МОДЕЛЬ ЦИФРОВОЙ СЕТИ РАДИОСВЯЗИ В РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СРЕДЕ

УДК 621.396.4; 519.876.5

Модель цифровой сети радиосвязи в распределенной вычислительной среде

Шаптала ВС.

Аннотация. В статье ставится задача обосновать парадигму предсказуемой разработки программного обеспечения для широкого круга телекоммуникационных задач. Целью работы является создание модели телекоммуникационной системы, которая состоит из независимых программных компонент. В качестве примера используется цифровая радиосвязь в коротковолновом диапазоне. При моделировании используются методы кроссплатформенного программирования и специальные алгоритмы для создания надежного телекоммуникационного оборудования. Это оборудование предназначено для каналов связи с низким отношением сигнал/шум и замираниями, вызванными тем, что передаваемый сигнал может несколько раз отражаться от ионосферы, что приводит к нескольким путям распространения. Новизна обсуждаемого решения состоит в оптимальном выделение функциональности предложенных программных компонент и разработанном графическом представлении функционирования системы связи с последовательным расширением спектра сигнала. К результатам работы следует отнести создание модели сети радиосвязи, которая функционирует в распределенной вычислительной среде, для которой приведены результаты тестирования на целевых операционных системах: Windows (Windows 10) и Linux (Astra Linux 8.2 и Alt Linux 1.6). Практическая значимость работы заключается в предложенной многокомпонентной структуре программного обеспечения, которая за счет разделения зон ответственности (цифровая обработка сигналов, протокольная составляющая, слой графического интерфейса и уровень приложения) упрощает создание коллектива разработчиков и управление проектом на всем протяжение его жизненного цикла. За счет использования кроссплатформенного фреймворка Qt перечень операционных систем может быть расширен до QNX (КПДА) и Android (включая перенос на аппаратную платформу ARM). Полученные оценки программных компонент по быстродействию и по размеру используемой памяти позволяют планировать загрузку распределенной вычислительной среды.

Ключевые слова: распределенные вычисления, цифровая обработка сигналов, архитектура программного обеспечения.

Введение

Статья описывает результат моделирования системы цифровой радиосвязи в коротковолновом диапазоне по алгоритму, предложенному в [1]. Моделирование ведется с использованием серверов начального уровня на платформе Intel. Основные цели моделирования повторяют цели из [1]: отладить алгоритмы функционирования цифровой сети радиосвязи, сформировать кроссплатформенные компоненты программного обеспечения, получить оценку вычислительной сложности предлагаемых алгоритмов и продемонстрировать работу цифровой сети радиосвязи.

Моделирование происходит на виртуальных операционных системах, запущенных с помощью кроссплатформенной системы управления виртуализацией oVirt версии 4.3.2.1. Состав серверного оборудования: Intel E5-2650; 20 MB; 2,0 GHz (2,8 GHz) / 12*8 GB / DDR3 1066 MHz. Все гостевые операционные системы поддерживают 64-битную архитектуру, для каждой выделено 2 GB RAM и в каждой процессор определяется как E312xx; 2,0 GHz.

Приложения и компоненты используют кроссплатформенный фреймворк Qt 5.12.1, 64-разрядный компилятор (MinGW 7.3 для Windows и GCC5 для Linux) и собираются в интегрированной среде разработки QtCreator 4.8.1. Все результаты получены для сборки приложений и компонент в режиме «Release».

Структура программного обеспечения

Программное обеспечение строится из различных компонент (components), как представлено в табл. 1, а их комбинации образуют приложения (applications). Компоненты в свою очередь состоят из трех слоев: примитивы интерфейса пользователя (widgets), системные библиотеки (systems) и цифровая обработка сигналов (signals).

Таблица 1 - Матрица программного обеспечения

Applications Components

Widgets Systems Signals

Qt, ANSI C+ + ANSI C

fhss-dce qt-dce-panel fhss-protocols fhss-modem

fhss-multichannel qt-dce-plot qt-3dSurface Widget eml

fhss-standalone qt-channel-panel qt-customplot fhss-channel

qt-channel-plot

Приложение fhss-standalone это независимое приложение, которое демонстрирует работу цифровой сети радиосвязи только для четырех абонентов. Распределенное приложение fhss-dce (клиент) и fhss-multichannel (сервер) обеспечивает демонстрацию работы цифровой сети радиосвязи в распределенной вычислительной среде. В этом случае количество абонентов не ограничено, но не должно превышать логическую емкость моделируемой сети.

Необходимо обратить внимание, что в рамках этой статьи под абонентом понимается комбинация аппаратуры передачи данных (DCE, data communication equipment) и оконечного оборудования данных (DTE, data terminal equipment). Далее рассмотрим приложения более подробно.

