primenenie-apparatury-shirokopolosnogo-radiodostupa-v-lokalnyh-setyah-svyazi-i-peredachi-dannyh-sistem-upravleniya-vozdushnym-dvizheniem

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
2012
№ 176
УДК 621.396.74
ПРИМЕНЕНИЕ АППАРАТУРЫ ШИРОКОПОЛОСНОГО
РАДИОДОСТУПА В ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЯХ СВЯЗИ И ПЕРЕДАЧИ
ДАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ВОЗДУШНЫМ ДВИЖЕНИЕМ
А.В. ПРОХОРОВ, Д.С. БОНДАРЬ
Рассматриваются вопросы, связанные с применением средств широкополосного радиодоступа в локальных
сетях связи и передачи данных систем управления воздушным движением. Проводится анализ оборудования широкополосного радиодоступа российского производства. Дается оценка технических характеристик и возможностей этого оборудования.
Ключевые слова: широкополосный радиодоступ, аппаратура передачи данных, WiMAX.
1. Роль и место аппаратуры широкополосного радиодоступа в системах управления
воздушным движением
В настоящее время весь комплекс оборудования, расположенного на аэродроме и обеспечивающего его функционирование, можно рассматривать как автоматизированную систему
управления. Различные радиотехнические и светотехнические средства объединены с комплексами средств автоматизации систем управления проводными линиями связи и кабелями.
При оснащении аэродромов в настоящее время применяются как традиционные медные кабели, так и волоконно-оптические линии связи. Однако для аэропортов гражданской авиации
может рассматриваться построение перспективной системы беспроводной передачи данных на
базе аппаратуры широкополосного радиодоступа (ШРД) [1]. Такие системы позволят обеспечить беспроводной обмен информацией между аэродромными объектами с возможностью определения приоритета и ограничения прав доступа, реализовать цифровую телефонную (IP) и
громкоговорящую связь, а также передачу видеоизображений. На базе аппаратуры ШРД могут
быть реализованы резервные каналы связи аэродромов гражданской авиации, а также организовано централизованное дистанционное управление аэродромными объектами и удалённый контроль их технического состояния.
Системы ШРД позволят реализовать принцип «открытой архитектуры» АС УВД, без дополнительной прокладки кабеля включать в систему новое оборудование, расширяя её функциональность. Особенно это может быть востребовано при создании диспетчерских пунктов
(АДП) на аэродромах, используемых МЧС при проведении спасательных работ и ликвидации
последствий катастроф, при организации сетей связи в районах со сложным рельефом, где прокладка кабельных линий невозможна или экономически нецелесообразна.
Современный уровень развития техники позволяет строить высокоскоростные волоконнооптические и беспроводные линии передачи данных. Системы, использующие шумоподобные или
широкополосные сигналы, наиболее полно удовлетворяют требованиям по помехозащищенности.
В настоящее время на этих принципах строятся беспроводные линии обмена данными для доступа
в Интернет типа «WI-FI». Для стандартизации принципов построения таких систем разработан
стандарт IEEE 802.16-2004 [1,5], предусматривающий работу оборудования в диапазоне от 1,5 до
11 ГГц. Базовая станция (БС) стандарта IEEE 802.16 (коммерческое название «WiMАХ») способна
обслуживать абонентов на удалении до 50 км. Скорость передачи данных в разделяемом канале
может достигать 70 Мбит/с и выше (на один сектор БС), что вполне достаточно для предоставления
доступа на скорости 1,5 Мбит/с и более для нескольких десятков абонентов.
Выбор аппаратуры ШРД для использования в локальных сетях связи и передачи данных
систем управления воздушным движением является актуальной практической задачей.
