Крупномасштабная сеть ДКМВ радиосвязи со сплошной зоной радиодоступа
LARGE-SCALE NETWORK HF RADIO WITH CONTINUOUS AREA RADIOACCESS

Изобретение относится к сетям и системам радиосвязи ДКМВ диапазона с использованием отражения радиоволн от ионосферного слоя F2. Изобретение может быть использовано для построения крупномасштабных национальных или континентальных сетей радиодоступа со сплошной зоной покрытия заданной территории независимо от характера рельефа и дополнительными секторами радиодоступа удаленных абонентов на расстоянии до 20000 км от границы сплошной территориальной зоны доступа. Изобретение может быть использовано для создания локальных зон радиосвязи с радиусом сплошной зоны обслуживания до 3000 км с повышенной пропускной способностью в районах необорудованных другими системами и устройствами электрической связи.
Для оценки новизны и технического уровня заявленного решения рассмотрим ряд известных заявителю технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленным изобретением признаков, известных из сведений, ставших общедоступными до даты приоритета изобретения.
Известна система стационарного цифрового широкополосного радиодоступа, содержащая базовую (центральную) радиостанцию СВЧ с антенной, имеющей круговую либо секторную диаграмму направленности, и размещенные в пределах прямой радиовидимости, на разных удалениях от базовой (центральной) станции СВЧ, групповые абонентские (оконечные) радиостанции СВЧ с высоконаправленными антеннами, ориентированными на базовую (центральную) станцию СВЧ, которая характеризуется тем, что в состав базовой станции введен делитель мощности направлений, введены N-1 остронаправленные антенны, работающие с двумя ортогональными поляризациями, групповой выход широкополосного передатчика (передатчиков) базовой станции СВЧ подключен ко входу делителя мощности, к одному из выходов которого присоединен одномодовый вход селектора поляризации антенны с круговой либо секторной диаграммой направленности в горизонтальной плоскости, а другие N-1 выходов делителя мощности присоединены к соответствующим входам селекторов поляризации N-1 остронаправленных антенн, при этом в состав базовой радиостанции СВЧ введен сумматор принимаемых от абонентских станций сигналов СВЧ с N направлений, имеющий в составе N преселекторов, N малошумящих усилителей СВЧ и схему сложения, выход которой соединен с групповым входом приемника (приемников СВЧ) базовой радиостанции СВЧ, а каждый отдельный вход сумматора сигналов соединен с выходом селектора поляризации соответствующей антенны, см. патент RU №2285339.
Недостатком таких систем является незначительная (радиусом несколько десятков километров) зона обслуживания одной базовой станции, ограниченная прямой видимостью между антеннами базовой и абонентской радиостанций.
Известны зональные систем ДКМВ радиосвязи с вынесенным ретрансляционным пунктом (О.В. Головин, С.П. Простое. Системы и устройства коротковолновой радиосвязи. Горячая Линия - Телеком. 2006. 600 с.). Основным недостатком таких систем является относительно небольшая (диаметром до 1000) зона обслуживания одного ретранслятора, причем зона расположения самого ретранслятора им не обслуживается.
Известны системы ДКМВ связи с использованием отражения радиоволн от ионосферы, содержащие приемопередающие устройства подключенные к приемопередающей антенне зенитного излучения (Поляков В.T. NVIS - ТЕХНИКА БЛИЖНЕЙ СВЯЗИ НА КВ. «Спецтехника и связь», 2009, №1, с. 59-63). Базовая станция или радиоузел, построенные по этой технологии, обеспечивают связь с абонентами в зоне радиусом до 500 км от места расположения антенны зенитного излучения (АЗИ). Недостатками системы являются сравнительно небольшая зона обслуживания и малый диапазон рабочих частот, который ограничен критической частотой слоя F2 ионосферы . Эта частота в зимнее ночное время может понижаться до 2,5-3.0 МГц с соответствующим уменьшением пропускной способности узла, использующего только эту технологию.
В качестве технического решения, наиболее близкого к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков, выбрана известная сеть коротковолновой радиосвязи для передачи дискретных сообщений, состоящая из удаленных от абонентов и соединенных между собой линиями связи базовых ретрансляторов, обеспечивающих двустороннюю связь между абонентами сети путем приема от передающих сообщения абонентов группового сигнала с частотным уплотнением и передачи этих сообщений получающим их абонентам последовательно во времени, которая характеризуется тем, что содержит дополнительные территориально разнесенные приемные центры, связанные со своими базовыми ретрансляторами внешними линиями связи, и предназначенные для увеличения надежности передачи сообщений от абонента в сторону удаленного от него базового ретранслятора, см. патент RU №2336635.
Данная сеть имеет следующие недостатки.
