СПОСОБ ОБМЕНА СООБЩЕНИЯМИ В ЦИФРОВЫХ СЕТЯХ РАДИОСВЯЗИ С ПАКЕТНОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ ИНФОРМАЦИИ
METHOD FOR MESSAGING IN PACKET TRANSMISSION DIGITAL RADIO COMMUNICATION NETWORKS

Изобретение относится к сетям радиосвязи с пакетной передачей информации. Способ может быть использован в автоматизированных цифровых сетях радиосвязи с пакетной передачей информации.
Известен способ обмена сообщениями в системах радиосвязи, реализуемый в системе [1], заключающийся в том, что абоненты осуществляют информационный обмен через базовую станцию на выделенных рабочих каналах из общего частотного ресурса.
Недостатком такого способа подвижной радиосвязи является требование наличия значительного частотного ресурса. Это объясняется тем, что разделение общего частотного ресурса на отдельные каналы осуществляется по частоте, и общее число образованных таким образом каналов, а следовательно, и количество абонентов, которые могут одновременно вести информационный обмен в системе, ограничено шириной разрешенного частотного интервала.
Известен способ передачи и приема информации с кодовым уплотнением каналов, при котором два абонента осуществляют информационный обмен через базовую станцию в дуплексном режиме [2]. В этом способе эффективность использования полосы частот выше, чем в системе радиосвязи [1], поскольку общий частотно-временной ресурс пропускной способности разделяют на каналы по кодам и общее число образованных при этом каналов связи, а следовательно, и количество абонентов, которые могут одновременно вести информационный обмен, больше, чем в ранее рассмотренной системе.
Недостатком способа передачи и приема информации с кодовым уплотнением каналов является тем не менее относительно низкий коэффициент использования частотного ресурса, так как для обеспечения информационного обмена между двумя подвижными абонентами одновременно задействуются четыре канала связи.
Известен способ обмена сообщениями в цифровых сетях подвижной радиосвязи с пакетной передачей информации [3]. При этом способе на каждой абонентской станции, входящей в цифровую сеть радиосвязи, формируют собственные пакеты информации, включающие адресную и информационную части. Запоминают информационные части собственных пакетов информации на каждой абонентской станции и передают эти пакеты информации на ретранслятор. На ретрансляторе принимают пакеты информации, идентифицируют их, после чего выделяют адресную и информационную части пакетов. Формируют кодовый пакет и единый кодовый пакет путем конкатенации кодового пакета и адресных частей собственных пакетов информации, передают его, а после приема единого кодового пакета на абонентской станции из него выделяют адресную часть и кодовый пакет. Затем выделяют из кодового пакета информационную часть собственного пакета информации, с помощью ранее запомненной на этой абонентской станции информационной части, стирают ранее запомненную информационную часть собственных пакетов информации, после чего перечисленные действия повторяют. Известный способ-прототип частично устраняет недостаток аналогов, касающийся низкого коэффициента использования частотного ресурса сетей радиосвязи, что обусловлено меньшим количеством одновременно используемых каналов связи между корреспондирующими абонентскими станциями. Это позволяет увеличить по сравнению с известными способами передачи и приема информации с кодовым уплотнением сигналов общее число каналов и, следовательно, увеличить количество абонентов, которые могут одновременно вести информационный обмен.
Недостатком способа-аналога является недостаточно эффективное использование частотного ресурса базовой станции при образовании каналов связи. Это объясняется тем, что для обеспечения обмена сообщениями в цифровых сетях радиосвязи с пакетной передачей информации между двумя абонентскими станциями одновременно используется три канала связи: один канал прямой связи от базовой станции к двум абонентским станциям и два канала обратной связи от абонентских станций к базовой.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному является способ обмена сообщениями в цифровых сетях радиосвязи декаметрового диапазона с пакетной передачей информации [4], который и принят за прототип. Он заключается в том, что на каждой абонентской станции (АС) формируют собственные пакеты информации, включающие адресную и информационную части, входящие в цифровую сеть радиосвязи. Запоминают эти информационные части собственных пакетов информации на каждой абонентской станции. Собственные пакеты информации передают на ретранслятор, где их идентифицируют, после чего выделяют адресную и информационную части собственных пакетов информации, формируют кодовый пакет и единый кодовый пакет путем конкатенации кодового пакета и адресных частей собственных пакетов информации, передают его в эфир. После приема единого кодового пакета на абонентской станции из него выделяют адресную часть и кодовый пакет, затем выделяют из кодового пакета информационную часть собственного пакета информации с помощью ранее запомненной на этой абонентской станции информационной части предыдущего пакета. Затем стирают ранее запомненную информационную часть собственных пакетов информации. В процессе обмена данными перечисленные выше действия повторяют. Предварительно от ретранслятора передают групповой информационный поток, принимают его на каждой абонентской станции, где выделяют из него свободный временной канал, соответствующий частотному радиоканалу при многостанционном доступе к ретранслятору. После выделения адресной и информационной частей собственных пакетов информации на ретрансляторе запоминают их на время до момента получения собственного пакета информации в адрес одного из корреспондентов, причем формирование кодового пакета выполняют путем суммирования по модулю два выделенных информационных частей собственных пакетов информации взаимодействующих корреспондентов. Затем формируют временной групповой поток, в каждом временном канале которого представлен единый кодовый пакет взаимодействующих абонентских станций.