А.В. Прохоров, Д.С. Бондарь
94
2. Анализ оборудования широкополосного радиодоступа российского производства
В настоящее время российский рынок оборудования широкополосного радиодоступа достаточно широко представлен отечественными производителями. В качестве стандартов используются в основном IEEE 802.11 (Wi-Fi) и IEEE 802.16 (WiMАХ). Некоторые производители используют свои стандарты, практически аналогичные указанным выше, но с некоторыми отступлениями.
Сертифицируя оборудование в Wi-Fi Alliance (IEEE 802.11 [1]) или в WiMAX Forum (IEEE
802.16), производители подтверждают, что оно соответствующим образом будет взаимодействовать с оборудованием других производителей. При этом наряду с сертифицированным оборудованием на российском рынке широко представлено не сертифицированное, которое имеет
хорошие потребительские качества в части организации ШРД, но работающее только совместно с аналогичным или определённым типом оборудования широкополосного радиодоступа.
Ниже представлены результаты анализа оборудования ШРД российского производства, а
также технические характеристики и возможности этого оборудования.
2.1. Система WiMIC-6000
Система WiMIC-6000 (варианты исполнения WiMIC-3500, WiMIC-5700) на основе технологии WiMAX обеспечивает построение беспроводных сетей типа "точка – много точек" с количеством абонентских станций до 200 и скоростью передачи данных до 37,67 Мбит/с на 1 сектор (до 226 Мбит/с в базовой станции из шести секторов).
Система состоит из базовой станции (БС) WiMIC-6000B и подключаемых по радиоканалу
абонентских станций (АС) WiMIC-6000S. Базовая станция (рис. 1 а) выполнена по разделенной
архитектуре с выносными антеннами и приемопередающими модулями (ППМ) и модулем доступа МДВ-6, устанавливаемым внутри помещения. Модульный принцип построения позволяет
наращивать ёмкость базовой станции до 6 секторов. Максимальная пользовательская емкость –
до 1200 абонентов на шестисекторную БС.
а
б
Рис. 1. Система WiMIC-6000:
а - базовая станция WiMIC-6000B; б - абонентская станция WiMIC-6000S
Зона покрытия определяется конкретными условиями распространения сигнала. При наличии прямой радиовидимости обеспечивается дальность связи до 30 км, при работе на отражениях (NLOS) – до 4…5 км. С увеличением расстояния происходит адаптивное понижение метода
модуляции с соответствующим уменьшением пропускной способности.
Для передачи данных в системе используется множественный доступ с временным разделением абонентских каналов (TDMA), исключающий появление коллизий и способствующий
сохранению высокой пропускной способности системы.
В системе используются современные виды модуляции и кодирования. В зависимости от
условий распространения радиосигнала и дальности абонента от БС тип модуляции адаптивно
изменяется от двоичной фазовой манипуляции BPSK до квадратурной амплитудной модуляции
QAM-64[1].
При формировании сигнала используется технология частотного ортогонального мультиплексирования (OFDM) с 256 поднесущими (OFDM-256). Радиосигнал с OFDM-256 обеспечива-
Применение аппаратуры широкополосного радиодоступа в локальных сетях связи . . .
95
ет надежную связь в случаях ограниченной радиовидимости или ее отсутствии (NLOS, работа
на отражениях), что упрощает и удешевляет установку, повышает устойчивость связи при многолучевом распространении сигналов.
Настраиваемые параметры системы включают возможность изменения ширины рабочей
полосы частот. Полосы могут быть выбраны из ряда: 1,75; 3,5; 7; 10 МГц. Изменение используемой полосы позволяет более эффективно выполнять частотно-территориальное планирование сети, в некоторых случаях отстроиться от помех.
Абонентская станция (рис. 1 б) выполнена в виде функционально законченного устройства, устанавливаемого на открытом воздухе. Оборудование подключается по интерфейсу Ethernet (рекомендация IEEE 802.3, 10/100 Base-T), поддерживается Triple Play (передача данных, голоса и видео).
Технические характеристики WiMIC отражены в табл. 1.