Один удаленный ретранслятор обслуживает одну или несколько зон с радиусами до 1000 км. Для расширения границ зоны обслуживания до 3500 км используют группу ретрансляторов, расположенных по окружности зоны с таким радиусом. (Головин О.В., Простов С.П. Системы и устройства коротковолновой радиосвязи. - Горячая линия. - Телеком, 2006 г.).
Использование в составе сети базовых узлов радиодоступа, каждый из которых обслуживает зону радиусом до 3000 км, существенно (в несколько раз) увеличивает общую зону обслуживания сети с заданным количеством базовых узлов или резко сокращает их количество, необходимое для построения крупномасштабных национальных или континентальных сетей.
Связность данной сети поддерживается только внешними линиями связи и автономная работа полной сети без внешней поддержки межузловыми линиями сети связи общего пользования невозможна.
Удаленный ретранслятор и даже группа ретрансляторов принципиально не могут обслуживать участки территории с большими перепадами рельефа или массовой высотной застройки (высотные горные массивы, долины ограниченные горными цепями, обширные городские массивы с высотной застройкой). Перепады рельефа создают зоны тени для радиоволн удаленного базового ретранслятора, отраженных от ионосферы при их наклонном падении на препятствия. Размеры затеняемой зоны зависят от расстояния до ретранслятора, высоты и взаимного положения затеняющих препятствий. Эти размеры определяются с учетом кривизны земной поверхности методами сферической тригонометрии (Н.Н. Степанов. Сферическая тригонометрия. ОГИЗ, Государственное издательство технико-теоретической литературы. Л., М.: 1948 г.).
В то же время, указанные препятствия не создают радиотени при использовании технологий зенитного излучения и приема радиоволн, известных еще, как NVIS - технологии. Включение в состав сети радиодоступа базовых узлов зенитного излучения, размещаемых на участках с затеняющими препятствиями или рядом с ними, позволяет создавать сплошные зоны радиодоступа при любых особенностях рельефа или застройки обслуживаемой территории.
Имеющаяся в прототипе сеть удаленных ретрансляторов сохраняет свою эффективность для абонентов, находящихся в пределах заданной зоны обслуживания. Абоненты, расположенные или перемещающиеся на расстоянии свыше 3500 км от границ зоны, сетью не обслуживаются.
Для обслуживания таких абонентов используют радиотрассы с многократным (более одного) отражением от ионосферы. Такие радиотрассы поддерживаются специальными узлами с радиопередающими устройствами мощностью до 100 кВт. Размещение таких передающих устройств на базовых ретрансляторах сети-прототипа резко ухудшит их электромагнитную совместимость с дополнительными приемными устройствами, расположенными в ближних зонах ретрансляторов на расстоянии до 500 км от них. Сигналы мощных передатчиков будут распространяться к дополнительным приемным устройствам земной волной и создавать помехи приему слабых сигналов абонентов из обслуживаемой зоны. Функция обслуживания удаленных (до 20000 км) абонентов сетью-прототипом не может быть реализована без ухудшения заявленных характеристик.
Известные наземные сети радиодоступа (сотовые и транкинговые) применяют узлы радиодоступа (базовые станции), использующие диапазоны частот УКВ и СВЧ. Эти диапазоны частот обеспечивают радиодоступ абонентов к узлу на расстоянии прямой видимости. Радиус зоны покрытия одного узла составляет до нескольких десятков километров в зависимости от высоты расположения антенны узла. Создание сплошной зоны радиодоступа на обширной территории (например, государственной территории Российской Федерации и приграничных районах) с помощью СВЧ наземных сетей невозможно из-за огромного количества потребных базовых станций и связывающей их дополнительной инфраструктуры (межузловых линий).
Известные системы радиодоступа ДКМВ с вынесенными ретрансляторами имеют значительно большие зоны обслуживания (радиусом до 1000 км) на один узел доступа. Но эти системы не обеспечивают создания сплошной территориальной зоны радиодоступа и обслуживания абонентов значительно (до 20000 км) удаленных от границ зоны.
Заявленное изобретение направлено на решение задачи создания сплошной зоны радиодоступа национальной или континентальной территории любого размера с одновременным обслуживанием удаленных от границы зоны абонентов при относительно небольшом количестве базовых узлов, реализуемых на современном уровне техники, и обеспечения автономной работы системы при отказах внешних межузловых линий связи.
Сущность изобретения как технического решения, выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше результата.
