Современные технологии автоматического составления канала

Современные технологии автоматического составления
канала авиационной ДКМВ радиосвязи
Д.С. Кулаков
Приведен обзор методов автоматического составления ДКМВ канала связи (ALE),
используемых в России и за рубежом. Рассмотрены процедуры ALE в соответствии с
ARINC 635, MIL-STD-188-141A, MIL-STD-188-141B. Приведен сравнительный анализ
системных характеристик этих трех технологий.
Разработчики систем коммерческой и военной связи признают в настоящее время, что
ДКМВ радиоканал является эффективным средством решения проблем дальней связи.
Тормозом к широкому внедрению ДКМВ систем до недавнего времени были их
громоздкость, сложность в эксплуатации, низкие пропускная способность и надежность
связи. Бурное развитие вычислительной техники и микроэлектроники последних лет
стимулировало успехи в развитии технологии ДКМВ связи за рубежом, особенно в ДКМВ
модемной технологии. Использование высокоскоростных модемов наиболее эффективно
на оптимальных ДКМВ частотах, выбираемых для связи с помощью специальных
процедур автоматического составления канала.
ДКМВ небесная волна способна обеспечить связь за пределами прямой видимости на
расстоянии до 4000 - 6000 км и более (на многоскачковых трассах), стоимость ДКМВ
радиоканалов на порядок ниже, а живучесть в условиях конфликтных ситуаций выше в
сравнении со спутниковыми каналами связи. ДКМВ радиоканал является единственным
средством связи в областях, не имеющих инфраструктуры, труднодоступных районах,
особенно связи с самолетами на севере. Однако ДКМВ радиоканал существенно зависит
от состояния ионосферы, которая, как известно, нестабильна. Важнейшим моментом в
организации адаптивной ДКМВ связи является автоматизация процедур составления и
разрыва линии связи на базе автоматического выбора рабочих частот с оценкой качества
канала связи.
Технология автоматического составления каналов предполагает наличие
унифицированных правил, процедур и протоколов организации канала связи и
предоставления его пользователю. Эти правила могут быть узаконены в интересах какойто одной сети связи, в рамках конкретной корпорации сетей и систем связи или в качестве
национального или международного стандарта.
В России нет национального стандарта на эту технологию. Существует несколько
вариантов ее реализации. Каждый из этих вариантов имеет свои положительные
особенности и предполагает перераспределение функций организации связи между
наземным и бортовым оборудованием. Отсутствие российского стандарта затрудняет
взаимную работу разных систем связи.
Первый стандарт на процедуру автоматического составления канала MIL-STD-188-141A
[1] и его гражданская версия FED-STD-1045 разработаны в США в 1988 г. Стандарт
описывает протоколы автоматического ведения связи с автовыбором оптимальной
частоты, в одном радионаправлении и в сети. Он описывает процедуры сканирования
приемника, селективного вызова с зондированием и без него, оценки качества канала в
реальном масштабе времени. В качестве сигнала вызова используется сигнал, каждая
посылка которого имеет одну частоту из восьми возможных, т.е. несет 3 бита
информации. Для зондирования передаются непрерывно в течение нескольких секунд 8
параллельных тонов. В таблице приведены характеристики сигнала. Этот стандарт нашел
широкое применение во всем мире в коммерческой, правительственной и военной связи и
стал практически мировым стандартом. В нем описываются три нижних уровня модели
взаимодействия открытых систем (ВОС).
Период передач сигналов вызова (Твыз) может быть 200, 500 или 100 мс.
Есть вызов для установления линии на оптимальном канале. При таком вызове
обращаются к матрице качества каналов (LQA), где хранится информация о
предварительном зондировании, селективных вызовах, анализе помех, обмене
сообщениями между станциями. Качество канала определяется по результатам измерений
отношения сигнал/помеха + искажения, измерений числа ошибок на бит, а также
измерения многолучевости. Контроль над ошибками и потоком данных с целью
обнаружения и коррекции ошибок осуществляется с помощью кода Голея (24, 12, 3) для
прямой коррекции ошибок, перемежения данных для борьбы с пакетированием ошибок,
стирания ненадежных битов и трехкратного повторения передачи с мажоритарным
решением при приеме. В вызове могут быть переданы сообщения автоматического
дисплея (AMD), текстовые данные (DTM), блоковые данные (DBM) по 24 бита.
