Общекорабельная система обмена информацией

Общекорабельная система обмена информацией

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к области радиоэлектроники, а именно к технике передачи аналоговой и дискретной информации, и может быть использовано для организации обмена данными между функциональными комплексами корабля.

Связь между комплексами и системами различного назначения осуществляется с помощью проложенных на кораблях кабельных трасс. Десятки разнокалиберных кабельных линий пронизывают “водонепроницаемые” переборки и палубы корабля, связывая между собой радиоэлектронные комплексы и их элементы; они обходятся в 60% и более стоимости и трудоемкости монтажных и пусконаладочных работ при строительстве кораблей.

Из зарубежных источников известно, что на корабле типа эсминец (класса DS 963) для радиоэлектронного оборудования требуется около 240 км кабеля с медными жилами. Стоимость прокладки всех кабелей увеличивается из-за высокой стоимости проектирования, технической документации, протяжки кабеля, установки герметичных сальников в переборках корабля” соединителей и проверки кабеля. Например, стоимость кабельных магистралей на атомном ракетном фрегате США с длиной кабеля порядка 185 км, без учета силового и телефонного кабеля, составляет несколько десятков миллионов долларов [Marine Technology. 1989, vol.3, №2, р.175-178].

Сложность кабельных соединений затрудняет реконструкцию кораблей. При переоборудовании стоимость затрат также возрастает.

Сократить количество передаваемой информации в этих комплексах и системах нереально, наоборот, автоматизация процессов управления ведет к постоянному росту передаваемой информации, а вот основной способ связи между электронными подсистемами корабля может быть упрощен,

Известна “Автоматизированная система интегральной цифровой связи” [положительное решение от 25.02.2000 г. по заявке №2000104710/09, кл. 6 Н 04 В 13/00]. Система содержит центральный блок коммутации (ЦБК) и N блоков коммутации (БК), к которым подключены источники информации и абоненты. ЦБК и БК соединены между собой посредством волоконно-оптических линий связи.

Система обеспечивает все виды внутрикорабельной радиосвязи (ВКС), управление средствами автоматизированных комплексов связи (АКС) и коммутацию информационных трактов АКС.

Известны и другие функциональные комплексы (ФК) на корабле, такие, например, как навигации, наблюдения, радиоэлектронной борьбы, освещения гидрографической и гидрометеорологической обстановки и т.д. [Автоматизация управления и связь в ВМФ. Под общ. ред. начальника связи ВМФ Ю.М.Кононова. СПб.: Элмор, 2001, стр.114].

Все эти ФК, так же как и вышеприведенный комплекс связи, имеют свой кабельные сети, БК, управляющие и информационные подсистемы.

Недостатками аналогов являются зависимость качества передачи информации от длины абонентских линий, большая аппаратурная и кабельная избыточность.

Наиболее близкой к заявляемой системе по технической сущности решения вопроса является “Система внутрикорабельной громкоговорящей связи и трансляции” [патент РФ №3131168, кл. 6 Н 94 В 13/00].

Система состоит из коммутационных центров (КЦ), последовательно соединенных между собой волоконно-оптическими линиями связи, к которым подсоединены коммутаторы, пульты и другие блоки, при этом КЦ содержат N абонентских модулей, соединенных с основными и резервными шинами управления и информации.

Эта система является прототипом, позволяет расширить функциональные возможностей аппаратуры и повысить эффективность использования сети ВКС за счет объединения нескольких видов обслуживания (передача громкоговорящей связи и трансляции, передача сигналов управления и т.д.).

Однако эта система обладает и существенными недостатками:

- невозможность выделения определенной части временных позиций (каналов связи) для передачи широкополосных сигналов;

- низкая пропускная способность системы (около 8 Мбит/с в линии), что не позволяет объединить все ФК на корабле в единую систему;

- не обеспечивается коммутация сигналов различных оконечных устройств, входящих в состав КЦ;

- низкая скорость передачи в абонентском канале;

- использование в системе импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), а значит, и сложного оборудования, в частности преобразователя сигналов на каждом конечном пункте, что значительно повышает ее стоимость.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей, повышение надежности и живучести, при одновременном сокращении линейной кабельной сети.

Поставленная цель достигается за счет того, что в известной системе все КЦ одинаковые и независимые, к которым подключены источники информации и абоненты, при этом КЦ соединены между собой двухпроводными дублированными оптическими линиями связи, причем каждый КЦ содержит устройство сопряжения, соединенное последовательно с мультиплексором/демультиплексором, обрабатывающим и распределительным блоками, при этом распределительный блок соединен с блоком сигнализации и приемопередающими блоками, а последний, в свою очередь, - с электронно-оптическими преобразователями, которые соединены с волоконно-оптическими линиями связи.

