Аэромобильный комплекс сотовой связи, диспетчирования и мониторинга

t

АЭРОМОБИЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС СОТОВОЙ СВЯЗИ, ДИСПЕТЧИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА

Рассматривается возможность проведения мониторинга, диспетчиро-вания и организации сотовой связи мобильных потребителей в малонаселенных и труднодоступных районах, а также в районах стихийных бедствий на основе использования привязных аэростатных средств в качестве высотных платформ - ретрансляторов. Осуществляются синтез и анализ структурно-функциональной схемы аэромобильного комплекса сотовой связи, диспетчирования и мониторинга. Оцениваются технические характеристики составных частей комплекса: аппаратного оборудования мобильных потребителей, наземного и аэростатного радиоинформационных комплексов, аэростатных средств, средств доставки, развертывания и обслуживания комплекса.

Ключевые слова: сотовая связь, аэростатные средства, ретранслятор,

антенна.

V. E. Chebotarev, O. B. Gritsan, E. S. Veretnova

JSC «Academician M. F. Reshetnev» Information Satellite Systems», Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, Russia

AEROMOBILE COMPLEX FOR CELLULAR COMMUNICATION, DISPATCHING CONTROL,

AND MONITORING

It is described the possibility of monitoring, dispatching control, and cellular communication for mobile users to be implemented in under-populated and hard-to-reach areas, as well as in disaster areas, based on application of captive balloons as an high-altitude platform-transponder. It is done synthesis and analysis of structural and functional scheme of aeromobile complex for cellular communication, dispatching control and monitoring. Performances are assessed for the following components of the complex: mobile user hardware, ground and balloon-born radio and information equipment, balloon-born means, as well as means for the complex delivery, deployment and maintain.

Keywords: cellular communication, balloon-born means, transponder, antenna.

Мобильные спутниковые системы связи используются во всем мире для организации дуплексной связи в региональной зоне или в глобальном масштабе. Однако относи-

© Чеботарев В. Е., Грицан О. Б., Веретнова Е. С., 2014

тельно высокая стоимость спутниковых услуг мобильной связи ограничила область их использования в основном ведомственным классом потребителей. Поэтому для массовых (персональных) потребителей в настоящее время получили широкое распростра-

ЩШ ИССЛЕ)

Иду

Ж г

ГРАДА

20

нение различные виды системы наземной мобильной связи, в первую очередь сотовые системы связи [1-3]. Зона наземных систем связи в основном ограничивается теми областями обслуживания, которые имеют ретрансляторы наземного базирования, размещаемые на высотных сооружениях. Очевидный путь расширения области покрытия беспроводной сети сотовой радиосвязи - подъём ретранслятора наземного базирования с помощью аэростатных средств и интеграция на них мобильных спутниковых систем связи и наземных сотовых систем связи (аэрокосмический мобильный информационный комплекс).

1. Аэрокосмический мобильный информационный комплекс

Аэрокосмический мобильный информационный комплекс (шифр «Аэрокосм») осуществляет дистанционное информационное обеспечение локальной зоны, размещаемой в любом регионе поверхности Земли, в первую очередь в малонаселенных и труднодоступных районах, а также в районах стихийных бедствий, как на постоянной, так и на временной основах [1-3].

Базовая конфигурация комплекса «Аэрокосм» содержит несколько пользовательских терминалов (ПТ) сотовой связи с различными стандартами, радиоинформационный комплекс (РИК), размещаемый на

аэростате, элементы эксплуатируемых спутниковых систем связи и навигации: орбитальная группировка спутников связи и навигации, наземный узел межсетевого сопряжения (УМС), базовый наземный центр (БНЦ), связанные с коммутируемой телефонной сетью общего пользования.

Региональный наземный центр (РНЦ) размещается вблизи наземной точки закрепления привязного аэростата и связывается проводной связью с радиоинформационным комплексом аэростата. В задачу РНЦ входит организация информационного обмена с РИК: передача информации для радиотрансляции и телетрансляции, решение задач управления и диспетчирования.

РИК осуществляет информационное обеспечение локальной зоны посредством:

1) радиосвязи между потребителями мобильной сотовой связи;

2) спутниковой радиосвязи между разнесенными в пространстве БНЦ и РНЦ;

3) определения собственного местоположения, ориентации в пространстве и поправок времени по радиосигналам космических навигационных систем;

4) видеонаблюдения поверхности Земли в зоне обслуживания, передачи видеоинформации на РНЦ и БНЦ;

5) радиотрансляции, диспетчирования и телетрансляции в локальной зоне с помощью РНЦ.

