besptech012020

12+

wireless technologies № 1 (58) 2020 май

www.wireless-e.ru ISSN 2079-9233

От структуры сигналов к MIMO: пять важных моментов для понимания проблем 5G New Radio

стр. 10

Станет ли двухдиапазонность суперсилой GPS?

стр. 28

Сравнение LoRaWAN, SNBWAN и других технологий для «Интернета вещей»

реклама

стр. 42

Радиосеть управления и сбора данных для железнодорожных приложений

стр. 48

реклама

реклама

№ 1 (58) 2020 май

Содержание Рынок Илья Лебедев

Главный редактор Павел Викторович Правосудов | pavel@fsmedia.ru Заместитель главного редактора Ольга Зайцева | olga_z@fsmedia.ru Выпускающий редактор Алина Жилина | alina.zhilina@fsmedia.ru Новостной редактор Наталья Новикова | natalia.novikova@fsmedia.ru Дизайн и верстка Дмитрий Никаноров | dmitry.nikanorov@fsmedia.ru Отдел рекламы Ирина Миленина | irina@fsmedia.ru Отдел подписки podpiska@fsmedia.ru Отдел распространения Москва 115088, ул. Южнопортовая, д. 7, строение Д, этаж 2 Тел./факс (495) 987-3720 Санкт-Петербург 197101, Санкт-Петербург, Петроградская наб., д. 34, лит. Б e-mail: compitech@fsmedia.ru web: www.fsmedia.ru

Рынок импортных электронных компонентов беспроводной связи в России ..................................................................................... 6 Сергей Березин

Радиомост на 19,5 км с использованием РРЛ производства «ДОК» ................... 9

Компоненты Владимир Рентюк

От структуры сигналов к MIMO: пять важных моментов для понимания проблем 5G New Radio ....................... 10 Джон Килпатрик (John Kilpatrick) Перевод: Михаил Русских

Компоненты для создания ретрансляционных каналов связи 60 ГГц ............. 14 Алексей Рудневский

Модуль Telit FN980m и его использование в российских сетях 5G ................... 18

Республика Беларусь «ПремьерЭлектрик» Минск, ул. Маяковского, 115, 7-й этаж Тел./факс: (10*37517) 297-3350, 297-3362

Дмитрий Новинский

Дата выхода в свет 28.05.2020 Тираж 3000 экз. Свободная цена

Дмитрий Шмаров

Журнал «Беспроводные технологии» зарегистрирован Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия по Северо-Западному федеральному округу. Свидетельство о регистрации средства массовой информации ПИ № ФС 2-7791 от 07.11.2005.

Майк Хортон (Mike Horton)

Учредители ООО «Издательство Файнстрит»

Высокоскоростные LTE-решения SIMCom Wireless Solutions ............................ 22

Терминалы WRX: передача данных на выгодных условиях .............................. 26

Станет ли двухдиапазонность суперсилой GPS? .................................................. 28 Виктория Марусич

Навигационный модуль LC79D — современное решение для массовых систем высокоточного позиционирования.................................. 31

Дружинина Галина Алексеевна

Антенны

Адрес редакции 197046, Санкт-Петербург, Петроградская наб., д. 34 литер Б, помещение 1-Н, офис 321в

Вадим Гизятулин

Издатель ООО «Медиа КиТ» 197046, Санкт-Петербург, Петроградская наб., д. 34 литер Б, помещение 1-Н, офис 321в Отпечатано в типографии «Премиум Пресс» 197374, Санкт-Петербург, ул. Оптиков, 4. Редакция не несет ответственности за информацию, приведенную в рекламных материалах. Полное или частичное воспроизведение материалов допускается с разрешения ООО «Медиа КиТ». Все рекламируемые товары и услуги имеют необходимые лицензии и сертификаты. Журнал включен в Российский индекс научного цитирования (РИНЦ). На сайте Научной электронной библиотеки eLIBRARY.RU (www.elibrary.ru) доступны полные тексты статей. Статьи из номеров журнала текущего года предоставляются на платной основе. Возрастное ограничение 12+

Как выбрать встраиваемую GNSS-антенну............................................................ 34 Сергей Иванов

Антенны Yetnorson с оптимальными характеристиками для гражданской техники .......................................................................................... 38

Интернет вещей Анатолий Сартаков

Сравнение LoRaWAN, SNBWAN и других технологий для «Интернета вещей».............................................................................................. 42

Отраслевые решения Сергей Маргарян

Радиосеть управления и сбора данных для железнодорожных приложений. Часть 1 ........................................................ 48

реклама

4

НОВОСТИ РЫНКА

Совет безопасности снова отказался отдавать операторам частоты для 5G Совет безопасности вновь отклонил просьбу сотовых компаний выделить им частоты в диапазоне 3,4–3,8 ГГц для строительства сетей пятого поколения связи (5G). Об этом пишут «Ведомости». По словам одного из собеседников, операторы, в частности, просили силовиков разрешить им конверсию (расчистку) частот этого диапазона в городах-миллионниках. Необходимость использования частот 3,4–3,8 ГГц они мотивировали нецелесообразностью использования другой полосы частот — 4,8–4,99 ГГц: в материалах Минкомсвязи, с которыми «Ведомости» ознакомились ранее, эти частоты называли альтернативой более низкому диапазону. Диапазон 3,4–3,8 ГГц, для которого предназначено популярное оборудование 5G, в России используется Минобороны и «Роскосмосом», объяснял в 2019 году вице-премьер Максим Акимов. Но именно на таких частотах сети 5G строятся в большинстве стран Европы — без них практически невозможно запустить полноценные услуги пятого поколения, как повторяли неоднократно представители операторов. В России частотный ресурс 4,8–4,99 ГГц имеет низкую загруженность, однако он пересекается с полосой 4,4–4,99 ГГц, которая активно используется военными стран НАТО для опознавательной системы самолетов «свой — чужой», рассказывал ранее «Ведомостям» человек, близкий к одному из операторов. Это означает, что базовые станции для 5G в этом диапазоне операторы смогут устанавливать только на расстоянии 300 км до сухопутной границы или 450 км до морской границы, объяснял он. Кроме того, сетевое оборудование для 4,8–4,99 ГГц дорогое, как говорил гендиректор Telecom Daily Денис Кусков. www.iot.ru

Zyxel Networks представила беспроводной Wi-Fi 6 коммутатор XS1930 Zyxel Networks выпустила новую серию мультигигабитных 10/12-портовых коммутаторов со смарт-управлением XS1930. Новинка поможет малому и среднему бизнесу добиться большей гибкости использования сети и получить все преимущества от внедрения технологии Wi-Fi 6, в том числе более высокую скорость беспроводной сети и улучшение качества соединения. Большинство выпускаемых сегодня гигабитных коммутаторов могут работать только на скорости 1 Гбит/с либо 10 Гбит/с, хотя для внедрения новых приложений часто требуется подключить к сети устройства на скорости 2,5 или 5 Гбит/с. Мультигигабитные коммутаторы Zyxel XS1930 поддерживают несколько скоростей сетевого соединения (начиная от 100 Мбит/с, 1 Гбит/с, 2,5 Гбит/с, 5 Гбит/с и до 10 Гбит/с) и поэтому подойдут для офисов среднего и малого бизнеса, где используются приложения и устройства с разными скоростями сетевого соединения. При внедрении XS1930 компании смогут использовать существующую кабельную

инфраструктуру для экономии средств и быть готовыми к ее расширению в будущем. Также коммутатор XS1930-12HP поддерживает новейший стандарт IEEE 802.3bt (PoE++) с увеличенным до 375 Вт бюджетом питания, которого достаточно для обеспечения работы большинства устройств Wi-Fi с повышенными требованиями к питанию. www.cnews.ru

Новый стандарт NFC получил поддержку беспроводной зарядки

Ассоциация NFC Forum объявила об обновлении беспроводной технологии ближнего действия. Будущие устройства с новыми модулями смогут предлагать функции беспроводной зарядки. Они аналогичны популярному стандарту Qi, но будут реализованы в более ограниченном виде. Новый стандарт WLC намного медленнее — скорость до 1 Вт по сравнению с базовой скоростью Qi 5 Вт. Он рассчитан в первую очередь на небольшие девайсы: наушники, фитнес-браслеты и «умные» часы.

WLC также позволит одной антенне управлять и связью, и зарядкой для устройства. Хотя новый стандарт был официально добавлен в спецификацию NFC, производителям электроники потребуется время для принятия решения о внедрении технологии. www.news.ru

Для связи с Землей МКС обзавелась лазерным 100-Мбит каналом

Зародившийся четыре года назад проект по созданию спутниковых систем для высокоскоростной связи между космическими и наземными станциями проходит этап полевых испытаний. Доставленное ранее на МКС оборудование позволило установить нисходящий лазерный канал связи с наземной станцией с пропускной способностью 100 Мбит/с. Разработчиком технологии и аппаратуры стала компания Sony. Созданное компанией Sony совместно с Японским агентством по аэрокосмическим исследованиям (JAXA) и Национальным

институтом информационных и коммуникационных технологий (NICT) оборудование связи опирается на технологию лазерной записи данных на оптические диски. На МКС оборудование было доставлено в сентябре прошлого года. Затем его смонтировали на открытом японском модуле Kibo. Впервые нисходящий лазерный канал SOLISS был установлен 25 октября 2019 года. Первая двунаправленная линия связи с наземной станцией с использованием 1,5-мкм лазера была установлена 5 марта. Первые HD-изображения с борта МКС были получены по лазерному Ethernet-каналу 11 марта. Серия экспериментов с оборудованием для лазерной связи продлится до июня 2020 года. Предполагается, что связь по каналам SOLISS обеспечит передачу в реальном времени больших массивов данных как между космическими станциями, что потребуется в дальнейших лунных и марсианских миссиях, так и между космическими аппаратами и наземными станциями. www.3dnews.ru

Qualcomm представила линейку сетевых платформ Wi-Fi 6E Компания Qualcomm Technologies, Inc., дочерняя компания Qualcomm Incorporated, представила четыре новые платформы Qualcomm Networking Pro с поддержкой Wi-Fi 6E, расширив функционал Wi-Fi 6 в диапазоне 6 ГГц. Платформы разработаны для реализации мультигигабитных скоростей, широкой полосы пропускания и наращивания емкости сетей с низкой задержкой. На новых платформах впервые реализована технология Qualcomm Tri-Band Wi-Fi 6, позволяющая одновременно работать в диапазонах 2,4, 5 и 6 ГГц. Также обеспечены поддержка до 2000 пользователей и полная сетевая емкость в 16-потоковой конфигурации Wi-Fi 6E. Производителям предлагаются четыре масштабируемые модификации для создания продуктов различного назначения — от домашних ячеистых сетей Wi-Fi (mesh systems) до корпоративных точек доступа для предприятий. www.it-world.ru

МТС выпустила комплект оборудования для разработки IoT-устройств

ПАО «МТС» выпустило первый в России Development Kit для создания прототипов БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №1 ’20

НОВОСТИ РЫНКА

устройств, работающих в сети NB-IoT. Комплект позволит разработчикам решений «Интернета вещей» упростить создание образцов IoTустройств и ускорить вывод IoT-продуктов на рынок. С помощью NB-IoT Development Kit можно создавать датчики, которые передают небольшие объемы данных и требуют высокой энергоэффективности. Продукт будет наиболее востребован у компаний, разрабатывающих устройства для сегментов недвижимости, ЖКХ, безопасности, «умного города» и сельского хозяйства. Он также будет интересен вузам, стартапам и любителям электроники. Набор позволяет быстро освоить работу с сетью NB-IoT благодаря открытому коду, доступу к IoT-платформе и совместимости с платформой Arduino.

Development Kit МТС предназначен для работы с сетью NB-IoT, поэтому в комплект входят не только платы и датчики, как в наборах производителей оборудования, но и SIM-чип NB-IoT, безлимитный трафик на год и готовая учетная запись на облачной IoT-платформе МТС. Оборудование поддерживает режим передачи данных по протоколу CoAP и в режиме NIDD (Non-IP Data Delivery) через SCEF. Это позволяет работать через единый интерфейс, снять с разработчиков продукта функции идентификации и определения правил обмена данными между устройством и сервером и достичь максимальной энергоэффективности. Аппаратная часть включает плату с микроконтроллером и радиомодулем, модуль GPS/ GLONASS, программатор ST-Link, датчик температуры и акселерометр, набор антенн и кабелей. www.mts.ru

станций. В 2019 году здесь было добыто 0,9 млн т нефти. Площадь территории цеха — более 440 кв. км. Чтобы организовать мгновенную передачу данных с любой скважины, «Мегафон» модернизировал работу существующего телеком-оборудования на трех базовых станциях и построил дополнительно восемь базовых станций в стандарте 4G/NB-IoT. Благодаря такому техническому решению на производстве компании «Лукойл-Пермь» удалось внедрить систему дистанционного мониторинга и управления эксплуатацией скважин. Удаленно контролируются: сила тока, напряжение, мощность, состояние насосов и наземного оборудования, частота вращения вала двигателя, давление на устье скважины и многие другие показатели. По NB-IoT-сети «Мегафона» также организован автоматический сбор данных с замерных установок, водораспределительных пунктов, площадных объектов. В частности, контролируются давление в емкостном оборудовании, дебиты по скважинам, расходы воды и т. д. Закрытая сеть сбора данных в стандарте NB-IoT соответствует требованиям информационной безопасности, предъявляемым к объектам АСУ ТП. www.cnews.ru

На Ленинградской АЭС протестировали беспроводные технологии LTE и Wi-Fi

«Мегафон» построил сеть NB-IoT для «Лукойла»

В Пермском крае «Мегафон» построил отдельную сеть для общения «умных» устройств. В Частинском районе с помощью технологии «Интернета вещей» на территории цеха добычи нефти и газа №7 компании «Лукойл-Пермь» впервые организованы удаленное управление и контроль объектов нефтедобычи по сети NB-IoT. Теперь по защищенной сети оператора сотни датчиков автоматически измеряют и отправляют параметры работы скважин на серверы корпоративной сети компании «Лукойл-Пермь». В состав ЦДНГ №7 компании «Лукойл-Пермь» входят восемь разрабатываемых месторождений, 516 скважин и девять дожимных насосных

WWW.WIRELESS-E.RU

На энергоблоке № 1 Ленинградской АЭС провели тестирование технологий LTE и Wi-Fi. Основной задачей было определение возможности реализации проектов программы цифровизации на АЭС: «Цифрового здоровья», предиктивной (предсказательной) аналитики, а также проектов по системе видеоанализа, контроля соблюдения техники безопасности и промышленной безопасности. Так, например, проект «Цифровое здоровье» предполагает внедрение носимых устройств, которые в режиме реального времени обеспечат мониторинг важных жизненных показателей здоровья работника (давление, пульс, ЭКГ и др.) при проведении работ, и направлен на снижение риска несчастных случаев. В качестве зон тестирования были выбраны помещения блочного щита управления и реакторного зала блока № 1, где находятся важные для безопасности системы, а также площадка открытого распределительного устройства (ОРУ-330) с высоким электромагнитным излучением, которое может повлиять на работу оборудования беспроводных технологий LTE и Wi-Fi. В ходе тестов осуществлялась

передача пакетов данных различного объема между десятью беспроводными устройствами одновременно. Это должно было показать возможности беспроводной сети в условиях повышенной нагрузки. По результатам определялась скорость, качество и полнота переданной информации. По технологии LTE была дополнительно протестирована голосовая и видеосвязь как внутри каждой из площадок, так и между ними. По словам главного инженера Ленинградской АЭС Константина Кудрявцева, тестирование показало, что технологии Wi-Fi и LTE пригодны для реализации цифровых проектов в части требуемой пропускной способности и по качеству связи. В текущем году тестирование будет проведено и на энергоблоке № 2. Кроме того, планируется закупка оборудования для запуска данной системы на всех шести энергоблоках Ленинградской АЭС в 2021 году. www.iot.ru

«ЭР-Телеком» предложил цифровые решения для противодействия COVID-19 «ЭР-Телеком холдинг» поддержал международный проект по внедрению новых цифровых решений для противодействия COVID-19, разработав несколько сервисов. Сервис «Регистрация соблюдения социальной дистанции» позволяет производственным компаниям, возобновляющим деятельность, контролировать соблюдение норм социальной дистанции между сотрудниками, снижая тем самым риск заражения и повышая безопасность труда. Разработанное решение базируется на IoT-сети LoRaWAN. С помощью персональных трекеров оно формирует и поддерживает мобильную виртуальную зону вокруг каждого сотрудника. Звуковой и вибросигнал проинформируют администратора о нарушении границ и возникновении рискованных ситуаций. Решение «Мониторинг индивидуального пространства пожилых людей» призвано обеспечить пожилым людям более безопасный контакт с родственниками и социальными работниками. Опекуны и близкие люди смогут не только получать актуальную информацию о передвижениях человека, но и следить за изменениями ситуации в помещении. Контроль осуществляется с помощью тревожных кнопок, датчиков и браслетов-трекеров. Разработка «Мониторинг контроля за соблюдением карантина» позволяет фиксировать нарушения режима самоизоляции или выхода с территории лечебного учреждения, оперативно информируя об этом администрацию. Пользователь, обязанный находиться в условиях карантина, получает браслет с датчиком снятия и тревожной кнопкой, который, кроме местоположения, может фиксировать пульс и давление. Благодаря использованию такого устройства, снабженного RFID-меткой, сотрудники медицинских учреждений имеют возможность получать информацию о больном (номер мед. карты, дату поступления, диагноз, назначенное лечение и т. д.). www.cnews.ru

5

6

РЫНОК

Рынок импортных электронных компонентов беспроводной связи в России

В статье рассматриваются компании, работающие на рынке беспроводных электронных компонентов и модулей в России, а также их доли рынка и объем продаж.

Илья Лебедев ilja78@commarketru.com

В

2019 году на рынке Wi-Fi произошли две крупные покупки, которые со временем, возможно, окажут значительное влияние и на рынок беспроводной связи Российской Федерации. С целью расширения своего портфолио компания NXP Semiconductors приобрела бизнес Marvell Technology Group по выпуску беспроводных решений. Теперь своим клиентам в промышленной, автомобильной и коммуникационной сфере NXP будет наряду со своими передовыми вычислительными платформами предлагать продукты Marvell для беспроводного соединения, в том числе чипсеты Wi-Fi и Bluetooth. Marvell — бесфабричная компания, по сути, NXP купила не само направление, а пакет интеллектуальной собственности. Ранее компания NXP планировала приобрести другого игрока Wi-Fi-рынка — фирму Qualcomm, но на фоне роста напряженности во взаимоотношениях между Китаем и США не смогла получить одобрения китайского

регулирующего органа. По данным сайта NXP, российскими дистрибьюторами, помимо глобальных игроков, являются «Симметрон» и «Дектел». Компания Marvell с российскими дистрибьюторами не сотрудничала. В конце марта 2019 года было объявлено о продаже Quantenna американскому производителю микросхем ON Semiconductor, сумма сделки составила $1 млрд. По словам генерального директора и президента ON Semiconductor Кита Джексона (Keith Jackson), компания, поглотив Quantenna, сможет расширить свой ассортимент продуктов для беспроводной связи благодаря ПО и WiFi-технологиям покупаемого чипмейкера. До сих пор портфель беспроводных решений ON Semiconductor включал преимущественно радиочастотные приемопередатчики, с поддержкой протоколов Bluetooth, Sigfox, ZigBee, Threat, 6LoWPAN и других.

Quantenna является одним из мировых лидеров и новаторов в области высокопроизводительных решений Wi-Fi. По данным на февраль 2019 года, среди полусотни клиентов Quantenna — мировые операторы связи, такие как Telefonica, Swisscom, BskyB, France Telecom, Comcast, Orange и AT&T. Решения компании используются в продукции ИТ-вендоров, в том числе Motorola, Cisco, Samsung и Huawei — как для систем кабельного и спутникового телевидения, так и для домашнего Wi-Fi на розничном рынке. Quantenna вывела на рынок Wi-Fi чип 8×8 MIMO, позволяющий обеспечить скорость 10 Гбит/с. По данным сайта компании, ON Semiconductor работает с дистрибьюторами «Макро Групп», «Компэл». Сегодня практически каждый городской житель использует Wi-Fi. В день мы проходим мимо сотен точек беспроводной связи, используя их как неотъемлемую часть наших технологий. И хотя различные беспроводные технологии, включая мобильную связь, развиваются огромными скачками, Wi-Fi прочнее всего вошел в нашу жизнь, стал обязательной БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №1 ’20

РЫНОК

Т а б л и ц а 1 . Топ-14. Рейтинг брендов за вторую половину 2018 года Порядковый номер

Изготовитель

Т а б л и ц а 2 . Рейтинг дистрибьюторов и брокеров электронных компонентов по коду 8517620009 за вторую половину 2018 года

1

APPLE INC.

Порядковый номер

2

ZTE CORPORATION

1

2 517 983

3

SAMSUNG ELECTRONICS VIETNAM CO. LTD

2

558 457

3

488 251

4

338 393

5

211 267

6

181 998

7

100 914

4

TP-LINK TECHNOLOGIES CO LTD

5

KEENETIC LIMITED

6

D-LINK CORPORATION

7

HUAWEI TECHNOLOGIES CO. LTD.

Количество ввезенных компонентов, шт.

Т а б л и ц а 3 . Импорт брендов за вторую половину 2018 года дистрибьюторами из таблицы 2 Изготовитель SIMCOM WIRELESS SOLUTIONS LTD. SIERRA WIRELESS DIGI INTERNATIONAL INC MINE SITE TECHNOLOGIES CHINA CO.LTD TELIT WIRELESS/COMMUNICATIONS U-BLOX AG QUECTEL WIRELESS SOLUTIONS COMPANY LIMITED GEMALTO M2M GMBH SILICON LABORATORIES INTERNATIONAL PTE. LTD SPARKLAN COMMUNICATIONS INC. TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED SHENZHEN NEOWAY TECHNOLOGY CO. LTD STMICROELECTRONICS ESPRESSIF SYSTEMS (SHANGHAI) PTE. LTD MICROCHIP TECHNOLOGY INC. DINAMICA GENERALE SPA

8

SERNET(SUZHOU) TECHNOLOGIES CORP

9

HUAWEI TECHNOLOGIES CO. LTD

8

63 441

10

SAMSUNG ELECTRONICS VIETNAM CO. LTD.

9

63 434

10

29 163

11

CHENGDU EBYTE ELECTRONIC TECHNOLOGY CO. LTD

11

27 375

12

MOTOROLA SOLUTIONS

12

22 274

13

SERCOMM CORPORATION

13

19 119

WIZNET EUROPE GMBH

14

MOTOROLA SOLUTIONS GERMANY GMBH

14

12 279

SHENZHEN RAKWIRELESS TECHNOLOGY CO. LTD

частью любой инфокоммуникационной инфраструктуры. Он, без сомнения, будет востребован еще не один десяток лет. Рыночные компании это понимают и стараются не упустить возможности для расширения своего бизнеса. В беспроводной связи наиболее распространенными и известными сегодня стали три семейства технологий передачи информации: Wi-Fi, GSM, Bluetooth. Проводить анализ импорта беспроводной связи в России очень трудно, ведь конкретного таможенного кода не существует. Для ввоза в Россию беспроводных устройств и компонентов чаще всего используется следующий таможенный код: 8517620009 «Прочие машины для приема, преобразования и передачи или восстановления голоса, изображений или других данных». Если взять этот код, то топ рейтинга брендов по второй половине 2018 года выглядит, как показано в таблице 1. Множество брендов предлагает продукцию на сумму $423 млн, что предусматривает разнообразный спектр машин для приема, преобразования и передачи. Нам это не подходит. Нас интересуют электронные компоненты, а не роутеры или готовое сетевое оборудование. Нам также не нужен импорт ИТ-дистрибьюторов. Для сужения задачи и получения нужного результата мы подойдем к решению с другой стороны. Возьмем рейтинг получателей по всем брендам за вторую половину 2018 года и воспользуемся моей базой импортеров-поставщиков. Наложим эти данные и выберем из этого рейтинга лишь собственно дистрибьюторов и брокеров электронных компонентов (табл. 2), таких как «Радиант», «Промэлектроника», «Триатрон», «Радиотехкомплект», «Элитан», и других. Главное, чтобы они были специализированы под поставку компонентов. Итог получится на порядки меньше, однако отображаться будет реальная сумма ввоза беспроводных электронных компонентов в Россию. Без сомнения, это не полные цифры, но они помогут нам выявить бренды, которые продвигают в России дистрибьюторы электронных компонентов, импортируемых в нашу страну продукты по коду 8517620009.

WWW.WIRELESS-E.RU

Далее мы накладываем три фильтра: всех посредников из таблицы 2, код 8517620009 и бренды. В таблице 3 получаем искомый результат — бренды, ввозимые дистрибьюторами в Россию. Теперь составим таблицу 4 и узнаем, что это за компании. Всего по коду 8517620009 эти компании импортировали в Россию продукции на $5,8 млн. Что нам скажет эта таблица? Во-первых, что наша идея проводить анализ через дистрибьюторов оправданна. Возможно,

мы получили не все продажи, но, согласитесь, цифры $423 млн и $5,8 млн существенно различаются. Если бы мы проводили анализ готового телекоммуникационного оборудования, то наши продажи на сумму $5,8 млн, в виде модулей и компонентов, составили бы всего 1,3%, что является приемлемой величиной погрешности при общей сумме 423 млн. Но наша задача уже существенна, и обратная величина — это тысячи процентов погрешности.

Т а б л и ц а 4 . Наименование бренда и продукт его производства Изготовитель

Продукция

SIMCOM WIRELESS SOLUTIONS LTD.

Согласно последнему отчету M2M от ABI Research Inc., SIMCom лидирует в мире по продажам модулей беспроводной связи в течение четырех лет подряд.

SIERRA WIRELESS

Sierra Wireless — это международный разработчик и производитель оборудования для беспроводной связи.

DIGI INTERNATIONAL INC

Выпускает беспроводные устройства, процессорные модули и Ethernet-продукцию.

MINE SITE TECHNOLOGIES

Mine Site Technologies (MST) поставляет решения связи и программные решения по оптимизации, которые помогают предприятиям в горнодобывающих и промышленных отраслях оптимально управлять основными процессами производства.

TELIT WIRELESS/COMMUNICATIONS

Telit предлагает самый полный портфель IoT-модулей, совместимых GSM-модулей, системных (SoM) и навигационных (GNSS) модулей, а также combo-, SMART-, Wi-Fi-, Bluetooth-, LoRa-, ZigBee-, SRRF-модулей.

U-BLOX AG

u-blox — швейцарская компания, которая создает беспроводные полупроводники и модули для потребительского, автомобильного и промышленного рынков.

QUECTEL WIRELESS

Quectel — ведущий мировой поставщик модулей сотовой связи и GNSS, предлагающий широкий ассортимент продуктов.

GEMALTO M2M GMBH

Gemalto M2M — ведущий мировой поставщик модулей сотовой связи.

SILICON LABORATORIES INC.

Silicon Labs — ведущий поставщик для всех основных IoT-экосистем. Инструменты для быстрой разработки «умного дома», коммерческих, потребительских и промышленных приложений.

SPARKLAN COMMUNICATION INC.

SparkLAN — один из ведущих мировых поставщиков решений для беспроводных сетей. Ассортимент охватывает беспроводные встроенные модули и беспроводные сетевые устройства.

TEXAS INSTRUMENTS

Портфель беспроводных подключений состоит из интегральных микросхем и модулей для всех потребностей в беспроводных технологиях.

SHENZHEN NEOWAY TECHNOLOGY

Продукты NEOWAY включают сотовые модули, устройства и решения 2G, 3G, 4G, NB-IoT, eMTC.

STMICROELECTRONICS

Портфель ST содержит различные радиочастотные приемопередатчики, интегральные микросхемы сетевых процессоров и полностью сертифицированные модули для ключевых технологий беспроводного подключения.

ESPRESSIF SYSTEMS (SHANGHAI) PTE. LTD

Разработка передовых IoT-решений с низким энергопотреблением Wi-Fi и Bluetooth.

MICROCHIP TECHNOLOGY INC.

Поставляет модули и микросхемы для беспроводной связи.

DINAMICA GENERALE SPA

Компания производит системы взвешивания и БИК (инфракрасного) анализа для сельского хозяйства и промышленности.

WIZNET EUROPE GMBH

Компания Wiznet специализируется на разработке и производстве микросхем для Ethernet-приложений, а также готовых модулей на их базе. Кроме того, Wiznet предлагает линейку Wi-Fi-модулей.

SHENZHEN RAKWIRELESS TECHNOLOGY CO. LTD

Поставщик IoT Wi-Fi- и видео-Wi-Fi-модулей по всему миру.

7

8

РЫНОК

Т а б л и ц а 5 . Импорт бренда по пяти таможенным кодам, их сумма и весь импорт бренда Изготовитель

Код Код Код Код 8517620009 8517699000 8529906509 8517709009

Сумма, $

Импорт, компонентов

SIMCOM WIRELESS SOLUTIONS LTD

3 000 000

0

687 000

49 000

3 736 000

3 755 000

SIERRA WIRELESS

586 000

0

0

0

586 000

591 887

DIGI INTERNATIONAL INC

583 000

MINE SITE TECHNOLOGIES CHINA

0

381 000

TELIT WIRELESS SOLUTIONS GMBH

350 000

0

0

0

350 000

385 000

U-BLOX AG

185 000

0

496 000

0

681 000

1 000 000

QUECTEL WIRELESS SOLUTIONS COMPANY LIMITED

1 360 000

0

224 000

73 603

1 657 603

2 153 000

13 000

0

583 000

986 000

0

394 000

691 159

GEMALTO M2M GMBH

135 000

0

0

5 230 000

5 365 000

5 391 000

SILICON LABORATORIES INTERNATIONAL

129 000

0

0

0

129 000

129 000

SPARKLAN COMMUNICATIONS INC.

75 000

0

0

0

75 000

76 000

TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED

71 000

0

0

0

71 000

71 000

SHENZHEN NEOWAY TECHNOLOGY CO. LTD

57 000

6000

0

0

63 000

76 000

STMICROELECTRONICS

49 000

0

0

0

49 000

49 000

ESPRESSIF SYSTEMS (SHANGHAI) PTE. LTD

32000

41000

0

0

73 000

75 704

MICROCHIP TECHNOLOGY INC.