Блок-схема общекорабельной системы обмена информацией приведена на фиг.1. Она содержит независимые одиночные коммутационные центры 1. Все КЦ 1 подобны друг другу, но имеется только единственное различие - в схемах сопряжения с источниками и абонентами. Поэтому программное обеспечение идентично, с разницей только в требовании к управлению и информации с учетом ввода и вывода (например, обрабатывающие программы). КЦ 1 соединены между собой двухпроводными дублированными оптическими линиями связи 2. К каждому КЦ 1 подключены источники информации 3, а также абонентские приборы 4.

Структурная схема КЦ 1 приведена на фиг.2. Она содержит: устройство сопряжения 5, последовательно соединенное с мультиплексором/демультиплексором 6, обрабатывающим 7 и распределительным 8 блоками. Распределительный блок 8 соединен с блоком сигнализации 9 и приемопередающими блоками (ППБ) 10. Приемопередающий блок 10 соединен с электронно-оптическими преобразователями (ЭОП) 11, которые соединены с ВОЛС 12.

Устройство 5 служит для сопряжения с источниками информации и абонентскими приборами. В устройство сопряжения 5 входят: синхронно-цифровой преобразователь, аналого-цифровой и частотно-цифровой преобразователь, исполнительный механизм, воспроизводящее устройство и др.

Мультиплексор/демультиплексор 6 служит для выдачи данных и адресов источников информации. От устройства сопряжения 5 сигналы направляются к мультиплексору/демультиплексору 6, который организует среди них последовательность и передает их в обрабатывающий блок 7. Все поступающие данные имеют определенный адрес, который принадлежит соответствующему источнику.

Входная избирательная последовательность - характеристика каждого блока, зависит от количества и типа источников и их скорости передачи.

Обрабатывающий блок 7 получает данные и адреса источников информации от мультиплексора/демультиплексора, формирует адрес абонента, затем отправляет сообщение распределительному блоку. Данные могут быть переданы одному и более абонентам. Обрабатывающий блок 7 получает сообщения от распределительного блока. Это могут быть управляющие сообщения или сообщения, адресованные абонентам. Управляющие сообщения деформируются внутри системы как следствие отмены сообщений, вызванного повреждением на линий там, где сообщения адресуются абонентам.

Обрабатывающий блок идентифицирует абонента в соответствии с адресом, содержащимся в сообщении, выполняет программу для выбора адреса, содержащегося в сообщении, выполняет программу для выбора адреса вывода из демультиплексора и посылает данные адресату. Если требуется, простая обработка может быть проведена как на вводе, так и на выводе (вычисление, умножение на масштабный коэффициент, посылка сообщений только тогда, когда данные отличаются от предыдущих, 8-16 бит - обработка и т.д.).

Запрос на доступ к обрабатывающему блоку делается с использованием сигналов готовности к приему информации, поступающей или из мультиплексора, или из распределительного блока. Если запросы поступают одновременно, приоритет имеет информация, поступающая от мультиплексора. Сообщения из распределительного блока, подлежащие обработке, после нее засылаются в память последовательного обслуживания на портах обрабатывающего блока.

Распределительный блок 8 получает сообщения от обрабатывающего блока 7 и направляет их к одному из 4-х взаимно соединенных линий к остальным КЦ системы. Он также получает сообщение от 4-х распределительных линий и, в зависимости от адреса и состояния линий связи, посылает их к обрабатывающему блоку или к одному из распределительных линий связи. В случае, если сообщение не может дойти по назначению из-за повреждения линий связи, распределительный блок отменяет сообщения и вырабатывает управляющее сообщение для засылки в КЦ источника. Результатом является то, что распределительный блок получает сообщения из почты равноценных портов. Так как блоки системы работают несинхронно, сообщение может поступить в распределительный блок, даже когда последний уже занят сообщением и, следовательно, не готов к его приему.

Таким образом, что касается обрабатывающего блока, каждая линия снабжена памятью последовательного обслуживания для хранения сообщений перед тем, как они будут приняты распределительным блоком. Когда этот блок готов к отправке сообщения, он считывает соответствующее сообщение из памяти последовательного обслуживания; порт, к которому посылается сообщение, определяется адресом, портом доступа и состоянием линий связи. В случае если все памяти последовательного обслуживания не заполнены, распределительный блок 8 работает в холостом режиме в ожидании поступления сообщения по одной из линий. Только в двух случаях распределительная программа может быть прервана: при ошибке в передаче и при повреждений линий, подключенной к распределительному блоку 8. В первом случае используется вариант программы, который устраняет ошибочное сообщение и заново начинает стандартную программу. Во втором случае распределительный блок выполняет специальную программу, которая изменяет адрес порта вывода в соответствии с последними данными о состоянии линии связи.

