В настоящей статье рассматриваются некоторые вопросы, связанные c созданием узкополосных технологических радиосетей обмена данными УКВ-диапазона повышенной надежности и живучести для ответственных систем. Описаны особенности построения и функциональные возможности таких радиосетей, и дано их краткое сравнение с проводными сетями аналогичного назначения. Статья предназначена для специалистов, связанных с организацией связи на объектах повышенной опасности, а также обеспечением функционирования автоматизированных систем управления на важных распределенных объектах.

Общие сведения

Надежность1 и живучесть2 являются наиболее важными требованиями к средствам обмена данными, применяемым для обеспечения функционирования устройств автоматизации в ответственных системах, в том числе, разворачиваемых на критически важных объектах3, к которым относятся:

  • ядерно-опасные (атомные электростанции, предприятия ядерно-оружейного комплекса);
  • радиационно-опасные (спецкомбинаты «Радон», места хранения жидких радиоактивных отходов, отработанного ядерного топлива);
  • химически-опасные (предприятия нефтехимического, металлургического, машиностроительного, радио- и электротехнического и оборонного производства, пищевой промышленности);
  • биологически-опасные (крупные предприятия по производству, переработке и хранению сельхозпродукции, фармацевтические комплексы);
  • техногенно-опасные (крупные железнодорожные узлы, морские порты, аэропорты в крупных городах, метрополитены, мосты и тоннели длиной более 500 м, крупные гидротехнические сооружения промышленного и водохозяйственного назначения, объекты топливо-энергетического комплекса, тепловые электростанции и магистральные линии электропередач);
  • пожаро-взрывоопасные (магистральные газо-, нефте- и продуктопроводы, газокомпрессорные и нефтеперекачивающие станции, а также хранилища сжиженных газов и нефти, крупные предприятия по производству и переработке жидкофазных или твердых взрывоопасных материалов)

Принято считать, что эффективнее всего данные требования выполняются с использованием проводных средств связи и обмена данными. Такие средства позволяют быстро и надежно передавать информацию на большие расстояния, а отработанные и освоенные современные технологии в области связи значительно упрощают этот процесс. В общем случае, волоконно-оптический или медный кабель, который является средой передачи данных, обладает достаточно высокой защитой и может эксплуатироваться на протяжении длительного периода времени. А вот беспроводная связь между объектами на земной поверхности организуется с использованием в качестве среды передачи атмосферу, которую, в отличие от кабеля, нельзя «увидеть и пощупать», а потому и считать надежной. Но именно среда передачи является наиболее слабым звеном проводных систем технологической связи4 по сравнению с беспроводными.

Кабельная система является искусственным сооружением, предназначенным для длительной эксплуатации. В связи с этим она постоянно подвергается воздействию окружающей среды. А природа всегда берет свое: сезонные подтопления часто приводят к снижению характеристик кабеля или нарушениям связи, проложенные в потернах кабели подвергаются атакам грызунов и могут быть легко повреждены при проведении работ, воздушные линии связи рвутся в результате обледенения. Даже пожаробезопасные кабели поддерживают распространение огня между помещениями и закрытыми зонами. Использование кабельных средств связи в районах вечной мерзлоты, ставшая весьма актуальной в связи с промышленным и военным освоением Арктики, – это вообще отдельная тема. Со временем кабель теряет свои характеристики в результате старения материалов, из которых он изготовлен. Поиск и устранение неисправностей в распределенной кабельной сети связаны с серьезными трудностями и затратами усилий и времени, поскольку при этом недостаточно просто определить место аварии, но необходимо получить доступ к нему. В случае техногенных аварий или природных катастроф кабельные системы оказываются наиболее уязвимыми. Так во время землетрясения в Новой Зеландии в 2016 году первыми были полностью выведены из строя волоконно-оптические линии связи. Это обусловлено особенностями, связанными с требованиями к их прокладке, обеспечивающими минимальные потери при передаче информации. Кабельные линии связи на медных кабелях пострадали в меньшей степени, но нанесенный ущерб не позволил продолжить их дальнейшую эксплуатацию без серьезных ремонтно-восстановительных работ. В связи с этим ответственные объекты были переведены на работу через резервные беспроводные сети связи, а использовавшие технологические радиосети обмена данными в качестве основных продолжили их эксплуатацию, на отдельных объектах – после незначительных ремонтно-восстановительных работ.

