потери и задержки
в сценариях с высокой плотностью трафика. Параллельно 3GPP стандартизировала в выпуске связь LTE C-V2X. 3GPP-LTE C-V2X был адаптирован ETSI [3] в качестве альтернативной технологии доступа. Как 3GPP, так и IEEE продолжают продвигать стандартизацию радиосвязи V2X. В случае 3GPP C-V2X был обновлен, а новая технология 5G-NR-V2X была разработана в рамках стандартизации 3GPP. Рабочая группа IEEE 802.11 разрабатывает стандарт обратной совместимости 802.11p в рамках проекта NGV 802.11bd [4]. В дальнейшем все будущие радиотехнологии для V2X, то есть ITS-G5, LTE C-V2X, 5G-NR-V2X и NGV, объединяются под термином коммуникационная технология V2X. Параллельно с коммуникационной технологией V2X в дорожном движении на железных дорогах Европы и России внедряются и развиваются системы управления поездами с беспроводной связью. Для высокоскоростных линий между городами в международном и национальном железнодорожном сообщении используется Европейская система управления поездами. Эта система использует 20-летний стандарт GSM (Global system for mobile communications) на железных дорогах для беспроводной связи между поездом и инфраструктурой. В настоящее время международный союз железных дорог, 3GPP и ETSI работают над заменой GSM, которая скорее всего будет основана на технологии 5G от 3GPP.
Многие коммерческие организации используют радиосистемы беспроводной локальной сети (Wireless local area network, WLAN) в соответствии со стандартом IEEE 802.11 [5] в безлицензионных, промышленных, научных и медицинских диапазонах или в лицензированных диапазонах. Поскольку данные диапазоны используются населением для доступа в интернет и эксплуатации бытовой электроники, в этих диапазонах часто возникает много помех. Таким образом, надежная беспроводная связь на основе WLAN невозможна [6]. Из-за нехватки полос частот лицензии на использование спектра часто стоят очень дорого, особенно если требуется гармонизированное использование по всей стране или группе стран. По этой причине регу-
лирующие органы стремятся к многократному использованию полос, где пространственное разделение радиоприложений позволяет повторно использовать частоту без значительных помех [7].
Измерения
Было проведено исследование по измерению в рамках проекта. Оценив различные варианты, было решено провести исследование в районе третьего транспортного кольца (ТТК) в Москве, а также улицы Вейнбаума в Красноярске. Каждый сценарий характеризуется элементами окружающей среды, маневрами транспортных средств и их скоростями. Что касается элементов окружающей среды, туннели или перекрестные мосты рассматривались как характеризующие факторы помимо других элементов, таких как здания и растительность, которые присутствуют связи в любом городском сценарии.
Сценарии
Для выполнения измерений были определены конкретные сценарии. Измерения были произведены в двух разных районах городов. Зона №1 охватывала в окрестности Делового Центра, а зона №2 - окрестности улицы Вйенбаума в непосредственной близости от стадиона Локомотив. Далее были выбраны технологии связи для канала и возможные настройки помех с учетом расписания поездов и общественного транспорта.
Измерительное оборудование и настройка
Общая настройка для этой измерительных мероприятий состояла из одного канала связи и двух каналов связи. Устройства в были настроены как передатчик и как приемник. Первый канал был настроен для измерения частоты ошибок пакетов и мощности без помех, а второй канал использовался для создания помех на первом. Важно обратить внимание, что для получения большего количества данных измерений на больших расстояниях на линиях использовались однонаправленные усилители высокой мощности. Чтобы получить больше информации о распространении связи, измерения эхолота канала были выполнены параллельно во время движения многих транспортных средств.
Результатом всей настройки является несколько каналов связи, использующих заданный частотный спектр.
1) Оборудование:
- Базовая станция для T2G была установлена на треноге на мосту над железнодорожным полотном. Связь T2G могла быть переключена между ITS-G5, C-V2X и 802.11a. Сигнал излучался антенной с коэффициентом усиления 18 дБ, направленной на восток к железнодорожному полотну, что приводило к максимальной мощности передачи данных 39 дБ. Положение базовой станции отслеживалось с помощью приемника глобальной навигационной спутниковой системы (Global navigation satellite system, GNSS) Septentrio PolaRx5 TR.