К недостаткам прототипа следует отнести:
число обслуживаемых ретранслятором абонентских станций ограничивается выделяемым частотным ресурсом, который особенно мал в декаметровом диапазоне;
низка степень защиты передаваемой по каналам радиосвязи информации;
при обмене данными декаметровом диапазоне имеются так называемые «мертвые зоны», связь в которых практически отсутствует;
при ошибке в принимаемом сообщении даже в одном символе из-за отсутствия операций обнаружения и исправления ошибок при предложенном в прототипе методе шифрования практически невозможно будет восстановить переданную информацию;
скорость передачи данных в декаметровом диапазоне низкая - до 9,6 кбит/с [19] и ограничена параметрами радиоканала.
Техническим результатом является сокращение выделяемого частотного ресурса для организации обмена данными и повышение степени защиты передаваемой информации.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе обмена сообщениями в цифровых сетях радиосвязи с пакетной передачей информации, заключающемся в том, что от ретранслятора передают групповой информационный поток, принимают его на каждой абонентской станции, где выделяют из него временной канал для многостанционного доступа, затем на каждой абонентской станции, входящей в цифровую сеть радиосвязи, формируют собственные пакеты информации, включающие адресную и информационную части, и на их основе образуют кодовый пакет, запоминают информационные части собственных пакетов информации на каждой абонентской станции, передают кодовые пакеты информации, принимают их на ретрансляторе, где их идентифицируют, после чего выделяют адресную и информационную части собственных пакетов информации, формируют новый кодовый пакет путем конкатенации принятой информационной части и новой адресной части, передают его на соответствующие абонентские станции, а после приема кодового пакета на абонентской станции из него выделяют адресную часть и информационную часть собственного пакета информации, после выделения адресной и информационной частей собственных пакетов информации на ретрансляторе запоминают их на время до момента получения нового собственного пакета информации в адрес соответствующего корреспондента, а после формирования кодового пакета формируют групповой информационный поток, после чего перечисленные действия повторяют, дополнительно до момента включения всем известным абонентским станциям назначают адреса, а вновь появившимся - свободные или освободившиеся в процессе работы, платформу с ретранслятором поднимают на заданную высоту для обеспечения заданной зоны связи, в ретрансляторе и абонентских станциях после включения оборудования осуществляют взаимную синхронизацию всех объектов с помощью сигналов с выхода соответствующих приемников глобальных навигационных спутниковых систем, данные которых используют также для определения местоположения объектов и формирования на них шкалы единого точного времени, с помощью шкалы единого точного времени на ретрансляторе формируют на одной рабочей частоте кадр - групповой информационный поток, в нулевом слоте которого передают маркер и выделяют слоты для приема/передачи данных с каждой (на каждую) известной абонентской станции в соответствии с назначенным адресом в каналах прямой видимости и загоризонтной связи, по маркеру на абонентской станции определяют интервал времени передачи данных на соответствующую абонентскую станцию напрямую (в условиях прямой видимости) или через ретранслятор (при загоризонтной связи), а также интервал времени приема сообщений с вызывающей абонентской станции или ретранслятора, местоположение ретранслятора и вызываемых абонентских станций сохраняют в ретрансляторе по принятым с них сообщениям о параметрах движения, на ретрансляторе с учетом местных предметов на электронной карте местности рассчитывают зону прямой видимости между абонентскими станциями, желающими осуществить обмен данными, при ее отсутствии обеспечивают связь между ними в следующих кадрах через канал загоризонтной связи ретранслятора, осуществляют обмен данными между абонентскими станциями как по принципу «каждый с каждым», так и через ретранслятор, в случае приема сообщения с ошибкой вызываемая абонентская станция посылает соответствующую квитанцию и вызывающая абонентская станция передает запомненную информацию вновь, контролируют достоверность этого обмена на рабочем месте дистанционного управления и контроля, а для двунаправленной трансляции кодограмм по цепям «абонентские станции-ретранслятор» используют одну частоту и временной доступ в радиосеть, по качеству передачи информации на ретрансляторе контролируют работоспособность абонентских станций и каналов связи, при необходимости из базы данных рабочего места дистанционного управления и контроля выбирают и передают по требуемому адресу соответствующее сообщение, корректирующее функционирование данной абонентской станции, при получении на ретрансляторе от абонента донесения «Конец связи» подготавливают освободившийся слот для новой абонентской станции.
