Разработка системы эксплуатационного управления спутниковых каналов связи для ООО "ДИАЛОГ" на базе платформы LabVIEW

Таблица 2.1 - Основные частотные диапазоны спутниковой связи

Диапазон	Частоты	Прием, ГГЦ	Передача, ГГц	Проблемы
С Ku Ка	4/6 11/14 20/30	3,7-4,2 11,7-12,2 17,7-21,7	5,925-6,425 14,0-14,5 27,5-30,5	Помехи от наземных систем Дождь Дождь, стоимость оборудования

Следующий большой диапазон, доступный для коммерческой связи, -- диапазон Ku. Этот диапазон еще не переполнен, кроме того, в данном диапазоне частот спутники могут размещаться на расстоянии до 1 градуса друг от друга. Однако данная длина микроволн отлично поглощается водой, в частности дождем. К счастью, сильные штормы обычно происходят локализованно, так что данная проблема может быть решена с помощью установки дополнительных сильно разнесенных наземных станций. При этом, конечно, понадобятся дополнительные антенны, кабели и электронное оборудование для быстрого переключения с одной станции на другую. Кроме того, в коммерческих целях можно использовать диапазон частот Ка. Однако оборудование для работы со столь высокими частотами все еще весьма дорого. Кроме приведенных в таблице коммерческих диапазонов спутниковой связи существует еще ряд диапазонов частот, используемых для правительственной связи и в военных целях. Обычный спутник оснащается 12-20 транспондерами, с полосами частот шириной от 36 до 50 МГц. Транспондер с пропускной способностью в 50 Мбит/с может использоваться для передачи одного канала со скоростью 50 Мбит/с или 800 цифровых голосовых каналов с пропускной способностью в 64 кбит/с, либо других комбинаций. Кроме того, два транспондера могут работать в одном и том же частотном диапазоне, используя волны с перпендикулярной поляризацией. В первых спутниках связи применялось статическое разделение транспондеров на отдельные частотные каналы. В настоящее время также применяется мультиплексирование с временным разделением, поскольку оно предоставляет значительно большую гибкость. У первых спутников связи был один пространственный луч, освещавший всю Землю. Со временем, благодаря огромному снижению стоимости, размеров и энергии, потребляемой микроэлектроникой, стала возможной гораздо более сложная стратегия широковещания. На каждом спутнике теперь устанавливается несколько антенн и несколько транспондеров. Каждый передаваемый со спутника луч может быть сфокусирован на небольшом участке земли, поэтому возможна одновременная передача и прием по нескольким каналам с одного спутника. Так называемые точечные лучи обычно имеют эллиптическую форму и могут быть всего лишь несколько сот километров в поперечнике. Спутники связи, применяемые в США, обычно имеют один широкий луч, охватывающий 48 штатов, плюс два точечных луча для Аляски и Гавайских островов. Новым шагом в развитии систем спутниковой связи стало создание дешевых микростанций, называемых VSAT (Very Small Aperture Terminal -- миниатюрный апертурный терминал). Эти небольшие терминалы снабжены спутниковыми антеннами диаметром около 1 м и могут передавать сигналы мощностью около 1 Ватта. Передача обычно ведется на скорости 19,2 кбит/с, однако скорость приема значительно выше, обычно около 512 кбит/с. В большинстве систем VSAT мощности микростанций бывает недостаточно для того, чтобы они общались друг с другом напрямую (через спутник, конечно). Для связи таких микростанций требуется специальная промежуточная наземная ретрансляционная станция с большой антенной и мощным усилителем, показанная на рисунок 2.2. При подобной схеме работы либо у передающей, либо у принимающей стороны имеется большая антенна и мощный усилитель. Достоинством такой системы является ее дешевизна, а недостатком -- двойное время задержки. Спутники связи обладают рядом свойств, в корне отличающих их от наземных линий связи. Во-первых, хотя сигнал к спутнику и от него распространяется со скоростью света (около 300 000 км/с), значительное расстояние до спутника вызывает значительную временную задержку. В зависимости от расстояния между пользователем и наземной станцией, а также от высоты спутника над горизонтом время передачи от одного узла до другого может составлять от 250 до 300 мс. Обычным значением является 270 мс (540 мс для систем VSAT с применением наземного ретранслятора). Для сравнения, задержка в наземных микроволновых линиях составляет около 3 мкс/км, а в коаксиальных и оптоволоконных кабелях -- около 5 мкс/км (электромагнитные волны распространяются в воздухе быстрее, чем в твердых материалах). Во-вторых, спутники являются широковещательными средствами связи. Передача сообщения через спутник на несколько тысяч станций, находящихся в пределах пятна вещания транспондера, стоит столько же, сколько и передача сообщения на одну станцию. Для некоторых приложений такое свойство чрезвычайно полезно. И хотя широковещание может быть симулировано в системах, использующих линии связи "точка-точка", широковещание со спутника значительно дешевле. Однако с точки зрения безопасности и конфиденциальности спутники являются не самым надежным каналом связи: передачи со спутника может слышать кто угодно. В данном случае может помочь только шифрование.

Рисунок 2.2 - Использование промежуточного ретранслятора для связи систем VSAT

Особенностью спутников является также то, что стоимость передачи сообщения через спутник не зависит от расстояния. Телефонный разговор с другим континентом стоит столько же, сколько и с соседней улицей. Спутниковая связь также характеризуется замечательно низким уровнем ошибок. Кроме того, она может быть установлена практически мгновенно, что очень важно для военных средств связи.

2.2 Низкоорбитальные спутники

В течение первых 30 лет спутниковой эры низкоорбитальные спутники очень редко использовались для связи, поскольку они очень быстро появляются и скрываются из виду. В 1990 г. компания Motorola начала освоение новых земель, подав заявку в Федеральную комиссию связи США на запуск 77 низкоорбитальных спутников для проекта Iridium (77-й элемент в периодической таблице Менделеева). Впоследствии проект был пересмотрен, и количество спутников было уменьшено до 66, таким образом, проект следовало бы переименовать в Dysprosium, однако, по-видимому, название этого химического элемента звучало похоже на название болезни. Идея проекта заключалась в том, что как только один спутник исчезал из виду, в поле зрения наземной станции появлялся другой. Это предложение вызвало нечто вроде спутниковой лихорадки среди компаний, занимающихся средствами связи. Все вдруг захотели запустить цепочку низкоорбитальных спутников связи. Мы кратко опишем систему Iridium, остальные системы весьма похожи на нее.

