Профессиональные технологические радиосети обмена данными УКВ-диапазона и радиосети малого радиуса действия

Общая информация

В нашей стране обобщенными решениями Правительства определены для работы технологических радиосетей участки радиочастот в диапазонах ОВЧ и УВЧ.

Вместе с тем решением Государственной комиссии по радиочастотам при Министерстве информационных технологий и связи Российской Федерации от 7 мая 2007 года № 07-20-03-001 на территории страны разрешена эксплуатация радиосетей с использованием устройств малого радиуса действия на основе выделенных для свободного доступа полос радиочастот в диапазоне УВЧ. Устройство малого радиуса действия — это техническое средство, предназначенное для передачи и (или) приема радиоволн на короткие расстояния. Данные устройства применяются при условии, что они не создают помех другим радиоэлектронным средствам (РЭС) и не требуют защиты от помех со стороны других РЭС.

Основной общей характеристикой, объединяющей оба вида упомянутых радиосетей, является отсутствие необходимости оплаты передаваемой информации: в первом случае обмен данными организуется в собственной радиосети, во втором — используется радиочастотный ресурс, находящийся в свободном доступе.

В статье рассматриваются только неспециализированные (любого назначения) решения — на базе устройств малого радиуса общего применения, предназначенные для обмена цифровой информацией (радиомодемы), включая устройства дистанционного управления и передачи телеметрии, телеуправления, сигнализации, передачи данных и других подобных передач, как наиболее близкие к применяемому в составе технологических радиосетей оборудованию. Основные технические характеристики и условия использования данных устройств представлены в таблице 1.

Примечание. Введено решением ГКРЧ при Минкомсвязи России от 11.12.2013 № 13-22-08.

Как видно из таблицы, вышеуказанные устройства задействуют так называемый LPD433-диапазон (радиолюбительский диапазон 70 см). В большинстве стран мира этот диапазон разрешен к свободному использованию с некоторыми оговорками, обычно с ограничением мощности передатчика и жестко назначенными частотами для приема-передачи. При этом нельзя применять антенну с коэффициентом усиления более 0 дБи, а также внешние антенны. В диапазоне LPD433 могут и работают многие устройства различного назначения, такие как радиопульты, автомобильные радиосигнализации, безлицензионные радиостанции, для которых не требуется регистрация.

Ограничения, налагаемые на свободно продающиеся безлицензионные радиостанции, не позволяют без контроля государственных органов организовать эффективную систему связи с использованием внешних антенн и/или радиоретрансляторов.

Области применения радиосетей малого радиуса действия

Область применения радиосетей обмена данными малого радиуса действия близка по назначению к области применения технологических радиосетей и также определяется следующими оперативно-техническими возможностями и преимуществами, но с некоторыми ограничениями:

• состояние среды передачи данных не контролируется соответствующими государственными органами. Доступ к радиочастотному ресурсу производится на конкурентной основе — каждый из абонентов выходит на связь, когда у него возникает потребность, независимо от текущей загрузки каналов связи;
• ограниченная оперативная зона без возможности ретрансляции сигнала (дальность связи с установленной регулятором выходной мощностью существенно ограничена);
• отсутствие единых протоколов доступа к каналу связи, обеспечивающих совместную работу группы абонентов без взаимных помех и гарантированную доставку данных в установленные сроки в близком к реальному режиме времени;
• большее по сравнению с технологическими радиосетями время доступа к каналу передачи данных, усугубляемое более низкой скоростью обмена данными, и неприемлемые для большинства автоматизированных систем задержки в доставке данных;
• относительно низкая безопасность данных, функционирующих в технологической радиосети (применяемые технологии имеют слабую защиту от подавления или перехвата, поскольку работа ведется на общедоступном оборудовании и в каналах общего пользования);
• существенно более низкая, чем у технологических радиосетей обмена данными, совокупная стоимость владения (за счет более низкой стоимости оборудования, затрат на проектирование радиосетей, отсутствия инфраструктуры и необходимости оформлять радиочастотное присвоение);
• независимость от «чужой» инфраструктуры связи и возможность развивать ее исходя из реальных требований (радиосеть может разворачиваться в любом районе без предварительного согласования с регулятором);
• совместимость с разнородным оборудованием сбора и обработки данных по широко применяемым и детально отработанным интерфейсам;
• простота перемещения, оперативность развертывания в новом районе (не требуется развертывание дополнительной инфраструктуры);
• возможность эксплуатации в жестких условиях (определяется моделями выбранного для работы оборудования).
• Преимуществами радиосетей обмена данными малого радиуса действия являются:
• быстрое развертывание сети и установление связи, поскольку отсутствует необходимость тратить время на оформление радиочастотного присвоения;
• относительно невысокие первоначальные затраты;
• возможность использовать весь выделенный спектр частот.

