eng
Выпуск #3/2020
А.Мирошниченко, И.Татарчук, Э.Фальков, С.Шаврин
СРАВНЕНИЕ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО ЗАВИСИМОГО НАБЛЮДЕНИЯ-ВЕЩАНИЯ
СРАВНЕНИЕ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО ЗАВИСИМОГО НАБЛЮДЕНИЯ-ВЕЩАНИЯ
Просмотры: 1424
DOI: 10.22184/2070-8963.2020.88.3.24.29
Выполнен анализ пропускной способности систем автоматического зависимого наблюдения-вещания, используемых для передачи данных о местоположении и скорости воздушных судов, а также сведений о погоде и другой служебной информации. Основной критерий эффективности таких систем – количество информации, которое можно передать в системе при заданном трафике воздушных судов.
Выполнен анализ пропускной способности систем автоматического зависимого наблюдения-вещания, используемых для передачи данных о местоположении и скорости воздушных судов, а также сведений о погоде и другой служебной информации. Основной критерий эффективности таких систем – количество информации, которое можно передать в системе при заданном трафике воздушных судов.
Теги: aircraft aircraft traffic automatic dependent surveillance-broadcasting systems воздушное судно системы автоматического зависимого наблюдения-вещания трафик воздушных судов
СРАВНЕНИЕ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ
систем автоматическогозависимого наблюдения-вещания
А.Мирошниченко, инженер ГосНИИАС,
И.Татарчук, инженер ГосНИИАС,
Э.Фальков, к.т.н, начальник отделения ГосНИИАС,
С.Шаврин, д.т.н, профессор МТУСИ / sss@mtuci.ru
УДК 621.396, DOI: 10.22184/2070-8963.2020.88.3.24.29
Выполнен анализ пропускной способности систем автоматического зависимого наблюдения-вещания, используемых для передачи данных о местоположении и скорости воздушных судов, а также сведений о погоде и другой служебной информации. Основной критерий эффективности таких систем – количество информации, которое можно передать в системе при заданном трафике воздушных судов.
ВВЕДЕНИЕ
Технология автоматического зависимого наблюдения-вещания (АЗН-В) позволяет обеспечить пилотов и наземный персонал ситуационной осведомленностью о местоположении воздушных судов. Данная технология предполагает, что каждое воздушное судно периодически передает в эфир сообщение со своим идентификатором, координатами, вектором скорости и специальной информацией. Станция диспетчера, а при наличии оборудования и другие воздушные суда принимают этот сигнал и записывают в память бортового компьютера координаты. На дисплее пилота отображается картина местоположения всех воздушных судов в окружающем пространстве, аналогичная представленной на рис.1. В настоящее время в европейском воздушном пространстве используются две системы АЗН-В: 1090 Extended Squitter (1090 ES) и Very High Frequency Data Link mode 4 (VDL mode 4, или сокращенно – VDL-4). Данные системы предназначены для выполнения одной и той же задачи – АЗН-В, и этим их сходство ограничивается. Технические и идейные принципы построения двух систем кардинально различаются.
Один из основных критериев оценки эффективности любой системы связи – количество полезной информации, которое она способна передать в единицу времени на заданной мощности при заданной вероятности потерь, то есть ее пропускная способность. Системы АЗН-В в этом смысле – не исключение, тип передаваемой в них информации одинаковый – координаты и скорость.
Рассмотрим реальную пропускную способность систем связи VDL-4 и 1090 ES и проанализируем ее зависимость от трафика воздушного движения – количества воздушных судов в окружающем воздушном пространстве.
СИСТЕМА АЗН-В VDL MODE 4
Система передачи VDL-4 построена на частотном разделении каналов одновременно с временным разделением сообщений и пространственной селекцией.
Частотный диапазон от 108 до 137 МГц разбит на каналы шириной 25 кГц. Этот частотный диапазон применяется для ведения голосовой радиосвязи между пилотами и диспетчерами [1]. Каналы частотного диапазона от 118 до 137 МГц можно занимать для передачи сигналов АЗН-В.
В стандартном режиме каждый абонент системы VDL-4 обеспечивает передачу данных пакетами с частотой один пакет в рамках односекундных интервалов (фреймов), жестко привязанных к UTC. Каждый пакет передается в заранее зарезервированном временном интервале (называется временным слотом) длительностью 13,33 мс или 1/75 с. Таким образом в течение фрейма (секунды) может передаваться до 75 пакетов в одной пространственной соте на одной частоте. Строго говоря, передача осуществляется с периодом 60 пакетов в минуту; как правило, в разных секундных фреймах передача ведется в разных слотах.