28 000

0

0

0

28 000

28 000

DINAMICA GENERALE SPA

22 000

0

0

0

22 000

69 000

WIZNET EUROPE GMBH

6000

0

0

0

6000

6000

SHENZHEN RAKWIRELESS TECHNOLOGY

2000

0

0

0

2000

4000

13 870 603

1 5536 750

Т а б л и ц а 6 . Расшифровка таможенного кода Код

Расшифровка

8517620009

Прочие машины для приема, преобразования и передачи или восстановления голоса, изображений или других данных

8517699000

Аппаратура для передачи или приема голоса, изображений или других данных

8529906509

Части, предназначенные исключительно или в основном для аппаратуры товарных позиций 8525–8528, электронные модули

8517709009

Части аппаратов телефонных, включая аппараты телефонные для сотовых сетей связи или других беспроводных сетей связи; части прочей аппаратуры для передачи или приема голоса, изображений или других данных

Т а б л и ц а 7 . Топ брендов по беспроводным компонентам Бренд

Сумма, $

GEMALTO M2M GMBH

5 391 000

SIMCOM WIRELESS SOLUTIONS LTD

3 755 000

QUECTEL WIRELESS SOLUTIONS COMPANY LIMITED

2 153 000

U-BLOX AG

1 000 000

DIGI INTERNATIONAL INC

986 000

Во-вторых, почти все компании в списке являются узкоспециализированными, исключение составляют TEXAS INSTRUMENTS, STMICROELECTRONICS, WIZNET EUROPE GMBH и SILICON LABORATORIES INC, беспроводная продукция которых занимает в линейке компании небольшую долю по сравнению с ИС. Например, TEXAS INSTRUMENTS импортировала своей продукции в Россию на $50 млн. Теперь, когда мы вычислили основные дистрибьюторские бренды и попутно определили список брендов, занимающихся только беспроводными компонентами, можно получить весь импорт этих брендов. Мы можем составить таблицу 5, где укажем импорт всего бренда, за исключением перечисленных четырех, по общему таможенному коду 85*, включающему все электронные компоненты. Не станем загружать читателей излишней информацией, но итог будет выглядеть таким образом. Для удобства даю расшифровку кода в таблице 6, в таможенном оригинале. Важно понимать в таблице 5: 1. Данные за вторую половину 2018 года.

2. Колонка «Сумма» — это сумма всех четырех кодов ТНВД, перечисленных в таблице.

3. Импорт — это импорт всего бренда, по всем кодам, от ИС до гаек, если производитель их выпускает. Конечно, я не смогу утверждать, что полученная цифра окончательная. Это не столь утвердительно, как в анализах интегральных микросхем программируемой логики Altera и Xilinx, где можно подписаться за каждый доллар. Здесь слишком большое влияние оказывают сотни телекоммуникационных брендов, которые нужно отсеивать. Итак, гарантированная цифра электронных компонентов и модулей по «беспроводке» составляет $14 млн за вторую половину 2018 года. Если взять прямые поставки производителям, более мелкие бренды, то я осторожно ставлю диапазон рынка в рамках $18 млн за вторую половину 2018 года. За весь год не скажу, так как полугодия могут значительно отличаться. Что можно еще добавить? Желаете завоевать свое место под российским солнцем — ориентируйтесь на продукты и ценообразование вышеозначенных компаний (табл. 7). А что насчет двух новостей по покупке в начале статьи? Ровно ничего. Для российского рынка электронных компонентов, для беспроводных решений это ничего не значит как минимум в течение 3–5 лет.

Литература 1. www.3dnews.ru/988350 2. www.mos.ru/news/item/58403073/ 3. www.kodtnved.ru/podbor/wifi-modul.html БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №1 ’20

НОВОСТИ ТЕЛЕКОМА

Радиомост на 19,5 км с использованием РРЛ производства «ДОК» Для многих беспроводных трасс, особенно загородных, дальность магистральных радиорелейных линий (РРЛ) емкостью 10 Гбит/с в диапазоне 71–76/81–86 ГГц является критически важным фактором, если требуется одним пролетом преодолеть дистанцию с ограничениями по установке ретранслятора (вода, лес, и т. п.). В климатических условиях России типичная дальность РРЛ диапазона 70–80 ГГц находится в пределах 3–6 км. С учетом того, что для гражданских систем этого диапазона мощность на выходе передатчика ограничена 0,15 Вт (Решение ГКРЧ № 14-27-07/15 от 13 октября 2014 года с новой редакцией Приложения № 6), преодоление дальности выше 10 км представляется сложной технологической задачей. Радиомост на 19,5 км стал новым достижением в практике беспроводных систем связи 71–76/81–86 ГГц.

Сергей Березин

Рис. 1. Радиомост ДОК PPC-10G-E на телекоммуникационной вышке МТС

ООО «ДОК» (Санкт-Петербург) совместно с филиалом ПАО «МТС» в Санкт-Петербурге провели успешные испытания РРЛ модели PPC-10G-E по организации особо протяженной беспроводной трассы емкостью 10 Гбит/c диапазона 71–76/81–86 ГГц (E-band) на дистанции 19,482 км (рис. 1). Согласно публично доступным данным, на момент испытаний это наиболее протяженная трасса для оборудования класса 10GE в указанном диапазоне. Цель испытаний — получить подтверждение технической возможности работы 10-Гбит оборудования диапазона 70–80 ГГц на беспроводных трассах длиной до 20 км. Была установлена устойчивая связь по радиоканалу на скорости 9,97 Гбит/c. Энергетический запас радиолинии по затуханию в дождь для скорости 10 Гбит/c составил 16,6 дБ, запас до разрыва связи ввиду сильного дождя — 38,9 дБ. Предыдущая самая длинная трасса 10-Гбит РРЛ 70–80 ГГц производства «ДОК» предусматривала дальность 15 км для предприятия НОВАТЭК-ТАРКОСАЛЕНЕФТЕГАЗ. Испытания проводились в Кировском районе Ленинградской области на радиотрассе

Рис. 2. Карта местности с геомаркерами беспроводной трассы 10 Гбит/c длиной 19 482 м

WWW.WIRELESS-E.RU

(пролете) длиной 19 482 м между поселками Горгала и Кисельня. Радиорелейные станции были установлены на телекоммуникационных вышках МТС на высоте около 50 м каждая (рис. 2). РРЛ модели PPC-10G-E испытывались в серийной комплектации с антеннами диаметром 60 см. Каждая станция РРЛ имеет встроенный коммутатор с 4 портами 10GE. В МТС подтвердили факт испытаний PPC-10G-E компании «ДОК» на указанной площадке и работу радиоканала в режиме номинальной емкости до 10 Гбит/c. Данная РРЛ зарегистрирована и внесена в Реестр РЭС и ВЧУ в Управлении Роскомнадзора по СевероЗападному федеральному округу*. «В условиях, когда прокладка оптоволоконной линии связи затруднена или нецелесообразна, радиорелейные линии становятся для нас оптимальным решением для обеспечения сотовой связью определенных территорий. Мы приветствуем появление отечественных производителей, чье оборудование по техническим характеристикам способно конкурировать с известными мировыми брендами», — прокомментировал испытания технический директор МТС в Санкт-Петербурге и Ленинградской области Дмитрий Смирнов. Даниил Корнеев, директор ООО «ДОК», отметил следующее: «Наша компания известна на рынке как производитель радиорелейных линий, отличающихся исключительно высокой дальностью в своих диапазонах. РРЛ емкостью 10 Гбит/c являются важной альтернативой прокладке оптического кабеля, обеспечивая значительный выигрыш во времени и стоимости работ по развертыванию канала, особенно на местности со сложными ландшафтными условиями. РРЛ производства «ДОК» обеспечивают легкую агрегацию каналов в емкость 2×10 или 4×10 Гбит/c для повышения пропускной способности или необходимости резервирования». * 15 июля 2010 года Государственная комиссия по радиочастотам (ГКРЧ) разрешила в России упрощенный уведомительный порядок регистрации РРЛ диапазонов 71–76/81–86 ГГц. Новое Решение ГКРЧ № 19-52-04-1/15 от 22.10.2019 продлило действие Решения ГКРЧ № 10-07-04-1 от 15.07.2010 еще на 10 лет, до 01.07.2030. Регистрация РРЛ диапазона 71–76/81–86 ГГц в региональных управлениях Роскомнадзора осуществляется бесплатно и в сжатые сроки (от двух рабочих дней).

9

10

КОМПОНЕНТЫ | cтандарты

От структуры сигналов к MIMO: пять важных моментов для понимания проблем 5G New Radio

Технология пятого поколения сотовой связи, получившая название 5G New Radio (пятое поколение, новый радиоинтерфейс — New Radio, 5G NR), с позиции общих технических требований может быть сопоставлена с технологией LTE, но имеет ряд особенностей, вызванных проблемами выделенного под нее частотного спектра, высокой плотности каналов и, соответственно, выбором оптимальной модуляции. В данной статье, предлагаемой в виде перевода [1] с рядом пояснений и дополнений, рассмотрены пять ключевых технических аспектов физического уровня 5G, которые позволяют глобальному стандарту связи предоставлять множество надежных, использующих большие объемы данных и тесно связанных приложений этой, пока еще новой технологии. Статья является логическим продолжением публикации [3].

Владимир Рентюк Rvk.modul@gmail.com

Н

азвание 5G New Radio может использоваться как общий описательный термин для обозначения технологии связи 5G аналогично применяемому в индустрии термину LTE для технологий 4G или Universal Mobile Telecommunications Service (UMTS) для 3G. Окончательные характеристики стандарта для 5G NR определены спецификациями Консорциума разработчиков спецификации для мобильной телефонии 3GPP (The 3rd Generation Partnership Project). Полные спецификации Release 15 (с автономными характеристиками) были приняты в июне 2018 года. В рамках этой версии стандарта обеспечено применение пользовательского и инфраструктурного оборудования 5G NR с базовыми станциями поколения 5G (5G next-generation core network, NGC). Однако это только лишь начало. Для того чтобы в полном объеме и детально охватить всю техническую функциональность автономного доступа (Standalone, SA) для устройств 5G NR, развитие стандарта будет продолжаться.

Структура сигналов 5G NR CP-OFDM как решение для нисходящего и восходящего канала связи Для начала расставим все точки над «i»: восходящим каналом называется канал или линия передачи от пользователя к базовой станции, а нисходящим — от базовой станции к поль-

зователю. Эти каналы, а именно используемые для них виды или подвиды модуляции, могут быть одинаковыми или различными, что направлено в первую очередь на повышение плотности каналов и на эффективность связи. Под последним определением мы понимаем и энергоэффективность, и уменьшение числа битовых ошибок. В последние годы исследователи, работающие в области беспроводной связи, изучали различные формы сигналов с несколькими несущими, предлагая множество вариантов для радиодоступа 5G. Так, сигналы, которые используют мультиплексирование с ортогональным частотным разделением (orthogonal frequency division multiplexing, OFDM), хорошо подходят для дуплексной работы с временным разделением. Они поддерживают приложения, чувствительные к задержкам, и уже продемонстрировали успешную коммерческую реализацию с эффективной обработкой сигналов со все более широкой полосой пропускания. Кроме того, высокая спектральная эффективность и совместимость сигналов OFDM с MIMO (Multiple Input Multiple Output — множественные входы, множественные выходы)1 помогают удовлетворить потребности этого нового глобального стандарта сотовой связи в части экстремальных скоростей передачи данных и плотности каналов. Благодаря методам оценки и выравнивания сигнальных каналов сигналы OFDM демонстрируют высокую устойчивость в частотно-

1 MIMO — метод пространственного кодирования сигнала, позволяющий увеличить полосу пропускания канала, в котором передача и прием данных осуществляется системами из нескольких антенн. Передающие и приемные антенны разносят так, чтобы корреляция между соседними антеннами была слабой.

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №1 ’20

cтандарты | КОМПОНЕНТЫ

избирательных радиоканалах. Однако, как правило, в канале присутствует временная дисперсия: части передаваемого сигнала принимаются с различными задержками из-за многолучевости распространения и отражений. В итоге ортогональность выборочно теряется, появляется интерференция как между битами внутри символа, так и между символами. Для предотвращения перекрытия в начало OFDMсимвола вставляется циклический префикс, содержащий конечные биты предыдущего символа. Прикрепив копию конца символа OFDM к началу символа (это и есть циклический префикс), приемник может лучше обрабатывать ошибки синхронизации и предотвращать межсимвольные помехи (рис. 1). Более подробно об этом написано в [2, 7]. Таким образом, в качестве структуры сигнала для нисходящего и восходящего канала связи 5G в схемах квадратурной модуляции до 256-QAM консорциум 3GPP использует именно OFDM с циклическим префиксом — CP-OFDM. DFT-S-OFDM как решение с более высокой эффективностью для восходящего канала связи Сигналы OFDM обладают одной отрицательной чертой — высоким значением отношения пикового уровня мощности сигнала к среднему уровню (peak-to-average power ratios, PAPR). Поскольку усилитель мощности высокой частоты (УМ) в мобильном устройстве потребляет наибольшее количество энергии, разработчики системы хотели бы получить структуру сигнала, поддерживающую высокоэффективный режим работы УМ-передатчика при одновременном удовлетворении спектральных требований 5G. Для восходящего канала связи (а это линия от пользователя к базовой станции) технология 5G NR предлагает пользовательскому оборудованию (User Equipment, UE — буквально «пользовательское оборудование», подразумевает не только мобильные, но и стационарные устройства) возможность использования CP-OFDM-модуляции или формы сигнала гибридного формата, называемого OFDM с дискретным преобразованием Фурье (Fourier transform spread OFDM, DFT-S-OFDM). Используя технологию DFT-S-OFDM, передатчик модулирует все поднесущие одинаковыми данными (рис. 2). Это снижает отношение пикового значения к среднему, сохраняя устойчивость к эффектам многолучевости, и обеспечивает гибкое распределение частот поднесущей OFDM. В тех случаях, когда PAPR с CP-OFDM может составлять 11–13 дБ, для решения на основе DFT-S-OFDM потребление варьируется в пределах 6–9 дБ.

Рис. 1. Символ CP-OFDM содержит циклический префикс на каждой стороне данных Примечание. БПФ — быстрое преобразование Фурье.

а

б Рис. 2. Сравнение временной и частотной диаграмм технологий: а) OFDM; б) DFT-S-OFDM

Гибкое расположение поднесущих и фреймовая структура Работа в нескольких полосах частот — от уже существующих полос сотовой связи, лежащих ниже частоты 3 ГГц, до более широких полос в области 3–5 ГГц и до диапазона миллиметровых волн — является новым аспектом 5G NR. На рис. 3 показаны выделенные на настоящий момент полосы частот, предназначенные для работы NR выше частоты 6 ГГц.

WWW.WIRELESS-E.RU

Рис. 3. Полосы частот 5G NR, выделенные выше частоты 6 ГГц

11

12

КОМПОНЕНТЫ | cтандарты

При увеличении частоты несущей растет не только число обслуживаемых каналов и скорость передачи данных [3], но и фазовый шум системы. Например, разница в фазовом шуме между несущими на частотах 1 и 28 ГГц составляет около 20 дБ. Для приемника миллиметровых волн с узким фиксированным разнесением поднесущих (subcarrier spacing, SCS) и длительностью символа, принятого для LTE, такое увеличение затрудняет демодуляцию сигнала OFDM. Кроме того, у перемещающихся пользователей, из-за доплеровского сдвига, временной параметр по когерентности канала по мере повышения несущей частоты уменьшается, а это означает, что у системы на более высоких несущих частотах меньше времени для измерения канала и завершения передачи в одном слоте. Использование узкого расстояния между поднесущими в миллиметровом диапазоне приводит к недопустимо большому значению вектора ошибок со значительным ухудшением производительности. Поэтому здесь, в отличие от систем LTE, используют переменный коэфициент разнесения поднесущих или так называемую масштабируемую нумерологию (scalable numerology). Итак, чтобы избежать вышеописанной ситуации, в технологии 5G NR, в отличие от сетей LTE, где предусмотрено единое спектральное распределение поднесущих, применяются OFDM-сигналы с поднесущими с варьируемым разнесением — 15 (соответствует сетям LTE), 30, 60, 120 и 240 кГц [7]. Использование в технологии сотовой связи масштабируемой нумерологии открывает широкие возможности для гибкой настройки сети при предоставлении тех или иных услуг, например для приложений, критичных к уровню задержек (Ultra-Reliable Low-Latency Communications, URLCC — предоставление высоконадежного соединения с очень низкой задержкой передачи данных). Здесь уместно использовать поднесущие с широким спектром при меньшей длительности символа, и наоборот, при передаче трафика для широкополосного доступа в Интернет и низкоскоростного трафика «Интернета

вещей» — использовать «узкие» спектральные модели поднесущих. Для решения описанных выше проблем консорциум разработчиков спецификации для мобильной телефонии 3GPP стандартизировал переменный коэффициент разнесения поднесущих, который варьирует зазор в спектре между ортогональными поднесущими, начиная с интервала 15 кГц, предназначенного для LTE, и заканчивая интервалом 30, 60 или 120 кГц для диапазона миллиметровых волн. Применение нумерологии LTE гарантирует, что развертывание 5G NR будет мирно сосуществовать и согласовываться по временным форматам с сетями LTE. Фреймовая структура 5G NR В 5G NR для передачи данных используется фреймовая структура, описанная в [7]: • в 5G NR передача данных в восходящем (Uplink) и нисходящем (Downlink) направлениях организуется на основе фреймов длительностью Tf = 10 мс; • каждый фрейм делится на 10 субфреймов, длительностью Tsf = 1 мс каждый; • также каждый субфрейм делится на два полуфрейма (half-frame 0 и half-frame 1); • каждый субфрейм делится на слоты (slot); количество слотов определяется шириной спектра поднесущей (или нумерологией) и составляет 1, 2, 4, 8 или 16 слотов (в отличие от сетей LTE-FDD, где используется единая структура с двумя слотами на каждый субфрейм).

только на одно устройство). Технология, получившая название MU-MIMO (от Multi-User, Multi-In Multi-Out — многопользовательская технология с несколькими входами и выходами), предполагает одновременный обмен данными сразу с несколькими различными устройствами через расположенные особым образом передающие N-антенны и принимающие M-антенны. Используя эту многопользовательскую технологию применительно к рассматриваемой технологии 5G NR, базовая станция (gNB) одновременно отправляет потоки данных разным клиентам, обеспечивая максимально достижимый уровень сигнала в местоположении выбранного пользователя и одновременно уменьшая уровень сигнала (создавая нули) в направлениях других приемников. Это позволяет gNB взаимодействовать с несколькими пользователями (UE) независимо и одновременно (рис. 4) — подробно о реализации данной технологии и проверке ее эффективности в реальных условиях в [3, 4]. mMIMO для 5G Технология, получившая название Massive MIMO (mMIMO), относится к сценарию связи, когда число пользовательских терминалов

MIMO Для увеличения пропускной способности и эффективности эксплуатации спектра технология 5G NR предусматривает распределенные и некоррелированные пространственные местоположения нескольких пользователей. Такая технология первоначально предназначалась для Wi-Fi и по сей день применяется в нем. Маршрутизатор обменивается данными с различными устройствами по очередности (то есть в определенный промежуток времени данные могут приниматься или передаваться

Рис. 4. Пространственное мультиплексирование с использованием технологии MU-MIMO

Рис. 5. Пространственное мультиплексирование с mMIMO увеличивает емкость gNB

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №1 ’20

cтандарты | КОМПОНЕНТЫ

намного меньше, чем количество антенн базовой станции. Большая разница между антеннами gNB и UE может дать огромный выигрыш в спектральной эффективности, позволяя системе связи одновременно обслуживать гораздо больше устройств в той же полосе частот, чем современные системы 4G (рис. 5). Лидеры отрасли продемонстрировали жизнеспособность систем mMIMO для 5G с помощью программно-определяемой радиосвязи и гибкого ПО, которое обеспечивает быстрое создание прототипов беспроводной системы [5].

Миллиметровые волны для 5G Системы 5G, работающие на частотах 28 ГГц или в других диапазонах миллиметровых волн, обладают преимуществом в части более доступного спектра, что позволяет задействовать большее число каналов. Преимущество этого диапазона в том, что его спектр менее загружен, чем спектр на частотах ниже 6 ГГц. Но системы связи, использующие диапазон

Рис. 6. Антенная решетка из 64 элементов для частоты 30 ГГц имеет такую же апертуру, что и одиночная полосковая (патч-антенна) для частоты 3 ГГц

WWW.WIRELESS-E.RU

миллиметровых волн, будут сталкиваться с целым рядом разных эффектов, вызванных особенностями их распространения. Здесь имеют место и более высокие потери в свободном пространстве, и атмосферное затухание, и слабое проникновение в помещение, и недостаточная дифракция от окружающих объектов. Чтобы преодолеть эти нежелательные эффекты, антенные решетки миллиметрового диапазона [3, 4] фокусируют свои лучи и таким образом используют дополнительное усиление. К счастью, с увеличением частоты размер таких решеток уменьшается, что позволяет многоэлементным антеннам данного диапазона иметь примерно такой же размер, что и у одного элемента на частотах менее 6 ГГц (рис. 6). Как уже отмечалось, на частотах миллиметровых волн период когерентности канала значительно уменьшается, что накладывает жесткие ограничения на подвижные мобильные приложения. Поскольку специалисты продолжают исследовать новые способы улучшения мобильности в миллиметровом диапазоне, первые развертывания 5G на этих частотах, вероятнее всего, будут обслуживать приложения фиксированного беспроводного доступа, такие как домашний широкополосный доступ, транзитное соединение и прямое соединение между абонентскими устройствами, в обход маршрутизатора. Тем не менее, как указано в [3], качество и надежность непосредственно самой передачи в сети 5G на миллиметровых волнах были продемонстрированы в мобильной сети в тестовых системах во время Олимпийских игр в Сеуле и на скоростях выше 200 км/ч на гоночной трассе, поэтому структура кадра 5G признана пригодной для переключений в условиях даже экстремального доплеровского сдвига. Текущие усилия 3GPP связаны с требованиями к скорости передачи данных до 10–20 Гбит/с и поддержкой высокой мобильности до 500 км/ч2.

Для того чтобы избежать указанной неэффективности, технология 5G NR представляет концепцию частичного использования полосы канала BWP (BWP, bandwidth parts — часть полосы пропускания). В соответствии с этой концепцией сеть согласовывает для определенного оборудования (или пользователя) возможность занять выделенную широкополосную несущую, отдельно конфигурируя другое оборудование на использование сокращенной выборки смежных ресурсных блоков. Это позволяет многочисленным устройствам с различными возможностями использовать одну и ту же широкополосную несущую. Такая гибкая работа сети, учитывающая различные требования к радиоресурсу и возможности оборудования пользователя, невозможна в LTE.

Частичное использование полосы

Литература

По мере роста числа приложений 5G разнообразные устройства и оборудование должны будут успешно работать во многих диапазонах с различной доступностью спектра. Одним из примеров является ситуация, когда оборудование пользователя с ограниченной полосой радиочастот функционирует рядом с более мощным устройством, способным заполнить весь канал, используя агрегацию несущих, и третьим устройством, которое может одним каналом данных занять весь радиочастотный канал [6]. Хотя широкая полоса пропускания обеспечивает более высокую скорость передачи данных для пользователей, она сопряжена с определенными затратами. Если для оборудования пользователя не требуется высокая скорость передачи данных, то применение более широкой полосы пропускания, чем требуется, становится неэффективным расходованием ресурсов обработки как сигнала на несущей, так и после его переноса в модуляционную область частот.

2

Заключение Благодаря каналам с более широкой полосой пропускания и варьируемому разнесению поднесущих, системы 5G NR будут успешно работать как на частотах менее 6 ГГц, так и в выделенных диапазонах миллиметровых волн, с учетом разброса задержек при многолучевом распространении, различного временного условия по когерентности канала и фазового шума. Для того чтобы повысить спектральную эффективность и обеспечить лучшее качество обслуживания для большего числа пользователей, 5G NR на данный момент уже задействует последние разработки в области mMIMO и формирования луча диаграммы направленности [3, 4]. Хотя создание следующего поколения устройств 5G NR сопряжено с серьезными проблемами при проектировании и тестировании, основанный на общей платформе подход к разработке, созданию прототипа и тестированию этих новых беспроводных технологий является ключом к тому, чтобы 5G NR стала реальностью в течение уже следующего десятилетия.

1. Buritica A. From Waveforms to MIMO: 5 Things for 5G New Radio // Microwave Journal. May 14, 2019.

2. Райал Ф. (Frank Rayal). Физический уровень LTE. Время электроники. www.russianelectronics. ru/leader-r/review/2187/doc/53411/ 3. Рентюк В. 5G и миллиметровые волны // СВЧ-электроника. 2019. № 4.

4. Лэнгдон С. Использование ИФР ЭИИМ для оценки диаграммы направленности антенны миллиметрового диапазона // СВЧ-электроника. 2019. № 4.

5. Xu G., Li T.et al. Full Dimension MIMO (FD-MIMO): Demonstrating Commercial Feasibility // IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 2017. Vol. 35. No. 8. www. ieeexplore.ieee.org/document/7938334.

6. 3GPP Technical Specification Group Radio Access Network. NR, Physical Layer Procedures for Control. www.portal.3gpp.org/desktopmodules/ Specifications/SpecificationDetails. aspx?specificationId=3215.

7. Сеть радиодоступа 5G. Часть 2. www.itechinfo. ru/content/сеть-радиодоступа-5g-часть-2

Сегодня нумерология Release 15 поддерживает скорости до 100 км/ч, в то время как более высокие значения, соответствующие требованиям к использованию eMBB, будут указаны в Release 16.

13

14

КОМПОНЕНТЫ |

Компоненты для создания ретрансляционных каналов связи 60 ГГц Полноценная схема двунаправленной передачи данных с частотой 60 ГГц, основанная на системе-на-кристалле Xilinx Zynq и чипсете V-диапазона компании ADI, имеет характеристики и возможности, благодаря которым может использоваться в ретрансляционном оборудовании малых сот.

Джон Килпатрик (John Kilpatrick) Перевод: Михаил Русских tau68@rambler.ru

П

остоянно растущий спрос на увеличение объема передаваемых данных посредством сотовых сетей заставляет операторов искать способы увеличения пропускной способности, и как ожидается, к 2030 году этот показатель должен повыситься в 5000 раз [1]. Для достижения поставленной цели потребуется увеличение пропускной способности канала в 5 раз, расширение выделенного спектра в 20 раз и увеличение количества узлов связи в 50 раз. Многие из этих новых сот будут размещены в помещениях, где создается большая часть трафика, а оптоволокно является наилучшим вариантом для отправки трафика обратно в сети. Но вне помещений на открытом воздухе есть много мест, куда нельзя проложить оптоволоконные кабели или организация точки подключения обходится слишком дорого. Для этих ситуаций использование беспроводных ретрансляторов становится наиболее приемлемой альтернативой. Нелицензируемый диапазон радиочастот 5 ГГц общедоступен, и для его использования не требуется организация связи в пределах прямой видимости. Однако ширина его полосы ограниченна, и с большой долей вероятности на сигналы будут влиять помехи от других пользователей этого спектра из-за интенсивного трафика и широких диаграмм направленности антенн. Но сегодня главным претендентом на обеспечение связи между такими ретрансляторами для многих тысяч наружных сот становятся каналы связи, которые работают на частоте 60 ГГц и смогут удовлетворить потребности в расширении пропускной способности. Этот спектр также является нелицензируемым, но в отличие от спектра частот ниже 6 ГГц содержит до 9 ГГц доступной полосы про-

пускания. Кроме того, благодаря высокой частоте можно формировать очень узкие и сфокусированные диаграммы направленности антенны, обеспечивающие бóльшую устойчивость к помехам. Однако организовать связь в данном случае удается только в пределах прямой видимости. Модемы на основе ПЛИС и систем-накристалле все чаще используются для создания различных беспроводных ретрансляторов, поскольку платформы на их основе могут быть модульными и изменяемыми, что снижает общую стоимость владения для OEM-производителей. В радиоцепях этих средств связи имеются приемопередатчики, интегрированные в кремниевые микросхемы и размещенные в недорогих корпусах для поверхностного монтажа. Сегодня на рынке доступны коммерческие компоненты, предназначенные для создания полноценного двустороннего канала передачи данных на частоте 60 ГГц, схематичное изображение которого можно увидеть на рис. 1. Это решение, разработанное сотрудниками Xilinx и Hittite Microwave (теперь Analog Devices), содержит модем компании Xilinx и высокочастотные компоненты КВЧдиапазона компании Analog Devices. Это решение отвечает требованиям к рабочим характеристикам и возможностям ретрансляционного оборудования для малых сот. Как показано на рис. 1, для создания такого канала необходимы два узла. Каждый узел содержит передатчик (с модулятором) и соответствующую аналоговую цепь передатчика, а также приемник (с демодулятором) и соответствующую аналоговую цепь приемника. Модемная карта состоит из аналоговых и дискретных устройств. Она включает генераторы, реализованные в цифровом виде для БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №1 ’20

| КОМПОНЕНТЫ

Рис. 1. Высокоуровневая блок-схема полноценного двустороннего канала передачи данных

обеспечения точности синтеза частоты, а все цифровые функции выполняются в ПЛИС или системе-на-кристалле. Это модемное ядро с одной несущей поддерживает модуляции от QPSK до 256 QAM в полосах пропускания канала до 500 МГц и обеспечивает скорость передачи данных до 3,5 Гбит/с. Модем также поддерживает дуплексную передачу как с частотным разделением (FDD), так и с временным разделением (TDD). Обеспечивающие высокую надежность методы проектирования модемов позволили уменьшить влияние фазовых шумов на местные гетеродины. Для улучшения рабочих характеристик и бюджета канала был использован код с малой плотностью проверок на четность.