Приложение fhss-dce это абонент, который состоит из следующих компонент: eml -библиотека математических функций, fhss-modem - аппаратура передачи данных, fhss-protocols - библиотека системных протоколов, qt-3dSurfaceWidget - библиотека трехмерной графики, qt-customplot - компонент, отвечающий за двумерную графику, qt-dce-plot -графическая подсистема и qt-dce-panel - графический интерфейс пользователя.

Приложение fhss-multichannel это многоканальная модель канала, которая состоит из следующих компонент: eml, fhss-channel - модель канала по рекомендации ITU-R F.1487 [2], fhss-protocols, qt-3dSurfaceWidget, qt-customplot, qt-channel-plot - графическая подсистема и qt-channel-panel - графический интерфейс пользователя.

Приложение fhss-standalone это автономное приложение, которое состоит из всех компонент, перечисленных в табл. 1. Это приложение, в основном, предназначено для отладки слоя цифровой обработки сигналов, тогда как распределённое приложение используется для отладки сетевых алгоритмов и моделирования сопряжения с терминальным оборудованием и радиосредствами. Автономное приложение приведено только как пример многократного использования компонент и в дальнейшем рассматриваться не будет.

Абонент

Как и говорилось выше абонент состоит из аппаратуры передачи данных (АПД) и простого терминала, который позволяет вычислять вероятность ошибки на бит и отображает служебную информацию как представлено на рис. 1. Дополнительно у абонента доступно графическое представление внутренних переменных, а именно: уровень шума, оптимальное положение тактового интервала, количество исправленных кодом Рида-Соломона ошибок, детектируемый частотный сдвиг, звездная диаграмма и последовательность рабочих частот.

В свою очередь АПД состоит из пакетного модема и дополнительных расширений. Модем построен на OFDM технологии и использует полосу 4500 Гц. Для связи с радиопередающим оборудованием используется вещественный сигнал с частотой

дискретизации 12800 Гц и разрядностью 16 бит. Длительность слота (минимальный отрезок сигнала для тактовой синхронизации) равна 50 мс. Поддерживаемые режимы работы представлены в табл. 2. Тактовая синхронизация осуществляется по информационному сигналу, так называемая, слепая синхронизация.

Таблица 2 - Линейка скоростей пакетного модема

Вид модуляции ОФМ-2 ОФМ-4 ОФМ-8

Канальная скорость, бит/с 2640 5280 7920

Длина информационной части слота, байт 10 18 34

Символ кода Рида-Соломона, бит 5 6 6

Код Рида-Соломона (п, к) 26, 16 44, 24 33, 23

Относительная скорость кода 0,62 0,55 0,70

Информационная скорость, бит/с 1600 2880 5440

после использования канального протокола, бит/с 1440 2720 5280

после использования метода повышения достоверности для длины сообщения 15 байт и 15 повторов, бит/с 53 80 160

Для функционирования цифровой сети радиосвязи возможностей одного модема недостаточно, поэтому АПД обладает большим функционалом, чем пакетный модем. К ключевым особенностям АПД можно отнести следующие расширения:

последовательное расширение спектра сигнала frequency-hopping spread spectrum (FHSS) или псевдослучайное переключение рабочей частоты;

адаптация по рабочим частотам (исключение частот с плохим прохождением); адаптация по скорости передачи (выбор оптимальной размерности модуляции); синхронизация времени без использования систем GPS или ГЛОНАС; установление соединения точка-точка на выделенной частотно-временной матрице; поддержка технологии TDD (Time Division Duplex) для дуплексного соединения; широковещательная передача;

метод повышения достоверности без решающей обратной связи.

Рис. 1. Приложение fhss-dce

Многоканальная модель канала

За счет параллельно работающих рабочих частот в модели поддерживается технология FHSS. Для ускорения моделирования это значение может изменяться, но оно не должно быть меньше, чем количество рабочих частот в модеме и не может превышать 128.

Модель спроектирована таким образом, что полученные сигналы могут образовывать коллизии в режиме FHSS. Формат представления сигнала совпадает с абонентом: вещественный сигнал с частотой дискретизации 12 800 Гц и разрядностью 16 бит. В каждом канале доступны следующие искажения: аддитивный белый Гауссовский шум, замирания сигнала в соответствии с рекомендацией ITU-R F.1487 [2] и сдвиг сигнала по частоте в диапазоне ±3 Гц. Все каналы моделируются независимо.

