Способ средневолновой многоканальной зоновой сети двусторонней мобильной автоматической радиосвязи с временным разделением режимов приема и передачи сообщений

Способ средневолновой многоканальной зоновой сети двусторонней мобильной автоматической радиосвязи с временным разделением режимов приема и передачи сообщений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для одновременной двусторонней мобильной автоматической радиосвязи большого числа абонентов, использующих параллельные частотно-разнесенные радиоканалы в общей ограниченной полосе частот (например, в полосе однополосного телефонного канала связи) для передачи дискретных сообщений на территории зоны, граница которой может находиться далеко за пределами прямой видимости между антенной базовой радиостанции и антеннами периферийных радиостанций.

Предлагаемый способ реализации зоновой сети радиосвязи определяет алгоритм взаимодействия базовой радиостанции с абонентскими радиостанциями, а также виды модуляции в используемых для связи сигналах и методы кодирования сообщений как со стороны базовой, так и со стороны абонентских радиостанций.

Технический результат изобретения заключается в создании средневолновой многоканальной зоновой сети двусторонней мобильной автоматической радиосвязи с временным разделением режимов приема и передачи сообщений, которая дает возможность в одной и той же ограниченной полосе частот одновременно обмениваться дискретными сообщениями большому количеству абонентов, которые находятся на значительном удалении друг от друга и используют малогабаритные возимые и носимые антенны, не требующие высокого подъема над поверхностью Земли при проведении сеансов связи на больших расстояниях, не удовлетворяющих требованиям прямой видимости между антеннами передающей и приемной радиостанций.

Абонентские радиостанции имеют относительно маломощные передатчики и передача сообщений с их стороны осуществляется сигналами с предельно низкой скоростью с целью повышения как помехоустойчивости каналов связи, так и с целью размещения максимально большого числа абонентов в полосе частот, отведенной для работы сети радиосвязи. Сигналы со стороны абонентских радиостанций передаются одновременно по параллельным каналам на частотах, удовлетворяющих требованию обеспечения взаимной ортогональности этих сигналов.

Базовая радиостанция имеет передатчик относительно большой мощности, который позволяет передавать сообщения на большие расстояний с высокой скоростью в режиме уплотнения по времени и с использованием обычных методов манипуляции, например методов двухпозиционной или многопозиционной фазовой манипуляции.

Широко известны УКВ зоновые системы связи, получившие название «транкинговые сети» [Карташевский В.Г., Семенов С.Н., Фирстова Т.В. Сети подвижной связи. - М.: Эко-Трендз, 2001 г.]. Большим недостатком этих УКВ зоновых систем связи является то, что радиосигнал способен распространяться только в пределах прямой видимости между антеннами взаимодействующих радиостанций, что имеет место лишь на относительно небольших расстояниях, которые практически не могут быть увеличены за счет повышения мощности передатчиков УКВ радиостанций. Расстояние L, на котором возможна двусторонняя радиосвязь при использовании УКВ систем связи, оценивается по общеизвестной формуле [Калинин А.И., Черенкова Е.Л. Распространение радиоволн и работа радиолиний. - М.: Из-во «СВЯЗЬ», 1971 г. Стр. 31.] как функция высоты подъема антенн h₁ и h₂ взаимодействующих радиостанций:

Например, базовая УКВ радиостанция, имеющая антенну, поднятую на высоту 100 м, может обеспечить связь с автомобилем, у которого антенна расположена на его крыше на высоте 2.5 м относительно Земли, на расстоянии всего 41.34 км. При этом базовая УКВ радиостанция с такого рода антенной не может быть подвижной, а является стационарной.

В предлагаемом ниже способе реализации зоновой сети радиосвязи используются гектометровые радиоволны, которые способны распространяться за пределы горизонта на многие десятки и сотни километров за счет явления дифракции и при этом не требуется высокоподнятых антенн. Важно отметить, что в предлагаемом варианте построения зоновой сети связи базовая радиостанция может так же, как и абонентские радиостанции, быть подвижной, расположенной на любом виде транспорта.

Известна декаметровая активная пейджинговая система радиосвязи с удаленными базовыми ретрансляторами, которая способна покрывать зоны обслуживания с радиусом до 1000 км и более [Хазан В.Л. Декаметровая активная пейджинговая система радиосвязи с удаленными базовыми ретрансляторами // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника, 2005, №2, с. 53-59]. В этой системе связь между абонентами осуществляется через декаметровый вынесенный за пределы зоны ретранслятор, который является стационарным и размещается на удалении от обслуживаемой зоны на расстоянии порядка 2000-3000 км, соответствующем наиболее благоприятной для распространения декаметровых радиоволн односкачковой радиотрассе, что требует достаточно больших материальных затрат. При этом перемещение абонентов в пространстве в случае ограниченного числа базовых ретрансляторов может привести к непредсказуемому выходу какого-либо из абонентов из обслуживаемой ретрансляторами зоны и нарушению для него двустороннего режима радиосвязи. Кроме того, каналы прямой и обратной связи в этой системе разнесены по частоте, что требует удвоенного частотного ресурса для организации ее работы.