Кооперация усилий правительства США, промышленности и науки привела к третьему
поколению протоколов автоматического ведения ДКМВ связи. Новая версии стандарта
MIL-STD-188-141В [2] 1999 г. вводит новый вид сигнала селективного вызова - 8позиционную фазовую манипуляцию (8-PSK), который дает выигрыш в 6 - 9 дБ по
отношению к предыдущей версии и обеспечивает следующие улучшения: более быстрое
установление линии; работа при более низком отношении сигнал / помеха; улучшение
эффективности использования канала; процедура автоматического составления канала и
связь ис пользуют одно и то же семейство сигналов; более высокая пропускная
способность канала, лучшая поддержка протоколов Интернет. Новая форма волны более
приспособлена для пакетной связи, чем для непрерывной, что дает улучшение гибкости
системы. Используются несколько типов пакетов, отличающихся длительностью, длиной
кодового ограничения сверточного кода, кодовой скоростью, длиной преамбулы,
полезных данных, назначением.
Характеристики сигнала составления канала по MIL-STD-188-141A
Вид сигнала
8-тоновая
библиотека
Символьная
скорость
Длительность
символа
Битовая
скорость
8-позиционная частотная
манипуляция (FSK) с
непрерывной фазой
От 750 Гц до 2500 Гц с
шагом 250 Гц
125 Бод
8 мс
375 бит/сек
Третье поколение ALE обеспечивает разделение каналов вызова и связи, хотя по мере
необходимости каналы вызова могут быть использованы для трафика. Связные каналы
обычно назначаются вблизи вызывных частот так, чтобы их распространение было
коррелировано для совместного использования вызывных каналов и отслеживались
каналы связи перед их использованием для предотвращения помех существующим
сеансам связи. 3-ALE реализует сканирующие вызовы на частотах вызова по алгоритмам
как 3-го, так и 2-го поколения. 3-ALE использует как асинхронный, так и синхронный
режимы. Но более высокие характеристики реализуются при синхронной работе.
С помощью назначения групп членов сети для мониторинга разных каналов в каждом
временном интервале сканирования вызовы, направляемые членам сети, будут
распределены по времени или частоте, что существенно уменьшает вероятность коллизий
среди ALE вызовов 3-го поколения. Это особенно важно в условиях высокого трафика.
Набор станций, который использует одни и те же каналы в одном и том же временном
интервале вызова (двелле), называется двелл-группой.
Номинальная длительность каждого синхронного временного интервала вызова (двелла)
составляет 4 с и делится на 5 слотов. 3-ALE вызовы идентифицируют станции и
идентифицируют типы трафика, которые будут поддержаны линией.
В трудах международной конференции «MILCOM 1999» Эрик Джонсон предоставляет
результаты моделирования аппаратуры автоматического составления ДКМВ линий связи
3-го поколения. Рассматриваются 2 сценария: сценарий «Воздух - Земля» и сценарий
связанной сети. Анализируя результаты моделирования, можно сделать вывод, что третье
поколение технологии автоматизации ДКМВ связи достигло улучшений в плане размеров
сети, пропускной способности сети, требуемого отношения сигнал/помеха в сравнении со
вторым поколением этой технологии.
Третья стандартная процедура автоматического составления канала связи соответствует
спецификации ARINC 635 с 2-позиционной фазовой манипуляцией (2-PSK) и сигналами
связи с адаптивно выбираемой модуляцией в зависимости от качества канала (8, 2, 4-PSK).
Эта процедура сопоставима по системным характеристикам с MIL-STD-188-141В,
ориентирована на двойное применение, но более эффективна в глобально разнесенных
сетях ДКМВ передачи данных «Воздух - Земля».
