Сергей МАРГАРЯН,заместитель генерального директора – главный конструктор ЗАО «НПП «Родник»
Андрей КЛИМЕНКО, заместитель директора - технический директор ТОО «ADVANTEK SYSTEMS», г. Алматы
Времена Интернета, вещей и сотовой связи очередного поколения не отменяют действие основополагающих законов в радиотехнике и теории информации, а лишь в очередной раз подтверждают их. Так ли это? Хорошо известный закон Мура1, которому в апреле текущего года исполнилось 50 лет, отражает быстрый рост производительности современных вычислительных средств, связанные с ним ускорение обработки и рост потоков данных в информационных системах.
В то же время пропускная способность обеспечивающих функционирование этих информационных систем каналов связи растёт значительно медленнее. Рост последней сдерживается не только технологическими, но и географическими факторами – средства связи и обмена данными должны функционировать на обширных территориях, часто с отсутствующей обеспечивающей инфраструктурой, надёжно охватить которые становится всё сложнее.
В связи с этим возможности по практическому внедрению технологических достижений в области повышения скорости обмена данными при передаче их на большие расстояния оказываются весьма ограниченными. Использование имеющих необходимую пропускную способность проводных каналов для решения данной задачи во многих случаях оказывается не только экономически нецелесообразным, но и технически невозможным. Увеличение же пропускной способности беспроводных каналов, согласно Теореме Шеннона-Хартли2, требует повышения мощности радиосигнала, а использование более высоких диапазонов частот и более широкой полосы пропускания обусловлено уменьшением дальности работы беспроводного канала связи.
Возможности по организации обмена данными на большие расстояния формализованы разрешительными документами, регулирующими использование радиочастотного ресурса и устанавливающими строгие рамки для беспроводной связи и передачи данных. Масла в огонь противоречий между скоростью и дальностью обмена данными добавляют положения общеизвестных законов Мерфи3… В результате задача организации надёжной радиосети обмена данными на большой территории превращается в серьёзную головную боль, а её эксплуатация ассоциируется с непосильными затратами.
Однако, как поётся в знаменитой песне В. Высоцкого «Честь шахматной короны», всё не так уж сумрачно вблизи. Свет в конце тоннеля в вопросе оптимизации беспроводных радиосетей обмена данными в части дальности-скорости-надёжности ярко вспыхнул с появлением перспективной радиотехнической платформы Viper-SC+, предназначенной для работы по узкополосным каналам в диапазоне ультракоротких волн (УКВ).
Вышеуказанная платформа (технические характеристики оборудования представлены в таблицах 1 и 2) включает в себя:
- радиомодем Viper-SC+ (140-5018-502) с одним антенным входом;
- радиомодем Viper-SC+ (140-5018-503) с двумя антенными входами (разнесённый приём);
- базовую станцию Viper-SC+ (140-5118-502);
- базовую станцию Viper-SC+ (140-5318-502) повышенной надёжности и живучести с резервированием всех компонентов;
- базовую станцию Viper-SC+ (140-5318-503) повышенной надёжности и живучести с резервированием всех компонентов с двумя антенными входами (разнесённый приём).
Появление данной платформы в 2010 году, её развитие и результаты эксплуатации впервые поставили под сомнение действие отдельных законов Мерфи в отношении технологических радиосетей обмена данными. Эти законы гласят:
1. «Все не так легко, как кажется...»
Одной из непростых задач, связанных с развёртыванием и настройкой технологической радиосети обмена данными является организация сопряжения радиомодема с внешним устройством. Ранее оно выполнялось по последовательному порту RS-232, но с появлением современных контроллеров, имеющих интерфейс Ethernet, задача усложнилась в связи с необходимостью применения преобразователей. Наиболее широко с узкополосными радиомодемами использовались преобразователи производства компаний Moxa (от одного до 16 портов) и Lantronix (от одного до 48 портов). Простоту решению вернуло появление встроенного в радиомодем Viper-SC+ сетевого интерфейса RJ45 Ethernet и функции автоматического преобразования RS-232 – Ethernet и обратно. Теперь узкополосный радиомодем поддерживает обмен данными по IP-протоколу в радиоканале и обеспечивает автоматическое преобразование данных при подключении к нему внешнего устройства по последовательному протоколу. Точнее, сразу двух внешних устройств, поскольку настроечный последовательный порт радиомодема (Viper-SC+ имеет два порта RS-232 – настроечный и информационный) также может быть сконфигурирован для обмена данными. Процедура настройки стала значительно проще, такой же простой, как кажется с первого взгляда.
