Современные ВЧ радиокоммуникационные системы -достойная альтернатива спутниковой связи

Алехин Ю. Н., Шаронин С. Г. 

Быстрое развитие технологий цифровой обработки сигналов существенно изменило возможности ВЧ-связи. Если в недалеком прошлом качество этого вида связи напрямую зависело от мастерства оператора, то сегодня оно обеспечивается аппаратными средствами, встроенными в приемопередающую аппаратуру. Так, высокоскоростные модемы с адаптивной коррекцией произвели революцию в области использования ВЧ-связи для передачи данных. Проблема управления частотой в значительной степени упростилась в цифровых, управляемых процессором, ВЧ-радиостанциях, включающих интегральные модули автоматического установления связи. Различные автоматические устройства, регулирующие параметры работы связных каналов, рабочую частоту в соответствии с изменениями состояния ионосферы и настройку антенн, позволяют отнести такие ВЧ-радиостанции к классу COTS (автоматизированная аппаратура на базе ЭВМ).

Успешно преодолевая трудности, ВЧ-радиосвязь в настоящее время становится наиболее доступным средством связи для аналоговых речевых коммуникаций и низкоскоростной передачи данных. Большинство морских коммуникационных систем, систем дипломатической связи, передачи метеопрогнозов основано на ВЧ-радиосвязи. Еще одним залогом успешного развития этого вида коммуникаций является возможность существенной экономии средств за счет использования существующей инфраструктуры (например, передающих центров и антенных полей).

Функциональные возможности ВЧ радиокоммуникационных систем

Рассматриваемый класс систем обеспечивает надежную ВЧ-радиосвязь в диапазоне 2-30 Мгц на ближние, дальние и сверхдальние расстояния при выходной мощности передатчика от 1Вт до 10 КВт.

С учетом свойств распространения радиоволн этого диапазона и возможности выбора антенн различного типа, наиболее оптимальными для установления связи будут расстояния до 2000 км. Основные функции, выполняемые ВЧ-радиосистемами, состоят в следующем:

• двухсторонняя адресная радиотелефонная связь по принципу "каждый с каждым" с возможностью выхода в общегосударственную либо учрежденческую телефонную сеть;
• безошибочная низкоскоростная передача по радиоканалу данных: текстовых сообщений, двоичных файлов, факсов и качественных цветных и черно-белых изображений;
• объединение с помощью радиоканалов территориально разнесенных локальных вычислительных сетей подразделений.

Основными производителями ВЧ-радиооборудования являются такие зарубежные фирмы, как HARRIS, TRANSWORLD, KENWOOD, MOTOROLA и ряд других. Пользователям может быть предложена широкая номенклатура трансиверов ВЧ-диапазона, в зависимости от требуемых уровня мощности, стоимостных, массогабаритных и надежностных характеристик. Это позволяет заказчику выбрать необходимый тип оборудования, исходя из своих потребностей и возможностей. Имеется также большой выбор антенн разного типа и назначения: симметричные вибраторные антенны в стационарном и развертываемом вариантах, гибкие штыревые антенны разных конструкций, директорные, логопериодические антенны, а также зенитные антенны (NVIS). Высокая эффективность работы антенн во всем ВЧ-диапазоне обеспечивается применением специальных автоматических антенных тюнеров, разработанных для разных уровней передаваемой мощности. Наконец, гамма источников питания, монтажные аксессуары, а также наборы высокочастотных, силовых и аудиокабелей дополняют список оборудования и служат для комплектации конфигурируемых радиосистем.

Признанным мировым лидером по производству оборудования для ВЧ-радиосвязи по праву считается американская корпорация HARRIS, поскольку ее продукция наиболее полно охватывает все области применения этой аппаратуры, а сама корпорация является поставщиком Министерства обороны США, а также более чем 100 крупных корпоративных клиентов по всему миру. Поэтому далее возможности и особенности современного телекоммуникационного ВЧ-оборудования будут рассмотрены на примерах продукции этой корпорации.