Модем КВЧ-диапазона Модем КВЧ-диапазона позволяет производителям коммуникационной инфраструктуры

разрабатывать универсальные, оптимизированные по стоимости и перенастраиваемые каналы связи для своих беспроводных ретрансляционных сетей. Он полностью адаптивный, имеет низкое энергопотребление, занимает небольшую площадь и может использоваться для развертывания снаружи и внутри помещений каналов связи типа «точка-точка», а также каналов СВЧ-диапазона типа «точка-многоточка». Данное решение позволяет операторам создавать масштабируемые системы с возможностью расширения в полевых условиях. На рис. 2 приведена подробная структура цифрового модема, реализованного на основе системы-на-кристалле. Помимо программируемой логики (PL), масштабируемая процессорная система (PS) содержит два ядра ARM Cortex-A9 со встроенными контроллерами памяти, поддерживающие

Рис. 2. Полностью программируемая система-на-кристалле для беспроводных модемов

WWW.WIRELESS-E.RU

различные стандартные периферийные линии ввода/вывода. Эта платформа используется для выполнения различных операций по обработке данных и управления, а также для обеспечения аппаратного ускорения. Интегрированный модем КВЧ-диапазона с реализацией физического уровня (PHY), контроллером, системными интерфейсами и процессором обработки пакетов показан на рис. 2. Однако, исходя из требований к архитектуре, можно вставлять, обновлять или убирать различные модули. Например, задействовать объединитель XPIC (подавитель кросс-поляризационной помехи), чтобы использовать модем в режиме кросс-поляризации с другим модемом. Такое решение реализовано в программируемой логике, где интерфейс SERDES и линии ввода/ вывода применяются для передачи данных между различными компонентами, напри-

15

16

КОМПОНЕНТЫ |

Рис. 3. Блок-схема микросхемы передатчика 60 ГГц HMC6300

мер между модемом и процессором пакетов, процессором пакетов и памятью, или между модемами, или ЦАП/АЦП. К другим важным функциям модема относятся автоматическое переключение состояния без ошибок с помощью адаптивного кодирования и модуляции (ACM) для поддержания работоспособности канала, адаптивное цифровое предыскажение (DPD) с обратной связью для повышения эффективности и линейности ВЧ-усилителя мощности, синхронный Ethernet (SyncE) для поддержания синхронизации системы тактирования, а также прямое исправление ошибок (ПИО) Рида — Соломона или прямое исправление ошибок с кодом с малой плотностью проверок на четность (LDPC). Выбор метода прямого исправления ошибок основан на требованиях к разработке. LDPC в основном выбирают для беспроводного ретрансляционного оборудования, а прямое исправление ошибок Рида — Соломона предпочтительно для приложений с низкой задержкой, в том числе для оборудования прямой трансляции. Реализация LDPC характеризуется высокой степенью оптимизации и позволяет применять параллелизм ПЛИС для вычислений, выполняемых кодерами и декодерами. В результате заметно увеличивается отношение сигнал/ шум. Можно задействовать разные уровни параллелизма, изменяя количество итераций ядра LDPC, тем самым оптимизируя размер и энергопотребление декодера. Также можно смоделировать работу устройства на основе ширины полосы пропускания канала и ограничений пропускной способности. Этот модем поставляется с графическим пользовательским интерфейсом, поддерживающим режимы отображения и отладки. С его помощью удается получить доступ к высокоуровневым функциям, таким как выбор пропускной способности канала или способа модуляции, к низкоуровневым функциям, в частности к настройке аппаратных регистров. С целью достижения пропускной способности 3,5 Гбит/с для ре-

шения, показанного на рис. 1, модем будет работать с тактовой частотой 440 МГц. В нем используются пять гигабитных приемопередатчиков (GT) для подключения к АЦП и ЦАП и несколько GT для обеспечения интерфейсов 10 GbE и CPRI.

Чипсет приемопередатчика КВЧ-диапазона Компания Analog Devices оптимизировала свой кремний-германиевый (SiGe) чипсет 60 ГГц второго поколения, используемый в этом устройстве для ретрансляторов малых сот. Микросхема передатчика представляет собой полноценный аналоговый преобразователь с повышением частоты от основной полосы до КВЧ-диапазона. Усовершенствованный синтезатор частот охватывает диапазон 57–66 ГГц с шагом 250 МГц, характеризуется низким фазовым шумом и поддерживает различные типы модуляции вплоть до 64 QAM. Выходная мощность была увеличена примерно до 16 дБм линейной мощности, при этом встроенный детектор может контролировать выходную мощность, чтобы она не превысила нормативные пределы. Микросхема передатчика обеспечивает как аналоговое, так и цифровое управление усилением в области ПЧ и ВЧ. Аналоговое управление усилением иногда требуется при использовании модуляции более высокого порядка, поскольку дискретное изменение усиления может быть ошибочно принято за амплитудную модуляцию, что способно привести к ошибкам по битам. Цифровое управление усилением осуществляется с помощью встроенного интерфейса SPI. В рамках применений, где для узкополосных каналов требуется модуляция еще более высокого порядка, к передатчику в обход внутреннего синтезатора может быть подключен внешний ФАПЧ/ГУН с еще более низким фазовым шумом. На рис. 3 показана блок-схема микросхемы передатчика, который имеет полосу пропускания до 1,8 ГГц. Вариант использования

модулятора MSK обеспечивает создание экономичного решения для передачи данных со скоростями до 1,8 Гбит/с, поскольку в этом случае нет необходимости применять дорогостоящие ЦАП с немалым энергопотреблением. Дополняет это устройство микросхема приемника, также оптимизированная для удовлетворения жестких требований, предъявляемых к ретрансляторам малых сот. Этот приемник характеризуется значительным увеличением входной мощности в точке децибельной компрессии (P1dB) до –20 дБм и точке пересечения интермодуляции третьего порядка по входу (IIP3) до –9 дБм, что позволяет эффективно работать с каналами ближнего радиуса действия, где высокий коэффициент усиления антенн-тарелок приводит к высоким уровням сигнала на входе приемника. К другим ключевым особенностям относятся низкий уровень шума 6 дБ при максимальном усилении, перестраиваемые фильтры нижних частот и фильтры высоких частот, такие же новые синтезаторы, что и в микросхеме передатчика, для осуществления модуляции 64 QAM в диапазоне 57–66 ГГц, аналоговое или цифровое управление усилением в областях ПЧ и ВЧ. Блок-схема микросхемы приемника показана на рис. 4. Обратите внимание, что приемник также содержит детектор АМ-сигналов для демодуляции амплитудных модуляций, таких как модуляция включением/выключением (OOK). Кроме того, FM-дискриминатор демодулирует простые модуляции вроде FM или MSK. Все это дополняет квадратурный демодулятор, который используется для восстановления квадратурных выходных сигналов основной полосы частот для QPSKи более сложных QAM-модуляций. Микросхемы передатчика и приемника поставляются в корпусе BGA размером 4×6 мм. Эти компоненты для поверхностного монтажа позволят производить недорогие радиоплаты для ретрансляторов. Блок-схема модема и радиосистемы КВЧдиапазона показана на рис. 5. Помимо ПЛИС, программного обеспечения для модема и набора микросхем КВЧ-диапазона, в устройстве имеется ряд других компонентов. К ним относятся двухканальный 12-разрядный АЦП, работающий со скоростью 1 GSPS, четырехканальный 16-разрядный ЦАП тракта приема, работающий со скоростью до 2,8 GSPS, и характеризующийся сверхнизким джиттером синтезатор тактовых импульсов с поддержкой интерфейса JESD204B, используемого как в АЦП, так и в ЦАП.

Демонстрационная платформа Платформа, показанная на рис. 6, совместно создана инженерами Xilinx и Analog Devices для демонстрационных целей. Данное оборудование содержит модем на основе платы разработки с ПЛИС компании Xilinx, стандартную плату FMC, содержащую АЦП, ЦАП, микросхему синхронизации, и две оценочные платы на основе радиомодулей. БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №1 ’20

| КОМПОНЕНТЫ

Эта демонстрационная платформа предполагает использование ноутбука для управления модемом и визуального отображения информации, а также переменного ВЧ-аттенюатора для воспроизведения потерь в тракте передачи стандартного канала связи КВЧ-диапазона. На ПЛИС выполняется микропрограммное обеспечение модема WBM256. Для подключения к радиоплате основной полосы и радиоплате КВЧ-диапазона предусмотрен мезонинный разъем стандарта FMC, имеющийся на плате разработки. Модули КВЧ-диапазона подключаются к плате основной полосы и имеют разъемы MMPX для интерфейсов 60 ГГц, а также разъемы SMA для подключения внешнего гетеродина. Платформа содержит аппаратное и программное обеспечение, необходимое для демонстрации ретрансляционной связи типа «точка-точка», работающей со скоростью до 1,1 Гбит/с с каналами по 250 МГц для каждого направления дуплексного соединения с частотным разделением.

Рис. 4. Блок-схема микросхемы приемника 60 ГГц HMC6301

Модульность и конфигурируемость Поскольку ПЛИС характеризуются высокой степенью модульности и конфигурируемости, они могут снизить стоимость при их использовании с целью создания платформ для беспроводных ретрансляторов. При выборе коммерческих компонентов для модемов КВЧ-диапазона, предназначенных для использования в ретрансляторах малых сот, следует отдавать предпочтение энергоэффективным ПЛИС или системамна-кристалле и высокоэффективным широкополосным IP-ядрам. Высокая скорость также является важным фактором, и его следует учитывать при выборе гигабитных приемопередатчиков, предназначенных для широкополосной связи и функций коммутации. Необходимо искать решение, которое можно масштабировать для реализации нескольких вариантов продукта на одной аппаратной платформе от низкоуровневых продуктов для ретрансляторов малых сот, работающих со скоростью несколько сотен мегабит в секунду, до продуктов, действующих со скоростями до 3,5 Гбит/с. Говоря о радиочастотных компонентах, нужно отметить, что микросхемы в корпусах для поверхностного монтажа позволят уменьшить стоимость производства. Компоненты, представленные на рынке, будут соответствовать требованиям к энергопотреблению, размеру и функциональности, предъявляемым стандартами проектирования беспроводных ретрансляторов малых сот. Также для приобретения доступны высокоэффективные преобразователи данных и микросхемы синхронизации, позволяющие создавать полноценные беспроводные ретрансляционные каналы.

Рис. 5. Пример проекта с использованием микросхем Xilinx и Analog Devices

Литература 1. Evolutionary and Disruptive Visions Towards Ultra High Capacity Networks. IWPC, April 2014.

WWW.WIRELESS-E.RU

Рис. 6. Демонстрационная платформа в действии

17

18

КОМПОНЕНТЫ | Мобильная телефония GSM/GPRS

Модуль Telit FN980m и его использование в российских сетях 5G

Сети 5G продолжают завоевывать свое место в мире, охватывая все больше стран. Приготовления к внедрению такой связи идут и в России, хотя и немного медленнее, чем в США или Японии. Благодаря тому что у нас уже есть тестовые зоны, мы можем проводить испытания 5G-устройств — первым IIoT-модулем такого типа стал FN980m компании Telit.

Алексей Рудневский avr@atoma.spb.ru

С

егодня сети мобильной связи 5-го поколения (5G) получают все большее развитие по всему миру. Коммерческие сети развернуты уже на всех континентах, лидерами являются США, некоторые страны Западной Европы, Япония, Южная Корея, Китай, а также страны Персидского залива [1]. В России развитие 5G идет с некоторым отставанием: в настоящее время развернуто только 10 тестовых зон, в том числе четыре в Москве (МТС, «Мегафон», «Билайн» и «Теле2»), три в Санкт-Петербурге (МТС и «Мегафон») и три в Татарстане (МТС и «Таттелеком»). Причина такого отставания, среди прочего, кроется в несколько запоздалом присвоении частот сетям 5-го поколения со стороны ГКРЧ. Лишь 17 марта 2020 года состоялось заседание ГКРЧ, на котором был рассмотрен вопрос «Об определении диапазонов радиочастот для создания сетей связи стандарта 5G/IMT2020 на территории Российской Федерации (решение ГКРЧ № 20-54-02)» [2], причем утверждено решение было лишь 14 апреля. В соответствии с указанным решением однозначно выделяются под сети 5-го поколения следующие диапазоны: • 2570–2620 МГц (n38) — в рамках рефарминга частот существующих сетей LTE (B38); • 2300–2400 МГц (n40) — этот диапазон ранее был выделен в ряде регионов под развитие LTE-сетей (B40). Следует отметить, что данный диапазон не используется в сетях LTE в Европе и поэтому пока не получил серьезного развития в российских сетях; • 694–790 МГц. Данный диапазон ранее использовался эфирным аналоговым телевидением, а в настоящее время свободен. Тем не менее решение использовать этот диапазон представляется спорным. Во-первых, ему не соответствует ни один стандартный диапазон 3GPP. Наиболее близкими являются n12 (699–716/729–746 МГц) и n14 (788–798/758– 768 МГц), но они не полностью идентичны

выделенному участку, а эксплуатация нестандартных частот и редко применяемых диапазонов (к которым и относятся n12/n14) однозначно приведет к очень ограниченному ассортименту используемого оборудования. Во-вторых, это очень узкий диапазон для 5G-сетей: даже в самом решении ГКРЧ необходимый непрерывный участок радиочастотного спектра для оказания услуг связи в сетях 5-го поколения составляет 50 МГц, а потому полноценных сетей в этом диапазоне создать не получится. Единственным существенным плюсом частот 694–790 МГц является его отличная «дальнобойность» — радиус действия базовых станций позволяет использовать этот диапазон для покрытия удаленных объектов и населенных пунктов в сельской местности; • 4400–4990 МГц. Диапазон почти полностью соответствует 3GPP n79 (4400–5000 МГц), а благодаря гибкому делению на полосы 40–100 МГц может быть использован практически полностью. Предполагается использовать n79 взамен n78 (3300–4000 МГц), который применяется в европейских сетях, а в России занят другими потребителями; • 24,25–27,5 ГГц (n258) — миллиметровый диапазон, он поделен на две неравные части. Первая, меньшая часть (25,25–24,65 ГГц), предназначена для использования неопределенным кругом лиц, то есть, по сути, применение этой части будет носить уведомительный характер. Остальная часть диапазона n258 (24,65–27,5 ГГц) выделена ООО «Новые Цифровые Решения» и ФГУП НИИР для экспериментов в области совместного использования сетей 5G и РЭС госкорпорации «Роскосмос» в совпадающих и соседних полосах радиочастот. В перспективе, видимо, разрешенная полоса n258 будет увеличена за счет именно второй части. Перейдем теперь к абонентскому оборудованию 5G. Если смартфоны с поддержкой 5G БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №1 ’20

Мобильная телефония GSM/GPRS | КОМПОНЕНТЫ

Рис. 2. Режим NSA

Рис. 1. Модуль Telit FN980m

уже выпускаются различными известными (и не очень) компаниями десятками моделей [3], а также есть несколько моделей роутеров 5G (например, от Huawei), то для промышленного «Интернета вещей» (Industrial IoT) модули пока серийно не изготавливались ни одним из производителей. Одним из первых производителей промышленных модулей 5G стала компания Telit с FN980m (рис. 1). Рассмотрим некоторые характеристики модуля более подробно [4].

FN980m — это модуль формата m.2, работающий в стандартах HSPA, LTE и 5G. Особенностью модуля является поддержка всех диапазонов 3G (HSPA, 8 диапазонов) и большинства популярных диапазонов LTE (33 диапазона) и 5G (16 диапазонов до 6 ГГц и 4 миллиметровых), что позволяет ему работать практически во всех современных сетях сотовой связи по всему миру. Модуль имеет возможность подгрузки нескольких вариантов программного обеспечения (прошивок) при помощи лишь одной команды, что полезно для удовлетворения требований разных операторов связи, зачастую взаимоисключающих. Касательно российских реалий, описанных в первой части статьи, можем с удовлетворением сообщить, что FN980m поддерживает все российские диапазоны 3G и LTE, а также все одобренные ГКРЧ диапазоны 5G. FN980m построен на чипсете Qualcomm SDX55 [5], как и большинство разрабатываемых индустриальных модулей 5G других производителей, но благодаря тесному сотрудничеству Telit и Qualcomm стал первым IIoT-модулем, выходящим на коммерческий рынок. Традиционно для Telit модуль FN980m имеет расширенный температурный диапазон –40…+85 °C, что позволяет эксплуатировать его в самых жестких условиях окружающей среды. Модуль имеет 9 антенных входов: четыре входа для диапазонов до 6 ГГц, четыре входа для миллиметровых антенн и один вход для сигналов спутниковой навигации GPS/ГЛОНАСС/ Galileo/Beidou. Также один из входов диапазона до 6 ГГц может работать с сигналами

WWW.WIRELESS-E.RU

L5 GPS, что делает FN980m, по сути, многочастотным GNSS-модулем. Развитие сетей 5G предусматривает на первых этапах использование существующей инфраструктуры LTE-сетей в режиме NSA (non-standalone), что показано на рис. 2. Первоначально абонентский терминал связывается с сетью 4G, через которую происходит обмен информацией о режимах работы и частотных диапазонах. После этого радиообмен переключается уже на каналы 5G, но опорная сеть все равно используется EPC (Evolved Packet Core, ядро 4G-сети). Второй вариант — режим SA (standalone), показанный на рис. 3. В этом случае регистрация проходит сразу в 5G-сети, и для маршрутизации применяется уже опорная сеть 5G Core. Модуль Telit FN980m поддерживает как NSA-, так и SA-режим. Все модули Telit, начиная с 2G, поддерживают AT-команды для мониторинга сетей сотовой связи. Не является исключением и FN980m, позволяющий получать техническую информацию о сетях 3G/4G/5G. Некоторые из этих AT-команд имеются в протоколе, представленном ниже, другие появятся в полном перечне AT-команд, готовящемся к публикации. На уровне драйверов ОС модуль поддерживает режимы RNDIS и ECM, поэтому в системе представляется как стандартная сетевая карта, что существенно упрощает использование FN980m для передачи данных. Для передачи

Рис. 4. Антенны 5G диапазона до 6 ГГц

Рис. 3. Режим SA

голоса имеется интерфейс DVI и поддержка CS (для 3G), VoLTE и VoNR. Возможна передача голоса и через USB в формате PCM. Следует отметить, что для работы в диапазонах до 6 МГц могут использоваться стандартные 5G-антенны, которые уже выпускаются рядом производителей (рис. 4). При этом FN980m может быть установлен в стандартный m.2слот, имеющийся во многих выпускающихся промышленных компьютерах и роутерах. Однако для миллиметровых диапазонов ситуация совершенно иная: модуль (как и все другие модули на базе SDX55) может работать только с антеннами Qualcomm QTM525 (рис. 5) или QTM527. Указанные антенны предназначены только для установки на специально разработанную печатную плату, поэтому устройства, которые планируется применять в диапазоне 24,25–27,5 ГГц (n258), потребуют отдельной разработки такой платы. В качестве образцового дизайна для установки антенн Telit предлагает отладочную плату FN980m Interface TLB (рис. 6). Эта плата, в свою очередь, является мезонином для универсальной отладочной платы Telit EVB [6]. На рис. 7 показана FN980m Interface TLB, уже установленная на EVB, вместе с антеннами диапазона до 6 ГГц и QTM525. Данный комплект является полнофункциональным

Рис. 5. Антенна миллиметрового диапазона Qualcomm QTM525

19

20

КОМПОНЕНТЫ | Мобильная телефония GSM/GPRS

Рис. 6. FN980m Interface TLB

и предназначен для тестирования FN980m во всех режимах работы. Именно в таком комплекте модуль был протестирован в пилотной зоне МТС в Москве [7]. Ниже приведен протокол AT-команд при регистрации FN980m в сети 5G: AT+CGMI Telit OK AT+CGMM FN980m OK AT+CGMR M0H.000000-B005 OK AT#FIRMWARE HOST FIRMWARE: A0H.000000-B005 MODEM FIRMWARE: 2 INDEX STATUS CARRIER VERSION TMCFG LOC 1 Activated RW M0H.000000-B005 1001 1 2 NA M0H.001000-B005 1001 2 OK AT+CPIN?

+CPIN: READY OK AT+CREG?+CREG: 1,1 OK AT+COPS? +COPS: 0,0,»MTS RUS»,7 OK AT+WS46? +WS46: 37 OK AT#MONI #MONI: MTS RUS RSRP:-51 RSRQ:-4 TAC:4541 Id:00E5407 EARFCN:326 PWR:-32dbm DRX:1280 OK AT+CGDCONT? +CGDCONT: 1,»IP»,»5gi.mts.ru»,»»,0,0,0,0,0,0 +CGDCONT: 4,»IP»,»internet.mts.ru»,»»,0,0,0,0,0,0 OK AT+CGREG? +CGREG: 1,1 OK AT+CEREG? +CEREG: 1,1 OK AT+CGATT? +CGATT: 1 OK AT+CGACT? +CGACT: 1,1 +CGACT: 4,1 OK AT#SERVINFO #SERVINFO: 326,-33,»MTS RUS»,»25001»,00E5407,4541,1280,3,-51 OK AT#RFSTS #RFSTS: «250 01»,326,-51,-33,-4,4541,255,-32,1280,19,2,0 0E5407,»250016377973674»,»MTS RUS»,3,1 OK

Как мы видим из протокола, модуль работает в режиме NSA, то есть регистрируется в сети LTE, а на 5G переходит только для передачи данных. Для проверки передачи данных использовался ноутбук Lenovo с интерфейсом USB 3.1, к которому подключался FN980m Interface TLB, скорость оценивалась при помощи сервиса Speedtest [1]. Результатом испытаний явилось успешное подключение к 5G-сети, скорость передачи данных в диапазоне до 6 ГГц составила

Рис. 7. Отладочная плата Telit EVB с установленными FN980m Interface TLB и антеннами

250–300 Мбит/с, что сопоставимо со скоростью передачи данных, обеспечиваемой другими абонентскими устройствами 5G, имеющимися в лаборатории МТС. Официальный пресс-релиз Telit и МТС представлен в [8]. Таким образом, первым 5G-модулем IIoT, испытанным в России, стал FN980m, что еще раз подтверждает компетенции Telit как одного из лидеров «Интернета вещей». Однако развитие на этом не останавливается, к производству готовится новый 5G-модуль FN982.

Литература 1. www.speedtest.net/ 2. Решение ГКРЧ № 20-54-02 «Об определении диапазонов радиочастот для создания сетей связи стандарта 5G/IMT-2020 на территории Российской Федерации». www.digital.gov.ru/ ru/documents/7154/ 3. www.5g.co.uk/phones/ 4. www.atoma.spb.ru/catalog/4806/fn980 5. www.qualcomm.com/products/snapdragonx55-5g-modem 6. www.atoma.spb.ru/catalog/4602/evb 7. www.moskva.mts.ru/about/media-centr/ soobshheniya-kompanii/novosti-mts-v-rossiii-mire/2019-08-29/mts-zapustil-pervuyupilotnuyu-zonu-5g-v-moskve-dlya-tehnologijsmart-city 8. www.telit.com/press-release/telit-completessuccessful-5g-sub-6-ghz-connection-on-mobiletelesystems-mts-network-in-russia/

НОВОСТИ

Keysight и Marvin Test Solutions ускоряют производство оборудования для сетей 5G в миллиметровом диапазоне Компания Keysight Technologies объявила о разработке новой платформы для обеспечения быстрого и точного тестирования полупроводникового оборудования в рамках сотрудничества с компанией Marvin Test Solutions, Inc. (MTS).

Marvin начала использование векторного анализатора цепей (VNA) в формате PXIe для повышения скорости и точности измерений испытательной системы TS-960e, предназначенной для тестирования сетей 5G в миллиметровом диапазоне.

Анализаторы цепей M980xA, недавно представленные компанией Keysight, обладают необходимой масштабируемостью для проведения испытаний многопортовых компонентов, модулей сопряжения (FEM) и базовых станций, работающих на основе технологии формирования луча. Мобильные операторы развертывают технологии формирования луча с целью расширения покрытия мобильных сетей и ускорения передачи данных, что способствует повышению надежности и эффективности сетей 5G в миллиметровом диапазоне. Чтобы обеспечить надежность и эффективность передачи данных в сетях 5G миллиметрового диапазона, необходимо тщательное тестирование базовых

компонентов ИС для формирования луча в линейных и нелинейных условиях на всех этапах — от проектирования до производства. www.keysight.ru

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №1 ’20

реклама

22

КОМПОНЕНТЫ | Мобильная телефония GSM/GPRS

Высокоскоростные LTE-решения SIMCom Wireless Solutions

Стандарт LTE уже давно стал регламентом как для коммерческих, так и для индустриальных устройств. Деградация покрытия 3G сетей, прекращение производства 3Gчипсетов, а также общая тенденция использования сетей четвертого поколения делают LTE-решения единственным вариантом для применений, где необходимо обеспечить широкополосную передачу данных. В статье рассмотрены актуальные промышленные решения SIMCom Wireless Solutions, предназначенные для обеспечения максимально возможных скоростей передачи данных, а также приведен обзор технологии Open Linux, позволяющей использовать модуль для выполнения пользовательских приложений.

Дмитрий Новинский novinsky.d@mt-system.ru

Модули LTE Cat.4

Текущая линейка модулей четвертой категории SIMCom Wireless Solutions представлена в таблице 1. Все указанные модули относятся к четвертой категории и обеспечивают соответствующие скорости работы. Они базируются на одной и той же платформе и имеют лишь ряд небольших отличий.

SIM7500E-H — самое компактное решение за счет применения LGA-контактов, что позволяет вписать данный модуль даже в самые миниатюрные устройства. Модули SIM7600E-H и SIM7600E-H1C выполнены в традиционном для SIMCom форм-факторе 30×30 с торцевыми контактами, упрощающими

Четвертая категория LTE подразумевает работу на скоростях до 150/50 Мбит/c (скачивание/ выгрузка) без агрегации частот. Сейчас подобные решения являются наиболее бюджетными, поскольку такие чипсеты имеют массовое распространение и обеспечивают скорости и функционал, достаточные для большинства задач. Модули третьей категории (LTE Cat.3, 100/50 Мбит/c) потеряли актуальность, проигрывая как по скорости, так и по стоимости устройствам LTE Cat.4, на которые сейчас и приходится основной объем производства.

Т а б л и ц а 1 . LTE Cat.4-модули SIMCom Wireless Solutions Характеристика

SIM7600E-H1C

Корпус

SIM7600E-H

SIM7600E-H1C-PCIE

LCC 30×30 мм

SIM7600E-H-PCIE

mPCIe 50,8×31×5,35 мм

Работа в сетях GSM

SIM7500E-H

LGA 24×27 мм

900/1800 МГц

Работа в сетях WCDMA/HSPA

850/900/2100 МГц

Работа в сетях FDD-LTE

B1, B3, B5, B7, B8, B20

Работа в сетях TDD-LTE

B38, B40, B41

Макс. скорость загрузки/выгрузки

150 / 100 Мбит/с

Аудиоинтерфейс

PCM

Встроенный навигационный приемник

GPS/GLONASS

Интерфейсы управления

UART (до 4 Мбит/с), USB

Рабочий диапазон температур

–40…+85 °C

Поддержка пользовательских приложений (Open Linux)

–

+

–

–

–

Поддержка AUX-антенны

–

+

–

+

+

Возможность подключения внешнего Wi-Fi-модуля

–

+

–

+

–

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №1 ’20

Мобильная телефония GSM/GPRS | КОМПОНЕНТЫ

монтаж. Это обеспечивает преемственность с модулями SIM5320E, SIM5360E и SIM7100E и позволяет перейти на новые решения без существенных затрат. Ключевое отличие между этими двумя решениями состоит в поддержке AUX-антенны у SIM7600E-H. Она предназначена для борьбы с эффектами замирания сигнала от базовой станции, обусловленными многолучевостью распространения. Следует отметить, что для устранения данного эффекта необходимо обеспечить пространственное разнесение антенн и/или их поляризационное разнесение (в этом случае антенны располагаются в разных плоскостях). Учитывая, что антенна работает только на прием (влияет лишь на скорость скачивания), а также то, что при хороших условиях разница в приеме между модулями почти нивелируется, для ряда применений вполне оправдано использование модулей SIM7600E-H1C как менее дорогих. Оба решения доступны и в форм-факторе mPCIe (-PCIE), который подойдет для опциональной установки модуля или для устройств, имеющих разъем под этот стандарт (роутеры, промышленные ПК). Модуль SIM7600E-H также поддерживает возможность подключения внешнего Wi-Fi/ Bluetooth-модуля W58 (рис. 1), который позволяет с помощью простых АТ-команд подключаться к Wi-Fi-сетям или выступать в качестве точки доступа, открывая прямой путь к сотовым данным. Подобная связка позволяет удешевить устройство и упростить работу хоста. Отдельный класс представляют собой так называемые SMART-модули. Это законченные решения, которые работают под управлением Android или Linux и содержат процессор, память и возможность подключения большого количества периферии. Фокусным модулем данного типа является SIM8905 (рис. 2). Внутри модуля четырехъядерный ARM Cortex-A7 1,1 ГГц, 8 Гбит LPDDR3, 8 Гбайт eMMC NAND-флэш. В качестве ОС используется Android или Linux. Мощностей модуля достаточно для декодирования видео до 1080p/30 fps.

Рис. 1. Wi-Fi/Bluetooth-модуль W58

К модулю можно подключить дисплей (MIPI) и две камеры. Среди интерфейсов: SDIO, ADC, клавиатура, датчики, аналоговые аудиовыходы, UART, GPIO, USB, выходы LDO. Модуль поддерживает все стандарты сотовой связи LTE Cat.4/3G/GSM, возможна работа с двумя сим-картами в режиме Dual Sim Dual Standby. Наряду с сотовой связью в модуле доступен двухчастотный (2,4/5 ГГц) Wi-Fi стандартов b/g/n, а также Bluetooth Classic и Low Energy. В отличие от «классических» модулей сотовой связи, которые, по сути, выполняют одну задачу — передачу данных, SMARTмодуль является центральным устройством в системе, и на его базе организована вся работа устройства. Типовое применение для таких модулей — носимые и стационарные устройства с дисплеем и передачей данных: POS-терминалы, вендинговое оборудование, устройства для передачи видео, различные терминалы.

Рис. 2. Модуль SIM8905

гигабитных скоростей в модулях самых высоких категорий. Текущая линейка скоростных модулей SIMCom представлена в таблице 2. Все приведенные решения совместимы между собой в рамках одинаковых форм-факторов. Программно и с точки зрения интеграции в систему все решения совместимы как между собой, так и с линейкой SIM7600x. Почти все решения теперь доступны в формфакторе M.2, который идет на смену mPCIe из-за компактных габаритов и унификации различных типов устройств. Другая важная особенность — наличие USB 3.0 и PCIE, двух высокоскоростных интерфейсов для передачи данных. Модули SIM7912G и SIM7920G способны к тому же работать по всему миру, что позволяет выйти на рынки вне Европы с одним и тем же устройством. Применение этих решений позволяет увеличить скорость скачивания в 2, 4 и в 14 раз по сравнению с модулями четвертой категории! Также следует отметить, что скорость выгрузки данных повышается не столь значительно и существенного увеличения по сравнению с четвертой категорией можно достичь, только применяя модуль SIM7912G и SIM7920G.

