Особенности построения связи в серии Lonta

В последнее время радиоканальные системы все чаще используются в целях обеспечения безопасности территориально распределенных объектов.

Полноценной альтернативы радиоканальному мониторингу удаленных объектов нет как по цене, так и по скорости развертывания и надежности. При использовании других каналов передачи данных (GSM, GPRS, TCP/IP, телефонные) существует зависимость от организаций-посредников (операторы сотовой связи, телефонные компании, Интернет-провайдеры), которые не несут ответственность за безопасность объекта.

При выборе типа радиоканала возникает вопрос, какие частоты использовать - выделенные или открытые. Главное преимущество выделенных частот -высокая дальность связи, которая достигается благодаря использованию больших мощностей передатчика. В то же время необходимость получения разрешительных документов от Россвязь-надзора на применение радиооборудования в выделенном диапазоне может свести на нет все плюсы его работы. По этой причине компания «Альтоника», выпуская продукцию и в лицензируемом диапазоне, в основном использует для построения систем мониторинга радиоканал на нелицензированных частотах, благодаря чему оборудование можно начать использовать сразу после приобретения.

Многие компании в свое время уже предпринимали попытки применения открытых радиочастот для передачи сигналов на большие расстояния, но жесткое ограничение по мощности передаваемого сигнала не позволяет достигнуть большой дальности. В настоящий момент увеличение дальности передачи в основном достигается путем многократной ретрансляции сигналов, и с этой целью обычно используются специально установленные ретрансляторы или каждое устройство может служить ретранслятором (построение по принципу соты). Их использование ведет к более сложной архитектуре передачи сигнала, а следовательно, к снижению надежности и значительному удорожанию системы в целом. Выход одного из ретрансляторов из строя обычно приводит к потере всех объектов, находящихся после него (рис. 1). Следовательно, если система может обходиться без ретрансляции -это дополнительный плюс.

Основные принципы радиосвязи давно изучены, и добиться сверхъестественных результатов невозможно, но если применить уникальный подход к построению радиоканала и максимально оптимизировать все физические процессы, то можно получить выдающиеся характеристики по дальности и помехоустойчивости.

Итак, какие есть возможности по увеличению дальности действия, если учесть, что мощность, излучаемая передатчиком, не превышает допустимый уровень в 10 мВт для диапазона 433,92 МГц?

Уровень сигнала по мере удаления от передатчика будет падать пропорционально квадрату расстояния. Можно попробовать увеличить чувствительность приемного тракта и тем самым компенсировать падение уровня принимаемого сигнала. Так поступают при создании дальней космической связи. Особенность использования открытой частоты заключается в большом количестве устройств, использующих этот частотный диапазон, а соответственно, высок уровень помех от этих устройств. Значительное увеличение чувствительности приемника не позволит выделить полезный сигнал на уровне помех. В результате, основным фактором, влияющим на дальность приема сигнала, является соотношение полезного сигнала к шумам на входе приемного тракта. При этом полезный сигнал с увеличением дальности будет падать пропорционально квадрату расстояния, а уровень шумов не зависит от расстояния между приемником и передатчиком.

В классическом способе передачи сигнала стандартная ширина используемой полосы в приемнике составляет 15 кГц, а с учетом разброса параметров -все 25 кГц. Если сузить ширину приемного тракта, например, до 50 Гц, то суммарное количество шумов уменьшится пропорционально изменению ширины приемного тракта, при этом уровень полезного сигнала не изменится при условии, что полосу полезного сигнала также сузили до 50 Гц. В результате соотношение сигнал/шум значительно возрастет по сравнению с приемом сигналов в стандартной полосе (рис. 2).

Технически создать узкополосный приемник со стабильными параметрами на современной электронной базе непросто. В этом случае на выручку приходят методы цифровой фильтрации сигналов на основе современных DSP-процессоров. Из стандартной полосы частот 25 кГц с помощью высокоскоростного DSP-процессора формируют 512 сверх-узкополосных каналов по 50 Гц каждый. Передача данных в такой узкой полосе частот при мощности 10 мВт аналогична передаче в широкой полосе с мощностью порядка 3 Вт, если считать, что обычный канал имеет полосу порядка 15 кГц (рис. 3).

