Радиосвязь для автомобилей крайнего севера

УДК 621.396.93

В.А. Березовский, к.т.н, ОНИИП, г. Омск / В.А. Майстренко, д.т.н., В.Л. Хазан, д.т.н., ОмГТУ / В.В. Робустов, к.т.н., СибАДИ

Проблема обеспечения Сибири и Северных регионов России автомобильной техникой, максимально приспособленной к эксплуатации в экстремальных дорожно-климатических условиях, приобретает особую актуальность в связи с устойчивым и динамичным промышленным развитием этих регионов, освоением новых обширных территорий, повышением роли автомобильного транспорта, обеспечивающего более 90% грузооборота наземных перевозок.

В решении Внеочередной конференции ААИ в г. Сургуте (2005 г.) отмечалось, что «низкие и экстремально низкие температуры, значительный снежный покров зимой в сочетании с большими расстояниями между населенными пунктами делают приспособленность к этим условиям конструкции автотранспортных средств вопросом безопасности, а порой и выживаемости человека» [1].

Особую важность в этих условиях приобретает надёжная радиосвязь автомобиля с базой, позволяющая своевременно сообщить о критической ситуации и вызвать техническую помощь для спасения экипажа. Избежать многих неблагоприятных ситуаций, которые встречаются при эксплуатации автомобилей в условиях Крайнего Севера, возможно при наличии высоконадежных каналов радиосвязи между автомобилями и базой. Однако решение этой задачи даже современными средствами связи не является простым. Причина в том, что покрыть полностью регион Крайнего Севера, в котором функционирует автотранспорт, сотовой или транкинговой*
* Транкинговые системы (англ. trunking – объединение в пучок) – радиально-зоновые системы наземной подвижной радиосвязи, осуществляющие автоматическое распределение каналов связи ретрансляторов (базовых станций) между абонентами.
связью невозможно, так как радиосвязь с помощью этих мобильных средств осуществляется только в пределах прямой видимости. Спутниковые системы связи сложны и высокозатратны в эксплуатации. Кроме того, имеются проблемы обслуживания многими спутниковыми системами связи пространства Земли, расположенного за полярным кругом, связанные с особенностями прохождения радиоволн в этой зоне.

Наиболее рациональным и экономически выгодным решением задачи обеспечения автотранспорта Крайнего Севера радиосвязью является вариант коротковолновой радиосвязи. Передача данных по коротковолновым каналам связи обходится в десятки и даже сотни раз дешевле, чем их передача с помощью спутниковых систем связи. Тем более, что используемые в РФ спутниковые системы связи, в основном, не являются отечественными.

Поэтому, с учетом ограниченного объема данных при мониторинге автотранспорта в районах Крайнего Севера, коротковолновые сети связи являются наиболее приемлемыми. При этом возможна как автоматическая передача по коротковолновому каналу связи навигационных данных, так и передача телеграфных сообщений ограниченного объема со стороны автомобиля в сторону другого автомобиля или базы. Передача возможна и любому адресату на всей (исключая какие-либо «белые пятна») территории региона, а также на обычные мобильные телефоны (в виде сообщения в режиме SMS), если адресат находится в точке земного шара, обслуживаемой сотовыми системами связи.

Необходимо заметить, что коротковолновые каналы радиосвязи отличаются многолучевостью, зависимостью рабочей частоты от времени года, времени суток, протяженности трассы и присутствием большого числа аддитивных помех от посторонних радиостанций [2].

Существующая в настоящее время коротковолновая связь не способна обеспечить необходимое качество работы мониторинговых систем автотранспорта из-за недостаточно высокой надежности доставки сообщений. Это объясняется как низким энергетическим потенциалом коротковолновых передающих устройств на автомобилях, так и низкой эффективностью автомобильных передающих антенн.

Однако даже при очень сложных условиях связи существуют пути существенного повышения надежности связи в коротковолновом диапазоне радиоволн, которые способны обеспечить необходимое для мониторинговых систем качество функционирования коротковолновых сетей передачи данных.

Известно [3], что при одной и той же мощности коротковолнового передатчика надежность доставки сообщений зависит от расстояния между передатчиком и приемником.


Рисунок 1. Зависимость мощности коротковолнового передающего устройства от длины трассы при фиксированной надежности передачи сообщения

На рис. 1 приведены графики зависимости мощности Р коротковолновых передатчиков от длины трассы L при заданных значениях надежности передачи сообщений Н [3]. Из рис. 1 видно, что наиболее выгодными с точки зрения энергетических затрат являются коротковолновые каналы связи протяженностью 2000-3000 км.