Основной целью системы Indium было предоставление услуг связи по всему миру с помощью устройств размером с телефонную трубку, общающихся напрямую со спутниками Iridium. Предполагалось предоставление услуг по передаче голоса, данных, факсов, а также навигационных услуг в любой точке земного шара. Данная служба должна была вытеснить системы PCS/PCN.

В основе системы лежат системы сотовой связи, однако с некоторыми изменениями. В обычной сотовой связи ячейки являются фиксированными, а пользователи -- мобильными. В системе Iridium у каждого спутника имеется достаточное количество точечных лучей для сканирования земли во время движения спутника. Таким образом, в данной системе как пользователи, так и ячейки являются мобильными, однако принцип сотовой связи одинаково хорошо работает как в случае пользователей, двигающихся относительно ячеек, так и в случае ячеек, двигающихся относительно пользователей.

Спутники должны были размещаться на круговых полярных орбитах на высоте 750 км над поверхностью земли. Они должны были образовать вытянутые с севера на юг цепочки или ожерелья, со спутником через каждые 32 градуса широты. Шесть таких ожерелий должны были покрыть всю поверхность Земли, как показано на рисунок 2.3, а. Люди, плохо разбирающиеся в химии, могут считать такую схему очень большим атомом диспрозия, где Земля выступает в качестве ядра, а спутники -- в качестве электронов.

У каждого спутника должно было быть 48 точечных лучей, что давало в сумме 1628 ячеек, покрывавших всю поверхность Земли, как показано на рисунок 2.3, б. Частоты могли использоваться повторно на расстоянии двух ячеек, как в обычной сотовой связи. Каждая ячейка должна была поддерживать 174 дуплексных канала, что составило бы 283 272 канала на весь земной шар. Некоторые из них могли бы использоваться для навигации или пейджинга, что почти не требует пропускной способности. (Пейджеры обычно отображают всего две строки символов.)

Связь между спутником и наземным устройством должна была поддерживаться в частотном диапазоне L, около 1,6 ГГц, благодаря чему для связи со спутником могли использоваться небольшие устройства с питанием от батарейки. Сообщения, получаемые одним спутником, но адресованные удаленному спутнику, должны ретранслироваться между спутниками в диапазоне Ка. В космосе связь между спутниками обладала бы достаточной пропускной способностью. Ограничением пропускной способности всей системы служили бы каналы связи спутников с Землей. Компания Motorola считает, что 200 МГц было бы достаточно для всей системы.

Предполагаемая цена услуги для оконечного пользователя должна была составить около 3 долларов за минуту. Если данная технология может предоставить универсальные услуги в любой точке земного шара, то маловероятно, что данный проект не состоится из-за отсутствия спроса. Деловые люди и другие путешественники, желающие постоянно иметь надежную связь, даже в неразвитых регионах, будут записываться толпами. Однако в развитых регионах система Iridium встретила бы в лице PCS/PCN серьезных конкурентов с телеточками в виде тостеров на телефонных столбах.

Рисунок 2.3 - Система Iridium из шести спутниковых ожерелий (а); 1628 перемещающихся ячеек (б)

2.3 Спутники против оптоволоконных кабелей

Сравнение спутниковой связи с наземными видами связи может быть поучительно. Не более 20 лет назад казалось, что будущее систем связи за спутниками. В конце концов, телефонная система почти не изменилась за последние 100 лет и, казалось, не изменится еще столько же. Эта неизменность была вызвана не в последнюю очередь тем регулятивным окружением, в котором от телефонных компаний ожидалось предоставление услуг по качественной голосовой связи за умеренную цену (с чем они успешно справлялись), а взамен им гарантировалась прибыль с вложенного капитала. Для желающих передавать цифровые данные имелись модемы со скоростью 1200 кбит/с. Вот, собственно, и все, что было в области связи.

С возникновением в 1984 г. конкуренции в области связи в США и (несколько позднее) в Европе ситуация радикально изменилась. Телефонные компании начали заменять свои междугородные линии оптоволоконными кабелями и предлагать услуги по передаче данных с большой скоростью типа SMDS и B-ISDN. Кроме того, было покончено с практикой искусственно поднятых цен за междугородную связь, за счет которых поддерживались низкие местные тарифы.

Неожиданно оптоволоконные кабели оказались победителями в конкурентной борьбе с другими средствами связи. Тем не менее, спутники связи сумели занять на рынке довольно крупную нишу, предоставляя услуги, недоступные для кабельной связи. Рассмотрим некоторые из них.

Хотя один оптоволоконный кабель обладает в принципе большей пропускной способностью, чем все когда-либо запущенные спутники связи, эта пропускная способность оказывается недоступной для большей части пользователей. Установленные на сегодня оптоволоконные кабели используются в телефонной системе, обеспечивая одновременную междугородную связь для многих пользователей, а не высокую пропускную способность индивидуальным пользователям. Кроме того, лишь очень небольшая часть пользователей имеет доступ напрямую к оптическому кабелю, поскольку на пути у остальных оказывается старая добрая витая пара местной телефонной линии. При передаче данных по этой линии с помощью модема на скорости 28,8 кбит/с пропускная способность никогда не будет выше 28,8 кбит/с, независимо от того, как осуществляется промежуточная связь. Если использовать спутниковую связь, то пользователю нужно лишь установить антенну на крыше, и он станет полностью независим от телефонной системы. Для многих пользователей подобная независимость является очень важным мотива-ционным фактором.