Однако использование узкой полосы имеет один недостаток - невысокую скорость передачи информации, которая пропорциональна ширине полосы пропускания радиоканала. Для задач передачи тревожных сообщений от охранных и пожарных сигнализаций большой скорости передачи не требуется, так как объем передаваемой информации небольшой. Проблема заключается в том, что в классической схеме один приемник может принять сигнал только от одного передатчика, а для получения сигналов от большого количества передатчиков приходится значительно сокращать время, чтобы исключить вероятность одновременного выхода нескольких передатчиков. При выходе на связь двух и более передатчиков в одном поддиапазоне может произойти потеря сигнала. В результате в классических системах стараются сократить время передачи сигнала, увеличивая скорость, тем самым снижая вероятность одновременного выхода нескольких устройств в одностороннем канале. Сокращение времени передачи сигнала приводит к необходимости увеличения скорости передачи. В двухсторонней системе передачи тоже приходится увеличивать скорость передачи, чтобы успеть опросить все устройства. Все это ведет к расширению спектра передаваемого сигнала и, соответственно, к снижению дальности при фиксированной мощности передатчиков.

У системы Lonta есть одно принципиальное отличие от классической схемы передачи: один приемник принимает сигнал по всем 512 каналам одновременно. В данной системе реализован одновременный (параллельный) прием сигнала от большого количества передатчиков. Приемник в системе Lonta одновременно принимает сигнал от большого количества передатчиков, поэтому необходимость в высоких скоростях передачи отпадает, при этом выход на связь нескольких передатчиков не приводит к потере информации (рис. 4). Для исключения подавления сигнала постоянными помехами передатчик меняет канал связи по индивидуальному для каждого передатчика закону, тем самым достигается высокая степень помехозащищенности радиосвязи. Данный принцип передачи называется «Hopping» (от англ. «прыгающий»). Для повышения помехозащищенности в серии Lonta-202 передача и прием сигналов одновременно осуществляется в двух поддиапазонах частот, что существенно снижает вероятность потери сигналов при наличии мощной помехи в одном из поддиапазонов. Это позволяет в условиях реальных помех достигнуть рекордной дальности 50 км при малой мощности передатчика - 10 мВт. В более бюджетной серии Lonta OPTIMA передача данных осуществляется только в одном поддиапазоне, однако дальность передачи сигнала составляет до 20 км.

ПОДВЕДЕМ ИТОГИ

• В каждой конкретной системе RS-202 базовая станция и передатчики работают на определенном наборе частот в пределах разрешенной полосы 433,92 МГц. Этот набор частот называется «частотная литера». Всего в разрешенной полосе частот можно при необходимости разместить до 36 неперекрывающихся литер.
• Каждая литера состоит из 1024 рабочих частот, каналов связи. Ширина каждого канала мала и составляет около 50 Гц, что примерно в 300 раз меньше, чем полоса типичного современного передатчика. Вследствие этого мощность шумов и помех, приходящаяся на полосу канала связи в системе RS-202, тоже в 300 раз меньше, чем в классической системе, что позволяет соответственно увеличить отношение сигнал/шум и помехоустойчивость при приеме.
• Каналы каждой литеры разделены на две разнесенные по диапазону подгруппы по 512 каналов в каждой. Каждый передатчик выходит в эфир в обеих подгруппах. Разделение на две подгруппы позволяет дополнительно увеличить защищенность от реальных помех, которые, как правило, воздействуют лишь на часть диапазона.
• Особенность системы заключается в том, что приемник принимает и анализирует сигналы по всем частотным каналам литеры одновременно, а передатчик постоянно меняет канал связи по определенному индивидуальному закону, что позволяет увеличить помехозащищенность радиосвязи и исключить влияние шумов при одновременном приеме информации от большого количества передатчиков. Благодаря этому возможно использовать в одной литере до 600 передатчиков RS-202.
• Следующий фактор увеличения дальности и надежности связи - это применение эффективного помехоустойчивого кодирования при относительно низкой скорости передачи данных с высокой избыточностью.
• Каждый передатчик раз в минуту передает контрольные сигналы, что обеспечивает время обнаружения потери связи от 4 до 20 минут (значение интервала меняется в зависимости от нужд пользователя, количества передатчиков в системе и условий связи).
• На оборудование системы RS-202 получены все необходимые лицензии и сертификаты.
• Технические характеристики системы RS-202 таковы, что приобретение и эксплуатация системы не требуют от пользователей и установщиков получения каких-либо дополнительных лицензий, разрешений или согласований органов Россвязьнадзора и других инстанций.
• Немаловажным фактором является оптимальная цена как передающего, так и приемного оборудования.