Таблица 1
Технические характеристики WiMIC
Характеристика
Диапазон частот
Технология мультиплексирования данных абонентов
(в направлении точка доступа – абонентская станция)
Тип доступа к среде передачи (в направлении абонентская станция – точка доступа)
Метод дуплексирования
Максимальная пропускная способность ствола
Обеспечение качества обслуживания QoS
Технология передачи
Способы модуляции
Помехоустойчивое кодирование
Полоса сигнала
Мощность на выходе передатчика, БС/АС
Установка частоты передатчика
Регулировка выходной мощности
Регулировка выходной мощности
Нестабильность частоты передачи
Параметры приемника
Виды модуляции
BPSK 1/2
QPSK 1/2
QPSK 3/4
16-QAM 1/2
16-QAM 3/4
64-QAM 2/3
64-QAM 3/4
Количество абонентских станций в одном секторе
Максимальное количество секторов (на МДВ-6)
Топология размещения абонентских станций
Максимальная дальность связи
Рабочая температура
Электропитание
Значение
3400-3550 МГц, 5650-5725 МГц, 5725-6425 МГц
TDM
TDMA
FDD или TDD
37.67 Мбит/с
Есть
OFDM-256
Адаптивная, от BPSK до QAM-64
Каскадное: Рида-Соломона/Витерби
1.75; 3.5; 7; 10 МГц
24/24 dBm
Программно
Программно
Программно
<5х10-6
Чувствительность (при полосе 10 МГц), dBm
-90
-89
-87
-83
-81
-76
-74
до 200
6
Произвольная
40 км
+5...+400 С (внутренние блоки)
-50...+500 С (внешние блоки)
~ 220 В, 50 Гц
= -48/60 В
2.2. Система SkyMAN R5000
SkyMAN R5000 – универсальная многофункциональная система ШРД, работающая в диапазонах 2300-2700, 3400-3700 и 4850-6425 МГц. Оборудование SkyMAN R5000 выполнено на
основе аппаратной платформы разработки и производства InfiNet Wireless, работает под управ-
А.В. Прохоров, Д.С. Бондарь
96
лением операционной системы WANFlex и реализует архитектуру беспроводных сетей MINT
разработки InfiNet.
В системе используются две модификации аппаратной платформы: базовая SkyMAN
R5000-O/M, обладающая повышенной производительностью и предназначенная, главным образом, для построения базовых станций, и более дешевая и менее производительная – абонентская SkyMAN R5000-L/S (рис. 2).
Конструктивно все оборудование SkyMAN R5000 выполнено в виде двух блоков: внешнего
(ODU) и внутреннего (IDU), как правило, выполняющего роль блока питания от сети переменного или постоянного тока. Внешний и внутренний блоки соединяются между собой с помощью
витой пары, по которой передается трафик Ethernet и постоянное напряжение питания ODU.
а
б
в
Рис. 2. Система SkyMAN R5000:
а - оборудование ODU;б, в - IDU SkyMAN R5000
На обеих аппаратных платформах оборудование выпускается в двух вариантах исполнения:
с разъемами N-типа (для подключения внешних антенн) или с интегрированной антенной.
Производятся следующие модификации устройств: с температурой холодного старта минус
550 С (опция «t»), с двумя портами Ethernet на ODU (опция «e») и с интегрированной точкой
доступа Wi-Fi (опция «w»).
Все оборудование SkyMAN R5000 является универсальным, т.е. любое устройство может
выполнять функции любого элемента беспроводной сети - базовой или абонентской станции
беспроводной сети точка-многоточка, оконечной или ретрансляционной станции канала точка
или узловой станции сети произвольной топологии MESH.
В системе ШРД SkyMAN реализовано два типа архитектуры: RMA (Remote Multiple
Access) и MINT (MESH Interconnect Network Topology). Все устройства SkyMAN поддерживают
оба типа архитектуры при использовании соответствующих программных прошивок.