Пользователи, которым требуется пропускная способность около 40 или 50 Мбит/с, могут арендовать линию ТЗ (44,736 Мбит/с). Однако это довольно дорого. Если такая пропускная способность требуется лишь периодически, то приемлемым решением является SMDS (Switched Multimegabit Data Service -- высокоскоростная сетевая технология), однако в отличие от спутниковой связи данная служба доступна далеко не везде.

Второй нишей спутниковой связи является обслуживание мобильных пользователей. Сегодня многие желают иметь возможность общаться по телефону, занимаясь бегом трусцой, в автомобиле, под парусом и в самолете. Наземные оптические кабели в данных случаях не могут помочь, тогда как спутники с данной задачей вполне могут справиться. Возможно, что для большинства пользователей (кроме тех, кто находится в море или воздухе) оптимальной окажется комбинация сотового телефона и оптического кабеля.

В-третьих, спутники могут оказаться полезными там, где важно обеспечить широковещание. Сообщение, посланное со спутника, может быть одновременно принято тысячами наземных станций. Так, например, передача биржевых сводок или цен на товары потребления тысячам коммерсантов со спутника может оказаться значительно дешевле, чем имитация широковещания по кабелям.

В-четвертых, спутниковая связь незаменима в местах с гористой или болотистой местностью, а также в местах с плохо развитой инфраструктурой. Например, Индонезия имеет собственную спутниковую систему для обслуживания телефонной связи. Запустить один спутник значительно дешевле, чем прокладывать тысячи кабелей по дну проливов между островами архипелага.

В-пятых, использование спутниковой связи может оказаться проще там, где получить право на прокладку кабеля или очень трудно, или очень дорого. В-шестых, спутниковая связь нужна в ситуации, когда критичным оказывается быстрая установка связи, например для нужд армии или флота во время боевых действий.

Таким образом, похоже, что основным направлением развития средств связи в ближайшие годы будет наземная волоконная оптика в соединении с сотовой связью, однако в особых случаях спутниковая связь оказывается предпочтительнее. Следует отметить, что главным аргументом в конкурентной борьбе различных средств связи всегда будет оставаться экономический аспект. Хотя оптоволоконные кабели обеспечивают значительно более высокую пропускную способность, однако вполне возможно, что между наземными и спутниковыми средствами связи будет идти жесткая конкуренция в области цен. Если прогресс в космической технологии приведет к радикальному снижению цены запуска спутника (например, какой-нибудь носитель сможет выводить за один запуск по нескольку десятков спутников) или низкоорбитальные спутники войдут в моду, то не исключено, что оптоволоконные кабели не смогут победить сразу на всех рынках.

Выводы

Физический уровень составляет основу всех сетей. Природа накладывает на все каналы два фундаментальных предела, ограничивающие их пропускную способность. Это предел Найквиста, относящийся к идеальным, бесшумным каналам, а также ограничение Шеннона для каналов с термодинамическим шумом.

Каналы связи могут быть направляемыми и ненаправляемыми. Основными направляемыми каналами связи являются витая пара, коаксиальный кабель и оптоволоконный кабель. К неуправляемым каналам связи относятся радио, микроволны, инфракрасное излучение, а также лазерный луч в воздухе.

Ключевым элементом глобальных компьютерных сетей является телефонная система. Ее основными компонентами являются местные телефонные линии, междугородные магистрали и коммутаторы. Магистрали являются цифровыми. В них используются различные способы уплотнения, включая частотное (FDM), временное (TDM) и спектральное (WDM) уплотнение. Коммутаторы бывают координатными, с пространственным и временным разделением. Большое значение имеют коммутация каналов и коммутация пакетов.

Телефонная система будущего будет цифровой от начала до конца. Она будет обеспечивать передачу как голосовых, так и прочих данных по одним и тем же линиям. Уже разработаны два варианта этой новой системы, известной как ISDN (Integrated Services Digital Network -- цифровая сеть, предоставляющая комплекс услуг). Узкополосная ISDN представляет собой цифровую систему с коммутацией каналов, являясь улучшением современной системы. Широкополосная система ISDN, напротив, является принципиально новым подходом, поскольку она основывается на технологии коммутации ячеек ATM. Разработаны различные типы коммутаторов ATM, включая выталкивающий коммутатор и коммутатор Бат-чера.

Для мобильных приложений кабельная телефонная связь неприменима. В качестве альтернативы применяется сотовая и спутниковая связь. В настоящее время сотовая связь широко применяется для портативных телефонов и скоро будет использоваться также и для передачи цифровых данных. Нынешнее поколение сотовых телефонных систем является аналоговым (например, AMPS), однако следующее поколение (например, PCS/PCN) будет полностью цифровым. Традиционные спутники связи в основном являются геостационарными, однако большой интерес представляют низкоорбитальные спутниковые системы, такие как Iridium.

3. Программно-аппаратный комплекс LabVIEW

3.1 Программно-аппаратный комплекса LabVIEW

LabVIEW (Laboratory Virtual Instruments Engineering Workshop) - это система программирования, разработанная фирмой National Instruments (США) и ориентированная на создание приложений в области автоматизации научных исследований, управления производством и промышленными установками и т.п. LabVIEW по своим возможностям приближается к системам программирования общего назначения, например к Delphi. Тем не менее, между ними существует ряд важных различий. Система LabVIEW является проблемно-ориентированной; она поддерживает программирование множества действий, специфичных для АСНИ, АСУ ТП и АСУП и реализует концепцию виртуальных приборов.

Каждая программа LabVIEW представляет собой отдельный виртуальный прибор (ВП), то есть - программный аналог некоторого реально существующего или воображаемого устройства, состоящий из двух взаимосвязанных частей.

Первая часть, лицевая панель, описывает внешний вид ВП и содержит множество средств ввода информации - так называемых средств управления, а также множество средств визуализации информации - так называемых индикаторов.

На рисунке 3.1 к индикаторам относится, например, табло "Measurement", отображающее разряды числового значения измеряемой величины, а к средствам управления - ползунок "Function", переключатель диапазона измерений "Range" и переключатель режима измерений "Trigger Mode".