LTE Advanced Эволюция MIMO, а также агрегация частот в рамках одного модуля позволила увеличить скорости, как при передаче, так и при приеме, тем самым открыв дорогу быстродействующим решениям, объединенным под названием LTE Advanced. Агрегация частот (чего не было в Cat.4) и поддержка MIMO до 8×8 позволяет достичь

Т а б л и ц а 2 . LTE Advanced-модули SIMCom Wireless Solutions Характеристика

SIM7906E-PCIE

LTE Форм-фактор

SIM7906E-M2

SIM7920G-M2

Cat.12

Cat.20

Cat.6 mPCIe

M.2

LTE (FDD)

B1/B3/B5/B7/B8/B20/B28/B32

LTE (TDD)

B38/B40/B41

WCDMA

SIM7912G-M2

B1/B3/B5/B8

B1/B2/B3/B4/B5/B7/B8/B12/B13/B17/B18/B19/B20/B21/ B25/B26/B28/B29/B30/B32/B66 B38/B39/B40/B41

B38/B39/B40/B41/B42/ B46(LAA)/B48(CBRS)

B1/B2/B3/B4/B5/B8

GPS/GLONASS

+

Максимальная скорость DL/UL

300/50 Мбит/c

600/75 Мбит/c

2000/150 Мбит/c

Максимальное количество полос для агрегации

2×CA

3×CA

7×CA

Аудиоинтерфейс

PCM

Интерфейс для обмена

USB 3.0/PCIE Gen.2

Рабочий диапазон температур

–30…+70 °С (работа также возможна в расширенном диапазоне –40…+85 °С)

WWW.WIRELESS-E.RU

23

24

КОМПОНЕНТЫ | Мобильная телефония GSM/GPRS • • • •

sim_bootloader — бутлоадер; sim_kernel — ядро; sim_rootfs/ursfs — файловая система; sim_crosscompile — инициализация переменных среды; • sim_ota — обновление по воздуху. Перед компиляцией необходимо инициализировать переменные среды: source sim_crosscompile/sim-crosscompile-env-init

Рис. 3. Структура программной части модуля

Рис. 4. Содержимое архива с SDK. sudo tar xzf simsdk.tar.gz

Все указанные модули будут идеальным выбором для стационарных и мобильных роутеров, а также CPE за счет высоких скоростей скачивания. В свою очередь, модули Cat.12 и Cat.20 могут применяться в системах передачи видео за счет увеличенной скорости выгрузки.

Open Linux Описанные выше модули сотовой связи базируются на довольно мощных чипсетах, а потому в некоторых случаях их можно задействовать для выполнения пользовательских приложений. В зависимости от сложности реализуемой задачи модуль или становится центральным компонентом устройства, или берет часть функций на себя. Это позволяет сделать технология Open Linux. Она предоставляет возможность выполнять пользовательские приложения внутренней ОС модуля. Процесс написания приложений, по сути, является разработкой под Linux для встраиваемых систем, и у тех, кто хорошо знаком с Embedded Linux, не должно возникнуть особых трудностей в освоении. В качестве примера будет рассмотрен процесс работы с модулем SIM7600E-H. Так как средой разработки предоставляется довольно много возможностей, ниже мы коснемся лишь общих моментов, относящихся к процессу разработки. Для начала потребуется пакет разработки, который можно запросить у официального дистрибьютора [2]. Он включает в себя SDK, специальное ПО для модуля, утилиты, докумен-

тацию с описанием API и процесса разработки. В качестве компилятора можно использовать Sourcery CodeBench (для Windows) или один из дистрибутивов Linux, где процесс компиляции можно проводить встроенными средствами (именно этот способ и описан далее). Структура модуля с точки зрения программной части приведена на рис. 3. Модуль имеет три составляющие: бутлоадер (LK), ядро (kernel), файловая система (User Space), которая в свою очередь также разбивается на три части: используемая системой (только для чтения, sim_rootfs), раздел для хранения файлов и пользовательского приложения (sim_ursfs), а также кэш. Кэш предназначен для реализации обновлений по воздуху (FOTA) и динамически перезаписывается в случае нехватки места, поэтому помещать в него пользовательскую программу не рекомендуется. Первым шагом является обновление модуля, для этого предоставляется утилита и специальное ПО. Отличительная черта данного ПО — наличие окончания “_OL” в названии, проверить версию можно командой ATI. Для начала работы необходимо извлечь содержимое архива с SDK (содержимое показано на рис. 4). Назначение папок следующее: • helloworld — пустой пользовательский проект, можно использовать его как основу; • simcom-demo — демопроекты от SIMCom, в ней лежат готовые примеры для всех функций модуля;

Далее, вызвая make, можно собрать или проект полностью или каждую из его частей отдельно: make bootloader, make kernel и т. д. В целом, для сложных приложений пользователю будет необходимо вносить изменения в ядро и память, чтобы добавить нужные библиотеки или поместить свое приложение. К примеру, пользовательское приложение можно интегрировать в файловую систему, и тогда оно будет включено в system. Все эти файлы затем нужно поместить в модуль для выполнения. В общем случае на выходе мы получаем четыре файла в папке output: appsboot, boot, system и пользовательское приложение. Поскольку речь у нас идет именно об ознакомлении с функционалом, для начала мы задействуем только пользовательское приложение, без вмешательства в ядро и файловую систему. В таком случае они будут соответствовать тому, что находится в прошивке модуля по умолчанию, соответственно, будет достаточно поместить только файл с программой и выполнить его внутри модуля. Для этого нужно перейти в папку simcom-demo и указать в makefile тот демопроект, который мы будем компилировать. Был использован simcom_test_main, так как он позволяет вызвать тест всех функций, на выбор пользователя. Для компиляции пользовательского файла достаточно подать make demo, после чего файл появится в папке output. Для заливки и отладки приложения используются две утилиты: adb и fastboot, которые идут вместе с SDK. Fastboot предназначена для заливки образов ядра, системы, бутлоадера. Работа с ней описана в соответствующей документации, на ней мы внимание заострять не будем. ADB предназначена для записи отдельных пользовательских файлов, а также отладки программы; она и понадобится для следующего этапа. Модуль требуется включить, подать команду для отображения ADB-интерфейса, перезагрузить и подключить по USB. Все утройства из комбинации должны определиться. Далее происходит работа с adb: >adb devices …

0123456789ABCDEF device //устройство подключено >adb push helloworld /data/helloworld //помещаем приложение в ФС 919 KB/s (838900 bytes in 0.890s)

Процесс работы и отладки аналогичен работе с Linux, вызывается Linux-консоль (shell), в которой запускается приложение. Этот же механизм может использоваться и для БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №1 ’20

Мобильная телефония GSM/GPRS | КОМПОНЕНТЫ

отладки — приложение может выдавать туда отладочную информацию (printf): >adb shell //вызываем консоль / # cd data //переходим в каталог с программой cd data /data # chmod a+x helloworld //задаем разрешения chmod a+x helloworld /data #./helloworld //выполняем ./helloworld

реклама

Результат выполнения программы приведен на рис. 5. Данный пример был выбран, чтобы проиллюстрировать наличие вариантов работы со всеми стеками и интерфейсами модуля. В целом, для пользователей доступны: • UART, SPI, I2C, USB (+OTG), ADC, GPIO, SDIO, PCM. • Все возможности модуля: звонки, СМС, передача данных. Также доступны и встроенные в модуль стеки TCP/UDP, FTP, MQTT и т. д., шифрование для них.

• Почти для всех функций есть API, также возможна работа и путем обработки АТкоманд внутри приложения.

• Wi-Fi и Bluetooth 4.2 доступны при использовании вместе с сабмодулем W58. Работа возможна как в качестве точки доступа, так и клиента. Bluetooth — Classic и Low Energy.

• Ethernet: по интерфейсу HSIC и/или SGMII (спецверсия модуля).

• Возможная трансляция данных между Ethernet/Wi-Fi/сотовой сетью.

WWW.WIRELESS-E.RU

Рис. 5. Результат выполнения программы

• Работа с навигацией (GNSS).

• Обновление прошивки и пользовательского приложения по воздуху (FOTA). Как уже было отмечено, это лишь поверхностное описание всех возможностей Open Linux. Более подробную информацию о возможностях и применении конкретных функций можно уточнить у официального дистрибьютора [2]. В целом, для ряда применений (например, модемов и роутеров) данная технология позволяет

сделать модуль центральным компонентом системы, исключив управляющий процессор. Для более сложных систем она сможет разгрузить центральное устройство, взяв часть функций на себя, что позволит упростить систему и снизить общую стоимость устройства.

Литература 1. www.simcom.com.

2. www.mt-system.ru.

25

26

КОМПОНЕНТЫ | Мобильная телефония GSM/GPRS

Терминалы WRX: передача данных на выгодных условиях

Технологии беспроводных сетей обретают все большую популярность, поэтому ассортимент устройств для беспроводной передачи данных на рынке уже очень широк. Ориентир идет на многофункциональность продуктов: потребители выбирают усовершенствованные решения, которые могут в автоматическом режиме выполнять несколько задач. Для дистанционной передачи данных в сетях GPRS/3G активно используются терминалы.

Дмитрий Шмаров sd@teleofis.ru

Т

ерминалы TELEOFIS серии WRX (рис.) — промышленные 2G- и 3G-терминалы с последовательными интерфейсами RS-232, RS-485, RS-422. Они обеспечивают беспроводной сбор данных с промышленных устройств по каналам GPRS/UMTS и CSD на промышленных, коммерческих и ответственных объектах. Основой терминалов серии WRX служат высоконадежные промышленные модули сотовой связи, работающие в сетях 2G или 3G.

Чем 3G-терминалы серии WRX лучше 2G Несмотря на постоянное развитие LTE-сетей, сети 2G и 3G остаются востребованными. Фундаментальные отличия в стандартах позволяют говорить о преимуществах 3Gоборудования над 2G, поскольку улучшается

качество предоставляемых услуг связи — QoS или элементы профиля обслуживания. Можно выделить самые значимые параметры для 2G- и 3G-связи в терминалах WRX: • Задержки в передаче (Latency). Они играют важную роль в доставке сообщений: чем задержки меньше, тем быстрее проходят запросы от системы опроса до исполнительной системы и наоборот. Так, для 2G характерны средние уровни задержек в 400–700 мс, в то время как для 3G они составляют 100–500 мс.

• Скорость передачи. На нее в первую очередь влияют используемые стандарты, уровень сигнала БС, загруженность сети, а также само клиентское оборудование: – по стандарту для 2G (GPRS Class 10): «Загрузка» (Download) — до 85,6 кбит/с, «Выгрузка» (Upload) — до 42,8 кбит/с;

Рис. Терминалы WRX

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №1 ’20

Мобильная телефония GSM/GPRS | КОМПОНЕНТЫ

– по стандарту для 3G (HSPA): «Загрузка» (Download) — до 7,2 Мбит/с, «Выгрузка» (Upload) — до 5,76 Мбит/с.

• Алгоритм hand-off, реализованный в 3G. Это метод подключения к нескольким базовым станциям для более качественной передачи и приема. В связи с этим потери пакетов в 3G меньше, поскольку качество связи лучше. Таким образом, 3G-связь обеспечивает более надежное и стабильное соединение.

Возможности терминалов WRX Ассортиментный ряд терминалов TELEOFIS представлен моделями, приведенными в таблице. За управление основными функциями в терминале отвечает микроконтроллер, который совершает все операции по настройке и управлению устройством. То есть пользователю достаточно настроить терминал WRX, и он будет выполнять поставленные перед ним задачи.

Работа в пакетной среде передачи данных Передача данных происходит в «прозрачном» режиме, то есть данные в устройстве не накапливаются, а транслируются терминалом напрямую по аналогии с модемом. Поскольку терминал работает сразу в пакетной среде передачи данных, реализованы два механизма подключения: TCP-клиент и TCP-сервер. Поддерживается до пяти клиентских соединений и до пяти серверных соединений. В один момент времени может быть активно только одно соединение.

CSD-протокол остается открытым для доступа к приборам, подключенным к последовательным интерфейсам терминала.

Уникальный сервис TCP-соединений M2M24.ru Для терминалов WRX, не обладающих статическими IP-адресами или индивидуальными APN, разработан специальный «Сервер TCP-соединений M2M24». Данный сервис имеет две версии: 1. M2M24 Cloud — облачная платформа для подключения терминалов, имеющих выход в Интернет. Для создания прозрачного канала связи пользователь должен установить на ПК дополнительное приложение — шлюз TCP-каналов M2M24 Gateway.

2. M2M24 Desktop — версия для использования на локальном сервере пользователя, на котором установлено диспетчерское программное обеспечение. Для каждого терминала сервис M2M24 создает отдельные локальные TCP-порты, к которым подключается программа опроса. Управление терминалами происходит либо на сайте сервиса (M2M24 Cloud), либо через специальное приложение (M2M24 Desktop Client).

Контроль состояния соединения Контроль состояния активного соединения поддерживает два способа проверки:

WWW.WIRELESS-E.RU

• PING (ICMP) — отправка запроса в протоколе ICMP к заранее заданным IP-адресам в сети Интернет или локальной сети пользователя; • TCP — открытие TCP-соединения с заранее заданными IP-адресами в сети Интернет или локальной сети пользователя.

Резервирование Во всех терминалах используются два слота под SIM-карты. Для них можно задать приоритет SIM, задержку смены SIM и задержку возврата на приоритетную SIM. Для 3G-моделей можно задать приоритетную сеть 2G или 3G. Резервные SIM обеспечивают стабильность связи в случае возникновения сбоев в сети мобильного оператора по основной SIM-карте, тем самым повышая отказоустойчивость устройства.

Возможности настройки и диагностики Настройка терминала осуществляется в специально разработанной программеконфигураторе — WRX Configuration Tool. Терминалы WRX поддерживают более 200 параметров для настройки. Программа позволяет проводить настройку терминалов WRX через: • USB — стандартный локальный способ настройки оборудования; • CSD — с помощью звонка по CSD с модема на терминал WRX; • служебный TCP-канал — применяется при работе терминала WRX с сервером TCP-соединений M2M24 Cloud или M2M24 Desktop. Дополнительно в терминале реализован объемный стек SMS-команд для чтения и изменения ряда параметров.

При возникновении особых условий процесса передачи есть возможность корректировки таких параметров, как размер пакета, тайм-аут сборки пакета, время тишины в канале.

Расписание выхода на связь Для экономии расходов реализовано расписание по графику: • суточное; • недельное; • месячное; • «по запросу» (терминал выходит на связь только после поступления на него голосового звонка или специального SMS, что позволяет экономить на связи еще больше).

Дополнительные возможности Присутствует возможность настройки оповещений по SMS для дополнительных входов: • вход типа «АЦП» — пороговые значения; • вход типа «сухой контакт» — контроль датчика замыкания. Для некоторых моделей доступна возможность управления нагрузкой: выход типа «открытый коллектор» — ручное управление или по расписанию. Реализована возможность синхронизации времени по NTP для корректной работы расписаний. Сегодня все больше предприятий и компаний выбирают промышленные GPRS/3Gтерминалы. Высокая скорость передачи, широкий диапазон рабочих температур –40…+70 °C, доступ к данным из любой точки мира, одновременный опрос большого количества приборов и более низкие затраты на услуги связи и прочие преимущества — все это делает терминалы TELEOFIS серии WRX оптимальным вариантом для решения задач учета энергоресурсов.

Т а б л и ц а . Основные характеристики терминалов WRX Модель

Интерфейс

Напряжение питания, VCC

Выход**

Вход***

Корпус

Терминалы 2G WRX Тип передачи данных — GPRS, CSD. Скорость приема — до 85,6 кбит/с WRX700-R4

RS-232

7–30 В DC

ОК

АЦП

Металл, IP30

WRX760-R4

RS-232

85–265 В AC, 7–30 В DC

ОК, 12 В

АЦП

Металл, IP30

WRX708-L4/WRX708-R4

RS-485*

7–30 В DC

VCC

АЦП

Металл, IP30

WRX768-L4/WRX768-R4

RS-485*

85–265 В AC, 7–30 В DC

ОК, 12 В, 7,5 В

АЦП

Металл, IP30

WRX768-L4U/WRX768-R4U

RS-232 + RS-485*

85–265 В AC, 7–30 В DC

ОК, 12 В, 7,5 В

АЦП

Металл, IP30

WRX708-L4U/WRX708-R4U

RS-232 + RS-485*

7–30 В DC

ОК

АЦП

Металл, IP30

WRX768-R6U

RS-232 + RS-485*

85–265 В AC, 7–30 В DC

ОК, 12 В, 7,5 В

АЦП

Пластик, IP65

WRX400-R2

–

85–265 В AC

–

АЦП

Встраиваемый

Терминалы 3G WRX Тип передачи данных — 3G (UMTS | HSPA), GPRS, CSD. Скорость приема — до 7,2 Мбит/с WRX900-R4

RS-232

7–30 В DC

ОК

АЦП

Металл, IP30

WRX960-R4

RS-232

85–265 В AC, 7–30 В DC

ОК, 12 В

АЦП

Металл, IP30

WRX908-L4/WRX908-R4

RS-485*

7–30 В DC

ОК

АЦП

Металл, IP30

WRX968-L4/WRX968-R4

RS-485*

85–265 В AC, 7–30 В DC

ОК, 12 В

АЦП

Металл, IP30

WRX968-L4U/WRX968-R4U

RS-232 + RS-485

85–265 В AC, 7–30 В DC

ОК, 12 В, 7,5 В

АЦП

Металл, IP30

WRX968-R6U

RS-232 + RS-485*

85–265 В AC, 7–30 В DC

ОК, 12 В, 7,5 В

АЦП

Пластик, IP65

Примечания. * Гальваническая изоляция RS-485: для L4/L4U — неизолированный; R4/R4U — изолированный. ** Тип цифрового выхода (О): ОК — открытый коллектор; 7,5, 12 B — выход питания 12 В. *** Тип цифрового входа (I): АЦП — аналого-цифровой преобразователь.

27

28

КОМПОНЕНТЫ | системы позиционирования

Станет ли двухдиапазонность суперсилой GPS? Новая технология двухдиапазонного определения местоположения GPS/GNSS обеспечивает значительное повышение точности по сравнению с более старой однодиапазонной технологией, используемой в подавляющем большинстве современных мобильных телефонов и автомобильных навигационных систем. Инновационная технология геолокации уже сейчас применяется в популярных мобильных телефонах и многих других устройствах. Сегодня типичная точность GPS в мобильном телефоне составляет порядка 5 м, а технология двухдиапазонного GNSS повышает этот показатель и сейчас готовится к выходу на массовый рынок. В статье показаны результаты тестирования новых двухдиапазонных GNSS-приемников и рассказано о перспективных функциях.

Майк Хортон (Mike Horton)

GNSS (Global Navigation Satellite System) — это спутниковая система навигации, включающая все навигационные спутники, которые помогают мобильному телефону или автомобилю определить свое местоположение. GPS — спутниковая система навигации США, получившая название Global Positioning System (Глобальная

система позиционирования). Однако современные коммерческие GPS-приемники также используют навигационные спутники систем ГЛОНАСС, Galileo, Beidou и QZSS. Приемники, работающие с несколькими спутниковыми системами навигации, обычно называют GNSS-приемниками.

Рис. 1. Trimble Navigation, планшет T7 и GNSS-приемник. Источник: GPSWorld.Com

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №1 ’20

системы позиционирования | КОМПОНЕНТЫ

Двухдиапазонная GNSS-технология Спутники GNSS осуществляют передачу на нескольких частотах, или диапазонах. Различные диапазоны сигналов GNSS не только находятся на разных частотах, но и имеют различные структуры сигналов и кодировки. Использование нескольких диапазонов GNSS повышает точность за счет уменьшения влияния ошибок, вызванных искажениями из-за переотражений сигнала и атмосферных помех. Однако до последнего времени двухдиапазонные (они же многодиапазонные) приемники стоили $5000 и более. Такие прецизионные приемники нашли применение в основном в высокотехнологичных промышленных и аэрокосмических областях, таких как строительная геодезия, где точность порядка нескольких сантиметров является обязательной. С появлением новых недорогих двухдиапазонных GNSS-приемников, устанавливаемых в потребительские устройства (рис. 1), например мобильные телефоны, рынок двухдиапазонных приемников радикально изменился. Традиционные многодиапазонные приемники используют диапазоны сигналов L1 и L2. Диапазон L2 первоначально был предназначен для военных, но для коммерческого использования был добавлен диапазон L2C. В последнее время дополнительно к новым недорогим приемникам (рис. 2) также был введен в действие набор новых, более надежных спутниковых сигналов, а именно сигналы L5 (GPS, QZSS), E5 (Galileo) и G3/B3 (ГЛОНАСС/Beidou). Теперь высокоточные GNSS-системы готовы к массовому рынку.

Преимущества двухдиапазонной системы В номинальных условиях ясного неба с надлежащими двухдиапазонными антеннами двухдиапазонная технология обеспечивает примерно двукратное снижение средней погрешности позиционирования (также называемой «круговое вероятное отклонение» — КВО). Компания Nottingham Scientific провела тщательное исследование, сравнив два сотовых телефона — одного с однодиапазонным приемником и одного с двухдиапазонным, в качестве эталона использовался внешний двухдиапазонный приемник Septentri. На рис. 3 стоит обратить внимание на уменьшенную погрешность XiaoMi M8 и близкое совпадение его данных с координатами эталонного приемника. Статистические показатели погрешности, такие как КВО, демонстрируют фактическое преимущество двухдиапазонного метода, поскольку в действительности средняя погрешность часто менее важна, чем максимальная погрешность и надежность определения координат в целом. Проще говоря, чаще всего наибольшая проблема заключается в том, что GNSS-приемник показывает вас не на той улице. Хорошие средние значения не всегда означают хороший результат. В этом отношении двухдиапазонный режим обеспечивает очень заметное снижение мак-

WWW.WIRELESS-E.RU

Рис. 2. Недорогие двухдиапазонные GNSS-приемники: Broadcom 47755 и ST Micro TeseoV

Рис. 3. Исследование компании Nottingham Scientific: сравнение однодиапазонного Samsung S8, двухдиапазонного Xiaomi M8 и двухдиапазонного эталонного приемника Septentrio

симальной погрешности, а также повышает надежность в сложных условиях эксплуатации. Хорошим примером сложных условий являются места посадки и высадки пассажиров во многих крупных аэропортах. Недавно в аэропорту

Сан-Франциско были протестированы три популярных недорогих приемника (рис. 4) — два двухдиапазонных (Quectel LC79D L1+L5, Ublox F9 L1+L2) и один однодиапазонный (Ublox M8 в режиме работы только на L1).

Рис. 4. Quectel L1+L5 LC79D (зеленый), Ublox L1+L2 F9 (желтый), Ublox L1 (фиолетовый)

29

30

КОМПОНЕНТЫ | системы позиционирования

Т а б л и ц а . Доступные GNSS-приемники для разработчиков беспроводных решений Компания Устройство Aceinna

OpenRTK330

Микросхема приемника

Диапазоны

ST TeseoV

L1+L2

Ublox

F9

Ublox

L1+L2

Quectel

LC79D

Broadcom

L1+L5

Quectel

LG69T

ST TeseoV

L1+L5

Несколько ключевых результатов тестирования: • Однодиапазонный приемник L1 не определил местоположение в небольшой зоне с плотной застройкой и предоставлял самые неправдоподобные данные в области с плотной застройкой, при выходе из зоны прибытия и прохождении под международным терминалом.

• Двухдиапазонный приемник L1+L2 хорошо работал в большинстве областей, за исключением прохождения под международным терминалом, где он демонстрировал некоторое снижение точности.

• Двухдиапазонный приемник L1+L5 продемонстрировал наиболее надежную работу и наименьшие отклонения.

Кроме того, было проведено дополнительное тестирование в центре Сан-Франциско, показавшее аналогичную тенденцию. Двухдиапазонные приемники L1+L2 и L1+L5 имели значительно менее неправдоподобные результаты по сравнению с приемником, работавшим только на диапазоне L1. Сигнал L5 и его международные аналоги E5 и B3 являются одними из самых новых сигналов в технологии GNSS. Они имеют больший диапазон и улучшенную структуру сигнала. Эти новые и модернизированные широкополосные сигналы обеспечивают снижение уровня шума и искажений из-за переотражений сигнала. В проведенном простом тестировании в сложных условиях такое улучшение сразу обращает на себя внимание. Двухдиапазонные приемники также являются подходящей отправной точкой для более продвинутых алгоритмов позиционирования, таких как Real-Time Kinematic, позиционирование высокой точности и геолокация на основе нескольких датчиков. При совместном использовании эти технологии могут повысить точность определения местоположения до 100 раз и даже обеспечить работу в условиях специальных помех.

Начало работы с двухдиапазонными приемниками Хотя двухдиапазонные приемники раньше были очень дорогими, начиная с середины 2019 года они стали доступнее. В таблице представлены доступные решения для разработчиков «Интернета вещей» и автономных решений. Растет число моделей смартфонов Android с двухдиапазонными приемниками для разработчиков программного обеспечения и приложений. Ниже представлен неполный список таких смартфонов: • XiaoMi M8, M9, Mix 3; • Huawei Mate Pro 20, P30, P30 Pro; • Oppo Reno; • Google Pixel 4.

Заключение Двухдиапазонные приемники открывают путь удивительным возможностям для точного определения местоположения и навигации путем счисления координат с помощью IMU, использования сетей коррекции GNSS для RTK/PPP/SSR и многого другого. Стоимость и размер таких передовых устройств быстро уменьшаются.

НОВОСТИ

Новая модель осциллографов серии UXR от Keysight для современных телекоммуникационных систем, работающих в миллиметровом диапазоне

Компания Keysight Technologies, Inc. объявила о начале выпуска нового экономичного и гибкого одноканального прибора, который поможет ускорить создание нового поколения телекоммуникационных систем, функционирующих в миллиметровом диапазоне, а также радаров и систем спутниковой связи. Новая модель осциллографов серии UXR от компании Keysight — UXR0051AP Infiniium UXR-Series работает во временной области как осциллограф реального времени с полосой пропускания 5 ГГц, а в частотной области как анализатор спектра с диапазоном частот до 110 ГГц, обеспечивая высокую скорость, доступность и гибкость анализа широкополосных сигналов.

Осциллографы серии UXR от Keysight, оснащенные дополнительной функцией анализа сигналов в миллиметровом диапазоне, характеризуются целостностью сигнала, эффективностью, гибкостью в эксплуатации и ценовой доступностью, благодаря чему стало возможным сочетание функций анализа сигналов, спектра и цифровых данных в одном приборе. Основные особенности и преимущества новой модели: • Высокий отображаемый средний уровень шума (–158 дБм/Гц) в диапазоне 28–85 ГГц обеспечивает отличное качество измерений маломощных широкополосных сигналов с очень низким модулем вектора ошибки (МВО).

• Возможность непосредственного измерения широкополосных сигналов с полосой анализа до 10 ГГц при несущей частоте до 110 ГГц обеспечивает высокое качество анализа без использования внешних понижающих преобразователей.

• Доступно обновление с помощью лицензионного ключа для разблокировки возможности анализа двух независимо настраиваемых фазово-когерентных каналов для простого измерения сигналов антенн MIMO (Multiple Input Multiple Output).

• Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) высокого разрешения (10 бит) со специализированной 16-битной ПЛИС позволяет выводить данные с помощью технологии понижающего цифрового преобразования (Digital Down Conversion, DDC) с квадратурной модуляцией (I/Q) и обеспечивает высокое качество измерения сигналов в миллиметровом диапазоне.

• Частота выборки 256 Гвыб/с в режиме реального времени при частоте комплексной выборки 3200 Мвыб/с позволяет проводить измерения в рекордном для отрасли диапазоне 110 ГГц при ширине полосы анализа 2,16 ГГц с использованием DDC. • Новый функционал, позволяющий работать в частотной области за пределами полосы пропускания осциллографа, а также несколько вариантов полосы понижающего цифрового преобразования, активируемые с помощью лицензионных ключей, помогают создать гибкое, производительное и доступное по цене решение для анализа широкополосных сигналов в миллиметровом диапазоне. www.keysight.ru

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №1 ’20

системы позиционирования | КОМПОНЕНТЫ

Навигационный модуль LC79D — современное решение для массовых систем высокоточного позиционирования В статье описан принцип работы и предоставлены характеристики нового двухчастотного GPS-модуля Quectel LC79D на чипсете Broadcom BCM47755, работающем в диапазонах L1 и L5 и обеспечивающем точность позиционирования не хуже 1 м даже в условиях плотной городской застройки. Поддерживается одновременное использование сигналов различных навигационных систем: GPS, Galileo, QZSS, GLONASS, BeiDou, IRNSS. Данный модуль может быть интересен разработчикам точных систем позиционирования для промышленности, сельского хозяйства, геодезии и в большинстве случае исключает необходимость развертывания относительно дорогой инфраструктуры для функционирования в режиме RTK DGPS.

