CC BY
35УДК 004.722
Реализации сетевой синхронизации в автоматизированной сети радиосвязи
декаметрового диапазона
Хвостунов Ю.С.
Аннотация. В статье рассматривается одна из задач, решаемых при разработке систем декаметровой связи, работающих в режиме перестройки рабочей частоты по псевдослучайному закону, для которых ключевым аспектом является обеспечение синхронного переключения рабочих частот станций автоматизированной радиосети. Существующие методы поддержания синхронизма не обеспечивают необходимую точность, не функционируют без внешних систем единого времени. Целью работы является разработка способа реализации сетевой синхронизации, обеспечивающей требуемую точность и автономную работу сети декаметровой связи. Используемые методы: теоретический и практический заделы в области цифровой передачи данных по декаметровому каналу связи. Новизна: состоит в том, что предлагается метод автоматического установления и поддержания сетевой синхронизации. Результат: заключается в том, что предложен способ установления и поддержания сетевой синхронизации, обеспечивающий требуемую точность и автономную работу сети декаметровой связи на базе используемых технических решений аппаратуры передачи данных нового поколения. Практическая значимость: заключается в том, что предлагаемый способ позволяет обеспечить автоматизацию установления сетевой синхронизации, её поддержание без использования внешних источников времени, сократить до минимума потери, связанные с неточностью переключения рабочих частот станций сети.
Ключевые слова: декаметровая радиосвязь; псевдослучайная перестройка рабочей частоты; сигнальная конструкция; сетевая синхронизация; аппаратура передачи данных; автоматизированный стационарный радиоцентр.
Введение
Одним из режимов передачи цифровой информации декаметровой радиосети является режим перестройки рабочих частот по псевдослучайному закону (ППРЧ) во всем используемом радиодиапазоне. Требуемая надежность и предельная пропускная способность при установленной энергетике радиотрассы обеспечивается разработанной процедурой постоянной оценки качества канала во время сеанса связи и технологией динамического выбора рабочих частот DFS (Dynamic Frequency Selection) [1].
Одним из условий достижения предельных характеристик при данном порядке организации радиосвязи является обеспечение сетевой синхронизации, т. е. синхронного переключения рабочих частот (РЧ) всеми участниками организуемой сети связи как при ведении сеанса связи, так и при установлении соединения из режима радиомолчания. В существующих системах декаметровой связи установка и поддержание синхронного переключения рабочих частот обеспечивается взаимодействием с глобальной навигационной спутниковой системой (ГЛОНАС) или системой единого времени (ЕВ). Недостатком данного решения является то, что при определенных условиях эксплуатации отсутствует возможность использования ГЛОНАС или системы ЕВ и точность получаемых корректирующих сигналов недостаточна для обеспечения штатной работы системы декаметровой связи с ППРЧ.
В статье рассматривается способ реализации подсистемы сетевой синхронизации (ПСС) системы декаметровой связи с ППРЧ на отдельном примере реализации аппаратуры передачи данных (АПД) автоматизированного стационарного радиоцентра (АСРЦ).
Сигнальная конструкция модема АПД
Функционирование ПСС основывается на возможностях АПД и является её составной частью. ПСС обеспечивает начальную установку «внутренних» часов АСРЦ при введении
его в эксплуатацию, не требует использования системы ГЛОНАС или других систем единого времени [2, 3]. ПСС позволяет обеспечить требуемую точность «внутренних» часов АСРЦ, автоматическое её поддержание, высокую помехоустойчивость и независимость от других систем единого времени.
В модеме АПД применяется следующая сигнальная конструкция [4, 5]:
- система ортогональных сигналов с интервалом ортогональности То = 10 мс;
- защитный интервал Тзащ = 2,5 мс.;
- длительность модемной посылки Тп = 12,5 мс;
- расстояние между частотными подканалами АР = 100 Гц;
- используемые полосы канала связи 3.1, 4.5, 9.0, 40 КГц;
- количество частотных подканалов (определяется используемой полосой пропускания канала связи) - 29, 44, 89, 398;
- используется относительная фазовая модуляция первой, второй и третьей кратности, а также амплитудно-фазовая модуляция;
- время работы на одной РЧ определяется техническими характеристиками используемых радиосредств: постоянно на фиксированной рабочей частоте (1-й режим); 200 мс, ППРЧ (2-й режим); 50 мс, ППРЧ (3-й режим).
