Проблемы использования коротковолнового диапазона при построении радиосетей

____________ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

ПРАВОВЕДЕНИЕ

145 2007. №6

УДК 004.239.056 В.Е. Минин

ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КВ ДИАПАЗОНА ПРИ ПОСТРОЕНИИ РАДИОСЕТЕЙ

Ставится проблема использования коротковолнового диапазона и приводится способ ее решения.

Ключевые слова: коротковолновой радиоканал/диапазон, распространение волн, качество связи, приемо-передатчик, цифровые данные, маршрутизация, стандарт беспроводной сети, математическое моделирование.

Разработчики систем связи признают в настоящее время, что коротковолновой радиоканал является эффективным средством решения проблем дальней связи. Тормозом к широкому внедрению коротковолновых систем до недавнего времени были их громоздкость, сложность в эксплуатации, низкие пропускная способность и надежность связи. Бурное развитие вычислительной техники и микроэлектроники стимулировало успехи в развитии технологии коротковолновой связи, особенно в модемной технологии за рубежом [1].

Коротковолновый диапазон имеет особенности распространения в нем волн, они могут отражаться от верхних слоев атмосферы и достигать объектов вне прямой видимости.

Коротковолновой диапазон используется для любительской, персональной и служебной радиосвязи, а также для международного радиовещания. При рассматриваемом типе распространения сигнал наземной антенны отражается от ионизированных слоев верхней части атмосферы, именуемых ионосферой, по направлению к Земле.

Отражение сигнала от верхних слоев атмосферы (и впоследствии от Земли) может происходить многократно. Если радиоволна распространяется подобным образом, сигнал может быть принят на расстояние тысяч километров от передатчика.

Короткие волны способны обеспечить связь за пределами прямой видимости на расстоянии до 4000 - 6000 км и более (на многоскачковых трассах), стоимость же коротковолновых радиоканалов на порядок ниже, а «живучесть» в условиях конфликтных ситуаций выше в сравнении со спутниковыми каналами связи. КВ радиоканал является единственным средством связи в местах, не имеющих инфраструктуры, труднодоступных районах. Одна-

ко КВ радиоканал существенно зависит от состояния ионосферы, которая, как известно, нестабильна [2].

К сожалению, есть ряд недостатков при применении КВ радиосвязи. Главным является надежность связи, в КВ диапазоне не может быть гарантирована надежная связь на большом расстоянии (более 50 километров). Сама возможность связаться в большой степени зависит от времени суток, погодных условий, мощности и взаимного расположения передатчика и приемника. Вторым недостатком является большая загруженность КВ диапазона и, как следствие, обилие помех и низкое качество связи. Даже многокиловатт-ные передатчики и большие антенные поля не могут обеспечить надежной круглосуточной связи [3].

При построении радиосетей в коротковолновом диапазоне существует вероятность невозможности установления связи с требуемым абонентом. Эта ситуация может возникнуть в случае неблагоприятных метеоусловий или нахождения абонента в зоне непрохождения волны. Однако эти обстоятельства могут не влиять на связь с другими абонентами. То есть абонент не доступен именно для определенных узлов связи в данный момент времени. Следовательно, существует задача организации связи с требуемым абонентом в условиях отсутствия прямой связи между приемо-передающими устройствами.

Возвращаясь к работе самих устройств, следует уточнить способ передачи данных в среде. В передающих средах могут распространяться как аналоговые, так и цифровые сигналы. Но конкретный способ обращения с этими сигналами является функцией передающей системы.