Виктория Марусич

WWW.WIRELESS-E.RU

С

путниковая навигация стала неотъемлемой частью современной жизни и основой многих систем, критически важных как для решения повседневных задач, так и в чрезвычайных ситуациях, когда на карту поставлена жизнь и здоровье людей. От точности и надежности систем определения координат напрямую зависит эффективность работы множества сервисов, в том числе охранных служб и служб спасения. Поэтому неизменно актуальной является работа над постоянным совершенствованием характеристик навигационных систем и созданием новых независимых решений, управляемых отдельными государствами и допускающих в том числе и военное применение. Сегодня имеется четыре действующие навигационные системы: GPS, принадлежащая министерству обороны США, ГЛОНАСС, принадлежащая Министерству обороны РФ, китайская BeiDou и европейская Galileo. В состоянии активной разработки и тестовой эксплуатации находятся еще две региональные системы — индийская IRNSS и японская QZSS. Любая навигационная система содержит космический сегмент, представляющий собой спутниковую группировку, собственно, передающую навигационные сигналы, и наземный сегмент, состоящий из центра управления и командно-измерительных комплексов. Основная задача наземного сегмента — поддержка целостности космического сегмента, формирование и контроль навигационных сигналов. Отдельно можно выделить пользовательский сегмент — совокупность технических средств, позволяющих вести прием навигационных данных и получать текущую координату приемника с заданной точностью [1]. Принцип определения координат базируется на беззапросных дальномерных измерениях. Каждый спутник-передатчик включает в нави-

гационную посылку свои координаты и точное время, синхронизированное по атомным часам. Способ измерения дальностей основан на вычислении временных задержек распространения сигнала от нескольких спутников к потребителю. Для повышения точности измерения необходимо учитывать релятивистские эффекты, связанные с различными гравитационными потенциалами на орбитах спутников и на поверхности Земли. Точность определения координат зависит от нескольких факторов: точности атомных часов на спутниках, точности определения координат самого спутника, ионосферных и тропосферных флуктуаций, влияющих на скорость распространения радиоволн, многолучевость принимаемого сигнала в условиях наличия препятствий у поверхности Земли. Одной из наиболее распространенных и наиболее точных навигационных систем является GPS (Global Positioning System), принадлежащая министерству обороны США. В настоящее время GPS доступна для использования в гражданских целях и имеет практически глобальное покрытие всей территории планеты. Основной недостаток этой системы заключается в ее полной зависимости от военного ведомства конкретного государства с возможностью регионального отключения или манипулирования в условиях военной необходимости. Космический сегмент GPS состоит из 32 спутников, находящихся на круговых орбитах с высотой около 20 тыс. км и имеющих одинаковый период обращения около 12 ч и одинаковое наклонение 55°. В зависимости от долготы восходящего узла орбиты спутников объединены в шесть групп, покрывающих определенные участки поверхности земного шара. Используется три частотных канала: L1 с частотой 1575,42 МГц, L2 с частотой 1227,60 МГц и L5 с частотой 1176,45 МГц. Частота L1 предназначена для гражданского сегмента и служит для

31

32

КОМПОНЕНТЫ | системы позиционирования

Рис. 1. Использование GPS-сигнала на частоте L5 для повышения точности позиционирования в условиях городской застройки

передачи сигнала типа С/A. До 2000 года практиковалось искусственное загрубление данного сигнала для снижения точности определения координат гражданскими ресиверами с целью предотвращения возможности использовать их в военных целях. Для американских военных и союзников дополнительно доступны сигналы повышенной точности в диапазонах L1 и L2, зашифрованные специальным кодом, имеющимся только в военных моделях ресиверов. Частота L5 активно используется лишь с 2014 года и доступна лишь на 12 спутниках нового блока IIF. Основным отличием данного сигнала является увеличенная на 3 дБ мощность, широкая полоса и низкая длительность посылки. Эти факторы значительно повышают надежность приема и точность позиционирования при слабых сигналах и массивных переотражениях у поверхности Земли (например, в условия многоэтажной городской застройки, так называемых Urban Canyons, рис. 1). Данный сервис относится к категории safety of life (охрана жизни человека) и может быть использован в различных транспортных системах для повышения безопасности последних [2]. До недавнего времени в гражданском пользовательском сегменте был реально доступен только сигнал C/A на частоте L1. Лишь немногие специализированные ресиверы содержали приемник на частоте L2, позволявший на порядок повысить точность позиционирования. К сожалению, такие ресиверы подпадали под региональные ограничения, да и цена их на тот же порядок превышала среднюю стоимость общераспространенных ресиверов гражданского сегмента. Иная ситуация сложилась с предоставлением в открытое пользование частоты L5 [3]. В 2018 году компания Broadcom презентовала первый общедоступный чипсет BCM47755, позволяющий эффективно применять сигнал на частоте L5 для повышения общей точности GPS-позиционирования до 30 см на открытом пространстве и не хуже 1 м в городских условиях [4]. Кроме GPS L1 и L5, данный чипсет использует и сигналы спутников других общедоступных навигационных систем: GLONASS L1, BeiDou (BDS) B1, QZSS L1, Galileo (GAL) E1, Galileo E5a и QZSS L5. Гибкий алгоритм сопоставления данных от различных спутников позволяет значительно

повысить точность позиционирования в любых условиях независимо от качества и точности каждого отдельно взятого сигнала, то есть спонтанное или целенаправленное ухудшение качества сигналов одной из систем не становится критичным для определяемых координат в целом. При разработке чипсета BCM47755 значительное внимание уделено энергопотреблению. В составе чипсета имеется два ядра, выполненных по 28-нм технологии, — низкопотребляющее Cortex-M0 и более мощное Cortex-M4, используемое лишь при необходимости массивных вычислений, например в моменты первичной фиксации или критической потери точности. Кроме того, реализованы интеллектуальные режимы энергосбережения, позволяющие за счет периодической работы значительно снизить общее энергопотребление при некотором уменьшении точности позиционирования и времени реакции на перемещение. Данный чипсет доступен в миниатюрном 77-выводном WLBGA-корпусе (рис. 2) и предназначен для эксплуатации в смартфонах, миниатюрных трекерах и в составе специализированных навигационных модулей-полуфабрикатов. Первым общедоступным навигационным модулем, использующим чипсет BCM47755, является модуль LC79D, презентованный компанией Quectel в конце 2019 года [5]. Данный модуль (рис. 3) интегрирует сам чипсет BCM47755, цепи питания, точный кварцевый

Рис. 2. Новый высокоточный GPS-чипсет Broadcom BCM4775x

генератор, антенные цепи и малошумящий усилитель, а также физические интерфейсы пользователя. Модуль выполнен в компактном корпусе размером 10,1×9,7×2,4 мм с 28 выводами, расположенными по краям (рис. 4). Вес модуля составляет 0,42 грамма, рабочий диапазон температур –20…+85 °С. Модуль обеспечивает максимальную погрешность точности позиционирования в пределах 1,2 м, определяет скорость движения с точностью 0,1 м/с и генерирует метки времени с точностью 10 нс. Чувствительность при обнаружении спутников составляет –147 дБм, а при слежении повышается до –163 дБм и обеспечивается встроенным малошумящим усилителем и наличием адаптивного полосового фильтра. Эффективная система быстродействующего АРУ позволяет снизить эффект подавления более слабых сигналов спутниками, расположенными в зените. Блок-схема модуля приведена на рис. 5. Электрические характеристики данного модуля [6] в основном соответствуют типовым характеристикам модулей более раннего поколения: при напряжении питания в диапазоне 1,7–1,9 В потребляемый ток составляет 30–40 мА в режиме непрерывного приема (потребляемая мощность около 77 мВт). Время холодного старта 34 с, горячего старта — менее 2 с. Пользовательские интерфейсы UART (в модификации LC79DA), SPI (в модификации LC79DB) и I2C (в обеих модификациях) позволяют интегрировать

Рис. 3. Высокоточный GPS-модуль Quectel LC79D

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №1 ’20

системы позиционирования | КОМПОНЕНТЫ

Рис. 4. Назначение выводов GPS-модуля Quectel LC79D

модуль в многокомпонентные навигационные системы, например с помощью технологии UDR (Untethered Dead Reckoning), которая базируется на применении дополнительных сенсоров перемещения (внешних акселерометра и гироскопа) для коррекции выдаваемых модулем данных позиционирования при кратковременной потере спутникового сигнала. Модуль поддерживает возможность такой коррекции, выступая в качестве хоста, использующего подключенные сенсоры для повышения точности позиционирования. Для достижения этой цели LC79D проводит предварительную калибровку сенсоров во время стоянки и равномерного движения в условиях хорошего GPS-сигнала, а затем интегрирует эти данные с текущими GPS-координатами, таким образом уменьшая их погрешность.

Дополнительно модуль в модификации LC79DA имеет внутреннюю Flash-память, которая может использоваться для хранения трека в режиме логгера без внешнего управляющего микроконтроллера. На момент написания статьи некоторые интерфейсные функции (например, использование I2C) пока не документированы и находятся на стадии разработки. Они будут реализованы в последующих версиях прошивки и доступны после ее обновления при помощи специальной утилиты, предоставляемой разработчиком вместе с соответствующей прошивкой. Навигационная информация может обновляться с частотой до 20 раз/с, что позволяет использовать модуль для эффективного и точного позиционирования быстродвижущихся

объектов, в том числе как вспомогательную систему ориентирования в составе автопилотов автомобилей. Выдаваемые модулем данные соответствуют стандартному протоколу NMEA или специализированному протоколу Broadcom. Управление модулем и встроенным чипсетом также осуществляется по протоколу Broadcom. Дополнительно доступна среда разработки (SDK), созданная компанией Quectel на основе NDA-информации от Broadсom и позволяющая реализовать собственный алгоритм управления работой модуля с помощью внешних команд или встроенного кода. Также имеется открытая библиотека графических символов и посадочных мест для различных сред разработки схемотехники и печатных плат [7]. Таким образом, новый навигационный модуль LC79D от компании Quectel на базе чипсета Broadcom BCM47755 обеспечивает повышенную точность навигации с ошибкой 0,3–1,2 м за счет комплексного использования сигналов различных навигационных систем (GPS L1+L5, GLONASS L1, BeiDou (BDS) B1, QZSS L1, Galileo (GAL) E1, Galileo E5a и QZSS L5). Новый сигнал GPS L5, характеризующийся высокой точностью и помехозащищенностью и предназначенный для современных критических систем, связанных с обеспечением транспортной безопасности, существенно повышает устойчивость приема в условиях плотной городской застройки. Предоставляется возможность работы с внешним акселерометром и гироскопом для обеспечения непрерывного позиционирования при кратковременном пропадании спутниковых сигналов. Эффективные режимы энергосбережения позволяют использовать модуль в устройствах с батарейным питанием и обеспечивают длительное время автономной работы при отсутствии перемещения. Данные характеристики являются уникальными для современных навигационных решений и вместе со сравнительно низкой стоимостью определяют модуль Quectel LC79D как предпочтительный вариант выбора при необходимости обеспечения высокой точности навигации в массовых бытовых и промышленных устройствах.

Литература

Рис. 5. Блок-схема GPS-модуля Quectel LC79D

WWW.WIRELESS-E.RU

1. Cистема глобального позиционирования GPS. www.wikipedia.org/wiki/GPS 2. Как работает двухчастотная GPS-навигация. www.v-androide.com/obzory/technology/kakrabotaet-dvuxchastotnaya-gps-navigaciya.html 3. 2018 will mark a milestone in GNSS technology with 30-centimeter accuracy. www.electronics-lab. com/2018-will-mark-milestone-gps-technology30-centimeter-accuracy/ 4. BCM47755 Third-Generation GNSS Location Hub with Dual Frequency Support. www. broadcom.com/products/wireless/gnss-gpssocs/bcm47755 5. GNSS LC79D. www.quectel.com/product/ lc79d.htm 6. LC79D Hardware Design. www.quectel.com/ UploadImage/Downlad/Quectel_LC79D_ Hardware_Design_V1.0.pdf 7. Free library of symbols & footprints for the LC79D by Quectel. www.snapeda.com/parts/ LC79D/Quectel/view-part/

33

34

АНТЕННЫ

Как выбрать встраиваемую GNSS-антенну Статья адресована тем специалистам, кто впервые столкнулся с вопросом выбора встраиваемой пассивной GNSS-антенны. Помимо обзора наиболее популярных антенн, будут обсуждаться факторы, влияющие на их выбор, и приведены простые рекомендации.

Вадим Гизятулин gvm@ultran.ru

Н

е секрет, что работа ВЧ-оборудования в большей степени зависит от качества приема/передачи радиосигнала. Неверный выбор антенны или ее расположения на плате приводит к крайне негативным результатам работы всего прибора, и зачастую чувствительность приемника и цепь усиления/фильтрации сигнала не в состоянии нивелировать подобный просчет. При подборе антенны всегда приходится искать компромисс среди параметров: доступное под антенну пространство на плате, характеристики и цена антенны. Все три параметра напрямую

Рис. 1. Наиболее распространенные типы антенны

9×9 мм

10×10 мм

15×15 мм

Рис. 2. Выводные патч-антенны Cirocomm

18×18 мм

25×25 мм

35×35 мм

зависят от технологии производства антенны и применяемых материалов. В общем случае антенна представляет собой комбинацию проводника и изолятора c различной относительной диэлектрической проницаемостью (К), характеризующей замедление распространения электромагнитной волны в изоляторе относительно вакуума (воздуха). Таким образом, применение материалов с более высоким К позволяет уменьшить габариты антенны, которые, как известно, напрямую зависят от длины волны сигнала. В самом бюджетном решении используется комбинация сталь/воздух (K = 1), наиболее популярны медь/керамика(K = 9–100) или стеклотекстолит (K = 4), самые компактные устройства все чаще требуют интеграции антенны непосредственно в корпус устройства по технологии Laser Direct Structuring (LDS). На рис. 1 приведены наиболее распространенные типы антенны. Как видим, стремление к компактности требует применения более дорогих материалов или технологий. Начнем наш обзор с более распространенных керамических антенн на примере продукции тайваньской компании Cirocomm Technology Corp., которая с 1996 года занимается разработкой и производством антенн и керамических фильтров. Линейка продукции охватывает все наиболее востребованные беспроводные технологии, такие как 2G/3G/4G/5G, GNSS, Wi-Fi/BT, NFC, RFID, SubHz, и другие. Пассивные керамические GNSS-антенны по исполнению можно разделить на «чип» и «патч», по способу монтажа — на выводные и SMD. Патч-антенна представляет собой пластину на слое диэлектрика (рис. 2, 3), питание которой осуществляется штырем, смещенным от центра, или микрополосковой линией (в случае SMD). Типичный и, пожалуй, самый популярный представитель данных антенн — PA025AQ0025. Несмотря на доступность антенн в различных вариантах, именно размер 25×25 мм чаще всего представляется оптимальным решением исходя БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №1 ’20

АНТЕННЫ

12×12 мм

15×15 мм

18×18 мм

25×25 мм

Рис. 3. SMD патч-антенны Cirocomm

Рис. 5. Cirocomm PA025PQ0000

Рис. 4. Усиление и рекомендуемые размеры «земляного» полигона

из габаритов антенны, требуемого «земляного» полигона, характеристик и цены. На графике на рис. 4 изображена зависимость усиления антенны от ее размеров при рекомендуемой площади земляного полигона. Как видим, именно антенна 25×25 мм обладает максимальным усилением при минимальной площади «земляного» полигона. Однако у антенн размером 25×25 мм есть и небольшой недостаток, когда речь идет о применении мультисистемных приемников. В общем случае они эффективны в диапазоне 20 MГц для сигнала с круговой правосторонней поляризацией (RHCP), чего, согласитесь, недостаточно при одновременной работе с группировками GPS и ГЛОНАСС, поскольку разница только между их центральными частотами составляет 27 МГц (GPS L1C/A — 1575,42 МГц, ГЛОНАСС L1OF — 1602 МГц). Решить эту проблему можно тремя способами: • Прийти к компромиссу с антенной типа PA025AQ0025. Как правило, предпочтение отдается GPS-сигналу.

• Использовать антенну большего размера, например 35×35 мм, с полосой пропускания RHCP 40 МГц. Однако в этом случае занимаемое пространство на плате увеличится более чем в 2 раза.

• Использовать антенну с двумя питающими выводами, например PA025PQ0000 (рис. 5), с сохранением размеров «земляного» полигона. В данном случае осуществляется прием двух ортогональных составляющих RHCP-сигнала,

WWW.WIRELESS-E.RU

шириной по 40 МГц, так как ширина полосы пропускания для сигнала с линейной поляризацией в два раза больше. Использовать одну из линейных составляющих приемника мы не можем, поскольку в данном случае потеряем половину мощности сигнала. Поэтому оба сигнала необходимо объединить гибридным

Рис. 7. Схема LC гибридного ответвителя

Рис. 6. Yantel HC1600P03

ответвителем (Hybrid Coupler) со сдвигом фаз 90°. Таким образом, на вход приемника поступит RHCP-сигнал в диапазоне 40 МГц. В качестве гибридного ответвителя можно использовать готовые, например HC1600P03, или реализовать его на LC-компонентах (рис. 6, 7).

35

36

АНТЕННЫ

Рис. 8. Cirocomm PA050B6D008

Также все чаще производители навигационного оборудования обращаются к SMD патч-антеннам. К их основным преимуществам можно отнести более быстрый и экономичный автоматический монтаж и достаточно высокую устойчивость к вибрациям. Пожалуй, единственный недостаток — это более сложная технология производства и, как следствие, более высокая цена. С приходом на рынок L1/L2 RTK-модулей, таких как u-blox ZED-F9P, cантиметровая точность стала более востребованной в сельскохозяйственной технике, беспилотных летательных аппаратах (БПЛА), автономном вождении и других применениях. Сигнал L5-диапазона имеет ряд преимуществ в сравнении с L2, однако количество спутников, поддерживающих его, еще недостаточно для стабильной работы навигационного оборудования. В 2021 году мы сможем лучше оценить все преимущества L5-диапазона и фокус пользователей сместится уже на L1/L5-решения. Сейчас доступны мультичастотные антенны PA050B6D008 (рис. 8) и PA025Z6D004 (рис. 9), действующие во всех трех диапазонах L1/L2/L5 и способные решить как текущие, так и перспективные задачи. В носимой электронике применение патчантенн крайне затруднительно. И речь здесь не только о габаритах и массе антенн, но и о возможности излучать/принимать сигнал в любом направлении при непосредственной близости к человеку. Среди всенаправленных керамических антенн можно выделить PIFA (Planar

Рис. 10. Cirocomm DPA1575A

Рис. 9. Cirocomm PA025Z6D004

Inverted F Antenna) антенну DPA1575 (рис. 10) размером 10×4×3 мм. Конечно, существуют и более миниатюрные аналоги, но ключевая особенность DPA1575 в том, что она занимает меньшую площадь на плате, поскольку не требует «земляного» полигона, а лишь небольшой области зачистки под собой (11×6 мм). Помимо керамических антенн, в носимой электронике находят применение PCB(Printed Circuit Board) и FPC- (Flexible Printed Circuit) антенны. Рассмотрим их на примере

решений компании Antenova Ltd, основанной в 1999 году в Кембридже (UK), в продуктовой линейке которой представлены антенны для широкого спектра стандартов и технологий беспроводной связи: GSM, CDMA, 3G, 4G, LTE, GPS, GLONASS, Beidou, Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, ISM, NB-IoT и 5G NR. Самой миниатюрной в линейке навигационных PCB-антенн является SINICA-SR4G008, изготовленная из высококачественного стеклотекстолита (UL ANSI: FR4.1). Ее размеры

Рис. 11. Зависимость эффективности SINICA-SR4G008 от размера платы прибора

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №1 ’20

АНТЕННЫ

37

Рис. 13. Bentoni-SRFG017 и рекомендации по установке

Рис. 12. Согласующая цепь для RAPTOR-SR4G053

всего 7×5,8×0,4 мм, и она демонстрирует хорошую эффективность (рис. 11) даже при установке на небольших платах, чей минимальный рекомендованный размер составляет 40×20 мм.

Более новое решение, RAPTOR-SR4G053, принимает RHCP-сигнал в L1/L2/L5-диапазонах (1164–1249/1559–1609 МГц) и позволяет обеспечить точность позиционирования до 10 см. По эффективности не уступает керамической патч-антенне размером 18×18×4 мм, но в 6 раз меньше и в 30 раз легче. При проектировании печатной платы вблизи антенны необходимо предусмотреть согласующую цепь (рис. 12), которая поможет настроить антенну для повышения ее эффективности в небольшом пространстве, обеспечив резонанс нужных частот в соответствующих диапазонах. Подстройка осуществляется под каждый дизайн индивидуально, и зачастую в этом готов помочь сам производитель. В отличие от приведенных ранее типов, гибкие FPC-антенны легче всего интегрируются в небольшие приборы — ведь им не требуется «земляной» полигон либо область очистки непосредственно на печатной плате, к тому же плоскую часть антенны можно сложить и разместить даже в очень ограниченном пространстве. На рис. 13 изображена навигационная антенна Bentoni-SRFG017 с кабелем и IPEX-разъемом для более удобного подключения при сборке прибора. Несмотря на то, что антенна не зависит от основной печатной платы, есть несколько основных правил, которыми нужно руководствоваться при ее размещении. Как видно на изображении, антенна излучает в шести основных направлениях. Для ее эффективной работы необходимо, чтобы как минимум три из них были свободны от препятствий радиосигналу. В оставшихся трех препятствия должны находиться на расстоянии не ближе допустимого производителем.

В заключение следует отметить, что данный обзор посвящен наиболее популярным типам антенн, но далеко не всем. При проектировании устройства необходимо комплексно подходить к подбору антенны, ориентируясь не только на ВЧ-характеристики, но и на ряд других факторов. Ответив на следующие вопросы, инженер сможет сделать правильный выбор: • Какая площадь на плате доступна под антенну и согласующую цепь?

• Какое пространство в целом отведено внутри прибора?

• Какие компоненты могут быть препятствием для приема сигнала: металлические экраны, батареи, разъемы и т. п.?

• Как будет ориентирован прибор относительно неба в ходе его эксплуатации?

Выводы

• Наиболее эффективная и простая антенна имеет размеры 25×25 мм.

• Для мультисистемных приемников рекомендуется использование 2-пиновых антенн в паре с гибридным ответвителем.

• Для получения высокой (сантиметровой) точности необходимо использовать мультидиапазонные приемники и антенны.

• Для носимой электроники более популярны PCB- и керамические чип-антенны.

• При отсутствии места на плате могут быть применены гибкие антенны на кабеле.

Литература 1. www.cirocomm.com/en-global/home/index 2. ES Specifier Design. Wireless trends and placement of antennas in smaller spaces. Geoff Schulteis, Senior Antenna Applications Engineer, Antenova Ltd. www.antenova.com

Миниатюрная GPS/ GLONASS-антенна YNX-GNSS-013-SMAM Компания Yetnorson представляет миниатюрную GPS + GLONASS-антенну (1575~1608 МГц). Антенны выполнены в пластиковом корпусе для монтажа на магнитное основание, имеют габаритный размер 38,8×32,4×12,5 мм и предназначены для работы в навигационных устройствах и автомобильной аппаратуре. Корпус антенны соответствует стандарту IP66 защиты от пыли и воды, что позволяет устанавливать ее снаружи автомобиля.

WWW.WIRELESS-E.RU

Типоразмеры и характеристики: • корпус: 38,8×32,4×12,5 мм; • рабочие частоты: GPS — 1575 МГц, GLONASS — 1592–1608 МГц; • коэффициент усиления: 28 B ±3 дБ (LNA); • поляризация: RHCP; • импеданс: 50 Ом; • тип монтажа: магнит; • тип кабеля RG-174 (3 м), доступны индивидуальные типоразмеры; • разъем: SMA male, возможны варианты с разъемами FAKRA C, FME и пр. www.eltech.spb.ru

реклама

НОВОСТИ

38

АНТЕННЫ

Антенны Yetnorson с оптимальными характеристиками для гражданской техники

Быстрое проникновение беспроводных технологий в самые разные сферы жизни и наше стремление постоянно быть на связи требуют большего количества антенн для передачи и приема радиочастотных сигналов. Оборудование связи становится все более доступным и компактным, и это требует не только небольших по размерам, но и по возможности недорогих антенн. В статье представлен краткий обзор ассортимента антенн производства китайской компании Shenzhen Yetnorson Technology (далее — SYT).

Сергей Иванов

К

омпания SYT [1, 2] специализируется на выпуске широкого спектра антенн, среди которых представлены антенны сотовых стандартов связи GSM/CDMA/ PHS/3G/4G, антенны диапазонов Wi-Fi, WLAN и WiMAX, навигационные антенны GPS/GLONASS и некоторые типы антенн телевизионных и радиовещательных диапазонов. Компания выпускает направленные и всенаправленные антенны различной конструкции, в том числе штыревые антенны, Yagi, параболические и планарные антенны внутреннего и внешнего исполнения, потолочные и дипольные антенны. Приоритет отдается компактным и абонентским антеннам. Отдельно следует отметить ассортимент антенн для применения в автомобильной технике с различными вариантами крепления, а также разнообразные встраиваемые антенны. Наряду с традиционными требованиями к диапазону рабочих частот, коэффициенту усиления и параметрам диаграммы направленности абонентские антенны должны иметь удобную конструкцию, легко закрепляться на устройстве или в месте размещения оборудования. Например, с помощью магнитного крепления, клейкого слоя или специального быстро монтируемого кронштейна. Соединительный кабель в комплекте с антенной или являющийся ее частью должен иметь подходящую длину и соединитель, соответствующий используемому на оборудовании. Для автомобильной техники характерно применение соединителей FAKRA, которые нечасто встречаются где-то еще, в то же время в абонентском оборудовании Wi-Fi используются RP-SMA-соединители, которые редко установлены в классических радиочастотных трактах. В ряде случаев ан-

тенны должны иметь возможность изменения конфигурации за счет наличия поворотных механизмов. Следует также отметить вопрос прочности и защищенности антенн. Это особенно касается выступающих антенн: например, носимых устройств связи. Цена абонентских антенн сильно ограничена невысокой стоимостью самого оборудования и должна находиться в диапазоне от нескольких долларов до десятка с небольшим. Для пользователя или OEM-производителя и психологически, и экономически важно, чтобы на фоне оборудования цена антенны не казалась значительной. Современное оборудование беспроводных сетей устанавливается в самую разнообразную технику. Классическим примером могут послужить банкоматы, оснащенные выступающими магнитными антеннами диапазонов сотовой связи. Но антенны могут размещаться и внутри устройств. В таком случае им часто не требуется отдельный корпус, поскольку монтаж осуществляется в общий конструктивный элемент: бампер, радиопрозрачный кожух или под крышу контейнера. Востребованность таких встраиваемых OEM-антенн объясняется разнообразием систем, в которых используются беспроводные технологии связи.

GPS/GLONASS-антенны Компания SYT выпускает два вида навигационных антенн: абонентские в корпусе и встраиваемые на подложке. Все выпускаемые антенны данного класса работают в диапазоне частот 1575–1608 МГц и могут использоваться одновременно в обоих диапазонах навигационных сигналов — GPS и GLONASS. Абонентские навигационные антенны размещаются в компактном пластиковом корпусе БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №1 ’20

АНТЕННЫ

Т а б л и ц а 1 . Некоторые навигационные антенны Yetnorson Обозначение

Рис. 1. Антенна GLONASS/GPS

с магнитным креплением или клеевым слоем (рис. 1). Соединительный кабель, длиной до 5 м, служит частью антенны, соединители прямые и угловые FAKRA и SMA, другие варианты — по запросу. Наиболее часто абонентские навигационные антенны SYT используются на коммерческом транспорте и в разнообразных терминалах. Для интеграции внутрь корпуса заказчика в ассортименте SYT есть встраиваемый вариант навигационной антенны в виде подложки размером 25×25 мм высотой около 4,5 мм. Такая антенна припаивается на печатную плату вместе с остальными компонентами. Пайка на плату осуществляется по большой контактной площадке на нижней поверхности подложки, при этом центральный вывод диаметром 0,8 мм и длиной 2,5 мм запаивается в отверстие в плате. В документации производителя не приводятся сведения относительно коэффициента усиления встраиваемой антенны, поскольку он в значительной степени будет определяться особенностями той конструкции, куда она будет установлена. В то же время компания рекомендует приспособление для проведения измерений и приводит данные по обратным потерям. В диапазоне частот навигационных систем они не хуже 13 дБ. Большинство навигационных антенн SYT имеют встроенный усилитель. Типовое значение коэффициента усиления антенны с усилителем 29 дБ. Напряжение питания должно находиться в диапазоне 3,3–5 В, ток потребления не превышает 10 мА. Цвет корпуса большинства антенн — черный. Масса не более 100 г. Некоторые типы навигационных антенн SYT представлены в таблице 1.

Диапазон

Коэффициент усиления

Крепление

Кабель

Соединитель

YNX-WG-GPS-RG-FAKRA-5m [3]

GLONASS/GPS

29 дБи

магнитное

5м

FAKRA C угловой

YNX-WG-GPS-Fakra-5m [4]

GLONASS/GPS

29 дБи

магнитное

5м

FAKRA C прямой

YNX-WG-GPS-Fakra-BT-5m [5]

GLONASS/GPS

29 дБи

скотч 3M

5м

FAKRA C прямой

YNX-GPS-SMA-003 [6]

GLONASS/GPS

(29 ±3) дБи

магнитное

3м

SMA-вилка

YNX-2525-TS-011 [7]

GLONASS/GPS

–

пайка (подложка 25×25×4мм)

нет

нет

диапазонными или широкополосными. Это характерно и для антенн компании SYT. Беспроводные антенны выпускаются в компактных пластиковых корпусах продолговатой формы с клеевым слоем для быстрой установки. В качестве примера на рис. 2 представлена антенна YNX-TLB-7020-4G-2.5M. Габаритные размеры такой антенны 116×22×5,8 мм, масса 44 г. Диапазон рабочих частот от 600 до 2700 МГц, что соответствует нескольким стандартам беспроводных сетей (GSM/Wi-Fi/LTE) и специализированным диапазонам, например GSM-R. Коэффициент усиления 3,5 дБ. Соединительный кабель длиной 2,5 м оканчивается SMA-соединителем «вилка».

Рис. 2. Антенна YNX-TLB-7020-4G-2.5M

Антенна, представленная на рис. 2, может быть установлена внутрь более крупного корпуса, являющегося частью оборудования или его носителя. В таком случае более удобно использование встраиваемой антенны в виде платы с соединительным кабелем. Встраиваемые антенны дают OEM-производителям существенно больше возможностей и отличаются меньшей ценой. Пример встраиваемой антенны представлен на рис. 3 — YNX-TX0918-FPC10810. Диапазон рабочих частот данной антенны 600–2700 МГц. Коэффициент усиления 3 дБ. Соединительный кабель длиной 20 см оканчивается соединителем UFL, широко применяемым в беспроводных модемах из-за минимальной высоты над печатной платой. По желанию

заказчика встраиваемые антенны могут быть поставлены без соединительного кабеля для самостоятельного подключения наиболее удобным способом. Ассортимент антенн для применения непосредственно на оборудовании предусматривает разнообразные штыревые антенны, различающиеся диапазонами рабочих частот и наличием или отсутствием поворотного механизма. Все штыревые антенны изготавливаются по технологии обрезинивания, которая обеспечивает высокую прочность антенны и стойкость к различным внешним воздействиям. Пример антенны для диапазонов 2,4/5,8 ГГц (YNX-XZ-2.4G/ 5.8G-SMA) представлен на рис. 4. Она имеет поворотный механизм для изменения ориентации при различном размещении оборудования в пространстве. Штыревые антенны устанавливаются на оборудование с помощью соединителей, являющихся частью конструкции. Как правило, это соединители RP-SMA, наиболее распространенные в оборудовании беспроводных сетей. По техническому заданию заказчика возможен выпуск штыревых антенн для конкретного диапазона рабочих частот, с необходимым соединителем и с учетом других требований, в том числе цвета, наличия поворотного механизма и т. п.

Рис. 4. Антенна с обрезиненным излучателем YNX-XZ-2.4G/5.8G-SMA

Широкая гамма всенаправленных антенн диапазонов беспроводных сетей дополняется направленными антеннами для приема сигналов в неблагоприятных условиях или на значительном удалении от базовых станций.

