Введение к работе
Актуальность проблемы. В последнее десятилетие во всем мире и в России широкое распространение получили системы сухопутной подвижной связи общего пользования, предназначенные для двухсторонней связи мобильных абонентов между собой. Одновременно происходит быстрый рост систем персонального радиовызова (СПРВ), предназначенных, в основном, для односторонней передачи сообщений.
По оценкам экспертов в условиях России и в странах СНГ коэффициент проникновения систем ПРВ на рынок средств и услуг связи составляет 0.5-0.7% в мегаполисах и крупных городах и 0.05-0.1% в регионах. В настоящее время до 0.15% населения РФ пользуется пейджинговой связью, при этом наблюдается и прогнозируется устойчивый рост спроса на услуги, предоставляемые системами ПРВ.
Принципы построения и функционирования, технические требования и порядок эксплуатации систем ПРВ в РФ определен целым рядом международных, государственных правовых и нормативных документов, а также рядом документов, носящих рекомендательный характер, в частности, ."Концепцией развития в России сетей персонального радиовызова общего пользования на федеральном и региональном уровне". Автор использовал эти документы в качестве базовых и нормативных документов при анализе концептуальных вопросов и принятии технических решений, рассмотренных в диссертационной работе.
Быстрый рост систем ПРВ обусловлен s первую очередь тем, что эти системы в достаточной степени отвечают потребностям широких слоев населения в услугах связи при достаточно высоком качестве предоставляемого сервиса и относительно небольшой, по сравнению с альтернативными технологиями, стоимостью этих услуг. Немаловажно, что системы ПРВ могут быть интегрированы в уже сложившуюся инфраструктуру средств связи и устойчиво развиваться при относительно небольших капитальных затратах со стороны компаний-провайдеров, предоставляющих сервис.
В настоящее время в условиях РФ и СНГ на рынке технических средств, предназначенных для построения систем ПРВ, доступно оборудование ведущих зарубежными производителей, в первую очередь, таких как Motorola, Glenayre, Zelron и др. Наряду с ними на рынке базового оборудования и программного обеспечения систем ПРВ успешно действуют отечественные компании -"Комплексные системы связи", "ПейджНет", "Экософт", "Пейдж-Линк Технология", "Информационная Индустрия". "Нькжом" и ряд других. Конкурентоспособность их продукции обусловлена тем, что она в большей мере отвечает потребностям отечественных компаний-провайдеров, так как учитывает специфику местного потребительского рынка. Технические решения отечественных производителей в наибольшей мере адаптированы к реально существующей инфраструктуре систем связи и принятым стандартам. В частности, отечественные разработки учитывают реальную ситуацию с имеющимися в распоряжении провайдеров вспомогательных (транспортных) каналов связи. Как правило, в качестве транспортных каналов для доставки сообщений на удаленные передатчики в распределенных системах используются выделенные некоммутируемые низкоскоростные каналы с нормированными АЧХ (физические пары или каналы ТЧ). При наличии у оператора лицензии на использование дополнительного радиоканапа возможно управление по радиолинку. При небольшом числе абонентов в системе (не более 5 тыс. при использовании протокола POCSAG) наиболее эффективными представляются системы ПРВ на основе системы повторителей-репитеров. Такие системы
полностью автономны и не требует "дефицитных" в условиях РФ дополнительных каналов.
По оценкам, приводимых в специальных периодических изданиях, удельная стоимость инфраструктуры (стоимость базового оборудования и каналов связи, отнесенная к 1 км обслуживаемой территории) системы ПРВ, построенной на основе оборудования отечественных производителей, может быть значительно ниже по сравнению с аналогичной системой на базе импортного оборудования при фиксированном качестве предоставляемых услуг (рисі). Такой экономический эффект достигается прежде всего, благодаря выбору оптимальных инженерных решений.