Услуги ДКМВ линии данных по ARINC 635 (HFDL) позволяют самолету,
оборудованному функцией управления ДКМВ линией данных и ДКМВ радиостанцией,
передавать и принимать пакеты данных через сеть наземных ДКМВ радиоцентров. В
системе HFDL используется автоматический режим ведения связи с регистрацией
самолета на наземной станции. Перед регистрацией самолет выбирает лучший или
приемлемый канал связи и соответствующую наземную станцию с помощью оценки
качества сигналов управления - связи - зондирования - так называемых сквиттеров,
излучаемых каждой из 16 глобально разнесенных наземных станций на каждой из 2 - 6
назначенных ей частот с интервалом 32 с. При регистрации самолет посылает запрос на
вхождение в систему связи наземной станции в соответствии с протоколом доступа к
каналу с временным разделением (TDMA) в разрешенном временном интервале на
частоте, выбранной самолетом по результатам анализа качества каналов связи. Частоты
регистрации и зондирования - управления совпадают с частотами связи. Для связи и
регистрации используется один и тот же вид сигнала и модем. Наземная станция
управляет доступом самолетов к каналу путем назначения слотов случайного и
резервированного доступа для каждого 32-секундного временного кадра, разбитого на 13
слотов, и передает эти назначения в сквиттерах. Самолет ведет связь на частоте
регистрации до тех пор, пока не деградирует качество канала. Среднее время регистрации
самолета при интенсивности потока сообщений с борта 11 сообщений/ч и 26 самолетах,
использующих один канал, не превышает 60 с, а время задержки в передаче сообщения в
состоянии регистрации не превышает 34 с. В HFDL используется сигнал с 2-, 4- или 8позиционной фазовой манипуляцией, в зависимости от качества канала связи (отношения
сигнал/помеха), оцениваемого по приему каждого сигнала. Частота поднесущей ОБП
канала составляет 1440 Гц, скорость манипуляции 1800 Бод. Технология выбора канала
связи в сети HFDL основана на частотном и пространственном разнесении, а также на
использовании динамического управления частотами наземных станций на основе
глобальной системы зондирования. Эта технология оптимизирована для дальней ДКМВ
связи гражданской авиации. Однако ее вполне можно использовать для военных систем
связи, но при условии обеспечения соответствующей крипто и имитозащиты.
Из приведенного обзора можно сделать следующие выводы:
1. Необходимо разработать квалификационные требования или российские стандарты на
режимы передачи данных, представленные в MIL-STD-188-110В App C, App F.
2. Для ликвидации критического отставания развития отечественных ДКМВ средств связи
от зарубежных и для создания конкурентоспособной отечественной аппаратуры связи
ДКМВ диапазона двойного применения целесообразно провести исследования
вышеупомянутого стандарта MIL-STD-188-141A с целью выявления возможностей
сигналов зондирования - вызова по оценке качества каналов для организации каналов
связи с различными видами модуляции и кодирования, включая режим ППРЧ. Так же
провести оценку системных характеристик сетей
связи, использующих процедуры ALE и LQA по MIL-STD-188 - 141В, и на базе этих
оценок разработать российскую версию стандарта или квалификационные требования на
аппаратуру подобного рода.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. MIL-STD-188-141B. Interoperability and performance standards for medium and high
frequency radio systems. DOD interface standard. 1 March 1999.
2. MIL-STD-188-110B. Interoperability and performance standards for data modems
department of defense interface standard. 27 April 2000.
3.
Johnson E. Third-generation technologies for HF radio networking.
4. Johnson E., Desourdis R., Rader M. Simulation of MIL-STD-187-721C automated HF
networking.
5.
Johnson E. Fast propagations for HF network simulations.
6.
Руководство по ВЧ линии передачи данных. ИКАО, Женева, 2000.
7.
Спецификация Arinc 635-3. HF Data Link Protocols. 2000.
8. Джонсон Э. Результаты моделирования 3-го поколения аппаратуры автоматического
составления ДКМВ линий связи / Труды международной конференции «MILCOM' 1999»,
раздел VII., 31 октября - 3 ноября. Атлантик сити, Нью Джерси.
ФГУП НПП «Полет», Н. Новгород