В настоящей статье рассматриваются некоторые вопросы, связанные c созданием узкополосных технологических радиосетей1 обмена данными УКВ-диапазона повышенной надежности и живучести, предназначенных для развертывания в районах со слабо развитой телекоммуникационной инфраструктурой и условиями сурового климата. Описаны особенности построения и функциональные возможности таких радиосетей. Актуальность представленной в статье информации обусловлена расширением работ по освоению Западной Сибири и морского шельфа, а также активизацией хозяйственной деятельности в Арктических районах Российской Федерации, где строительство технологических радиосетей часто не имеет альтернативы.

Узкополосная технологическая радиосеть обмена данными

История создания и эксплуатации гражданских узкополосных технологических радиосетей обмена данными насчитывает уже более 30 лет. Первые успешные эксперименты по беспроводной передаче пакетных данных по узкополосному радиоканалу в УКВ-диапазоне были проведены в 1978 году канадскими радиолюбителями Р.Роули (позывной VE2PY), Н.Перлом (VE2BQS) и Ж.Орсали (VE2EHP). В 1992 году Р.Роули и Н.Перл организовали компанию Dataradio, которая занялась развитием технологии и созданием перспективных технических средств на ее основе – радиомодемов.

С тех пор узкополосные технологические радиосети обмена данными стали широко применяться в проектах, в которых использование проводных сетей оказывается невозможным или нецелесообразным. Область применения технологических радиосетей обмена данными определяется следующими основными оперативно-техническими возможностями и преимуществами:

  • гарантированная надежность2 работы (радиосеть создается и управляется ее владельцем с учетом его персональных требований к надежности функционирования);
  • высокая живучесть3 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.

Краткий перечень областей применения узкополосных технологических радиосетей обмена данными представлен в Таблице 1.

Таблица 1. Области практического применения узкополосных технологических радиосетей обмена данными УКВ-диапазона.

Область применения

Прикладная задача

1

Топливная энергетика

  • обустройство месторождений нефти и газа;
  • управление линейной телемеханикой продуктопроводов;
  • удаленное управление мобильными компрессорными установками;
  • мониторинг заполнения и состояния емкостей для хранения нефтепродуктов;
  • обмен данными между морскими буровыми платформами;
  • контроль протечек в трубопроводных системах.

2

Электроэнергетика

  • автоматизированные системы диспетчерского управления (АСДУ);
  • автоматизированные системы технического учета электроэнергии (АСТУЭ);
  • автоматизированные системы коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ);
  • удаленный контроль средств телемеханики;
  • удаленное управление и контроль технического состояния мобильных энергетических установок;
  • удаленное управление реклоузерами.

3

Горнодобывающая промышленность

  • удаленный мониторинг подвижного горнотранспортного оборудования (ГТО);
  • удаленный мониторинг стационарного ГТО и энергетического оборудования;
  • точное позиционирование инструмента и контроль рабочих зон;
  • диспетчерское управление и информационное обеспечение подвижного ГТО;
  • управление конвейерами.

4

Транспорт (подземный, наземный, водный и воздушный)

  • автоматизированные системы оперативно-диспетчерского управления (АСОДУ) промышленным железнодорожным и автомобильным транспортом;
  • трансляция дифференциальной поправки в интересах точного позиционирования для промышленного железнодорожного, водного и воздушного транспорта;
  • координация действий надводных судов при совместном плавании;
  • удаленное управление устройствами железнодорожной автоматики и телемеханики;
  • удаленное управление подвижным железнодорожным составом;
  • интервальное регулирование;
  • обмен данными в интересах реализации концепций интеллектуального железнодорожного транспорта по проектам PTC (Positive Train Control) и CBTC (Communications-Based Train Control);
  • автоведение поездов метро с прицельной остановкой;
  • удаленное управление тяговыми подстанциями;
  • управление дорожными знаками;
  • управление и мониторинг технического состояния информационных табло;
  • управление светофорами;
  • управление шлюзами и оросительными каналами;
  • мониторинг работы наземного аэродромного оборудования;
  • сбор телеметрической информации с воздушных объектов;
  • управление шлагбаумами на железнодорожных переездах;
  • сбор данных от аэродромных средств контроля;
  • мониторинг и диспетчерское управление наземными подвижными средствами в аэропортах.

