RADIO COMMUNICATION METHOD OF MOVING OBJECTS IN CENTIMETRE WAVE RANGE
СПОСОБ РАДИОСВЯЗИ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ В СМВ ДИАПАЗОНЕ

Изобретение относится к авиационной радиосвязи СМВ диапазона и может быть использовано для пакетной цифровой радиосвязи с реализацией множественного доступа с контролем несущей и предотвращением коллизий в авиационных телекоммуникационных сетях СМВ диапазона, при наличии как широкополосных естественных помех, так и узкополосных технических помех.
В настоящее время системы телекоммуникаций строятся на основе семиуровневой модели взаимодействия открытых систем согласно ISO (Open System Interconnection).
Известен способ передачи пакетной информации, при котором согласно спецификации IEEE 802.11 доступ к среде передачи данных осуществляется с использованием протокола многостанционного доступа с контролем несущей и предупреждением коллизий CSMA/CA-Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance [2], выбранный в качестве прототипа.
Протокол CSMA/CA может работать в двух режимах. В первом режиме абонентская станция сначала прослушивает канал связи. Если канал связи свободен, начинается передача данных. Во время пересылки канал связи не прослушивается, и абонентская станция передает кадр с данными целиком. Если канал связи занят, отправитель дожидается его освобождения и затем начинает передачу данных. Если возникает коллизия, абонентские станции, не поделившие между собой канал связи, выжидают в течение случайных интервалов времени и затем снова пытаются отправить кадр с данными.
Во втором режиме абонентская станция А перед передачей прослушивает канал связи. Если он свободен, то абонентская станция А передает абонентской станции В кадр RTS (Request to Send - запрос на передачу), запрашивая разрешение на передачу. Структура кадра RTS согласно спецификации IEEE 802.11. Если абонентская станция В может принять данные, она передает положительное подтверждение, кадр CTS (Clear to Send - подтверждение готовности). Структура кадра CTS согласно спецификации IEEE 802.11. После приема кадра CTS абонентская станция А запускает таймер АСК (ACKnowledge - подтверждение приема) и начинает передачу данных. В случае корректного приема данных, абонентская станция В генерирует кадр АСК, сообщающий абонентской станции А о конце передачи. Если интервал времени таймера на абонентской станции А истекает прежде, чем получен АСК, весь алгоритм работы протокола повторяется с самого начала.
Абонентская станция С, находясь в зоне действия абонентской станции А, также принимает кадр RTS и определяет, что по каналу связи будут передаваться данные, и ожидает окончания активности соседних абонентских станций. Исходя из информации, содержащейся в RTS, абонентская станция С может предположить, сколько времени займет передача последовательности, включая конечный АСК. В течение этого промежутка времени абонентская станция С считает, что ее канал связи занят и она ожидает окончания активности соседних абонентских станций. Индикацией такого состояния является последовательность NAV (Network Allocation Vector - вектор выделенной сети). Абонентская станция D входит в зону действия абонентской станции В, но не входит в зону действия абонентской станции А, поэтому абонентская станция D не принимает RTS, посылаемый абонентской станцией А, но принимает CTS, передаваемый абонентской станцией В, и также устанавливает сигнал NAV. Сигналы NAV не передаются, а являются внутренними напоминаниями абонентских станций о том, что нужно хранить радиомолчание в течение определенного промежутка времени. В зоне радиовидимости абонентские станции А и В при организации радиосвязи сообщают всем, на какое время они резервируют канал связи и другие абонентские станции, например С и D, хранят радиомолчание и не могут организовывать радиосвязь между собой.
Недостатками прототипа являются отсутствие возможности управления направленными антеннами и мощностью передатчика абонентской станции, и как следствие этого, невозможность формирования диаграммы направленности антенны для организации радиосвязи и обеспечения скрытности обмена сообщениями, а также отсутствие возможности одновременной работы нескольких абонентских станций, находящихся в зоне радиовидимости.
Основной технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является обеспечение радиосвязи между абонентами с направленными антеннами, повышение помехоустойчивости и скрытности обмена сообщениями, а так же организация одновременной работы нескольких абонентских станций, находящихся в зоне радиовидимости, путем их пространственного разделения за счет применения узких диаграмм направленности антенн.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе радиосвязи подвижных объектов в СМВ диапазоне, основанном на использовании протокола многостанционного доступа с контролем несущей и предупреждением коллизий, обмене абонентских станций кадрами, содержащими управляющую информацию, в упомянутые кадры вводят вложенное поле с информацией о мощности передатчика, коэффициенте усиления антенны, координатах, времени определения координат, скорости, курсе и высоте полета подвижного объекта, а абонентские станции, получившие кадры с вложенным полем, формируют диаграмму направленности антенны и определяют мощность передатчика, необходимую для ведения радиосвязи.
TX_A
Заявленный способ радиосвязи осуществляется следующим образом. Абонентская станция А перед передачей прослушивает канал связи в режиме дежурный прием. Если канал связи свободен, то абонентская станция А устанавливает мощность передатчика, равную P, формирует диаграмму направленности в направлении абонентской станции В, используя информацию, находящуюся в информационной управляющей системе, и передает абонентской станции В кадр DRTS (Directional Request to Send - направленный запрос на передачу), который содержит вложенное поле SHF Header, запрашивая разрешение на передачу. Поле SHF Header содержит информацию о координатах абонента, времени определения координат, курсе, скорости, высоте, данные о мощности передатчика, коэффициенте усиления антенны.