Для увеличения числа абонентов можно использовать другой частотный канал или пространственную селекцию.
Идея пространственной селекции заключается в динамической конфигурации сот по принципу Робин Гуда. Суть его в том, что передатчик может транслировать сигнал в уже занятом слоте, если расстояние до абонентов, занявших слот, в четыре раза больше, чем до приемника, для которого предназначена передача.
На рис.2 представлена структура пакета VDL-4 [2], которая состоит из служебной информации – синхросигнала, открывающего и закрывающего флагов и полезной нагрузки размером 178 бит. Скорость передачи символов равна 19 200 бит/с.
Система VDL-4 способна выделить временной слот для передачи, если занято меньше 75 слотов. В случае, если все 75 слотов заняты, система откажет в обслуживании. Таким образом, функцию вероятности отказа VDL-4 можно определить как:
. (1)
СИСТЕМА АЗН-В 1090 EXTENDED SQUITTER
Система 1090 ES передает пакеты без привязки ко времени и без резервирования по слотам. Не реже двух раз в секунду каждый летательный аппарат отправляет в эфир посылку с сообщением стандарта 1090 ES. В случае коллизии (сообщения от разных источников перекрываются во времени) теряется сообщение меньшей мощности. В системе 1090 ES отсутствует контроль доставки сообщения, поэтому подавленное сообщение теряется.
Таким образом, в 1090 ES, в отличие от системы VDL-4, имеют место потери из-за коллизии сообщений.
Система связи 1090 ES работает на частоте 1,09 ГГц. Битовая скорость передачи составляет 1 Мбит/с, что почти в 50 раз превышает битовую скорость VDL-4. Однако коллизии в критической степени снижают эффективную скорость передачи.
Информация в системе 1090 ES передается посылками длительностью 120 мкс. Структура пакета 1090 ES изображена на рис.3.
Пакет 1090 ES состоит из преамбулы и блока данных [3]. Блок данных содержит 56 или 112 бит информации, состоящих из DF – идентификатора типа сообщения, CA – информации о транспондере, AA – уникального кода ИКАО, PI – контрольной суммы, ME – полезной нагрузки. Таким образом, одна посылка 1090 содержит всего 24 + 56 = 80 бит полезной нагрузки (AA + ME) [3].
Передача пакетов в линии передачи данных 1090 носит неупорядоченный (случайный) характер, что приводит к возможности наложения во времени передачи сообщений разных воздушных судов и их потере.
Сообщения теряются при частичном или полном перекрытии во времени сигналов разных объектов. В оптимистичном варианте – при большой разнице мощности конфликтующих пакетов в точке прие ма – пропадает пакет слабой мощности. В пессимистичном варианте – при близких значениях мощности в точке приема – пропадают оба пакета.
В соответствии с базовыми понятиями теории вероятностей [4] вероятность Pпкр перекрытия двух сообщений при случайном характере их передачи может быть определена как:
,
где Tп = 120 мкс – длительность передачи сообщения, Тср = 1 с – средний период передачи сообщения.
Вероятность успешного приема сообщения Pпр определяется выражением:
Рпр = 1 – Рпкр.
Информация в системе 1090 ES передается в нескольких сообщениях: в одном – координаты, во втором – скорость. Таким образом, для полного обновления вектора состояния летательного аппарата необходим прием всех отправленных сообщений. Вектор состояний содержит информацию о координатах и скорости воздушного судна.
Вероятность успешного приема всех сообщений в группе из n сообщений составляет:
Рm = Рпрn = (1 – Рпкр)n.
Вероятность Pпот потери сообщения в группе из m сообщений составляет:
. (2)
Предельное количество передаваемых и успешно принимаемых пакетов для линии передачи данных 1090 ES составит:
.
Предельное количество объектов в зоне взаимодействия составит:
,
где K = 2 – минимальное количество сообщений для обновления вектора состояния, ⌊⌋ – оператор округления вниз.
АНАЛИЗ ПРОПУСКНОЙ
СПОСОБНОСТИ СИСТЕМ АЗН-В
Пропускную способность системы можно определить как:
V = CR(n), (3)
где С – количество бит полезной информации в сообщении, R(n) – количество принятых сообщений за одну секунду, при n абонентах в сети.
Количество принятых сообщений можно найти как:
R(n) = nPпр(n).
Максимальная допустимая вероятность потерь сообщений в системе VDL-4 определена в 2% [5]. Для системы 1090 ES такая вероятность не определена, но для сравнения двух систем ее допустимо также принять равной 2%.
Согласно выражению (1) вероятность потери сообщения VDL-4 определяется как:
,
при наличии k частотных каналов формула принимает вид:
.