Таким образом, в условиях существующей рыночной ситуации задача разработки конкурентноспособных технических средств и поиск оптимальных инженерных решений для построения системы персонального радиовызова, представляются актуальными. С учетом прогнозов развития сетей ПРВ на ближайшие годы, наиболее перспективны разработки в области базового оборудования, которое включает устройства управления передатчиками, устройства формирования протоколов (пейджинговые терминалы), возбудители передатчиков и средства контроля
Стоимость инфраструктуры на 1 кв. км городской системи
Zetron KCC
Кші>і>іес(ію(і«іі>зс4иі(лхм(оі)су)С*ой системы
Рис. 1. Оценка удельной стоимости инфраструктура СПРВ. построенных с использование** оборудования различных производипіеіюй
Большинство стандартов передачи данных в системах ПРВ ориентировано на использование хорошо отработанной техники с использованием узкополосной частотной модуляции (ЧМ) в диапазоне УКВ. В то же время при практической реализации систем ПРВ даже в рамках существующих стандартов у разработчика остается шибкий выбор технических решений, влияющих на качество и конкурентоспособность системы в целом.
Теоретические вопросы, связанные с обработкой ситалов в узкополосных
системах с ЧМ, в настоящее время хорошо изучены и проработаны. Результаты
теоретических работ дают возможность оценить предельно достижимые на
практике параметры систем, предложить и обосновать оптимальные методы
обработки сигналов. В тоже время достаточно актуальной задачей
представляете приложение этих результатов на практике для оценкм типовых технических решений з области СПРВ. В настоящее время практически отсутствуют теоретические работы, связанные с анализом функционирования таких систем. Отдельные теоретические и технические проблемы рассматриваются в системной документации крупнейших производителей пейджингового обе. /дс зния, но как правило, производители часто
ограничиваются качественным рассмотрением и дают рекомендации, в ряде случаев необоснованные и противоречивые. Из вышеизложенного следует, что инженерная задача проектирования технических средств систем передачи данных сопряжена с актуальной задачей теоретического анализа качества используемых технических решений.
Цель и основные задачи диссертационной работы. Данная работа рассматривалась автором в контексте глобальной цели - разработки конкурентноспособных решений в обпасти систем персонального радиовызова, в полной мере отвечающим потребностям отечественного рынка. Для достижения этой цели необходимо также решить ряд проблем, которые помимо чисто теоретического исследования и задачи инженерного проектирования включают проведение маркетинга, организацию производства, осуществление продаж и дальнейшее сопровождение систем.
Основные цели настоящей работы - выбор оптимальных технических решений, их теоретическое обоснование, разработка аппаратных средств и встроенного программного обеспечения базового оборудования систем ПРВ и реализация их в виде законченных продуктов, полностью пригодных для продвижения на рынок. Автор выделяет в работе следующие фазы и основные задачи :
Анализ существующей типовых архитектурных решений о области систем
ПРВ.
Основная цель - выделить наиболее важные и перспективные стандарты различных уровней, используемых в системах ПРВ и проанализировать существующие архитектурные решения в рамках выделенных стандартов: На данном этапе формулируются базовые требования, которым должна отвечать перспективная (с точки зрения отечественного рынка) система ПРВ.
Проведение теоретического анализа с целью определения предельно
достижимых параметров систем ПРВ с учетом выбранных стандартов.
В данной работе исследуется особенности приема цифровых сообщений применительно к случаю распределенной сети неидеально синхронизированных передатчиков и заданной модели распространения в виде радиоканала с релеевским затуханием при кзазиоптимальной обработке сигналов в приемнике. Дополнительно исследуется влияние вспомогательных (транспортных) каналов связи, предназначенных для доставки сообщений на удаленные пеоедатчики, на качество приема сообщений, которое оценивается как частота возникновении ошибок при приеме.
Проведение математического мс Мелирования и получение
экспериментальных данных с целью уточнения полученных теоретических
результатов.
