В условиях чрезвычайных ситуаций, техногенных и природных помех, при работе в удаленных условиях – шахты, стройки, связь в горах, тайге и пустынях – важен вопрос о том, как передавать информацию друг другу, если нет возможности связаться по телефону или через интернет. Связи необходимо быть надежной, защищенной от сбоев и потери данных, ее не должна прерывать гроза или физическое препятствие (например, бетонная стена). Ученые Пермского Политеха представили инновационную переносную цифровую радиостанцию, которая обеспечивает высокую надежность и достоверность передаваемой информации – это достигается за счет передачи речи и данных в двух сетях MANET одновременно в двух частотных диапазонах. Также рация обладает повышенной скоростью: до 300 кбит/с в низкоскоростном (у аналогов до 128-256 кбит/с) и до 54 Мбит/с в высокоскоростном (у аналогов до 15-20 Мбит/с) канале, имеет возможность работы в режиме ретранслятора и узла сети MANET. Это устройство открывает новые возможности для использования в промышленности, экстремальном туризме и спасательных операциях.
На изобретение выдан патент №2841996. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Портативная или переносная радиостанция – это компактное беспроводное устройство для двусторонней радиосвязи, предназначенное для работы «в поле». Она выглядит как небольшая рация с антенной, экраном, кнопками, разъемом для зарядки и гарнитуры, а также аккумулятором. Это незаменимый инструмент там, где нет мобильной связи или интернета – в лесах, горах, шахтах или на удаленных объектах. Такие устройства необходимы для служб спасения, через них общаются охранники, их могут использовать в экстремальном туризме.
Радиостанции работают по принципу передачи и приема радиоволн, которые несут в себе информацию – звук, данные или иные сигналы. Микрофон улавливает голос и преобразует его в электрический сигнал, модулятор изменяет его частоту, передатчик усиливает и отправляет его через антенну в виде радиоволн, а приемник другой рации улавливает волны, декодирует сигнал и воспроизводит его через динамик. Дальность и качество связи зависит от мощности передатчика, частоты, которую использует рация, и физических препятствий (здания, деревья, рельеф), поскольку не каждая радиоволна может проходить через них. Существующие в России переносные радиостанции, как правило, работают в узкополосных каналах связи, которые очень подвержены помехам (в отличие от широкополосных). Это ограничивает их возможности: например, в лесу или в городе связь может пропадать, а возникающие помехи будут мешать обмениваться информацией.
Ученые Пермского Политеха разработали автономную переносную цифровую радиостанцию «ХИТ МАНЕТ», которая способна передавать одни и те же данные одновременно в двух частотных диапазонах (трактах). В результате такого изобретения повышается надежность и достоверность передачи данных, поскольку при отказе или наличии помех в первом тракте второй продолжит работу.
Устройство выглядит как обычная рация, но с двумя антеннами для разных частотных диапазонов, имеет экран, кнопки и разъемы. Внутри есть микропроцессор, который управляет всеми функциями: цифровая обработка голоса и данных, фильтрация звука, работа с интерфейсами Wi-Fi, Bluetooth.
В рацию встроены два трансивера – это такие устройства-микрочипы, которые объединяют и передатчик, и приемник. Один из них, низкоскоростной, работает в метровом диапазоне радиоволн – 130-1000 МГц, а другой, высокоскоростной, – в дециметровом – 2400-2500 МГц. Они обеспечивают лучшее покрытие в различных условиях: радиоволны метрового диапазона огибают природные препятствия, такие как холмы или рощи, а дециметрового – проходят сквозь бетонную стену с металлической арматурой. Это позволяет поддерживать стабильную связь даже в сложных условиях – например, в городах с плотной застройкой, в горах, шахтах.
В низкоскоростном трансивере используется метод расширения спектра сигнала связи, который повышает устойчивость к помехам. Это происходит благодаря тому, что мощность сигнала «размывается» по спектру и при наложении узкополосных помех теряется только одна часть передаваемого сигнала, так что информация может быть затем восстановлена в приемнике, причем такое возможно даже при сигнале ниже уровня шумов. Это обеспечивает увеличение дальности связи и одновременно снижение мощности передатчика.
Высокоскоростной трансивер использует современные способы модуляции сигнала (BPSK, QPSK и М-QAM), а также технологию OFDM, которая повышает помехоустойчивость. Это особенно важно для городских районов с многоэтажной застройкой, где возникают дополнительные помехи из-за многолучевого переотражения радиоволн – ситуации, когда радиоволны многократно отражаются от поверхностей (стен домов), складываются и как бы искажают сами себя, в результате чего приемник не может принять сигнал.
– Главным отличием нашей разработки от современных аналогов, таких как, например, рации Р-187-П1 Азарт производства НПО Ангстрем, AN/PRC-163 от L3HARRIS и других, является то, что мы используем не одну сеть MANET, а две, причем одновременно на двух частотных диапазонах. Это делает связь более надежной. Сеть MANET (Mobile Ad Hoc Network) – это такая технология связи, благодаря которой рации соединяются между собой напрямую, то есть без вышек или центрального управления. Ее главное преимущество – в том, что отказ одного или нескольких устройств не приведет к полной потери связи. Это делает сеть более гибкой. Использование двух блоков MANET в радиостанции повышает надежность связи в случае сбоя одного из них, а также позволяет покрывать большую территорию, улучшая качество сигнала и доступность сети, – рассказывает Сергей Тюрин, старший преподаватель кафедры «Автоматика и телемеханика» ПНИПУ.
Например, если пожарные в многоэтажном здании потеряют связь с командным пунктом через сотовую сеть, то все равно сохранят ее между своими устройствами благодаря MANET.
Еще одним отличием от аналогов является применение методов «когнитивного радио»: рация может анализировать, какие частоты заняты помехами, и автоматически переходит на свободные. В устройстве также есть и дополнительные функции, отсутствующие в упомянутых выше существующих моделях: адаптивное понижение мощности передачи (для того, чтобы сигнал сложнее было перехватить), защищенный мессенджер и поддержка смартфонов через Bluetooth, две кнопки включения передачи на разных каналах, клонирование настроек и другие функциональные улучшения.
Радиостанция «ХИТ МАНЕТ» обладает и улучшенными техническими характеристиками. Среди них повышенная скорость передачи данных, энергетическая и структурная скрытность (затруднение пеленгации) за счет модуляции с расширением спектра, режим ППРЧ (когда сигнал рации много раз в секунду перепрыгивает по рабочим частотам по особым законам для повышения скрытности), а также информационная скрытность радиопереговоров за счет шифрования AES-256. Мощность передатчиков адаптивно изменяется от 10 мВт до 8 Вт, что обеспечивает дальность связи между соседними узлами сети до 5-30 км. Полного заряда аккумулятора хватит на 3 дня работы в условиях рабочего диапазона температур от -25°С до 55°С.
Новая радиостанция превосходит существующие по надежности передачи данных, повышению достоверности передаваемой информации и помехоустойчивости. Создание такой радиостанции особенно актуально в условиях отсутствия сотовой связи: во время чрезвычайных ситуаций, в спасательных операциях, при работе в удаленных районах.
