eng
Выпуск #8/2015
С.Маргарян
Технологические УКВ-радиосети обмена данными и законы Мерфи
Технологические УКВ-радиосети обмена данными и законы Мерфи
Просмотры: 2719
Использование радиотехнической платформы Viper-SC+ позволяет облегчить создание и эксплуатацию технологических беспроводных сетей обмена данными в труднодоступных районах.
Теги: data transmission wireless technology networks беспроводные технологические сети передача данных
Времена Интернета вещей и сотовой связи очередного поколения не отменяют действие основополагающих законов в радиотехнике и теории информации, а лишь в очередной раз подтверждают их. Так ли это? Хорошо известный закон Мура[1], которому в апреле 2015 года исполнилось 50 лет, отражает быстрый рост производительности современных вычислительных средств, связанные с ним ускорение обработки и рост потоков данных в информационных системах. В то же время пропускная способность обеспечивающих функционирование этих информационных систем каналов связи растет значительно медленнее. Рост последней сдерживается не только технологическими, но и природно-географическими факторами – средства связи и обмена данными должны функционировать на обширных, в том числе труднодоступных, территориях, часто с отсутствующей обеспечивающей инфраструктурой.
В связи с этим возможности по практическому внедрению технологических достижений в области повышения скорости обмена данными при передаче их на большие расстояния оказываются весьма ограниченными. Использование имеющих необходимую пропускную способность проводных каналов для решения данной задачи во многих случаях оказывается не только экономически нецелесообразным, но и технически невозможным. Увеличение же пропускной способности беспроводных каналов, согласно Теореме Шеннона-Хартли[2], требует повышения мощности радиосигнала, а использование более высоких диапазонов частот и более широкой полосы пропускания приводит к уменьшению дальности работы беспроводного канала связи.
Возможности по организации обмена данными на большие расстояния формализованы в Российской Федерации разрешительными документами, регулирующими использование радиочастотного ресурса и устанавливающими строгие рамки для беспроводной связи и передачи данных. Масла в огонь противоречий между скоростью и дальностью обмена данными добавляют положения общеизвестных законов Мерфи[3]… В результате задача организации надежной радиосети обмена данными на большой территории зачастую превращается в серьезную головную боль, а ее эксплуатация ассоциируется у многих с непосильными затратами.
Однако, как поется в знаменитой песне Владимира Высоцкого "Честь шахматной короны", все не так уж сумрачно вблизи. Свет в конце тоннеля в вопросе оптимизации беспроводных радиосетей обмена данными в части дальности, скорости, надежности вспыхнул с появлением перспективной радиотехнической платформы Viper-SC+, предназначенной для работы по узкополосным каналам в диапазоне ультракоротких волн (УКВ).
Вышеуказанная платформа включает в себя радиомодемы с одним или двумя (разнесенный прием) антенными входами, а также базовые станции, в том числе повышенной надежности и живучести с резервированием всех компонентов. Появление платформы, ее развитие и результаты эксплуатации впервые поставили под сомнение действие отдельных следствий из закона Мерфи в отношении технологических радиосетей обмена данными.
Эти следствия, как известно, гласят:
"Все не так легко, как кажется..."
Одной из непростых задач, связанных с развертыванием и настройкой технологической радиосети обмена данными является организация сопряжения радиомодема с внешним устройством. Ранее оно выполнялось по последовательному порту RS-232, но с появлением современных контроллеров, имеющих интерфейс Ethernet, задача усложнилась в связи с необходимостью применения преобразователей.
Наиболее широко с узкополосными радиомодемами использовались преобразователи производства компаний Moxa (от одного до 16 портов) и Lantronix (от одного до 48 портов). Простоту решению вернуло лишь появление встроенного в радиомодем Viper-SC+ сетевого интерфейса RJ45 Ethernet и функции автоматического преобразования RS-232 – Ethernet и обратно. Теперь узкополосный радиомодем поддерживает обмен данными по IP-протоколу в радиоканале и обеспечивает автоматическое преобразование данных при подключении к нему внешнего устройства по последовательному протоколу. Точнее, сразу двух внешних устройств, поскольку настроечный последовательный порт радиомодема (Viper-SC+ имеет два порта RS-232 – настроечный и информационный) также может быть сконфигурирован для обмена данными. Процедура настройки стала значительно проще, такой же простой, как кажется с первого взгляда.