Необходимость трех режимов объясняется возможностью обеспечения работы с корреспондентами как работающими на фиксированной РЧ (режим 1), так и с корреспондентами, позволяющими обеспечить автоматическое установление соединения как в режиме ППРЧ, так и при работе на фиксированной РЧ с выбором наилучшей из предоставленных рабочих частот (режимы 2 и 3).
Режим 2 используется с радиосредствами, обеспечивающими время переключения рабочей частоты в пределах 50 ^ 70 мс, режим 3 используется с радиосредствами с временем перехода на новую рабочую частоту не более 3 ^ 5 мс.
Процедура сетевой синхронизации обеспечивается АПД, работающей во втором режиме ППРЧ в полосе канала 3,1 КГц при использовании двукратной относительной фазовой модуляции. Установленная сетевая синхронизация будет достаточной и при использовании в АСРЦ отдельных (или всех) каналов, работающих в режиме 3.
Использование двухканального радиоприемника
Важной особенностью является то, что для достижения максимальной пропускной способности для режимов 2 и 3 каждый канал приема комплектуется двухканальным радиоприемником [2].
Необходимость двух каналов приема обусловлена возможностью работы с перекрытием, при котором в каждом канале радиоприемника переключение радиочастот происходит в два раза реже, по сравнению с передатчиком (см. пример использования 6-ти рабочих частот, рис. 1).
Из рис. 1 видно, что один из радиоприемников обслуживает нечетные интервалы времени, а другой - четные.
Это позволяет:
- исключить потери информации ввиду разности хода лучей на различных радиочастотах;
- уменьшить время и повысить вероятность установления сетевой синхронизации при вводе АСРЦ в эксплуатацию;
- уменьшить время установления соединения (в силу возможной рассинхронизации корреспондентов из-за нестабильности опорных генераторов, а также с отличным для разных групп корреспондентов временем распространения сигнала в канале связи).
0,0 0,2 с 0,4с 0,8с 1,0с 1.2с 1,4с 1,6с 1,8с 2,0с 2.2.С 2,4с
Рис. 1. Временные диаграммы переключения радиопередатчика и двух приемников
Кодограммы обмена АПД при установлении сетевой синхронизации
ПСС базируется на процедуре обмена станциями участников сети сообщениями, содержащими информацию о состоянии их внутренних часов (счетчика времени), что позволяет учесть время распространения сигнала в канале связи. Размер сообщения соответствует одному информационному кадру, а структура кадра выбрана таким образом, чтобы отдельный кадр полностью передавался за время передачи его на одной рабочей частоте (один слот). Из 200 мс работа на одной рабочей частоте режима 2, половина (100 мс) отводится на перестройку радиосредств, остальные 100 мс являются информационными. Демодуляция принимаемого из канала связи сигнала исполняется без затрат времени на частотную, тактовую и кодовую синхронизацию [6, 7, 8]. Используемая сигнальная конструкция позволяет разместить 406 информационных бита. В табл. 1 показано кодирование информационных полей кодограмм запроса и выдачи сетевой синхронизации. Последовательность кодирования полей начинается с первого, выданного на передачу.
