Доклад: Пакетные радиомодемы

ПАКЕТНЫЕ РАДИОМОДЕМЫ

Передача данных по радиоканалу во многих случаях надежнее и дешевле, чем передача по коммутируемым или арендованным каналам, и особенно по каналам сотовых сетей связи. В ситуациях, характеризующихся отсутствием развитой инфраструктуры связи, использование радиосредств для передачи данных часто является единственно разумным вариантом организации связи. Сеть передачи данных с использованием радиомодемов может быть оперативно развернута практически в любом географическом регионе. В зависимости от используемых приемопередатчиков (радиостанций) такая сеть может обслуживать своих абонентов в зоне радиусом от единиц до десятков и даже сотен километров. Огромную практическую ценность радиомодемы имеют там, где необходима передача небольших объемов информации (документов, справок, анкет, телеметрии, ответов на запросы к базам данных и т.п.).

Радиомодемы часто называют пакетными контроллерами (TNC — Terminal Node Controller) по причине того, что в их состав входит специализированный контроллер, реализующий функции обмена данными с компьютером, управления процедурами форматирования кадров и доступа к общему радиоканалу в соответствии с реализованным методом множественного доступа. Рассматриваемые здесь радиомодемы во многом похожи на интеллектуальные модемы для телефонных каналов КТСОП. Главное же их отличие в том, что радиомодемы ориентированы для работы в едином радиоканале со многими пользователями (в канале множественного доступа), а не в канале типа "точка-точка".

Алгоритмы функционирования пакетных радиосетей регламентируются Рекомендацией АХ.25.

10.1. Стандарт АХ. 25

Рекомендация АХ.25 устанавливает единый протокол обмена пакетами, т.е. обязательный для всех пользователей пакетных радиосетей порядок осуществления обмена данными. Стандарт АХ.25 представляет собой специально переработанную для пакетных радиосетей версию стандарта Х.25.

Особенность пакетных радиосетей заключается в том, что один и тот же радиоканал используется для передачи данных всеми пользователями сети в режиме множественного доступа. Протокол обмена АХ.25 предусматривает множественный доступ в канал связи с контролем занятости. Все пользователи (станции) сети считаются равноправными. Прежде чем начать передачу радиомодем проверяет свободен канал или нет. Если канал занят, то передача своих данных радиомодемом откладывается до момента его освобождения. Если радиомодем обнаруживает канал свободным, то он сразу же начинает передачу своей информации. Очевидно, что в тот же самый момент может начать передачу и любой другой пользователь данной радиосети. В этом случае происходит наложение (конфликт) сигналов двух радиомодемов, в результате чего их данные с высокой вероятностью серьезно исказятся под воздействием взаимных помех. Радиомодем-передатчик узнает об этом получив отрицательное подтверждения на переданный пакет данных от радиомодема-получателя или в результате превышения времени тайм-аута. В такой ситуации он обязан будет повторить передачу этого пакета по уже описанному алгоритму.

При пакетной связи информация в канале передается в виде отдельных блоков — кадров. В основном их формат соответствует формату кадров известного протокола HDLC, однако есть отличия, рассматриваемые далее.

10.2. Формат кадров

Согласно Рекомендации АХ.25 кадры подразделяются на служебные и информационные и имеют следующий формат:

Начало и конец кадра отмечаются флагами FLAG, т.е. комбинациями вида <01111110>, что облегчает прием кадра на фоне помех. Поле адреса ADRES содержит адреса отправителя, получателя и станций-ретрансляторов, если таковые имеются. Размер адресного поля может составлять от 14 до 70 байт.

Поле управления CONT определяет тип кадра: информационный или служебный. Служебные кадры, в свою очередь, могут подразделяться на суперви-зорные и ненумерованные. Супервизорные кадры служат для подтверждения приема неискаженных помехами кадров или для запроса повторной передачи искаженных кадров. Ненумерованные кадры предназначены для установления логического соединения и в случаях управления обменом в сети.

