6.5.2. Организация цифровых потоков между цифровыми сетями
стационарных и подвижных объектов
Возможность реализации ЦРЛ стала предметом серии экспериментов, организованных МИИТом (с привлечением специалистов НИИ Радиофизики и НПО «Исток») и проведенных независимо на двух полигонах, в качестве которых были выбраны два участка Октябрьской железной дороги.
Необходимость проведения экспериментальных исследований, как первого этапа работ по созданию аппаратуры ЦРЛ, обусловлена отсутствием достоверных данных о характере распространения радиоволн СВЧ и КВЧ диапазонов в условиях железнодорожной магистрали, насыщенной искусственными сооружениями, металлическими конструкциями, элементами контактной сети, поглощающими и переизлучающими электромагнитную энергию.
В НИИ Радиофизики был сделан ориентировочный расчет энергетики ЦРЛ, при котором принимались следующие допущения: учитывалась лишь кривизна земной поверхности, предполагался оптимальный некогерентный прием и нулевая корреляция между сигналами, эквивалентными 0 и 1. При исходном значении коэффициента ошибок 0,000001 это соответствует отношению сигнал/шум, равному 14 дБ (принято исходным). Предполагалось, что помеха аддитивная гауссовая, ширина главного лепестка диаграммы направленности примерно 6°. Сравнивались диапазоны коротких сантиметровых СМВ (3 см) и длинных миллиметровых ММВ (8 мм) волн.
Для расстояния прямой видимости (около 17 км) получены следующие промежуточные результаты (в скобках указаны значения для диапазона ММВ): поперечный размер апертуры антенны 0,3 м (0,08 м); коэффициент полезного действия антенны 0,4 (0,1); коэффициент усиления антенны 240 (60); удельное поглощение электромагнитной энергии в гидрометеорах при интенсивности дождя 6 мм/ч 0,2 дБ/км (1,8 дБ/км); ослабление по всей трассе при сплошном дожде 3,4 дБ (30,6 дБ); затухание (в тумане) при видимости 80 м 3,4 дБ (25,5 дБ); дополнительные потери в радиолинии, связанные с неоптимальностью приема 9 дБ (3дБ); требуемая мощность передатчика при скорости передачи 2 Мбит/с и шумовой температуре 500 К (1000 К) 3,4·10-6 (0,3) Вт.
При ориентировочном расчете остались неучтенными такие факторы, как уровень помех от внешних источников (силового оборудования подвижного состава, устройств автоматики и телемеханики и т. п.), затухание, связанное с интерференцией волн в результате многолучевого распространения. Было принято, что влияние неучтенных факторов эквивалентно внесению дополнительного затухания, равного 30 дБ. Кроме того, введен дополнительный энергетический запас (до 10 дБ) для обеспечения устойчивой связи на криволинейных участках, требующих расширения диаграммы направленности антенн. В результате для трассы длиной 17 км требуемая мощность передатчика составила 0,2 2 Вт (для диапазона СМВ) и 3 кВт и более (для диапазона ММВ). Последнее значение неприемлемо по экологическим показателям.
В эксперименте, проводимом в НИИ Радиофизики, использовали мобильное передающее устройство и стационарное приемное устройство (рабочая частота 11 ГГц, девиация частотно-манипулированного сигнала до 1 МГц, антенна прямоугольный рупор с коэффициентом усиления 15 дБ). Приемно-регистрирующий комплекс осуществлял прием сигнала рабочей частоты, демодуляцию, символьную синхронизацию и посимвольный прием двоичной информации, анализ ошибок при приеме символов и измерение уровня сигнала. Комплексная индикация и регистрация результатов проводились ЭВМ, сопряженной с модемом.
Эксперимент ставился в три этапа: лабораторные исследования в экранированной, безэховой камере; натурные эксперименты в непосредственной близости от железнодорожных путей при неподвижных передающем и приемном устройствах и перемещающихся местных предметах поездах; натурные исследования в движении при размещении передающего устройства на подвижном составе.