Таблица 1 - Кодирование информационных полей кодограмм запроса и выдачи сетевой синхронизации
№ бита Длина,бит Название поля Примечание
0-2 3 Тип кодограммы: 2 - запрос сетевой синхронизации, 3 - выдача сетевой синхронизации Всего служебных бит 173
3-66 64 Синхропакет имитовставки
67-76 10 Номер кодограммы
77-108 32 Имитовставка
109-124 16 Сетевой адрес получателя (или группы получателей) с указанием номера сети
125 -172 48 Состояние собственного счетчика времени
173-405 233 Код
Для обеспечения помехоустойчивого кодирования в АПД программно-аппаратного комплекса (ПАК) установления и ведения связи (УВС) используется код Рида-Соломона [3]. При этом выделяются следующие критерии: согласованность кратности модуляции с внутренними символами корректирующего кода; согласованность длины кода с количеством бит на рабочей частоте. В кодограммах запроса и выдачи сетевой синхронизации на код выделяется 233 бит, скорость кода 0,426.
Условия обеспечения сетевой синхронизации
Для обеспечения обмена сообщениями между станциями необходимо обеспечить совпадение рабочих частот передающей и приемной сторонами. Для вновь вводимой станции данное условие выполняется частично. На рис. 2 показано (выделено красным), что при передаче кодограммы запроса сетевой синхронизации при переключении РЧ будут лишь случайные совпадения по времени РЧ передающей и принимающей станций, но это совпадение, при условии прохождения сигнала с удовлетворительным качеством, позволит правильно принять кодограмму запроса и декодировать её поля.
Оценим вероятность случайного совпадения РЧ взаимодействующих станций. Вероятность совпадения определяется как Рсовп = 1/^рч. Так, для количества РЧ в пакете переключения #рч = 32 эта вероятность равна Рсовп = 3-10"2. Тогда, с учетом коэффициента готовности канала связи:
- вероятность приема кодограммы сетевой синхронизации на одном слоте, при совпадении РЧ приемника и передатчика будет равна Рсовп = Рк/^рч, где Рк - вероятность превышения требуемого отношения сигнал/шум на частотах рабочего пакета;
- (1 - Рк/#рч) - вероятность того, что в данном слоте или РЧ у приемника и передатчика не совпадают, или будет неудовлетворительное качество сигнала на выбранном слоте (вероятность неприема кодограммы сетевой синхронизации);
- Рдов = 1 - (1 - Рк /^рч)5 - вероятность того, что в данном слоте РЧ у приемника и передатчика совпадут за ^ слотов, и качество сигнала будет удовлетворительное.
0,0
0,2 с
0,4с
1,0с
1.2с
1,4с
1,6с
2,0с
2.2.с
2,4с
Рис. 2. Организация запроса кодограммы сетевой синхронизации на примере 6-ти РЧ
В табл. 2 представлены вероятности приема кодограммы запроса сетевой синхронизации для различных возможных значений Рдов, ^рч, Рк, ^ и времени её доведения Гдов.
Из табл. 2 следует, что для обеспечения требуемой вероятности обмена кодограммами установления сетевой синхронизации, с учетом прогнозируемого качества канала связи на частотах рабочего пакета, выбирается продолжительность выдачи кодограмм установления сетевой синхронизации.
0
Таблица 2 - Вероятностно-временные характеристики приема кодограммы запроса сетевой синхронизации
№ п/п Режим РДов N>4 Рк s Тдов> с
1. 0,85 16 0,3 100 20
2. 2 0,98 0,3 200 40
3. 0,96 0,5 100 20
4. 0,61 32 0,3 100 20
5. 0,85 0,3 200 40
6. 0,79 0,5 100 20
7. 0,96 0,5 200 40
8. 3 для полосы 4,5 КГц 0,85 16 0,3 100 5
9. 0,98 0,3 200 10
10. 0,998 0,5 200 10
11. 0,85 32 0,3 200 10
12. 0,98 0,3 400 20
13. 0,96 0,5 200 10
14.
15. 0,998 0,5 400 20
Примечание: Данные по режиму 3 приведены справочно. Из них видно, что переход всех корреспондентов сети на режим 3 существенно улучшит динамические характеристики установления сетевой синхронизации.
