eng
Выпуск #3/2017
С.Маргарян, В.Осьмов, В.Мостыко
Радиосеть обмена данными укв-диапазона для ответственных систем. Часть 1
Радиосеть обмена данными укв-диапазона для ответственных систем. Часть 1
Просмотры: 2068
Описаны особенности построения и функциональные возможности узкополосных технологических радиосетей обмена данными УКВ-диапазона повышенной надежности и живучести для ответственных систем. Дано краткое сравнение их с проводными сетями аналогичного назначения.
DOI: 10.22184/2070-8963.2017.64.3.24.33
УДК 654.16
DOI: 10.22184/2070-8963.2017.64.3.24.33
УДК 654.16
Теги: high-reliability radio networks vhf radio network wireless data network радиосети повышенной надежности радиосети укв-диапазона технологические радиосети передачи данных
Введение
Надежность* и живучесть** являются наиболее важными требованиями к средствам обмена данными, применяемым для обеспечения функционирования устройств автоматизации в ответственных системах, в том числе разворачиваемых на критически важных объектах, к которым относятся:
ядерно-опасные (АЭС, предприятия ядерно-оружейного комплекса);
радиационно-опасные (спецкомбинаты "Радон", места хранения жидких радиоактивных отходов, отработанного ядерного топлива);
химически-опасные (предприятия нефтехимического, металлургического, машиностроительного, радио- и электротехнического и оборонного производства, пищевой промышленности);
биологически-опасные (крупные предприятия по производству, переработке и хранению сельхозпродукции, фармацевтические комплексы);
техногенно-опасные (крупные железнодорожные узлы, морские порты, аэропорты в крупных городах, метрополитены, мосты и тоннели длиной более 500 м, крупные гидротехнические сооружения промышленного и водохозяйственного назначения, объекты топливо-энергетического комплекса, тепловые электростанции и магистральные линии электропередач);
пожаро-взрывоопасные (газо-, нефте- и продуктопроводы, газокомпрессорные и нефтеперекачивающие станции, а также хранилища сжиженных газов и нефти, крупные предприятия по производству и переработке жидкофазных или твердых взрывоопасных материалов).
Принято считать, что эффективнее всего данные требования выполняются с использованием проводных средств связи и обмена данными. Такие средства позволяют надежно передавать информацию на большие расстояния, а отработанные современные технологии значительно упрощают этот процесс. В общем случае, оптический или медный кабель обладает достаточно высокой защитой и может эксплуатироваться на протяжении длительного периода времени. А вот беспроводная связь между наземными объектами 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 является наиболее слабым звеном проводных систем технологической связи по сравнению с беспроводными.
Кабельная система постоянно подвергается воздействию окружающей среды. А природа всегда берет свое: сезонные подтопления часто приводят к снижению характеристик кабеля или нарушениям связи, проложенные в тоннелях 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 проводных средств связи в районах вечной мерзлоты, ставшая весьма актуальной в связи с освоением Арктики, – это вообще отдельная тема. Со временем кабель теряет свои характеристики в результате старения материалов, из которых он изготовлен. Поиск и устранение неисправностей в распределенной кабельной сети связаны с серьезными трудностями, поскольку при этом недостаточно просто определить место аварии, но необходимо получить доступ к нему.
В случае техногенных аварий или природных катастроф кабельные сети оказываются наиболее уязвимыми. Так, во время землетрясения в Новой Зеландии в 2016 году первыми были полностью выведены из строя ВОЛС. Кабельные линии связи на медных кабелях пострадали меньше, но нанесенный ущерб не позволил продолжить их дальнейшую эксплуатацию без серьезных ремонтно-восстановительных работ. В связи с этим ответственные объекты были переведены на работу через резервные беспроводные сети связи, а использовавшиеся в качестве основных технологические радиосети обмена данными продолжали работать, на отдельных объектах – после незначительных ремонтно-восстановительных работ.
Среда передачи данных радиосетей УКВ-диапазона не требует затрат на поддержание ее характеристик. Природные явления практически не влияют на рабочие параметры такой сети, которые остаются стабильными на протяжении всего периода эксплуатации, как в обычной обстановке, так и в условиях ЧС, а порядок ее использования контролируется государством, что позволяет применять технологическую радиосеть в ответственных системах в качестве основной или резервной.