Архитектура RMA является традиционной архитектурой SkyMAN, поддерживающей топологии точка-точка с возможностью ретрансляции и точка-многоточка с поддержкой ретрансляции терминальными станциями. Архитектура RMA построена на сетевом уровне и реализуется
с помощью интегрированных в каждое устройство маршрутизаторов. Большинство действующих сетей, построенных на оборудовании SkyMAN (Revolution), используют архитектуру RMA.
В настоящее время активные разработки RMA прекращены в связи с исчерпанием возможностей ее развития. Компания InfiNet осуществляет сопровождение RMA, устранение выявленных
проблем и минимально необходимое наращивание функциональности.
Архитектура MINT поддерживает произвольную топологию сети MESH, в том числе, как
частные случаи, топологии, поддерживаемые RMA. Архитектура MINT построена на уровне
Применение аппаратуры широкополосного радиодоступа в локальных сетях связи . . .
97
конвергенции между сетевым и канальным уровнями сети и не требует для обеспечения функционирования маршрутизаторов. Тем не менее, функциональность встроенного маршрутизатора сохраняется в каждом устройстве. Архитектура MINT является на сегодня наиболее перспективной и обеспечивающей большой потенциал развития функциональности. Компания InfiNet
рекомендует использовать архитектуру MINT при создании новых сетей и поэтапный перевод
существующих сетей на эту архитектуру.
Технические характеристики SkyMAN отражены в табл. 2.
Таблица 2
Технические характеристики SkyMAN
Характеристика
Диапазон частот
Максимальная пропускная способность ствола
Обеспечение качества обслуживания QoS
Технология передачи
Способы модуляции
Полоса сигнала
Мощность на выходе передатчика, БС/АС
Установка частоты передатчика
Регулировка выходной мощности
Параметры приемника
Вид модуляции
BPSK 1/2
BPSK 3/4
QPSK 1/2
QPSK 3/4
16-QAM 1/2
16-QAM 3/4
64-QAM 2/3
64-QAM 3/4
Количество абонентских станций в одном секторе
Максимальное количество секторов
Топология размещения абонентских станций
Максимальная дальность связи
Рабочая температура
Электропитание
Значение
2300-2700 МГц, 3400-3700 МГц, 4850-6425 МГц
36, 54, 300 Мбит/с (зависит от модели)
Есть
64OFDM
Адаптивная, от BPSK до QAM-64
5; 10; 20 МГц
2300-2700 МГц: 63 или 300 мВт;
3400-3700 МГц: 100 мВт;
4850-6050 МГц: 63, 300, 500 мВт;
Программно
Программно
Чувствительность
(при полосе МГц), dBm
5
10
20
-96
-93
-90
-95
-92
-89
-93
-90
-87
-90
-87
-84
-87
-84
-81
-84
-81
-78
-79
-76
-73
-77
-74
-71
50, 150 (зависит от модели)
6
Произвольная
12, 20 км (зависит от модели)
IDU: 0…+600 C
ODU: -40…+600 C,
-55…+600 C (опция «t»)
~110…240 В, 50…60 Гц
= 12…48 В (постоянный ток)
2.3. Система WiMIC-2000
Характеристики и построение системы ШРД WiMIC-2000 аналогичны WiMIC-6000 за исключением диапазона рабочих частот (2000-2100 МГц).
2.4. Система Рисса-ЦС/В-35М
Система Рисса-ЦС/В-35М (рис. 3) предназначена для организации зон беспроводного широкополосного абонентского доступа по технологии WiMAX (IEEE 802.16-2004). Обеспечивает покрытие от одного до 12 секторов, с общей производительностью до 150 Мбит/с.
А.В. Прохоров, Д.С. Бондарь
98
а
б
Рис. 3. Система Рисса-ЦС/В-35М:
а - базовая станция 35-М-БС-ВМ; б - наружный модуль 35-М-БС-НМ-П
Основные технические характеристики системы Рисса-ЦС/В-35М представлены в табл. 3.