2. «Всякая работа требует больше времени, чем вы думаете»
Значительное время при развёртывании технологической радиосети занимает настройка отдельных радиомодемов и проверка правильности настройки. Время, необходимое для выполнения этих операций, действительно иногда очень сложно спрогнозировать. Радиомодем Viper-SC+, как и некоторые другие современные устройства, относится к программно-определяемым системам, созданным с использованием технологии SDR (Software Defined Radio)4. Встроенное программное обеспечение позволяет устанавливать заданные номиналы рабочих частот (память радиомодема рассчитана на единовременное хранение 32 номиналов), шага сетки радиочастот, выходной мощности и скорости обмена данными. Все эти параметры после настройки в одном радиомодеме могут быть перенесены в другой (функция клонирования настроечных данных). В результате практическая настройка большого количества радиомодемов занимает существенно меньше времени, чем вы думаете.
3. «Из всех возможных неприятностей произойдёт именно та, ущерб от которой больше»
Наибольший ущерб при эксплуатации технологической радиосети возникает в результате выхода из строя базовой станции. Типовая базовая станция в типовых радиосетях поддерживает работу 12–15 удалённых объектов (технически возможно существенно больше), поэтому в результате прекращения её работы теряется контроль над значительными ресурсами. Несмотря на высокую надёжность современного оборудования (среднее время наработки на отказ радиомодемов Viper-SC+ составляет около 418 000 часов5), поломки и сбои в работе неизбежны. Базовая станция повышенной надёжности и живучести в случае сбоя в работе или выхода из строя одного комплекта оборудования автоматически переключает работу на резервный, исключая возникновение перерыва в работе. Использование такой базовой станции позволяет на практике создать технологическую радиосеть, очень хорошо защищённую от наиболее опасных неприятностей – тех, ущерб от которых больше.
4. «Если четыре причины возможных неприятностей заранее устранены, то всегда найдётся пятая»
Данное положение опровергнуть пока не удалось, но и подтвердить тоже. В настоящее время серийно выпускается третья модификация радиомодема с версией встраиваемого программного обеспечения (ПО) 3.8, в которой устранены все выявленные в процессе эксплуатации недостатки. Возможно, другие недостатки проявятся позже, а пока значение параметра средней наработки на отказ только возрастает. Кроме этого следует отметить что сам по себе радиомодем является прежде всего радиопередающим и приёмным устройством. Как и все приёмопередатчики радиомодем работает на приёмопередающую антенну, соединённую фидерным трактом. Как известно, немалую роль в плане надёжности радиосистемы играет правильно спроектированный и впоследствии смонтированный антенно-фидерный тракт (АФТ). И каким бы хорошим не было радиоустройство, если неправильно спроектирован (смонтирован) АФТ, коэффициент полезного действия такой радиосистемы будет уменьшаться.
5. «Предоставленные сами себе события имеют тенденцию развиваться от плохого к худшему»
Техническое состояние технологической радиосети на радиотехнической платформе Viper-SC+ может оперативно контролироваться средствам программно-технического комплекса «Балтика», предназначенного для мониторинга рабочих параметров аппаратуры, включая идентификационный номер устройства, температуру внутри корпуса, напряжение питания, уровень сигнала, принимаемого базовой станцией радиосети от удалённого устройства, излучаемую мощность передатчика, мощность обратной волны.
ПТК «Балтика» позволяет следить за целостностью и качеством каналов технологической радиосети обмена данными, контролировать рабочие параметры радиотехнической аппаратуры, извещать оператора о нештатной работе каналов обмена данными, выявлять сбои в функционировании основной электросети и факт перехода на питание от резервной сети (аккумуляторов).
Программное обеспечение ПТК производит сбор, анализ, отображение и архивирование информации, обеспечивая:
- конфигурирование (описание структуры) ПТК мониторинга технологической радиосети обмена данными, установку пороговых значений для измеряемых параметров оперативной диагностики;
- слежение за поступлением данных оперативной диагностики от радиомодемов Viper-SC+ на основании их идентификаторов и выдачу сигнала «авария» при пропадании этих данных;
- анализ значений данных оперативной диагностики от радиомодемов Viper-SC+ относительно пороговых значений и формирование сигнала «авария» при их выходе за установленные пределы;
- анализ данных оперативной диагностики для косвенного определения исправности абонентских радиомодемов Viper-SC+, работающих через удалённые ретрансляторы технологической радиосети обмена данными, не подключённые непосредственно к комплексу мониторинга;
- ведение журнала аварий, формирование и представление отчётов по видам аварий и времени их возникновения;
- анализ изменений данных оперативной диагностики с целью предсказания возможных аварийных ситуаций и сбоев.