Антенны беспроводных сетей Ассортимент антенн беспроводных сетей SYT отличается наибольшим разнообразием. В этой категории можно выделить антенны абонентских устройств и терминалов, встраиваемые антенны, штыревые антенны для монтажа непосредственно на оборудование и автомобильные антенны. Современное оборудование связи, как правило, работает одновременно в нескольких диапазонах. По этой причине большинство антенн беспроводных сетей являются много-

WWW.WIRELESS-E.RU

Рис. 3. Антенна YNX-TX0918-FPC10810

Рис. 5. Антенна YNX-YAGI-002-8m

39

40

АНТЕННЫ

Один из вариантов реализации направленных антенн, используемых SYT, — антенны Yagi (рис. 5). Диапазон рабочих частот антенны YNX-YAGI-002-8m составляет 800–2100 МГц, коэффициент усиления 16 дБ. Соединительный кабель антенны имеет длину 8 м, оканчивается SMA-вилкой. Антенна может устанавливаться на мачты или стены зданий.

Автомобильные антенны Необходимость установки антенны снаружи автомобиля объясняется существенным влиянием его кузова и других металлических деталей на ее характеристики. При этом приходится мириться с рисками механических повреждений антенны и возможностью ее выхода из строя из-за воздействия климатических факторов. Используют несколько способов крепления антенн на автомобилях: на магнит, в отверстие, на стекло и на клеевой слой. Крепление антенны в отверстие является наиболее механически прочным методом среди всех вариантов, но требует изготовления этого отверстия, с чем пользователь не часто готов смириться. Кроме того, остается вероятность неполной герметичности места крепления. Установка на клеевой слой — наиболее простой способ, но и наименее надежный, так как в многократных температурных циклах клей теряет свои свойства. Часто пренебрегают качественной очисткой поверхности перед установкой, что не улучшает ситуацию. Монтаж антенн на боковые стекла — хороший способ, но дверьми становится не очень удобно пользоваться. Или появляются выступающие элементы, или невозможно открыть стекло, либо делать это приходится с большой осторожностью. Магнитное крепление остается самым популярным вариантом, несмотря на то, что соединительный кабель в этом случае проходит по поверхности автомобиля до места его ввода внутрь. Компания SYT предлагает широкий ассортимент антенн с магнитным креплением для использования на автомобилях. Пример автомобильной антенны диапазона 800–1900 МГц представлен на рис. 6. Излучатель такой антенны изготавливается из упругой нержавеющей стали и сохраняет свою форму даже при значительных механических воздействиях. Основание антенны магнитное и позволяет надежно закрепить ее на крыше или капоте

Т а б л и ц а 2 . Некоторые антенны беспроводных сетей Yetnorson Обозначение

Диапазон

Коэффициент усиления

Крепление

Кабель

Соединитель

YNX-TLB-7020-4G-2.5M

600–2700 МГц

3,5 дБи

скотч 3M

2,5 м

SMA-вилка

встраиваемая (абонентская)

–

SMA RP-вилка

YNX-GSM-TLB-005

824–960/1710–1990 МГц

3 дБи

YNX-Fakra-BT-FAKRA-5M

900–2100 МГц

3 дБи

скотч 3М

5м

FAKRA D

YNX-TX0918-FPC10810

600–2700 МГц

5 дБи

встраиваемая

0,2 м

UFL-вилка

YNX-XZ-2.4G/5.8G-SMA

2,4/5,8 ГГц

3 дБи

встраиваемая (абонентская)

–

SMA RP-вилка

автомобиля. Даже если антенна будет сбита, ее легко поставить на место. Характеристики некоторых антенн SYT диапазонов беспроводных сетей представлены в таблице 2.

Комбинированные антенны В целом ряде применений существует необходимость одновременного приема сигналов навигационных систем и беспроводных сетей. При этом стремятся минимизировать число используемых антенн, стараясь, если возможно, обойтись вообще только одной. Особенно характерна такая ситуация для систем, размещаемых на различных транспортных средствах: автомобилях, автобусах, легком и тяжелом рельсовом транспорте. Компания SYT предлагает несколько типов комбинированных антенн, различающихся используемыми соединителями: SMA или FAKRA (рис. 7). Такие антенны имеют два канала: навигационный и диапазона беспроводных сетей с отдельными соединительными кабелями. Использование мультиплексора для их разделения не требуется. Прием навигационных сигналов обеспечивается антенной с усилителем на основе встраиваемой антенны YNX-2525-TS-011. Канал беспроводных сетей позволяет принимать сигналы в диапазоне частот 900–2100 МГц, что соответствует сетям GSM и 3G. Коэффициент усиления по каналу беспроводных сетей 3 дБи. Комбинированные антенны проще устанавливать, и они менее заметны на транспортном средстве или другом носителе, чем отдельные антенны.

сигналов телевизионных и радиовещательных диапазонов. На рис. 8 представлена встраиваемая активная антенна телевизионного диапазона 174–237/ 470–958 МГц. Напряжение питания усилителя от 5 до 8 В, ток потребления 14–28 мА. Коэффициент усиления 20 дБ при коэффициенте шума 3 дБ. По желанию заказчика на соединительный кабель могут быть установлены соединители FAKRA, MCX или UFL.

Рис. 8. Активная антенна диапазона 174–237/470–958 МГц

Производственные возможности SYT Проиллюстрируем возможности производства компании SYT в целом с помощью антенны диапазона 800–1900 МГц на рис. 9. Одновременно в данной антенне используются излучатели из нержавеющей стали, пластиковый корпус с согласующим устройством внутри, магнитное крепление и соединительный кабель. Вместе с технологией обрезинивания и вариантом поставки встраиваемых антенн отдельно эти возможности соответствуют всему спектру потребностей современного рынка абонентских антенн. Компания располагает широкой гаммой измерительного и испытательного оборудования для всестороннего исследования и контроля характеристик выпускаемых антенн.

Рис. 7. Комбинированная антенна YNX-GPS+GSM-007-SMA

Специализированные антенны

Рис. 6. Антенна диапазона 800–1900 МГц

Кроме антенн для приема навигационных сигналов и сигналов беспроводных сетей, компания SYT выпускает широкий спектр изделий для нелицензируемых диапазонов — например, 433 и 868 МГц, и антенны для приема

Рис. 9. Симметричная антенна с магнитным креплением

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №1 ’20

АНТЕННЫ

Условия эксплуатации Антенны SYT предназначены для использования в гражданской технике. Требования к такой радиоэлектронной аппаратуре обычно ниже, чем к военной или специальной, но в то же время ее непрерывная работоспособность может иметь даже большее значение. Особенно если речь идет об обычных городских условиях и характерных в течение года воздействиях в виде различных осадков, пониженной и повышенной температуры среды, ударов и вибрации (для некоторых сценариев применений). В документации на наиболее востребованные типы антенн SYT приводятся данные по механическим и климатическим испытаниям. В группу механических испытаний входят проверки на изгиб, раздавливание, растяжение и вибрацию. Климатические испытания включают проверку на соляной туман, по-

вышенную температуру среды, воздействие влаги и пониженную температуру. По желанию заказчика для новых или модифицированных конструкций антенн могут быть проведены необходимые испытания, в том числе на проверку паяемости, если речь идет о встраиваемых конструкциях. Стандартный диапазон рабочих температур для всех видов антенн SYT составляет –40…+85 °С.

кабеля и собственно соединителей, исполнения в корпусе или без, дополнительной защиты антенны и, конечно, ее электрических характеристик. Производственные возможности компании могут быть гибко адаптированы под новый вид или большие объемы продукции, но уже сегодня ассортимент стандартных антенн SYT позволяет с небольшими затратами решать широкий спектр задач пользователей.

Заключение

Литература

Представленные примеры антенн характеризуют производственные возможности компании SYT в выпуске недорогих абонентских антенн. Сегодня компанией SYT освоен выпуск более 100 различных конструкций антенн. Существуют гибкие возможности модификации антенн по требованиям заказчика. Это может касаться соединительного

1. Сайт компании Shenzhen Yetnorson Technology. www.yanuoxun.net.

2. Дистрибьютор в России. www.promelec.ru.

3. www.promelec.ru/product/358567.

4. www.promelec.ru/product/358568.

5. www.promelec.ru/product/358569.

6. www.promelec.ru/product/362952.

7. www.promelec.ru/product/405813.

НОВОСТИ

PCI-платы для «Интернета вещей» от Gemalto/Thales Компания Gemalto/Thales представляет серию PCI-плат Cinterion, работающих по принципу Plug & Play.

PCI-карты Gemalto Cinterion LTE обеспечивают быструю передачу данных по сетям сотовой связи, поддерживая стандарты LTE Cat. 1, Cat. 3 и Cat. 6 с возможностью перехода на 2G/3G при необходимости. Устройства легко интегрировать, просто подключив существующий 52-контактный слот для экспресс-карт. Платы выполнены на разнообразных модулях, что позволяет решать широкий спектр задач по обеспечению связи в промышленных применениях. Модель

mPLS62-W

mPLS8-E

mPLAS9-W

50,95×30×5,56

50,95×30×4,7

50,95×32,6×5,3

Внешний вид

Габариты, мм Диапазон рабочих температур

–40...+85 °C

Частотные диапазоны

3GPP Release 9 12 диапазонов LTE: 1, 2, 3, 4, 5, 7, 8, 12, 18, 19, 20, 28 7 диапазонов UMTS: 1, 2, 4, 5, 8, 9, 19 5 диапазонов GSM: 850, 900, 1800 и 1900 МГц

5 диапазонов LTE: 20, 8, 3, 1, 7 3 диапазона UMTS: 8, 3, 1 2 диапазона GSM: 900, 1800 МГц

Скорость передачи данных

FDD-LTE Cat. 1 DL: до 10,2 Мбит/с, UL: до 5,2 Мбит/с HSPA+ Cat. 8 DL: до 7,2 Мбит/с, UL: до 5,76 Мбит/с Полное и частичное (incremental FOTA) обновление ПО через USB

LTE Cat. 3 DL/UL до 100 Мбит/с/ 50 Мбит/с HSPA+ DL Cat. 24/UL Cat. 6, DL/UL до 42 Мбит/с/5,76 Мбит/с UMTS DL/UL: до 384 кбит/с EDGE класс 12 DL/UL: до 237 кбит/с GPRS класс 12 DL/UL: до 85,6 кбит/с Поддержка голоса для LTE через VoLTE или CSFB (с резервной коммутацией каналов)

Особенности

Интерфейс USB поддерживает несколько комбинированных режимов, совместимых с Windows, Linux и Mac; обновление ПО через USB; RLS-мониторинг (обнаружение глушения сигнала) сканирование сети; определение местоположения по базовым станциям

Поддержка 2x2 DL-MIMO; поддержка RX diversity; встроенная функция GPS/ГЛОНАСС/GALILEO; мультиплексор согласно 3GPP TS 27.010; интерфейс USB поддерживает несколько комбинированных режимов, а также режим, совместимый с Linux/Mac; полное и частичное (DFOTA) обновление ПО через USB

Рекомендуемые применения

Приложения, не зависящие от скорости передачи данных: • счетчики • датчики • парковочные датчики • маяки

Защищенные мобильные компьютеры • системы безопасности • медицинское оборудование • платежные системы • шлюзы-маршрутизаторы

11 диапазонов LTE-Advanced FDD: 1, 3, 5, 7, 8, 18, 19, 20, 26, 28 A/B 4 диапазона LTE-Advanced TDD: 38, 39, 40, 41 5 диапазонов UMTS: 5, 6, 8, 3, 1 2 диапазона GSM: 900, 1800 МГц LTE Cat. 6, DL до 40 МГц, DL/UL до 300 Мбит/с/50 Мбит/с HSPA+ Dual Carrier DL Cat. 24/UL Cat. 6, DL/ UL до 42 Мбит/с/5,76 Мбит/с UMTS DL/UL: до 384 кбит/с EDGE класс 12 DL/UL: до 237 кбит/с GPRS класс 12 DL/UL: до 85,6 кбит/с

Агрегация каналов; поддержка 2×2 DL-MIMO; диагностика антенны

Промышленные маршрутизаторы • системы видеонаблюдения • терминалы по продаже товаров и услуг • терминалы электронной очереди

www.euromobile.ru

WWW.WIRELESS-E.RU

41

42

ИНТЕРНЕТ ВЕЩЕЙ

Сравнение LoRaWAN, SNBWAN и других технологий для «Интернета вещей»

В статье выполнено сравнение LPWAN-технологий: протокола LoRaWAN, часто рассматриваемого как претендента на применение в спутниковом «Интернете вещей», нового, пока проприетарного, но имеющего все шансы стать стандартным протокола SNBWAN, эффективно использующего выделенный частотно-временной ресурс, и других протоколов.

Анатолий Сартаков, к. т. н. kb-mars@yandex.ru

Д

орожной картой развития «сквозной» цифровой технологии «Технологии беспроводной связи», разработанной в качестве стратегического инструмента государственной политики развития этих технологий в Российской Федерации, предусмотрено, в частности, развитие субтехнологий LPWAN (рис. 1) — технологий энергоэффективных

сетей дальнего радиуса действия, нацеленных на обеспечение работы устройств в решениях IoT, и спутниковых технологий связи, использующих спутники в качестве ретрансляторов. Фонд содействия инновациям объявил о конкурсе «Развитие НТИ-2020», в том числе по тематическим направлениям дорожной карты «Аэронет»: «Наземный малогабаритный автономный терминал обмена короткими сообщениями через спутники, с характеристиками перспективных LoRa-терминалов, имеющий низкое энергопотребление. Бортовая аппаратура ретрансляции сообщений на наземные станции сопряжения» и «Платформа средств связи и беспроводной передачи данных — помехозащищенные системы связи; системы связи, способные устойчиво работать в арктических широтах; беспроводные коммуникационные модули для построения помехозащищенных беспроводных сенсорных сетей, проприетарные протоколы передачи данных для беспроводных сенсорных сетей».

Сравнение протоколов связи

Рис. 1. Архитектура LPWAN-сети «звезда из звезд»

Важнейшей характеристикой системы сигналов является ее помехоустойчивость — пороговое отношение сигнал/шум в канале с аддитивным белым гауссовским шумом. Если в SNBWAN используются традиционные узкополосные сигналы: в восходящей радиолинии с модуляцией 4FSK, в нисходящей — DBPSK, то в LoRa — сигнал с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) и циклическим М-позиционным временным сдвигом для передачи k бит данных одним символом ЛЧМ (M = 2k). Системы сигналов LoRa и SNBWAN различаются размером ансамблей элементарных символов и различимостью этих символов, которая количественно характеризуется коэффициентами взаимной корреляции. В вопрос оценки помехоустойчивости сигналов БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №1 ’20

ИНТЕРНЕТ ВЕЩЕЙ

LoRa умышленно внесли путаницу фирма Semtech и альянс LoRaWAN. Из маркетинговых соображений во всех документах они приводят пороговое отношение сигнал/шум C/N (125 кГц) в полосе частот ЛЧМ-сигнала 125 кГц, которое значительно ниже отношения сигнал/шум C/N (В) в информационной полосе частот В, численно равной скорости передачи данных (1/T) бит/с, хотя показателем энергетической эффективности системы сигналов является именно отношение C/N (В). Это отношение преобразуется следующим образом: C/N(В) = PC/PN = PC×T/(PN/B) = Eb/N0, где PC — мощность сигнала, Вт; PN — мощность шума в полосе частот B = 1/T, Вт; T — длительность бита, с; Eb — энергия сигнала на бит, Eb = PC×T, Вт·с (Дж); N0 — спектральная плотность мощности шума, N0 = PN/B, Вт/Гц. Пороговое отношение энергии сигнала на бит к спектральной плотности мощности шума Eb/N0 позволяет объективно сравнить различные системы сигналов по помехоустойчивости. Это сравнение приведено в таблице. Для спутникового IoT по технологии LoRaWAN признаны рациональными параметры режима DR3, у которого пороговое значение Eb/N0 равно +6 дБ. Определим пороговое отношение Eb/N0 для SNBWAN. В нисходящей линии SNBWAN используется сигнально-кодовая конструкция (ССК) c DBPSK-модуляцией и сверточным кодированием c R = 1/2, k = 3 (ν = 2). Размер пакета нисходящей линии равен 88 информационных бит (входных бит кодера — выходных бит декодера), включая CRC (рис. 2). Для пороговой вероятности ошибки пакета 0,1 вероятность ошибки информационного бита должна быть Pb = 1 – (1 – 0,1)1/88 = 1,2 × 10–3, а вероятность ошибки двухбитного (4-позиционного) кодового символа [4] Ps = Pb(M – 1)/(M/2)=1,2×10–3×3/2=1,8×10–3. По кривой для ν = 2 на рис. 6–16 в [9] определим, что при DBPSK, для которой кривые должны быть сдвинуты по оси абсцисс на 3 дБ влево, Eb/Nо = +6,25 дБ. Таким образом, нисходящая линия SNBWAN уступает в помехоустойчивости LoRaWAN в режиме DR3 всего 0,25 дБ. В восходящей линии SNBWAN используется ССК с 4FSK-модуляцией и тем же кодированием. Размер пакета восходящей линии равен 108 информационных бит, включая CRC. Для пороговой вероятности ошибки пакета 0,1 вероятность ошибки информационного бита должна быть Pb = 1 — (1 – 0,1)1/108 = 9,75×10–4, а вероятность ошибки 4-позиционного кодового символа [4] Ps = Pb(M – 1)/(M/2) = 9,75×10–4×3/2=1,5×10–3. Пунктирная кривая на рис. 6–16 в [9], соответствующая передаче без кодирования, отражает форму зависимостей вероятностей ошибки на символ M-позиционных ортогональных сигналов при некогерентном приеме, совмещенных с зависимостью вероятности ошибки двоичных ортогональных сигналов, путем сдвига по оси абсцисс на 10lg(log2M) вправо. Аналогично сдвинуты вправо и кривые для передачи с кодированием. Поэтому, чтобы найти фактическое значение Eb/Nо, необходимо, так же как при DBPSK, сдвинуть графики на 10lg(log2M) дБ влево. Для M = 4 сдвиг равен WWW.WIRELESS-E.RU

Т а б л и ц а . Сравнение систем сигналов по помехоустойчивости Система режим

SF/полоса частот M = 2k B — cкорость ПД, бит/с C/N(125 кГц), дБ

C/N(Гц) = Eb/N0, дБ

LoRa/DR0

12/125 кГц

4096

250

–20

LoRa/DR1

11/125 кГц

2048

440

–17,5

+7

LoRa/DR2

10/125 кГц

1024

980

–15

+6,1

LoRa/DR3

9/125 кГц

512

1760

–12,5

+6

LoRa/DR4

8/125 кГц

256

3125

–10

+6

LoRa/DR5

7/125 кГц

128

5470

–7,5

+6,1

SNBWAN/нисходящая линия

DBPSK

2

122, 244, 488, 976, 1953, 3906, 7812, 15625, 31250, 62500

+6,25 (для всех скоростей)

SNBWAN/восходящая линия

4FSK

4

122, 244, 488, 976, 1953, 3906, 7812, 15625, 31250, 62500

+6,3 (для всех скоростей)

3 дБ, а для ν = 2 Eb/Nо = +6,3 дБ. Сравнение с LоRaWAN показывает, что нисходящая линия SNBWAN уступает в пороговом отношении Eb/Nо режиму DR3 LoRaWAN только 0,3 дБ. Как видно из таблицы, пороговое отношение Eb/N0 у SNBWAN и LoRaWAN в режиме DR3 практически одинаково. Если бы в LoRaWAN использовалась М-позиционная система ортогональных сигналов, то при значениях М 128–4096 она имела бы превосходство в помехоустойчивости 3–4 дБ. Но ЛЧМсигналы при выбранных параметрах далеко не ортогональны, поэтому LoRaWAN либо проигрывает в помехоустойчивости SNBWAN, либо обеспечивает ничтожный выигрыш, что развеивает миф о превосходстве широкополосной модуляции LoRa в энергетике радиолинии над узкополосными методами модуляции, если только узкополосная модуляция — это не 2FSK с приемом по мгновенной частоте. Другой миф сформировал ошибочное представление об исключительной устойчивости демодулятора сигналов LoRa к большой частотной ошибке. На самом деле во время поступления на вход преамбулы и синхрослова приемник LoRaWAN с высокой точностью настраивается на частоту сигнала, а возможность увеличения допустимой частотной ошибки достигается ценой использования очень длинной преамбулы. Даже для наземной связи рекомендована длительность преамбулы 19 байт (рассчитано по времени передачи «накладных расходов» 150 мс из таблицы 2 в [1], где для расчета длины преамбулы с синхрословом вычтена длительность заголовка физического уровня с его CRC и проверочными символами FEC). Для спутниковой связи, с ее большим доплеровским смещением частоты, длительность преамбулы должна быть много больше. Требование к длительности преамбулы не зависит от размера пакета полезных данных, а определяется только необходимым диапазоном подстройки приемника по частоте. Максимальная длина преамбулы 65 536 символов, или 73 728 байт данных в режиме DR3. Такой большой объем «накладных расходов» по отношению к объему полезных данных значительно снижает пропускную способность и без того низкоскоростной LPWAN-связи «Интернета вещей».

+7

В разработке радиолюбительского спутникового «Интернета вещей» по технологии LoRaWAN [2] при высоте орбиты пикоспутника (5×5×5 см) 600 км и максимальном доплеровском смещении частоты ±10 кГц на несущей частоте 169 МГц в приемопередатчике наземного терминала (НТ), чтобы не терять пропускную способность системы, пришлось использовать термокомпенсированный кварцевый генератор (TCXO). Рассматривалось также подключение НТ к серверу, где можно было бы получать оперативную информацию о пролете спутника, его местоположении и параметрах движения относительно местоположения НТ, чтобы компенсировать доплеровское смещение частоты. Тем более это актуально для спутникового «Интернета вещей», в котором максимальное доплеровское смещение частоты равно ±20 кГц. Подстройка приемника по частоте при приеме преамбулы необходима и при широкополосной модуляции, как у LoRa, и при узкополосной, как у SNBWAN, изменяется только вид преамбулы. При SNBWAN также требуется удлинение преамбулы при необходимости расширения диапазона подстройки по частоте, и если пытаться подстраиваться во всем диапазоне доплеровского смещения частоты ±20 кГц, то и в SNBWAN, и в LoRaWAN потребуются очень длинные преамбулы, чтобы синхронизироваться по частоте, что резко снижает пропускную способность сети для полезных данных. Поэтому для обеих технологий выходом из тупика является компенсация доплеровского смещения частоты на основе сторонних данных, позволяющих рассчитать радиальную скорость спутника относительно НТ. В НТ SNBWAN используется TCXO опорный генератор для стабилизации частоты несущей и тактов, но при таком большом доплеровском смещении частоты потребуется TCXO и в НТ LoRaWAN. Ведь синхронизация в режиме LoRa гарантируется для отстроек по частоте только ±20% от полосы частот ЛЧМ-сигнала, в нашем случае это ±25 кГц. Добавка к доплеровскому смещению частоты не должна превышать ±5 кГц, что не обеспечить в НТ LoRaWAN без применения TCXO. Таким образом, использование широкополосной

Рис. 2. Структура пакета физического уровня нисходящей линии

43

44

ИНТЕРНЕТ ВЕЩЕЙ

Рис. 3. Временные диаграммы работы SNBWAN-сети

модуляции с многопозиционной системой сигналов на основе ЛЧМ, как у LoRa, не дает никаких преимуществ по сравнению с узкополосными сигналами, как у SNBWAN, а только непроизводительно расширяет спектр сигнала и неоправданно усложняет его программную обработку на борту спутника. Создается также постоянная зависимость производства наземных терминалов для масштабирования сети от политической воли или безволия руководства стран, связанных недружественным по отношению к России альянсом, поскольку микросхемы приемопередатчиков и контроллеров LoRa производят только две западные фирмы — Semtech (США) и STMicroelectronics (Франция, Италия). Выполненный анализ позволяет сделать вывод, что LoRa — это мировая мистификация из США, задающая ложное направление развития связи для «Интернета вещей», приводящая к нерациональному расходованию ресурсов глобальными конкурентами, бездумно следующими за дорогой, но пустой «приманкой» в привлекательной «обертке».

Рис. 4. Частотно-временная матрица ППРЧ-сигналов

Негативным следствием расширения спектра в режиме LoRa становится неэффективное использование выделенной полосы частот для передачи в спутниковом IoT одновременно только одного сигнала, в то время как в синхронной узкополосной системе SNBWAN в той же полосе частот при регулярном доступе на несколько большей скорости может передаваться 125/1,953 = 64 сигнала. С учетом неэффективного использования системой LoRaWAN потенциала пропускной способности временного ресурса, количество НТ, обслуживаемых одной БС SNBWAN, при регулярном доступе — в 64/(G1/2) = 64/0,0256 ≈ 2500 раз, а при случайном доступе — в 64×G2/(G1/2) = = 64×0,064/0,0256 ≈ 160 раз больше, чем обслуживаемых одной БС LoRaWAN, где (G1/2) = –ln(1 – PC1)/2 = 0,0256 — пропускная способность одномерного канала случайного доступа по алгоритму «чистая» ALOHA; PC1=5% — допустимая вероятность коллизий в одномерном канале; G2 = G12 = (–ln(1 – PC2–2)2 = 0,064 — пропускная способность двумерного канала случайного доступа по алгоритму «слотовая» ALOHA; PC2=5% — допустимая вероятность коллизий в двумерном канале. В расчете отношений количества обслуживаемых наземных терминалов одной БС SNBWAN и одной БС LoRaWAN использованы результаты работы [3], в которой выполнен анализ пропускной способности при случайном доступе в одномерном (время или частота) и двумерном (время и частота) каналах. В той же работе определено, что количество терминалов, обслуживаемых одной БС SNBWAN, при регулярном доступе в 66 раз, а при случайном доступе в 4 раза больше, чем обслуживаемых одной БС несинхронных узкополосных систем Sigfox, XNB и NB-Fi. Это и не удивительно, поскольку технология SNBWAN практически реализует потенциальную пропускную способность частотно-временного ресурса (рис. 3). Потому ее пропускная способность превышает пропускную способность и синхронной технологии Wheightless, в которой применяется другое, чем LoRaWAN, но также непроизводительное

расширение спектра сигнала. Отсюда вывод: технология SNBWAN значительно превосходит все известные технологии LPWAN в важнейшей характеристике — пропускной способности сети, которая определяет экономическую эффективность системы связи. Ввиду использования ППРЧ (рис. 4) она превосходит все известные технологии LPWAN в помехоустойчивости, устойчивости к замиранию сигнала из-за многолучевого распространения радиоволн и в других характеристиках. Описание технологии синхронной связи SNBWAN приведено в [5]. Из дискретного ряда скоростей передачи данных (ПД) SNBWAN может быть выбрана ближайшая бóльшая скорость 1953 бит/с, чем скорость ПД режима LoRa D3 1760 бит/с, которая в 1,096 раза выше и при которой SNBWAN будет проигрывать LoRaWAN в энергетике радиолиний на приемной стороне около 0,4 дБ. Но может быть выбрана ближайшая меньшая скорость 976 бит/с, которая в 1,8 раза меньше, чем в выбранном режиме LoRa, поэтому радиолинии SNBWAN по отношению к радиолиниям LoRa при этой скорости получат на приемной стороне энергетический выигрыш 2,6 дБ. Снижение мгновенной скорости ПД внутри пакета SNBWAN в 1,8 раза по отношению к скорости ПД внутри пакета LoRaWAN не означает, что во столько же раз снизится скорость передачи полезных данных. Во-первых, в SNBWAN в пакетах данных восходящей радиолинии передается только полезная нагрузка, а такие «накладные расходы», как преамбула, синхрослово (во всех сообщениях), а также MAC-адрес (в регулярных сообщениях) не передаются. В пакетах данных восходящей линии LoRaWAN режима DR3 передается преамбула (синхрослово) длиной более 19 бруттобайт, MAC-адрес длиной 8 бруттобайт, что при средней длине полезной нагрузки пакета 58 байт (максимальная длина полезной нагрузки пакета 115 байт в режиме DR3 [6]) снижает скорость передачи полезных данных до уровня менее 0,68 полной скорости ПД в пакете. В результате средняя скорость передачи полезных данных в пакете LoRaWAN будет только в 0,68 × 1,8 ≈ 1,22 раза больше, чем в SNBWAN. Во-вторых, показанное в предыдущем абзаце значительное повышение пропускной способности сети связи при замене технологии LoRaWAN на технологию SNBWAN может быть использовано не только для увеличения числа обслуживаемых НТ, но и для повышения частоты передачи пакетов данных отдельными НТ, что эквивалентно увеличению их средней скорости передачи данных. Энергетику радиолиний SNBWAN можно поднять по отношению к LoRaWAN, воспользовавшись разрешением ГКРЧ излучать ЭИМ 100 мВт при рабочем цикле 10% или в режиме LBT в нелицензионной полосе частот 868,7–869,2 МГц (решение ГКРЧ от 07.05.2007 № 07-20-03-001 в редакции решения ГКРЧ от 11.09.2018 № 18-46-03-1) в дополнение к разрешенному ранее излучению с ЭИМ 25 мВт. Это дает энергетический выигрыш на передающей стороне 6 дБ. При таком энергетическом преимуществе на передающей стороне можно допустить проигрыш на приемной стороне 0,4 дБ, если выбрать скорость передачи данных БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №1 ’20

ИНТЕРНЕТ ВЕЩЕЙ

1953 бит/с, и даже 3,4 дБ, если выбрать скорость передачи данных 3906 бит/с, что позволит снизить требования к точности синхронизации по частоте несущей в спутниковом канале с большим доплеровским смещением частоты. Надо отметить, что снижение скорости передачи данных в SNBWAN, в отличие от LoRaWAN, не приводит к уменьшению пропускной способности сети ни для трафика отдельных НТ, ни для их суммарного трафика. При варьировании скорости передачи данных пропускная способность сети SNBWAN остается постоянной, а только перераспределяется по количеству уплотненных сигналов между частотной и временной областью, при этом сохраняется возможность использования потенциальной пропускной способности частотно-временного ресурса на 100%. Применительно к сетям связи «Интернета вещей» по технологии SNBWAN, в которых используется циклическая работа с минимальным периодом цикла 2 с, требование ограничения рабочего цикла 10% выполняется автоматически, так как в структуре сигнала длительность импульсов излучения на отдельных частотах не превышает 200 мс. В сетях LoRaWAN увеличить ЭИМ передатчиков свыше 25 мВт нельзя ввиду того, что это противоречит региональным (Россия и Европа) ограничениям излучений по соответствующему стандарту. Для увеличения пропускной способности сетей LoRaWAN в [1] предлагается следующее: «Оператор, видя увеличивающееся количество соединений, увеличит плотность шлюзов, и это уравновешивает глобальное время в эфире, поскольку вследствие увеличения количества шлюзов время в эфире сокращается (так как устройства используют более высокую скорость передачи данных)». Этот способ повышения пропускной способности эфира применим только в наземных сетях IoT, хотя и приводит к удорожанию инфраструктуры сети, в чем, очевидно, технология LoRaWAN сильно проигрывает технологии SNBWAN. Он не может быть использован в спутниковой системе IoT, так как при увеличении количества спутников дальность связи существенно не уменьшается, поэтому скорость передачи данных в разы увеличить нельзя.