Рис. 3. 1. Лицевая панель ВП - аналога цифрового тестера Fluke 8840A

Вторая часть, блок-схема (или блок-диаграмма) описывает алгоритм работы ВП.

Рис. 3.2 Блок-схема ВП - аналога цифрового тестера Fluke 8840A

Каждый ВП, в свою очередь, может использовать в качестве составных частей другие ВП, подобно как любая программа, написанная на языке высокого уровня(СИ, Паскаль, Бейсик,) использует свои подпрограммы. Такие ВП нижнего уровня обычно называются субВП. На рисунке 3.2 к субВП относится элемент "Send DEMO" - это ВП, непосредственно реализующий операции по переключению диапазонов, преобразованию сигналов, генерации поразрядного представления результата и т.п.

Также на рисунке можно отметить многочисленные функциональные блоки, играющие роль "задних контактов" для объектов лицевой панели, - это так называемые терминалы. Каждому терминалу обязательно соответствует какой-либо индикатор или средство управления, расположенные на лицевой панели.

Важными элементами блок-схемы являются функциональные узлы - встроенные субВП, являющиеся частью LabVIEW и выполняющие предопределенные операции над данными.

Данные от терминалов к функциональным узлам и между различными функциональными узлами передаются при помощи связей, которые изображены на рисунке разноцветными линиями различной толщины. Поля ввода/выводя должны быть совместимы с типами данных, передаваемыми по проводникам. В данном курсе используются следующие типы данных:

- Flnnting point -- число с плавающей запятой, отображается в виде оранжевых терминалов. Может быть комплексным.

- Integer -- целочисленный тип, отображается в виде голубых терминалов.

- Boolean -- логический тип, отображается в виде зеленых терминалов.

Логический тип может принимать только два значения: 0 (FALSE) или 1 (TRUE).

- String -- строковый тип, отображается в виде розовых терминалов.

Строковый тип данных содержит текст в ASCII формате.

^- Path -- путь к файлу, отображается в виде терминалов. Путь к файлу

близок строковому типу, однако, LabVlEW форматирует его, используя стандартный синтаксис для используемой платформы.

- Array -- массивы включают типы данных составляющих элементов и принимают соответствующий им цвет.

- Dynamic -- динамический тип, отображается в виде темно-синих терминалов. Кроме данных сигнала, динамический тип содержит дополнительную информацию, например, название сигнала или дату и время его получения.

Наконец, рамка со скругленными углами, ограничивающая группу соединенных между собой терминалов и функциональных узлов, - это функциональный узел особого вида, управляющая структура.

Источники и приемники данных:

При соединении элементов LabVIEW друг с другом в каналах связи действуют принципы аналогичные принципам теоретических основ электротехники:

1) К каналу связи может быть подключен только один источник данных.

2) К одному источнику данных может быть подключено неограниченное число приемников данных.

3) Соединение только одних приемников - абсурдно и поэтому программой LabVIEW признается ошибочным.

Вывод объекта, по которому объект передает данные внешним элементам, принято называть выходом объекта. Вывод объекта, по которому объект принимает данные от внешних элементов, принято называть входом объекта. Программа Labview может прокладывать трассу провода только прямолинейными участками, расположенными только горизонтально или вертикально. Поэтому трасса провода между двумя соседними точками, в общем случае, образуется двумя участками: горизонтальной и вертикальной проекциями отрезка воображаемой прямой линии, соединяющего соседние точки. Соединяющая трасса имеет вид пунктирной линии. При правильной соединении пунктирная линия трассы превращается в сплошную линию провода и окрашивается, при неправильном - остается пунктирной и требует устранения ошибки, точнее согласования подключаемых элементов.

Среда LabVIEW включает в себя набор подпрограмм ВП, позволяющих конфигурировать, собирать и посылать данные на DAQ-устройства. Часто DAQ-устройства могут выполнять разнообразные функции: аналого-цифровое преобразование (А/D), цифро-аналоговое преобразование (D/A), цифровой ввод/вывод (I/O) и управление счетчиком/таймером. Каждое устройство имеет свой набор возможностей и скорость обработки данных. Кроме этого, DAQ-устройства разрабатываются с учетом аппаратной специфики платформ и операционных систем. На иллюстрации продемонстрированы два варианта компоновки DAQ-системы. В варианте "А" DAQ-устройство встроено в компьютер, а в варианте "В" DAQ-устройство является внешним. С внешним устройством можно построить DAQ-систему на базе компьютера без доступных слотов расширения, например, с использованием портативных компьютеров. Компьютер и DAQ-модуль связываются между собой через аппаратные интерфейсы, такие как параллельный порт, последовательный порт и сетевые карты (Ethernet). Практически эта система является примером удаленного управления DAQ-устройством.

Рис. 3.3 Схема подключения DAQ-устройства

1. Датчики	5. Программное обеспечение
2. Модуль согласования сигналов	6. Связь с параллельным портом
3. Согласованные сигналы	7. Внешний DAQ-модуль
4. Встроенное DAQ-устроНство

Основной задачей, решаемой DAQ-системами, является задача измерения или генерации физических сигналов в реальном времени. Перед тем как компьютерная система измерит физический сигнал" датчик или усилитель должен преобразовать физический сигнал в электрический, например, ток или напряжение. Встроенное DAQ-устройство часто рассматривается как полная DAQ-система, хотя практически это только один из компонент системы. В отличие от самостоятельных устройств измерения, не всегда возможно соединение напрямую источника сигналов со встроенным DAQ-устройством. В этих случаях необходимо использовать дополнительные модули согласования сигналов перед тем как DAQ -устройство преобразует их в цифровой формат. Программные средства DAQ-систем включают в себя: сбор данных, анализ данных и представление результатов. DAQ-устройства производства компании NI поставляются в комплекте с драйверами NI-DAQ. NI-DAQ взаимодействует и управляет измерительными устройствами National Instruments, включая такие DAQ-устройства как многофункциональные устройства ввода-вывода сигналов (MIO) серии Е, SCXI модули согласования сигналов и модули переключения сигналов. NI-DAQ являемся расширенной библиотекой функций, которые можно вызвать из среды создания приложений, например. Lab VIEW, для программирования всех возможностей измерительного устройства NI.