Согласно изобретению крупномасштабная сеть ДКМВ радиосвязи со сплошной зоной радиодоступа, содержащая многоканальные стационарные узлы территориального радиодоступа, состоящие из разнесенных приемных и передающих радиоцентров на основе программно-определяемых радиосредств, а также программно-определяемые абонентские радиотерминалы, связанные с узлами сети адаптивными линиями радиодоступа, а между собой адаптивными линиями прямой радиосвязи, характеризуется тем, что в нее дополнительно введены стационарные узлы зенитного радиодоступа с радиусом зоны покрытия до 500 км, расположенные вблизи или внутри участков радио-тени, создаваемой естественными или искусственными преградами, связанные с соседними стационарными опорными узлами территориального радиодоступа адаптивными радиолиниями ДКМВ с ионосферным распространением и имеющие выход через цифровой узловой коммутатор в каналы ЕАСС, а также стационарные узлы внешнего удаленного радиодоступа, расположенные на территории сплошной зоны радиодоступа вблизи ее внешней границы с равномерным распределением по периметру зоны и секторами обслуживания с углом раскрыва до 120°, ориентированными в сторону противоположную центру сплошной зоны, связанные с соседними стационарными опорными узлами территориального радиодоступа адаптивными радиолиниями ДКМВ с ионосферным распространением и имеющие выход через цифровой узловой коммутатор в каналы ЕАСС, кроме того сеть снабжена основным и запасным центрами управления сетью, расположенными на территории сплошной зоны радиодоступа, связанными с соседними стационарными опорными узлами территориального радиодоступа адаптивными радиолиниями ДКМВ с ионосферным распространением и имеющие выход через цифровой узловой коммутатор в каналы ЕАСС, причем соседние стационарные опорные узлы территориального радиодоступа взаимно расположены вблизи вершин смежных равносторонних сферических треугольников с длиной стороны по дуге большого круга не более 3000 км и выполнены с зоной радиодоступа радиусом до 3000 км каждый, причем адаптивные линии абонентского радиодоступа из сплошной зоны к стационарным опорным узлам территориального радиодоступа, магистральные линии межузловой связи и линии прямой связи абонентов в зоне обслуживания одного стационарного опорного узла выполнены с использованием ионосферной моды 1F2, а программно-определяемые сетевые абонентские радиотерминалы содержат встроенные навигационные приемники определения местоположения.
Технический результат, обеспечиваемый при реализации заявленной совокупности существенных признаков заявленного изобретения, заключается в следующем:
- увеличение размеров сплошной зоны радиодоступа сети базовых узлов при заданном количестве узлов и любых особенностях рельефа или застройки;
- устранение участков радиотени, создаваемых масштабными перепадами уровня поверхности или застройкой, где невозможно обслуживание абонентов удаленными базовыми узлами;
- обеспечение автономной связности сети при выходе из строя или отсутствии в малодоступных районах поддерживающих узлов и линий связи единой автоматизированной сети связи РФ или других внешних сетей;
- увеличение вероятности радиодоступа в сплошную зону удаленных абонентов, находящихся за пределами сплошной территориальной зоны на расстояниях до 20000 км от ее границ.
- исключение замираний сигнала, обусловленных многолучевым распространением в большой зоне обслуживания,
- расширение диапазона рабочих частот в зоне обслуживания одного узла.
Увеличение размеров сплошной зоны радиодоступа сети при заданном количестве базовых узлов обеспечивается применением для радиодоступа способа связи модой 1F2, увеличением радиуса зоны обслуживания одного УТР до 3000 км, применением базовых узлов вертикального излучения и приема, применением абонентских радиотерминалов со встроенными навигационными приемниками определения местоположения.
Устранение участков радиотени, создаваемых масштабными перепадами уровня поверхности или застройкой обеспечивается включением в состав сети базовых узлов вертикального излучения и приема, взаимным расположением базовых узлов сети, способом радиосвязи модой 1F2.
Автономная связность сети при выходе из строя или отсутствии в малодоступных районах поддерживающих узлов и линий связи единой автоматизированной сети связи РФ обеспечивается включением в состав сети основного и запасного центров управления сетью способом радиосвязи модой 1F2, применяемым сетью на территории сплошного радиодоступа; взаимным расположением базовых узлов сети.
Увеличение вероятности радиодоступа в сплошную зону удаленных абонентов, находящихся за пределами сплошной территориальной зоны на расстояниях до 20000 км от ее границ обеспечивается включением в состав сети базовых узлов удаленного внешнего радиодоступа, взаимным расположением базовых узлов сети, применением абонентских радиотерминалов со встроенными навигационными приемниками определения местоположения.
Увеличение радиуса зоны обслуживания территориального узла радиодоступа до 3000 км обеспечивается комплектами диапазонных приемных и передающих антенн радиодоступа для радиолиний любой протяженности в интервале 0-3000 км.
Исключение замираний сигнала, обусловленных многолучевым распространением в большой зоне обслуживания обеспечивается ПАК ИВ, ПАК ГЕО, определяющими параметры радиолиний с модой 1F2, а также ПАК АУС, ПАК АРЛ создающими и поддерживающими радиолинию с найденными параметрами.