Длина информационного поля INFORM, представляющая собой пакет сетевого уровня, в пакетных радиосетях обычно не превышает несколько сотен байт. Увеличение длины информационного поля приводит к повышению вероятности поражения помехой и возрастанию времени ожидания передачи пакетов другими пользователями.

При реализации сетевого (третьего) уровня протокола АХ.25 используется поле определения протокола, которое выступает как часть информационного поля и является необязательным.

Контрольное поле кадра (CRC-16) предназначено для обнаружения ошибок в кадре при его передаче.

Адресное поле может содержать от двух до десяти логических адресов. Простейшим случаем является адресное поле из двух адресов (два пользователя). Если пользователи находятся вне зона радиовидимости, то могут использовать радиомодемы других пользователей сети в качестве ретрансляторов. Таких ретрансляторов для одного логического канала может быть до восьми. Адреса ретрансляторов также присутствуют в адресном поле кадра. Таким образом поля адреса делится на три подполя: получателя, отправителя и ретранслятора. Формат адресного поля следующий:

Занесенные в него адреса могут состоять не более чем из шести символов. Если адрес состоит менее чем из шести символов, он дополняется соответствующим количеством пробелов.

После адреса в каждом подполе идет вторичный идентификатор пользователя (станции) SSID (Secondary Station IDentifier). Это некоторое число от 0 до 15. Оно определяет уровень сервиса данного пользователя, например, что он имеет несколько станций пакетной радиосвязи, работающих в разных диапазонах, поддерживает функции электронного почтового ящика BBS, или является сетевым узлом-ретранслятором NET/ROM. Обычный пользователь работает без вторичного идентификатора или с идентификатором равным 1. Идентификатор BBS и узловой станции может быть равен значениям от 2 до 9. При прохождении кадра транзитом через узел NET/ROM вторичный идентификатор получает значения от 10 до 15, в зависимости от того, через сколько узловых станций он прошел.

Значение идентификатора в двоичном виде занимает четыре бита — со второго по пятый в байте, следующем после каждого адреса. Первый бит этого байта используется как признак конца адресного поля. Если он равен единице, то это признак последнего банта адресного поля. Для шестого и седьмого битов рассматриваемого байта нет определенного назначения, и они могут использоваться в отдельных сетях по усмотрению ее пользователей или администратора сети, если такой имеется.

Восьмой бит в последнем байте подполя отправителя и получателя всегда устанавливается в нуль. В подполе ретранслятора его устанавливают в единицу, если кадр прошел через ретранслятор, и в нуль, если нет. Установление бита ретранслятора необходимо для того, чтобы ретрансляторы, находящиеся в зоне радиовидимости друг друга, следовали очередности передачи кадров через себя и выполняли эту процедуру строго в порядке, указанном отправителем кадра.

Управляющее поле содержит информацию о типе кадра, которая используется для определения назначения сообщения. Протокол АХ.25 использует три основных типа кадров: I — информационные, содержащие информацию пользователя либо прикладного процесса; S — супервизорные (служебные), подтверждающие правильный прием кадра или содержащие запрос на выдачу очередного информационного кадра; U — ненумерованные кадры, управляющие запросами на соединение-разъединение.

Кроме того, управляющее поле содержит номер кадра, который ожидает принять радиомодем корреспондента-получателя. Для повторной передачи искаженных кадров используются механизм ARQ типа GBN и SR.

Информационное поле кадра содержит информационный пакет размером до 256 байт. При передачи текстовой информации в терминальном режиме информационное поле представляет собой последовательность символов пользователя, которые при приеме отображается на экране компьютера корреспондента.

Иногда первый байт информационного поля выступает в качестве самостоятельного подполя-идентификатора протокола. Это происходит при использовании сетевого (третьего) уровня протокола АХ.25 при прохождении пакета через станции NET /ROM.