Особенности технологической радиосети для ответственных систем
Области применения технологических радиосетей обмена данными определяются их следующими основными оперативно-техническими возможностями и преимуществами:
гарантированная надежность работы (радиосеть создается и управляется ее владельцем с учетом персональных требований к надежности функционирования);
высокая живучесть в различной обстановке (требование к живучести закладывается на этапе проектирования сети, и, как правило, оказывается выше, чем в радиосетях общего пользования);
рабочая зона, полностью перекрывающая район использования подключенных к радиосети оконечных устройств, как правило, объединенных в автоматизированную систему управления (реально построенные технологические радиосети имеют оперативную зону более миллиона кв. км);
применение детерминированных протоколов обмена данными, поддерживающих работу в близком к реальному режиму времени и обеспечивающих гарантированную доставку данных в установленные регламентом работы сети сроки;
относительно небольшое время доступа к каналу передачи данных, обеспечивающее приемлемые для большинства автоматизированных систем задержки в доставке данных;
высокая безопасность данных (применяемые технологии обеспечивают защиту от подавления, перехвата или несанкционированного доступа к работе в составе технологической радиосети);
относительно низкая стоимость эксплуатации;
независимость от "чужой" инфраструктуры связи и возможность развивать ее исходя из реальных требований (радиосеть принадлежит эксплуатирующей ее организации, параметры работы и оперативная зона могут изменяться ею самостоятельно);
совместимость с разнородным оборудованием сбора и обработки данных по широко применяемым и детально отработанным интерфейсам;
простота перемещения и оперативность развертывания в новом районе;
возможность эксплуатации в жестких условиях окружающей среды.
Учитывая высокую надежность среды передачи, основной технической задачей применительно к ответственным системам является обеспечение необходимого уровня надежности и живучести собственно радиосети и используемых в ее составе программно-технических средств.
Радиотехническая платформа Viper-SC+
Радиотехническая платформа Viper-SC+ представляет собой одну из наиболее современных и перспективных разработок американской компании CalAmp, де-факто ведущего мирового производителя радиомодемов. Платформа, использующая для работы IP-протокол, включает в себя:
радиомодем Viper-SC+ (140-5018-502***) с одним антенным входом;
радиомодем Viper-SC+ (140-5018-503) с двумя антенными входами;
базовую станцию (БС) Viper-SC+ (140-5118-502);
БС Viper-SC+ (140-5318-502) повышенной надежности и живучести с резервированием всех компонентов;
БС Viper-SC+ (140-5318-503) повышенной надежности и живучести с резервированием всех компонентов с двумя антенными входами.
Внешний вид радиомодема Viper-SC+ представлен на рис.1, а базовой станции – на рис.2. Технические характеристики оборудования платформы Viper-SC+ приведены в [1]. Здесь отметим только, что оборудование производится для работы в следующих частотных диапазонах: 136–174, 215–240, 406–512, 450–512, 880–902 и 928–960 МГц. Рабочая температура: от –40 до 70 ⁰С.
Совместно с техническими средствами радиотехнической платформы Viper-SC+ может использоваться получившая широкое распространение в странах СНГ российская программа мониторинга технического состояния радиосети "Балтика".
Технологическая радиосеть обмена данными УКВ-диапазона для ответственных систем на базе платформы Viper-SC+
Рассматриваемая радиосеть поддерживает все известные топологии, включая наиболее часто применяемую – "точка – много точек". Основу сети составляет БС Viper-SC+ base station. Необходимый уровень надежности и живучести достигается выбором соответствующей конфигурации базовой станции, предполагающей использование одного или двух приемо-передающих блоков.
Типовая радиосеть на платформе Viper-SC+ обеспечивает обмен на заданной скорости, выполняя опрос удаленных объектов по установленному графику, либо прием информации базовой станцией по инициативе удаленных объектов (при подключении по порту Ethernet). Базовая (минимальная) надежность функционирования такой радиосети достигается правильным проектированием, учитывающим баланс радиосигнала для каждого подключенного к сети объекта при наихудших условиях, а также высокими техническими характеристиками оборудования (среднее время наработки на отказ радиомодемов Viper-SC+ составляет около 418 000 ч), эксплуатация которого допускается в жестких условиях окружающей среды.