Орбитальная группировка спутников связи Орбитальная группировка спутников навигации

Рис. 1. Структурно-

»-функциональная схема комплекса «Аэрокосм»

2. Аэромобильный комплекс

сотовой связи, диспетчирования и мониторинга

Аэромобильный комплекс сотовой связи, диспетчирования и мониторинга «Аэросот-СДМ» является составной частью аэрокосмического мобильного информационного комплекса «Аэрокосм», однако может использоваться самостоятельно за счёт изменения аппаратурного состава наземного и аэростатного РИК (исключение контура космической связи).

Для обеспечения самостоятельного использования комплекса «Аэросот-СДМ» возможны различные варианты комплектации аэростатного РИК и РНЦ в зависимости от объёма решаемых задач.

Одним из примеров успешной реализации такого комплекса является отечественная система БАРС (беспроводная аэростатная радиосеть), которая функционирует с 1999 г., обеспечивая зону покрытия диаметром 50-70 км (рис. 2) [3].

- лебёдку для подъёма и опускания аэростата;

- причальное устройство для удержания аэростата на земле.

При мобильном варианте реализации причальное устройство и лебёдка располагаются в кузове специально оборудованного автомобиля.

Под действием ветровых нагрузок аэростат перемещается внутри конуса с вершиной в точке крепления привязного троса. Это приводит к необходимости создания системы стабилизации положения антенных устройств в пространстве (вертикальная и азимутальная стабилизация).

Вертикальная стабилизация положения антенн достигается путём расположения каркаса крепления антенн на титановом сферическом подшипнике с демпфирующим устройством для гашения колебаний.

Для азимутальной стабилизации используется программно-технический комплекс на основе микропроцессора, электронного ком-

21

Рис. 2. Архитектура беспроводной сети на основе привязного аэростата

Беспроводная коммуникационная сеть с использованием привязных аэростатов включает следующие основные компоненты:

- гелиевый аэростатный носитель объёмом не ниже 400 м3 и грузоподъёмностью не ниже 50 кг полезной нагрузки;

- РИК на аэростате с широкополосным радиооборудованием стандартов 1ЕЕЕ 802.11х и системой стабилизации положения антенн;

- привязной трос, обеспечивающий удержание аэростата, энергоснабжение и в некоторых случаях передачу данных по оптическому кабелю, расположенному внутри кевларового троса;

паса и серверного двигателя.

Для обеспечения нормального функционирования аэростатное оборудование закрывается радиопрозрачным или, если необходимо, оптически прозрачным обтекателем.

В качестве носителя платформы был взят аэростат Аи-17. Телекоммуникационное оборудование комплекса представлено радиомодемами Cisco WGB340/WGB350 и Cisco BR340/BR350, а также всенаправленной антенной, антенными усилителями и маршрутизаторами.

Абонентские станции работали на базе радиомодема ARLAN. Передача сигнала через

11 ИСС/IEJ

Hav

ж г

ГРАДА

22

БАРС осуществляется в диапазоне 2,4 ГГц в рамках стандарта IEEE 802.11b.

Максимальная грузоподъёмность аэростатной установки - 120 кг, что позволяет ре-ализовывать телекоммуникационные проекты (к примеру, базовая станция стандарта CDMA весит 54 кг).

Для решения задач, подобных проекту БАРС, также подходит аэростат AU-27 Рысь, изготавливаемый «НПО «РосАэроСистемы».

В состав аэростатного комплекса входят следующие основные элементы: аэростат, кабель, трос, наземное удерживающее устройство, блок управления. Аэростат наполняется инертным газом гелием.

Аэростат может поднимать на высоту до 750 м различное научное оборудование массой до 80 кг. Аэростат удерживается в воздухе с помощью специального канат-кабеля, состоящего из прочного волокна типа кевлар, и трёх медных жил, которые позволяют передавать на борт аэростата электроэнергию мощностью до 3 кВт.

Кабель-трос состоит из следующих основных элементов (рис. 3):

- направляющего стержня (6), вокруг которого навиваются волокна системы защиты от молнии - СВМ (4);

- синтетической оболочки (2), закрывающей СВМ волокна;

- трёх медных многожильных изолированных проводников (3) общим сечением 0,5 мм2;

- одного оптико-волоконного кабеля (5) толщиной 0,3 мм, в котором находятся два светлых кварцевых оптических волокна в изоляции по 250 мкм каждый;

- внешней климатической защиты (1).

Полезный груз обычно крепится непосредственно к оболочке аэростата. Основные характеристики аэростата: максимальный объём газа - 450 м3, максимальный объём баллонета - 112,5 м3, длина - 19 м, высота -8,8 м, диаметр - 7,0 м, масса - 155 кг. Базовая стоимость аэростата Аи-27 Рысь составляет 350 000 долларов США. Срок изготовления 4-5 месяцев.