Алгоритм сетевой синхронизации
При положительном результате проверки имитовставки и адреса запрашиваемой АСРЦ, одна из действующих станций сети (назначенная или младшая по номеру, или другим способом определяемая) выдает последовательно на выделенных рабочих частотах адресные кодограммы выдачи сетевой синхронизации. Как и при передаче кодограммы запроса сетевой синхронизации, будет случайное совпадения по времени РЧ передающей и принимающей станций, что позволит принять кодограмму выдачи сетевой синхронизации, правильно декодировать и, при положительных проверках имитовставки и адреса станции сети, установить текущий код фазы «внутренних» часов сети. Вероятностно-временные характеристики получения кодограммы выдачи сетевой синхронизации аналогичны указанным в табл. 2.
Рассмотрим более детально процедуру установления сетевой синхронизации. Допустим, что необходимо обеспечить сетевой синхронизм АСРЦ 1. Пусть АСРЦ 2, находится в сети (т. е. в сетевом синхронизме со всеми АСРЦ сети). «Внутренние» часы АСРЦ 1 и АСРЦ 2 отличаются друг от друга на какую-то величину АГо. Для синхронизации времен необходимо эту величину определить и откорректировать время АСРЦ 1. Время на АСРЦ 2 обозначим за Т, а время на АСРЦ 1 соответственно Г+АГо.
Алгоритм синхронизации заключается в следующем (рис. 3). АПД АСРЦ 1 по команде оператора посылает с адресом АСРЦ 2 кадр запроса сетевой синхронизации (КЗСС), в нем содержится информация о его собственном времени (т. е. о состоянии счетчика внутренних часов). Также АПД АСРЦ 1 запоминает, в какой момент времени по своим часам был выслан запрос АСРЦ 2 на сетевую синхронизацию. Информация до АСРЦ 2 дойдет с задержкой АГ1. АПД АСРЦ 2, приняв информацию от АСРЦ 1, запоминает, в какой момент времени это произошло, и от времени АСРЦ 1 отнимает свое текущее время:
(Т + ДТо) - (Т + ДТ1) = А То - ДТ1; (1)
Результат вычитания удваивается, затем ПАПД АСРЦ 2 вычитает от результата предыдущих действий время от получения запроса от АСРЦ 1 до момента отправки ответа ДТз, и посылает с адресом АСРЦ 1 ответную кодограмму установления сетевой синхронизации (КУСС) со значением собственного счетчика времени равным:
2(ДТо - ДТ1) - ДТз = 2ДТо - (2ДТ1 + ДТз) = 2ДТо - ДТ2; (2)
АПД АСРЦ 1 запоминает время, когда в ответ он получил КУСС от АСРЦ 2, вычитывает время от передачи посылки кадра КЗСС до получения ответной информации ДТ2. Сложим (2) и ДТ2:
X = 2ДТо - ДТ2 + ДТ2 = 2ДТо; (3)
Таким образом, можем вычислить временную расстройку между АСРЦ С1 и АСРЦ
С2 как
ДТо=хп. (4)
Теперь АПД АСРЦ 1 вносит полученную поправку А7о в свое время, тем самым синхронизует его со временем АПД АСРЦ 2. В результате, время на АСРЦ 1 и АСРЦ 2 одинаково и все переключения несущих частот (в том числе, в режиме радиомолчания) происходят одновременно. Учет времени распространения сигнала между станциями позволяет достигнуть точности установки сетевого времени для приведенной сигнально-кодовой конструкции до ± 0,15 мс. С учетом нестабильности опорного генератора АПД, не превышающей 10-7 синхронное переключение рабочих частот, в режиме радиомолчания поддерживается в течение нескольких месяцев. Выход в эфир любой станции сети в течение этого времени позволяет остальным станциям провести коррекцию «внутренних» часов и продолжить период радиомолчания в штатном режиме.