ВЧ-связь экономически более выгодна, чем спутниковая связь

С учетом основных функций, выполняемых ВЧ-связью, и ее возможностей можно утверждать, что для передачи голоса и низкоскоростных данных она является достойной альтернативой спутниковой связи. В связи с этим особый интерес вызывает сопоставление их экономических показателей. Сопоставим стоимость оборудования и обслуживания двух типов связи для передачи данных применительно к мобильному варианту, т.е. при полном весе оборудования не более нескольких десятков килограммов, возможности быстрой и легкой установки антенны, применении автономных источников питания. При этом рассматриваются коммуникации с относительно низкой скоростью передачи данных ( до 2,4 Кбит/с ). Из спутниковых систем рассматриваются С-терминалы INMARSAT, обеспечивающие каналы обмена данными со скоростью 600 бит/с и факсимильную связь с другими С-терминалами.

По данным Технического центра НАТО (STS), в течение последних пяти лет были проведены испытания по установлению спутниковой и ВЧ-связи между STS и Латинской Америкой, Германией, Италией, Норвегией. В испытаниях применялось мобильное связное ВЧ-оборудование корпорации HARRIS и С-терминалы INMARSAT с параболической антенной. Для сравнения затрат на содержание оборудования по двум типам коммуникаций принимался во внимание коэффициент использования оборудования - количество сообщений в 2000 символов ( одна полная страница текста формата А4), переданных за одни сутки. Учитывались также стандартный срок амортизации оборудования (10 лет) и величина отчислений на обслуживание и ремонт, составляющая для любого терминала 20% от его стоимости в год.

На рисунке 1 приведено сравнение затрат в расчете на одно сообщение для обоих вариантов связи. Например, для коэффициента использования оборудования в 100 сообщений в сутки издержки спутниковой и ВЧ-связи в расчете на одно сообщение составляют, соответственно, 8,1 и 0,3 долл. для коэффициента использования в 500 сообщений в сутки - 8 и 0,07 долл. для коэффициента использования 1000 сообщений в сутки - 8 и 0,03 долл.

Рисунок 1.
Сравнение затрат в расчете на одно сообщение для четырех уровней использования оборудования.

Сравнив представленные на рисунке данные, можно сделать важный вывод: при очень малом потоке сообщений, величиной в несколько сообщений в сутки, различия в затратах для обоих видов связи соизмеримы. Однако если необходимо поддерживать значительный поток сообщений, затраты при использовании системы ВЧ-связи оказываются в сотни раз более низкими.

Сказанное подтверждается и отечественными источниками, например данными организации "Морсвязьспутник". Хотя стоимость оборудования спутникового C-терминала INMARSAT для передачи данных со скоростью 600 бит/c в несколько раз ниже, чем аналогичного ВЧ-терминала, стоимость трафика при использовании спутникового канала достаточно высока и составляет порядка 0,8 долл. за 1 Кбит информации. Этот показатель и будет определять уровень затрат на передачу сообщения при интенсивном использовании канала.

Современные технические решения, обеспечивающие высокую эффективность ВЧ-радиосистем

Развитие коммуникационных потребностей привело к возникновению прогрессивных технологий, которые полностью изменили ситуацию в области ВЧ-радиосвязи.

Эти изменения сводятся к следующему:

• упрощение системного управления и функционирования;
• автоматизированное управление связью;
• повышение надежности коммуникационных систем;
• увеличение нагрузки канала передачи информации;
• унификация и взаимозаменяемость элементов систем;
• высокоскоростная передача данных и цветных изображений.

Рассмотрим некоторые наиболее важные инженерно-технические решения, обеспечивающие высокую эффективность современных ВЧ радиосистем.