Сопоставительный анализ с прототипом и аналогами показывает, что предлагаемый способ отличается наличием новой совокупности существенных признаков - новых операций, в частности:
- назначение абонентским станциям адресов, а вновь появившимся - свободные или освободившиеся в процессе работы;
- платформу с ретранслятором поднимают на заданную высоту для обеспечения заданной зоны связи;
- в ретрансляторе и абонентских станциях после включения оборудования осуществляют взаимную синхронизацию всех объектов с помощью сигналов с выхода соответствующих приемников глобальных навигационных спутниковых систем, данные которых используют также для определения местоположения объектов и формирования на них шкалы единого точного времени;
- с помощью шкалы единого точного времени на ретрансляторе формируют на одной частоте кадр - групповой информационный поток, в нулевом слоте которого передают маркеры и выделяют слоты для приема/передачи данных с каждой (на каждую) известной абонентской станции в соответствии с назначенным адресом в каналах прямой видимости и загоризонтной связи (с помощью ретранслятора);
- по маркеру на абонентской станции определяют интервал времени передачи данных на соответствующую абонентскую станцию напрямую (в условиях прямой видимости) или через ретранслятор, а также интервал времени приема сообщений с вызывающей абонентской станции или ретранслятора;
- местоположение вызываемых абонентских станций и ретранслятора сохраняют в ретрансляторе по принятым с них сообщениям об их местонахождении и с учетом параметров движения, принятых непосредственно с выхода соответствующего приемника глобальных навигационных спутниковых систем, рассчитывают зону прямой видимости между абонентскими станциями, желающими осуществить обмен данными, при ее отсутствии обеспечивают связь между ними в следующих кадрах через канал загоризонтной связи ретранслятора;
- обеспечивают обмен данными между абонентскими станциями как по принципу «каждый с каждым», так и через ретранслятор;
- контролируют достоверность этого обмена на ретрансляторе, а для двунаправленной трансляции кодограмм по цепи «абонентские станции-ретранслятор» используют одну частоту и временной доступ в радиосеть;
- по качеству передачи информации на ретрансляторе контролируют работоспособность абонентских станций и при необходимости из базы данных ретранслятора выбирают и передают по требуемому адресу соответствующее сообщение, корректирующее функционирование данной абонентской станции;
- при получении на ретрансляторе от абонента донесения «Конец связи» подготавливают освободившийся слот для новой абонентской станции.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что в известных источниках информации аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию "Новизна".
Сравнение заявляемого способа с прототипом и другими аналогами показывает, что часть вновь введенных операций в других сочетаниях известны специалистам в данной области техники, что показывают приведенные ссылки на научно-техническую литературу.
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники [5-17]. Данный способ существенно отличается от прототипа и известных аналогов в данной области техники, явным образом не следует из уровня техники, поэтому имеет изобретательский уровень. Заявляемый способ может быть реализован с использованием существующих серийных устройств, применяемых в радиосвязи, вычислительной технике, и является промышленно применимым.
Заявленный способ поясняется чертежами:
Фиг.1 - Блок-схема алгоритма организации связи в заявленном способе. Последовательность операций в алгоритме:
1,2,3…,N
1 - назначают абонентским станциям (АС) с номерами 1, 2, 3, …, N и ретранслятору адреса, а вновь появившимся АС - свободные или освободившиеся в процессе работы адреса;
1,2,3…,N
2 - осуществляют в ретрансляторе и АС с номерами 1, 2, 3, …, N после включения оборудования взаимную синхронизацию всех объектов с помощью сигналов с выхода соответствующих приемников глобальных навигационных спутниковых систем, данные которых используют также для определения местоположения объектов и формирования на них шкалы единого точного времени;
3 - поднимают платформу с ретранслятором «Р» на высоту для обеспечения заданной зоны связи;
1,2,3,…,4р
4 - определяют местоположения АС с номерами 1, 2, 3, …, N и ретранслятора;
5 - формируют с помощью шкалы единого точного времени на ретрансляторе на одной частоте кадр - групповой информационный поток, в нулевом слоте которого передают маркеры, и выделяют слоты для приема/передачи данных с каждой (на каждую) известной АС в соответствии с назначенным адресом в каналах прямой видимости и загоризонтной связи;
1,2,3…,N
6 - определяют по маркеру на каждой из АС с номерами 1, 2, 3, …, N интервал времени передачи данных на соответствующую АС напрямую (в условиях прямой видимости) или через ретранслятор (при загоризонтной связи), а также интервал времени приема сообщений с вызывающей АС или ретранслятора;
1,2,3,…,N
7 - сохраняют данные о местоположении вызываемых АС с номерами 1, 2, 3, …, N и ретранслятора по принятым с них сообщениям об их местонахождении в ретрансляторе и с учетом параметров движения, принятых непосредственно с выхода соответствующего приемника глобальных навигационных спутниковых систем;
8 - обеспечивают на ретрансляторе прием с АС данных о местоположении, на основании которых по электронной карте с учетом местных предметов рассчитывают зону прямой видимости между АС, желающими осуществить обмен данными, при ее отсутствии обеспечивают связь между ними в следующих кадрах через канал загоризонтной связи ретранслятора;
1
3
9, 9 - осуществляют обмен данными между АС в зоне прямой видимости по принципу «каждый с каждым» (пример обмена данными между АС 1 и 3);
10 - контролируют достоверность этого обмена на ретрансляторе и формируют запрос повторения данных при ошибке;
2
4
11, 11 - обеспечивают обмен данными между АС вне зоны прямой видимости через ретранслятор (пример обмена между АС 2 и 4);
12 - контролируют достоверность обмена данными между АС через ретранслятор и формируют запрос повторения данных при ошибке;
2
4
13, 13 - формируют на АС донесение «Конец связи» (пример для АС 2 и 4);
N+1
N+2
N+3
14, 14, 14 - принимают на ретрансляторе от АС донесения «Конец связи» и назначают освободившиеся слоты для новых абонентских станций N+1, N+2, N+3, … (пример назначения слотов 2 и 4, а также одного из свободных слотов).