Аналоговая передача - это способ передачи аналоговых сигналов, причем передаваемые данные не конкретизируются: сигнал может представлять как аналоговые (например, речь), так и цифровые данные (например, двоичные данные, проходящие через модем). В любом случае аналоговый сигнал затухает (ослабляется), что ограничивает длину линии передачи. Чтобы сигнал можно было передавать на большие расстояния, в аналоговые передающие системы могут вводиться усилители, повышающие энергию сигнала. К сожалению, усилители также усиливают и шумовые составляющие сигнала. С прохождением каждого усилителя, последовательно расположенного на пути следования сигнала, этот сигнал становится все более искаженным. Для аналоговых данных, таких как речь, небольшое искажение не существенно, и данные остаются понятными, чего нельзя сказать о цифровых данных: в них последовательные усилители вносят ошибки. Для передачи цифровых данных на большие расстояния используются ретрансляторы, которые принимают цифровой сигнал, восстанавливают закодированную комбинацию нулей и

ПРАВОВЕДЕНИЕ 2007. №6

единиц и передают новый сигнал. Таким образом происходит компенсация затухания. Тот же метод используется и при передаче аналогового сигнала, если он переносит цифровую информацию. Для этого в расположенных соответствующим образом точках передающей системы помещаются не усилители, а ретрансляторы. Такой ретранслятор восстанавливает цифровую информацию из аналогового сигнала и создает новый, чистый аналоговый сигнал, препятствуя таким образом накоплению помех.

Следовательно, можно ввести в работу самих приемопередатчиков функцию, позволяющую им работать в качестве ретрансляторов, осуществляющих маршрутизацию трафика. Организация связи между двумя не соединяющимися станциями может осуществляться третьей станцией, которая имеет связь с первыми двумя. Однако маршрутизация подразумевает существование алгоритма определения оптимального пути. Этот алгоритм должен учитывать, прежде всего, качество канала связи. А это значит, что должен быть разработан механизм, позволяющий адекватно оценить канал и хранить в памяти определенное значение, из которого можно судить о целесообразности его использования. Тем самым повышается стабильность связи в радиосети в общем.

В данный момент в России не существует современных открытых стандартов беспроводных сетей, работающих в КВ диапазоне. Считаю своевременным появление отечественного варианта подобной системы. Однако разработка алгоритма защищенного обмена данными в КВ радио диапазоне подразумевает следование определенным тенденциям, введенным Министерством обороны США в стандарте ЛЬЕ [4]. Третье поколение этого стандарта, опубликованного в 1999 г., уже имеет усовершенствования, диктуемые опытом использования предыдущего стандарта. Мы не имеем возможности получить серьезные данные по анализу этих стандартов, проведенному их разработчиками и партнерами.

Наилучшим способом анализа данного алгоритма работы КВ радиосети является построение математической программной модели функционирования данной сети. Так как этот стандарт открыт для свободного использования, можно смоделировать его реальную работу. Следуя всем алгоритмам и форматам, описанным в стандарте М1Ь-8ТБ-188-141Б, возможно сымитировать работу самих устройств. Однако таким образом мы лишь проверим их работоспособность в идеальных условиях. Особенностью же работы является функционирование устройств именно в КВ диапазоне волн. Известно, что этот диапазон отличается от других, наиболее часто используемых для цифровых данных диапазонов волн. Следовательно, в модель необходимо ввести

среду передачи данных, которая вносит помехи и искажения в сигнал, передаваемый моделируемой системой цифровой радиосвязи.

Задача разработки алгоритма и форматов системы цифровой радиосвязи для коротковолновых радиостанций предусматривает анализ существующих стандартов, реализующих соединения по радиоканалу. Более того, есть смысл отталкиваться от уже используемых стандартов, зарекомендовавших себя на практике. Наиболее подходят для этого стандарты цифровой радиосвязи серии IEEE 802.11 и ALE. Стандарты серии IEEE 802.11 [5] созданы специально для передачи информации между ЭВМ, однако не подходят для организации дальней связи ввиду того, что на частотах, которые они используют, сети имеют очень малый диаметр, несмотря на то, что связь отличает высокая стабильность и скорость. Стандарты ALE решали проблему дальности связи, используя особенности коротких волн отражаться от ионосферы. Однако в КВ диапазоне есть негативные «моменты», не позволяющие осуществлять связь на высоких скоростях. Также на стабильность связи оказывают влияние множество независимых от человека факторов. Другой особенностью ALE является наиболее приспособленный для КВ диапазона формат передаваемых кадров. Он специально создан для передачи по низкоскоростному и малостабильному каналу с учетом влияния специфических для данного диапазона помех. Однако во время создания стандарта ALE 2G в 1988 г., вероятно, не учитывалось что мобильные компьютеры окажутся широко доступными. Поэтому стандарты организации компьютерных сетей (IEEE 802.11 [5] и IEEE 802.3 [6]), во многом идентичные, практически не имеют сходства со стандартом ALE, который не был оптимизирован для использования со стандартным компьютером. Значит, следует доработать канальный уровень стандарта ALE 3G для оптимального взаимодействия с сетевым уровнем. Требуется подобрать форматы кадров и усовершенствовать алгоритмы канального уровня. Результат решения этой проблемы ускорит взаимодействие компьютеров в цифровых КВ радиосетях и позволит использовать стандартные приложения без дополнительных программных адаптаций.