Среда передачи данных узкополосных технологических радиосетей УКВ-диапазона является естественной и не требует усилий и затрат на поддержание ее характеристик. Природные явления практически не влияют на рабочие параметры такой радиосети, которые остаются стабильными на протяжении всего периода эксплуатации, как в обычной обстановке, так и в чрезвычайных ситуациях, а порядок ее использования контролируется государством, что позволяет применять технологическую радиосеть обмена данными в ответственных системах в качестве основной или резервной.

Особенности технологической радиосети для ответственных систем

Узкополосные технологические радиосети обмена данными широко применяются в проектах, в которых использование проводных сетей оказывается невозможным или нецелесообразным. Область применения технологических радиосетей обмена данными определяется их следующими основными оперативно-техническими возможностями и преимуществами:

  • гарантированная надежность работы (радиосеть создается и управляется ее владельцем с учетом его персональных требований к надежности функционирования);
  • высокая живучесть радиосети в различной обстановке (требование к живучести закладывается на этапе проектирования радиосети ее владельцем, и, как правило, оказывается выше, чем в радиосетях общего пользования);
  • рабочая зона, полностью перекрывающая район использования подключенных к радиосети оконечных устройств, как правило, объединенных в автоматизированную систему управления (реально построенные технологические радиосети имеют оперативную зону более миллиона кв. км);
  • применение детерминированных протоколов обмена данными, поддерживающих работу в близком к реальному режиму времени и обеспечивающих гарантированную доставку данных в установленные регламентом работы радиосети сроки;
  • относительно небольшое время доступа к каналу передачи данных, обеспечивающее незначительные и приемлемые для большинства автоматизированных систем задержки в доставке данных;
  • высокая безопасность данных, функционирующих в технологической радиосети (применяемые технологии обеспечивают защиту от подавления, перехвата или несанкционированного доступа к работе в составе технологической радиосети);
  • относительно низкая стоимость эксплуатации;
  • независимость от «чужой» инфраструктуры связи и возможность развивать ее исходя из реальных требований (радиосеть принадлежит эксплуатирующей ее организации, параметры ее работы и оперативная зона могут изменяться ею самостоятельно);
  • совместимость с разнородным оборудованием сбора и обработки данных по широко применяемым и детально отработанным интерфейсам;
  • простота перемещения и оперативность развертывания в новом районе;
  • возможность эксплуатации в жестких условиях окружающей среды.

Учитывая высокую надежность среды передачи, основной технической задачей применительно к ответственным системам является обеспечение необходимого уровня надежности и живучести собственно радиосети и используемых в ее составе программно-технических средств.

Радиотехническая платформа Viper-SC+

Радиотехническая платформа Viper-SC+ представляет собой одну из наиболее современных и перспективных разработок американской компании CalAmp, де-факто ведущего мирового производителя радиомодемов. Вышеуказанная платформа (технические характеристики оборудования представлены в таблицах 1 и 2), использующая для работы IP-протокол, включает в себя:

  • радиомодем Viper-SC+ (140-5018-5025) с одним антенным входом;
  • радиомодем Viper-SC+ (140-5018-503) с двумя антенными входами;
  • 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.

Таблица 1. Технические характеристики радиомодема Viper-SC+

Общие характеристики

Viper-SC+ 100/200/400/900

vyp1201-01

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:

- 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, град. C

от -30 до +60

Рабочая температура, град. C

от-40 до +70

Температура хранения, град. C

от-45 до +85, без образования конденсата

Влажность, %

5-95, без образования конденсата

Габаритные размеры, см

13,97 (Ш) х 10,80 (Г) x 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 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 x RS-232 (DE-9F), 10Base-T RJ-45

Антенна

TNC (мама) - прием/передача;

SMA (мама) - прием (для двухпортовых устройств)

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 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, 4 FSK, 8FSK, 16FSK

Адресация

IP

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

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. C до +60 град. C

Температура хранения

-45 град. C до +85 град. C

Влажность

5-95% без образования конденсата

Габаритные размеры

41 (Ш) х 12 (Г) x 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 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 x RS-232 (DE-9F), 2 х 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 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, 4 FSK, 8FSK, 16FSK

Адресация

IP

Совместно с техническими средствами радиотехнической платформы Viper-SC+ может использоваться получившая широкое распространение в странах СНГ российская программа мониторинга технического состояния радиосети «Балтика».