К недостаткам радиосетей обмена данными малого радиуса действия относятся:

• работа неограниченного количества пользователей в совмещенном диапазоне частот и, как следствие, наличие интерференционных помех и относительно низкое качество передачи;
• необходимость тщательного изучения радио­электронной обстановки и продуманного территориально-частотного планирования размещения оборудования;
• необходимость урегулирования отношений с другими пользователями с целью уменьшения взаимного влияния при работе в радиосети.

Основными пользователями радиосетей обмена данными малого радиуса действия являются:

• радиолюбители;
• промышленность и транспорт, где они применяются для управления телемеханическими устройствами и аппаратурой сбора телеметрической информации, а также обеспечения работы противопожарных и охранных систем.

В настоящее время ведутся работы по внедрению рассматриваемых устройств в медицинских учреждениях.

Наиболее широкое распространение в России такие радиосети получили на предприятиях топливно-энергетического комплекса, в дорожных службах, на стационарных и подвижных объектах промышленности.

Сравнение технологических радиосетей обмена данными и радиосетей малого радиуса действия

Попытка сравнения оперативно-технических возможностей оборудования для технологических радиосетей управления и сбора данных и аппаратуры радиосетей обмена данными малого радиуса действия может показаться не совсем корректной, однако представляется вполне обоснованной, поскольку нередко пользователь стоит перед дилеммой выбора того или иного решения для своей задачи.

В рамках настоящей статьи для сравнения взяты технические характеристики радиомодемов (по два для каждой категории), обеспечивающих обмен данными по последовательному и сетевому интерфейсам. Основные технические характеристики оборудования представлены в таблицах 2 и 3.

В процессе расчетов при сравнительном анализе были приняты следующие условия:

• Для сравнения выбраны пары радиомодемов, имеющие одинаковые характеристики в части шага сетки радиочастот и работающие в УВЧ-диапазоне.
• Оценка выполнена для работы на минимальной и максимальной скоростях обмена данными с учетом потерь при прохождении в воздушной среде. Баланс сигнала для антенно-фидерного устройства не учитывался, несмотря на то, что для достижения соответствующей дальности работы требуется подвес приемопередающих антенн на относительно большой высоте, что связано с потерями сигнала в кабельной системе. В технологической радиосети обмена данными допускается применение антенн с коэффициентами усиления более 0 дБ, что позволяет не только компенсировать потери, но и увеличить мощность выходного сигнала, существенно улучшив параметры по дальности и надежности связи.
• Расчеты дальности связи выполнялись только по балансу сигналов, без учета необходимости обеспечения электромагнитной доступности (например, для случая установки антенны на борту летательного аппарата, находящегося на требуемой для организации связи высоте, обеспечивающей прямую радиовидимость).

Сравнительные данные по оперативно-техническим параметрам радиосетей при минимальных скоростях обмена данными представлены таблицах 4–7.

Значительная часть современных АСУ предъявляет достаточно жесткие требования к надежности и своевременности доставки данных. Действительно, на практике вероятность приема сообщения, равная 0,9, означает снижение пропускной способности радиосети (каждое десятое сообщение должно дублироваться, а это требует времени и сетевых ресурсов). В связи с этим при проектировании радиосетей обмена данными целесообразно ориентироваться на вероятность принятия сообщения не ниже 0,99.