Расширение диапазона рабочих частот в зоне обслуживания одного узла обеспечивается всеми существенными признаками, так как поддержка радиолиний в диапазоне дальностей 0-3000 км только модами 1F2 требует использования всего диапазона частот ионосферного распространения 2-30 МГц.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1, представлена функциональная схема заявленной крупномасштабной сети, на фиг. 2 - схема соединения разнесенных центров узла и их подключения к ЕАСС, на фиг. 3 - пример плоского отображения взаимного расположения узлов для сети минимальной конфигурации с зонами и секторами обслуживания, на фиг. 4 - функциональная схема приемного радиоцентра (ПРЦ) в составе узла, на фиг. 5 - функциональная схема передающего радиоцентра (ПДРЦ) в составе узла.
На чертежах позициями обозначены:
1 - стационарные базовые узлы территориального радиодоступа (УТР), количество которых зависит от требуемой общей зоны покрытия;
2 - стационарные узлы зенитного радиодоступа (УЗР), количество которых зависит от количества участков сложного рельефа с зонами радио-тени от УТР;
3 - стационарные узлы внешнего удаленного радиодоступа (УВР), количество которых зависит от заданного количества секторов обслуживания мобильных объектов, удаленных до 20000 км от границ зоны обслуживания;
4 - мобильные и стационарные сетевые абонентские терминалы (CAT), количество которых зависит от величины собственного адресного пространства сети;
5 - основной и запасной центры управления радиосетью (ЦУС);
6 - комплект поддиапазонных стационарных приемных антенн радиодоступа, количество которых зависит от количества антенн в комплекте;
7 - комплект поддиапазонных стационарных приемных антенных решеток магистральных радиолиний, количество которых зависит от количества антенн комплекте;
8 - приемный антенный коммутатор;
9 - комплект цифровых многоканальных радиоприемных устройств (ЦРПУ) ионосферно-волновой службы;
10 - комплект многоканальных ЦРПУ службы автоматического установления связи;
11 - комплект многоканальных ЦРПУ службы адаптивных радиолиний;
12 - программно-аппаратный комплекс ионосферно-волновой службы (ПАК ИВ);
13 - программно-аппаратный комплекс службы автоматического установления связи (ПАК АУС);
14 - программно-аппаратный комплекс адаптивных радиолиний (ПАК АРЛ);
15 - программно-аппаратный комплекс геоинформационной службы (ПАК ГЕО);
16 - программно-аппаратный комплекс информационной безопасности (ПАК ИБ);
17 - программно-аппаратный комплекс управления радиоузлом (ПАК УР);
18 - шлюз выделенной линии связи с передающим радиоцентром;
19 - шлюз сопряжения с линиями ЕАСС и другими внешними сетями,
20 - программно-аппаратный узловой коммутатор-маршрутизатор (ПАК УКМ).
21 - комплект поддиапазонных стационарных передающих антенн радиодоступа, количество которых зависит от количества антенн в комплекте;
22 - комплект поддиапазонных стационарных передающих антенных решеток магистральных радиолиний, количество которых зависит от количества антенн комплекте;
23 - устройство сложения мощностей, количество которых зависит от общего количества антенн радиоцентра;
24 - комплект цифровых радиопередающих устройств (ЦРПДУ) радиодоступа, количество которых зависит от количества антенн комплекте;
25 - комплект цифровых радиопередающих устройств (ЦРПДУ) магистральных радиолиний, количество которых зависит от количества антенн комплекте;
26 - программно-аппаратный комплекс управления передающим радиоцентром (ПАК УРПРД);
27 - программно-аппаратный коммутатор-маршрутизатор передающего центра (ПАК ЦКМ),
28 - шлюз выделенной линии связи с приемным радиоцентром;
29 - шлюз сопряжения с линиями ЕАСС и другими внешними сетями.
Сплошные линии на фиг. 1 обозначают кабельные или радиорелейные соединительные линии узлов сети с ЕАСС, а так же выделенные линии межузловой связи. Пунктирные линии обозначают межузловые магистральные радиолинии с использованием моды 1F2. Штрихпунктирные линии обозначают абонентские линии радиодоступа или прямой связи с использованием моды 1F2.
На фиг. 2 сплошными линиями обозначены выделенная межцентровая линия связи между приемным радиоцентром узла (ПРЦ) и передающим радиоцентром узла (ПДРЦ, а также присоединительные линии к инфраструктуре ЕАСС. Штрихпунктирные линии обозначают абонентские линии радиодоступа с использованием моды 1F2.
На фиг. 3 кругами выделены зоны обслуживания узлов: для узла 2 - радиусом 500 км и для узла 1 - радиусом 3000 км. Прямыми лучами обозначены сектора обслуживания узлов 3.
На фиг. 4 пунктиром обозначена высокоскоростная шина управления и передачи данных локальной вычислительной сети узла
Предлагаемая крупномасштабная сеть радиосвязи диапазона ДКМВ состоит из нескольких стационарных базовых узлов территориального радиодоступа (УТР) 1, каждый из которых содержит разнесенные приемный (ПРЦ) и передающий (ПДРЦ) радиоцентры на основе программно-определяемых радиосредств, соединенные между собой выделенной линией кабельной или радиорелейной связи и подключенные к единой автоматизированной сети связи страны (ЕАСС). Соседние УТР 1 дополнительно соединены между собой магистральными радиолиниями с использованием ионосферной моды 1F2, взаимно расположены, примерно, в вершинах смежных равносторонних сферических треугольников с длинной стороны не более 3000 км по дуге большого круга и имеют зону радиодоступа радиусом до 3000 км каждый.