Полученные в работе [3] результаты исследований привели к логическому выводу о целесообразности построения коротковолновых сетей связи с использованием базовых ретрансляторов, удаленных от корреспондентов на наиболее благоприятное для распространения коротких радиоволн расстояние (2000-3000 км) [4]. В этом случае один ретранслятор способен обслуживать корреспондентов не только в отдельно взятом регионе, но и в кольце с внутренним радиусом 2000 км и внешним радиусом 3000 км.

Базовые коротковолновые ретрансляторы должны иметь мощные передатчики (порядка 10 кВт), которые обеспечивают достаточно надежную передачу сообщений с уплотнением во времени в режиме, например, фазовой (ФМ, ДФМ) или относительной фазовой (ОФМ, ДОФМ) манипуляции со скоростью 500-1000 бит/с [5, 6].

Для обслуживания автомобильного транспорта Крайнего Севера целесообразно размещать коротковолновые ретрансляторы в городах вдоль южной границы РФ. Например, ретрансляторы, расположенные в г. Волгограде и в г. Улан-Уде полностью обслуживают весь регион Ямало-Ненецкого автономного округа, как показано на рис. 2.


Рисунок 2. Размещение коротковолновых ретрансляторов для мониторинговой системы автотранспорта Ямало-Ненецкого автономного округа

Определение координат автотранспорта производится с помощью навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS. По имеющимся данным [7], организация коротковолновой сети связи с ретрансляцией сигналов через удаленные от корреспондентов приемнопередающие радиостанции позволяет получить энергетический выигрыш для периферийных радиостанций порядка 30 дБ, что обеспечивает существенное повышение надежности канала связи. Если, например, надежность канала связи была порядка 50%, то при работе в сети, согласно рис. 1, она становится равной 95%.

Если снизить скорость манипуляции до 4-х Бод, то можно получить соответствующий дополнительный энергетический выигрыш, например, относительно вида работы ЧТ-125 (50 Бод) более 10 дБ, а относительно вида работы ОФТ-500 — более 20 дБ.

Передача ЧТ сигналов с большой девиацией (ЧТ-3000 или ЧТ-6000) и прием сигналов «1» и «0» индивидуально как двух частотно-разнесенных АТ сигналов с последетекторным сложением дает дополнительный энергетический выигрыш в условиях селективных замираний и при наличии станционных помех от 7 до 26 дБ (в зависимости от уровня надежности связи).

Высокая пропускная способность коротковолнового канала связи при низкой скорости передачи сообщений достигается за счет частотного уплотнения канала связи, благодаря которому в полосе одного бокового телефонного канала связи располагается около 800 низкоскоростных АТ каналов связи.

Эффективным способом повышения надежности коротковолнового канала связи является территориальноразнесенный прием сигналов [8], когда базовый ретранслятор дублирует прием сообщений со стороны корреспондентов отнесенными от него на расстояния 100-500 км дополнительными приемными центрами, как показано на рис. 3, где обозначено: БР — базовый ретранслятор; Прn — дополнительный n-й приемный центр; Аi — i-й абонент.


Рисунок 3. Сеть коротковолновой радиосвязи для передачи дискретных сообщений с удаленным от абонентов ретранслятором и дополнительными приемными центрами

В этом случае осуществляется декорреляция на индивидуальных приемных центрах не только замираний сигнала, но и станционных помех, попадающих в полосу частот, в которой принимается сообщение.

Пусть условия связи обеспечивают вероятность передачи сообщения от абонента в сторону базового ретранслятора Р1. Вероятность неприема сообщения Р0 в этом случае будет равна

Р0 = 1 — Р1 (1)

Если считать, что условия приема сигналов от абонента во всей области расположения дополнительных приемных центров приблизительно одинаковые (но взаимно независимые), то с учетом (1) вероятность Р0 (1 + N) одновременного неприема сообщения ретранслятором и всеми N дополнительными приемными центрами будет равна

Р0 (1 + N) = (1 — P1 )N+1 (2)

Из (2) следует, что вероятность Р1(1+N) приема сообщения хотя бы одним приемным центром из N или ретранслятором будет равна

Р1(1+N) = 1– P0(1+N) = 1 — (1 — P1 )N+1 (3)

На рис. 4 приведен график зависимостей надежности канала связи Н «абонент — базовый ретранслятор» с N дополнительными приемными центрами, окружающими ретранслятор и территориально-разнесенными от него на расстояние 100-500 км, от надежности канала связи «абонент — базовый ретранслятор» без дополнительных территориально-разнесенных приемных центров.