Таблица 3
Основные технические характеристики Рисса-ЦС/В-35М
Характеристика
Соответствие стандарту
Диапазон частот
Дальность связи:
- при наличии прямой видимости;
- при отсутствии прямой видимости
Скорость передачи данных (на сектор)
Метод доступа
Ширина полосы частот канала
Выходная мощность
Модуляция
Тип сигнала
Тип дуплекса
Защита от помех
Безопасность
Условия эксплуатации:
- наружный модуль;
- внутренний модуль
Значение
WiMAX IEEE 802.16 a/d/e
2-6 ГГц
до 30 км
до 10 км
до 25 Мбит/с
TDMA
1.75, 3.5, 5, 7, 10, 20 МГц
до 28 дБм
BPSK, QPSK, 16 QAM, 64 QAM
OFDM 256 FFT
частотный (FDD), временной (TDD)
FEC с битовым перемежением
RC4 аутентификация и фильтрация
от - 40 до + 55 °C,
от 0 до + 40 °C
2.5. Радиостанции СВЧ диапазона «Колибри»
Радиостанции СВЧ диапазона «Колибри» (рис. 4) предназначены для обеспечения радиодоступа и организации высокоскоростных сетей радиосвязи, позволяют организовать пакетную
передачу данных, в том числе видеоизображения и звука, по принципу «точка-точка» и «точкамноготочие» со скоростью в канале до 11 Мбит/с в диапазоне частот 1,5 – 1,75 ГГц.
Радиостанции «Колибри» обеспечивают автоматическую ретрансляцию радиосвязи и
адаптивное изменение канальной скорости передачи информации в зависимости от помеховой обстановки, поддерживают ввод и вывод радиоданных по ИК-порту, а также криптографическую защиту передаваемой информации. Передача и прием цифровой информации может осуществляться по следующим стыкам: С1-ФЛ со скоростями 1,2; 2,4; 4,8; 9,6; 16 кбит/с;
RS-232C с максимальной скоростью 115 кбит/с; RS-485 с максимальной скоростью 115 кбит/с;
Ethernet с максимальной скоростью 10 Мбит/с; E1 со скоростью 2,048 Мбит/с. Дистанционное управление и контроль технического состояния обеспечивается по стыку RS-232. Радиостанции «Колибри» поддерживают протоколы TCP/IP, HTTP, FTP, TFTP.
Выпускаются два типа абонентских радиостанций: транспортный вариант «Колибри-В»
и носимый вариант «Колибри-Н».
Применение аппаратуры широкополосного радиодоступа в локальных сетях связи . . .
а
99
б
Рис. 4. Радиостанции СВЧ диапазона «Колибри»:
а - «Колибри-В»; б - «Колибри-Н»
Основные технические характеристики СВЧ радиостанций типа «Колибри» представлены в табл. 4.
Таблица 4
Основные технические характеристики СВЧ радиостанций типа «Колибри»
Характеристика
Диапазон частот
Дальность связи;
направленная антенна на стоянке
ненаправленная антенна на стоянке
Ненаправленная антенна в движении
Скорость передачи данных
Метод доступа
Ширина полосы частот канала
Выходная мощность
Модуляция
Электропитание
Рабочая температура
Габариты приёмопередатчика
Вес приёмопередатчика
Значение
1,5-1,75 ГГц
не менее 20 км
до 9 км
до 6 км
1.2, 5.5 и 11 Мбит/сек
TDMA
26 МГц
1Вт
DBPSK/1 Мбит/с,
DQPSK/2 Мбит/с,
CCK/5.5 и 11 Мбит/с
27 В (борт-сеть)
от - 40 до + 55 °C,
210х180х90 мм
не более 2,0 кг
3аключение
Применение средств широкополосного радиодоступа в локальных сетях связи и передачи
данных обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с традиционным оборудованием связи
систем управления воздушным движением. В системах ШРД за счет использования широкой
полосы частот и оптимальной обработки принятого сигнала при малой мощности передаваемого сигнала достигается высокое значение отношения сигнал/шум, что позволяет использовать
приемо-передающие устройства существенно меньшей мощности, меньших габаритов и более
низкой стоимости. Сети, построенные на технологиях широкополосного радиодоступа, отличаются простотой развёртывания и настройки, обладают высокой гибкостью, легко масштабируются по мере необходимости. Применение механизмов шифрования трафика, аутентификации и других алгоритмов обеспечивает надежную защищённость соединения.