Ставиться задача разработки и верификации математической модели сквозного тракта, учитывающей особенности распространения сигналов и квазиоптимальные методы обработки сигналов, используемые при приеме сипіалов в реальных приемниках (пэйджерах). Данная модель используется н качестве основного инструмента для оценки качества выбираемых в дальнейшей инженерных решений.
'.>
Инженерное проектирование системы.
Включает разработку архитектуры системы, а также выбор элементной базы, выбор конструктивного исполнения, разработку принципиальных схем и топологии печатных плат. Значительные трудозатраты связаны с разработкой встроенного программного обеспечения. Разработке программного обеспечения предшествует выбор, обоснование и моделирование алгоритмов обработки сигналов и оптимальных методов формирования сообщений в соответствии с реализованными протоколами радиоканала.
Успешное продвижение продукции на рынок невозможно без предварительного всестороннего тестирования и сертификации разработанных продуктов. Данные задачи должны решаться с привлечением заинтересованных компаний-потребителей и государственных организаций. Реализация некоторых протоколов требует заключения лицензионных соглашений.
Автор считает, что своей работой он способствовал решению всего комплекса вышеперечисленных задач и в итоге - достижению поставленной глобальной цели.
Методы исследования и средства разработки. При теоретическом анализе использовались методы статистической радиотехники, в частности, теория оптимального приема. Были применены методы расчета динамических систем с фазовой автоподстройкой (ФАП). Радиоканал связи с релеевским затуханием построен на основе многолучевой модели распространения радиоволн. В работе использовались элементы теории оценивания и теории кодов, исправляющих ошибки. В работе также использовались методы теории конечных автоматов и теории массового обслуживания. Использовались прикладные методы проектирования операционных систем реального времени.
Теоретические выводы работы соотносились с результатами математического моделирования. В качестве инструментальных средств при моделировании использовались пакеты MATLAB и пакет MATHCAD совместно с интегрированной средой CONEX. Для решения сложных расчетных задач, требующих большого объема вычислений, использовались внешние программные модули, разработанные в интегрированной среде WATCOM-C++. Ряд экспериментальных данных был получен с использованием дополнительного радиоизмерительного оборудования (измерительного приемника и анализатора протокола). Обработка проводилась на персональном компьютере с помощью стандартных пакетов обработки сигналов (EDS, SPECTRALAB, HYPERSIGNAL, MATHCAD и MATLAB).
Разработка встроенного программного обеспечения, ориентированного на многозадачну" обработку, осуществлялась средствами пакета GNU-C на базе разработанной автором встроенной операционной системы реального времени. Разработка проводилась в среде UNIX, причем особое внимание уделялось переносимости разрабатываемого программного обеспечения. Выбор аппаратной платформы задавался как опция компиляции. Такой подход позволил использовать богатый арсенал стандартных средств отладки и гарантировать высокую надежность разработанного программного обеспечения.
Разрабо 'иные технические средства построены на базе единой аппаратной платформы на основе высокопроизводительного 32-разрядного RISC-микроконтроллера HITACHI-SH. Модули платформы ориентированы нз стандарт VME и имеют встроенные средства отладки, совместимые со средствами UNIX (отладчик GDB). Разработка схемотехники И топологии печатных плат
пронэоодипась с использованием САПР ORCAD и PCAD. Разработка схемотехники программируемых БИС - с помощью пакетов PAI.ASM и MAX-PLUS.
При выполнении работы автор придерживался методики управления проектами и управления качеством, рекомендованной мокдународноіі Ассоциацией Управления Проектами (РМІ), изложенной a Pioject Management Body of Knowledge jPMBOK1" Guide). Использовался пакет MS-PROJECT.
Научная нопична и практический значимость рзбон.і состоит п следующем:
Получены теоретические и практические оценки качества npucvn сообщений
о системах с режимом одновременного (синхронного) вещанип.
Особенность длимого режима состоит в том, что на вход приемника одновременно поступают сигналы от нескольких передатчихоо системы, причем ссе передатчики передают одинаковые сообщения, но несущие частоты передатчиков несколько различаются п пределах отведенного для вещания частотного канала. Такой режим часто используется на практике для расширения зоны охвата крупных систем с большим количеством сбомипоэ без снижения пропускной способности.