Рис. 2. Приложение fhss-multichannel

Графический интерфейс многоканальной модели канала представлен на рис. 2. Для каждого канала доступен признак активности («галочка» в матрице каналов) и спектральное представление в виде двумерного динамического спектра, «водопада» и трехмерного динамического спектра. Спектральное представление доступно для выделенной рабочей частоты и для группы рабочих частот.

Принцип работы распределенного приложения

Первое на что необходимо обратить внимание, что моделирование может происходить или с опережением реального времени (если быстродействие распределенной вычислительной системы велико), или медленнее. Применительно к этой модели нельзя говорить о работе в режиме реального времени, поскольку распределенное приложение не использует глобальные системные часы, а использует только относительный таймер. Коэффициент ускорения доступен в сервере (для пояснения принципа работы лучше использовать терминологию клиент/сервер, а не абонент/модель канала).

Для взаимодействия клиента и сервера используются два протокола real time streaming protocol (RTSP) [3, 4] и transport protocol for real-time applications (RTP) [5]. Эти протоколы традиционно используются для обеспечения передачи трафика, чувствительного к временным задержкам в сети. Дополнительно с ними часто используется real-time control protocol (RTCP) [5] для синхронизации времени нескольких потоков, но на текущем этапе развития распределенное приложение его не использует. Протокол RTSP частично модифицирован за счет добавления новых команд, а вещественный сигнал инкапсулирован в RTP с использование проприетарного протокола. Эти модификации протоколов связаны с эволюционным развитием модели, когда будет понятен целевой стек протоколов, то распределенное приложение будет его поддерживать.

Основной принцип работы приложения можно пояснить на основе простой последовательности действий:

сервер запускается и начинает моделировать искажения по заданному количеству рабочих частот;

клиент подключается по протоколу RTSP и получает свой абонентский номер; сервер, зная количество подключенных клиентов, запрашивает у всех данные на передачу по протоколу RTSP и получает вещественный сигнал по протоколу RTP;

в сервере происходит искажение сигналов для всех рабочих частот, а не только для тех на которых в данный момент работают абоненты;

после этого сервер возвращает искаженный сигнал каждому абоненту по протоколу RTP и цикл повторяется снова.

Описанная модель может тестировать все расширения АПД. В качестве примера на рис. 3 и 4 приведено графическое представление использования выделенного набора рабочих частот для двух, связанных между собой абонентов, которые работают на определенной частотно-временной матрице. Каждый из абонентов использует 4 рабочих частоты.

На каждом спектральном представлении видно, как пакетный модем работает с поддержкой технологии FHSS, последовательно переключаясь в диапазоне четырех рабочих частот по псевдослучайному закону. На двумерном представлении амплитуда определяется цветом, а на трехмерном - уровнем сигнала по оси аппликат. Идеальное спектральное представление слота пакетного модема возможно только в условиях синхронизации окна спектрального анализа и границ слотов, для чего в сервере предусмотрена ручная регулировка.

Рис. 3. Спектральный «водопад». Ось абсцисс - частота, а ось ординат - время

Рис. 4. Трехмерный динамический спектр

Выводы

В ходе работы создана распределенная модель сети цифровой радиосвязи, где количество абонентов ограничено только набором используемых рабочих частот. Моделирование использует базовый набор программных компонент, который является фундаментом для разработки стека протоколов телекоммуникационного оборудования: от физического до прикладного уровней. Благодаря кроссплатформенному фреймворку Qt поддерживается все целевые операционные системы. В табл. 3 и табл. 4 представлены коммерческие характеристики разработанных приложений и компонент.

Таблица 3 - Загрузка процессора, мс

Guest OS, x64 Windows 10 Alt Linux 8.2 Astra Linux 1.6

qt-dce-panel fhss-modem 1,9

qt-channel-panel fhss-channel

qt-dce-plot 6

qt-channel-plot 2D 10

qt-channel-plot 3D 61

Таблица 4 - Использование памяти в операционной системе Windows 10 x64

Applications fhss-dce fhss-standalone fhss-multichannel

Application size, MB 1,0 1,1 1,0

RAM usage, MB 16 50 60

Для коммерческого использования представленных компонент и приложений необходимо продолжение начатой работы:

переход от вещественного к комплексному представлению сигналов (I/Q компоненты) для совместимости с радиосредствами;

разделение абонента на аппаратуру передачи данных и терминал с последующей разработкой имитатора терминального оборудования fhss-dte, что позволит создать менеджер модемов на основе приложения fhss-dce;

переход к модели, которая работает в реальном времени, что потребует поддержки стека протоколов семейства NTP (network time protocol);

введение в состав распределенной модели приложения, демонстрирующего работу станции радиоэлектронного подавления;

разработка и построение системы тестирования, поскольку требуется поддержка большого количества вариаций для проверки всех слоев системы: applications, widgets, systems и signals, а сейчас имеется только поверхностное тестирование в целевых операционных системах;

сертификация поставляемых компонент по стандартам промышленного программирования, например, MISRA [6].