- Устройство 1 было установлено на автомобиль со всенаправленными антеннами, установленными на антенной платформе размером 2*1 м высотой 3,5 м. Автомобиль использовался в качестве источника помех на канале T2G. Местоположение отслеживалось с помощью Septentrio PolaRx5 и приемника u-blox F9R GNSS.
- Устройство 2 было установлено на другой автомобиль со всенаправленной антенной на высоте 2 м, передающей сигнал по каналу C2T и создающей помехи по каналу T2G. Местоположение отслеживалось с помощью Septentrio PolaRx5 TR и приемника u-blox F9R GNSS.
- DB advanced TrainLab был основным средством измерения. Все установленное оборудование в поезде было настроено как приемник. Было установлено 4 ITS-G5, один C-V2X, один 802.11a и один приемник канального эхолота для сбора данных по каналам T2G и C2T. На уникальной антенной платформе в верхней части поезда были установлены 3 антенны, сертифицированные для поездов:
1) Всенаправленная антенна Huber+Suhner SWA-0859/360/4/0/DFRX30 с коэффициентом усиления 8 дБ;
2) 4-портовая антенна Antonics OmPlecs-TOP 200 AMR MF-06-4 с коэффициентом усиления 10 дБ;
3) Антенна GNSS с коэффициентом усиления 9 дБ, всенаправленная Antonics OmPlecs- TOP 200 и 1500 B L1/L2h.
В то время как канальный эхолот можно было переключать электронным способом между всенаправленной антенной Huber+Suhner и 4-портовой антенной, все приемники ITS-G5, C-V2X и 802.11a подключались только к всенаправленной антенне. Чтобы компенсировать последующие потери в кабеле и разветвителе, усилитель с низким уровнем шума MiniCircuits ZX60-83LN- S+ с коэффициентом усиления 20 дБ был напрямую подключен к выходу антенны. Антенна GNSS поддерживала отслеживание местоположения с помощью приемника Septentrio PolaRx 5.
2) IEEE 802.11a. Чтобы эмулировать удаленный контроль в соответствии с использованием самых современных коммуникационных технологий, было решено передавать пакеты, совместимые с 802.11a, по каналу 184 с полосой пропускания 5 МГц. Для этого было использовано программное обеспечение ETTUS Research Universal Software Radio Peripheral B210 (Software defined radio, SDR) вместе с программным обеспечением «IEEE 802.11 a/g/p трансивер для GNU Radio». SDR передавал пакеты длиной 564 байта с двоичной фазовой манипуляцией R = 1/2 при частоте 32 Гц, что приводит к коэффициенту занятости канала 10%.
3) LTE C-V2X. C-V2X был выбран в качестве альтернативы каналу 802.11a T2G.
Для этого использовался оценочный комплект Cohda MK6. Из-за некоторых проблем с реализацией MK6 передавал пакеты длиной 100 байт с четвертичным R = 1/4 при частоте 10 Гц, что приводило к снижению коэффициента занятости от 3% до 6%.
Для связи использовались бортовые устройства Cohda MK5. Каждый автомобиль был оснащен одним OBU MK5, настроенным в режиме передатчика. Один из радиоприемников MK5 в каждом из автомобилей был настроен на отдельный канал (172 или 176), в то время как второй был настроен в обоих автомобилях так, чтобы создавать помехи в полосе или смежном канале на линии T2G. По этим каналам транспортные средства передавали пакеты длиной 100, 600 и 1200 байт с R = 1/2 с суммарной частотой 300 Гц. Это
привело к заполняемости канала примерно на 50% на автомобиль. В первом автомобиле каждый радиовыход был подключен к усилителю высокой мощности и к 6-дБ всенаправленной антенне Huber+Suhner, размещенной на металлической пластине на крыше, что обеспечивало максимальную мощность передачи 36 дБ. Во втором автомобиле оба радиовыхода были подключены через RF-объединитель и усилитель мощности к антенне ECOM на крыше с 9 дБ, что привело к максимальной мощности передачи 35 дБ.