К перспективным вариантам применения оборудования ШРД в сетях авиационной фиксированной электросвязи гражданской авиации относятся:
- построение локальных сетей связи и передачи данных между объектами РТОП аэропорта
(аэроузла) с полносвязной топологией («каждый с каждым»);
- организация резервных (дублирующих) каналов связи, управления и передачи данных
между объектами аэродрома;
А.В. Прохоров, Д.С. Бондарь
100
- привязка центров УВД к районным узлам связи, «точкам доступа» магистральных сетей
связи региональных операторов;
- организация сетей (каналов) связи в районах со сложным рельефом, где прокладка кабельных линий невозможна или экономически нецелесообразна;
- организация каналов информационно-технического взаимодействия УЦ ЕС ОрВД с КП
МО РФ в рамках функционирования Федеральной системы разведки и контроля воздушного
пространства (ФСР и КВП) РФ.
Следует отметить, что среди рассмотренного оборудования, средства SkyMAN R5000 обеспечивают наиболее высокую скорость передачи данных. Наибольшую дальность обеспечивает оборудование WiMIC-6000. Таким образом, по совокупности технических характеристик из рассмотренных вариантов предпочтительным является использование аппаратуры SkyMAN или WiMIC.
ЛИТЕРАТУРА
1. Григорьев В.А, Лагутенко О.И, Распаев Ю.А. Сети и системы радиодоступа. - М.: Эко-Трендз, 2005.
2. Вишневский В.М., Ляхов А.И., Портной С.Л., Шахнович И.В. Широкополосные беспроводные сети передачи информации. - М.: Техносфера, 2005.
3. Писарев Ю. Выбор системы фиксированного беспроводного доступа: попытка системного подхода. «Информационные телекоммуникационные сети» (Казахстан). - 2003. - № 4.
4. IEEE Std 802.16™-2004 IEEE Standard for Local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for
Fixed Broadband Wireless Access Systems.
5. http://www.micran.ru/productions/telecommunication/wireless/wimic/.
6. http://www.infinet.ru/WirelessEq/index_html/document_view.
APPLICATION OF MEANS OF BROADBAND RADIO ACCESS IN LOCAL COMMUNICATION
NETWORKS AND DATA TRANSMISSION FOR SYSTEMS OF AIR TRAFFIC MANAGEMENT
Prokhorov A.V., Bondar D.S.
The questions connected with application of means of broadband radio access in local communication networks and
data transmission for systems of air traffic management are considered. The analysis of the equipment of broadband radio
access of the Russian manufacture is carried out. The estimation of technical characteristics and possibilities of this equipment is given.
Key words: broadband radio access, data transmission equipment, WiMAX.
Сведения об авторах
Прохоров Александр Валентинович, 1946 г.р., окончил Рязанский радиотехнический институт
(1969), доктор технических наук, профессор, действительный член Российской академии транспорта,
декан ФАСК МГТУ ГА, автор более 100 научных работ, область научных интересов – радиотехнические системы управления воздушным движением, техническая эксплуатация воздушного транспорта,
проблемы международного образования.
Бондарь Дмитрий Сергеевич, 1986 г.р., окончил МГТУ им. Н.Э. Баумана (2009), ведущий инженер ОАО «НПО «ЛЭМЗ», область научных интересов – системы управления воздушным движением.