Показано, что п распределенной системе частота возникновения ошибок при приеме зависит от разноса частот отдельных передэтчикоп и соотношенса мощностей сигналов в точке приема, причем вероятность ошибок макет быть уменьшена га сюг оазимной оргогонализзции сигналов перодатчикоп, яи5о за счет применение дополнительной псевдошумовой фазопой модуляции.
Получены оценки зависимости частоты ошибок от несинхронности формировании сигналов модуляции в системо, что позволяет в полной мере учесть влияние вспомогательных (транспортных) каналов, используемых для доставки сообщений на базовые станции.
Построена а обсс;юв:л/а математическая г.юдспь сквозного тр-агта с учетом принятого закона распространения радиосигналов (рспостский радиоканал) и особенностей рт-пизации юазиоптишлыюйпосподстехпюрнаи обр;Ло;п;ш сигнала о присчіико на основе схопи ШОУ (Широкая полоса Оарапичн';:::/!!,-Узкая полоса). ,
Эта модель позволяет числено рассчитать пространственную корінну распределения с-шибг.:; при приеме при заданных параметрах систем!.< (расположение леред'пчнков, их выходных мощности и разнос несущ.!* ч icroi) и оценить влияние различных факторов и технических роніенил на ф/нкцнг'.'.»роьание с/стеглл ПРВ.
Предложен копичественииО интагрстыпм критерий дел оценки .качос.-і,-;;»
сис.тсны передачи динних с учетом проагранстеенной хартией
распроденотя е передатчиков
Динний кригс-piv.' ^.попь-евапся на практике дп;( o;n^v,i^4n:< >.і--;-';іг.'.'і <:;.ч:::и за счет г.ы'Зсрз ртзнсеа частот и мощ.чостей отп<;льи!.;/ г:"їі:л^г':;- -оа »*,
что в принципе эквивалентно снижению удельной стоимости базового оборудования, отнесенной к 1 км2 зоны обслуживания.
Предложен и реализован оригинальный метод генерации временных диаграмм
распространенных пейджингових протоколов на основе динамической
генерации промежуточного исполняемого кода. Предложена также
архитектура виртуального процессора для интерпретации исполняемого
кода.
Применение данного метода позволяет принципиально решить задачу синхронизации и роуминга в многозоновых системах ПРВ, а также строить гибкие аппаратно-независимые реализации для пейджингового терминала и контроллеров базовых станций.
Разработаны и реализованы эффективные методы упаковки сообщений
пейджинговой системе на основе применения методов и моделей теории
массового обслуживания.
Применение разработанных на практике методов пакегирования позволяет эффективно увеличить (выигрыш в отдельных случаях достигает 5-7%) пропускную способность радиоканала в рамках выбранного протокола(ов)
Реализация результатов работы. На основании полученных а диссертации теоретических результатов автором был разработан пакет программ для расчета и планирования систем ПРВ с режимом одновременного многозонового вещания. Пакет позволяет оценить пространственную картину распределения ошибок при приеме при заданном расположении передатчиков и выбрать оптимальные значения выходи ;х мощностей и разносов частот отдельных передатчиков в соответствии с предложенным автором интегральным параметром качества. Данный пакет использовался компанией ООО "Комплексные системы связи" для расчета и оптимизации нескольких крупных систем ПРВ, эксплуатируемых в г. Москве и обла^, а также других городах РФ и ближнего зарубежья (Самара, Севастополь).
Большинство практических результатов были получены автором при разработке ряда серийных коммерческих продуктов.