"Всякая работа требует больше времени, чем вы думаете"
Значительное время при развертывании технологической радиосети занимает настройка отдельных радиомодемов и проверка правильности настройки. Время, необходимое для выполнения этих операций, действительно, иногда очень сложно спрогнозировать. Viper-SC+, как и некоторые другие современные устройства, относится к программно-определяемым системам, созданным с использованием технологии SDR (Software Defined Radio)[4]. Встроенное программное обеспечение позволяет устанавливать заданные номиналы рабочих частот (память модема рассчитана на единовременное хранение 32 номиналов), шага сетки радиочастот, выходной мощности и скорости обмена данными. Все эти параметры после настройки в одном радиомодеме могут быть перенесены в другой (функция клонирования настроечных данных). В результате настройка большого количества радиомодемов занимает на практике существенно меньше времени, чем вы думаете.
"Из всех возможных неприятностей произойдет именно та, ущерб от которой больше"
Наибольший ущерб при эксплуатации технологической радиосети возникает в результате выхода из строя базовой станции (БС). Типовая БС в реальных радиосетях поддерживает работу 12–15 удаленных объектов (технически возможно существенно больше), поэтому в результате прекращения ее работы теряется контроль над значительными ресурсами. Несмотря на высокую надежность современного оборудования (среднее время наработки на отказ радиомодемов Viper-SC+ составляет около 418 000 ч), поломки и сбои в работе неизбежны. Базовая станция повышенной надежности и живучести в случае сбоя в работе или выхода из строя одного комплекта оборудования автоматически переключает работу на резервный, исключая возникновение перерыва в работе. Использование такой БС позволяет на практике создать технологическую радиосеть, очень хорошо защищенную от наиболее опасных неприятностей – тех, ущерб от которых больше.
"Если четыре причины возможных неприятностей заранее устранены, то всегда найдется пятая"
Данное положение нам, признаюсь честно, опровергнуть пока не удалось, но и подтвердить тоже. В настоящее время серийно выпускается третья модификация упомянутого радиомодема с версией встраиваемого программного обеспечения 3.8, в которой устранены все выявленные в процессе эксплуатации недостатки. Возможно, другие недостатки проявятся позже, а пока значение параметра средней наработки на отказ только возрастает.
"Предоставленные сами себе события имеют тенденцию развиваться от плохого к худшему"
Техническое состояние технологической радиосети на радиотехнической платформе Viper-SC+ может оперативно контролироваться средствами разработанного НПП "Родник" программно-технического комплекса (ПТК) "Балтика", предназначенного для мониторинга рабочих параметров аппаратуры, включая идентификационный номер устройства, температуру внутри корпуса, напряжение питания, уровень сигнала, принимаемого БС радиосети от удаленного устройства, излучаемую мощность передатчика, мощность обратной волны.
ПТК позволяет следить за целостностью и качеством каналов технологической радиосети обмена данными, контролировать рабочие параметры радиотехнической аппаратуры, извещать оператора о нештатной работе каналов обмена данными, выявлять сбои в функционировании основной электросети и факт перехода на питание от резервной (аккумуляторов).
Программное обеспечение ПТК производит сбор, анализ, отображение и архивирование информации, обеспечивая:
конфигурирование (описание структуры) ПТК мониторинга технологической радиосети обмена данными, установку пороговых значений для измеряемых параметров оперативной диагностики;
слежение за поступлением данных оперативной диагностики от радиомодемов на основании их идентификаторов и выдачу сигнала "авария" при пропадании этих данных;
анализ значений данных оперативной диагностики от радиомодемов относительно пороговых значений и формирование сигнала "авария" при их выходе за установленные пределы;
анализ данных оперативной диагностики для косвенного определения исправности абонентских радиомодемов, работающих через удаленные ретрансляторы технологической радиосети, не подключенные непосредственно к комплексу мониторинга;
ведение журнала аварий, формирование и представление отчетов по видам аварий и времени их возникновения;
анализ изменений данных оперативной диагностики с целью предсказания возможных аварийных ситуаций и сбоев.
Таким образом, технологическая радиосеть обмена данными на радиотехнической платформе Viper-SC+ может быть поставлена под жесткий контроль, исключающий самопроизвольное развитие ситуации по принципу "от плохого к худшему".