Следует отметить, что представленные выше данные получены в результате расчетов для идеальных условий работы радиосети. На практике такие условия выполняются крайне редко, если не сказать никогда. Более того, идеальные на данный период условия могут серьезно измениться через некоторое время, а ведь радиосеть должна надежно функционировать на протяжении длительного периода. Значит, на этапе ее проектирования необходимо предусмотреть запас по мощности сигнала. В профессиональных технологических радиосетях обмена данными сделать это совсем несложно, а вот в радиосетях обмена данными малого радиуса действия такие возможности серьезно ограничены максимально допустимой мощностью транслируемого в эфир радиосигнала.

Но самым важным отличием в условиях эксплуатации вышеуказанных радиосетей является используемая среда передачи.

В случае с профессиональной технологической радиосетью обмена данными работа организуется на специально выделенных номиналах радиочастот, право на использование которых принадлежит только владельцу радиосети на основании полученного им радиочастотного присвоения. Только владелец радиосети определяет порядок применения имеющихся у него радиочастотных ресурсов, исходя из собственных потребностей. Только он определяет количество подключаемых к радиосети абонентов, распределяет сетевые ресурсы, выделяемые для каждого абонента, устанавливает приоритеты и предусматривает особенности в работе. Отсутствие промышленных помех или помех от других пользователей на этих частотах контролируется государством, а возникающие помехи устраняются регулятором.

С радиосетями обмена данными малого радиуса действия ситуация кардинально отличается: неконтролируемое количество пользователей делят между собой имеющийся ограниченный радиочастотный ресурс на конкурентной основе. Единственным существенным ограничением является максимально допустимая выходная мощность работающих устройств. При этом свободный еще вчера радиоэфир уже сегодня может быть полностью загружен: к работе в эфире дисциплинированных радиолюбителей добавятся рабочие переговоры служб безопасности и логистики, сигналы охранной и пожарной сигнализации, сообщения АСУ соседнего предприятия, работа безлицензионных радиостанций охотников, рыболовов, грибников. Следует отметить, что в борьбе за надежность связи отдельные пользователи частенько норовят увеличить допустимую выходную мощность своих радиотехнических средств, невзирая на действующие ограничения. В результате в эфире возникает неконтролируемый хаос, который не идет на пользу ни одной автоматизированной системе.

Значительная часть автоматизированных систем управления и сбора данных предназначена для выполнения ответственных задач и предъявляет жесткие требования к обеспечивающим ее работу средствам обмена данными, включая детерминированные задержки. В связи с вышеуказанным использование радиосетей малой дальности для обеспечения их работы становится невозможным. Однако в случаях, когда такая радиосеть разворачивается на контролируемой территории (например, территории промышленного предприятия или в закрытой для общего доступа зоне), исключающей возможность выхода в эфир радиотехнических средств других пользователей, применение устройств малой дальности может оказаться целесообразным и эффективным.

Выводы

1. Задачи удаленного управления и сбора данных в современных АСУ могут решаться с использованием узкополосных профессиональных и любительских (малой дальности) радиомодемов, работающих в УКВ-диапазоне, которые обеспечивают подключение внешнего оборудования (контроллеров, датчиков, исполнительных устройств) по последовательному и сетевому интерфейсам.
2. Проектирование и создание рассматриваемых радиосетей должно выполняться с учетом требований по надежности доставки информации, которая существенно влияет на дальность связи. При расчетах целесообразно ориентироваться на вероятность доставки данных не ниже 0,99.
3. Расчетная дальность работы рассматриваемого оборудования по энергетическим характеристикам при наличии прямой радиовидимости и с заданной надежностью колеблется в широких пределах и может составлять до 5,5 км (при скорости обмена данными 1,2 кбит/с) для радиосетей на оборудовании малой дальности и нескольких сот километров (при скорости обмена данными 9,6 кбит/с) для профессиональных радиомодемов. На максимально допустимых скоростях обмена данными дальность связи составит не более 1,95 и 155 км соответственно.
4. При построении радиосетей для ответственных АСУ целесообразно создавать технологические радиосети на профессиональных узкополосных радиомодемах УКВ-диапазона. Устройства малой дальности для решения таких задач следует использовать на контролируемых территориях, в зонах, где исключается работа посторонних радиотехнических средств.