Надо очень четко представлять себе, что ВП - это только модель тех элементов реального прибора или установки, которые гораздо проще и дешевле реализовать в виде программы. Но для того, чтобы ВП можно было использовать как реальный заменитель конкретного осциллографа или распределительного щита, необходимо осуществить связь между объектом физического мира (например, управляемой технологической установкой, ) и программой ВП. Эта связь традиционно осуществляется при помощи специализированных технических средств, - датчиков, аналогово-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, интерфейсов передачи данных и пр., - образующих в совокупности комплекс устройств связи с объектом (УСО). Соответственно, ВП должен иметь выход на программу (драйвер) обслуживания внешнего устройства, являющегося частью УСО (например, на драйвер "измерительной платы", драйвер контроллера КАМАК и т.п). Обычно в роли такого "связующего звена" выступает функциональный узел блок-схемы ВП или субВП, не декомпозируемый на более мелкие структурные составляющие. Часто он представляет собой фрагмент программного кода, разработанный не средствами LabVIEW, а при помощи языка Ассемблера или Си.

UDP соединения двух машин, в среде LabView

UDP - протокол пользовательских датаграмм. Относится к транспортному уровню напрямую взаимодействуя с приложением. Этот протокол не предусматривает процесс создания виртуального канала между двумя машинами. Данные передаваемые от одной машины к другой не гарантированно придут в первоначальном виде. За целостность передаваемых данных отвечает программа (клиент-сервер).

Работа в LabView, ярлычки:

Процесс открытия UDP соединения в пакете LabView (LV) не зависимо от того, будет эта программа являться клиентом или сервером, осуществляется ярлычком (рис. 3.4):

Рисунок 3.4. Ярлык для открытия соединения.

Port - открываемый локальный порт системы (более 1024)

Connection ID - идентификатор соединения

Error in - ошибки соединения на входе

Error out - ошибки соединения на выходе

Процесс закрытия UDP соединения, осуществляется ярлычком:

Рисунок 3.5 Ярлык для закрытия соединения.

Connection ID - идентификатор соединения

Connection ID out - идентификатор соединения на выходе

Error in - ошибки соединения на входе

Error out - ошибки соединения на выходе

Основная идея в образовании соединения заключается в том, что бы при его открытие ID был завязан как минимум с тремя ярлычками (открытие, закрытие и чтение/запись данных ).

В одно соединение можно писать несколько данных , которые должны быть преобразованы в строковые. В свою очередь на другой машине, которая будет принимать их, следует в той же последовательности и в том же количестве считывать эти данные, расскриптовывая по тому же алгоритму, какой использовался при передаче.

Запись данных:

Рис. 3.6. Ярлык для записи данных.

Connection ID- идентификатор соединения

Connection ID out - идентификатор соединения на выходе

Error in- ошибки соединения на входе

Error out- ошибки соединения на выходе

Data in- записываемые строковые данные

Adress- IP адрес компьютера, на который хотите послать данные

Port- порт удаленного компьютера, куда хотите послать данные

При записи данных следует указывать порт удаленной машины, куда вы хотите записать данные, соответственно приемник должен открыть этот порт на прослушивание, в противном случае сеанса не состоится. Так же, следует указать IP адрес получателя, это делается при помощи ярлычка изображенного на рис.3.10

Рис. 3.7 Ярлык для преобразования IP адреса в числовой формат.

Подключив к нему строковый управляемый индикатор, вы можете записать как IP адреса хостов так и групповые и широковещательные адреса.

Пример разных типов IP адресов: host 192.168.0.1(одного компьютера); broadcast 192.168.0.255 (всего сегмента); groupcast 224.224.0.8 (группы компьютеров).

Чтение данных:

Рисунок 3.8 Ярлык для чтения данных.

Connection ID - идентификатор соединения

Connection ID out - идентификатор соединения на выходе

Error in - ошибки соединения на входе

Error out - ошибки соединения на выходе

Data out - читаемые строковые данные

Adress - IP адрес компьютера, на который посылает датаграмму

Port - порт компьютера, который посылает датаграмму

Max size - максимальный размер принимаемой датаграммы

Time out - время по истечение которого выдается ошибка.

При приеме данных следует установить timeout который проверяет успели ли данные прочитаться в течение установленного времени. Если данные не смогли прочитаться в данный интервал времени, то генерируется ошибка на error out. В связи с этим, при передачи больших объемов информации, следует указать большее значение timout. На мой взгляд для простенькой программы, это значение можно прировнять к 0.5 секундам.

Максимальный размер получаемого пакета по умолчанию установлен в 548 байт. Это значение лучше оставить без изменений, особенно если пакеты будут проходить через маршрутизаторы.

Рисунок 3.9 Передатчик строковых и численных данных.

Рис.3.10 Схема программы передающей данные в сеть.

Рис3.11. Передняя панель программы принимающей данные из сети.

Рисунок 3.12 Схема программы принимающей данные из сети.

Схема начинается с открытия UDP соединения, открывая локальный порт > 1024. Далее от первого ярлычкам идет обязательное соединение (с лева на право) по всем остальным, это идентификатор соединения и стандартный поток ошибок. Доходя до ярлычка записи данных в UDP соединение, требуется на нем ввести обязательные параметры, такие как IP адрес и UDP порт удаленной машины. Без этого передача данных не состоится. Т.к. любое соединение предполагает передачу строковых данных, мы передаем нашу строку не изменяя ее. Далее по схеме идет передача числовых данных. Для осуществления этой передачи, следует конвертировать численные данные в строковые, для этого и происходит конвертация в 16-ти- ричный формат. И закрывается UDP соединение последним ярлычком. Поместив все это в цикл, мы можем в любой момент остановить процесс передачи данных удаленной машине.

При процессе чтения данных из UDP соединения, мы указываем порт откуда происходит процесс чтения данных. По сути схема приемника сильно перекликается со схемой передатчика, с той лишь разницей что, где был процесс записи, мы ставим ярлычок чтения. И указываем timeout.