Рисунок 4. Зависимость надежности канала связи с N дополнительными регионально-разнесенными приемными центрами от надежности канала связи без дополнительных приемных центров

Из приведенного графика видно, что в случае плохих условий связи, когда по одиночному каналу передается всего 40% сообщений, наличие восьми дополнительных приемных центров увеличивает количество принятых сообщений до 99%. Если по одиночному каналу передается 50% сообщений, то шесть дополнительных приемных центров обеспечивают прием более чем 99% сообщений. В условиях связи, которые в коротковолновом диапазоне считаются удовлетворительными, когда по одиночному каналу связи передается 70% сообщений, наличие всего трех дополнительных приемных центров поднимает количество принятых сообщений до значения 99%.

Сравнивая кривую надежности на рис. 1, соответствующую 50%, с кривой надежности, соответствующей 99%, можно видеть, что энергетические затраты для перехода с первого уровня надежности на второй составляют порядка 43 дБ, то есть порядка 20 000 раз по мощности. Такого рода энергетический выигрыш дают шесть дополнительных приемных центров. Безусловно, дополнительные приемные центры экономически намного выгоднее сверхмощных передатчиков, которые к тому же не могут быть установлены на автомобиле.

Очевидно, что использование дополнительных мер, таких как избыточное кодирование, пространственно- и поляризационно-разнесенный прием, пространственная селекция сигналов и др., дадут еще более существенное дополнительное повышение надежности связи.

Подводя итог изложенному, можно утверждать, что совокупность всех вышеописанных мер позволяет нивелировать такие недостатки в коротковолновых каналах (при организации связи с автомобилями) как низкая мощность периферийных передающих устройств, низкая эффективность автомобильных передающих антенн и одновременно поднять надежность коротковолновых каналов связи до уровня, необходимого для мониторинговой системы автомобильного транспорта.

Отметим также тот факт, что предлагаемая сеть коротковолновой радиосвязи легко интегрируется со всеми существующими сетями передачи дискретных сообщений (спутниковыми, сотовыми, проводными и т.п.) [9].

Предлагаемый вариант коротковолновой радиосвязи позволяет решить для транспорта Крайнего Севера все основные задачи, поставленные в транспортной стратегии Российской Федерации, утвержденной Распоряжением Правительства Российской Федерации от 22 ноября 2008 г. № 1734-р, где указано, что важным направлением развития инфотелекоммуникационных технологий в сфере транспорта является оснащение сухопутного и водного транспорта России новыми средствами связи, аппаратурой спутниковой навигации ГЛОНАСС или ГЛОНАСС/GPS.

Совершенно очевидно, что вышеописанный вариант коротковолновой радиосвязи способен обслуживать не только автомобильный транспорт, но и речные суда, суда на воздушной подушке, а также вертолеты и самолеты, которые эксплуатируются в условиях Крайнего Севера.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Робустов В.В. О критической ситуации экипажа застрявшего автомобиля при морозе ниже -35°С вдали от базы. // Омский научный вестник. 2010. (В печати).

2. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. — М.: Сов. радио, 1970. — 727 с.

3. Коноплева Е.Н. О расчете надежности радиосвязи на коротких волнах // Электросвязь. 1967. № 11. 36-38 с.

4. Марковский Б.И., Хазан В.Л. Исследование надежности круглосуточной КВ связи на фиксированных частотах в условиях широтных трасс // Техника средств связи. — 1979. — Серия ТРС. — Вып. 10(27). — С. 10-12.

5. Хазан В.Л. Система декаметровой мобильной автоматической радиосвязи «МАРС» // Техника радиосвязи. 1998. Вып. 4. 59-66 с.

6. Хазан В.Л. Декаметровая активная пейджинговая система радиосвязи с удаленными базовыми ретрансляторами // Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2005. Вып. 2. С. 53-59.

7. Комарович В.Ф., Романенко В.Г. КВ радиосвязь. Состояние и направление развития. // Зарубежная радиоэлектроника. — 1990. — № 12.

8. Хазан В.Л., Федосов Д.В. Проблемы построения коротковолновых сетей радиосвязи в системах управления войсками и оружием. // Вестник академии военных наук. 2009. — № 3 (28). — С. 27-33.

9. Майстренко В.А., Федосов Д.В., Хазан В.Л. Комбинированная КВ-УКВ сеть радиосвязи со свободным доступом пользователей // Научно-технические ведомости СПбГТУ. — № 4 — 2007 г. — С. 127-131.