Для системы 1090 ES потери выражаются, согласно (2), как:
.
На рис.4 приведены зависимости доли потерянных сообщений для VDL-4 и 1090 ES.
По указанным данным можно определить максимальное количество сообщений, которое способна передавать система АЗН-В при норме потерь не более 2% [4]. Для VDL-4 с одним частотным каналом это 76 сообщений, из которых успешно будет передано только 75. Для двух и четырех частотных каналов эти цифры составляют 150 из 153 и 300 из 306 соответственно. Для системы 1090 ES порог в 2% достигается при 85 переданных и 84 принятых сообщениях.
Пропускная способность систем АЗН-В согласно выражению (3):
VVDL-4, 1 канал = 178 • 75 = 13 350 бит/с,
VVDL-4, 2 канала = 178 • 150 = 26 700 бит/с,
VVDL-4, 4 канала = 178 • 300 = 53 400 бит/с,
1090 ES = 80 • 84 = 6 720 бит/с.
На рис.5 представлена зависимость пропускной способности от количества переданных сообщений.
Полученные результаты сведены в табл.1.
ВЫВОДЫ
В результате проведенного анализа можно сделать ряд выводов. Первый – высокая номинальная агрегатная скорость передачи сигнальных единиц в системе 1090 ES, равная 1 Мбит/с, обеспечивает пропускную способность в два раза ниже, чем в системе VDL-4, при ограничении потерь 2%. Второй вывод – при отсутствии ограничения потерь пропускная способность VDL-4 и пропускная способность 1090 ES сравниваются при 170 абонентах. Если используются два частотных канала VDL-4, пропускная способность VDL-4 и 1090 ES совпадают при 350 абонентах, что сопоставимо с количеством самолетов в загруженном воздушном пространстве, например над Москвой, в часы пик. Третий вывод – системы обладают сопоставимой пропускной способностью. При этом эффективность (отношение реальной скорости передачи к скорости передачи сигнальных символов) системы VDL-4 многократно выше системы 1090 ES.
ЛИТЕРАТУРА
Мирошниченко А.В., Шаврин С.С. Исследование частотно-селективных характеристик авиационных бортовых радиостанций радиотелефонной связи УКВ диапазона // Телекоммуникации и информационные технологии. 2019. Т. 1. С. 28–33.
ИКАО. Документ 9816. Руководство по цифровой линии передачи данных (ЛДП) частотного диапазона VHF / Пер. с англ. Часть 1. – М.: ГосНИИАС, 2004. 245 c.
Григорьев И.Д., Орлов В.Г. Анализ уязвимостей АЗН-В на базе 1090 Extended Squitter // Материалы Международной научно-технической конференции "Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения" INTERMATIC-2016. 2016. С. 171–174.
Степанов С.Н. Основы телетрафика мультисервисных сетей. – М.: Эко-Трендз, 2010. 392 c.
ETSI EN 301 842-1 V1.2.1.
систем автоматическогозависимого наблюдения-вещания
А.Мирошниченко, инженер ГосНИИАС,
И.Татарчук, инженер ГосНИИАС,
Э.Фальков, к.т.н, начальник отделения ГосНИИАС,
С.Шаврин, д.т.н, профессор МТУСИ / sss@mtuci.ru
УДК 621.396, DOI: 10.22184/2070-8963.2020.88.3.24.29
Выполнен анализ пропускной способности систем автоматического зависимого наблюдения-вещания, используемых для передачи данных о местоположении и скорости воздушных судов, а также сведений о погоде и другой служебной информации. Основной критерий эффективности таких систем – количество информации, которое можно передать в системе при заданном трафике воздушных судов.
ВВЕДЕНИЕ
Технология автоматического зависимого наблюдения-вещания (АЗН-В) позволяет обеспечить пилотов и наземный персонал ситуационной осведомленностью о местоположении воздушных судов. Данная технология предполагает, что каждое воздушное судно периодически передает в эфир сообщение со своим идентификатором, координатами, вектором скорости и специальной информацией. Станция диспетчера, а при наличии оборудования и другие воздушные суда принимают этот сигнал и записывают в память бортового компьютера координаты. На дисплее пилота отображается картина местоположения всех воздушных судов в окружающем пространстве, аналогичная представленной на рис.1. В настоящее время в европейском воздушном пространстве используются две системы АЗН-В: 1090 Extended Squitter (1090 ES) и Very High Frequency Data Link mode 4 (VDL mode 4, или сокращенно – VDL-4). Данные системы предназначены для выполнения одной и той же задачи – АЗН-В, и этим их сходство ограничивается. Технические и идейные принципы построения двух систем кардинально различаются.