Таким образом, технологическая радиосеть обмена данными на радиотехнической платформе Viper-SC+ может быть поставлена под жёсткий контроль, исключающий самопроизвольное развитие ситуации по принципу «от плохого к худшему».
6. «Как только вы принимаетесь делать какую-то работу, находится другая, которую надо сделать ещё раньше»
Задача организации сопровождения развёрнутой радиосети по своей сложности во многих случаях оказывается на порядок сложнее, чем её первоначальное развёртывание. Она представляет собой ежедневный трудоёмкий процесс, направленный на поддержание радиосети в работоспособном состоянии. Радиомодемы семейства Viper-SC+ представляют собой устройства, функционирующие в необслуживаемом режиме и не требующие периодической юстировки. При наличии комплекта запасных частей, инструментов и принадлежностей (ЗИП) восстановление работоспособности радиосети обеспечивается заменой блока радиомодема, которая сводится к подключению трёх кабелей: антенного, информационного и питания. Такие скромные требования позволяют без труда переключаться на выполнение другой работы, которую надо сделать ещё раньше.
7. «Всякое решение плодит новые проблемы»
Проектирование технологической радиосети обмена данными на базе радиотехнической платформы Viper-SC+ в настоящее время приобрело характер типовой задачи и не представляет серьёзных трудностей для подготовленного персонала. Её внедрение связано с решением ряда организационно-технических задач, включая получение радиочастотного присвоения, процедура которого, на радость владельцев таких сетей максимально упрощена. А вот после решения этих задач полностью теряется основа для возникновения новых проблем, поскольку радиомодем Viper-SC+ разработан по принципу «установил – забыл».
Можно ли утверждать, что сам факт появления современной перспективной радиотехнической платформы Viper-SC+ отменил перечисленные выше положения закона Мерфи? Делать это прямо сейчас, наверное, будет преждевременно. Но у любого технического специалиста в области АСУ ТП и связи теперь есть возможность самостоятельно проверить это и сделать собственный вывод.
Неоспоримый факт, не требующий проверки, это то, что использование радиотехнической платформы Viper-SC+ позволяет облегчить создание и эксплуатацию технологических беспроводных сетей обмена данными в труднодоступных районах.
Таблица 1. Технические характеристики радиомодема Viper-SC+
Общие характеристики | Viper-SC+ 100/200/400/900 | |||
ОВЧ | 200 МГц | УВЧ | 900 МГц | |
Диапазон частот, МГц | 136-174 | 215-240 | 406-470 450-512 | 880-902 928-960 |
Шаг сетки частот, кГц (настраивается программно) | 50; 25; 12,5; 6,25 | 100; 50; 25; 12,5; 6,25 | 50; 25; 12,5; 6,25 | 100; 50; 25; 12,5 |
Тип излучения | 3K30F1D; 11K2F1D; 16K5F1D; 17K8F1D; 33K0F1D; 52K7F1D | |||
Потребляемый ток: | ||||
- приём, мА | 450 (10 В); 240 (20 В); 170 (30 В) | |||
- передача 40 дБм (10 Вт), А | 4,6 (10 В); 2,04 (20 В); 1,37 (30 В) | |||
- передача 30 дБм (1 Вт), А | 1,2-3,6 (10 В); 0,6-1,8 (20 В); 0,4-1,2 (30 В) | |||
Номинальная задержка при холодном старте, с | 35 | |||
Рабочее напряжение, В | 10-30 (постоянный ток) | |||
Температура по спецификации, С | от -30 до +60 | |||
Рабочая температура, С | от -40 до +70 | |||
Температура хранения, С | От -45 до +85, без образования конденсата | |||