"Как только вы принимаетесь делать какую-то работу, находится другая, которую надо сделать еще раньше"
Опыт учит, что задача организации сопровождения развернутой радиосети во многих случаях оказывается на порядок сложнее, чем ее первоначальное развертывание. Она представляет собой ежедневный трудоемкий процесс, направленный на поддержание радиосети в работоспособном состоянии. Радиомодемы семейства Viper-SC+ представляют собой устройства, функционирующие в необслуживаемом режиме и не требующие периодической юстировки. При наличии комплекта запасных частей, инструментов и принадлежностей (ЗИП) восстановление работоспособности радиосети обеспечивается заменой блока радиомодема, которая сводится к подключению трех кабелей: антенного, информационного и питания. Такие скромные требования позволяют без труда переключаться на выполнение другой работы, которую надо сделать еще раньше.
"Всякое решение плодит новые проблемы"
Проектирование технологической радиосети обмена данными на базе рассматриваемой платформы в настоящее время приобрело характер типовой задачи и не представляет серьезных трудностей для подготовленного персонала. Ее внедрение связано с решением ряда организационно-технических задач, включая получение радиочастотного присвоения, процедура которого в последнее время, на радость пользователей таких сетей, максимально упрощена. И после решения этих задач полностью теряется основа для возникновения новых проблем, поскольку радиомодем Viper-SC+ разработан по принципу "установил – забыл".
Можно ли утверждать, что сам факт появления радиотехнической платформы Viper-SC+ отменил перечисленные выше положения закона Мерфи? Делать это прямо сейчас, наверное, будет преждевременно. Но у любого технического специалиста в области АСУ ТП и связи теперь есть возможность самостоятельно проверить это и сделать собственный вывод. ■
--------------------------------------------------------------------------------
[1] Закон Мура – эмпирическое наблюдение, изначально сделанное Гордоном Муром, согласно которому (в современной формулировке) количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца.
[2] Теорема Шеннона-Хартли – устанавливает шенноновскую емкость канала, верхнюю границу максимального количества безошибочных цифровых данных (т.е, информации), которое может быть передано по такому каналу с указанной полосой пропускания в присутствии шумового вмешательства, согласно предположению, что мощность сигнала ограничена, и гауссовский шум характеризуется известной мощностью или спектральной плотностью мощности. Закон назван в честь Клода Шеннона и Ральфа Хартли.
[3] Закон Мерфи – шутливый философский принцип, который формулируется следующим образом: "Если есть вероятность того, что какая-нибудь неприятность может случиться, то она обязательно произойдет" (англ. Anything that can go wrong will go wrong). Популярный иностранный аналог русского "закона подлости", "закона падающего бутерброда" и "генеральского эффекта".
[4] Программно-определяемая радиосистема (SDR) – радиопередатчик и/или радиоприемник, использующий технологию, позволяющую с помощью программного обеспечения устанавливать или изменять рабочие радиочастотные параметры, включая, в частности, диапазон частот, тип модуляции или выходную мощность, за исключением изменения рабочих параметров, используемых в ходе обычной предварительно определенной работы с предварительными установками радиоустройства, согласно той или иной спецификации или системы.
В связи с этим возможности по практическому внедрению технологических достижений в области повышения скорости обмена данными при передаче их на большие расстояния оказываются весьма ограниченными. Использование имеющих необходимую пропускную способность проводных каналов для решения данной задачи во многих случаях оказывается не только экономически нецелесообразным, но и технически невозможным. Увеличение же пропускной способности беспроводных каналов, согласно Теореме Шеннона-Хартли[2], требует повышения мощности радиосигнала, а использование более высоких диапазонов частот и более широкой полосы пропускания приводит к уменьшению дальности работы беспроводного канала связи.
Возможности по организации обмена данными на большие расстояния формализованы в Российской Федерации разрешительными документами, регулирующими использование радиочастотного ресурса и устанавливающими строгие рамки для беспроводной связи и передачи данных. Масла в огонь противоречий между скоростью и дальностью обмена данными добавляют положения общеизвестных законов Мерфи[3]… В результате задача организации надежной радиосети обмена данными на большой территории зачастую превращается в серьезную головную боль, а ее эксплуатация ассоциируется у многих с непосильными затратами.
Однако, как поется в знаменитой песне Владимира Высоцкого "Честь шахматной короны", все не так уж сумрачно вблизи. Свет в конце тоннеля в вопросе оптимизации беспроводных радиосетей обмена данными в части дальности, скорости, надежности вспыхнул с появлением перспективной радиотехнической платформы Viper-SC+, предназначенной для работы по узкополосным каналам в диапазоне ультракоротких волн (УКВ).