Система автоматического установления соединения (АУС)

Эта система выполняет без участия оператора четыре фундаментальные функции:

• выбор наиболее подходящего ВЧ-канала;
• установление связи;
• непрерывный анализ качества связи;
• завершение связи.

Система содержит ВЧ-радиостанцию и контроллер АУС. В современной аппаратуре контроллер АУС все чаще размещается внутри приемопередатчика как встроенная опция. Контроллер представляет собой средство взаимодействия с оператором и управления радиооборудованием системы. Он регулярно указывает радиостанции частоту и режим работы. Контроллер АУС содержит специализированный ВЧ-модем для обмена сообщениями, устанавливающими и поддерживающими связь между системами АУС. В режиме ожидания система АУС сканирует назначенные (разрешенные) частоты и определяет качество сигнала в каждом частотном канале. Эти тесты выполняются автоматически и периодически заносятся в матрицу анализа качества каналов. При поступлении вызова контроллер АУС перебирает разрешенные частоты и обращается к матрице анализа качества каналов, чтобы определить, какая частота является наилучшей. Контроллер указывает радиостанции подходящую частоту и посылает в эфир сообщение, которое заставляет станцию-абонент прекратить сканирование и откликнуться. Затем вызывающая станция посылает "подтверждающее" сообщение. Обе системы теперь связаны, и операторы могут обмениваться речевыми сообщениями или данными. Если произошел отказ в установлении связи или ее прерывание, контроллер пытается установить соединение на второй или третьей частоте из наилучших. Так будет продолжаться до тех пор, пока связь не установится. Этот процесс длится менее 30 с.

Когда сообщение передано, оператор прерывает связь и дает команду обеим системам вернуться к сканированию. Система АУС может обеспечить также групповой вызов нескольких станций. Это сделано для обеспечения соединений типа конференц-связи или вещания. Таким образом, система АУС радикально упрощает процесс установления и поддержания ВЧ-радиоканала связи.

Блок сопряжения с телефонной сетью (телефонный интерфейс).

Это устройство позволяет связать радиоаппаратуру пользователя с любым абонентом, подключенным к учрежденческой сети или сети общего пользования и расположенным в любой точке по всему миру. Блок сопряжения имеет следующие основные особенности:

• улучшает надежность установления соединения за счет режима прямого исправления ошибок;
• стыкуется с двупроводной абонентской телефонной линией ГТС и УАТС, имеющей стандартную функцию двухтонального многочастотного набора (DTMF), имеет средство многоязычной речевой подсказки;
• при использовании совместно с оборудованием АУС обеспечивает режим АУС-контроля, позволяющий пользователю осуществлять в автоматическом режиме вызов любого абонентского телефона или отдельно расположенной радиостанции с телефона частной сети или сети общего пользования;
• беспечивает дистанционное управление с клавиатуры телефонного аппарата функциями приема/передачи радиостанции; в полудуплексном режиме возможно управление с использованием встроенного средства голосового управления передачей;
• обеспечивает режим кодирования доступа;
• позволяет абоненту одной телефонной сети вызывать абонента другой телефонной сети по радиоканалу (при наличии двух блоков телефонного сопряжения).

Устройства для обмена данными в условиях повышенных радиопомех

Известно, что радиопомехи являются одним из главных препятствий для надежного обмена данными в определенных районах мира. Наиболее общими источниками радиопомех являются сигналы передач в режимах FSK и непрерывного сигнала (CW). Эти сигналы иногда специально передают по занятым каналам для искажения или подавления их сигналов. Сигналы помех часто являются узкополосными, по сравнению с шириной полосы речевого канала (25 кГц), а их уровень часто превышает фоновой шум на 30 дБ.