Блок сигнализации 9 выполняет вспомогательную функцию по отношению к обрабатывающему блоку 7 и распределительному блоку 8: он указывает, какая из памятей последовательного обслуживания имеет наибольшую загрузку, варианты состояния мониторов 4-х линий, подключенных к распределительному блоку, и обнаруживает ошибки. Повреждение линий, которое имело место, например, на обоих направлениях передачи, отмечается отсутствием сигналов на линии.

Блок приемопередачи 10 передает модулированные сообщения электронно-оптическому преобразователю. В случае отсутствия таких сообщений блок 10 передает синхронизирующий (тактовый) сигнал для проверки целостности линии. Буферная память позволяет передавать сообщения в управляемом режиме со скоростью, более низкой, чем скорость в распределительном блоке при передаче слов остальным блокам. В действительности, время, затрачиваемое блоком передачи на засылку сообщений, соответствует времени, необходимому распределительному блоку 8 для выполнения полного цикла.

В режиме приема блок 10 выполняет следующие действия:

- в последовательной форме принимает сообщения от других КЦ;

- накапливает слова;

- по запросу посылает слова n-битов распределительному модулю и один бит для управления четностью;

- обнаруживает повреждение линии при приеме и посылает сигнал на ассоциированную линию передачи с целью блокировки подключенного КЦ, прекращая таким образом дальнейшую передачу по неисправной линии. Электронно-оптический преобразователь 11 включает в себя оптический передатчик и оптический приемник, К этому электронно-оптическому преобразователю 11 с одной стороны подключен двойной волоконно-оптический кабель 12, а с другой стороны - стандартный электрический разъем для электропитания системы.

Длина волны СПР λ=1.55 мм. срок службы составляет 10⁶ часов, средняя оптическая мощность, введенная в волокно, составляет около 23 дБм.

Приемник включает в себя PIN фотодиод, малошумящий усилитель с обратной связью, широкополосный усилитель, а также коммутатор как завершающий каскад.

В качестве среды передачи данных между КЦ 1 используются ВОЛС 2 с физической скоростью в линий 1 ГГц.

Работа системы осуществляется следующим образом.

Коммутационные центры 1 обрабатывают данные, которые поступают от источника к абоненту. Внешние сигналы преобразуются в параллельные цифровые с помощью соответствующих сопрягающих схем. Сигналы от местного источника направляются в мультиплексор 6, который передает их в последовательном порядке в обрабатывающий блок 7. Мультиплексор 6 добавляет также свой собственный адрес источника каждой группе данных. Эта передача информации управляется временем, тогда как входная избирательная последовательность является характеристикой каждого КЦ 1 в соответствии с количеством и типом вводимых данных и их обновленной скоростью.

Обрабатывающий блок 7 комбинирует адрес абонента по отношению к вводимым из мультиплексора 6 данным и посылает это новое сообщение распределительному блоку 8, Сообщения из обрабатываемого блока 7 передаются другим КЦ 1 с помощью блока передачи по одной из 4-х взаимосвязывающих линий в соответствии с описанным выше методом. В случае повреждения линии, распределительный блок 8 выполняет программу, которая модифицирует адрес порта вывода в соответствии с последними данными о состоянии линии.

Когда сообщение поступает в следующий блок, оно переправляется в распределительный блок 8. Последний принимает сообщения от 4-х распределительных линий и, в зависимости от адреса и состояния линий связи” которые отмечаются блоком сигнализации 9, он посылает их о обрабатывающий блок 7 и в одну из распределительных линий связи. В случае если блок сигнализации 9 показывает, что сообщение не может быть доставлено в результате повреждения линии, распределительный блок 8 устраняет сообщения и формирует управляющее сообщение для посылки в блок источника. Если сообщение поступает от одной линии и направлено абоненту блока, распределительный блок 8 посылает сообщение обрабатывающему блоку 7, который идентифицирует абонента по адресу, содержащемуся в сообщении, выполняет программу по выбору адреса вывода из демультиплексора 6 и посылает данные и адрес этому адресату. Затем мультиплексор 6 адресует эти данные надлежащему абоненту.

Время доставки сообщений в ОСОИ определяется многими факторами, и, в первую очередь, скоростью передачи информации в магистральном канале, количеством и производительностью источников, алгоритмом работы и структурой сети.