Влажность, % | 5-95, без образования конденсата | |||
Габаритные размера, см | 13,97 (Ш) х 10,80 (Г) х 5,40 (В) | |||
Масса в упаковке, кг | 1,1 | |||
Рабочий режим | симплекс/полудуплекс | |||
Передатчик | ||||
Полоса пропускания без подстройки, МГц | 38 | 38 | 64 (406,1-470 МГц); 62 (450-512 МГц) | 32 |
Выходная мощность при напряжении 13,6 В, Вт | 1-10 | 1-8 | ||
Время переключения с передачи на приём, мс | <1 | |||
Время переключения между каналами, мс | <15 | |||
Импеданс, Ом | 50 | |||
Цикл работы на передачу, % | 100 | |||
Стабильность частоты, ppm | 1,0 | 0,5 | 1,0 | 0,5 |
Интерфейсы | 2 x RS-232 (DE-9F), 10Base-T RJ-45 | |||
Антенна | TNC (мама) - приём/передача; SMA (мама) - приём (для двухпортовых устройств) | |||
Приёмник | ||||
Чувствительность (вероятность ошибки 1х10-6): | ||||
- 100 кГц, дБм | - | -103 (64 кбит/с); -96 дБм (192 кбит/с); -89 дБм (256 кбит/с) | - | -100 (64 кбит/с); -93 (192 кбит/с); -86 дБм (256 кбит/с) |
- 50 кГц, дБм | -111 (32 кбит/с); -104 (64 кбит/с); -97 (96 кбит/с); -88 (128 кбит/с) | -108 (32 кбит/с); -101 (64 кбит/с); -94 (96 кбит/с); -85 (128 кбит/с) | ||
- 25 кГц, дБм | -114 (16 кбит/с); -106 (32 кбит/с); -100 (48 кбит/с); -92 (64 кбит/с) | -111 (16 кбит/с); -104 (32 кбит/с); -97 (48 кбит/с); -89 (64 кбит/с) | ||
- 12,5 кГц, дБм | -116 (8 кбит/с); -109 (16 кбит/с); -102 (24 кбит/с); -95 (32 кбит/с) | -112 (8 кбит/с); -106 (16 кбит/с); -99 (24 кбит/с); -90 (32 кбит/с) | ||
- 6,25 кГц, дБм | -115 (4 кбит/с); -106 (8 кбит/с); -100 (12 кбит/с) | |||
Подавление помех по соседнему каналу, дБ | 45/6,25 кГц; 60/12,5 кГц; 70/25 кГц; 75/50 кГц; 70/100 кГц | 60/12,5 кГц; 70/25 кГц; 75/50 кГц; 70/100 кГц | ||
Интермодуляция, дБ | >75 | |||
Избирательность, дБ | >70 (25 кГц); >60 (12,5 кГц); >55 (6,25 кГц) | |||
Время переключения с приёма на передачу, мс | <2 | |||
Время переключения между каналами, мс | <15 | |||
Модем | ||||
Скорость, кбит/с | 4; 8; 12; 16; 24; 32; 48; 64; 96; 128; 256 | |||
Индикация | Питание, состояние, подключение к ЛВС, работа ЛВС, приём/передача | |||
Вид модуляции | 2FSK, 4FSK, 8FSK, 16FSK | |||
Адресация | IP |
Общие характеристики | Viper-SC+ 100/200/400/900 base station | |||
ОВЧ | 200 МГц | УВЧ | 900 МГц | |
Диапазон частот | 136-174 МГц | 215-240 МГц | 406-470 450-512 МГц | 928-960 МГц |
Шаг сетки частот | 50; 25; 12,5 или 6,25 кГц (настраивается программно) | 50, 25 или 12,5 кГц | ||
Тип излучения | 6K00F1D, 9K30F1D, 15K3F1D | |||
Номинальная задержка при холодном старте | 60 с | |||
Рабочее напряжение | 10-30 В постоянного тока | |||
Рабочая температура | -30 град. С до +60 град. С | |||
Температура хранения | -45 град. С до +85 град. С | |||
Влажность | 5-95% без образования конденсата | |||
Габаритные размеры | 41 (Ш) х 12 (Г) х 29 (В) см | |||
Масса (в упаковке) | 5,2 кг | |||
Рабочий режим | симплекс/полудуплекс | |||
Передатчик | ||||
Полоса пропускания без подстройки, МГц | 38 | 38 | 64 (406,1-470 МГц); 62 (450-512 МГц) | 32 |
Выходная мощность при напряжении 13,6 В, Вт | 1-10 | 1-8 | ||
Время переключения с передачи на приём, мс | <1 | |||
Время переключения между каналами, мс | <15 | |||
Импеданс, Ом | 50 | |||
Цикл работы на передачу, % | 100 | |||
Стабильность частоты, ppm | 1,0 | 0,5 | 1,0 | 0,5 |