Совместно с АО "Торус-Вингз" по лицензии компании Texas Instruments в 1996 году автором были разработаны аппаратные средства, алгоритмы обработки сигналов и встроенное программное обеспечение противоугонной системы АС-1. Система АС-1 использует принцип двухстороннего лейджинга и поддерживает информацией-'ый канал для передачи данных об угоняемом автомобиле, а также канал управления для передачи команды блокировки двигательной системы. Идентификация пользователя осуществляется с использованием технологии TIKIS, разработанной Texas Instruments на базе безбатарейних индуктивных транспондеров. Система построена на базе 8-разрядного микроконтроллера, содержит набор модулей, объединенных локальной сетью. Объем исполняемого кода, разработанного на языке Ассемблера, составляет около 8 Кбайт. Система АС-1 выпуске эсь серийно в 1995-1997 годах. Принцип построения системы защищен арторским свидетельством №96113163/3731, причем диссертант является одним из соавторов (совместно с сотрудниками АО Бреером ВВ. и Радецким ДР.). Внедрение АС-1 в АО Торус-Вингз" подтверждено документально.
Совместно с компанией ООО "Комплексные системы Связи" автор в 1936-98 годах принимал учас ie г азработке базового оборудования для систем ПРВ, что
отражено в соответствующих актах о внедрении. Личный вклад автора выразился в разработке аппаратных средств, встроенного программного обеспечения, конструкторской и пользовательской документации. В частности, автором были разработаны :
* контроллер базовой станции ОР-66,
мультисистемный пейджинговый терминал OP-FLEX.
Техническая документация на устройства доступна на Интернет-сервере . Контроллер базовой станции построен на базе 8-разрядного микроконтроллера и предназначен для управления передатчиками пейджинговой системы с поддержкой режима синхронного {одновременного) вещания и поддерживает голосовой (voice) протокол и протокол POCSAG. Конструктивно контроллер разработан в стандарте VME (полноразмерная плата 220x233 мм). Объем исходных текстов на языке ассемблера и С составляет около 7.5 тыс. строк.
В настоящее время десятки базовых станций ОР-66 находятся в коммерческой эксплуатации у различных компаний-операторов, включая крупнейших московских и региональных провайдеров. Ряд компаний подтвердили факт использования результатов диссертационной работы документально в виде актов о внедрении.
Мультисистемный пейджинговый терминал OpenPage-FLEX с поддержкой смешанного протокола POCSAG-FLEX производиться с 1997 года ООО "Комплексные системы связи " по лицензионному соглашению с компанией Motorola. Автором были разработаны аппаратные средства терминала на базе высокопроизводительного 32-разрядного микроконтроллера Hitachi - SH в конструктиве VME (размер многослойной печатной платы 220x233 мм). Общий объем исходных текстов прикладного программного обеспечения и встроенной операционной системы реального времени, разработанных автором диссертации, составляет 17.5 тыс. при общем объеме 22.5 тыс. строк. Авторские права на разработанное совместно с Хзпочкиным Ю.В. (сотрудником "КСС") программное обеспечение защищены свидетельством о официальной регистрации №980469 Российского агентства по правовой охране программ (РосАПО).
Устройства OpenPage-FLEX с 1997 г. успешно эксплуатируются рядом отечественных и зарубежных компаний-операторов, что также подтверждено документально.
Апробация работы. Основные теоретические результаты работы были представлены на ряде научных семинаров кафедры прикладной радиофизики и радиотехники МФТИ, научно-практических семинарах в НИИ "Купон", на Берговской конференции МФТИ (апрель 1996 г.), на XL Научной Конференции МФТИ (октябрь
1997 г.).
Автором подготовлен и прочитан раздел учебного курса по пейджинговым системам в рамках международной конференции "Мобильные системы-98" (март
1998 г.).
Разработки автора были представлены на международной выставке "Связь-Экспо" (з 1996-93 гг.) и на десятках других специализированных пыставок в РФ и ближнем зарубежье.
Публикации. Основные результаты диссертации изложены автором в 11 печатных работах и других изданиях, приравнянных к печатным работам, опубликованных в 1996-98 гг.
Структура и обтаем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы -125 страниц. Список литературы содержит 92 наименования отечественной и зарубежной литературы.