Однако поломки и сбои в работе неизбежны, ведь среднее время эксплуатации технологической радиосети без ее модернизации составляет не менее 12 лет. В связи с этим при разработке платформы Viper-SC+ были предусмотрены дополнительные меры, обеспечивающие повышение надежности и живучести радиосети за счет сокращения возможных простоев, обеспечения непрерывной работы при снижении уровня принимаемого сигнала и в условиях помех, "горячего" резервирования аппаратуры, превентивного выявления предпосылок к сбоям и оперативной ликвидации аварий.
Программная настройка
При развертывании технологической радиосети и восстановлении ее работоспособности значительное время занимает настройка отдельных радиомодемов и проверка правильности ее выполнения. Время, необходимое для осуществления этих операций, иногда сложно спрогнозировать, а простой в работе связан с серьезными финансовыми потерями. Радиомодем Viper-SC+ относится к системам, созданным с использованием программно-определяемой технологии (Software Defined Radio). Встроенное ПО 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 модемов занимает существенно меньше времени, чем раньше, а восстановление работоспособности в отдельных случаях может производиться удаленно.
Прием и передача по разнесенным портам
В состав платформы входит радиомодем с двумя портами – передающим и приемным. Разнесение этих портов позволяет оптимизировать характеристики принимаемого сигнала за счет использования серийно выпускаемых радиочастотных фильтров и усилителей и добиться стабильной работы в условиях слабого сигнала и внешних помех. Выходная мощность радиомодема увеличена вдвое по сравнению с ранее выпускавшимися моделями, что позволяет получать необходимый уровень сигнала на входе приемного оборудования и упрощает проектирование антенно-фидерного устройства (АФУ).
Одновременное подключение по нескольким портам
Повышение надежности сопряжения с оконечным оборудованием обеспечивается возможностью его подключения одновременно по двум портам – последовательному RS-232 и сетевому RJ-45. В этом случае один из портов может настраиваться в качестве основного, а второй – резервного. Радиомодем Viper-SC+ имеет два последовательных порта RS-232 – настроечный и информационный. Настроечный порт используется для удаленной диагностики и мониторинга технического состояния в реальном масштабе времени. Данный порт также может быть сконфигурирован для обмена данными, поэтому потенциально третий интерфейс также может быть использован для подключения оконечного устройства. Наличие трех каналов подключения удовлетворяет самым высоким требованиям по обеспечению надежности и живучести, предъявляемым, например, на авиационном и железнодорожном транспорте, а также в системах военного назначения.
Автоматическая коррекция
скорости обмена данными
Условия приема радиосигнала могут изменяться в широких пределах в процессе эксплуатации радиосети, что влияет на надежность ее работы. Общеизвестно, что при равных условиях приема более надежно обеспечивается работа на более низкой скорости. В связи с этим в БС Viper-SC+ base station реализована функция автоматического выбора оптимальной скорости обмена для каждого подключенного к радиосети оконечного устройства. То есть, в случае ухудшения условий приема для конкретного удаленного радиомодема, базовая станция автоматически выбирает максимальную скорость обмена данными, обеспечивающую надежную работу. В результате, даже в случае падения уровня приемного сигнала или появления помех, связь с удаленными объектами не прерывается. Использование данной функции позволяет автоматически поддерживать наибольшую пропускную способность радиосети, организуя связь с наиболее удаленными объектами на более низкой, а с близкими – на более высокой скорости.
Базовая станция
повышенной надежности и живучести
Наибольший ущерб при эксплуатации технологической радиосети возникает в результате выхода из строя БС, которая обеспечивает работу всей радиосети. Именно этот компонент сети является наиболее важным и требует максимальной защиты от аварий и сбоев. Ниже представлены варианты реализации базовых станций, обладающих различными по степени характеристиками надежности.
Стандартная БС повышенной надежности и живучести может строиться на оборудовании Viper-SC+ (140-5318-502) с резервированием компонентов в едином корпусе. Структурная схема станции повышенной надежности и живучести на данном оборудовании представлена на рис.3.
Упомянутая выше БС имеет в своем составе два приемопередатчика, размещаемых в едином корпусе. Один из них находится в "горячем" резерве. В случае сбоя в работе или выхода из строя одного комплекта оборудования встроенный контроллер автоматически переключает работу на резервный приемопередатчик, исключая возникновение перерыва в работе. Использование данной базовой станции позволяет на практике создать технологическую радиосеть, хорошо защищенную от наиболее опасных сбоев и аварий. Однако, такая БС имеет несколько единых точек отказа – сетевой коммутатор, блок питания радиомодема, антенно-фидерное устройство (АФУ).