Кроме того, сеть содержит несколько стационарных узлов зенитного радиодоступа (УЗР) 2, расположенных вблизи или на территории участков сложного рельефа с зонами радио-тени от УТР. Каждый УЗР содержит разнесенные приемный и передающий радиоцентры на основе программно-определяемых радиосредств, соединенные между собой выделенной линией кабельной или радиорелейной связи и подключенные к единой автоматизированной сети связи страны (ЕАСС). Все УЗР 2 дополнительно соединены с соседними УТР 1 магистральными радиолиниями с использованием ионосферной моды 1F2.
Сеть также содержит несколько стационарных узлов внешнего удаленного радиодоступа (УВР) 3, каждый из которых включает разнесенные приемный и передающий радиоцентры на основе программно-определяемых радиосредств, соединенные между собой выделенной линией кабельной или радиорелейной связи и подключенные к единой автоматизированной сети связи страны (ЕАСС). УВР 3 расположены на границах сплошной территориальной зоны радиодоступа и дополнительно соединены с соседними УТР 1 магистральными радиолиниями с использованием ионосферной моды 1F2.
В состав сети включены основной и запасной центры управления радиосетью 5, размещаемые на территории зоны сплошного радио доступа, подключенные к единой автоматизированной сети связи страны (ЕАСС) и дополнительно соединенные с ближайшим УТР 1 выделенными линиями кабельной или радиорелейной связи.
Сеть обслуживает мобильные и стационарные сетевые абонентские терминалы 4, расположенные или перемещающиеся в любой точке сплошной территориальной зоны доступа или по любому азимуту, обслуживаемому УВР 3 и поддерживающие группу сетевых протоколов доступа и обмена.
Заявленное устройство работает следующим образом.
В основу построения предлагаемой сети положен принцип использования радиолиний с единственной модой 1F2 для радио доступа в сплошной территориальной зоне. Такие радиолинии свободны от замираний многолучевости и в режимах частотной адаптации обслуживаются минимальной мощностью для заданной пропускной способности и известного уровня помех. При зенитном излучении мода 1F2 поддерживает радиолинии с дальностью от 0 до 500 км. Максимальная дальность радиолинии с модой 1F2 может достигать 4000 км при максимальных действующих высотах слоя F2. Однако такие условия не выполняются в зимние ночные периоды на средних и приполярных широтах, когда действующая высота верхнего отражающего слоя становится меньше 300 км.
В этих условиях длина радиолинии уменьшается почти до 3000 км. Поэтому МПЧ радиолинии длинной 3000 км является стандартным параметром контроля станций мировой сети ионосферного контроля и определяется ими при всех сеансах зондирования. Пример результатов суточного контроля ионосферных параметров ионосферной станцией ИЗМИРАН приведен в таблице (http://icenter.izmiran.ru/f-h_db.php)
Ежечасные значения ионосферных параметров. Москва.
Дата: 2014.12.22. Время UT
Содержание табличных параметров следующее:
fmin - наименьшая частота, при которой на ионограмме наблюдаются следы отражений от ионосферы.
foE - критическая частота О-компоненты самого низкого толстого слоя в области Е.
foF1 - критическая частота О-компоненты, отраженной от слоя F1.
foF2 - критическая частота О-компоненты, отраженной от самого высокого слоя - F2.
fxF2 - критическая частота Х-компоненты, отраженной от слоя F2.
fxI - наибольшая частота, на которой имеются отражения от области F, независимо от того, отражаются ли они от ионосферы над головой или при наклонном падении.
foEs - предельная частота О-компоненты, отраженной от спорадического слоя - Es.
fbEs - экранирующая частота слоя Es, т.е. наименьшая частота, на которой наблюдаются отражения первого порядка О-компоненты от вышележащего слоя.
hmF2 -высота главного максимума области F.
h'E - минимальная действующая высота нормального слоя Е.
h'F - минимальная действующая высота следа отражений О-компоненты от взятой в целом области F.
h'F2 - минимальная действующая высота от слоя F2.
hpF2 - действующая высота следа отражений О-компоненты на частоте, равной 0,834*foF2. Эта высота равна истинной высоте максимума электронной концентрации слоя F2.
h'Es - минимальная действующая высота следа, используемого для определения foEs.
MF1 - коэффициент, показывающий отношение максимально применимой частоты частоты (МПЧ),отражающейся от слоя F1 при наклонном падении на расстояние скачка, равное 3000 км, к критической частоте foF1.