1
3
2
р
4
4
р
2
Фиг.2 - временная диаграмма, поясняющая алгоритм обмена сообщениями в цифровых сетях радиосвязи с пакетной передачей информации между АС 1 и 3, находящимися в зоне прямой видимости (операции 15-16) и АС 2 и 4, находящимися вне зоны прямой видимости (операции 17-18-19; 20-21-22 (обмен через ретранслятор)); в нижней части рисунка показана структура слота, где обозначено: ЗИ - защитные интервалы в слоте, СПИ - собственные пакеты информации, состоящие из данных о местоположении, адресе отправителя, работоспособности.
Фиг.3 - Структурная схема системы, реализующей заявляемый способ, где введены обозначения: 23 - рабочая зона (зона устойчивой связи), 24 - абонентская станция, 25 - клавиатура, 26 - монитор, 27 - ретранслятор, 28 - рабочее место дистанционного управления и контроля;
Фиг.4 - Структурная схема ретранслятора 27, где обозначено: 27.1 - приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (с антенной); 27.2 - база данных; 27.3 - процессор; 27.4 - приемник; 27.5 - передатчик; 27.6 - криптографический преобразователь; 27.7 - вход/выход процессора «Ввод/вывод данных».
Фиг.5 - Структурная схема рабочего места 28 оператора дистанционного управления и контроля, на которой обозначено: 24 - абонентская станция, в состав которой входят приемник 24.1 сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (с антенной), база данных 24.2, процессор 24.3; приемник 24.4, передатчик 24.5, криптографический преобразователь 24.6; 24.7 - вход/выход данных процессора «Ввод/вывод данных».
В основу предлагаемого способа положен временной метод многостанционного доступа к ретранслятору 27, при котором для связи между АС 24, находящимися в зоне прямой видимости, используется одна частота и отдельные выделенные временные каналы в едином групповом потоке, а для связи между АС 24, находящимися вне зоны прямой видимости (через ретранслятор 27) - одна и та же частота и отдельные выделенные временные интервалы в едином групповом потоке, причем каждой позиции временного интервала в групповом потоке соответствует информационный сигнал от одного корреспондента. Для разделения направлений обмена информацией используется алгоритмический временной доступ в радиосеть, заключающийся в том, что адресом вызываемого корреспондента является назначенный ему номер слота, который после окончания сеанса связи может быть назначен новой абонентской станции.
Заявленный способ обмена сообщениями в цифровых сетях радиосвязи с пакетной передачей информации реализуется в соответствии с блок-схемой (Фиг.1) следующим образом. В начале работы АС 24 и ретранслятору 27 назначают адреса (операция 1), причем ретранслятору 27 и другим наиболее часто вызываемым АС 24 их может быть назначено несколько. Этим обеспечивают единую адресацию, известную всем участникам обмена данными. После включения оборудования в ретрансляторе 27 и АС осуществляют взаимную синхронизацию всех объектов (операция 2) с помощью сигналов с выхода соответствующих приемников глобальных навигационных спутниковых систем, данные которых используют также для определения местоположения объектов и формирования на них шкалы единого точного времени (операция 4). Затем ретранслятор 27, выполняющий функции базовой станции, исходя размера охватываемой территории, на которой предполагается нахождение АС 24, мощности передатчиков, чувствительности приемников, длительности непрерывной работы и других факторов, поднимают на требуемую высоту (операция 3), например, с помощью серийной мачты. Если с помощью мачты не удается обеспечить заданную зону связи, то ретранслятор устанавливают на соответствующую летательную несущую платформу, например, аэростат, дирижабль, вертолет или самолет, с подведением первичного питания по кабель-тросам в первых двух случаях или с использованием бортовых источников электроснабжения - в третьем и четвертом случаях. В отдельных случаях в качестве ретранслятора может быть использован, например, спутник связи. Высоту подъема определяют таким образом, чтобы обеспечить устойчивую радиосвязь с АС 24 на местности, превышающей размер рабочей зоны, с учетом препятствий и возвышенностей на пути распространения радиоволн. Например, при подъеме ретранслятора на высоту 10 км диаметр рабочей зоны связи будет не менее 400 км.
После включения оборудования с помощью меток точного времени с выхода приемника сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, например, ГЛОНАСС, на ретрансляторе формируют (операция 5) на одной частоте кадр для формирования группового информационного потока, в нулевом слоте которого передают маркеры, и выделяют слоты для приема/передачи данных с каждой (на каждую) известной АС в соответствии с назначенным адресом в каналах прямой видимости и загоризонтной связи. По маркеру на каждой АС определяют (операция 6) интервал времени передачи данных в слоте вызываемой АС 24 напрямую (в условиях прямой видимости) или через ретранслятор, а также интервал времени приема сообщений с вызывающей АС 24 или ретранслятора, и этим осуществляют взаимную синхронизацию всех объектов, участвующих в обмене данными.
С помощью сигналов с выхода соответствующего приемника глобальных навигационных спутниковых систем на АС формируют (операция 7) сообщения о местоположении и параметрах их движения и в составе информационной части после соответствующей обработки передают в эфир.