Предлагаемый вариант построения зоновой сети радиосвязи имеет собственный мобильный базовый ретранслятор, что дает возможность при необходимости перемещать всю обслуживаемую зону вместе с базовым ретранслятором в нужном направлении, что бывает очень важно при проведении, например, геологических, геодезических экспедиций и других разного рода поисковых работ. Режимы приема и передачи сообщений базовыми ретрансляторами и абонентскими радиостанциями разнесены во времени, что обеспечивает электромагнитную совместимость приемных и передающих устройств, расположенных в непосредственной близости друг от друга, при двусторонней радиосвязи на одной и той же рабочей частоте. Передача сообщений со стороны абонентских радиостанций с учетом отсутствия в гектометровом диапазоне сосредоточенных по спектру помех и селективных замираний при распространении сигнала поверхностной радиоволной открывает возможность воспользоваться для передачи дискретных сообщений режимом амплитудной манипуляции, позволяющим в два раза по сравнению с частотной манипуляцией экономить частотные ресурсы.

Прототипом предлагаемой зоновой сети связи может служить «Способ зоновой дуплексной связи с временным разделением каналов приема и передачи» по патенту RU №2507683 от 20.02.2014 г., который предлагается использовать в различных диапазонах, в том числе на коротких и на средних радиоволнах. Данный способ обеспечивает дуплексную связь на одной частоте для голосового режима связи. Базовая и абонентские радиостанции работают с постоянным периодическим переключением режимов «прием»/«передача». Каждую из абонентских радиостанций в режиме ведения связи периодически переключают с приема на передачу с частотой, находясь в течение интервала времени ТПРД=Т₁ в режиме передачи и в течение интервала времени ТПРМ=Т₂ в режиме приема, при этом период времени переключения радиостанций равен Т=Т₁+Т₂. Синхронизация как вызывающей, так и вызываемой абонентских радиостанций с ретранслятором базовой станции обеспечивается таким образом, чтобы интервал времени передачи абонентской радиостанции соответствовал интервалу времени приема базовой станции и наоборот, чтобы интервал времени приема абонентской радиостанции соответствовал интервалу времени передачи базовой станции. Для обеспечения такого рода режима дуплексной связи перед передачей сообщения на абонентской радиостанции требуется произвести компрессию во времени голосового сообщения, а на принимающей это сообщение абонентской радиостанции произвести восстановление принятого сообщения, т.е. его декомпрессию и воспроизведение с помощью динамика. Для комфортного общения абонентов дуплексной сети в голосовом режиме с временным разделением каналов приема и передачи требуется достаточно высокоскоростное переключение радиостанций из режима «прием» в режим «передача» и обратно. Допустимая задержка доставки сообщения не может превышать 0.5 с. С учетом реализации режима компрессии на передающей стороне радиолинии и декомпрессии на принимающей стороне радиолинии необходимо производить периодические переключения радиостанций из одного режим в другой каждые 0.2 с. При этом необходимо, чтобы сам процесс переключения занимал минимально возможное время. Для каждого индивидуального речевого канала связи в такого рода системе требуется своя собственная рабочая частота. Поэтому данный способ не может обслуживать одновременно при ограниченном частотном ресурсе большое число абонентов.

Предлагаемый способ средневолновой зоновой сети двусторонней автоматической радиосвязи с временным разделением каналов приема и передачи предназначен для одновременной передачи дискретных сообщений от большого числа абонентов в ограниченной полосе частот. Так как задержка информации при передаче дискретных сообщений не является существенным фактором, то переключение радиостанций можно производить значительно реже по сравнению с телефонной линией связи, например с частотой 1 раз в секунду или еще реже.

На Фиг. 1 изображена структурная схема средневолновой зоновой сети, обеспечивающей двустороннюю радиосвязь между большим числом абонентов.

На Фиг. 2 показан способ частотного уплотнения канала связи с использованием взаимно ортогональных сигналов.

На Фиг. 3 приведены временные диаграммы передаваемой бинарной последовательности, соответствующей ей кодовой последовательности с использованием абсолютного бинарного сигнала и соответствующего радиосигнала на выходе передатчика.