При работе в локальных сетях, в несильно загруженных линиях передачи, UDP соединение двух машин по средством LV можно считать приемлемым. Один из больших плюсов является возможность получать данные, передаваемые одновременно сразу с нескольких машин. Но при всех его удобности в плане простоты реализации остается не решенным вопрос о надежности доставки и времени доставки данных.

3.2 Применение LabView для тестирования сигнализации сети абонентского доступа

На основе технологии виртуальных приборов разрабатываются электронные учебные материалы, научно-методические рекомендации по их использованию в общеобразовательных, профессиональных, средних специальных и высших учебных заведениях, в системе непрерывного и дополнительного образования. Одним из важнейших компонентов разрабатываемых информационных ресурсов являются комплексы лабораторных практикумов по различным дисциплинам, обеспечивающие удаленный доступ и позволяющие проводить лабораторные и практические работы, как с индивидуальных рабочих мест учащихся, так и в локальной или глобальной сети.

На предприятии сосредоточены современные технологические и информационные ресурсы:

интегрированная высокоскоростная, многоуровневая, многосегментная компьютерная сеть с обеспечением корпоративной сетевой связанности на основе коммутируемых виртуальных Ethernet - сетей;

многоуровневая, многосегментная сетевая инфраструктура, объединяющая компьютерные классов на базе ЛВС, , обеспечивающая выход в другие, в том числе глобальные, сети;

системное и прикладное программное обеспечение, включая лицензионные пакеты прикладных программ LabView 7.0, Measurement Studio, TestStand, LabView Toolsets, LabView DSC, LabView RT, MathCad 6.0, Xilinx Fondation Base 4.1.

Рис. 3.13 Схема виртуальной лаборатории

На их основе разработана виртуальная лаборатория, включающая:

- компьютерный класс ;

- лабораторные стенды с контрольно-измерительной и управляющей аппаратурой, подключенной к компьютерам, выполняющим задачи серверов удаленного доступа;

- сервер-шлюз, обеспечивающий доступ к глобальной компьютерной сети Internet.

В качестве базового инструмента для разработки информационных ресурсов на основе виртуальных приборов используется среда графического программирования LabVIEW компании National Instruments. Инструментальная среда LabVIEW предназначена для проектирования систем сбора и обработки данных практически любой степени сложности. В нее встроены хорошо развитые средства организации дистанционного доступа к элементам контроля и управления разрабатываемого виртуального прибора. Важно отметить, что лицензионный программный продукт необходим только разработчику программ. Для пользователей достаточно иметь возможность работы на компьютере с типовой операционной системой, например, Windows 95/98/NT/2000, имеющем выход в локальную или глобальную компьютерную сеть. Это способствует массовому использованию информационных ресурсов на основе технологии виртуальных приборов.

Для тестирования сигнализации в сетях абонентского доступа используется цифровой анализатор Anritsu MD1230A.

Рис. 3.14 Цифровой анализатор Anritsu MD1230A

С развитием передачи по сетям IP голоса, видео и данных, тема контроля уровня сервиса и качества работы сети становится особенно актуальной. Для тестирования этих параметров и предназначен MP1230A. Прибор осуществляет тестирование и мониторинг сетей IP. Обладает возможностями по тестированию MPLS и QoS, декодированию и эмуляции протоколов, в том числе IPv6, BGP4 и других. В приборе можно тестировать различные интерфейсы со скоростями передачи от 10 Мбит/с до 10Гбит/с. Любая комбинация из пяти интерфейсных модулей может использоваться в MP1230A. Более того, до 8 анализаторов MP1230A могут быть объединены в цепочку с одним прибором, действующим, как контроллер для остальных. В этом случае количество одновременно тестируемых портов может возрасти до 320 (10/100BASE-TX).

Анализатор имеет мощную систему фильтров и триггеров, которые могут устанавливаться независимо для каждого порта.

Прибор поддерживает тестирование согласно RFC2544, тестирование параметров QoS, монитора VPN QoS, тестирование работы BGP4. Мониторинг заголовков и APS для SDH. Анализатор имеет богатый набор функций по автоматическому тестированию с использованием команд GPIB.

Таб. 3.1 Основные особенности Anritsu MD1230A.

Таблица 3.2 - Технические характеристики.

Выводы

Из за того, что реальное оборудование для тестирования сетей довольно дорого, была рассмотрена возможность создания программной эмуляции приборов с помощью программного комплекса LabVIEW. Пакет LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) представляет собой универсальную систему (инструмент) программирования с расширенными библиотеками программ, ориентированную на решение задач управления инструментальными средствами измерения и задач сбора, обработки и представления экспериментальных данных.

Для полного проведения тестирования сигнализации в сетях абонентского доступа необходимо оборудование, которое поставляется как NI, так и сторонними производителями. Реальные приборы имеют свойство изнашиваться и выходить из строя. Программные модели приборов не имеют подобных недостатков. Данные виртуальные приборы возможно использовать для наглядной демонстрации процессов внутри сети, а также позволяют с наименьшими затратами времени и материальных средств вносить любые коррективы в свою структуру.

4. Подсистема контроля и диагностики спутниковых каналов связи

Как известно, в реальных сетях спутниковой связи достаточно часто возникают различные нештатные ситуации, которые вызывают, как снижение качества передачи, так и потерю связи из-за:

снижения энергетического потенциала;

нарушения условий синхронизации на различных уровнях;

наличия помех различного происхождения;

деградации или отклонения параметров оборудования ЗС;

отклонения параметров ретранслятора;

отказа аппаратуры ЗС и так далее.

Обычно при поиске отказов наибольшее время тратится на выявление тех причин, которые связаны либо с энергетическими характеристиками образуемых каналов связи, либо с внутрисистемной или межсистемной ЭМС.

Выявление конкретной причины отказа тех или иных направлений связи крайне важно, так как для восстановления канала зачастую приходится пользоваться прямо противоположными управляющими воздействиями, в зависимости от конкретной причины отказа.