Контрольное поле кадра, как и в других протоколах, служит для проверки правильности передачи данных. Формирование контрольного поля кадра происходит при использовании образующего полинома CRC-1 б ^x^=-c +х +х +1 в соответствии с алгоритмом, приведенным в Рекомендации ISO 3309, аналогично правилам формирования контрольного поля кадра протоколов HDLC и V.42. При приеме также подсчитывается контрольное поле, которое сравнивается с принятым значением. При несовпадении контрольных последовательностей осуществляется запрос повторной передачи кадра.

10.3. Физическая реализация радиомодемов

Типичная станция пакетной связи включает в себя компьютер (обычно портативный типа notebook), собственно радиомодем (TNC), приемопередатчик (радиостанция) УКВ или КВ-диапазона (рис. 10.1).

Рис. ЮЛ. Состав станции пакетной связи

Компьютер взаимодействует с радиомодемом посредством одного из известных итерфейсов DTE—DCE. Практически всегда применяется последовательный интерфейс RS-232. Передаваемые из компьютера в радиомодем данные могут быть либо командой, либо информацией, предназначенной для передачи по радиоканалу. В первом случае команда декодируется и исполняется, во втором — формируется кадр в соответствии с протоколом АХ.25. Перед непосредственной передачей кадра последовательность его битов кодируется линейным кодом без возврата к нулю NRZ-I (Non Return to Zeroln-verted). Согласно правила кодирования NRZ-I перепад физического уровня сигнала происходит в случае, когда в исходной последовательности данных встречается нуль. Временная диаграмма, поясняющая процесс кодирования кодом NRZ-I приведена на рис. 10.2.

Пакетный радиомодем представляет собой совокупность двух устройств:

собственно модема и собственно контроллера TNC. Контроллер и модем связаны между собой четырьмя линиями (на рис. 10.1 не показаны): TxD — для передачи кадров в коде NRZ-I, RxD — для приема кадров от модема также в коде NRZ-I, РТТ — для подачи сигнала включения модулятора и DCD — для подачи сигнала занятости канала с модема к контроллеру. Обычно модем и пакетный контроллер конструктивно выполняются в одном корпусе (рис. 10.1). Это и является причиной того, что пакетные радиомодемы называют контроллерами TNC.

Рис. 10.2. Процесс кодирования кодом NRZ-I

Рис. 10.3. Пакетные радиомодемы

Перед передачей кадра контроллер включает модем с помощью сигнала по линии РТТ, а по линии TxD посылает кадр в коде NRZ-I. Модем модулирует получаемую последовательность в соответствии с принятым способом модуляции. Промодулированный сигнал с выхода модулятора поступает на микрофонный вход MIC передатчика.

При приеме кадров модулированная последовательностью импульсов несущая поступает с выхода EAR приемника радиостанции на вход демодулятора. С демодулятора принятый кадр в виде последовательности импульсов в коде NRZ-I поступает в контроллер пакетного радиомодема.

Одновременно с появлением в канале сигнала в модеме срабатывает специ альный детектор, вырабатывающий на своем выходе сигнал занятости канала. Сигнал РТТ, помимо включения модулятора, также выполняет функцию переключения мощности передачи. Обычно она реализуется посредством транзисторного ключа, который переключает приемопередатчик с режима приема в режим передачи.

В пакетной радиосвязи на базе типовых радиостанций применяются два способа модуляции для коротких и ультракоротких волн. На KB используется однополосная модуляция для формирования канала тональной частоты в радиоканале. Для передачи данных применяется частотная модуляция под-несущей в полосе частот телефонного канала 0,3 до 3,4 кГц. Значение частоты поднесущей может быть различной, а разнос частот всегда равен 200 Гц.

Таблица 10.1. Сравнительные характеристики пакетных радиомодемов

В таком режиме обеспечивается скорость передачи, равная 300 бит/с. В Европе обычно используется частота 1850 Гц для передачи "О" и 1650 Гц для "1".