Один из основных критериев оценки эффективности любой системы связи – количество полезной информации, которое она способна передать в единицу времени на заданной мощности при заданной вероятности потерь, то есть ее пропускная способность. Системы АЗН-В в этом смысле – не исключение, тип передаваемой в них информации одинаковый – координаты и скорость.
Рассмотрим реальную пропускную способность систем связи VDL-4 и 1090 ES и проанализируем ее зависимость от трафика воздушного движения – количества воздушных судов в окружающем воздушном пространстве.
СИСТЕМА АЗН-В VDL MODE 4
Система передачи VDL-4 построена на частотном разделении каналов одновременно с временным разделением сообщений и пространственной селекцией.
Частотный диапазон от 108 до 137 МГц разбит на каналы шириной 25 кГц. Этот частотный диапазон применяется для ведения голосовой радиосвязи между пилотами и диспетчерами [1]. Каналы частотного диапазона от 118 до 137 МГц можно занимать для передачи сигналов АЗН-В.
В стандартном режиме каждый абонент системы VDL-4 обеспечивает передачу данных пакетами с частотой один пакет в рамках односекундных интервалов (фреймов), жестко привязанных к UTC. Каждый пакет передается в заранее зарезервированном временном интервале (называется временным слотом) длительностью 13,33 мс или 1/75 с. Таким образом в течение фрейма (секунды) может передаваться до 75 пакетов в одной пространственной соте на одной частоте. Строго говоря, передача осуществляется с периодом 60 пакетов в минуту; как правило, в разных секундных фреймах передача ведется в разных слотах.
Для увеличения числа абонентов можно использовать другой частотный канал или пространственную селекцию.
Идея пространственной селекции заключается в динамической конфигурации сот по принципу Робин Гуда. Суть его в том, что передатчик может транслировать сигнал в уже занятом слоте, если расстояние до абонентов, занявших слот, в четыре раза больше, чем до приемника, для которого предназначена передача.
На рис.2 представлена структура пакета VDL-4 [2], которая состоит из служебной информации – синхросигнала, открывающего и закрывающего флагов и полезной нагрузки размером 178 бит. Скорость передачи символов равна 19 200 бит/с.
Система VDL-4 способна выделить временной слот для передачи, если занято меньше 75 слотов. В случае, если все 75 слотов заняты, система откажет в обслуживании. Таким образом, функцию вероятности отказа VDL-4 можно определить как:
. (1)
СИСТЕМА АЗН-В 1090 EXTENDED SQUITTER
Система 1090 ES передает пакеты без привязки ко времени и без резервирования по слотам. Не реже двух раз в секунду каждый летательный аппарат отправляет в эфир посылку с сообщением стандарта 1090 ES. В случае коллизии (сообщения от разных источников перекрываются во времени) теряется сообщение меньшей мощности. В системе 1090 ES отсутствует контроль доставки сообщения, поэтому подавленное сообщение теряется.
Таким образом, в 1090 ES, в отличие от системы VDL-4, имеют место потери из-за коллизии сообщений.
Система связи 1090 ES работает на частоте 1,09 ГГц. Битовая скорость передачи составляет 1 Мбит/с, что почти в 50 раз превышает битовую скорость VDL-4. Однако коллизии в критической степени снижают эффективную скорость передачи.
Информация в системе 1090 ES передается посылками длительностью 120 мкс. Структура пакета 1090 ES изображена на рис.3.
Пакет 1090 ES состоит из преамбулы и блока данных [3]. Блок данных содержит 56 или 112 бит информации, состоящих из DF – идентификатора типа сообщения, CA – информации о транспондере, AA – уникального кода ИКАО, PI – контрольной суммы, ME – полезной нагрузки. Таким образом, одна посылка 1090 содержит всего 24 + 56 = 80 бит полезной нагрузки (AA + ME) [3].
Передача пакетов в линии передачи данных 1090 носит неупорядоченный (случайный) характер, что приводит к возможности наложения во времени передачи сообщений разных воздушных судов и их потере.
Сообщения теряются при частичном или полном перекрытии во времени сигналов разных объектов. В оптимистичном варианте – при большой разнице мощности конфликтующих пакетов в точке прие ма – пропадает пакет слабой мощности. В пессимистичном варианте – при близких значениях мощности в точке приема – пропадают оба пакета.
В соответствии с базовыми понятиями теории вероятностей [4] вероятность Pпкр перекрытия двух сообщений при случайном характере их передачи может быть определена как:
,
где Tп = 120 мкс – длительность передачи сообщения, Тср = 1 с – средний период передачи сообщения.