Принятые на ретрансляторе 27 с АС 24 данные о местоположении и параметрах движения вызываемых АС 24 и непосредственно ретранслятора 27 сохраняют в памяти вычислительного устройства ретранслятора и рассчитывают по этим данным (операция 8) с учетом местных предметов на электронной карте местности расстояние между объектами и сравнивают его с дальностью прямой (оптической) видимости. Местные предметы из-за образования углов закрытия ограничивают зону прямой видимости [19]. На основании расчетов определяют АС, между которыми имеется прямая видимость. Между этими АС обеспечивается непосредственный обмен данными по принципу «каждый с каждым» (операция 9). При отсутствии зоны прямой видимости связь между ними обеспечивают (операция 11) в следующих кадрах (фиг.2) через канал загоризонтной связи ретранслятора 27 (фиг.3).
Достоверность этого обмена контролируют (операция 10) для первого случая - на вызываемой АС и для второго случая - на ретрансляторе 27 (операция 12), соответственно. При обнаружении ошибки в принятом сообщении, не исправленной с помощью известных помехоустойчивых кодов [7, 14, 19], применяемых при формировании кодового пакета, направляют запрос на повторения переданных ранее данных. По качеству передачи информации на ретрансляторе 27 контролируют работоспособность АС 24 и каналов связи. При необходимости из базы данных ретранслятора выбирают и передают по требуемому адресу соответствующее сообщение, корректирующее функционирование данной АС.
Когда необходимости в связи нет, на АС 24 формируется (операция 13) донесения «Конец связи» и передается в эфир. После приема на ретрансляторе 27 от АС 24 донесения «Конец связи» подготавливают (операция 14) освободившийся слот для новой АС, которой назначают соответствующий номер. Всем вновь появившимся АС назначают свободные или освободившиеся в процессе работы номера. Затем осуществляются последовательно операции 2, 4, 5, 6, 7, 8 и начинается обмен данными с новыми АС.
Рассмотрим возможности технической реализации заявляемого способа на типовом (серийном)оборудовании.
Для повышения достоверности приема информации используются методы помехоустойчивого кодирования и передачи сообщений с обратной связью -двунаправленная трансляция (с разделением во времени) кодограмм по цепи «абонентские станции-ретранслятор» на одной рабочей частоте и временной доступ в радиосеть. Эти операции осуществляют в процессорах 24.3 (Фиг.5) и 27.3 (Фиг.4). Частоту выбирают с учетом наличия окна прозрачности в этом диапазоне волн, обеспечения требуемой скорости передачи информации и электромагнитной совместимости с другими радиосредствами на ретрансляторе 27 (Фиг.3).
Если обеспечить требуемую зону связи путем подъема ретранслятора 27 на мачте невозможно, то используют летательную несущую платформу. При превышении длительности обмена данными максимально возможное время пребывания летательной несущей платформы с ретранслятором 27 на смену ей подготавливают следующую - также с ретранслятором. До окончания барражирования первой летательной несущей платформы подготавливают операцию «хэндофф» (handoffs) [19]. На ретранслятор 27 возлагают функции управления передачей данных в пределах рабочей зоны 23 (Фиг.3) и определения местонахождения АС 24. Передача и прием данных между ретрансляторами 27 основной и дежурной летательной несущей платформы, как правило, не должны осуществляться до тех пор, пока не закончится заданное время полета на необходимой (для обеспечения устойчивой связи) высоте основной платформы и меняющая платформа не выйдет на маршрут, новый ретранслятор не установит связь со всеми АС 24, что должно быть подтверждено с него специальной квитанцией, и процессор 24.3 абонентской станции 24 (Фиг.3), работающей в составе рабочего места 28 дистанционного управления и контроля не определит качество всех каналов, например, по требуемым уровням отношения сигнал/шум. Соответствующие квитанции и знаки, характеризующие выполнение указанных операций отображаются на экране монитора 26 рабочего места 28 дистанционного управления и контроля.
После того как выполнены эти операции, процессор 24.3 рабочего места 28 дистанционного управления и контроля инициирует процедуру handoffs и устанавливает новую линию связи с новым ретранслятором 27, отключая старый. Оба ретранслятора 27 должны продолжать обеспечивать обмен данными с АС 24 до тех пор, пока не появится индикация, подтверждающая успешное установление нового соединения. Если на рабочем месте 28 дистанционного управления и контроля принимается решение, что параметры системы приемлемы для обеспечения связи, то новое подключение считается успешным. Любую последующую связь по цепи «абонентская станция-ретранслятор-абонентская станция» осуществляют по новой виртуальной цепи, а старую временно используют только для приема практически до посадки летательной несущей платформы. И такие операции продолжаются до окончания работ. Маршрут барражирования платформы выбирают из условия обеспечения устойчивой радиосвязи во время полета со всеми АС 24 в рабочей зоне 23, например, по кругу.