Для обеспечения надежной передачи данных в условиях радиопомех применяют специально разработанные модемы, использующие адаптивный фильтр отсечения узкополосных радиопомех. Это режекторный узкополосный перестраиваемый фильтр. Он является адаптивным в том смысле, что автоматически обнаруживает и отфильтровывает любой сигнал помехи в полосе частот 3 кГц. Когда помехи отсутствуют, фильтр работает как полоснопропускающий. Как только возникает один или несколько сигналов помех, фильтр автоматически перестраивается и начинает функционировать как узкополосный режекторный или гребенчатый. Фильтр успешно устраняет до четырех сигналов помех в указанной полосе.

Теперь кратко рассмотрим особенности новых модемов. Модем RF-5254С (фирма HARRIS) представляет собой последовательный высокоскоростной ВЧ-модем со скоростью передачи данных до 2400 бит/c. Испытания этого модема показали низкую вероятность появления ошибочных бит на контрольном отрезке времени, благодаря, в основном, адаптивному фильтру. Дальнейшим развитием этого направления является модем RF-6710, обеспечивающий скорость передачи данных до 4800 бит/c.

Модем RF-3466А (фирма HARRIS) реализует стойкий к грубым воздействиям (робастный) сигнал и обеспечивает передачу данных со скоростью 75 бит/c. Было проведено сравнение этого модема с обычным бинарным модемом с частотной манипуляцией на скорости 75 бит/c. Отмечено, что частота появления ошибок по битам в модеме этого типа на три порядка ниже, чем в обычном одночастотном модеме при отношении сигнал/шум в 0 дБ. С увеличением отношения сигнал/шум эта разница становится еще больше. Адаптивный фильтр отсечения помех, входящий в состав модема, позволяет поддерживать те же характеристики в присутствии до четырех сигналов помех. Для оценки эксплуатационных возможностей модема RF-3466А в условиях активного радиоэлектронного противодействия был проведен ряд тестов, которые показали, что в случае широкополосной FSK-помехи модем продолжает работать без появления ошибочных бит при уровне сигнала помехи до 10 дБ выше сигнала сообщения, а в случае узкополосной FSK-помехи - до 20 дБ. В случае помехи в виде четырехтонального сигнала аналогичная величина составляет 25 дБ

Таким образом, можно с уверенностью сказать, что разработана аппаратура, позволяющая обеспечить надежную передачу данных по ВЧ-каналам в условиях радиопомех.

Универсальный информационный терминал

Это устройство представляет собой терминал на основе персонального компьютера (в настольном исполнении или ноутбука), который обеспечивает высокоскоростную, свободную от ошибок передачу по ВЧ-радиоканалам текстовых сообщений, бинарных файлов, факсимильных сообщений и цветных изображений высокого разрешения. Например, терминал RF-6710 (фирма HARRIS) работает под управлением операционной системы Microsoft Windows и содержит интеллектуальную коммуникационную карту, обеспечивающую функции протокола канального уровня и управления аппаратурой FED-STD-1052/P-52. Терминал работает совместно с модемом, контроллером АУС и трансивером и имеет следующие основные особенности:

• автоматическое осуществление связи и запоминание сообщений;
• организация очереди сообщений по приоритетам операций;
• автоматическое изменение частот при деградации каналов;
• настраиваемая скорость передачи данных для оптимизации пропускной способности канала;
• автоматическое сжатие сообщений и изображений;
• дистанционное управление модемом и приемопередатчиком.

Межсетевой интерфейс

Предназначен для "прозрачной" трансляции информации через ВЧ-радиоканалы между удаленными друг от друга локальными вычислительными сетями (ЛВС). Такой интерфейс, например RF-6750 (фирма HARRIS), легко интегрируется в компьютерные ЛВС и обеспечивает:

• автоматическую (необслуживаемую) передачу файлов данных и электронной почты в соответствии с протоколом SMRT;
• дистанционный контроль и управление радиомодемом и трансивером, включая функцию АУС;
• автоматическое сжатие данных при передаче.

Пользователи ЛВС могут даже не догадываться, что связь между сетями обеспечивается не по проводным или кабельным линиям, а по эфиру.