Рис. 5. Архитектура сети SNBWAN

WWW.WIRELESS-E.RU

Вопросы практической реализации спутникового «Интернета вещей» по технологии SNBWAN Главный вопрос, который необходимо решить, планируя построение спутникового «Интернета вещей» по синхронной технологии SNBWAN, — это сетевая синхронизация. Ее целью является согласованное поступление сигналов наземных терминалов на антенну базовой станции, расположенную на спутнике-ретрансляторе. Согласование необходимо как по частотам несущих, так и по времени поступления пакетов данных с точностью до долей длительности символа. Для этого требуется подключение базовой станции спутника-ретранслятора и наземных терминалов к источникам высокоточного времени и высокостабильной частоты. Очевидным решением этой задачи становится применение на борту спутников и в наземных терминалах приемников сигналов глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС). Бортовой навигационный комплекс спутниковой IoT должен определять и постоянно уточнять параметры орбиты спутника-носителя по навигационным и временным сигналам, получаемым от приемника ГНСС. Совокупность параметров орбиты, называемая «альманах», передается по нисходящей фидерной линии на земную станцию сопряжения фидерных линий спутников с Интернетом. По восходящей фидерной линии на все спутники группировки IoT передаются альманахи всех спутников. В рамках системы связи SNBWAN базовые станции спутников передают циркулярные сообщения для всех НТ с параметрами орбиты всех спутников группировки IoT. НТ хранят и периодически обновляют альманахи всех спутников и рассчитывают положение в пространстве спутника, с которым поддерживается сеанс связи, в момент излучения последним пакета данных нисходящей радиолинии. С помощью навигационных приемников они определяют (рассчитывают) собственные пространственные координаты, а также радиальную скорость спутников относительно себя во время излучения принимаемого пакета данных. Эти расчеты позволяют определить ожидаемое время прихода сигнала и ожидаемое

доплеровское смещение частоты его несущей. Допустимая точность (ошибка) оценки времени распространения сигнала равна 1%, а доплеровского смещения частоты несущей — 2,5%, что вполне достижимо. Для максимального доплеровского смещения частоты 20 кГц максимальная ошибка предсказания частоты несущей принимаемого сигнала составит 500 Гц, при которой обеспечивается быстрая синхронизация приемника НТ. Допустимая ошибка оценки смещения частоты несущей получена для скорости передачи данных 122 бит/с, при увеличении скорости ПД допустимая ошибка пропорционально увеличивается. Используя точное время, свои координаты и уточненное по времени прихода сигнала расстояние до спутника в момент излучения им сигнала, НТ рассчитывает необходимое опережение момента излучения собственного сигнала для того, чтобы он поступил на спутник в расчетное время с учетом изменившихся к данному моменту координат спутника. Применяя результаты измерения частоты несущей принятого сигнала, НТ вносит поправку по частоте несущей передаваемого сигнала для компенсации доплеровского смещения частоты при приеме этого сигнала на спутнике. На интервале длительности сигнала отслеживается динамика изменения доплеровского смещения частоты из-за изменения радиальной скорости спутника относительно наземного терминала. Все описанные вычисления вполне реалистичны, поскольку не сложнее тех, что выполняются в навигационных приемниках при решении обратной задачи определения собственных пространственных координат по задержкам распространения сигналов от спутников. Для снижения инфраструктурных издержек приемниками ГНСС могут оснащаться не все НТ, а только те из них, которые абсолютно автономны и не находятся в зоне действия (радиусом до 50 км) наземной БС. Такие наземные БС могут быть как подключены к Интернету по широкополосным каналам связи, так и не подключены, то есть автономны (рис. 5, 6). Все наземные БС системы SNBWAN имеют в своем составе приемник ГНСС. Для поддержки работы наземных терминалов в спутниковой сети SNBWAN базовые станции наземной сети SNBWAN используют

45

46

ИНТЕРНЕТ ВЕЩЕЙ

соответствующее программное обеспечение, позволяющее получать от наземного сетевого сервера (если БС подключена к Интернету) или от спутниковых базовых станций параметры орбит всех спутников IoT. При приеме сообщений от спутниковых БС автономные наземные БС работают как приемники наземных терминалов. Наземные БС посылают циркулярные сообщения с альманахами всех спутников группировки IoT всем наземным терминалам, которые способны принять их сигнал. Увеличение ЭИМ сигналов, передаваемых наземными терминалами, до 100 мВт может быть достигнуто без повышения мощности SNBWAN-передатчиков НТ и без увеличения мощности потребления НТ, а за счет применения направленных вверх антенн НТ с усилением 6 дБ. Преимущество такого решения еще и в том, что антенна усилит и принимаемые от спутников сигналы. Применение outdoor-направленных антенн SNBWAN наземных терминалов вполне сочетается с тем, что должны использоваться outdoor-антенны и у навигационных приемников наземных терминалов. Стоимость микросхемы приемопередатчика у НТ SNBWAN на $2,63 меньше, чем у НТ LoRaWAN (AX5043-1-TW3 — $1,18; SX1261 — $3,81). В НТ SNBWAN применен массовый (используемый в навигационных приемниках) TCXO 26 МГц 0,5 ppm NT2016SA26 MHz-END4165B по цене $0,5, что только на $0,26 меньше, чем у TCXO 32 МГц 2,5 ppm ECS-TXO-2016-33-320-TR по цене $0,76 для приемопередатчика LoRaWAN. И лишь некоторые НТ SNBWAN должны оснащаться навигационным приемником, стоимость которого около $4. Как показано ранее, для того чтобы поддерживать пропускную способность спутникового IoT технологии LoRAWAN на уровне наземного IoT той же технологии, требуется отказаться от использования длинных преамбул, а это

возможно только при компенсации доплеровского смещения частоты на основе данных о радиальной скорости спутника относительно НТ, полученных с помощью приемника сигналов ГНСС. Для спутниковой системы IoT стоимость инфраструктуры при ее построении по технологиям SNBWAN и LoRaWAN будет примерно одинаковой, стоимость наземных терминалов SNBWAN меньше на $2,89, а удельная стоимость инфраструктуры на один наземный терминал при технологии SNBWAN будет много меньше, чем при технологии LoRaWAN, ввиду значительно большего числа наземных терминалов, обслуживаемых одной БС по технологии SNBWAN. Последнее обстоятельство особенно значимо для спутникового «Интернета вещей» из-за высокой стоимости космического сегмента инфраструктуры. Технология SNBWAN позволяет построить сеть «Интернета вещей» операторского класса, в то время как технология LoRaWAN годится лишь для частных локальных сетей и радиолюбительских экспериментов со спутниковым «Интернетом вещей». Для операторской деятельности очень важна рентабельность вложений, и построение сетей «Интернета вещей» по технологии SNBWAN значительно выгодней для операторов и пользователей как спутниковой, так и наземных IoT-сетей. Для подтверждения собственного вывода приведем две цитаты. «Важность надежности промышленного уровня, особенно в критически важных приложениях, невозможно переоценить. Высокая скорость получения и минимальные потери пакетов исключают необходимость повторной отправки сообщений даже в неблагоприятных условиях. Это обеспечивает быстрое поступление важных данных при одновременном снижении энергопотребления из-за многократных передач. Для технологий LPWAN, работающих

во все более перегруженном, нелицензионном спектре, устойчивость к помехам является необходимым условием для обеспечения высокой надежности. Техническая разработка сети LPWAN определяет ее способность исключать помехи при высоком трафике, что улучшает общую скорость приема. Надежная технология сочетает в себе ряд универсальных подходов, таких как использование сигнала с узким спектром, краткое время занятия эфира, ППРЧ и кодирование для минимизации вероятности конфликта... Большая пропускная способность сети позволяет вам ее масштабировать в соответствии с растущими потребностями в точках сбора данных без ущерба для качества обслуживания. Поскольку радиус действия радиосвязи в технологиях LPWAN практически одинаков, пропускная способность сети становится важной характеристикой инфраструктуры. Чем больше конечных устройств и ежедневных сообщений может поддерживать одна базовая станция, тем меньше инфраструктуры вам понадобится. Эффективное использование ограниченного радиоспектра важно для достижения большой пропускной способности сети. Ультраузкополосный подход с минимальной шириной полосы частот обеспечит очень высокую спектральную эффективность, позволяя большему количеству сообщений помещаться в выделенную полосу частот, не перекрывая друг друга» [7]. «Случайный доступ относительно неэффективен. Существует вероятность того, что несколько пользователей пытаются получить доступ к сетевому ресурсу одновременно и конфликтовать. Когда это случается часто, вся связь пропадает, и пользователи должны повторить свои передачи, надеясь, что второй раз столкновения не будет... Эта проблема может не проявиться во время пробного периода, когда пропускная способность еще не огра-

Рис. 6. Иерархия уровней модели информационной системы SNBWAN

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №1 ’20

ИНТЕРНЕТ ВЕЩЕЙ

ничивает нагрузку на сеть, и возникает только при развертывании десятков тысяч устройств. На таком этапе изменение технологии очень дорого... Если бы IoT-устройства были похожи на телефоны, которые заменяются каждые два года, это, может, не имело бы значения, но с некоторыми развертываниями на 10–20 лет получить высокую пропускную способность сети прямо сейчас критически важно. Когда рассматриваются технологии IoT-подключений, потребители справедливо оценивают такие параметры, как стоимость, срок службы батареи и дальность связи, но легко могут не учесть важность пропускной способности сети. А в отсутствие эмпирических данных реальных развертываний сети мы можем поддаться искушению принять решение по неправильно смоделированным сценариям, игнорирующим критические параметры, ограничивающие пропускную способность сети. Пропускная способность сети — это не только о количестве одновременно подключенных узлов, это и о средней длине пакета данных, времени передачи, частоте передач и подавлении помех» [8].

Заключение Технология SNBWAN удовлетворяет всем перечисленным в цитатах желательным свойствам технологии LPWAN и значительно превосходит все используемые в России технологии LoRaWAN, XNB, NB-Fi по всем характеристикам. Нет такой области приложения «Интернета вещей», в которой какая-либо другая технология LPWAN имела преимущество

над технологией SNBWAN. Применение технологии LoRaWAN в спутниковом «Интернете вещей» не даст преимущества над зарубежными спутниковыми IoT, использующими ту же технологию связи, в то же время применение SNBWAN предоставит ощутимые преимущества в количестве обслуживаемых наземных терминалов, в том числе и зарубежных пользователей, а дешевизна терминала и услуги спутникового IoT создадут благоприятные условия для экспансии на зарубежные рынки и со своими терминалами, и со своей услугой. Протокол SNBWAN, будучи в настоящее время проприетарным, при поддержке государственных структур имеет все основания быть принятым в качестве стандартного LPWAN-протокола, и не только российского, но и международного. И это шанс для России стать первым мировым поставщиком оборудования IoT второго поколения (IoT-G2), как Китай стал первым мировым поставщиком оборудования сотовой связи пятого поколения (G5). Технология SNBWAN во много раз превышает все другие LPWAN-технологии в пропускной способности и, как следствие, в экономике жизненного цикла систем, построенных на ее основе, но она не упомянута ни в одном из документов, определяющих государственную стратегию развития коммуникационных технологий в Российской Федерации. Более того, рабочая группа НТИ «Технет» пытается дискредитировать эту передовую технологию промышленного Интернета. Чиновники, ау!

Литература 1. ETSI TR 103 526 V1.1.1 (2018-04). System Reference document (SRdoc); Technical characteristics for Low Power Wide Area Networks Chirp Spread Spectrum (LPWANCSS) operating in the UHF spectrum below 1 GHz. www.etsi.org/deliver/etsi_tr/103500_103 599/103526/01.01.01_60/tr_103526v010101p. pdf 2. www.thethingsnetwork.org/forum/t/lora-tcxoat-low-bandwidth/17259/9/ 3. Зверев Б., Сартаков А. SNB — новая LPWAN-технология «Интернета вещей» с высокой пропускной способностью // Control Engineering Россия IIoT. 2019. Июнь. www.controlengrussia.com/internet-veshhej/ snb/ 4. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд.

2-е. Пер. с англ. М.: Вильямс, 2003.

5. Патент № RU 2627685 C1. Способ использования частотного ресурса, система связи и терминал.

6. LoRaWAN Specification V1.0. www.3mbang. com/p-4540667.html.

7. www.iotforall.com/lpwan-101-networkrequirements-iotdeployment/ 8. www.weightless.org/membership/lpwantechnologyfeatures-document-update/NTZj MC9MUFdBTiBUZWNobm9sb2d5IERlY2lz aW9uc192MS4xLnBkZg== 9. Clark Jr. G. C., Cain J. B. Error-Correction Coding for Digital Communications. New York, Plenum, 1988.

НОВОСТИ

Радиационно стойкие Ethernetприемопередатчик и встраиваемый МК для космических приложений от Microchip

Компания Microchip Technology Inc. анонсирует первый в отрасли Ethernet-приемопередатчик для космических приложений — радиационно стойкое устройство на основе готового к использованию решения (COTS), которое широко применяется в других системах, обеспечивая надежную работу в ракетно-космических комплексах, спутниковых группировках и космических станциях. Компания Microchip выпустила опытные образцы нового радиационно стойкого Ethernet-приемопередатчика VSC8541RT, а ее радиационно стойкий микроконтроллер SAM3X8ERT, являющийся самым новым процессором Arm Cortex-M3 и встраиваемым Ethernet-контроллером, прошел завершающий этап сертификации. Эти устройства по отдельности или в комбинации с другими радиационно стойкими приборами предназначены для космических приложений.

WWW.WIRELESS-E.RU

Оба устройства в пластиковых и керамических корпусах готовы к эксплуатации при повышенной радиации и в качестве высоконадежных компонентов. У них одинаковое расположение выводов, что позволяет начать проектирование с COTS-устройств до перехода на компоненты для космических приложений. В результате существенно сокращается стоимость и время разработки. Эти новейшие устройства пополняют широкий ассортимент радиационно стойкой микроэлектроники от Microchip, поддерживающей Ethernet-связь со спутниковыми платформами, управление датчиковыми шинами и полезными нагрузками, взаимодействие между удаленными терминалами, сети на космических кораблях и модули на космических станциях. Приемопередатчик VSC8541RT — однопортовое устройство стандарта Gigabit Ethernet copper PHY с интерфейсами GMII, RGMII, MII и RMII. Радиационная стойкость изделия проверена, и соответствующие результаты задокументированы в подробном отчете. Приемопередатчик VSC8541RT защищен от защелкивания до уровня 78 МэВ; суммарная доза ионизирующего излучения (TID), установленная по результатам испытаний, составляет 100 крад. Приемопередатчики VSC8540RT с тем же радиационно стойким кристаллом в таких же пластиковых или керамических корпусах, обеспечивающие ограниченную скорость передачи данных 100 Мбит/с, выпускаются для приложений с иными требованиями к производительности и стоимости. Производительность радиационно стойкого МК SAM3X8ERT, реализованного в виде СнК на базе широко распространенного ядра Arm Cortex-M3, составляет 100 DMIPS для промышленных приложений. Высокая степень интеграции МК SAM3X8ERT способствует применению более современных технологий в космической технике. Этот микроконтроллер оснащен 512-кбайт флэш-памятью с двойным банком данных, 100-кбайт SRAM, а также АЦП, ЦАП и сдвоенным CAN-контроллером помимо Ethernet-функции. www.microchip.com.

47

48

ОТРАСЛЕВЫЕ РЕШЕНИЯ

Радиосеть управления и сбора данных для железнодорожных приложений. Часть 1 В статье представлена краткая информация о возможностях узкополосных технологических радиосетей управления и сбора данных для организации перспективной командной радиосети обмена данными между стационарными и подвижными объектами, входящими в структуру железных дорог. Описаны некоторые особенности использования вышеуказанных технических средств применительно к созданию автоматизированной системы управления движением с использованием современных методов и алгоритмов. Изложенные в статье общие принципы организации технологических радиосетей могут успешно применяться на распределенных объектах в других отраслях промышленности и транспорта. Автор благодарит руководство компании «АВП-технология» за возможность публикации настоящих материалов.

Сергей Маргарян

Общая информация Последовательное развитие подвижного состава и железнодорожной инфраструктуры в условиях возросшей интенсивности перевозок обусловило необходимость коренного пересмотра применяемых в настоящее время способов управления движением поездов с учетом обеспечения необходимого уровня безопасности. В связи с этим за рубежом были разработаны и приняты целевые программы, предусматривающие внедрение современных методов управления движением, использующих последние достижения в области микропроцессорной техники, средств навигации

и радиосвязи. Актуальность этой задачи для ОАО «Российские железные дороги» и предприятий промышленного железнодорожного транспорта также не вызывает никаких сомнений. В настоящее время в интересах обеспечения работы железнодорожного транспорта используются различные беспроводные средства связи и обмена данными, информация о которых представлена в таблице 1. Сегодня выделенные непосредственно для нужд ОАО «РЖД» частотные ресурсы, предназначенные для построения систем управления движением и обеспечения безопасности, распределяются примерно следующим образом:

Т а б л и ц а 1 . Использование радиочастотного ресурса и систем связи в интересах различных задач на железнодорожном транспорте Область применения

США, Канада

Европа

Россия

Диспетчеризация движения поездов на магистральных и высокоскоростных линиях

220 МГц/GSM/ CDMA

GSM/GSM-R

GSM/GSM-R/TETRA

Диспетчеризация малодеятельных линий

220 МГц/GSM/ CDMA

GSM/TETRA

Отдельные проекты на основе применения спутниковой связи

Диспетчеризация подвижного состава

220 МГц/GSM/ CDMA

GSM-R

GSM/GSM-R/ TETRA

Диспетчеризация ремонтных работ на инфраструктуре

220 МГц/GSM/ CDMA

GSM-R

GSM

Мониторинг опасных грузов

GSM/CDMA

GSM

GSM для отдельных категорий грузов

Интервальное регулирование движения поездов (ИРДП)

220 МГц, Wi-Fi

GSM-R (активно прорабатывается возможность перехода на IP поверх GSM-R/ TETRA/LTE)

160 МГц DMR/GSM-R

Автоматизация маневровой работы

220 МГц/Wi-Fi

220 МГц

160 МГц/DMR/GSM-R/TETRA

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №1 ’20

ОТРАСЛЕВЫЕ РЕШЕНИЯ • 2 МГц — резервирующий радиоканал систем управления соединенных и тяжеловесных поездов; • 160 МГц — радиоканалы систем управления соединенных и тяжеловесных поездов, станционных систем передачи данных на малодеятельных участках, резервирующий канал при использовании в системах управления радиосетей общего пользования; • 460 МГц — системы управления маневровыми локомотивами на станциях; • 900/1800 МГц — поездная радиосвязь и ИРДП на скоростных и высокоскоростных участках; • 1800, 2400 МГц — станционные высокоскоростные сети передачи данных для информационно-управляющих систем, организации видеонаблюдения. Диапазон УКВ (160 и 460 МГц) задействуется для обеспечения повседневного функционирования практически всех железнодорожных служб. Обмен цифровой информацией в этом диапазоне в интересах решения задач сбора данных и дистанционного управления в составе технологических радиосетей1 или по выделенным каналам связи, обслуживающим функционирование автоматизированных информационноуправляющих систем различного назначения, производится с помощью радиомодемов. В ОАО «РЖД», на промышленном железнодорожном транспорте Российской Федерации и за рубежом за последние несколько десятков лет с задействованием радиомодемов хорошо отработаны следующие функциональные задачи (рис. 1): • мониторинг состояния тормозной системы железнодорожного состава и контроль отрыва вагона; • управление объектами электроснабжения железнодорожного транспорта; • мониторинг окружающей среды и обеспечение безопасности; • обеспечение функционирования средств железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ); • дистанционное управление маневровыми работами на станциях; • интервальное регулирование движения и диспетчерское управление на станциях и перегонах. Такие широкие области применения радиомодемов на железнодорожном транспорте определены техническими возможностями и особенностями используемой при их создании технологии, к которым относятся: • надежность среды передачи (линия передачи не подвергается механическим повреждениям и разрушающему влиянию окружающей среды, а ее качество контролируется соответствующими государственными органами); • существенно большая по сравнению с более высокими частотными диапазонами дальность передачи данных и, соответственно, более простая инфраструктура создаваемой с помощью радиомодемов технологической радиосети при приемлемых скоростях обмена данными; • возможность формирования радиосети повышенной надежности2 и живучести3;

WWW.WIRELESS-E.RU

Рис. 1. Бортовые системы, повышающие эффективность работы железнодорожного транспорта, безопасность и экологичность движения. Источник: www.avpt.ru

• обширная оперативная зона с возможностью ее расширения за счет ретрансляции сигнала (отдельные реально развернутые на территории Российской Федерации радиосети сбора данных и управления имеют сплошную зону покрытия вдоль распределенного объекта шириной несколько десятков и общей протяженностью несколько тысяч километров); • применение детерминированных протоколов обмена данными, поддерживающих работу в близком к реальному масштабе 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 использующих радиосеть автоматизированных систем управления задержки в доставке данных; • высокая безопасность данных, циркулирующих в технологической радиосети (применяемые технологии обеспечивают защиту от подавления, перехвата или несанкционированного доступа к работе в составе технологической радиосети); • относительно низкая стоимость создания и эксплуатации; • независимость от «чужой» инфраструктуры связи и возможность развивать ее исходя из реальных требований (радиосеть принадлежит собственно пользователю, параметры ее работы и оперативная зона могут изменяться им 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 надежной эксплуатации в жестких условиях практически во всех климатических зонах, включая районы, расположенные за полярным кругом. Последнее приобретает все большее значение в связи с активизацией хозяйственной дея1

тельности в арктических районах Российской Федерации.

Области применения радиосетей управления и сбора данных для железных дорог На первых железных дорогах, когда между станциями не было средств связи для передачи сообщений об отправлении и прибытии поездов, их движение осуществляли по следующему принципу: один поезд от другого, движущегося в том же направлении, отделяли промежутком времени. При таком способе задержка поезда в пути создавала опасность наезда на него идущего сзади состава. С ростом интенсивности движения поездов было выработано правило, по которому на перегоне должен находиться только один поезд, для чего между станциями, ограничивающими перегоны, были устроены линии связи для передачи сведений об отправлении и о прибытии поездов, а также для согласования очередности их пропуска по перегону. В настоящее время регулирование и безопасность движения поездов по перегонам и станциям обеспечивается железнодорожными системами автоматики и телемеханики. Изначально основной целью внедрения вышеуказанных систем являлось увеличение пропускной способности железнодорожных линий и станций, перерабатывающей способности сортировочных узлов, а также повышение производительности и безопасности железнодорожного транспорта. С этой целью на железнодорожном транспорте была создана система интервального регулирования, использующая комплекс технических средств ЖАТ, в состав которого входят различные устройства сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ). Современный технический комплекс интервального регулирования движения поездов (ИРДП) состоит из трех подсистем: устройств на перегоне, на станции и на участке, оборудованном диспетчерской централизацией. К основным средствам интервального регулирования движения поездов относятся: автоматическая блокировка (АБ) — в составе

Технологическая сеть связи (англ. private network) — предназначена для обеспечения производственной деятельности организаций, управления технологическими процессами в производстве. Технологии и средства связи, применяемые для создания технологических сетей связи, а также принципы их построения устанавливаются собственниками или иными владельцами этих сетей (Федеральный закон «О связи» от 07.07.2003 № 126-ФЗ).

2 Надежность (англ. reliability) — свойство системы сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания и транспортирования (ГОСТ 27.002-89 «Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения»).

3 Живучесть (survivability) — свойство системы, характеризуемое способностью выполнять установленный объем функций в условиях воздействий внешней среды и отказов компонентов системы в заданных пределах (ГОСТ 34.003-90 «Автоматизированные системы. Термины и определения»).

49

50

ОТРАСЛЕВЫЕ РЕШЕНИЯ

диспетчерской централизации или самостоятельно; полуавтоматическая блокировка (ПАБ) для участков с неинтенсивным движением; автоматическая локомотивная сигнализация (АЛС); автоматическая переездная сигнализация (АПС) и автошлагбаумы. Автоматическая блокировка в настоящее время является наиболее совершенным средством регулирования движения поездов. При автоблокировке железнодорожные пути перегона делятся на блок-участки с помощью изолирующих стыков, возле которых устанавливаются проходные автоматически действующие светофоры, связанные между собой рельсовыми цепями (РЦ). Длина блок-участка равна расстоянию между смежными светофорами, причем она должна быть не менее тормозного пути при служебном торможении поезда, двигающегося с максимальной разрешенной скоростью, и составляет 1000–2600 м. При трехзначной автоблокировке каждый светофор может подавать один из трех сигналов: зеленый — разрешающий движение, когда впереди свободны не менее двух блок-участков; желтый — разрешающий движение с ограниченной скоростью (впереди свободен только один блок-участок); красный — запрещающий движение (поезд должен остановиться перед светофором). Интервал времени между поездами при этой системе составляет 8–10 мин. Управление техническими средствами ИРДП сегодня производится по проводным каналам обмена данными, поскольку принято считать, что проводные средства связи и обмена данными являются наиболее надежными. Они позволяют оперативно 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 служит для передачи данных, обладает достаточно высокой защитой и может эксплуатироваться на протяжении длительного времени. А вот беспроводная связь между объектами на земной поверхности организуется с использованием в качестве среды передачи атмосферы, которую, в отличие от кабеля, нельзя «увидеть и пощупать», а потому и считать надежной. Но именно среда передачи становится наиболее слабым звеном проводных систем технологической связи по сравнению с беспроводными. Кабельная система — это искусственный объект, который предназначен для длительной эксплуатации и 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, весьма актуальных

в связи с промышленным освоением Арктики и развертыванием железнодорожной инфраструктуры в этом регионе, оказывается под большим вопросом. 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, 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. Поэтому ответственные объекты были переведены на резервные беспроводные сети связи, а использовавшиеся технологические радиосети обмена данными продолжали эксплуатироваться в качестве основных, на отдельных объектах — после незначительных ремонтно-восстановительных работ. Не следует забывать, что проводные средства связи невозможно широко использовать при подключении подвижного состава. Среда передачи данных технологических радиосетей является естественной и не требует усилий и затрат на поддержание ее характеристик. Природные условия практически не влияют на рабочие параметры таких радиосетей, которые остаются стабильными на протяжении всего периода эксплуатации, как в обычной обстановке, так и в чрезвычайных ситуациях. Порядок использования радиочастотного спектра контролируется государством, что позволяет применять технологическую радиосеть обмена данными в ответственных системах в качестве основной или резервной. Инфраструктура железнодорожного транспорта относится к категории критически важных объектов4. В связи с этим надежность и живучесть являются наиболее важными требованиями к средствам обмена данными, применяемым для обеспечения функционирования системы управления ею. Это в полной мере относится к перспективной командной радиосети обмена данными между стационарными и подвижными объектами, входящими в структуру железных дорог. Таким образом, с технической точки зрения технологическая радиосеть обмена данными представляется наиболее эффективным инструментом для обеспечения функционирования автоматизированных систем различного назначения на железнодорожном транспорте и фактически единственным для удаленного подключения подвижного состава.

4 Критически важный объект — объект, нарушение или прекращение функционирования которого приведет к потере управления экономикой Российской Федерации, субъекта Российской Федерации или административно-территориальной единицы субъекта Российской Федерации, ее необратимому негативному изменению (разрушению) либо существенному снижению безопасности жизнедеятельности населения (ГОСТ Р 22.0.02-2016 «Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Термины и определения»).

Основные требования к радиосетям управления и сбора данных для железных дорог При создании радиосетей управления и сбора данных для железных дорог должны учитываться следующие основные требования: • реализация возможности сквозной автоматизации технологического процесса грузовых и пассажирских перевозок с использованием радиосети за счет организации работы подвижных и стационарных пользователей в едином радиочастотном диапазоне; • обеспечение адекватного уровня безопасности технологического процесса железнодорожных перевозок за счет достижения соответствующего решаемым задачам уровня надежности и живучести радиосети; • формирование единого информационного пространства для всех участников технологического процесса железнодорожных перевозок за счет интеграции радиосети в действующую систему управления и связи; • преимущественное использование технических решений, имеющих минимальную совокупную стоимость владения и позволяющих максимально сократить стоимость эксплуатации программно-технических средств и оборудования связи за счет применения необслуживаемой аппаратуры и организации удаленного администрирования; • адаптация и использование современных технических и технологических решений, положительно зарекомендовавших себя в смежных отраслях и позволяющих повысить эффективность работы и конкурентоспособность предприятия железнодорожного транспорта; • возможность внедрения централизованной и распределенной схем управления и сбора данных, позволяющих максимально снизить эксплуатационные затраты за счет применения преимущественно необслуживаемого радиотехнического оборудования и максимального сокращения участия персонала в поддержании работоспособности радиосети; • реализация возможности поэтапного развертывания радиосети и ее расширения без модификации первоначально использованных средств за счет применения типовых интерфейсов и единого протокола обмена данными; • обеспечение высокой конкурентоспособности используемых при разработке и создании радиосети технологических решений за счет освоения производства радиотехнического оборудования на предприятиях Российской Федерации.