20
Время использования каждого частотного канала разбивают на временные кадры, а каждый кадр делится на слоты (фиг.2). Нулевой слот кадра - маркер несет информацию о точном системном времени, рабочей частоте на следующий кадр (при необходимости), широковещательную информацию для всех АС 24, темп ввода данных по входу/выходу 24.7 (Фиг.5) и другие параметры. В начале и конце слота для исключения наложения сообщений с соседних слотов вводят защитные интервалы ЗИ. Величина ЗИ по длительности выбирается большей, чем время прохождения радиосигналом до наиболее удаленной АС 24 и обратно с учетом времени задержки в ней и времени на прослушивание несущей радиосообщения в эфире на ретрансляторе 27. Длительность кадра определяется числом N обслуживаемых АС 24, величиной защитных интервалов, технической скоростью передачи данных, максимальным числом символов, отводимых для передачи данных о местоположения АС 24 и информации, вводимой по входу/выходу 24.7, Например, при наличии 100 абонентских станций, 40 разрядов отводимых для передачи широты и долготы АС, 20 разрядов отводимых для передачи информации по входу/выходу 24.7, скорости передачи 31,5 кбит/с, характерной для режима VDL-2 в системе управления воздушным движением [19], время кадра с учетом двойной избыточности вследствие применения помехоустойчивого кодирования составит без учета защитных интервалов около 0,8 с. В этом случае объем информации, вводимой в АС по входу 24.7, можно оценить как 2 бит. В ретрансляторе 27 на основании известных собственного местоположения и местоположения всех АС 24 оценивается уровень передаваемых радиосигналов на АС с целью адаптации по мощности: чем ближе АС 24 к ретранслятору 27, тем меньше устанавливается уровень передаваемого с него радиосигнала.
1
3
Рассмотрим процесс обмена данными при нахождении двух АС 24 в зоне прямой видимости. На каждой АС 24 взаимодействующих корреспондентов формируют собственные пакеты информации СПИ (Фиг.2), включающие адресную и информационную части, данные о местоположении и работоспособности. Адресная часть СПИ содержит адрес отправителя и представляет собой последовательность двоичных символов специального формата. Адрес получателя передавать не требуется, так как соответствующее сообщение формируется в слоте вызываемой АС 24. В слоте, соответствующем назначенному номеру, АС работают только на прием. Информационная часть СПИ также представляет собой последовательность двоичных символов единого формата для всех АС 24 и ретранслятора 27. После формирования собственных пакетов информации на АС 24 информационные части этих пакетов запоминают в процессорах 24.3, а сформированные СПИ через криптографический преобразователь 24.6 в форме кодового пакета передают с помощью передатчиков 24.5 с антеннами по выделенному частотному радиоканалу в слоте вызываемой АС 24. Криптографический преобразователь может быть выполнен, например, в соответствии с известным алгоритмом (ГОСТ 28147-89), предназначенным для систем обработки информации в сетях ЭВМ [18]. На вызываемой АС 24 принятое приемником 24.4 и дешифрованное в криптографическом преобразователе 24.6 сообщение после декодирования и исправления ошибок обрабатывают в процессоре 27.3, запоминают информацию, предназначенную непосредственно для АС 24, производят необходимые действия по командам. Остальную информацию направляют на вход/выход 24.7 «Ввод/вывод данных». Для исключения коллизий при обмене данными между двумя АС непосредственно по принципу «каждый с каждым» предусмотрена следующая процедура: передача данных о подтверждении правильного приема осуществляют только в следующем кадре (фиг.2) после получения соответствующего сообщения. Наблюдение за правильностью проведения этой операции обеспечивается с помощью рабочего места 28 дистанционного управления и контроля. На фиг.2 показан пример передачи СПИ от абонентской станции с номером 1 к абонентской станции с номером 3 (15→16).
Процесс обмена данными при нахождении двух АС 24 вне зоны прямой видимости осуществляют следующим образом. Сообщение (СПИ) абонентской станции 24 для ретранслятора 27 содержит адрес отправителя, информацию о местоположении АС 24, данные контроля ее работоспособности и информацию, полученную по входу/выходу 24.7 «Ввод/вывод данных». Его упаковывают в процессоре 24.3 в пакет, шифруют в криптографическом преобразователе 24.6, затем в форме кодового пакета с помощью передатчика 24.5 с антенной передают по радиоканалу на ретранслятор 27, где зарегистрированы все АС 24 в рабочей зоне 23. На ретрансляторе 27 принятое блоком 27.4 и дешифрованное в криптографическом преобразователе 27.6 сообщение после декодирования и исправления ошибок распределяют в процессоре 27.3: данные о местоположении АС используют для дальнейшей обработки, донесения о результатах контроля АС передают на рабочее место 28 дистанционного управления и контроля для обработки в процессоре 24.3 и отображения на мониторе 26, информацию обмена подготавливают для передачи на вызываемую АС 24 в соответствующем слоте (фиг.2). Если при приеме обнаружена неисправленная в процессе декодирования ошибка, то с ретранслятора 27 осуществляется запрос на передачу прежнего сообщения. При необходимости на рабочем месте 28 дистанционного управления и контроля формируется передаваемая через ретранслятор 27 команда, например, с помощью клавиатуры 25 или программно, требующая от соответствующей АС 24 проведения срочных действий.
В обратном направлении (от вызываемой АС 24) сообщение, содержащее адрес отправителя, квитанцию о достоверном приеме посланного сообщения, информацию о местоположении АС 24, контроле ее работоспособности и полученную по входу/выходу 24.7 «Ввод/вывод данных» упаковывают с помощью процессора 24.3 в пакет. Сформированный информационный пакет в адрес одного из корреспондентов подают на криптографический преобразователь 24.6, построенный, например, в соответствии с известным алгоритмом по ГОСТ 28147-89, предназначенным для систем обработки информации в сетях ЭВМ [18]. Это сообщение в форме кодового пакета через передатчик 24.5 с антенной во временной интервал соответствующего слота вызываемой АС 24 передают по радиоканалу.