Путем несложных расчетов подсчитано время доставки сообщений в зависимости от абонентской емкости сети для системы передачи информации, представленной на фиг.3. Выбор концевой структуры сети был обусловлен энергетическими параметрами современных оптоэлектронных компонентов и кабеля, позволяющих создавать сети большой емкости при условии использования однонаправленного магистрального канала. Предполагается, что система работает в режиме коммутации пакетов информации, наиболее полно соответствующему характеру обмена между корабельными комплексами [Директоров Н.Ф., Катанович А.А. Современные системы ВКС. СПб.: - Судостроение, 2001].

Терминалы сети, принадлежащие различным функциональным комплексам, подключены к кольцевой магистрали через оборудование сборки-разборки пакетов и транспортных станций. Исходное состояние транспортных станции задается устройством управления.

Результаты расчета среднего времени задержки ОСОИ различной абонентской емкости (количества Т.), представлены на фиг.4. Они показывают, что при увеличении абонентской емкости сети в два раза (30-60 абонентов), время задержки сообщения возрастает с 15 до 26 мс, что, в основном, удовлетворяет современным требованиям. При увеличении скорости передачи информации в магистральном канале до 3, 34, 120 Мбит/с и фиксированной длине информационного пакета эффективность данной сети снижается из-за непроизводительных потерь на время распространения сигнала. Зависимость скорости передачи информационного пакета в сети от скорости передачи его в магистральном канале (фиг.5) показывает, что при сохранении длины информационного пакета и увеличения V_c до 120 Мбит/с удельное значение непроизводительных потерь составляет 0,6. Для уменьшения этих потерь необходимо увеличить длину информационного пакета до десятков килобит.

Таким образом, среднее время доставки сообщений в ОСОИ, работающую в режиме коммутации пакетов, определяется не только скоростью передачи в магистральном канале, числом и производительностью абонентов, но и длиной информационного пакета.

Для уменьшения непроизводительных потерь в сети скорость передачи в магистральном канале и длина информационного пакета должны быть сбалансированы.

Использование ОСОИ позволяет: снизить (примерно на 30%) стоимость постройки корабля; сократить протяженность кабельных трасс не менее чем в 5 раз, а количество оборудования - до 50%; значительно уменьшить массу кабеля. Кроме того, увеличится пропускная способность передачи данных и упростится объединение электронных подсистем. Жизненный цикл корабля и возможность модернизации также значительно увеличатся.

Вместо нескольких километров кабельных соединений, проектируемых специально для каждого корабля, ОСОИ сможет удовлетворять требованиям передачи информации с помощью волоконно-оптического кабеля, проложенного в соответствий с планом, который не меняется при замене электронного оборудования на корабле.

При использовании на корабле волоконно-оптического кабеля и стандартных устройств сопряжения ОСОИ с корабельными подсистемами новая аппаратура может подключаться подобно включению стандартных бытовых приборов в штепсельную розетку.

Достоинство ОСОИ заключается также в том, что ее легко демонтировать. Стандартные мультиплексные устройства сопряжения позволяют избежать затрат средств и времени на необходимость изменения подсистем с целью обеспечения их совместимости.

В ОСОИ передаются сигналы постоянной частоты, в то время как в широко известной Зарубежной системе аналогичного назначения SDMS используется частотная модуляция сигнала, требующая более сложного оборудования, в частности, преобразователя сигналов на каждом конечном пункте, что значительно повышает ее стоимость.

Предлагаемая ОСОИ оперирует стандартными цифровыми каналами, что упрощает входные и выходные устройства, уменьшая одновременно массу и стоимость оборудования. Система позволяет выполнять проверку на корабле в соответствии со схемой прокладки волоконно-оптического кабеля задолго до того, как будет окончательно определен состав корабельных подсистем.

Общекорабельная система обмена информацией, содержащая соединенные между собой волоконно-оптическими линиями связи коммутационные центры (КЦ), к которым подсоединены источники информации и абонентские приборы, отличающаяся тем, что волоконно-оптические линии связи выполнены двухпроводными, дублированными, со скорость передачи данных 1 Гбит/с, а каждый коммутационный центр выполнен в виде последовательно соединенных устройства сопряжения источников информации и абонентских приборов, устройства мультиплексор/демультиплексор, обрабатывающего блока, распределительного блока и приемопередающих блоков, входы/выходы которых через электронно-оптические преобразователи соединены с волоконно-оптической линией связи, при этом вторые выходы приемопередающих блоков соединены с блоком сигнализации, выходы которого соединены со вторым входом распределительного блока.