Вышеуказанная платформа включает в себя радиомодемы с одним или двумя (разнесенный прием) антенными входами, а также базовые станции, в том числе повышенной надежности и живучести с резервированием всех компонентов. Появление платформы, ее развитие и результаты эксплуатации впервые поставили под сомнение действие отдельных следствий из закона Мерфи в отношении технологических радиосетей обмена данными.
Эти следствия, как известно, гласят:
"Все не так легко, как кажется..."
Одной из непростых задач, связанных с развертыванием и настройкой технологической радиосети обмена данными является организация сопряжения радиомодема с внешним устройством. Ранее оно выполнялось по последовательному порту RS-232, но с появлением современных контроллеров, имеющих интерфейс Ethernet, задача усложнилась в связи с необходимостью применения преобразователей.
Наиболее широко с узкополосными радиомодемами использовались преобразователи производства компаний Moxa (от одного до 16 портов) и Lantronix (от одного до 48 портов). Простоту решению вернуло лишь появление встроенного в радиомодем Viper-SC+ сетевого интерфейса RJ45 Ethernet и функции автоматического преобразования RS-232 – Ethernet и обратно. Теперь узкополосный радиомодем поддерживает обмен данными по IP-протоколу в радиоканале и обеспечивает автоматическое преобразование данных при подключении к нему внешнего устройства по последовательному протоколу. Точнее, сразу двух внешних устройств, поскольку настроечный последовательный порт радиомодема (Viper-SC+ имеет два порта RS-232 – настроечный и информационный) также может быть сконфигурирован для обмена данными. Процедура настройки стала значительно проще, такой же простой, как кажется с первого взгляда.
"Всякая работа требует больше времени, чем вы думаете"
Значительное время при развертывании технологической радиосети занимает настройка отдельных радиомодемов и проверка правильности настройки. Время, необходимое для выполнения этих операций, действительно, иногда очень сложно спрогнозировать. Viper-SC+, как и некоторые другие современные устройства, относится к программно-определяемым системам, созданным с использованием технологии SDR (Software Defined Radio)[4]. Встроенное программное обеспечение позволяет устанавливать заданные номиналы рабочих частот (память модема рассчитана на единовременное хранение 32 номиналов), шага сетки радиочастот, выходной мощности и скорости обмена данными. Все эти параметры после настройки в одном радиомодеме могут быть перенесены в другой (функция клонирования настроечных данных). В результате настройка большого количества радиомодемов занимает на практике существенно меньше времени, чем вы думаете.
"Из всех возможных неприятностей произойдет именно та, ущерб от которой больше"
Наибольший ущерб при эксплуатации технологической радиосети возникает в результате выхода из строя базовой станции (БС). Типовая БС в реальных радиосетях поддерживает работу 12–15 удаленных объектов (технически возможно существенно больше), поэтому в результате прекращения ее работы теряется контроль над значительными ресурсами. Несмотря на высокую надежность современного оборудования (среднее время наработки на отказ радиомодемов Viper-SC+ составляет около 418 000 ч), поломки и сбои в работе неизбежны. Базовая станция повышенной надежности и живучести в случае сбоя в работе или выхода из строя одного комплекта оборудования автоматически переключает работу на резервный, исключая возникновение перерыва в работе. Использование такой БС позволяет на практике создать технологическую радиосеть, очень хорошо защищенную от наиболее опасных неприятностей – тех, ущерб от которых больше.
"Если четыре причины возможных неприятностей заранее устранены, то всегда найдется пятая"
Данное положение нам, признаюсь честно, опровергнуть пока не удалось, но и подтвердить тоже. В настоящее время серийно выпускается третья модификация упомянутого радиомодема с версией встраиваемого программного обеспечения 3.8, в которой устранены все выявленные в процессе эксплуатации недостатки. Возможно, другие недостатки проявятся позже, а пока значение параметра средней наработки на отказ только возрастает.
"Предоставленные сами себе события имеют тенденцию развиваться от плохого к худшему"
Техническое состояние технологической радиосети на радиотехнической платформе Viper-SC+ может оперативно контролироваться средствами разработанного НПП "Родник" программно-технического комплекса (ПТК) "Балтика", предназначенного для мониторинга рабочих параметров аппаратуры, включая идентификационный номер устройства, температуру внутри корпуса, напряжение питания, уровень сигнала, принимаемого БС радиосети от удаленного устройства, излучаемую мощность передатчика, мощность обратной волны.
ПТК позволяет следить за целостностью и качеством каналов технологической радиосети обмена данными, контролировать рабочие параметры радиотехнической аппаратуры, извещать оператора о нештатной работе каналов обмена данными, выявлять сбои в функционировании основной электросети и факт перехода на питание от резервной (аккумуляторов).