2
р
4
4
р
2
Алгоритм обмена данными на примере АС 2 и 4, находящихся вне зоны прямой видимости заключается в следующем. Введенные данные по входу 24.7 в процессоре 24.3 с сообщениями о местоположении, контроле состояния и другими кодируются, шифруются в криптографическом преобразователе 24.6, преобразуются в передатчике 24.5 с антеннами и излучаются в эфир (операция 17). Принятые на ретрансляторе 27, в котором по рассчитанному расстоянию между корреспондентами известно, что АС с номером 4 находится вне зоны прямой видимости от АС с номером 2, и преобразованные в видеосигналы в приемнике 27.4 пакеты информации от корреспондента с номером 2 в слоте с номером 4 расшифровывают в криптографическом преобразователе 27.6, идентифицируют в процессоре 27.3. Поэтому в следующем кадре с ретранслятора 27 передают абонентской станции 4 в слоте 4 (фиг.2) сообщение от корреспондента с номером 2 (операция 18). Сообщение принимается (операция 19), оценивается на достоверность, дешифруется и запоминается последовательно в приемнике 24.4, криптографическом преобразователе 24.6, процессоре 24.3. При достоверном приеме на основании полученной оценки и других данных во временном интервале корреспондента с номером 2 в процессоре 24.3 формируют собственные пакеты информации и шифруют их в криптографическом преобразователе 24.6. В следующем кадре в слоте 2 сообщение в форме кодового пакета от корреспондента с номером 4 с помощью передающего устройства 24.5 с антенной излучают в эфир для АС с номером 2 (операция 20). На ретрансляторе 27 принятое сообщение обрабатывается, аналогично рассмотренному выше, и в следующем кадре в слоте 2 передают АС с номером 2 сообщение от корреспондента с номером 4 (операция 21). На АС номер 2 сообщение принимается и обрабатывается (операция 22) аналогично рассмотренному выше. При достоверном приеме процедура обмена данными между корреспондентами с номерами 2 и 4, находящимися вне зоны прямой видимости, заканчивается.
Назначение освободившихся адресов: Номер 2 и Номер 4, а также одного из свободных показано на фиг.1. Новым вновь подключенным абонентским станциям назначены номера N+1, N+2, N+3 соответственно. После этой процедуры с новыми АС проводятся рассмотренные выше операции: 1, 2, 4, 5, 6, 7.
При длительном перерыве между сеансами связи (больше заданного интервала времени) на ретрансляторе 27 формируется запрос о состоянии соответствующей АС 24. По наличию ответной квитанции, переданной через ретранслятор 27 с запрошенной АС 24 на рабочее место 28 дистанционного управления и контроля с помощью рассмотренной выше процедуры, судят о ее работоспособности.
Процедура обмена данными по цепи «абонентская станция-ретранслятор-абонентская станция» аналогична процедуре, используемой при организации работы нескольких планшетных компьютеров типа «iPad-3g» [20, 21] через базовую станцию, в соответствии со стандартом WiFi.
При приеме радиосигналов на абонентской станции 24, входящей в состав рабочего места 28 (Фиг.3), после преобразования радиосигналов в видеосигналы сообщение проверяют на достоверность, дешифрирует его с помощью криптографического преобразователя 24.6 и через процессор 24.3 выводят информацию на экран монитора 26 для визуального съема. Рабочее место 28 дистанционного управления и контроля может быть выполнено по принципу носимого планшетного компьютера типа «iPad» [20, 21], объединяющего в своем составе процессор, монитор, клавиатуру, средства радиосвязи с базовой станцией, порты для ввода/вывода данных, GPS-приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем с антенной, аккумулятор. Криптографический преобразователь 24.6, так же как и 27.6, может быть выполнен программно, например, в соответствии с известным алгоритмом по ГОСТ 28147-89 [18].
На мониторе 26 рабочего места 28 дистанционного управления и контроля по принятым через ретранслятор 27 с АС 24 сообщениям об их местоположении и параметрам движения отображают их местонахождение с привязкой к электронной карте местности, находящейся в базе данных 24.2. При необходимости строят экстраполированную траекторию движения абонентской станции, оценивают возможность ее попадания в зону неустойчивой связи, выдают этой АС через ретранслятор 27 необходимые рекомендации (команды) по преодолению нештатной ситуации. Сигнализация нештатной ситуации АС 24 может включаться принудительно по управляющему сигналу, поступившему на нее с рабочего места 28 через ретранслятор 27.
При снижении уровня топлива на летательных несущих платформах через оборудование ретранслятора: 27.7, 27.3, 27.6, 27.5 и рабочего места 28: 24.4, 24.6, 24.3, 26 информируют оператора о необходимости подъема в воздух следующей платформы. Ретранслятор 27 на борту летательной несущей платформы работает в автоматическом режиме. В случае необходимости присутствия на борту летательной несущей платформы оператора обеспечивают подключение к процессору 27.3 клавиатуры и монитора по стандартной схеме (по аналогии с рабочим местом 28).