Более высокий уровень надежности и живучести может быть реализован при использовании БС, имеющей в своем составе два комплекта оборудования Viper-SC+ base station (140-5118-502) или Viper-SC+ base station (140-5318-502) с дублированием приемопередатчиков. Ее структурная схема представлена на рис.4.
В этом случае один из комплектов также находится в "горячем" резерве и может использоваться для работы с удаленными объектами попеременно. Две БС работают через единое АФУ. Реализовано двойное (в первом) и тройное (во втором случае) резервирование по аппаратуре обмена данными, а также двойное резервирование по коммутационному оборудованию. Применяемый совместно с такой базовой станцией сервер имеет три сетевых интерфейса, а переключение между БС происходит на уровне приложения. Единой точкой отказа такой станции является АФУ.
В случае, когда маршрут передачи сообщения (определение комплекта оборудования, через который должна производиться трансляция данных) необходимо организовать в автоматическом режиме, можно использовать схему, представленную на рис.5.
В этом случае сервер должен иметь два сетевых интерфейса и подключаться к роутеру с динамической маршрутизацией. Реализовано двойное (в первом) и четверное (во втором случае) резервирование по аппаратуре обмена данными,
а также двойное резервирование по коммутационному оборудованию. Едиными точками отказа такой БС являются маршрутизатор и АФУ.
Во всех описанных выше схемах присутствует единая точка отказа – общее АФУ. Для исключения данного недостатка базовая станция может быть построена с использованием двух индивидуальных АФУ. Структурная схема БС повышенной надежности и живучести, имеющей в своем составе два комплекта оборудования Viper-SC+ base station (140-5118-502) или Viper-SC+ base station (140-5318-502) с двумя АФУ, изображена на рис.6.
В представленной на рис.6 конфигурации отсутствует единая точка отказа по аппаратуре обмена данными.
Дополнительная живучесть радиосети может быть обеспечена развертыванием двух и более совмещенных БС, имеющих перекрывающиеся оперативные зоны и работающих с разнесенных позиций. В этом случае даже полный выход из строя одной базовой станции в составе сети не приводит к потере связи. Данная схема обычно применяется на протяженных объектах, в первую очередь, относящихся к железнодорожному и трубопроводному транспорту.
Платформа Viper-SC+ позволяет создавать узкополосные технологические радиосети УКВ-диапазона повышенной надежности и живучести практически любого масштаба, что дает возможность применять ее в составе ответственных систем. Функциональные возможности платформы органически дополняются средствами программно-технического комплекса (ПТК) "Балтика", предназначенного для мониторинга рабочих параметров аппаратуры, включая идентификационный номер устройства, температуру внутри корпуса, напряжение питания, уровень сигнала, принимаемого БС от удаленного устройства, излучаемую мощность передатчика, мощность обратной волны.
ПТК "Балтика" позволяет следить за целостностью и качеством каналов технологической радиосети обмена данными, контролировать рабочие параметры 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 данного ПТК производит сбор, анализ, отображение и архивирование информации, обеспечивая:
конфигурирование (описание структуры) ПТК мониторинга технологической радиосети обмена данными, установку пороговых значений измеряемых параметров оперативной диагностики;
слежение за поступлением данных диагностики от радиомодемов Viper-SC+ на основании их идентификаторов и выдачу сигнала "авария" при пропадании этих данных;
анализ данных диагностики от радиомодемов Viper-SC+ и формирование сигнала "авария" при их выходе за установленные пределы;
анализ данных диагностики для косвенного определения исправности радиомодемов Viper-SC+, 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.
Задача организации сопровождения развернутой радиосети во многих случаях оказывается на порядок сложнее, чем ее первоначальное развертывание. Применение ПТК "Балтика" значительно упрощает этот ежедневный трудоемкий процесс, обеспечивая предупреждение возможных выходов оборудования из строя (поскольку в большинстве случаев выходу оборудования из строя предшествует ухудшение его рабочих параметров, их мониторинг позволяет своевременно выявлять возможные отказы и сбои в работе).