В У KB диапазоне чаще работают на скорости 1200 бит/с при использовании частотной модуляции с разносом поднесущих частот 1000 Гц. Принято, что "О" соответствует частота 1200 Гц, а "1" - 2200 Гц. Реже в диапазоне УКВ применяют относительную фазовую модуляцию (ОФМ). В этом случае достигаются скорости передачи 2400, 4800, а иногда 9600 и 19200 бит/с.

В качестве примера на рис. 10.3 приведены фотографии, а в табл. 10.1 — сравнительные характеристики некоторых промышленно выпускаемых пакетных радиомодемов.

10.4. Применение радиомодемов

Для успешного использования радиомодема необходимо правильное его подключение к компьютеру с одной стороны, и к радиостанции — с другой.

Для подключения радиомодема к компьютеру при использовании последовательного интерфейса RS-232 необходимо обратить внимание на правильность (одинаковость) установки параметров обмена между компьютером и радиомодемом: скорость, размер информационного символа (7 или 8 бит), четность (Even — четный бит, Odd — нечетный, Mark — всегда 1, Space — всегда 0) и число стоповых бит (1, 1,5 или 2). Эти параметры в радиомодемах устанавливаются DIP-переключателями, реже перемычками или программно. Во многих современных моделях радиомодемов реализована автоматическая настройка на требуемую скорость обмена с компьютером. Особое внимание следует обратить на используемый протокол управления потоком: аппаратный или программный. При этом каждому из протоколов должен соответствовать свой соединительный кабель с соответствующей распайкой. Более подробная информация по этому вопросу была изложена в гл. 3.

Радиомодем со встроенным контроллером является интеллектуальным устройством. Он выполняет множество функций и имеет свою систему команд. По этой причине не обязательно подключать к нему персональный компьютер, в простейшем случае достаточно терминала. Компьютер удобнее тем, что позволяет записывать в память принятую информацию, подготавливать к передаче данные и выполнять ряд других сервисных функций.

Для совместной работы радиомодема и компьютера, последний необходимо перевести в режим терминала с помощью любой из доступных терминальных программ. Такие программы существуют для любых типов компьютеров. Наиболее известными терминальными программами для IBM PC-совместимых компьютеров являются TELIX, PROCOMM, МТЕ, QMODEM и т.д. Использовать можно любую из них. Существуют и специализированные терминальные программы для пакетной связи, например, PC-Pacratt — для Windows, Мас-RATT — для компьютеров Macintosh, COM-Pacratt — для компьютеров Commodore. Также разработаны и имеются в продаже программы передачи факсов в пакетных радиосетях. Это программы AEA-FAX, АЕА WeFAX и ряд других. Продаваемые радиомодемы, как правило, комплектуются дискетой с терминальной программой.

Сдерживающим фактором применения для радиомодемов всего спектра программного обеспечения, разработанного для обычных модемов, является система команд управления радиомодема, отличная от набора АТ-команд.

Единого рецепта для подключения радиомодемов и радиостанций разных типов нет и быть не может. Однако можно сделать несколько общих замечаний.

Наиболее просто подключить радиостанцию, имеющую разъем для выносной гарнитуры, — устройства, совмещающего функции микрофона, телефона (громкоговорителя) и переключателя управления приемом/передачей радиостанции. В этом случае подключение сводится к изготовления соединительного кабеля от радиомодема к приемопередатчику. При этом, как и в любом другом случае, необходимо тщательно изучить техническую документацию как на ра-диомодем, так и на радиостанцию, особенно, касающуюся цепей коммутации.

Если радиостанция не имеет разъема для выносной гарнитуры, то придется либо отказаться от ее использования, либо вскрывать корпус и подключаться непосредственно к схеме станции, опять же руководствуясь документацией. Такая модернизация радиостанции является довольно сложным и рискованным делом и должна производится квалифицированными специалистами.