Анализ существующих радиотехнических средств, применяемых в системах управления движением на железнодорожном транспорте Общий перечень оборудования радиосвязи, применяемого и планируемого к применению на железнодорожном транспорте, представлен в таблице 2. Примеры радиомодемов ITC220 показаны на рис. 2. БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №1 ’20

ОТРАСЛЕВЫЕ РЕШЕНИЯ

Т а б л и ц а 2 . Технические характеристики оборудования радиосвязи, применяемого и планируемого к применению на железнодорожном транспорте Характеристика

GSM-R5

TETRA

IEEE 802.11

ITC220

LTE-R

Спутниковая

Рабочая частота

876–880, 921–925 МГц

410–430, 450–470 МГц

2,4/5,8 ГГц

217,5–222,0 МГц

450 и 800 МГц; 1,4 и 1,8 ГГц

Аренда канала связи

Пропускная способность радиоканала

200 кГц

25 кГц

20–40 МГц

25 кГц

1,4–20 МГц

> 20 МГц

> 10 Мбит/с

16–32 кбит/с

10/50 Мбит/с

> 2 Мбит/с

Максимальная скорость обмена данными

6

172 кбит/с

7,2 кбит/с

Поддержка IP-протокола

Нет

Нет

Да

Да

Да

Да

Вид модуляции, метод доступа к каналу связи

GMSK, TDMA

DPSK, TDMA

QPSK, QAM

4DQPSK

QPSK, 16-QAM, 64-QAM (OFDM, SCFDMA)

FSK-PSK

Разработка

Серийное производство

Согласование стандарта

Только в Европе (компании Thalys, SNCF)

Состояние

Серийное производство Серийное производство Серийное производство Серийное производство Планируется использовать до 2030 года

Позиционирование на рынке

Практически устаревшая

Широко применяется и развивается

Только в США (компания Metrolink)

Т а б л и ц а 3 . Масштабы использования средств связи стандарта GSM-R 1998

2000

ФРГ

Нидерланды Бельгия

2002

2004

2006

2008

2010

2014

2018

Китай

Алжир

Австралия

Ирландия

ЮАР

Италия

Испания

Аргентина

Финляндия Индия

Турция

Ливия

Люксембург Бразилия

Венесуэла

Тунис

Польша

Израиль

Иран

Румыния

Туркменистан Ирак

Швеция

Франция

Саудовская Австрия Аравия

Великобритания

Норвегия

Чехия

Болгария Дания

Словакия

Греция

Швейцария

Литва

Португалия ОАЭ

Казахстан

Корея

Россия

Беларусь

Украина

Венгрия

Латвия

Эстония

Хорватия

Узбекистан

Словения

Босния и Герцеговина

Египет

Македония

Марокко

Молдавия Сербия Тайвань

Относительно широкое распространение в системах связи, обеспечивающих управление движением железнодорожного транспорта, получили средства связи стандартов GSM-R и TETRA (TErrestrial Trunked RAdio).

GSM-R представляет собой систему связи, адаптированную для нужд железнодорожного транспорта компанией Siemens с целью создания единой Европейcкой системы управления движением железнодорожного транспорта ERTMS (European Railway Traffic Management System). Основой для адаптации послужило типовое оборудование сотовой связи стандарта GSM7, работающее в диапазонах 876–880 (в направлении «удаленный объект — базовая станция») и 921–925 МГц (в направлении «базовая станция — удаленный объект»). Пропускная способность канала составляет 200 кГц. Выходная мощность приемопередатчиков удаленного объекта (возимый терминал) — до 2 Вт. По сведениям из открытых источников, системы связи GSM-R развернуты и успешно эксплуатируются на железных дорогах 60 (реально 40) государств на территории пяти континентов. Данные о распространении этого стандарта по материалам Международного союза железнодорожников UIC (International union of railways) представлены в таблице 3. Наиболее яркие успехи внедрения GSM-R иллюстрируются опытом Китая и Австрии, где сети GSM-R начали строить более 10 лет назад, в 2006 году. По состоянию на 2015 год Китай имел самую большую сеть GSM-R в мире — 33750 км, а Австрия — 3200 км, что составляет 27,2% от общей протяженности железнодорожной сети для Китая (124 тыс. км) и 55,6% для

WWW.WIRELESS-E.RU

Австрии (5755 км). Таким образом, данный стандарт на практике не стал общеевропейским, как это предполагалось его разработчиками, а эксплуатацию уже развернутых радиосетей планируется завершить к 2030 году. Следует отметить, что рабочий диапазон системы изначально определялся требованиями к базовой системе сотовой связи, предполагающей использование в зонах с высокой плотностью абонентов и большим объемом передаваемой голосовой информации. Такие возможности являются серьезным ограничением при ее внедрении по критерию «стоимость — эффективность» и необоснованной избыточностью для большинства АСУ (аппаратура поддерживает работу 19 поднесущих радиочастот с полосой 200 кГц, на каждой из которых можно организовать по восемь выделенных каналов связи и обмена данными).

TETRA представляет собой стандарт цифровой транкинговой связи, разработанный Европейским институтом телекоммуникационных стандартов ETSI (European Telecommunications Standards Institute) для замены морально устаревшего стандарта MPT 1327. Оборудование стандарта TETRA работает в диапазонах 380–385/390–395, 410–430/450–470 и 870–876/915–921 МГц. Используется метод многостанционного доступа с временным разделением TDMA (Time Division Multiple Access) — на одной физической

Рис. 2. Радиомодемы ITC220

частоте образуется четыре логических канала (слота). Пятый слот используется для передачи служебной информации. Пропускная способность канала составляет 25 кГц. Выходная мощность приемопередатчиков удаленного объекта (возимый терминал) — до 3 Вт. Рабочий диапазон системы определялся радиочастотным ресурсом, выделенным для работы радиосетей служб общественной

5 GSM-R (Global System for Mobile communications — Railway) — беспроводная коммуникационная платформа повышенной надежности для железных дорог, реализованная на основе GSM. 6 При использовании помехозащищенного режима скорость обмена данными снижается до 2,4 кбит/с.

7 GSM (от названия группы Groupe Spécial Mobile, позже переименован в Global System for Mobile Communications) (русск. СПС-900) — глобальный стандарт цифровой мобильной сотовой связи, с разделением каналов по времени и частоте. Разработан под эгидой Европейского института стандартизации электросвязи (ETSI) в конце 80-х годов прошлого столетия.

51

ОТРАСЛЕВЫЕ РЕШЕНИЯ

52

безопасности и промышленных технологических радиосетей. Оба стандарта имеют свои неоспоримые преимущества и недостатки. Для сравнительной оценки технических возможностей систем связи различных стандартов на железнодорожном транспорте в ОАО «РЖД» был создан опытный участок в районе Екатеринбург — Камышлов протяженностью 153 км, на котором были развернуты две сети: GSM-R и TETRA. По результатам проведенных испытаний российские технические эксперты пришли к выводу о том, что ни одна из систем не в состоянии решить все имеющиеся на железнодорожном транспорте задачи, поэтому каждая из систем должна использоваться в приложениях, в которых ее преимущества проявляются наиболее полно, а недостатки не являются критическими. Одним из наиболее актуальных требований к современной системе связи, обеспечивающей управление движением железнодорожного транспорта, является возможность обеспечения эффективного и надежного обмена данными. Системы связи GSM-R и TETRA изначально создавались как многоканальные голосовые, предусматривающие обмен речевыми сообщениями между значительным количеством абонентов в географических зонах с высокой плотностью населения, и для выполнения данной задачи это сегодня наиболее зрелое решение, однако их возможности по обмену данными серьезно ограничены. Обмен данными предъявляет несколько иные требования к средствам связи, более того, эффективность адаптированной для передачи данных системы голосовой связи серьезно зависит от характера передаваемых данных. Реализованные в современных голосовых средствах связи принципы работы, направленные на их оптимизацию в части голосовой связи, во многом становятся серьезным ограничением при обмене данными. Например, в транкинговой системе отсутствует жесткое закрепление канала между абонентами на весь период установления связи8. С этой целью в такой системе используются служебный и группа информационных каналов. Запрос на доступ к информационному каналу, по которому производится речевой обмен, принимается по служебному каналу связи. При получении запроса от абонента система автоматически находит свободный информационный канал и предоставляет доступ к нему. Если один канал в системе уже занят, а другая группа абонентов пытается установить связь, то система автоматически предоставит второй канал в их распоряжение. Относительно быстрая смена каналов связи для одних и тех же абонентов в процессе сеанса позволяет использовать паузы в переговорах одной группы абонентов для обеспечения связью другой. В результате, при прочих рав8

ных, пропускная способность у транкинговой системы по обеспечению обмена голосовыми сообщениями оказывается в несколько раз выше, чем у обычной (конвенциональной9) системы голосовой связи. В настройках транкинговых систем предусмотрена дополнительная задержка после завершения передачи очередного голосового сообщения, длительность которой может достигать нескольких секунд. Это позволяет удерживать активных абонентов на одном канале и снижать нагрузку на служебный канал, связанную с переводом абонентов между информационными каналами. Такие прекрасные технические решения для голосовой связи оказываются абсолютно неэффективными при обмене данными. Голосовые сообщения имеют существенно большую длину (продолжительность при передаче) по сравнению с данными. Если возникающие при выделении абоненту информационного канала задержки практически незаметны при переговорах, то для системы обмена данными10 они оказываются неприемлемыми. Например, в транкинговых системах задержка в предоставлении доступа к каналу связи составляет не менее 300 мс (это лучший показатель), а в GSM-R — до нескольких секунд. За это время в узкополосной технологической радиосети обмена данными УКВ-диапазона может быть передано до нескольких десятков коротких сообщений. Серьезным ограничением является и пропускная способность служебного канала. В случае с голосовыми сообщениями интенсивность поступления запросов в служебный канал относительно невысока — активность работы абонентов учитывается при проектировании радиосети и реально поддерживается на низком уровне в повседневной обстановке. Возрастание интенсивности работы в аварийных ситуациях может компенсироваться путем предоставления более высоких приоритетов отдельным группам абонентов за счет других. В случае с передачей данных интенсивность поступления запросов оказывается как минимум на порядок выше, и служебный канал объективно не в состоянии с ними справиться. Выделение дополнительного служебного канала за счет сокращения числа информационных также становится неэффективным. В аварийных ситуациях, как правило, отсутствует возможность предоставления приоритета одному элементу АСУ за счет другого, поскольку это приводит к срыву нормальной работы последнего. Таким образом, пропускная способность служебного канала в случае использования транкинговой системы для обмена данными оказывается критическим ограничением. Существенным недостатком сетей GSM-R (как и обычных сотовых радиосетей, использующих обмен данными по протоколам GPRS11 и EDGE12) является недетерминированная задержка в доставке данных. Работа значительной части АСУ

Порядок организации доступа к каналу в цифровых транкинговых системах связи и использования нескольких временных «слотов» (квантов) для обмена сообщениями между несколькими пользователями детально описан в специальной литературе. В настоящем отчете представлен упрощенный вариант, описывающий общий принцип работы, создающий ограничения для обмена данными.

9 Конвенциональная радиосвязь — это традиционный вариант беспроводной связи, который реализуется радиостанциями, не объединенными в какую-либо техническую систему, обеспечивающую управление ресурсом, сигнализацию и прочие координирующие процедуры.

10 Здесь и далее имеются в виду системы обмена данными, применяемые в ответственных приложениях, характерных для АСУ на железнодорожном транспорте. Все оценки даются применительно к характеру циркулирующих в технологической радиосети сообщений — короткие сообщения, передаваемые с высокой плотностью и требующие минимальных и полностью детерминированных задержек при доставке.

11 GPRS (General Packet Radio Service — пакетная радиосвязь общего пользования) — надстройка над технологией мобильной связи GSM, осуществляющая пакетный обмен данными.

12 EDGE (EGPRS) (Enhanced Data rates for GSM Evolution) — цифровая технология для мобильной связи, которая функционирует как надстройка над GPRS-сетями.

настраивается с учетом времени, необходимого на передачу запросов и получение ответов на эти запросы. Так, в одной из российских систем управления железнодорожным переездом управляющий канал работает в реальном времени и допускает задержку не более 45 мс. Чем меньше допустимые предельные значения параметров доставки сообщений, тем эффективнее работа АСУ. В случае использования для обмена данными радиосетей GSM-R параметры предельно допустимых задержек при доставке сообщений приходится увеличивать, снижая тем самым эффективность работы АСУ. Возможность применения единой радиосети, а следовательно, и единого радиочастотного ресурса для обмена голосовыми сообщениями и данными может рассматриваться как серьезное преимущество в радиосетях общего пользования. Действительно, многие ощутили всю прелесть работы в информационной сети Интернет и одновременного общения по телефону в том же канале. Однако в технологических радиосетях такое решение принципиально неприемлемо: работа АСУ требует строго детерминированного потока данных и задержек, а обеспечить выполнение этого требования при наличии голосового потока невозможно — любой абонент будет говорить столько, сколько посчитает нужным, и тогда, когда ему это понадобится. Практический опыт показывает, что относительно высокая надежность такой радиосети может быть достигнута, если для передачи данных требуется не более 15% пропускной способности всей сети, и только при отсутствии резких всплесков в объеме голосовых сообщений, что в принципе невозможно в ответственных технологических радиосетях. По оценке ведущих специалистов отрасли, в вопросах, касающихся обеспечения безопасности движения поездов, необходимо в максимальной степени ориентироваться на частотные ресурсы, выделенные непосредственно для нужд ОАО «РЖД». Выбор частотных ресурсов для каждой из систем должен определяться с учетом ряда требований. Основные из них — электромагнитная совместимость (ЭМС) средств радиосвязи различных систем управления, высокий уровень надежности каналов передачи данных, а также требования систем управления по объемам и скорости передачи данных. Сведения об объемах данных, передаваемых в интересах организации интервального регулирования движения поездов, представлены в таблице 4. Т а б л и ц а 4 . Объемы данных, передаваемых в интересах организации интервального регулирования движения поездов Характер информации

Объем данных, байт

На постоянной основе скорость поезда

4

координаты поезда

8

сигналы АЛС

4

По требованию экстренная остановка

2

актуализация графика движения

10

ограничение скоростного режима

10

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №1 ’20

ОТРАСЛЕВЫЕ РЕШЕНИЯ

Все данные передаются с периодичностью раз в 3 с для высокоскоростных поездов и раз в 7 с для всех остальных пассажирских и товарных поездов. Перспективные автоматизированные системы управления движением поездов предполагают широкое использование средств радиосвязи для обеспечения обмена данными по следующим направлениям: • пункт диспетчерского управления — локомотив; • депо — локомотив; • локомотив — ЖАТ13. Каждое из направлений передачи данных14 предъявляет свои требования к каналу связи и организации радиосети. При относительно небольших объемах передаваемой информации по каждому из направлений дальность передачи и допустимые задержки в доставке информации при общем высоком требовании к надежности работы оказываются различными. В связи с этим по заказу Национального совета по безопасности на транспорте США (NTSB — National Transportation Safety Board) была проведена серия исследований с целью определения эффективности различных видов беспроводной связи, позволяющих удовлетворить требования, предъявляемые перспективными АСУ на железнодорожном транспорте. В ходе исследований рассматривались следующие виды и средства радиосвязи: • сотовая сеть связи (диапазон 900/ 1800 МГц); • радиосеть Wi-Fi (диапазон СВЧ — сверхвысоких частот, 2,4 и 5 ГГц); • спутниковые каналы связи (диапазон СВЧ, 1,6 ГГц); • технологическая радиосвязь УКВ (диапазон ОВЧ — ультравысоких частот, 150–240 МГц15); • технологическая радиосвязь УКВ (диапазон УВЧ — очень высоких частот, 380– 490 МГц16). Сравнение производилось с учетом следующих основных оперативно-технических требований: • надежность связи в движении и во время стоянки; • надежность доставки данных; • дальность связи; • задержка при получении данных; • скорость обмена данными/пропускная способность. Результаты исследования представлены в таблице 5. Таким образом, по заявленным критериям наиболее эффективным средством беспроводной связи для перспективных автоматизированных систем управления на железнодорожном транспорте следует считать технологическую радиосеть обмена данными, работающую в диапазоне ОВЧ. Решением Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) при Министерстве информационных технологий и связи от 28 апреля 2009 г. № 09-03-01-1 «для применения на территории Российской Федерации гражданами Российской Федерации и российскими юридическими лицами РЭС подвижной и фиксированной служб гражданского назначения без оформления отдельных решений ГКРЧ»

WWW.WIRELESS-E.RU

Т а б л и ц а 5 . Результаты оценки эффективности использования различных видов связи в интересах перспективных автоматизированных систем управления поездами Направление передачи данных

Вид связи

ЖАТ — поезд

Депо — поезд

ПУ — поезд

Радиосеть сотовой связи стандарта GSM

неудовлетворительно

хорошо

неудовлетворительно

Радиосеть Wi-Fi

удовлетворительно

хорошо

неудовлетворительно

Спутниковая связь

неудовлетворительно

неудовлетворительно

удовлетворительно

Технологическая радиосеть, ОВЧ-диапазон

хорошо

хорошо

хорошо

Технологическая радиосеть, УВЧ-диапазон

удовлетворительно

удовлетворительно

неудовлетворительно

Т а б л и ц а 6 . Сравнительные данные о задержках при передаче информации в радиосетях TETRA, GSM-R и конвенциональных радиосетях Радиосеть GSM-R17

Радиосеть TETRA

Конвенциональная радиосеть18

1300

>300

25

300/1500

100/3900

>500

22,5/27,5

9,6

171,221

171,2

28,822

64

Средняя пропускная способность канала, кбит/с

8,168

5,152

4,904

–

–

Минимальная/максимальная пропускная способность канала, кбит/с

7,520/8,960

1,520/14,296

0,336/9,520

2,4/4,823

23,46/114,2724

Наименование параметра

CSD19

GPRS real COM

GPRS «клиент-сервер»

Средняя задержка в канале20, мс

600

500

Минимальная/максимальная задержка в канале, с

500/900

Заявленная скорость обмена данными, кбит/с

разрешено использование в диапазоне ОВЧ полос радиочастот 146–148, 149,9–162,7625 и 163,2–168,5 МГц.

Возможности конвенциональных радиосетей обмена данными при использовании в составе системы управления движением на железнодорожном транспорте Присущие системам связи GSM-R и TETRA ограничения в части обмена данными исключены в конвенциональных технологических радиосетях. Доступ к радиоканалу в таких радиосетях осуществляется напрямую, без использования промежуточного служебного канала, поэтому описанные выше задержки полностью отсутствуют. Сравнительные данные о задержках при передаче информации в радиосетях TETRA, GSM-R и конвенциональных радиосетях представлены в таблице 6. Для повышения объективности представленных в таблице 6 данных необходимо отметить, что замеры параметров работы радиосети GSM производились на конкретном сегменте сотовой сети связи конкретного оператора и в конкретный период времени.

Эти данные могут отличаться в зависимости от текущей нагрузки на сеть сотовой связи. Обеспечение стабильности параметров функционирования такой радиосети в части пропускной способности может быть обеспечено только за счет выделения для обмена данными отдельных канальных и радиочастотных ресурсов. По оценке зарубежных специалистов, величина задержки при доставке данных в системах управления движением высокоскоростных поездов при скорости движения до 350 км/ч должна составлять не более 100 мс. Данному требованию соответствуют возможности только системы связи GSM-R и конвенциональной технологической радиосети. Следует отметить, что возможности системы связи GSM-R по обмену данными весьма ограничены, кроме того, она считается устаревшей и не рассматривается в качестве основы для создания перспективных систем управления движением поездов. Анализ представленных в таблице 6 данных показывает следующее: • При работе в режиме CSD обеспечивается наиболее стабильный обмен данными, однако даже в этом случае разница между минимальным и максимальным значением пропускной способности составляет около 12%, а собственно скорость обмена данными относительно низка.

13 Требования к аппаратуре, обеспечивающей обмен данными в этом направлении, полностью соответствуют требованиям для обмена данными в направлении «локомотив — локомотив», поскольку в обоих случаях обеспечивается связь между электронными устройствами, установленными на борту или на земле (напольное оборудование).

14 Средства радиосвязи используются также для обмена информацией внутри вагонов и железнодорожных станций, однако в настоящем отчете данные беспроводные средства не рассматриваются.

15 Указан рабочий диапазон радиотехнической аппаратуры, применяемой для создания технологических радиосетей обмена данными.

16 Указан рабочий диапазон радиотехнической аппаратуры, применяемой для создания технологических радиосетей обмена данными.

17 Данные приведены для реального сегмента сети сотовой связи стандарта GSM, «GSM/GPRS-технологии в системах промышленной автоматики».

Control Engineering, декабрь 2008 года.

18 Здесь и далее рассматриваются подвижные конвенциональные радиосети на радиомодемах Dataradio ParagonG3/GeminiG3 и Viper-SC. www.calamp.com.

19 Circuit Switched Data — технология передачи данных, разработанная для мобильных телефонов стандарта GSM. CSD использует один временной интервал для передачи данных на скорости 9,6 кбит/с в подсистему сети и коммутации, где они могут быть переданы через эквивалент нормальной модемной связи в телефонную сеть.

20 Время от передачи запроса до получения доступа к каналу связи и готовности к передаче сообщения.

21 Максимальная теоретическая скорость обмена данными при использовании всех восьми тайм-слотов в полосе 200 кГц (частотный ресурс для голосовой связи не предусматривается).

22 Максимальная скорость обмена данными при использовании всех четырех тайм-слотов в полосе 25 кГц (частотный ресурс для голосовой связи не предусматривается).

23 Указаны скорости обмена данными при обеспечении высокой и средней помехоустойчивости.

24 Указаны данные при максимальном использовании встроенной функции сжатия данных при обеспечении высокой помехоустойчивости и ее отсутствии.

53

54

ОТРАСЛЕВЫЕ РЕШЕНИЯ • Разница между минимальным и максимальным значениями пропускной способности при работе с использованием GPRS составляет около 94 и 280% для GPRS real COM и GPRS «клиент-сервер» соответственно. Низкая стабильность данных показателей связана с одновременным использованием радиосети для обмена речевыми сообщениями, поток которых не может быть детерминирован.

• Поскольку использование технологической радиосети связи стандарта TETRA предусматривается для подвижного приложения, в ней должны быть реализованы функции помехозащищенности. Номинальная скорость обмена данными в такой радиосети при обеспечении высокой помехозащищенности может составлять от 2,4 (один тайм-слот) до 4,8 кбит/с (два тайм-слота). Использование для обмена данными большего количества тайм-слотов делает радиосеть неэффективной с точки зрения обмена голосовыми сообщениями, что является основной задачей такой радиосети.

• В конвенциональной технологической радиосети обмена данными предусматривается только высокая помехозащищенность. Пропускная способность такой радиосети будет в значительной степени зависеть

от применяемого встроенного метода сжатия данных, однако для одинаковых потоков данных и выбранных методов сжатия параметры стабильности пропускной способности будут неизменными на протяжении всего срока эксплуатации.

• Даже при условии использования всех радиочастотных ресурсов (тайм-слотов) пропускная способность радиосетей GSM-R и TETRA в части обмена данными оказывается ниже по сравнению со специализированными конвенциональными радиосетями. Это отставание является системным и сохранится в перспективе. Типовая структура технологической радиосети обмена данными на железнодорожном транспорте включает сеть базовых станций (БС), устанавливаемых вдоль железнодорожного пути и соединенных каналами магистральной проводной или беспроводной связи с пунктами управления и сбора данных. Каждая БС обеспечивает связь с группой поездов, находящихся в ее оперативной зоне. В современных радиосетях на железнодорожном транспорте зоны соседних БС полностью перекрывают друг друга, в результате чего формируется единая оперативная зона с повышенной надежностью и живучестью. Переключение поездов на работу с соседней базовой станцией (хэндовер) осуществляется

автоматически. Учитывая, что рассматриваемое оборудование для конвенциональных радиосетей обмена данными использует открытый протокол TCP/IP, наращивание комплектов оборудования и создание многоканальных базовых станций в составе радиосети, равно как сопряжение с любой современной автоматизированной системой управления, не представляет трудностей. Типовые схемы конвенциональной радиосети обмена данными на железнодорожном транспорте представлены на рис. 3, 4. Принципиальным различием двух рассматриваемых схем является использование в первой из них последовательных интерфейсов, по которым каждая базовая станция ParagonPD+ подключается к многобазовому контроллеру MSC (Multi-site controller), выполняющему функции централизованного технического управления и сопряжения с взаимоувязанной сетью проводной связи и обмена данными железнодорожной компании. Во втором случае применяется единый для всей конвенциональной технологической радиосети обмена данными интерфейс Ethernet и используется стандартное сетевое оборудование. Однако обе рассматриваемые схемы в полной мере удовлетворяют требованиям, установленным в «Белой книге» ОАО «РЖД» и направленным на создание единого информационного про-

Рис. 3. Схема конвенциональной технологической радиосети обмена данными для системы управления движением на железнодорожном транспорте на базе радиомодемов ParagonPD+/GeminiPD+

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №1 ’20

ОТРАСЛЕВЫЕ РЕШЕНИЯ

странства, интегрированного с информационными системами других видов транспорта и промышленности, а также иностранных железных дорог. Следует помнить, что надежность любой системы определяется в том числе количеством входящих в ее состав компонентов и отдельных узлов: чем меньше их количество, тем проще, при прочих равных, обеспечить необходимый уровень надежности и живучести системы в целом. Это в полной мере относится к количеству базовых станций в составе технологической радиосети обмена данными: чем их меньше, тем проще система управления и обеспечения их работоспособности. Учитывая, что дальность связи в используемом конвенциональными радиосетями обмена данных ОВЧ-диапазоне больше, чем в системах связи GSM-R и TETRA, инфраструктура таких радиосетей оказывается существенно проще и надежнее. В отличие от радиосетей GSM-R и TETRA, предусматривающих использование в их составе не только мобильных, но и носимых связных терминалов с невысокой выходной мощностью (обычно 0,9–3 Вт), в конвенциональных технологических радиосетях применяются единые терминалы с выходной мощностью 10 Вт. Это обеспечивает существенно большую по сравнению с радиосетями GSM-R и TETRA зону покрытия с позиции одной базовой

Т а б л и ц а 7 . Сравнительные характеристики оборудования для создания радиосетей GSM-R, TETRA и конвенциональных радиосетей Наименование параметра

GSM-R

TETRA

Viper-SC

Диапазон рабочих частот, МГц

876–880/921–925

380–400; 410–430; 450–470; 806–825; 851–870; 871–876; 915–921

136–174; 215–240; 406–470; 470–512; 928–960

Количество доступных рабочих частот/каналов

19/152

до 1200/4800 в каждом поддиапазоне

1520; 1000; 2560; 1680; 1280

Шаг сетки радиочастот, кГц

200

25, 12,5

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

Выходная мощность базового оборудования, Вт

20–320

25

до 10

Дуплексный разнос частот, МГц

45

45

0,25–64

Выходная мощность мобильного терминала, Вт

до 10

до 10

до 10

Выходная мощность носимого терминала, Вт

до 2

до 3

–

Номинальная дальность связи, км

8–10

12–15

25–30

Минимально допустимый уровень сигнала, дБм

–95

–115

–116

Время установления соединения, мс

3000–7000

> 300

25

Время аварийного вызова, мс

2000

> 300

25

Индивидуальный и групповой вызов

Динамическая адресация, использование индивидуальных, групповых и циркулярных адресов

Динамическая адресация, индивидуальный вызов по номеру аварийный и приоритетный Функциональные возможности поезда, вызовы, связь в пределах поезда, аварийная остановка поезда, группирование абонентов

Рис. 4. Типовая схема конвенциональной радиосети обмена данными для системы управления движением на железнодорожном транспорте на базе радиомодемов ParagonG3/GeminiG3

WWW.WIRELESS-E.RU

55

ОТРАСЛЕВЫЕ РЕШЕНИЯ

станции, поскольку размер оперативной зоны базовой станции на практике будет определяться максимально возможной дальностью связи для самого маломощного оборудования, работающего в составе радиосети. В настоящее время серийно выпускается оборудование для создания конвенциональных подвижных технологических радиосетей обмена данными в диапазонах 132–174, 215–240, 403–512, 700, 800 и 900 МГц. Оборудование для технологических радиосетей обмена данными УКВ-диапазона имеет встроенные средства диагностики, обеспечивающие удаленный доступ к текущим данным о техническом состоянии, и использует открытые интерфейсы, включая широко применяемый протокол обмена данными TCP/IP, что позволяет эффективно и просто интегрировать их в Единую систему мониторинга и администрирования технологической связи ОАО «РЖД», а также в системы технологической связи промышленного железнодорожного транспорта и метрополитенов. Некоторые сравнительные характеристики базового оборудования для создания радиосетей GSM-R, TETRA и конвенциональных радиосетей представлены в таблице 7. Анализ представленных в таблице 7 данных показывает, что оборудование для создания конвенциональных радиосетей может быть эффективно применено для обеспечения обмена данными во всех диапазонах радиоволн УКВдиапазона, предусмотренных к использованию в ОАО «РЖД».

С точки зрения теории распространения радиоволн и с учетом протяженности российской сети железных дорог для организации поездной радиосвязи и системы интервального регулирования движения поездов на всех участках, включая скоростные и высокоскоростные, наиболее целесообразно использовать средства обмена данными, работающие в более низких по сравнению с системами связи GSM-R и TETRA диапазонах волн. Понятно, что в этом случае число базовых станций и магистральных каналов для их подключения будет существенно меньше. Следует учитывать, что при построении конвенциональных технологических радиосетей обмена данными УКВ-диапазона на рассматриваемом оборудовании в качестве магистральных каналов связи для удаленного подключения базовых станций допускается применение любых каналов связи соответствующей пропускной способности, в то время как в радиосетях GSM-R и TETRA в качестве основных предусмотрено использование дорогостоящих каналов связи E1. В связи с этим развертывание инфраструктуры конвенциональных радиосетей оказывается в разы, а иногда и на порядок дешевле. Увеличение скорости обмена данными и пропускной способности конвенциональной радиосети достигается не только за счет наращивания комплектов оборудования для обслуживания дополнительных каналов связи (как и в радиосетях GSM-R и TETRA), но и использованием оборудования с более

широкой полосой пропускания. В настоящее время серийно выпускается комплект оборудования для работы в каналах шириной 50 и 100 кГц со скоростью обмена данными 128 и 256 кбит/с соответственно. Эффективность этого оборудования, производимого уже более пяти лет, несколько выше, чем даже у перспективной цифровой транкинговой системы связи и обмена данными TEDS — TETRA Enhanced Data System. Таким образом, современные конвенциональные технологические радиосети обмена данными УКВ-диапазона являются надежным средством обеспечения работы АСУ различного назначения на железнодорожном транспорте. Они позволяют существенно расширить и дополнить возможности, предоставляемые системами связи GSM-R и TETRA, в части передачи информации о разрешенных параметрах движения поезда на локомотив, обеспечения надежности функционирования систем интервального регулирования с использованием радиоканала и средств спутниковой навигации, функционирования резервных каналов сбора данных и управления средствами железнодорожной автоматики и энергоснабжения. Результаты испытаний показали, что для подвижных АСУ, работающих в режиме времени, близком к реальному, такие радиосети были и остаются наиболее эффективным и практически единственным надежным решением. Продолжение следует

реклама

56

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №1 ’20

реклама

реклама