Анализ нескольких тысяч результатов измерений в целом подтвердил правильность заложенных в предварительный расчет ЦРЛ исходных данных. Не обнаружено влияния активных помех на качество приема, что свидетельствует о возможности применения в ЦРЛ приемных устройств с низкой шумовой температурой (500 1000 К). На прямых участках железнодорожной трассы не обнаружено существенных отклонений среднего значения уровня принимаемого сигнала от расчетных (полученных для распространения в свободном пространстве), т. е. экранирующее влияние металлических конструкций и контактных проводов незначительно. Амплитуда периодических замираний сигнала при движении одного из концов ЦРЛ, вызванных переотражениями от местных предметов, не превышает 30 дБ. Уровень коэффициента ошибок р соответствует расчетному (рис. 6.6). Через l обозначена дальность связи.
Рис. 6.6. Зависимость уровня коэффициента ошибок р от дальности связи
Уточнены некоторые исходные данные для разработки ЦРЛ: максимальная дальность действия при интенсивности дождя 6 мм/ч составила 17 25 км; скорость передачи информации 2048 кбит/с; коэффициент ошибок 0,000001; динамический диапазон сигнала на входе приемника не более 80 дБ; минимальный период колебаний уровня входного сигнала 0,02 с; амплитуда колебаний не более 30 дБ; мощность передатчика 2 Вт. Использование диапазона ММВ нецелесообразно из-за его сильного поглощения в гидрометеорах, что приводит к необходимости увеличения мощности передатчика либо уменьшения расстояния между НПП.
В экспериментах, проводимых НПО «Исток», в качестве СЦРС и МЦРС применяли аппаратуру цифровых радиорелейных станций типа «Радан-МС» (диапазон 11 ГГц, излучаемая мощность 100 мВт, коэффициент шума 8,5 дБ, отношение излучаемой мощности к пороговой чувствительности приемника 105 дБ при коэффициенте ошибок не хуже 0,001). В качестве антенны МЦРС использовали рупор с раскрывом 150 120 мм и длиной 215 мм (коэффициент усиления 20,5 дБ при ширине главного луча 17° по уровню 3 дБ). В качестве антенны СЦРС применяли параболоид вращения диаметром 750 мм (коэффициент усиления 35,5 дБ при ширине главного луча 2° 15' по уровню 3 дБ). В шлейфе, образованном двумя направлениями ЦРЛ (НПВ ПС НПВ), использовался измеритель коэффициента ошибок, включающий в себя генератор псевдослучайных последовательностей, основанный на принципе перебора 16-разрядных двоичных чисел с периодом повторения последовательности, равным 32767 тактовым интервалам.
На основании проведенных исследований сделан вывод о возможности функционирования ЦРЛ, обеспечивающей ПЦК с требуемым значением коэффициента ошибок и работающей в диапазоне 11 ГГц при дальности уверенной радиосвязи не менее 10 км. Энергетический потенциал приемопередатчиков ЦРС (отношение мощности излучения к пороговой чувствительности приемника) должен быть 110 дБ, излучаемая мощность 100 мВт, параметры антенн соответствовать приведенным выше значениям.
Установка антенн СЦРС целесообразна на высоте 3 5 м от уровня железнодорожного полотна при смещении антенны относительно пути на 2 4 м. Место размещения и конструкция опор контактной сети должны сводить к минимуму вторичное переизлучение мощности передатчика МЦРС в сторону СЦРС, что может быть обеспечено выбором формы и материала опор с учетом формы диаграммы направленности антенн МЦРС. Это положение еще раз свидетельствует о необходимости комплексного подхода к проектированию скоростной магистрали, всех ее сооружений.
Можно сделать вывод о том, что проведенные исследования показали возможность использования ЦРЛ диапазона СВЧ в структуре предлагаемой ЦСИО скоростной магистрали. Следует добавить, что исследования были проведены независимо друг от друга специалистами НИИ Радиофизики и НПО «Исток» на двух участках Октябрьской железной дороги с использованием различных методик и типов аппаратуры ЦРС и контрольно-измерительного комплекса, но при одинаковых исходных требованиях к ЦРЛ, сформулированных в МИИТе.
Поскольку в реализации цифровой радиолинии с поездом большое значение имеет обеспечение «безобрывного переключения» потоков, рассмотрим более подробно один из возможных его вариантов.