Технологическая радиосеть обмена данными УКВ-диапазона для ответственных систем на базе радиотехнической платформы Viper-SC+

Рассматриваемая радиосеть поддерживает все известные топологии, включая наиболее часто применяемую - «точка – много точек». Основу сети составляет базовая станция Viper-SC+ base station. Необходимый уровень надежности и живучести достигается применением соответствующей конфигурации базовой станции, предполагающей использование одного или двух приемо-передающих блоков.

Типовая радиосеть на радиотехнической платформе Viper-SC+ обеспечивает обмен на заданной скорости, выполняя опрос удаленных объектов по установленному графику, либо прием информации базовой станцией по инициативе удаленных объектов (при подключении по порту Ethernet). Базовая (минимальная) надежность функционирования такой радиосети достигается правильным проектированием, учитывающим баланс радиосигнала для каждого подключенного к радиосети объекта при наихудших условиях, а также высокими техническими характеристиками оборудования (среднее время наработки на отказ радиомодемов Viper-SC+ составляет около 418 000 часов6), эксплуатация которого допускается в жестких условиях окружающей среды.

Однако поломки и сбои в работе неизбежны, ведь среднее время эксплуатации технологической радиосети без ее модернизации составляет не менее 12 лет. В связи с этим при разработке радиотехнической платформы Viper-SC+ были предусмотрены дополнительные меры, обеспечивающие повышение надежности и живучести радиосети за счет сокращения возможных простоев, обеспечения непрерывной работы при снижении уровня принимаемого сигнала и в условиях помех, «горячего» резервирования аппаратуры, превентивного выявления предпосылок к сбоям и выходам аппаратуры из строя и оперативной ликвидации аварий.

Программная настройка

Значительное время при развертывании технологической радиосети и восстановлении ее работоспособности занимает настройка отдельных радиомодемов и проверка правильности настройки. Время, необходимое для выполнения этих операций, иногда очень сложно спрогнозировать, а простой в работе связан с серьезными финансовыми потерями. Радиомодем Viper-SC+ относится к программно-определяемым системам, созданным с использованием технологии SDR (Software Defined Radio)7. 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 раньше, а восстановление работоспособности в отдельных случаях может производиться удаленно.

Прием и передача по разнесенным портам

В состав платформы входит радиомодем с двумя портами – передающим и приемным. Разнесение приемного и передающего портов позволяет оптимизировать характеристики принимаемого сигнала за счет использования серийно выпускаемых радиочастотных фильтров и усилителей и добиться стабильной работы в условиях слабого сигнала и внешних помех. Выходная мощность радиомодема увеличена вдвое по сравнению с ранее выпускавшимися моделями, что позволяет получать необходимый уровень сигнала на входе приемного оборудования и упрощает проектирование антенно-фидерного устройства.

Одновременное подключение по нескольким портам

Повышение надежности сопряжения с оконечным оборудованием обеспечивается возможностью его подключения одновременно по двум портам – последовательному порту RS-232 и сетевому RJ-45. В этом случае один из портов может настраиваться в качестве основного, а второй – резервного. Радиомодем Viper-SC+ имеет два последовательных порта RS-232 – настроечный и информационный. Настроечный порт используется для удаленной диагностики и мониторинга технического состояния в реальном масштабе времени. Данный порт также может быть сконфигурирован для обмена данными, поэтому потенциально третий интерфейс также может быть использован для подключения оконечного устройства. Наличие трех каналов подключения удовлетворяет самым высоким требованиям по обеспечению надежности и живучести, предъявляемым, например, на авиационном и железнодорожном транспорте, а также в системах военного назначения.

Автоматическая коррекция скорости обмена данными

Условия приема радиосигнала могут изменяться в широких пределах в процессе эксплуатации радиосети, что влияет на надежность ее работы. Общеизвестно, что при равных условиях приема более надежно обеспечивается работа на более низкой скорости. В связи с этим в базовой станции Viper-SC+ base station реализована функция автоматического выбора оптимальной скорости обмена для каждого подключенного к радиосети оконечного устройства. То есть, в случае ухудшения условий приема для конкретного удаленного радиомодема, базовая станция автоматически выбирает максимальную скорость обмена данными, обеспечивающую надежную работу. В результате, даже в случае падения уровня приемного сигнала или появления помех, связь с удаленными объектами не прерывается. Использование данной функции позволяет автоматически поддерживать наибольшую пропускную способность радиосети, организуя связь с наиболее удаленными объектами на более низкой, а с приближенными – на более высокой скорости.