Интерфейсы | 2 x RS-232 (DE-9F), 2 x 10Base-T RJ-45 | |||
Антенна | N-типа (мама) | |||
Приемник | ||||
Чувствительность (вероятность ошибки 1х10-6): | ||||
- 100 кГц, дБм | - | -103 (64 кбит/с); -96 дБм (192 кбит/с); -89 дБм (256 кбит/с) | - | -100 (64 кбит/с); -93 (192 кбит/с); -86 дБм (256 кбит/с) |
- 50 кГц, дБм | -111 (32 кбит/с); -104 (64 кбит/с); -97 (96 кбит/с); -88 (128 кбит/с) | -108 (32 кбит/с); -101 (64 кбит/с); -94 (96 кбит/с); -85 (128 кбит/с) | ||
- 25 кГц, дБм | -114 (16 кбит/с); -106 (32 кбит/с); -100 (48 кбит/с); -92 (64 кбит/с) | -111 (16 кбит/с); -104 (32 кбит/с); -97 (48 кбит/с); -89 (64 кбит/с) | ||
- 12,5 кГц, дБм | -116 (8 кбит/с); -109 (16 кбит/с); -102 (24 кбит/с); -95 (32 кбит/с) | -112 (8 кбит/с); -106 (16 кбит/с); -99 (24 кбит/с); -90 (32 кбит/с) | ||
- 6,25 кГц, дБм | -115 (4 кбит/с); -106 (8 кбит/с); -100 (12 кбит/с) | |||
Подавление помех по соседнему каналу, дБ | 45/6,25 кГц; 60/12,5 кГц; 70/25 кГц; 75/50 кГц; 70/100 кГц | 60/12,5 кГц; 70/25 кГц; 75/50 кГц; 70/100 кГц | ||
Интермодуляция, дБ | >75 | |||
Избирательность, дБ | >70 (25 кГц); >60 (12,5 кГц); >55 (6,25 кГц) | |||
Время переключения с приёма на передачу, мс | <2 | |||
Время переключения между каналами, мс | <15 | |||
Модем | ||||
Скорость, кбит/с | 4; 8; 12; 16; 24; 32; 48; 64; 96; 128; 256 | |||
Индикация | Питание, состояние, подключение к ЛВС, работа ЛВС, приём/передача | |||
Вид модуляции | 2FSK, 4FSK, 8FSK, 16FSK | |||
Адресация | IP |
1 Зако́н Му́ра – эмпирическое наблюдение, изначально сделанное Гордоном Муром, согласно которому (в современной формулировке) количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца.
2 Теорема Шеннона-Хартли – устанавливает шенноновскую ёмкость канала, верхнюю границу максимального количества безошибочных цифровых данных (то есть, информации), которое может быть передано по такой связи коммуникации с указанной полосой пропускания в присутствии шумового вмешательства, согласно предположению, что мощность сигнала ограничена, и гауссовский шум характеризуется известной мощностью или спектральной плотностью мощности. Закон назван в честь Клода Шеннона и Ральфа Хартли.
3 Зако́н Ме́рфи (англ. Murphy’s law) – шутливый философский принцип, который формулируется следующим образом: если есть вероятность того, что какая-нибудь неприятность может случиться, то она обязательно произойдет (англ. Anything that can go wrong will go wrong). Иностранный аналог русского «закона подлости», «закона падающего бутерброда» и «генеральского эффекта».
4 Программно-определяемая радиосистема (англ. Software-defined radio, SDR) - радиопередатчик и/или радиоприемник, использующий технологию, позволяющую с помощью программного обеспечения устанавливать или изменять рабочие радиочастотные параметры, включая, в частности, диапазон частот, тип модуляции или выходную мощность, за исключением изменения рабочих параметров, используемых в ходе обычной предварительно определенной работы с предварительными установками радиоустройства, согласно той или иной спецификации или системы.
5 Данные результатов эксплуатации по состоянию на март 2014 года:
- радиомодемов в эксплуатации – 19533;
- проведено ремонтов – 618;
- проработавших без поломок в течение четырёх лет - 97%;
- общее время наработки - 258 254 000 часов.