Оборудование платформы Viper-SC+ предназначено для непрерывной работы в необслуживаемом режиме и не требует периодической юстировки. При наличии комплекта запасных частей, инструментов и принадлежностей восстановление работоспособности аппаратуры радиосети обеспечивается заменой блока радиомодема, которая сводится к подключению трех кабелей: антенного, информационного и питания, занимая не более 20 мин.
Окончание в следующем номере журнала.
Надежность* и живучесть** являются наиболее важными требованиями к средствам обмена данными, применяемым для обеспечения функционирования устройств автоматизации в ответственных системах, в том числе разворачиваемых на критически важных объектах, к которым относятся:
ядерно-опасные (АЭС, предприятия ядерно-оружейного комплекса);
радиационно-опасные (спецкомбинаты "Радон", места хранения жидких радиоактивных отходов, отработанного ядерного топлива);
химически-опасные (предприятия нефтехимического, металлургического, машиностроительного, радио- и электротехнического и оборонного производства, пищевой промышленности);
биологически-опасные (крупные предприятия по производству, переработке и хранению сельхозпродукции, фармацевтические комплексы);
техногенно-опасные (крупные железнодорожные узлы, морские порты, аэропорты в крупных городах, метрополитены, мосты и тоннели длиной более 500 м, крупные гидротехнические сооружения промышленного и водохозяйственного назначения, объекты топливо-энергетического комплекса, тепловые электростанции и магистральные линии электропередач);
пожаро-взрывоопасные (газо-, нефте- и продуктопроводы, газокомпрессорные и нефтеперекачивающие станции, а также хранилища сжиженных газов и нефти, крупные предприятия по производству и переработке жидкофазных или твердых взрывоопасных материалов).
Принято считать, что эффективнее всего данные требования выполняются с использованием проводных средств связи и обмена данными. Такие средства позволяют надежно передавать информацию на большие расстояния, а отработанные современные технологии значительно упрощают этот процесс. В общем случае, оптический или медный кабель обладает достаточно высокой защитой и может эксплуатироваться на протяжении длительного периода времени. А вот беспроводная связь между наземными объектами 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 является наиболее слабым звеном проводных систем технологической связи по сравнению с беспроводными.
Кабельная система постоянно подвергается воздействию окружающей среды. А природа всегда берет свое: сезонные подтопления часто приводят к снижению характеристик кабеля или нарушениям связи, проложенные в тоннелях 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 проводных средств связи в районах вечной мерзлоты, ставшая весьма актуальной в связи с освоением Арктики, – это вообще отдельная тема. Со временем кабель теряет свои характеристики в результате старения материалов, из которых он изготовлен. Поиск и устранение неисправностей в распределенной кабельной сети связаны с серьезными трудностями, поскольку при этом недостаточно просто определить место аварии, но необходимо получить доступ к нему.
В случае техногенных аварий или природных катастроф кабельные сети оказываются наиболее уязвимыми. Так, во время землетрясения в Новой Зеландии в 2016 году первыми были полностью выведены из строя ВОЛС. Кабельные линии связи на медных кабелях пострадали меньше, но нанесенный ущерб не позволил продолжить их дальнейшую эксплуатацию без серьезных ремонтно-восстановительных работ. В связи с этим ответственные объекты были переведены на работу через резервные беспроводные сети связи, а использовавшиеся в качестве основных технологические радиосети обмена данными продолжали работать, на отдельных объектах – после незначительных ремонтно-восстановительных работ.
Среда передачи данных радиосетей УКВ-диапазона не требует затрат на поддержание ее характеристик. Природные явления практически не влияют на рабочие параметры такой сети, которые остаются стабильными на протяжении всего периода эксплуатации, как в обычной обстановке, так и в условиях ЧС, а порядок ее использования контролируется государством, что позволяет применять технологическую радиосеть в ответственных системах в качестве основной или резервной.