Цифровая система передачи видеоизображений (DVITS)

Это новая коммуникационная система, способная получать и накапливать цифровые видеоизображения с высокой степенью разрешения, а также передавать их со скоростью, близкой к режиму реального масштаба времени, по ВЧ-радиоканалам.

Система может получать цветные и монохромные изображения высокого разрешения от аналоговых камер, видеокамер и цифровых камер. Возможно увеличение изображения в 2, 4, 8 и 16 раз, а также выделение деталей любого цветного или монохромного изображения.

Полученное изображение легко снабжается указателями, заглавиями, датами, именами и т.д.; возможно создание текстовых файлов, которые передаются совместно с изображением.

Предусмотрено раздельное каталогизирование текста и данных для быстрого поиска нужного изображения.

Корпорация HARRIS выпускает несколько модификаций такой системы - базовую, мобильную, переносную и компактную, причем все варианты системы могут быть легко связаны между собой по ВЧ-радиоканалам. Остановимся более подробно на компактном варианте системы.

Компактный терминал передачи видеоизображения по ВЧ-радиоканалам RF-3700-04CPHD (фирма HARRIS) представляет собой устройство, разработанное для переноски в ранце или в руках для использования в суровых полевых условиях работы.

Терминал характеризуется пятью уровнями сжатия изображения, которые могут использоваться избирательно в процессе передачи и накопления изображений. В систему включен алгоритм исправления ошибок и алгоритм селективного автоматического запроса на повторение для обеспечения надежной связи по ВЧ-каналам.

Основные особенности терминала передачи видеоизображения:

• получение цветного и монохромного изображения высокого разрешения разного формата;
• встроенный параллельный порт для связи с принтером для печати изображений и текстовых файлов;
• встроенный порт для связи с цифровыми камерами;
• цветной монитор и двухстрочный индикатор состояния;
• система редактирования изображения, текста и графических указателей;
• сенсорная клавиатура.

Терминал позволяет поддерживать передачу изображения со скоростью до 32 Кбит/c. Он оборудован встроенным последовательным ВЧ-модулятором для передачи изображения по ВЧ-каналам. При этом он работает совместно с модемом и трансивером.

Терминал имеет внутреннюю память, достаточную для хранения до 20 изображений. Дополнительные изображения могут записываться в сменных картах.

Возможные области применения ВЧ радиокоммуникационных систем

Как указывалось выше, одной из основных функций таких систем является радиотелефонная связь. Радиотелефонная система ВЧ-связи позволяет осуществлять вызовы от и к мобильным трансиверам, находящимся в полевых условиях, прямым набором номера и обеспечивает автоматическое подсоединение к телефонным сетям с коммутацией сообщений или к частным абонентским линиям. Рассмотрим типовую схему терминала радиотелефонной ВЧ-связи мобильной станции, представленную на рисунке 2.

Рисунок 2.
Схема ВЧ-терминала мобильной станции радиотелефонной связи

Терминал содержит микротелефонную трубку, соединенную с трансивером. Трубка имеет клавиатуру и дисплей на ЖКИ. Клавиатура позволяет пользователю набирать цифры телефонного номера, а также программировать это устройство. Телефонный номер может содержать до 28 цифр. В память могут быть занесены до 20 телефонных номеров для обеспечения функции короткого набора. Дисплей позволяет видеть набираемые цифры и отображает состояние трубки. Трансивер соединен с антенной с помощью антенного тюнера, служащего для автоматического согласования антенны в диапазоне частот. К трансиверу подключен контроллер АУС.

Структурная схема терминала базовой станции показана на рисунке 3 и содержит, наряду с уже описанными узлами, телефонный интерфейс, который соединяет трансивер базовой станции с учрежденческой или городской АТС.

Рисунок 3.
Схема ВЧ-терминала базовой станции радиотелефонной связи.