MF2 - коэффициент, показывающий отношение максимально применимой частоты (МПЧ), отражающейся от слоя F2 при наклонном падении на расстояние скачка, равное 3000 км, к критической частоте foF2.
Типы Es - типы спорадических слоев, по которым классифицируются отражения от Es.
Типы F-рассеяния - классификация вида рассеянных отражений.
Числовые значения в таблице приведены в следующей размерности:
fmin - 0,1 МГц
foF2 - 0,1 МГц
MF2(MF2) - 0,01
h'F2 - км.
h'F - км
foF1 - 0,01 МГц
MF1 (MF1) - 0,01
foE - 0,01 МГц
h'E - км
fbEs - 0,1 МГц
foEs - 0,1 МГц
h'Es - км
Эта и аналогичные таблицы наблюдений подтверждают круглосуточное наличие моды 1F2 (параметр MF2) для радиолинии длиной 3000 км в квазистационарной ионосфере и возможность для УТР 1 круглосуточно обслуживать зону такого радиуса. Критическая частота вертикального отражения (параметр foF2) подтверждает круглосуточное существование зенитной моды 1F2 и круглосуточную работоспособность УЗР 2.
Для обеспечения высокой автономной связности сети, не зависящей от каналов ЕАСС, соседние стационарные радиоцентры предлагается размещать, примерно, в вершинах смежных сферических треугольников со сторонами около 3000 км по дуге большого круга. Способы определения координат таких вершин (мест взаимного расположения узлов сети) хорошо известны (Н.Н. Степанов. Сферическая тригонометрия. ОГИЗ, Государственное издательство технико-теоретической литературы. Л., М.: 1948 г.). При таком взаимном расположении соседние узлы всегда будут связаны между собой магистральными каналами на моде 1F2, и появляются большие области пересечения (наложения) соседних зон. Абонент, находящийся в области пересечения зон и на различных расстояниях от смежных узлов, будет иметь разные частоты доступа к этим узлам. Для таких абонентов диапазоны частот доступа к одному узлу не совпадают с диапазонами доступа к другому узлу и электромагнитная совместимость абонентских терминалов, находящихся в одном месте, но обращающихся к разным узлам не ухудшается, общее число доступных каналов не уменьшается.
Предложенное пересечение зон имеет другой важный технический результат, который заключается в увеличении вероятности доступа хотя бы к одному из узлов.
1
2
При P=Р=0,9 вероятностях доступа абонента к любому из двух смежных узлов по моде 1F2 вероятность доступа хотя бы к одному из них составит
12
1
2
P=1-(1-P)(1-Р)=0,99,
а при пересечении трех зон
123
1
2
3
Р=1-(1-Ρ)(1-Р)(1-Р)=0,999.
В прототипе такой результат достигается введением дополнительного количества приемных узлов вблизи базовых ретрансляторов. В предлагаемой сети повышение надежности обеспечивается взаимным расположением базовых узлов.
Для обеспечения автономной связности сети критическим фактором является предельно допустимое расстояние между узлами. При уменьшении этого расстояния круглосуточная радиосвязность узлов нарушаться не будет. При увеличении этого расстояния начинают возникать интервалы времени, когда межузловая радиосвязь модой 1F2 невозможна.
Каждому УТР 1 развернутой сети на некоторый заданный период присваивается собственная сетка вызывных частот, распределенных по всему диапазону частот ионосферного распространения модой 1F2 для дальностей от 0 до 3000 км. Эта сетка разбивается на несколько территориальных и функциональных групп. Соответствующие группы вызывных частот задаются сетевым абонентским терминалам, регистрируемым в зоне.
Каждый узел по заданному суточному графику выполняет вертикальное зондирование ионосферы над узлом и наклонное зондирование по заданной группе азимутов вокруг узла. По результатам зондирования определяет распределение критических частот в круговой области ионосферы диаметром 3000 км над узлом. Результаты зондирования сообщает в ЦУС 5, который по данным узлов и с привлечением национальной сети ионосферных станций формируют карту текущего распределения критических частот над всей зоной радиодоступа сети. ЦУС 5 фиксируют текущие координаты CAT 4, определяемые либо административно (для стационарных CAT 4), либо по данным навигационных приемников CAT 4, передаваемым при выполнении протоколов установления связи.
Таким образом, каждый узел контролирует текущее расположение всех CAT 4 и текущее состояние ионосферы в своей зоне обслуживания. ЦУС 5 группируют данные всех узлов в единую базу данных для всей территории сплошного радиодоступа сети. ЦУС 5 формируют сетевые таблицы маршрутизации, распределяют их по узлам сети и периодически корректируют. ЦУС 5 генерируют и распределяют ключевую информацию подсистемы информационной безопасности. Обмен данными между ЦУС 5 и узлами сети может выполнятся как по подключенным каналам ЕАСС, так и по магистральным межузловым радиолиниям с помощью специальных радиопротоколов физического уровня управления сетью.