Особенности технологической радиосети для ответственных систем
Области применения технологических радиосетей обмена данными определяются их следующими основными оперативно-техническими возможностями и преимуществами:
гарантированная надежность работы (радиосеть создается и управляется ее владельцем с учетом персональных требований к надежности функционирования);
высокая живучесть в различной обстановке (требование к живучести закладывается на этапе проектирования сети, и, как правило, оказывается выше, чем в радиосетях общего пользования);
рабочая зона, полностью перекрывающая район использования подключенных к радиосети оконечных устройств, как правило, объединенных в автоматизированную систему управления (реально построенные технологические радиосети имеют оперативную зону более миллиона кв. км);
применение детерминированных протоколов обмена данными, поддерживающих работу в близком к реальному режиму времени и обеспечивающих гарантированную доставку данных в установленные регламентом работы сети сроки;
относительно небольшое время доступа к каналу передачи данных, обеспечивающее приемлемые для большинства автоматизированных систем задержки в доставке данных;
высокая безопасность данных (применяемые технологии обеспечивают защиту от подавления, перехвата или несанкционированного доступа к работе в составе технологической радиосети);
относительно низкая стоимость эксплуатации;
независимость от "чужой" инфраструктуры связи и возможность развивать ее исходя из реальных требований (радиосеть принадлежит эксплуатирующей ее организации, параметры работы и оперативная зона могут изменяться ею самостоятельно);
совместимость с разнородным оборудованием сбора и обработки данных по широко применяемым и детально отработанным интерфейсам;
простота перемещения и оперативность развертывания в новом районе;
возможность эксплуатации в жестких условиях окружающей среды.
Учитывая высокую надежность среды передачи, основной технической задачей применительно к ответственным системам является обеспечение необходимого уровня надежности и живучести собственно радиосети и используемых в ее составе программно-технических средств.
Радиотехническая платформа Viper-SC+
Радиотехническая платформа Viper-SC+ представляет собой одну из наиболее современных и перспективных разработок американской компании CalAmp, де-факто ведущего мирового производителя радиомодемов. Платформа, использующая для работы IP-протокол, включает в себя:
радиомодем Viper-SC+ (140-5018-502***) с одним антенным входом;
радиомодем Viper-SC+ (140-5018-503) с двумя антенными входами;
базовую станцию (БС) Viper-SC+ (140-5118-502);
БС Viper-SC+ (140-5318-502) повышенной надежности и живучести с резервированием всех компонентов;
БС Viper-SC+ (140-5318-503) повышенной надежности и живучести с резервированием всех компонентов с двумя антенными входами.
Внешний вид радиомодема Viper-SC+ представлен на рис.1, а базовой станции – на рис.2. Технические характеристики оборудования платформы Viper-SC+ приведены в [1]. Здесь отметим только, что оборудование производится для работы в следующих частотных диапазонах: 136–174, 215–240, 406–512, 450–512, 880–902 и 928–960 МГц. Рабочая температура: от –40 до 70 ⁰С.
Совместно с техническими средствами радиотехнической платформы Viper-SC+ может использоваться получившая широкое распространение в странах СНГ российская программа мониторинга технического состояния радиосети "Балтика".
Технологическая радиосеть обмена данными УКВ-диапазона для ответственных систем на базе платформы Viper-SC+
Рассматриваемая радиосеть поддерживает все известные топологии, включая наиболее часто применяемую – "точка – много точек". Основу сети составляет БС Viper-SC+ base station. Необходимый уровень надежности и живучести достигается выбором соответствующей конфигурации базовой станции, предполагающей использование одного или двух приемо-передающих блоков.
Типовая радиосеть на платформе Viper-SC+ обеспечивает обмен на заданной скорости, выполняя опрос удаленных объектов по установленному графику, либо прием информации базовой станцией по инициативе удаленных объектов (при подключении по порту Ethernet). Базовая (минимальная) надежность функционирования такой радиосети достигается правильным проектированием, учитывающим баланс радиосигнала для каждого подключенного к сети объекта при наихудших условиях, а также высокими техническими характеристиками оборудования (среднее время наработки на отказ радиомодемов Viper-SC+ составляет около 418 000 ч), эксплуатация которого допускается в жестких условиях окружающей среды.
Однако поломки и сбои в работе неизбежны, ведь среднее время эксплуатации технологической радиосети без ее модернизации составляет не менее 12 лет. В связи с этим при разработке платформы Viper-SC+ были предусмотрены дополнительные меры, обеспечивающие повышение надежности и живучести радиосети за счет сокращения возможных простоев, обеспечения непрерывной работы при снижении уровня принимаемого сигнала и в условиях помех, "горячего" резервирования аппаратуры, превентивного выявления предпосылок к сбоям и оперативной ликвидации аварий.