Интерфейс предназначен для необслуживаемого режима работы. Входящие вызовы автоматически подключаются по двухпроводной абонентской линии к АТС и далее к ее абонентам без вмешательства оператора.

В качестве примера можно рассмотреть фрагмент сети (рисунок 4), содержащий две базовые (БС1 и БС2) и одну мобильную (МС) станции. Каждая из базовых станций оснащена телефонным интерфейсом, обеспечивающим автоматический выход по радиоканалу на опорную АТС и, через нее, на других абонентов учрежденческой, городской, междугородней или международной сетей. Представленная схема может быть использована, например:

Рисунок 4.
Пример построения сетей с использование ВЧ-радиосвязи.

• для связи передвижной группы, оснащенной МС, со своей организацией (БС1 или БС2);
• как мост между УАТС (БС1), расположенной в удаленном районе, и городской сетью (БС2).

Трансиверы на базовой и мобильной станциях могут быть одинаковыми либо разных модификаций. Для формирования канала связи рассмотренные терминалы используются в любых комбинациях, в зависимости от конкретной задачи. При необходимости в сеть связи может быть интегрировано оборудование передачи данных, включающее модем, компьютер или универсальный информационный терминал.

Поскольку применение ВЧ-радиосвязи практически не накладывает ограничений на дальность связи (при использовании передатчиков соответствующей мощности), становится возможным построение единых сетей связи служб национального или регионального масштаба. Практическая эксплуатация таких сетей в ряде стран подтвердила их экономическую целесообразность.

При построении сети, в зависимости от конкретной ситуации, ВЧ-радиосвязь может применяться для основной либо резервной связи.

Применение ВЧ-каналов для основной связи оправданно в целом ряде случаев:

• на чрезмерно загруженных направлениях;
• взамен низкокачественных проводных каналов;
• для экономии средств на аренду телефонных каналов;
• для построения мостов АТС-АТС с целью обхода ненадежных или поврежденных участков проводной связи (сейчас для этих задач удобнее использовать GSM-шлюзы);
• для объединения территориально разнесенных локальных вычислительных сетей.

Высокие надежностные показатели рассматриваемого оборудования позволяют считать его использование идеальным для построения сетей резервной связи (например, оперативно-диспетчерских служб). Такая связь может применяться, например, при выходе из строя проводных линий связи из-за стихийных бедствий или неисправностей.

Трудно переоценить значение этих сетей для организации связи с передвижными ремонтно-восстановительными бригадами, которые теперь могут стать доступными, независимо от их месторасположения.

Подводя итог сказанному, можно отметить, что системы ВЧ-связи оказываются практически незаменимыми:

• для построения экономичного варианта глобальных сетей (например, объединения ЛВС филиалов банков и связи с центральным офисом);
• в специальных системах аварийной и резервной связи;
• для спасательных служб, работающих в недоступных и удаленных районах;
• в труднодоступных сельских и горных районах, не имеющих выхода в общегосударственную телефонную сеть;
• для ремонтно-восстановительных бригад, обслуживающих протяженные ЛЭП, нефте- и газопроводы;
• в геологической разведке и горнорудной промышленности;
• на удаленных буровых и морских нефтегазодобывающих платформах;
• в системах связи корабль-берег или земля-воздух.

Для любого из перечисленных приложений используются мобильные или стационарные станции, оснащенные теми или иными средствами. Многообразие технических средств ВЧ-радиосвязи и их модульная архитектура позволяют строить системы самого различного уровня сложности - как универсальные (обеспечивающие связь всех видов), так и обеспечивающие решение конкретной узкой задачи. При этом наличие развитых средств интеграции с системами телефонной связи и сетями передачи данных дает возможность рассматривать тракт ВЧ-связи (при правильном его построении) как "прозрачный" канал передачи инфомации. Единственное, что остается сделать для достижения нужного результата - это правильно выбрать компоненты системы и организовать их взаимодействие.

См. также: GSM мини АТС