3. Аэромобильный комплекс сотовой связи и мониторинга

За счёт минимизации номенклатуры и объёма решаемых задач можно уменьшить массу и энергопотребление РИК.

В этом случае вместо аэростата можно использовать метеорологический шар различной грузоподъёмности и подбором состава оборудования оптимизировать затраты на решение наиболее востребованных задач оперативного развёртывания локальной зоны сотовой связи и мониторинга (рис. 4).

Зона обслуживания комплекса «Аэро-сот-СМ» рассчитывается по известным формулам [4] согласно рис. 5. Результаты расчёта приведены в табл. 1.

Подъёмная сила аэростатных средств определяется из закона Архимеда и в зависимости от типа газа-наполнителя составляет для одного кубометра газа: 1,2 кг - газ водород; 1,1 кг - газ гелий; 0,3 кг - нагретый воздух (до 100 °С). В аэростатах применяется гелий исходя из условия обеспечения пожаробезо-

Рис. 3. Структура кабель-троса

Рис. 4. Аэромобильный комплекс сотовой связи и мониторинга «Аэросот-СМ»

Таблица 1

Н, км r, км a a

g b D, км g b D, км

0,1 6371.1 84,99 1,1 1,15 88,95 5,55 5,56

1 6372 84,9 11 11,2 88,58 46,6 46,7

5 6376 84,5 55 55,9 87,55 160,9 161,3

10 6381 84,06 104 105,1 86,64 262 263

D

КА

а„

Rh

в

Рис. 5. Геометрическая зона обслуживания

пасности. В метеорологических шарах допускается применять водород. При заправке метеорологического шара из гелиевого баллона ёмкостью 40 л (под давлением 150 атм) объём шара составит 6 м3 (диаметр около 2,3 м), а подъёмная сила - 6,6 кг (метеорологический шар среднего класса). В этом случае масса полезной нагрузки будет ограничена 5 кг.

Используя привязной метеорологический шар в качестве высотной платформы для размещения приборов РИК, можно оперативно развернуть в заданном регионе локальную зону сотовой связи и мониторинга.

Если развёртывание комплекса «Аэро-сот-СМ» осуществляется в зоне доступности наземных ретрансляторов сотовой связи, их можно использовать в качестве регионального наземного центра. В автономном варианте оборудование регионального наземного центра является принадлежностью комплекса «Аэросот-СМ».

В общем случае комплекс «Аэросот-СМ» включает следующие основные компоненты: метеорологический шар грузоподъёмностью 5-10 кг полезной нагрузки; оборудование РИК, размещаемое на метеорологическом шаре; привязной трос, обеспечивающий удержание метеорологического шара, механизм для его подъёма и опускания, наземное оборудование электропитания, генерации газа и заправки им шара; оборудование РНЦ (аналогично оборудованию наземных ретрансляторов сотовой связи).

В состав оборудования РИК входят ретранслятор с антенной, видеокамера, блок управления, автономный блок питания. Если в качестве ретранслятора применить оборудование базовой станции сотовой связи, использующей стандарт GSM 900, то возможно организовать полноценную сотовую ячейку с пропускной способностью около 1000 одновременно-возможных вызовов. Однако это связано со значительными энергомассовыми затратами (до 54 кг), которые потребуют применения аэростата вместо метеорологического шара, что увеличивает цену всего проекта и уменьшает мобильность.

Для отработки принципов организации сотовой связи через аэростатную платформу предлагается упрощенный вариант комплекса «Аэросот-СМ» (пилот-проект «Аэросот-С»), в котором РИК состоит из блока управления (БУ), двух ретрансляторов с антеннами (РТР-БС и РТР-ПТ) и источника автономного питания (рис. 6).

Ретранслятор РТР-БС осуществляет связь с базовой станцией сотовой связи (БС), а ретранслятор РТР-ПТ - с абонентским терминалом потребителей. Блок управления (БУ) определяет литеры работающей БС и назначает рабочие частоты для абонентского терминала с необходимым разнесением для исключения взаимного влияния.

Для обеспечения работы комплекса «Аэросот-С» со всеми сетями сотовой связи ретрансляторы должны работать в диапазоне частот стандарта сотовой связи GSM 900.

Стандарт GSM 900 - это глобальный стандарт цифровой мобильной сотовой связи с разделением каналов по времени и частоте.

Для радиодоступа в GSM 900 выделены две полосы частот:

f - 890-915 МГц - для канала связи от ПТ к БС;

f2 - 935-960 МГц - для исходящего канала от БС к ПТ.