Программная настройка
При развертывании технологической радиосети и восстановлении ее работоспособности значительное время занимает настройка отдельных радиомодемов и проверка правильности ее выполнения. Время, необходимое для осуществления этих операций, иногда сложно спрогнозировать, а простой в работе связан с серьезными финансовыми потерями. Радиомодем Viper-SC+ относится к системам, созданным с использованием программно-определяемой технологии (Software Defined Radio). Встроенное ПО 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 модемов занимает существенно меньше времени, чем раньше, а восстановление работоспособности в отдельных случаях может производиться удаленно.
Прием и передача по разнесенным портам
В состав платформы входит радиомодем с двумя портами – передающим и приемным. Разнесение этих портов позволяет оптимизировать характеристики принимаемого сигнала за счет использования серийно выпускаемых радиочастотных фильтров и усилителей и добиться стабильной работы в условиях слабого сигнала и внешних помех. Выходная мощность радиомодема увеличена вдвое по сравнению с ранее выпускавшимися моделями, что позволяет получать необходимый уровень сигнала на входе приемного оборудования и упрощает проектирование антенно-фидерного устройства (АФУ).
Одновременное подключение по нескольким портам
Повышение надежности сопряжения с оконечным оборудованием обеспечивается возможностью его подключения одновременно по двум портам – последовательному RS-232 и сетевому RJ-45. В этом случае один из портов может настраиваться в качестве основного, а второй – резервного. Радиомодем Viper-SC+ имеет два последовательных порта RS-232 – настроечный и информационный. Настроечный порт используется для удаленной диагностики и мониторинга технического состояния в реальном масштабе времени. Данный порт также может быть сконфигурирован для обмена данными, поэтому потенциально третий интерфейс также может быть использован для подключения оконечного устройства. Наличие трех каналов подключения удовлетворяет самым высоким требованиям по обеспечению надежности и живучести, предъявляемым, например, на авиационном и железнодорожном транспорте, а также в системах военного назначения.
Автоматическая коррекция
скорости обмена данными
Условия приема радиосигнала могут изменяться в широких пределах в процессе эксплуатации радиосети, что влияет на надежность ее работы. Общеизвестно, что при равных условиях приема более надежно обеспечивается работа на более низкой скорости. В связи с этим в БС Viper-SC+ base station реализована функция автоматического выбора оптимальной скорости обмена для каждого подключенного к радиосети оконечного устройства. То есть, в случае ухудшения условий приема для конкретного удаленного радиомодема, базовая станция автоматически выбирает максимальную скорость обмена данными, обеспечивающую надежную работу. В результате, даже в случае падения уровня приемного сигнала или появления помех, связь с удаленными объектами не прерывается. Использование данной функции позволяет автоматически поддерживать наибольшую пропускную способность радиосети, организуя связь с наиболее удаленными объектами на более низкой, а с близкими – на более высокой скорости.
Базовая станция
повышенной надежности и живучести
Наибольший ущерб при эксплуатации технологической радиосети возникает в результате выхода из строя БС, которая обеспечивает работу всей радиосети. Именно этот компонент сети является наиболее важным и требует максимальной защиты от аварий и сбоев. Ниже представлены варианты реализации базовых станций, обладающих различными по степени характеристиками надежности.
Стандартная БС повышенной надежности и живучести может строиться на оборудовании Viper-SC+ (140-5318-502) с резервированием компонентов в едином корпусе. Структурная схема станции повышенной надежности и живучести на данном оборудовании представлена на рис.3.
Упомянутая выше БС имеет в своем составе два приемопередатчика, размещаемых в едином корпусе. Один из них находится в "горячем" резерве. В случае сбоя в работе или выхода из строя одного комплекта оборудования встроенный контроллер автоматически переключает работу на резервный приемопередатчик, исключая возникновение перерыва в работе. Использование данной базовой станции позволяет на практике создать технологическую радиосеть, хорошо защищенную от наиболее опасных сбоев и аварий. Однако, такая БС имеет несколько единых точек отказа – сетевой коммутатор, блок питания радиомодема, антенно-фидерное устройство (АФУ).
Более высокий уровень надежности и живучести может быть реализован при использовании БС, имеющей в своем составе два комплекта оборудования Viper-SC+ base station (140-5118-502) или Viper-SC+ base station (140-5318-502) с дублированием приемопередатчиков. Ее структурная схема представлена на рис.4.