Математическое моделирование функционирования устройств, работающих по стандарту ALE 3G, в конечном итоге можно выразить в виде конкретных цифр, говорящих о стабильности и качестве связи. Подобный способ используют Вишневский, Ляхов, Портной и Шахнович [7]. Описанная там математическая модель имитирует эталонную физическую модель сети стандарта IEEE 802.11. [5]

Сейчас сделана модель с модемом для передачи данных на физический уровень. Предусмотренное в ALE кодирование позволяет исправлять ошиб-

ПРАВОВЕДЕНИЕ 2007. №6

ки, внесенные средой передачи до определенного предела. Но пока не создана модель среды передачи, то есть модуль, который бы вносил в передаваемые последовательности ошибки, свойственные именно КВ диапазону. Создав модуль, вносящий ошибки, и задав вероятности их появления, можно проверить и оценить способности алгоритма канального уровня к устойчивости по отношению к различного рода ошибкам и их комбинациям.

Изменяя переменные, можно позволит задать условия, имитирующие нестабильность КВ диапазона. Также мы можем задать условия расположения самих радиопередающих устройств. Все это приведет к оптимальным цифрам, которые возможно представить как рекомендации к реализации устройств цифровой КВ радиосвязи.

Полученная модель является аппаратом аналитического расчета для алгоритмов и форматов данных канального уровня модели ISO/OSI для определенных условий функционирования цифровых КВ радиостанций. Применение полученных рекомендаций как опциональная функция для устройств цифровой КВ радиосвязи даст возможность улучшения пользовательских характеристик данных устройств в заранее заданных условиях местности, среды передачи данных или размерах сети.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Кулаков Д. С. Современные технологии автоматического составления канала авиационной ДКМВ радиосвязи. ФГУП НПП «Полет», Н. Новгород: http://bsfp.iszf.irk.ru

2. Столлингс В. Беспроводные линии связи и сети / Пер. с англ. М.: Изд. дом «Вильямс», 2003.

3. Основные принципы технологии перевозочного процесса.

http://know. su/transport/00065/?page=38

4. MIL-STD-188-141B. Interoperability and performance standards for medium and high frequency radio systems. DOD interface standard. 1 March 1999 / DoD USA. 1999.

5. IEEE Std 802.11-1999 Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications / The Institute of Electrical and Electronic Enginers, inc. 3Park Avenue, New York, USA. 1999.

6. IEEE Std 802.3-2002 Carrier sense multiple access with collision detection (CSMA/CD) access method and physical layer specifications / The Institute of Electrical and Electronic Enginers, inc. 3Park Avenue, New York, USA. 8 March 2002.

7. Вишняковский В.М., Ляхов А.И., Портной С.Л., Шахнович И.В. Широкополосные беспроводные сети передачи информации. М.: Техносфера, 2005.

Поступила в редакцию 02.04.07

V.E. Minin

Using of short waverange by the radio network development

The short-wave radio problem is described and the way of its decision is offered.

Минин Владимир Евгеньевич

ГОУ ВПО «Удмуртский государственный университет»

426034, Россия, г. Ижевск, ул. Университетская 1

E-mail: ludwigvan@ya.ru