Для эффективного установления причины и результата управляющего воздействия необходим довольно большой объем информации, получаемой с территориально разнесенных объектов, что вызывает необходимость контроля спутниковых каналов связи и требует введения в ИСМ подсистемы контроля и диагностики спутниковых каналов связи ПКД СКС.

Основные характеристики такой системы определяются исходя из особенностей развернутых в России систем ССС, характеризующихся такими параметрами, как:

большое количество станций спутниковой связи -- от единиц до

нескольких сотен в одной сети;

широкое применение VSAT-технологии с работой ЗС в необслуживаемом режиме;

сложная электромагнитная обстановка в местах установки ЗС;

работа ЗС в зонах с неуверенным приемом -- на краю зон обслуживания спутником;

* применение различных режимов многостанционного доступа к ретранслятору, в том числе и смешанных: МДЧР, МДВР (TDMA и AA/TDMA -- с адаптивным распределением загрузки), и множеством других, менее важных особенностей.

Данные параметры определяют такие характеристики ПКД СКС, как:

высокое быстродействие в связи с анализом параметров большого

количества ЗС;

максимальная автоматизация и применение дистанционного контроля и анализа, позволяющих работать ЗС в необслуживаемом режиме;

использование гибких методов и алгоритмов обработки сигналов,

обеспечивающих контроль помеховой обстановки в реальном масштабе времени;

применение комбинированных методов обработки, позволяющих

контролировать системы, работающие в различных режимах многостанционного доступа;

обеспечение высокой аппаратной и программной надежности системы и так далее.

Учитывая отмеченные особенности контроля спутниковых каналов, а также естественную потребность в унификации оборудования ПКД СКС для любого ствола РТР, контроль значений параметров РТР должен включать:

контроль величин, характеризующих РТР как СВЧ многополюсник с разночастотными входами и выходами, в котором происходят усиление и преобразование СВЧ сигналов по стволам;

контроль показателей каналов передачи, подтверждающих обеспечение контролируемым РТР нормируемых данных всей системы спутниковой связи в целом.

К последней категории относится и контроль обобщенных параметров прохождения сигналов.

С учетом такого разбиения контроль спутниковых каналов связи должен включать:

1 контроль параметров:

• контроль параметров РТР;

• контроль параметров ЗС;

• контроль параметров радиолиний;

обнаружение помех и мешающих сигналов, путем:

• контроля загрузки одного ствола (стволов);

• обнаружения помех на ретрансляторе КА;

• контроля несанкционированного доступа;

• обнаружения помех в местах установки ЗС;

• идентификации помех.

Если контроль параметров не вызывает осложнений принципиального характера, определение уровня помех, возникающих при одновременной работе всех стволов РТР, предусматривает подачу в контролируемый канал измерительного сигнала и "загрузку" остальных, свободных стволов сигналом, имитирующим реальный. Вопрос выбора параметров, критериев и точности соответствия имитирующих сигналов реальным зависит от:

диапазона частот исследуемого ретранслятора;

количества стволов;

вида передаваемой информации.

Следовательно, для осуществления контроля необходимы следующие функции:

1 при контроле загрузки ствола:

• определение суммарной мощности сигнала в стволе;

• оценка уровня шумов ретранслятора;

• определение положения рабочей точки и точки насыщения ретранслятора;

• вычисление запаса по частотному и энергетическому ресурсу ретранслятора;

• определение коэффициента загрузки ствола;

• автоматическая идентификация радиолиний и выдача результатов изменений по параметрам (центральная частота, занимаемая полоса, уровень сигнала);

• оперативная оценка изменения параметров загрузки ствола (по

• полосе частот, по энергетике).

2 при контроле помеховой обстановки в стволе:

• обеспечивать распознавание полезных сигналов сети;

• выдавать информацию о наличии сигналов, не соответствующих частотному плану;

• определять параметры сигналов, не соответствующих частот

• ному плану:

частота сигнала;

полоса сигнала;

уровень принимаемого сигнала;

наличие модуляции;

3 при анализе типа и источника помех должна осуществляться клас

сификация помех по следующим признакам:

• сигнал связной несанкционированный;

• сигнал с другим видом модуляции;

4 при поиске несанкционированного доступа:

• определять частоты, занятые несанкционированными абонентами;

• определять параметры несанкционированных сигналов;

• определять ресурс, занятый несанкционированными сигналами.

Обобщая вышеизложенное, ПКД СКС должна установить с максимальной достоверностью и в кратчайшие сроки:

наличие сигналов с заданными параметрами на "своих" местах и

их основные характеристики (отношение сигнал/шум на борту ретранслятора, уровень приема сигналов на контрольной станции);

наличие помех или сигналов несанкционированного доступа;

отсутствие заданных сигналов на своих местах;

относительную мощность полезных сигналов;

относительную мощность сигналов несанкционированного досту

па и помех;

общую относительную мощность сигналов.

Очевидно, что реализация всех этих функций невозможна без соответствующего управления в ПКД СКС, обеспечивающего:

управление заданием полей допусков на контролируемые пара

метры;

управление параметрами помехопостановщика;

управление параметрами компенсатора помех.

Для достижения достоверности контроля в этом случае необходимо обеспечить, чтобы:

время анализа каждого сигнала в стволе ретранслятора при работе по измерительному модему не превышало 5 сек;

время анализа сигналов при работе с анализатором спектра ограничивалось требованиями многостанционного доступа и количеством анализируемых стволов:

* в режиме МДЧР:

при анализе одного ствола РТР -- не более 2 мин на один ствол;

при анализе параметров помехи -- в зависимости от параметров помехи;

при определении типа помехи и ее параметров время анализа на один сигнал -- до 1 минуты;

при работе в многоствольном режиме время анализа одного ствола должно быть не более 2 минут;

* в режиме МДВР:

- время анализа должно быть не более длины пакета ЗС и не

ниже максимальной длительности символов.

