Радиомодем Viper-SC+ для узкополосных технологических радиосетей обмена данными УКВ-диапазона нового поколения

№ 3’2015
PDF версия
Возможности организации обмена данными на большие расстояния формализованы разрешительными документами, регулирующими использование радиочастотного ресурса и устанавливающими строгие рамки для беспроводной связи и передачи данных.

Времена «Интернета вещей» и сотовой связи очередного поколения не отменяют действия основополагающих законов радиотехники и теории информации, а лишь в очередной раз подтверждают их. Но так ли это? Хорошо известный закон Мура, которому в апреле текущего года исполнилось 50 лет, отражает быстрый рост производительности современных вычислительных средств, а также связанные с ним ускорение обработки и рост потоков данных в информационных системах. В то же время пропускная способность каналов связи, обеспечивающих функционирование этих информационных систем, растет значительно медленнее. Рост последней сдерживается не только технологическими, но и географическими факторами — средства связи и обмена данными должны функционировать на обширных территориях, зачастую с отсутствующей обеспечивающей инфраструктурой, надежно охватить которые становится все сложнее.

Поэтому возможности практического внедрения технологических достижений в области повышения скорости обмена данными при передаче их на большие расстояния оказываются весьма ограниченными. Использовать имеющие необходимую пропускную способность проводные каналы 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 — Хартли требует повышения мощности радиосигнала, а использование диапазонов более высоких частот и более широкой полосы пропускания обусловлено уменьшением дальности работы беспроводного канала связи.

Возможности 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 Мерфи… В результате задача организации надежной радиосети обмена данными на большой территории превращается в серьезную головную боль, а ее эксплуатация ассоциируется с непосильными затратами.

Однако, как поется в знаменитой песне В. Высоцкого «Честь шахматной короны», все не так уж сумрачно вблизи. Свет в конце тоннеля в вопросе оптимизации беспроводных радиосетей обмена данными в части дальности — скорости — надежности ярко вспыхнул с появлением перспективной радиотехнической платформы Viper-SC+, предназначенной для работы по узкополосным каналам в диапазоне ультракоротких волн (УКВ).

Таблица 1. Технические характеристики радиомодема Viper-SC+

Общие характеристики

Viper-SC+ 100/200/400/900

Радиомодем Viper-SC+

ОВЧ

200 МГц

Диапазон частот, МГц

136–174

215–240

Шаг сетки частот, кГц (настраивается программно)

50; 25; 12,5; 6,25

100; 50; 25; 12,5; 6,25

Тип излучения

3K30F1D; 11K2F1D; 16K5F1D; 17K8F1D; 33K0F1D; 52K7F1D

Потребляемый ток

прием, 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, °C

–30…+60

Рабочая температура, °C

–40…+70

Температура хранения, °C

–45…+85 (без образования конденсата)

Влажность, %

5–95 (без образования конденсата)

Габариты, см (Ш×Г×В)

13,97×10,80×5,40

Масса (в упаковке), кг

1,1

Рабочий режим

Симплекс/полудуплекс

Передатчик

Полоса пропускания без подстройки, МГц

38

38

Выходная мощность при напряжении 13,6 В, Вт

1–10

Время переключения с передачи на прием, мс

<1

Время переключения между каналами, мс

<15

Импеданс, Ом

50

Цикл работы на передачу, %

100

Стабильность частоты, ppm

1,0

0,5

Интерфейсы

2×RS-232 (DE-9F), 10Base-T RJ-45

Антенна

TNC (мама) — прием/передача; SMA (мама) — прием (для двупортовых устройств)

Приемник

Чувствительность, дБм
(вероятность ошибки 110–6)

100 кГц

–103 (64 кбит/с); –96 (192 кбит/с); –89 (256 кбит/с)

50 кГц

–111 (32 кбит/с); –104 (64 кбит/с); –97 (96 кбит/с); –88 (128 кбит/с)

25 кГц

114 (16 кбит/с); –106 (32 кбит/с); –100 (48 кбит/с); –92 (64 кбит/с)

12,5 кГц

–116 (8 кбит/с); –109 (16 кбит/с); –102 (24 кбит/с); –95 (32 кбит/с)

6,25 кГц

–115 (4 кбит/с); –106 (8 кбит/с); –100 (12 кбит/с)

Подавление помех по соседнем каналу, дБ

45/6,25 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 приема 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, прием/передача

Вид модуляции

2FSK, 4FSK, 8FSK, 16FSK

Адресация

IP

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 (разнесенный прием);
  • базовую станцию Viper-SC+ (140-5118-502);
  • базовую станцию Viper-SC+ (140-5318-502) повышенной надежности и живучести с резервированием всех компонентов;
  • базовую станцию Viper-SC+ (140-5318-503) повышенной надежности и живучести с резервированием всех компонентов с двумя антенными входами (разнесенный прием).
Таблица 2. Технические характеристики радиомодема Viper-SC+ base station

Общие характеристики

Viper-SC+ 100/200/400/900 base station

ОВЧ

200 МГц

УВЧ

900 МГц

Диапазон частот, МГц

136–174

215–240

406–470; 450–512

928–960

Шаг сетки частот, кГц

50; 25; 12,5 или 6,25 (настраивается программно)