5

Службы общественной безопасности

  • АСОДУ подвижных дежурных сил полиции и аварийно-спасательных подразделений: мониторинг, управление и информационное обеспечение;
  • удаленный доступ в базы данных с борта подвижных средств;
  • управление наземными и надводными контрольными и исполнительными устройствами;
  • обеспечение работы систем охраны периметра объекта.

6

Роботизированные комплексы и удаленное управление

  • удаленное управление и передача данных с борта полупогружаемых подводных аппаратов;
  • удаленное управление градобойными установками;
  • управление и сбор данных с помощью беспилотных летательных аппаратов (БЛА);
  • передача телеметрической информации от комплексов подземного, наземного, воздушного, надводного и космического базирования4.

7

Мониторинг состояния окружающей среды и сооружений

  • обеспечение работы автоматизированной системы контроля радиационной обстановки (АСКРО);
  • мониторинг уровня воды в реках и водоемах;
  • сбор и распределение гидрометеорологической информации;
  • сбор данных от буксируемых и стационарных гидроакустических решеток;
  • сбор данных от плавучих и всплывающих аварийных буев;
  • сбор данных о состоянии морской среды в районах нефтедобычи;
  • сбор данных о ледовой обстановке;
  • контроль состояния гидротехнических сооружений и мостов;
  • мониторинг состояния опасных с точки зрения камнепадов горных склонов, стенок терриконов и отвалов;
  • сбор данных от датчиков обнаружения молний;
  • обмен данными в интересах работы гидрографических судов;
  • сбор данных о разливах нефти и нефтепродуктов;
  • мониторинг сейсмической обстановки.

8

Жилищно-коммунальное хозяйство

  • удаленное управление котельным оборудованием;
  • управление газораспределительными сетями;
  • мониторинг и управление водозаборами;
  • управление уличным освещением;
  • удаленное управление очистными сооружениями;
  • управление и сбор данных о работе городских электрических сетей.

9

Системы безопасности, оповещения, связи и вещания

  • трансляция вспомогательной информации и сигналов оповещения для морских и речных судов;
  • интеллектуальное оповещение о метеорологической обстановке;
  • информирование о ледовой обстановке;
  • обмен данными между компонентами распределенных систем безопасности;
  • управление ретрансляторами связи, теле- и радиовещания.

10

Промышленность и сельское хозяйство

  • обеспечение работы распределенных АСУ технологическими процессами на ответственных и опасных производствах;
  • удаленное управление тракторами и комбайнами при проведении полевых работ;
  • точное позиционирование в интересах сельскохозяйственной авиации.

11

Полигонные комплексы

  • передача и распределение телеметрической информации на наземных и морских полигонах;
  • управление исполнительными устройствами;
  • сбор данных о работе подсистем и агрегатов в процессе испытаний автотракторной техники;
  • мониторинг и управление полигонной техникой и оборудованием;
  • трансляция сигналов дифференциальной поправки и единого времени.

12

Вооруженные силы

Системы связи, управления войсками и оружием, оповещения, разведки и информационного обеспечения тактического звена управления.

В настоящее время создаются и эксплуатируются технологические радиосети двух типов – прозрачные и пакетные.

Прозрачная радиосеть обмена данными использует внешний протокол обмена данными, например, широко применяемый Modbus, и обеспечивает побитную передачу данных в радиоканал по мере поступления данных на порт радиомодема. Данные передаются «как есть», без добавления служебной информации.

Пакетная радиосеть использует встроенный протокол обмена данными, обеспечивает разбиение поступающей на порт радиомодема информации на пакеты и добавление к каждому пакету служебных данных, включая, в отдельных случаях, избыточные данные помехоустойчивого кодирования. Современные радиомодемы обеспечивают работу по IP-протоколу.

Радиотехническая платформа Viper-SC+

Радиотехническая платформа Viper-SC+ представляет собой одну из наиболее современных и перспективных разработок американской компании CalAmp, преемника канадской компании Dataradio и де-факто ведущего мирового производителя радиомодемов. Вышеуказанная платформа (технические характеристики оборудования представлены в таблицах 2 и 3), 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 2. Технические характеристики радиомодема Viper-SC+

Общие характеристики

Viper-SC+ 100/200/400/900

vyp0501-01

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 3. Технические характеристики радиомодема Viper-SC+ base station

Общие характеристики

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

vyp0501-02

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».