Предлагаемая сеть может поддерживать различные виды обмена. Например, обмен между CAT 4 и абонентами ЕАСС или других присоединенных сетей. В этом случае узел сети выполняет роль точки радиодоступа. При обмене между двумя CAT 4 одной зоны узел выполняет роль ретранслятора. При обмене между двумя CAT 4 различных зон два узла выполняют роль точек доступа и маршрутизаторов. При аварийных ситуациях на магистральных линиях сетей общего пользования один или несколько узлов сети могут выполнять функции радио-вставки вместо поврежденного участка.
Заявленные технические результаты обеспечиваются следующим образом. При обмене между абонентом и узлом на сетке вызывных частот выполняется протокол автоматического установления связи посредством одного из известных способов разделения каналов при множественном доступе. Известна, например, «Управляемая передатчиком система с множественным доступом с кодовым разделением каналов, использующая многопользовательское разнесение для максимизации пропускной способности с обеспечением равноправного доступа пользователей», патент RU №2501182. При выполнении протокола узел получает уточненные данные координат абонента от его навигационного приемника. По известным координатам узел определяет длину радиолинии, ее МПЧ и диапазон рабочих частот, соответствующий моде 1F2 (Зайцев В.В., Круковская И.Я. Выбор рабочих частот в зоне обслуживания узла радиодоступа диапазона ДКМВ. «Информация и Космос». 2015 г. №4 С. 10-12.). Этот диапазон частот используется в режиме частотно-адаптивного обмена. Такая же процедура выполняется для межузлового обмена по магистральным радиолиниям. Таким образом, в границах зоны сплошного радиодоступа любой CAT 4 из любой точки зоны может выполнить обмен с узлом на расстоянии до 3000 км эффективной модой 1F2 в отсутствии эффектов многолучевости.
Для внешнего удаленного радиодоступа сеть использует другие известные способы, например, «Способ адаптивной радиосвязи в ДКМВ-диапазоне», патент RU №2401511. При этом доступ к удаленным абонентам от УВР выполняется с их передатчиков большой мощности, а разнесенный прием от удаленных абонентов на соответствующей сетке вызывных частот выполняют все узлы сети кроме УЗР.
В заявленной сети узел радиодоступа содержит приемный (ПРЦ) и передающий (ПДРЦ) радиоцентры с программно-определяемым оборудованием, антенны зенитного приема и излучения, соединенные между собой выделенной линией связи и подключенные присоединительными линиями связи к ЕАСС. Каждый. ПРЦ узла содержит комплект поддиапазонных стационарных приемных антенн радиодоступа 6 и комплект поддиапазонных стационарных приемных антенных решеток магистральных радиолиний 12. Все антенны соединены с антенными входами антенного коммутатора 18, к выходам которого подключены комплект многоканальных ЦРПУ ионосферно-волновой службы 9, выходы которых подключены к сигнальным входам ПАК ИВ 12, комплект многоканальных ЦРПУ службы АУС 10, выходы которых подключены к сигнальным входам ПАК АУС 13, комплект многоканальных ЦРПУ службы адаптивных радиолиний 11, выходы которых подключены к сигнальным входам ПАК АРЛ 14. Перечисленные выше функциональные программно-аппаратные комплексы вместе с ПАК ГЕО 15, ПАК ИБ 16, ПАК УР 17, шлюзами 18 и 19 ПАК УКМ объединены высокоскоростной шиной управления и передачи данных в единую узловую локальную вычислительно-управляющую сеть.
ПДРЦ узла содержит комплект поддиапазонных стационарных передающих антенн радиодоступа 21, комплект поддиапазонных стационарных передающих антенных решеток магистральных радиолиний 22, входы которых подключены к сигнальным выходам устройств сложения мощностей 23, сигнальные входы которых подключены к сигнальным выходам канальных ЦРПДУ радиодоступа 24 и сигнальным выходам канальных ЦРПДУ магистральных радиолиний 25. Перечисленные выше функциональные программно-аппаратные комплексы вместе с ПАК УРПРД 26, ПАК ЦКМ 27, шлюзами 28 и 29 объединены высокоскоростной шиной управления и передачи данных в единую узловую локальную вычислительно-управляющую сеть ПДРЦ.
ПАК ИВ 12 узла по заданному суточному графику выполняет вертикальное зондирование ионосферы над узлом и наклонное зондирование со стационарными CAT 4 по заданной группе азимутов вокруг узла. По результатам зондирования определяет распределение критических частот в круговой области ионосферы диаметром 3000 км над узлом.