50, 25 или 12,5

Тип излучения

6K00F1D, 9K30F1D, 15K3F1D

Номинальная задержка при холодном старте, с

60

Рабочее напряжение, В

10–30 постоянного тока

Рабочая температура, °С

–30…+60

Температура хранения, °С

–45…+85

Влажность, %

5–95 (без образования конденсата)

Габариты, см (Ш×Г×В)

41×12×29

Масса (в упаковке), кг

5,2

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 прием, 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×RS-232 (DE-9F), 2×10Base-T RJ-45

Антенна

N-типа (мама)

Приемник

Чувствительность, дБм
(вероятность ошибки 110–6)

100 кГц

–103 (64 кбит/с); –96 (192 кбит/с); –89 (256 кбит/с)

–100 (64 кбит/с); –93 (192 кбит/с); –86 (256 кбит/с)

50 кГц

–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

–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

–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

–115 (4 кбит/с); –106 (8 кбит/с); –100 (12 кбит/с)

Подавление помех по соседнем 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 приема 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, прием/передача

Вид модуляции

2FSK, 4FSK, 8FSK, 16FSK

Адресация

IP

Появление данной платформы в 2010 г., ее развитие и результаты эксплуатации впервые поставили под сомнение действие отдельных законов Мерфи в отношении технологических радиосетей обмена данными.

Эти законы гласят:

  • «Все не так легко, как кажется…»

Одной из непростых задач, связанных с развертыванием 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 вследствие необходимости применять преобразователи. 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, какой кажется с первого взгляда.

  • «Всякая работа требует больше времени, чем вы думаете».

При развертывании технологической радиосети настройка отдельных радиомодемов и проверка правильности настройки занимают значительное время, которое 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 (ПО) 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.

  • «Из всех возможных неприятностей произойдет именно та, ущерб от которой больше».

Наибольший ущерб при эксплуатации технологической радиосети возникает при выходе из строя базовой станции. Типовая базовая станция в типовых радиосетях поддерживает работу 12–15 удаленных объектов (технически возможно и существенно больше), вследствие чего из-за прекращения ее работы теряется контроль над значительными ресурсами. Несмотря на высокую надежность современного оборудования (среднее время наработки на отказ радиомодемов Viper-SC+ составляет около 418 000 ч*), поломки и сбои в работе неизбежны. Базовая станция повышенной надежности и живучести в случае сбоя в работе или выхода из строя одного комплекта оборудования автоматически переключает работу на резервный, что предотвращает возникновение перерыва в работе. Использование такой базовой станции позволяет на практике создать технологическую радиосеть, очень хорошо защищенную от наиболее опасных неприятностей, приносящих большой ущерб.

  • «Если четыре причины возможных неприятностей заранее устранены, то всегда найдется пятая».

Данное положение пока не удалось ни опровергнуть, ни подтвердить. В настоящее время серийно выпускается третья модификация радиомодема с версией встраиваемого программного обеспечения 3.8, в которой устранены все выявленные в процессе эксплуатации недостатки. Возможно, другие минусы проявятся позже, а пока значение параметра средней наработки на отказ только возрастает.

  • «Предоставленные сами себе события имеют тенденцию развиваться от плохого к худшему».

Техническое состояние технологической радиосети на радиотехнической платформе Viper-SC+ могут оперативно контролировать средства программно-технического комплекса (ПТК) «Балтика», предназначенного для мониторинга рабочих параметров аппаратуры, включая идентификационный номер устройства, температуру внутри корпуса, напряжение питания, уровень сигнала, принимаемого базовой станцией радиосети от удаленного 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, а также 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», если эти данные пропадают;
  • анализ отклонений 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 удаленные ретрансляторы технологической радиосети обмена данными, не подключенные непосредственно к комплексу мониторинга;
  • ведение журнала аварий, формирование и представление отчетов 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 жесткий контроль, исключающий самопроизвольное развитие ситуации по принципу «от плохого к худшему».
  • «Как только вы принимаетесь делать какую-то работу, находится другая, которую надо сделать еще раньше».

Задача организации сопровождения развернутой радиосети по своей сложности во многих случаях оказывается на порядок сложнее, чем ее первоначальное развертывание. Это ежедневный трудоемкий 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 заключается в замене блока радиомодема, которая сводится к подключению трех кабелей: антенного, информационного и питания. Такие скромные требования позволяют без труда переключаться на выполнение другой работы, которую надо сделать еще раньше.

  • «Всякое решение плодит новые проблемы».

Проектирование технологической радиосети обмена данными на базе радиотехнической платформы Viper-SC+ в настоящее время приобрело характер типовой задачи, не представляющей серьезных трудностей для подготовленного персонала. Ее внедрение связано с решением ряда организационно-технических задач, включая получение радиочастотного присвоения, процедура которого, на радость владельцам таких сетей, максимально упрощена. А вот после решения этих задач полностью теряется основание 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 собственные выводы.

______________________________________________________________________

* Данные результатов эксплуатации по состоянию на март 2014 г.: радиомодемов в эксплуатации — 19 533; проведено ремонтов — 618; проработавших без поломок в течение четырех лет — 97%; общее время наработки — 258 254 000 ч.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.