Все первичные тракты, вводимые в коммутационные станции узлов связи ГАЦУ, СУ, аппаратуру выделения каналов и технологическое оборудование НПП работают на одной тактовой частоте, определяемой задающим генератором аппаратуры синхронизации ГАЦУ. В сети используется принудительный режим синхронизации. Аппаратура промежуточных узлов связи и НПП строится с учетом возможности перехода в независимый режим синхронизации (от собственного генератора) в аварийных ситуациях. В штатном режиме сети местные генераторы работают в режиме подстройки от внешнего источника тактовой частоты. Сопряжение отдельных независимо работающих участков сети осуществляется в плезиохронном режиме. При следовании поезда от одного НПП к другому должно происходить переключение радиолиний НПП, имеющих худшее качество радиосигнала, на радиолинию НПП с лучшим качеством.
Структурная схема оборудования связи с поездом в НПВ приведена на рис. 6.7. В состав такого оборудования входят: аппаратура АВ-34/2 выделения ПЦК со скоростью передачи 2,048 Мбит/с из линейного тракта со скоростью 34 Мбит/с; комплект переключения потоков КПП, цифровая радиостанция ЦРС, комплект выделения и транзита каналов сигнализации, управления и взаимодействия КВТК-СУВ, блок управления БУ выбором номера ПЦК; комплект выделения и транзита каналов КВТК с двумя комплектами каналообразующего оборудования СК-30; устройство управления структурой ПЦК, включающего в себя компаратор уровня КУ, триггер Г и логический элемент И; оборудование технологической связи ОТС для переговоров обслуживающего персонала с НПВ во время проведения ремонтно-профилактических работ.
Под воздействием сигналов управления, поступающих от БУ, КПП должен обеспечивать переключение входа-выхода интерфейсом С-2048 к соответствующему выделяемому ПЦК из аппаратуры АВ-34/2. Номер выделяемого ПЦК должен соответствовать номеру поезда, за которым этот ПЦК закреплен.
При переключении радиолинии на данный НПП структура выделяемого ПЦК должна изменяться из режима транзита в режим выделения-ввода ПЦК в линейный тракт третичной ЦСП. Такое переключение проводится в аппаратуре АВ-34/2 (рис. 6.7). Все интерфейсы информационных и управляющих цепей выполнены на логических уровнях ТТЛ.
При подходе поезда к НПП и появлении устойчивого радиосигнала между ЦРС на НПП и на борту устанавливаются последовательно тактовая, цикловая и сверхцикловая синхронизации. После завершений последней по сигнальному каналу в 16-м канальном интервале (КИ16) через аппаратуру КВТК-СУВ с поезда передается его номер, который записывается в БУ. Там же вырабатывается управляющий сигнал на переключение входа ПЦК к соответствующему выделяемому ПЦК. При этом фаза цифрового потока ЦРС подстраивается под фазу потока, выделяемого из линейного тракта (поток линейного тракта ведущий).
НПВ
Рис. 6.7. Структурная схема оборудования связи с поездом в НПВ
Структура выделяемого ПЦК при установлении синхронизации и фазировании потоков должна соответствовать режиму транзита (рис. 6.8, а транзит с двусторонним выводом сигналов, рис. 6.8, б двусторонний вывод и односторонний ввод).
Момент переключения ПЦК из режима транзита в режим выделения определяется компаратором уровня КУ, на входы которого по интерфейсу С-64 поступают коды, соответствующие уровню принимаемого радиосигнала в i-м и (i 1)-м НПП.
а)
А)
б)
Б)
Рис. 6.8. Режимы транзита: а транзит с двусторонним выводом сигналов; б двусторонний вывод и односторонний ввод
Код уровня радиосигнала в НПП поступает непосредственно от ЦРС, а от ЦРС в НППi-1 по выделенному каналу через интерфейс С-64 в аппаратуре СК-30 направления В ДКВТК. При этом код уровня радиосигнала НПП передается в НППi+1 через аппаратуру СК-30 направления С-А КВТК. Момент переключения структуры ПЦК выбирается как конъюнкция пяти сигналов.
Момент переключения выбирается в сверхцикле на свободных временных позициях для исключения потери информации и сбоя синхронизации. Таким образом осуществляется «безобрывное переключение».