Приемник 24.1 (27.1) сигналов глобальных навигационных спутниковых систем с антенной подключен к входу/выходу процессора 24.3 (27.3). С помощью высокоточных меток времени приемника обеспечивают в процессоре 24.3 (27.3) формирование всех слотов кадра и двух защитных интервалов в каждом из слотов. Кроме того, приемник является датчиком точного местоположения АС 24 (ретранслятора 27) в реальном масштабе времени. Приемник может быть реализован на серийном устройстве марки «Jupiter» или на основе технологии Assisted-GPS, используемой в носимом планшетном компьютере типа «iPad» [21].
Монитор 26 и клавиатура 25 предназначены для формирования необходимых команд управления и адреса вызываемой абонентской станции 24, а также для отображения принятых данных контроля и местоположения АС 24 при визуальном съеме. Клавиатура 25 и монитор 26 могут быть выполнены, например, на основе носимого планшетного компьютера типа «iPad».
Если не хватает данных в базах 24.2 и 27.2, введенных в заводских условиях, производят установку дополнительных параметров в базы данных 24.2 и 27.2 через входы/выходы 24.7 и 27.7 «Ввод/вывод данных» процессоров 24.3 и 27.3 абонентских станций 24 и ретранслятора 27, например, с помощью одного из переносных процессоров 24.3 с заложенной предварительно программой.
Преимуществами заявляемого способа являются:
1. Для обслуживания АС в зоне прямой видимости и вне ее (с использованием ретрансляции радиосигналов) требуется всего одна рабочая частота.
2. Степень защиты передаваемой по каналам радиосвязи информации за счет применения рекомендованной стандартной технологии шифрования повышена по предварительным расчетам на два-три порядка по сравнению с технологией, предложенной в прототипе.
3. Использование поднятого на требуемую высоту ретранслятора позволяет расширить зону связи и исключить при обмене данными так называемые «мертвые зоны».
4. Скорость передачи данных за счет использования дециметрового, (сантиметрового) диапазонов может быть повышена на несколько порядков практически без снижения степени достоверности.
5. При нахождении АС в пределах прямой видимости друг от друга появилась возможность обмена данными по принципу «каждый с каждым».
6. За счет динамического управления ресурсами связи появилась возможность подключать к радиосети новые абонентские станции вместо закончивших сеанс связи и к свободным слотам.
7. Введение новых операций дало возможность решения задач мониторинга рабочей зоны связи с рабочего места 28 в условиях неопределенности и передачи оперативных команд на АС в нештатных ситуациях.
8. Реализация способа с помощью известных алгоритмов и технических решений стала возможной, благодаря унификации оборудования абонентских станций, ретранслятора и рабочего места дистанционного управления и контроля.
На момент подачи заявки разработаны, алгоритмы функционирования и фрагменты программного обеспечения заявляемого способа.
Литература
1. Авторское свидетельство СССР №1474860, кл. Н04В 7/26, 1989.
2. Авторское свидетельство РФ №2014738, кл. H04J 11/00, 1994.
3. Патент РФ №2185027, МПК 7 Н04В 7/26, 2002.
4. Патент РФ №2229197, МПК 7 Н04В 7/26, 2004 (прототип).
5. Горячева Т.И., Палочкин Ю.П., Кулаков Д.С. Принципы построения и основные характеристики ДКМВ сети передачи данных в среде ATN. Том 1. Доклад на конференции «Кибернетика и технологии 21 века», Воронеж, 2006. С.383-392.
6. Патент РФ №2286030 С1. М. Кл. Н04В 7/26. ДКМВ система и способ обмена пакетными данными. Горячева Т.И., Палочкин Ю.П., Кулаков Д.С. БИ №12, 2006.
7. Приложение 10 к соглашениям ИКАО (Том 3, часть 1, глава 11). Женева. ИКАО. 2000.
8. ARINC 634. Specification. HF Data Link System Design Guidance Material. 8/96.
9. ARINC 635-3. Specification. HF Data Link Protocols. 12/2000.
10. Руководство по ДКМВ линии данных. Женева. ИКАО. 2001.
11. Report from the AD HOC Working Group on HF Data Link. Draft Version 1.0. 29 September 1995.
12. ARINC Characteristics 753-3. HF Data Link System. 2001.
13. MIL-STD-188-141B. Interoperability and performance standards for medium and high frequency radio systems. Department of defense interface standard. 1 march 1999. Superseding MIL-STD-188-141A 15 September 1988. (Стандарты взаимной работы и характеристик для среднечастотного и высокочастотного радиооборудования).
14. ARINC 618-5 Specification. Air/Ground character-oriented protocol. 2000.
15. ARINC 753-3 Characteristics. HF Data Link System. 2001.
16. ARINC 631-3 Specification. VHF Digital link implementation provisions. 2000.
17. DO-265. Стандарты минимальных эксплуатационных характеристик (MOPS) для авиационной подвижной высокочастотной линии передачи данных (HFDL). RTCA. 2000.
18. ГОСТ 28147. Системы обработки информации. Защита криптографическая. Алгоритм криптографического преобразования - М.: Издательство стандартов, 1989.
19. Б.И. Кузьмин «Сети и системы цифровой электросвязи», часть 1 «Концепция ИКАО CNS/ATM. Москва - Санкт-Петербург: - ОАО «НИИЭР», 1999. - 206 с.
20. ? Ipad 3g mg_url=filearchive.cnews.ru
21. file://localhost/G:/DeepApple•Вся правда о GPS в планшетнике iPad.mht.