Литература

1. Шаптала В.С. Построение системы цифровой коротковолновой радиосвязи // Техника средств связи. 2019. № 2. С. 154-156.

2. Recommendation ITU-R F.1487 Testing of HF modems with bandwidths of up to about 12 kHz using ionospheric channel simulators, 05/2000.

3. RFC 2326 Real Time Streaming Protocol (RTSP) URL: https://www.ietf.org/rfc/rfc2326.txt (дата обращения 29.04.2019).

4. RFC 7826 Real-Time Streaming Protocol Version 2.0 URL: https://tools.ietf.org/html/rfc7826 (дата обращения 29.04.2019).

5. RFC 3550 RTP: A Transport Protocol for Real-Time Applications URL: https://tools.ietf.org/html/rfc3550 (дата обращения 29.04.2019).

6. The official resource for information on MISRA's publications and activities URL: https://www.misra.org.uk (дата обращения 16.07.2019).

References

1. Shaptala V.S. Postroenie sistemy cifrovoj korotkovolnovoj radiosvyazi // Tekhnika sredstv svyazi [Building a digital short-wave radio system]. Means of Telecommunication Equipment. 2019. No. 2. Pp. 154-156. (In Russian).

2. Recommendation ITU-R F.1487 Testing of HF modems with bandwidths of up to about 12 kHz using ionospheric channel simulators, 05/2000.

3. RFC 2326 Real Time Streaming Protocol (RTSP) URL: https://www.ietf.org/rfc/rfc2326.txt (accessed 29 Apr. 2019).

4. RFC 7826 Real-Time Streaming Protocol Version 2.0 URL: https://tools.ietf.org/html/rfc7826 (accessed 29 Apr. 2019).

5. RFC 3550 RTP: A Transport Protocol for Real-Time Applications URL: https://tools.ietf.org/html/rfc3550 (accessed 29 Apr. 2019).

6. The official resource for information on MISRA's publications and activities URL: https://www.misra.org.uk (accessed 29 Apr. 2019).

Статья поступила 15 июля 2019 г.

Информация об авторах

Шаптала Василий Сергеевич - Начальник лаборатории ПАО «Интелтех». Кандидат технических наук. Тел. 8(812)448-19-01 (доб.12-15). E-mail: shaptalavs@inteltech.ru.

Адрес: 197342, г. Санкт-Петербург, Кантемировская ул., д.8.

Model of digital radio network in distributed computing system

V.S. Shaptala

Abstract. The article describes the paradigm of predictable software development for a wide range of telecommunication tasks. The aim of the work is to create a model of telecommunication system, which consists of independent software components. We use digital short-wave radio communication only as an example. The simulation uses cross-platform programming methods and special algorithms to create robust telecommunications equipment. This equipment is designed for communication channels with low signal-to-noise ratio and fading caused by because the transmitted signal can bounce off several times from the ionosphere, which results in several propagation paths. The innovation of the solution is in the optimal selection of functionality of the proposed software components and graphical view of the communication system with a frequency-hopping spread spectrum. The main result of the work is a model of a radio network, which runs in a distributed computing system. The results of testing on target operating systems: Windows (Windows 10) and Linux (Astra Linux 8.2 and Alt Linux 1.6) are included. The practical benefit of the work is the proposed multi-component structure of the software, which separates the areas of responsibility (digital signal processing, protocol component, graphical interface layer and application level) and simplifies the creation of a developer team and, consequently, the project management throughout its whole life cycle. By using a free and open-source widget toolkit Qt it is possible to add additional operations system: QNX and Android (including migration to the ARM platform). A CPU load and memory usage estimations allow to effective usage of distributed computing system.

Keywords: distributed computing, digital signal processing, software architecture.

Information about Authors

Shaptala Vasilij Sergeevich - Head of laboratory PJSC "Inteltech". Ph.D. Tel. 8(812)448-19-01 (доб.12-15). E-mail: shaptalavs @inteltech.ru.

Address: Russia, 197342, Saint-Petersburg, Kantemirovskaya street, 8.

Для цитирования: Шаптала В. С. Модель цифровой сети радиосвязи в распределенной вычислительной среде // Техника средств связи. 2019. № 3 (147). С. 70-76.

For citation: Shaptala V.S. Model of digital radio network in distributed computing system // Means of communication equipment. 2019. No 3 (147). P. 70-76. (In Russian).