На Фиг. 4 приведены временные диаграммы передаваемой бинарной последовательности, соответствующей ей кодовой последовательности с использованием времяпозиционного кода и соответствующего радиосигнала на выходе передатчика.

На Фиг. 5 показано распределение во времени функций сигналов, передаваемых как базовой ретрансляционной радиостанцией, так и абонентскими радиостанциями.

На Фиг. 6 изображен пеший оператор, который ведет голосовую связь с использованием малогабаритной приемопередающей ферритовой антенны.

На Фиг. 7 приведена фотография автомобиля с возимой малогабаритной приемопередающей ферритовой антенной, рассчитанной на работу с передатчиком, имеющим мощность 100 Вт.

На Фиг. 8 приведены результаты трассовых испытаний малогабаритных приемопередающих ферритовых антенн в виде зависимости перекрываемого расстояния от мощности передатчика при ведении как голосовой связи (сплошная линия), так и при передаче дискретных сообщений (верхняя пунктирная линия).

С целью обеспечения максимально высокой помехоустойчивости скорость передачи со стороны абонентских радиостанций выбирается минимально возможная, например 4 бода, а вид манипуляции - амплитудная манипуляция с использованием абсолютных биимпульсных сигналов (патент RU №2454015 от 20.06.2012 г.) или сигналов с частотно-временным позиционным кодированием (патент RU №2519011 от 10.06.2014 г.). Это позволяет абонентам сети, например, в одной боковой полосе телефонного канала связи передавать сообщения одновременно по 750 подканалам, используя взаимно ортогональные сигналы, частоты которых отстоят друг от друга на расстоянии, кратном величине Δf, обратной длительности элемента сообщения Тэ, т.е. Δf=1/T_э, как это показано на Фиг. 2. При этом интервалы времени передачи сообщений как со стороны абонентских радиостанций, так и со стороны базовых ретрансляционных радиостанций кратны длительности элемента сообщения Т_э.

Отдельно взятые подканалы закреплены постоянно за отдельными пользователями, которые в этом случае беспрепятственно и независимо друг от друга могут выходить на связь в любое время.

Передача сообщения со стороны абонентской радиостанции осуществляется, например, с помощью абсолютных биимпульсных сигналов, когда при передаче символа «1» формируется последовательность «10», а при передаче символа «0» формируется последовательность «01», как показано на Фиг. 3, или, наоборот, при передаче символа «1» формируется последовательность «01», а при передаче символа «0» формируется последовательность «10». Возможна передача сообщения с использованием, например, времяпозиционного кодирования, когда каждая временная позиция передаваемого сигнала соответствует определенному знаку, как показано на Фиг. 4, или же каким-либо другим методом. Очевидно, что с точки зрения экономии энергии источника питания вариант кодирования передаваемого сообщения, соответствующий Фиг. 4, более предпочтителен по сравнению с вариантом, соответствующим Фиг. 3. Однако вариант кодирования, соответствующий Фиг. 4, проигрывает по помехоустойчивости варианту кодирования, соответствующему Фиг. 3, порядка 3 дБ. Поэтому при благоприятных условиях связи целесообразно использовать времяпозиционный код, а при неблагоприятных условиях, например при связях на предельно больших расстояниях, следует воспользоваться абсолютными биимпульсными сигналами, обеспечивающими более высокую помехоустойчивость передачи сообщений.

Со стороны базовой радиостанции, имеющей на два порядка большую мощность по сравнению с абонентскими радиостанциями, скорость передачи сообщения в режиме фазовой манипуляции (например, по патенту RU №2391787 от 10.06.2010 г.) в соответствующее число раз может превышать скорость передачи сообщений со стороны периферийных радиостанций без ущерба для требуемой надежности доставки сообщений, т.е. составлять в случае использования двухпозиционной/четырехпозиционной фазовой манипуляции 2400/4800 бит/с. При необходимости, интервал времени передачи сообщения со стороны базовой радиостанции Т₂ может быть выбран в нужное число раз большим интервала T₁ передачи сообщения со стороны абонентских радиостанций. Таким образом, имеется возможность уравновешивания разности скоростей передачи сообщений как со стороны абонентских радиостанций, так и со стороны базовой радиостанции даже в случае 100% загрузки радиолинии.