Время у АСРЦ 1
Т + ДТ,
Прибавляем к результату полученное время от АСРЦ 2 X = (2ДТо- ДТ2) + ДТ
Вычисляем поправку времени
ДТо =Х/2
Вводим поправку в свое время
Время синхронизировано
Рис. 3. Алгоритм синхронизации времени между АСРЦ С1 и С2
Необходимо отметить, что в системе может использоваться пассивная синхронизация станций сети (без запроса сетевой синхронизации станций сети). В пассивном режиме ведущий (синхронизующий) АСРЦ сети с определенной периодичностью выдает в эфир кадры выдачи сетевой синхронизации. Если АСРЦ потерял по какой-либо причине сетевую синхронизацию, то несмотря на это, на отдельных рабочих частотах данный АСРЦ с вероятностью 0,85 ^ 0,96 (табл. 2) с первого раза (0,97 ^ 0,998 со второго раза) корректно примет кадр выдачи сетевой синхронизации, что позволит восстановить штатную работу внутренних часов АСРЦ. Данный режим также позволяет контролировать исправность приемных трактов всех станций сети.
Заключение
Рассмотренная система сетевой синхронизации прошла в полном объёме лабораторные и трассовые испытания на декаметровых радиоканалах различного качества в условиях естественных и преднамеренных помех и показала свою эффективность. Было проведено несколько сотен сеансов установления сетевой синхронизации, за время испытаний не зафиксировано ни одного случая не установления сетевой синхронизации, синхронизация поддерживалась в течение длительного времени, что позволяло сразу же из режима радиомолчания в автоматическом режиме устанавливать соединение и принимать сообщения без каких-либо задержек [4].
Литература
1. Хвостунов Ю.С. Оперативность адаптации комбинированной радиосети к помеховой обстановке / Труды VI Российской научно-технической конференции. - Калуга, 2007.
2. Путилин А.Н., Хвостунов Ю.С. Концепция телекоммуникационной технологии сети дальней радиосвязи / Материалы XI Санкт-Петербургской Международной конференции «Региональная информатика «РИ-2010». - С-Пб, 2010.
3. Хвостунов Ю.С. Использование частотного ресурса при применении адаптивной системы декаметровой радиосвязи с полнодиапазонной ППРЧ АПС «ЛАДОГА» / Материалы VII Санкт-Петербургской Межрегиональной конференции «Региональная информатика «РИ-2012. - С-Пб, 2012.
4. Гук И.И., Путилин А.Н., Сиротинин И.В., Хвостунов Ю.С. Адаптивная система декаметровой радиосвязи с полнодиапазонной псевдослучайной перестройкой рабочей частотой. Предварительные результаты трассовых испытаний ее фрагмента / Материалы VI Санкт-Петербургской Межрегиональной конференции «Региональная информатика «РИ-2011» . - С-Пб, 2011.
5. Хвостунов Ю.С., Турилов В.А. Система адаптивной радиосвязи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты совмещенного метрового - декаметрового диапазонов / Труды IX Российской научно-технической конференции. - Калуга, 2010.
6. Патент № 2460219 - Способ совместной тактовой и кодовой синхронизации. Хвостунов Ю.С., Сиротинин И.В., Хромов В.В., 2012.
7. Патент №2469488 - Способ демодуляции радиосигналов с фазоразностной модуляцией. Сиротинин И.В., Хвостунов Ю.С., Хромов В.В., 2012.
8. Патент №2562435 - Способ кодирования-декодирования в системах передачи данных. Сараджишвили С.Э., Хвостунов Ю.С., Хромов В.В., 2015.
References
1. Khvostunov Y.S. Operativnost adaptatsii kombinirovannoy radioseti k pomekhovoy obstanovke [The speed of complexes adaptation processes of the combined radio network to noise conditions]. Proceedings of the VI scientific and technological conference. Kaluga, 2007 (in Russian).
2. Putilin A.N., Khvostunov Y.S. Kontseptsiya telekommunikatsionnoy tekhnologii seti dalney radiosvyazi [The concept of telecommunication technology of long-distance communication network]. Materials of the XI St. Petersburg international conference. Regional informatics. RI-2010. St. Petersburg, 2010 (in Russian).