TX_B
TX_A
TX_B
Абонентская станция В обрабатывает информацию, полученную в поле SHF Header, рассчитывает время радиосвязи, определяет текущее положение абонентской станции А и мощность передатчика, необходимую для организации радиосвязи. Определение времени радиосвязи позволяет улучшить пользовательские характеристики, такие как вероятность и гарантированное время доставки сообщения. Если В может принять данные, она устанавливает рассчитанную мощность передатчика, равную P, формирует диаграмму направленности в направлении абонентской станции А и передает положительное подтверждение, кадр DCTS (Clear to Send - подтверждение готовности), который так же содержит вложенное поле SHF Header. После приема кадра DCTS абонентская станция А обрабатывает информацию, полученную в поле SHF Header, определяет текущее положение абонентской станции В и мощность передатчика, необходимую для организации радиосвязи, запускает таймер АСК, устанавливает рассчитанную мощность передатчика равную P', формирует диаграмму направленности в направлении абонентской станции В и начинает передачу данных с вложенным полем SHF Header. В случае корректного приема абонентская станция В устанавливает мощность передатчика, равную P', формирует диаграмму направленности в направлении абонентской станции А и генерирует кадр DACK с вложенным полем SHF Header, сообщающий абонентской станции А о конце передачи. Если интервал времени таймера на абонентской станции А истекает прежде, чем получен кадр DACK, весь алгоритм работы протокола повторяется с самого начала. Структура кадров приведена на фиг.1.
Абонентская станция С находится в зоне радиовидимости абонентской станции А, поэтому она также принимает кадр DRTS, определяет, что скоро по каналу будут передаваться данные, и ожидает окончания активности соседних абонентских станций. Исходя из информации, содержащейся в кадре DRTS, абонентская станция С устанавливает сигнал NAV и рассчитывает, сколько времени займет передача данных, включая конечный кадр DACK. В течение этого промежутка времени С считает, что ее канал связи в направлении А занят и может организовать радиосвязь с абонентскими станциями, не отмеченными сигналом NAV. Абонентская станция D не находится в зоне действия абонентской станции А и не может принять кадр DRTS, посылаемый абонентской станцией А, но находится в зоне действия абонентской станции В и принимает кадр DCTS, посланный абонентской станцией В, и также устанавливает NAV. Сигналы NAV не передаются, а являются внутренними напоминаниями абонентским станциям о том, что нужно хранить радиомолчание, чтобы не начать передачу информации в направлении передающих соседних абонентских станций в течение определенного промежутка времени. Допускается организация радиосвязи с соседними абонентскими станциями, не отмеченными сигналами NAV. В зоне радиовидимости абонентские станции А и В при организации радиосвязи сообщают всем, на какое время они резервирует канал связи, а другие абонентские станции, например С и D, могут организовать радиосвязь между собой путем пространственного разделения абонентских станций за счет применения узких диаграмм направленности антенн, и таким образом появляется возможность передавать параллельно несколько потоков данных.
TX
TX_min
TX_max
Определение требуемой мощности передатчика осуществляется следующим образом. Передача кадров DRTS и DCTS абонентскими станциями осуществляется с мощностью P, которая принимает значение от P до P передатчика абонентской станции. Когда абонентская станция-отправитель А получает кадр разрешения на передачу DCTS от соседней абонентской станции В, она вычисляет требуемую мощность передатчика, необходимую для ведения радиосвязи с абонентской станцией В. Аналогично определение мощности для передачи происходит и в абонентской станции В.
Алгоритм установления и ведения радиосвязи подвижных объектов в СМВ диапазоне представлен на фиг.2.
Согласно предложенному алгоритму, абонентская станция может находиться в одном из трех состояний: дежурный прием, установление радиосвязи, ведение радиосвязи.
В режиме дежурного приема абонентская станция осуществляет прием с единичным усилением по всем азимутальным направлениям. Из режима дежурного приема абонентская станция может перейти в режим установления связи - на прием или на передачу. В режим установления связи на передачу абонентская станция переходит при поступлении пакетов, которые необходимо передать. В режим установления связи на прием абонентская станция переходит при получении кадра запроса на передачу - DRTS, в режим ведения радиосвязи на передачу абонентская станция переходит при получении кадра разрешения на передачу DCTS.
В результате успешного установления радиосвязи при получении разрешения DCTS после отправки запроса на передачу DRTS, абонентская станция корректирует таблицу маршрутизации в части формирования списка абонентов. Таблица маршрутизации содержит идентификатор абонента, координаты, время определения координат, курс, скорость, высоту абонента, мощность передатчика и др. Обновление таблицы маршрутизации и списка абонентов может происходить при изменении топологии радиосети в результате движения абонентов.
Определение географических координат и коэффициента усиления передающей антенны происходит на основе информации, заложенной в передаваемых кадрах DRTS и DCTS. Собственные географические координаты абонентская станция определяет с помощью системы навигации, например GPS, ГЛОНАСС или других.
Литература
1. Сайт ассоциации IEEE http://standards.ieee.org/about/get/802/802.11.html.
2. A Technical Tutorial on the IEEE 802.11 Standard Draft 4.0 (прототип).
3. Компьютерные сети. 4-е изд./ Э. Таненбаум. - СПб.: Питер, 2003.