Полосы по 25 МГц разделены на 124 пары каналов, которые работают в дуплексном ре-

23

11 ИССЛЕ^

Hav

ж г

ГРАДА

24

Аэросот

Источник автономного питания

РТР-БС

*---

- >

I

Блок управления

4---*

РТР-АТ

Антенна

Абонентский терминал

Рис. 6. Аэромобильный комплекс сотовой связи «Аэросот-С»

жиме с интервалом несущей частоты 200 кГц, используя многостанционный доступ с частотным разделением каналов (FDMA). Каждый радиоканал с шириной полосы 200 кГц разделён на временные слоты, которые создают 8 логических каналов. При этом используется многостанционный доступ с временным разделением (TDMA). Много станционный доступ заключается в том, что группа пользователей имеет возможность использовать одну несущую частоту в разные моменты времени.

Канал, переносящий информацию (канал трафика или логический канал), определяется номером несущей частоты и номером одного из 8 временных положений (слотов). Информация переносится в виде коротких пакетов, объединенных в кадры [5].

Максимальный радиус зоны обслуживания одной ячейки сотовой сети стандарта GSM 900 - 35 км, поэтому высота подъема аэростатной платформы должна быть не более 1 км (табл. 1). Это ограничение накладывается радиоинтерфейсом Um, который используется для передачи данных между ПТ и БС. При попытке передачи сигнала от ПТ, расположенного дальше 35 км, происходит нарушение синхронизации, т.е. передаваемый информационный пакет «не попадает» в выделенный ему временной слот.

Выбор стандарта GSM 900 объясняется тем, что он распространён на всех территориях, покрытых сетью сотовой связи, что позволяет сделать комплекс максимально мобильным и поддерживаемым всеми мобильными ПТ. В связи с этим ретрансляторы РТР-БС и РТР-АТ могут быть созданы на базе уже разработанных и находящихся в свободной продаже ПТ - GSM-модулей. Ретранслятор РТР-БС должен быть создан на основе стандартного GSM-модуля с предустановленной SIM-картой выбранного заранее оператора сотовой связи. Тип используемых антенн - штыревой, с диаграммой направленности типа полусфера.

В варианте использования мобильного комплекса «Аэросот-С» для расширения зоны работы БС он размещается в прямой видимости от БС определённого сотового оператора и работает по следующему алгоритму.

БУ включает РТР-БС, который производит сканирование каналов сигнализации доступных БС и выбирает «наилучшую» по критерию максимальной мощности сигнала в соответствии с системными протоколами интерфейса Um. После выбора конкретной БС РТР-БС направляет на неё запрос о регистрации в сети и переводится в готовность отправки и приема голосовых сообщений.

В рабочем режиме БУ выполняет роль БС, т.е. РТР-АТ по каналу сигнализации по-

сылает служебные сообщения, по которым наземный абонентский терминал (АТ) регистрируется в сети РТР-АТ. В качестве РТР-АТ предлагается использовать радиомодуль сотового телефона.

Установление вызова между наземным абонентским терминалом производится следующим образом: АТ набирает номер другого абонента и посылает вызов через РТР-АТ к БУ В свою очередь БУ отдаёт команду РТР-БС о наборе указанного номера. После установления соединения БУ выполняет роль маршрутизатора голосовой информации.

В данной комплектации общая масса аэростатного радиоинформационного комплекса «Аэросот» не превысит 2 кг, что позволит использовать метеорологический шар среднего класса.

В настоящее время возможно приобрести дешевые метеорологические шары среднего класса, способные доставить радиоинформационный комплекс сотовой связи малой массы на заданную высоту, а научно-технический и производственный потенциал

отечественных предприятий и вузов способен

реализовать проект аэромобильного комплекса сотовой связи «Аэросот».

Библиографические ссылки

1. Чеботарёв В. Е. [и др.]. Заявка № 2010104556/08 (006402) от 09.02.2010 г. РФ. Интегрированная система мобильной связи. Патент на изобретение № 2468516.

2. Вишневский В. М., Ляхов А. И., Портной С. Л., Шахнович И. В. Широкополосные беспроводные сети передачи. М. : Техносфера, 2005. 592 с.

3. Чеботарев В. Е. и [др.] Аэрокосмический мобильный информационный комплекс «Аэрокосм» / Интеллект и наука : труды Х международной конференции. Железногорск, 2010. С. 34-38.

4. Чеботарев В. Е., Косенко В. Е. Основы проектирования космических аппаратов информационного обеспечения : учеб. пособие / Сиб. гос. аэрокосм. ун-т. Красноярск, 2011. 488 с., [24] с ил.

5. Берлин А. Н. Цифровые сотовые системы связи. М. : Эко-Трендз, 2007. 285 с.

Статья поступила в редакцию 11.01.2014 г.

25