В поезде использовался 4COHDAMK5 для обеспечения связи, а также для мониторинга канала управления ITS-G5 180.
4) ITS-G5. В качестве второй альтернативы каналу 802.11a T2G было использовано дорожное устройство Cohda MK5, передающее ITS-G5 на базовую станцию. MK5 был настроен на передачу пакетов длиной 564 байта с параметрами R = 1/2 со скоростью 64 Гц в канале 184 10 МГц. Это привело к 10%-ному коэффициенту занятости канала, аналогичному стандарту 802.11а.
5) Канальный эхолот: Измерения распространения были выполнены с помощью канального эхолота RUSKMedav-DLR. Для всех измерений рабочая центральная частота была установлена на 5,2 ГГц с полосой пропускания 120 МГц. Излучаемая выходная мощность составляла 46 дБ, а передаваемый сигнал был аналогичен сигналу мультиплексирования с ортогональным частотным разделением. Блок приемника записал функцию передачи канала для каждого моментального снимка. Длительность измерения была зафиксирована на уровне 6,4 мкс. Канальный эхолот был настроен либо в режиме с одним входом и одним выходом (Single input single output, SISO), либо в режиме с одним входом и несколькими выходами (Single input multiple output, SIMO). Частота моментального снимка была установлена на 488 Гц и 244 Гц для SISO и SIMO соответственно. Для SISO приемник был подключен к все-направленной антенне Huber+Suhner, тогда как для SIMO приемник переключался между 4 портами 4-портовой антенны Antonics.
6) Локализация
Для поддержки измерений на базовой станции был установлен набор различных датчиков локализации:
- GNSS использовалась как в поезде, так и в вагонах в качестве основного источника абсолютной информации о географическом местоположении. Все транспортные средства были оснащены многочастотным приемником GNSS Septentrio PolarRx5. Автомобили были дополнительно оснащены многочастотным приемником GNSS с несколькими приемниками u-blox F9R, оснащенным инерциальным измерительным блоком. Эти приемники получали поправки GNSS в реальном времени через GPS (Global positioning system) и вычисляли позицию с фиксированной фазой с помощью инерции в режиме реального времени. Таким образом, для обоих автомобилей было получено местоположение с точностью до одного дециметра со скоростью 5 Гц, а также его ориентация и скорость.
- В качестве дополнительного источника информации о местоположении и для
дальнейшей стабилизации решения GNSS каждый из автомобилей был оснащен лазерным сканером Velodyne VLP-16 на крыше. VLP-16 - это лазерный сканер с 16 плоскостями и углом обзора 360°, который способен сканировать точки на расстоянии до 120 м. Лазерный сканер позволяет при последующей обработке определить местоположение автомобиля относительно окружающей среды, применяя одновременный метод локализации и картографирования. Полученная карта точек может быть дополнительно использована вместе с видеоматериалами для получения дополнительной информации об окружающей среде и составления выводов об условиях распространения связи.
Результаты измерений
Результаты измерений продемонстрированы на рисунках 1, 2 и 3. На них отчетливо видны сильно выделяющиеся помехи на фоне помех, относительно не влияющих на штатное функционирование радиотехнологий. Видно, что вблизи основного спектра расположен ряд узкополосных спектров сигналов с высоким уровнем из-
лучении, являющимися для системы помехами, с которыми необходимо бороться для повышения качества связи и помехозащищенности базовых станций и гарантии работы без сбоев.
Пиковые значения частоты ошибки при передаче пакетов составляют до 39%, что может крайне негативно сказываться на функционировании городской инфраструктуры в целом и транспортной в частности.
Примером мешающего воздействия в Москве может послужить автобусный
парк, на котором производилось несанкционированное вещание, долгое время создававшее узкополосные помехи, расположенные в спектре исследуемого сигнала.
Очевидно, что мешающие работе помехи могут возникать не только в искусственно воссозданных сценариях, созданных с целью проведения исследования, но и в повседневных ситуациях. Именно поэтому необходима общая стандартизация диапазонов частот в современной городской среде.