Узел выполняет обслуживание абонентов в следующих режимах. В режиме вызова от абонента внешней сети к CAT 4 обслуживаемой зоны через ПАК УКМ 20, ПАК АУС 13 запрашивает у ПАК УР17 свободные радиосредства каналообразования и на закрепленной зональной сетке вызывных частот выполняет процедуру АУС с вызываемым CAT 4. Во время процедуры выполняется аутентификация CAT 4 совместно с ПАК ИБ 16, уточнение текущих координат CAT 4 и расчет дальности и азимута радиолинии совместно с ПАК ГЕО 15, определение диапазона рабочих частот для моды 1F2 совместно с ПАК ИВ 12. После определения параметров радиолинии ПАК АУС 13 выбирает исходные частоты для передачи данных и передает их с параметрами радиолинии в ПАК АРЛ 14, который выполняет сеанс связи в режиме частотной адаптации и после его окончания возвращает ПАК УР 17 освободившиеся средства каналообразования.
В режиме вызова от CAT 4 обслуживаемой зоны к абоненту внешней сети ПАК АУС 13 получает запрос от CAT 4 на сетке вызывных частот, запрашивает у ПАК УР 17 свободные радиосредства каналообразования и выполняет процедуру АУС с вызывающим CAT 4. Во время процедуры выполняется аутентификация CAT 4 совместно с ПАК ИБ 16, уточнение текущих координат CAT 4 и расчет дальности и азимута радиолинии совместно с ПАК ΓΈΟ 15, определение диапазона рабочих частот для моды 1F2 совместно с ПАК ИВ 12. После определения параметров радиолинии ПАК АУС 13 выбирает исходные частоты для передачи данных и передает их с параметрами радиолинии в ПАК АРЛ 14, который выполняет сеанс связи в режиме частотной адаптации, передает данные сеанса внешнему абоненту через ПАК УКМ 20 и после окончания сеанса возвращает ПАК УР 17 освободившиеся средства каналообразования.
В режиме обмена двух CAT 4 обслуживаемой зоны на первом этапе выполняется процедура АУС с вызывающим абонентом. На втором этапе выполняется процедура АУС с вызываемым абонентом и ПАК АУС 13 принимает решение о выполнении сеанса либо ретрансляцией сообщений, либо по радиолинии прямой связи. Во втором случай на третьем этапе процедуры АУС обоим абонентам передают признак и параметры радиолинии прямой связи без ретрансляции сообщений и сеансы связи узла с этими абонентами прекращаются.
Антенны зенитного излучения (АЗИ), используемые в прототипе позволяют обслуживать при вертикальном падении и отражении от ионосферы позволяют обслуживать зону радиусом до 500 км. АЗИ могут быть реализованы различными известными способами, см.например, а.с. СССР №766487.
Для электромагнитного доступа в любую, незакрытую препятствием, область зоны обслуживания радиусом 3000 км узел должен использовать весь диапазон частот ионосферного распространения. Весь диапазон делится на несколько, например, четыре поддиапазонов, соответствующих радиолиниям различной протяженности (Зайцев В.В. Оценка размеров зоны обслуживания и нижней границы пропускной способности узла радиодоступа диапазона ДКМВ. Информция и космос, №1, 2014, с. 13-17). Для каждого из поддиапазонов реализуется одним из известных способов антенна с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости и обеспечивающая излучение под углами к горизонту, соответствующими протяженности радиолиний, обслуживаемых этим поддиапазоном. Антенны для такого комплекта могут быть реализованы как виде антенных решеток, так и в виде простейших вибраторных антенн (например, комплекта приподнятых над землей горизонтальных турникетных антенн с различной длиной вибраторов для различных поддиапазонов).
Программно-аппаратные комплексы для предлагаемого узла реализуются на любых современных образцах вычислительной техники и архитектуре вычислительных сетей и комплексов с использованием общедоступных операционных систем операционных систем включая операционные системы реального времени. Специальное программное обеспечение для решения задач определения параметров ионосферы и радиолиний может быть выполнено на основе известных методов и способов. Для ПАК ИБ 16 может быть использован, например, «Способ определения максимально применимой частоты радиотрассы в декаметровом диапазоне», а.с. СССР №1762413. Методы определения протяженности радиолиний с учетом кривизны земной поверхности также известны (Н.Н. Степанов. Сферическая тригонометрия. ОГИЗ, Государственное издательство технико-теоретической литературы. Л., М.: 1948 г.). Способ выбора рабочих частот радиолиний различной протяженности для моды 1F2 известен и опубликован. (Зайцев В.В., Круковская И.Я. Выбор рабочих частот в зоне обслуживания узла радиодоступа диапазона ДКМВ. «Информация и Космос». 2015 г. №4 С. 10-12.). Вся профессиональная приемная и передающая аппаратура для диапазона ДКМВ имеет диапазон рабочих часто от 1,5 до 30 МГц.
Таким образом, возможность промышленного применения заявленного технического решения подтверждается известными и описанными в заявке средствами и методами, с помощью которых возможно осуществление заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения. Заявленное устройство может быть реализовано промышленным способом с использованием известных технических и программных средств.