Вероятность успешного приема сообщения Pпр определяется выражением:
Рпр = 1 – Рпкр.
Информация в системе 1090 ES передается в нескольких сообщениях: в одном – координаты, во втором – скорость. Таким образом, для полного обновления вектора состояния летательного аппарата необходим прием всех отправленных сообщений. Вектор состояний содержит информацию о координатах и скорости воздушного судна.
Вероятность успешного приема всех сообщений в группе из n сообщений составляет:
Рm = Рпрn = (1 – Рпкр)n.
Вероятность Pпот потери сообщения в группе из m сообщений составляет:
. (2)
Предельное количество передаваемых и успешно принимаемых пакетов для линии передачи данных 1090 ES составит:
.
Предельное количество объектов в зоне взаимодействия составит:
,
где K = 2 – минимальное количество сообщений для обновления вектора состояния, ⌊⌋ – оператор округления вниз.
АНАЛИЗ ПРОПУСКНОЙ
СПОСОБНОСТИ СИСТЕМ АЗН-В
Пропускную способность системы можно определить как:
V = CR(n), (3)
где С – количество бит полезной информации в сообщении, R(n) – количество принятых сообщений за одну секунду, при n абонентах в сети.
Количество принятых сообщений можно найти как:
R(n) = nPпр(n).
Максимальная допустимая вероятность потерь сообщений в системе VDL-4 определена в 2% [5]. Для системы 1090 ES такая вероятность не определена, но для сравнения двух систем ее допустимо также принять равной 2%.
Согласно выражению (1) вероятность потери сообщения VDL-4 определяется как:
,
при наличии k частотных каналов формула принимает вид:
.
Для системы 1090 ES потери выражаются, согласно (2), как:
.
На рис.4 приведены зависимости доли потерянных сообщений для VDL-4 и 1090 ES.
По указанным данным можно определить максимальное количество сообщений, которое способна передавать система АЗН-В при норме потерь не более 2% [4]. Для VDL-4 с одним частотным каналом это 76 сообщений, из которых успешно будет передано только 75. Для двух и четырех частотных каналов эти цифры составляют 150 из 153 и 300 из 306 соответственно. Для системы 1090 ES порог в 2% достигается при 85 переданных и 84 принятых сообщениях.
Пропускная способность систем АЗН-В согласно выражению (3):
VVDL-4, 1 канал = 178 • 75 = 13 350 бит/с,
VVDL-4, 2 канала = 178 • 150 = 26 700 бит/с,
VVDL-4, 4 канала = 178 • 300 = 53 400 бит/с,
1090 ES = 80 • 84 = 6 720 бит/с.
На рис.5 представлена зависимость пропускной способности от количества переданных сообщений.
Полученные результаты сведены в табл.1.
ВЫВОДЫ
В результате проведенного анализа можно сделать ряд выводов. Первый – высокая номинальная агрегатная скорость передачи сигнальных единиц в системе 1090 ES, равная 1 Мбит/с, обеспечивает пропускную способность в два раза ниже, чем в системе VDL-4, при ограничении потерь 2%. Второй вывод – при отсутствии ограничения потерь пропускная способность VDL-4 и пропускная способность 1090 ES сравниваются при 170 абонентах. Если используются два частотных канала VDL-4, пропускная способность VDL-4 и 1090 ES совпадают при 350 абонентах, что сопоставимо с количеством самолетов в загруженном воздушном пространстве, например над Москвой, в часы пик. Третий вывод – системы обладают сопоставимой пропускной способностью. При этом эффективность (отношение реальной скорости передачи к скорости передачи сигнальных символов) системы VDL-4 многократно выше системы 1090 ES.
ЛИТЕРАТУРА
Мирошниченко А.В., Шаврин С.С. Исследование частотно-селективных характеристик авиационных бортовых радиостанций радиотелефонной связи УКВ диапазона // Телекоммуникации и информационные технологии. 2019. Т. 1. С. 28–33.
ИКАО. Документ 9816. Руководство по цифровой линии передачи данных (ЛДП) частотного диапазона VHF / Пер. с англ. Часть 1. – М.: ГосНИИАС, 2004. 245 c.
Григорьев И.Д., Орлов В.Г. Анализ уязвимостей АЗН-В на базе 1090 Extended Squitter // Материалы Международной научно-технической конференции "Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения" INTERMATIC-2016. 2016. С. 171–174.
Степанов С.Н. Основы телетрафика мультисервисных сетей. – М.: Эко-Трендз, 2010. 392 c.
ETSI EN 301 842-1 V1.2.1.
Отзывы читателей