В этом случае один из комплектов также находится в "горячем" резерве и может использоваться для работы с удаленными объектами попеременно. Две БС работают через единое АФУ. Реализовано двойное (в первом) и тройное (во втором случае) резервирование по аппаратуре обмена данными, а также двойное резервирование по коммутационному оборудованию. Применяемый совместно с такой базовой станцией сервер имеет три сетевых интерфейса, а переключение между БС происходит на уровне приложения. Единой точкой отказа такой станции является АФУ.
В случае, когда маршрут передачи сообщения (определение комплекта оборудования, через который должна производиться трансляция данных) необходимо организовать в автоматическом режиме, можно использовать схему, представленную на рис.5.
В этом случае сервер должен иметь два сетевых интерфейса и подключаться к роутеру с динамической маршрутизацией. Реализовано двойное (в первом) и четверное (во втором случае) резервирование по аппаратуре обмена данными,
а также двойное резервирование по коммутационному оборудованию. Едиными точками отказа такой БС являются маршрутизатор и АФУ.
Во всех описанных выше схемах присутствует единая точка отказа – общее АФУ. Для исключения данного недостатка базовая станция может быть построена с использованием двух индивидуальных АФУ. Структурная схема БС повышенной надежности и живучести, имеющей в своем составе два комплекта оборудования Viper-SC+ base station (140-5118-502) или Viper-SC+ base station (140-5318-502) с двумя АФУ, изображена на рис.6.
В представленной на рис.6 конфигурации отсутствует единая точка отказа по аппаратуре обмена данными.
Дополнительная живучесть радиосети может быть обеспечена развертыванием двух и более совмещенных БС, имеющих перекрывающиеся оперативные зоны и работающих с разнесенных позиций. В этом случае даже полный выход из строя одной базовой станции в составе сети не приводит к потере связи. Данная схема обычно применяется на протяженных объектах, в первую очередь, относящихся к железнодорожному и трубопроводному транспорту.
Платформа Viper-SC+ позволяет создавать узкополосные технологические радиосети УКВ-диапазона повышенной надежности и живучести практически любого масштаба, что дает возможность применять ее в составе ответственных систем. Функциональные возможности платформы органически дополняются средствами программно-технического комплекса (ПТК) "Балтика", предназначенного для мониторинга рабочих параметров аппаратуры, включая идентификационный номер устройства, температуру внутри корпуса, напряжение питания, уровень сигнала, принимаемого БС от удаленного устройства, излучаемую мощность передатчика, мощность обратной волны.
ПТК "Балтика" позволяет следить за целостностью и качеством каналов технологической радиосети обмена данными, контролировать рабочие параметры 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 данного ПТК производит сбор, анализ, отображение и архивирование информации, обеспечивая:
конфигурирование (описание структуры) ПТК мониторинга технологической радиосети обмена данными, установку пороговых значений измеряемых параметров оперативной диагностики;
слежение за поступлением данных диагностики от радиомодемов Viper-SC+ на основании их идентификаторов и выдачу сигнала "авария" при пропадании этих данных;
анализ данных диагностики от радиомодемов Viper-SC+ и формирование сигнала "авария" при их выходе за установленные пределы;
анализ данных диагностики для косвенного определения исправности радиомодемов Viper-SC+, 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.
Задача организации сопровождения развернутой радиосети во многих случаях оказывается на порядок сложнее, чем ее первоначальное развертывание. Применение ПТК "Балтика" значительно упрощает этот ежедневный трудоемкий процесс, обеспечивая предупреждение возможных выходов оборудования из строя (поскольку в большинстве случаев выходу оборудования из строя предшествует ухудшение его рабочих параметров, их мониторинг позволяет своевременно выявлять возможные отказы и сбои в работе).
Оборудование платформы Viper-SC+ предназначено для непрерывной работы в необслуживаемом режиме и не требует периодической юстировки. При наличии комплекта запасных частей, инструментов и принадлежностей восстановление работоспособности аппаратуры радиосети обеспечивается заменой блока радиомодема, которая сводится к подключению трех кабелей: антенного, информационного и питания, занимая не более 20 мин.
Окончание в следующем номере журнала.
Отзывы читателей