Полученную в результате контроля информацию:

спектр полезных сигналов;

спектр помех и мешающих сигналов;

графики и гистограммы по обработке сигналов;

таблицы и параметры баз данных и т.д., необходимо отображать в виде, удобном для восприятия оператором в необходимом объеме и с требуемым разрешением, а сами результаты контроля должны архивироваться и документироваться с тем, чтобы имелась возможность последующей статистической обработки по:

суточному изменению параметров ЗС;

сезонному изменению параметров радиолиний;

* времени появления и изменения параметров помех и т.д.

Наиболее эффективно отмеченные задачи могут быть решены с использованием системы контроля спутникового ресурса "Сикор", разработанной в компании Syrus Systems и позволяющей оператору системы связи в автоматизированном режиме выполнять мониторинг частотно-энергетического ресурса спутника-ретранслятора. "Сикор" представляет собой систему мониторинга спутниковых каналов связи и помеховой обстановки с вторичной обработкой полученных результатов для оценки соответствия каналов установленным нормам. Выполняя функции ПКД СКС, "Сикор" обеспечивает сканирование полного стандартного ствола спутника-ретранслятора (36 МГц) за 3 мин (в зависимости от режимов сигналов в стволе), при этом в случае необходимости количество стволов может быть расширено.

Отличительной особенностью данной системы является то, что она может функционировать как самостоятельная система мониторинга, а также может интегрироваться в состав автоматизированной системы управления сетью спутниковой связи.

В настоящее время эта система эксплуатируется в ОАО "Газком", являющемся оператором спутниковой системы связи ОАО "Газпром".

4.1 Базовая структура ПКД СКС

Принцип действия ПКД СКС основан на использовании двух видов УСК:

анализатора спектра (АС);

тестового спутникового модема (ТСМ).

АС предназначен для получения и обработки спектрограмм анализируемых стволов, а ТСМ используется для проверки структуры выявленных в стволе легальных сигналов, определяя нахождение на заданной частоте сигнала заданной структуры.

Модем автоматически перестраивается на зарегистрированные в системе сигналы и пытается получить синхронизацию на заданной частоте приема. Если контрольный модем находится в синхронизации, следовательно, сигнал, располагающийся на заданной позиции, является легальным.

Измерительное оборудование (рисунок 3.1) может подключаться как по L диапазону, так и по диапазону промежуточной частоты.

В состав ПКД СКС входят:

базовый измерительный комплект (БИК);

средства сопряжения БИК с земной станцией спутниковой связи;

центральный сервер систем;

рабочее место оператора системы.

Базовый измерительный комплект представляет собой автономный модуль, состоящий из собственно измерительных средств и управляющего контроллера БИК на базе промышленного компьютера с архитектурой Intel под управлением операционной системы UNIX.

БИК функционирует полностью в автоматическом режиме, загружая необходимые данные для проведения измерений с центрального сервера.

В соответствии с полученными целеуказаниями контроллер БИК выстраивает алгоритм управления измерительными средствами и (при необходимости) средствами сопряжения БИК и ЗС.

Рисунок 4.1 - Базовая архитектура ПКД СКС

Полученные результаты контроля обрабатывает БИК, и затем передает их на центральный сервер.

Средства сопряжения БИК с земной станцией спутниковой связи

обеспечивают его подключение к аппаратуре земной контрольной станции. В состав средств сопряжения входят конвертер вниз (на L диапазон) и необходимые кабели и переходники для обеспечения подключения анализатора спектра и модема. В состав средств сопряжения также могут входить коммутаторы (если БИК подключается по ПЧ). Управление всеми средствами сопряжения выполняет контроллер БИК.

Центральный сервер системы обеспечивает администрирование всех БИК, а также доступ операторов ПКД СКС к результатам контроля. Кроме этого центральный сервер архивирует результаты измерений, полученные ото всех БИК за календарный месяц.

Рабочее место оператора системы строится на базе компьютера под управлением операционной системы Windows NT.

В системе для операторов существует три уровня доступа:

оператор имеет права только на просмотр результатов контроля

ресурса в стволах спутника-ретранслятора;

диспетчер имеет дополнительные права по настройке конфигураций отдельных БИК;

администратор -- имеет дополнительные права по администрированию базы данных изменению паролей и т.д.

Основные функции системы

На основании обработки полученных результатов контроля ПКД СКС выполняет следующие функции:

поиск сигналов несанкционированного доступа к ресурсу спутника-ретранслятора и помех;

поиск отсутствующих рабочих сигналов в спектре ствола спутника-ретранслятора;

определение основных энергетических показателей как отдельных сигналов, так и сети в целом;

определение сигналов, выходящих за рамки допусков по энергетике;

формирование сигналов тревоги по отсутствующим сигналам;

формирование предупреждений по несоответствию параметров

сигналов заданным.

Контроль параметров радиолиний и каналов спутниковой связи

В общем случае контроль параметров предусматривает выполнение следующих функций:

контроль параметров радиолиний;

анализ тенденций изменения параметров на основе вторичной об

работки;

статистическую обработку и анализ отказов;

* оценку и контроль качества каналов спутниковой связи и др.

При этом обеспечивается:

выбор оптимального количества контролируемых параметров для

снижения времени контроля;

установление времени опроса в зависимости от значимости пара

метра.

Для обеспечения раннего обнаружения изменения параметров, вызывающих снижение качества канала, контроль параметров осуществляется непрерывно с минимально возможным интервалом по времени. При этом программно анализируется не только абсолютное значение параметров, но и тенденция их изменения, с целью прогнозирования возможной потери связи и своевременного принятия мер, например, для обнаружения снижения уровня сигнала из-за осадков и включения режима автоматической регулировки мощности в линии для компенсации потенциала.

Контроль ведется с заполнением базы данных и последующей статистической обработкой, на основе которой выбираются значения порогов, определяющих выход параметров за пределы нормы, например, уровня сигналов для разного времени суток. Достижение достоверности контроля соответствия обеспечивается благодаря высоким точностным характеристикам аппаратной части с использованием эффективных алгоритмов вторичной обработки сигналов и значений порогов, устанавливаемых в соответствии с нормами МККР.