Программное обеспечение ПТК производит сбор, анализ, отображение и архивирование информации, обеспечивая:
конфигурирование (описание структуры) ПТК мониторинга технологической радиосети обмена данными, установку пороговых значений для измеряемых параметров оперативной диагностики;
слежение за поступлением данных оперативной диагностики от радиомодемов на основании их идентификаторов и выдачу сигнала "авария" при пропадании этих данных;
анализ значений данных оперативной диагностики от радиомодемов относительно пороговых значений и формирование сигнала "авария" при их выходе за установленные пределы;
анализ данных оперативной диагностики для косвенного определения исправности абонентских радиомодемов, работающих через удаленные ретрансляторы технологической радиосети, не подключенные непосредственно к комплексу мониторинга;
ведение журнала аварий, формирование и представление отчетов по видам аварий и времени их возникновения;
анализ изменений данных оперативной диагностики с целью предсказания возможных аварийных ситуаций и сбоев.
Таким образом, технологическая радиосеть обмена данными на радиотехнической платформе Viper-SC+ может быть поставлена под жесткий контроль, исключающий самопроизвольное развитие ситуации по принципу "от плохого к худшему".
"Как только вы принимаетесь делать какую-то работу, находится другая, которую надо сделать еще раньше"
Опыт учит, что задача организации сопровождения развернутой радиосети во многих случаях оказывается на порядок сложнее, чем ее первоначальное развертывание. Она представляет собой ежедневный трудоемкий процесс, направленный на поддержание радиосети в работоспособном состоянии. Радиомодемы семейства Viper-SC+ представляют собой устройства, функционирующие в необслуживаемом режиме и не требующие периодической юстировки. При наличии комплекта запасных частей, инструментов и принадлежностей (ЗИП) восстановление работоспособности радиосети обеспечивается заменой блока радиомодема, которая сводится к подключению трех кабелей: антенного, информационного и питания. Такие скромные требования позволяют без труда переключаться на выполнение другой работы, которую надо сделать еще раньше.
"Всякое решение плодит новые проблемы"
Проектирование технологической радиосети обмена данными на базе рассматриваемой платформы в настоящее время приобрело характер типовой задачи и не представляет серьезных трудностей для подготовленного персонала. Ее внедрение связано с решением ряда организационно-технических задач, включая получение радиочастотного присвоения, процедура которого в последнее время, на радость пользователей таких сетей, максимально упрощена. И после решения этих задач полностью теряется основа для возникновения новых проблем, поскольку радиомодем Viper-SC+ разработан по принципу "установил – забыл".
Можно ли утверждать, что сам факт появления радиотехнической платформы Viper-SC+ отменил перечисленные выше положения закона Мерфи? Делать это прямо сейчас, наверное, будет преждевременно. Но у любого технического специалиста в области АСУ ТП и связи теперь есть возможность самостоятельно проверить это и сделать собственный вывод. ■
--------------------------------------------------------------------------------
[1] Закон Мура – эмпирическое наблюдение, изначально сделанное Гордоном Муром, согласно которому (в современной формулировке) количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца.
[2] Теорема Шеннона-Хартли – устанавливает шенноновскую емкость канала, верхнюю границу максимального количества безошибочных цифровых данных (т.е, информации), которое может быть передано по такому каналу с указанной полосой пропускания в присутствии шумового вмешательства, согласно предположению, что мощность сигнала ограничена, и гауссовский шум характеризуется известной мощностью или спектральной плотностью мощности. Закон назван в честь Клода Шеннона и Ральфа Хартли.
[3] Закон Мерфи – шутливый философский принцип, который формулируется следующим образом: "Если есть вероятность того, что какая-нибудь неприятность может случиться, то она обязательно произойдет" (англ. Anything that can go wrong will go wrong). Популярный иностранный аналог русского "закона подлости", "закона падающего бутерброда" и "генеральского эффекта".
[4] Программно-определяемая радиосистема (SDR) – радиопередатчик и/или радиоприемник, использующий технологию, позволяющую с помощью программного обеспечения устанавливать или изменять рабочие радиочастотные параметры, включая, в частности, диапазон частот, тип модуляции или выходную мощность, за исключением изменения рабочих параметров, используемых в ходе обычной предварительно определенной работы с предварительными установками радиоустройства, согласно той или иной спецификации или системы.
Отзывы читателей