3. Khvostunov Y.S. Ispolzovaniye chastotnogo resursapriprimenenii adaptivnoy sistemy dekametrovoy radiosvyazi s polnodiapazonnoy PPRCh APS «LADOGA» [The use of the frequency resource when using an
adaptive HF communication system full-range FHSS APS "LADOGA"]. Materials of the XII St. Petersburg international conference. Regional informatics. RI-2012. St. Petersburg, 2010 (in Russian).
4. Guk I.I., Putilin A.N., Sirotinin I.V., Khvostunov Y.S. Adaptivnaya sistema dekametrovoy radiosvyazi s polnodiapazonnoy psevdosluchaynoy perestroykoy rabochey chastotoy. Predvaritelnyye rezultaty trassovykh ispytaniy eye fragmenta [The adaptive HF communication system full-range FHSS. Preliminary results of track tests of its fragment]. Materials of the VI St. Petersburg international conference. Regional informatics. RI-2011. St. Petersburg, 2011 (in Russian).
5. Khvostunov Y.S., Turilov V.A. Sistema adaptivnoy radiosvyazi s psevdosluchaynoy perestroykoy rabochey chastoty sovmeshchennogo metrovogo - dekametrovogo diapazonov [Combined HF-VHF band adaptive FHSS radio communication system]. Proceedings of the VI scientific and technological conference. Kaluga, 2010 (in Russian).
6. Patent № 2460219 Method for joint clock and code synchronization. Khvostunov Y.S., Sirotinin I.V., Khromov V.V., 2012.
7. Patent № 24469488 Method for demodulating radio Khromov V.V., 2012.
8. Patent № 2562435 Method of coding-decoding in Khvostunov Y.S., Khromov V.V., 2015.
Статья поступила 06 мая 2020 г.
Информация об авторе
Хвостунов Юрий Сергеевич - Заместитель директора научно-исследовательского центра ПАО «Интелтех», кандидт технических наук. Область научных интересов: адаптивные помехоустойчивые системы декаметровой радиосвязи. Тел.: +7(812)448-96-30. E-mail: [email protected]. Адрес: 197342, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Кантемировская, д. 8.
Implementation of network synchronization in an automated radio network of HF range
Y.S. Khvostunov
Annotation. The article deals with one of the problems, solved in the development of HF communication systems, working in the mode FHSS, is to provide synchronous switching of operating frequencies of stations of the automated radio network. Existing methods of maintaining synchronism do not provide the necessary accuracy and do not function without external time systems (GLONAS, EV etc.). The purpose of this work is to develop a method for implementing network synchronization, providing the required accuracy and autonomous operation of the HF communication network. Methods used: Theoretical and practical background in the field of digital data transmission over a HF communication channel. Novelty: the proposed method for automatically establishing and maintaining network synchronization. The result: a method for establishing and maintaining network synchronization is proposed that provides the required accuracy and Autonomous operation of the decameter communication network based on the used technical solutions of the new generation data transmission equipment. Practical significance: the proposed method makes it possible to automate the establishment of network synchronization, maintain it without using external time sources, and minimize the losses associated with inaccuracy of switching the operating frequencies of network stations.
Keywords: HF radio communication; pseudo-random adjustment of the operating frequency; signal design; network synchronization; data transmission equipment; automated stationary radio center.
Information about Authors
Khostunov Yuri Sergeevich - Deputy Director of Research Center of PJSC «Intelteh». Ph.D., Area of scientific interest: adaptive noise-immune systems of decameter radio communication. Tel.: +7(812)448-96-30. E-mail: [email protected]. Address: 197342, Russia, St. Petersburg, ul. Kantemirovskaya, 8.
Для цитирования: Хвостунов Ю.С. Реализации сетевой синхронизации в автоматизированной сети радиосвязи декаметрового диапазона // Техника средств связи. 2020. № 2 (150). С. 63-70.
For citation: Khostunov Y.S. Implementation of network synchronization in an automated radio network of HF range. Means of communication equipment. 2020. No 2 (150). P. 63-70 (in Russian).
signals. Sirotinin I.V., Khvostunov Y.S., data transmission systems. Saradjishvili.,