Рис. 1. Соотношение частоты ошибок при передаче пакетов и дистанцией
30
—.—ЧОПП T2G —•— М T2G
Время, с х104
Рис. 2. Частота ошибок при передаче пакетов и помехи канала Т20
50
Время, с
Рис. 3. Частота ошибок при передаче пакетов и помехи канала С2Т
Заключение
Было произведено исследование по измерению помех с помощью DB advanced Train Lab в городах Москва и Красноярск, чтобы оценить помехи между городским автомобильным и железнодорожным движением в одном и том же или смежных каналах. Одновременно производилось измерение мощности приемника на каждом канале. Первые результаты показывают, что даже помехи в соседнем канале,
где спектральная маска ITS-G5 должна, по крайней мере, снизить мощность помех на 26 дБ, вызывают значительное увеличение частоты ошибок при передаче пакетов до более чем 39% для линии ITS-G5 T2G в сценарии потерь с высокой нагрузкой на помехи. Из проанализированного сценария можно сделать вывод, что относительно небольшая защитная зона радиусом около 200 м в непосредственной близости от поезда могла бы защитить линию T2G от по-
мех V2X.Аналогичные выводы могут быть водств и оказания услуг, использующих сделаны в том числе и для абонентской радиосвязь в современном городе. связи, а также для прочих отраслей произ-
Библиографический список
1. ETSI, «Интеллектуальные транспортные системы (ITS); Спецификация уровня доступа ITS-G5 для интеллектуальных транспортных систем, работающих в полосе частот 5 ГГц», ETSI EN 302 663 V1.3.1, стр. 1-25, январь 2020.
2. Целевая группа IEEE P802.11 BD, «P802.11bd - Усовершенствования для следующего поколения V2X», Целевая группа IEEE P802.11 BD (NGV), декабрь 2018.
3. ERA, «Технические характеристики командования и сигнализации (CCS) для обеспечения функциональной совместимости (TSIs) Приложение A - Обязательная спецификация (ETCS и базовые линии GSM-R)», август 2019 г., дата обращения: 14 мая 2021 г.
4. IEEE, «Стандарт IEEE для информационных технологий - Телекоммуникации и обмен информацией между системами - Локальные и городские сети - Специфические требования - Часть 11: Управление доступом к среде беспроводной локальной сети (MAC) и спецификации физического уровня (PHY)», IEEE Std 802.11-2020, стр. 1-4379, 2021.
5. Блоссл Б., Сегата М., Соммер К. и Дресслер Ф. «Приемник OFDM стандарта IEEE 802.11 a/g/p для GNU Radio», в ACM SIGCOMM 2013, 2-й Форум по внедрению программного обеспечения ACM Radio (SRIF 2013). Гонконг, Китай: ACM, август 2013. -С. 9-16.
6. Фрумкин Г.Д. Расчёт и конструирование радиоаппаратуры. - М.: Высшая школа, 1989. - 463 с. - ISBN 5-06-000128-8.
7. Варакин Л£. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985. - 364 с.
8. Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами / Г.И. Тузов, В.А. Сивов, В.И. Прытков и др.; Под ред. Г.И. Тузова. - М.: Радио и связь, 1985. - 264 с.
9. Адресные системы управления и связи. Вопросы оптимизации / Г.И. Тузов, Ю.Ф. Урядников, В.И. Прытков и др.; Под ред. Г.И. Тузова. - М.: Радио и связь, 1993. -384 с.
MEASUREMENTS OF RADIO INTERFERENCE IN BIG CITIES
B.M. Khalmatov, Graduate Student
V.A. Koptev, Student
D.A. Vezarko, Graduate Student
Moscow Technical University of Communications and Informatics (Russia, Moscow)
Abstract. The trend towards urbanization leads to an increase in the number of large cities. All branches of the modern city are focused on automation, digitization and wireless communication in order to cope with the growing number of consumers of various kinds of services. Relevant industries, such as transportation, may rely on joint communication in the same frequency band. Due to the use of a single frequency band, timely detection of interference is extremely important to prevent further failures in operation. The relevance of the research presented in this article is to provide technologies and methods for measuring interference in large cities. Interference directly affects the functioning of the critical infrastructure of the city, in particular transport. The results obtained directly reflect the importance of detecting interference, as well as dealing with it.
Keywords: noise immunity, city, radio communication, measurements, transport.