На Фиг. 5 приведены структуры сигналов, передаваемых как базовой ретрансляционной радиостанцией, так и абонентскими радиостанциями. Каждый фрагмент сообщения, соответствующий режиму «передача» со стороны базовой ретрансляционной радиостанции, начинается с команды, которая синхронизирует все процессы в зоновой сети, т.е. определяет время переключения всех абонентских радиостанций в режим «прием»/«передача» и одновременно начало передачи абонентскими радиостанциями элементарных посылок (тактовая синхронизация сети), а также сигнализирует о времени начала передачи очередных знаков (цикловая синхронизация сети). Абонентские радиостанции начинают передачу сообщений с команды «вызов», за которой следуют «адрес вызываемого абонента» и «собственный адрес», после которых передается информационное сообщение, заканчивающееся командой «конец передачи сообщения».

Для возможности обеспечения мобильности сети связи в ней используются малогабаритные ферритовые антенны, изготовленные, например, по патенту RU №2413344 от 10.06.2010 г. На Фиг. 6 изображен пеший оператор, который ведет голосовую связь с использованием такого рода малогабаритной приемопередающей ферритовой антенны. Дальность голосовой связи на реальной трассе при мощности передатчика 1 Вт составляет 20 км. При передаче сообщений в телеграфном режиме это расстояние увеличивается во много раз. На Фиг. 7 приведена фотография автомобиля с возимой приемопередающей ферритовой антенной, которая обеспечивает голосовую связь при мощности передатчика 100 Вт на расстоянии до 200 км и более. При передаче сообщений в телеграфном режиме это расстояние также увеличивается во много раз. На Фиг. 8 приведены результаты трассовых испытаний приемопередающих ферритовых антенн в виде зависимости перекрываемого расстояния от мощности передатчика при ведении как голосовой связи (сплошная линия), так и при передаче дискретных сообщений (верхняя пунктирная линия).

Предлагаемый способ средневолновой зоновой сети двусторонней автоматической радиосвязи с временным разделением каналов приема и передачи может быть полезен при разработке систем связи для различных ведомств. Например, МЧС нуждается в системах мониторинга потенциально опасных объектов, в которых может использоваться предлагаемая сеть связи. В этом же министерстве требуются системы оповещения населения о возможной опасности и системы передачи сигналов тревоги. Во всех этих системах в качестве канала радиосвязи может быть использована сеть связи, которая разработана на вышеописанных принципах. Данная сеть радиосвязи может быть использована в боевых подразделениях Минобороны как для оповещения о возможной опасности, так и для мониторинга вооружения, в том числе транспорта. Геологи, геодезисты, жители регионов с низкой плотностью населения могут с помощью предлагаемого варианта построения сетей связи гектометрового диапазона радиоволн снизить дефицит требуемых каналов беспроводной радиосвязи во многих удаленных от областных центров регионах.

Способ средневолновой зоновой сети двусторонней радиосвязи с временным разделением режимов приема и передачи сообщений, при котором каждую из абонентских радиостанций в режиме ведения связи периодически переключают с приема на передачу и обратно с частотой 1/(ΔT₁+ΔT₂), находясь в течение интервала времени ΔT₁ в режиме передачи и в течение интервала времени ΔТ₂ в режиме приема, а синхронизацию как вызывающей, так и вызываемой абонентских радиостанций с базовой ретрансляционной радиостанцией обеспечивают таким образом, чтобы интервал времени передачи абонентской радиостанции соответствовал интервалу времени приема базовой ретрансляционной радиостанции и наоборот, чтобы интервал времени приема абонентской радиостанции соответствовал интервалу времени передачи базовой ретрансляционной радиостанции, отличающийся тем, что в полосе пропускания частот канала связи имеется N подканалов на поднесущих частотах, разнящихся друг от друга на величину кратную Δf Гц, по которым от абонентских радиостанций, имеющих маломощные передатчики, на низкой скорости, обеспечивающей высокую помехоустойчивость, одновременно автоматически передаются через базовую ретрансляционную радиостанцию дискретные сообщения взаимно ортогональными сигналами, имеющими длительность элементарных посылок T_э=1/(Δf), а базовая ретрансляционная радиостанция работает большой мощностью на высокой скорости в режиме уплотнения во времени, когда принятые от абонентских радиостанций сообщения передаются базовой ретрансляционной радиостанцией адресатам поочередно последовательно во времени, при этом сигнал для тактовой и цикловой синхронизации, а также сигнал для переключения режимов «передача»/«прием» сообщений всем абонентским радиостанциям зоновой сети радиосвязи периодически передается со стороны базовой ретрансляционной радиостанции, а абонентские радиостанции, при выходе на связь, передают вызывной сигнал, адрес вызываемой абонентской радиостанции, собственный адрес, само сообщение и в конце передаваемого сообщения команду, соответствующую окончанию передачи сообщения.