Применение технологии беспроводного широкополосного доступа в сетях связи и передачи данных системы управления движением судов

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной
работы, определены объект, предмет и цель исследования, изложены основные научные результаты, представленные к защите, дана оценка новизны, достоверности, практической ценности и теоретической значимости, приведены структура и содержание работы, а также
данные по ее апробации и практическому применению.
Первая глава содержит описание назначения, состава и
решаемых задач ССПД СУДС. Также п
роведен анализ научных работ и экспериментов по применению новых информационных технологий в системах морской связи. Исследования по данной тематике активно проводятся в странах Юго-Восточной Азии, Европы и Северной
Америки.
Так, на территории Республики Корея ведутся работы по
внедрению проекта LTE-Maritime; учеными из Норвегии разработана концепция ССПД WiCAN; исследователи из США предложили автономную морскую беспроводную ячеистую сеть; инженеры из
На основании проведенного анализа с
Во второй главе отражено Владивосток, рассмотрены её проведен анализ
Марокко разработали технологию мобильного WiMax; в Индии ведутся работы по созданию сети морской связи MICRONET. Из отечественных работ стоит отметить эксперимент по модернизации сети радиосвязи в акватории Финского залива. Данные проекты основаны на внедрении технологии беспроводной широкополосной связи в системы морской связи.
новые информационные технологии эффективно применяются в системах морской связи и могут быть рассмотрены для применения в ССПД СУДС с целью повышения качества предоставляемых услуг
делан вывод о том, что
судовождения.
функционирование СУДС
структура (рисунок 1) и зона действия;
состава, топологии и технологии передачи данных
ССПД СУДС Владивосток, а также особенностей распространения радиоволн над морской поверхностью, на основании чего выявлен ряд недостатков, снижающих эффективность работы ССПД и ограничивающих возможности её развития. Для этого произведены расчеты профилей радиотрасс и проанализирована пропускная способность ССПД СУДС Владивосток; рассмотрено перспективное
направление развития ССПД СУДС Владивосток.
РТП Туманная
РТП Брюса
РТП Горсоветская
ЦУ СУДС Владивосток
СУДС Находка
РТП Зарубино
РТП Елены
РТП Голдобин
РТП Посьет
РТП Золотой Рог
Рисунок 1 – Структура СУДС Владивосток
Топология ССПД СУДС Владивосток имеет линейный порядок построения
к нерациональному использованию канального ресурса и снижению пропускной
способности.
РТП АТС-51
(рисунок 2), что негативно отражается на эффективности
функционирования сети и приводит
РТП Горсоветская
РТП Золотой Рог
РТП АТС-51
РТП Елены
РТП Голдобин
ЦУ СУДС Владивосток СУДС Находка
РТП Горсоветская
ЦУ СУДС Владивосток
СУДС Находка
РТП Посьет РТП Зарубино
РТП Туманная
залив Петра Великого
РТП Брюса
200 150 100
Рисунок 2 – Топология ССПД СУДС Владивосток
С помощью специализированного программного комплекса (ПК) «Альбатрос-Территория» (ЗАО «Информационный Космический Центр «Северная корона», г. Санкт-Петербург) построено и проанализировано 9 профилей радиотрасс ССПД СУДС Владивосток. На 3 из них установлено наличие отражений радиоволн от морской поверхности. В качестве примера на рисунке 3 приведен профиль интервала РТП Брюса-РТП Горсоветская.
00 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Расстояние, км
Рисунок 3 – Профиль интервала РТП Брюса-РТП Горсоветская
Результаты проведенного нами анализа радиотрасс ССПД СУДС Владивосток приведены в таблице 1, где «SESR» – коэффициент секунд, характеризующий период со значительным количеством
Высота, м

Посьет- Зарубино Зарубино- Туманная Туманная- Брюса
24,159 0,013685 9,438 0,000572 40,461 0,147253
0,00039 137,8 0,00039 129,3 0,00039 142,6 0,00039 143,8 0,00039 123,4 0,00275 129,7 0,00039 124,4 0,00055 132,8
-43,6 23,4 6,04 -47,1 19,9 нет
ошибок, а «Кнг» – отношение длительности периода неработоспособности канала связи, вызванной отказом аппаратуры или неблагоприятным воздействием среды распространения, к общему времени наблюдения.
Таблица 1 – Результат анализа радиотрасс ССПД СУДС Владивосток
Трасса
Длина, км
SESR, %
Кнг, %
Ослабление, дБ
Входная мощност ь, дБм
Энергет
ический запас, дБ
Участок отражен ий, км
-48,4 18,6
-41,6 25,4
-30,4 41,6 нет -45,7 23,3 нет -27,4 55,6 нет -35,8 45,2 нет
Брюса- 45,772 0,11069 Горсоветская
Горсоветская- 5,817 1,64·10-7 ЦУ СУДС
11,646 13,250
ЦУ СУДС- Голдобин Голдобин- АТС-51 Голдобин- Елены
3,740 1,45·10-5 2,107 6,17·10-9 5,177 1,29·10-6
Выявленные отражения от морской поверхности приводят к интерференции прямых и отраженных волн в точке приема, в следствие чего возникают замирания и межсимвольная интерференция (МСИ). Это является одним из основных дестабилизирующих факторов, который снижает производительность и качественные характеристики каналов связи ССПД СУДС Владивосток, что необходимо учитывать при построении ССПД СУДС.
Необходимость увеличения скорости передачи данных в сети обусловлена ростом объема информации, передаваемой по ССПД СУДС Владивосток, которая, в свою очередь вытекает из необходимости:
– резервирования радиолокационной информации;
– передачи информации видеонаблюдения за судами в реальном масштабе времени;
– передачи информации с систем охранного видеонаблюдения за удаленными объектами СУДС;
– увеличения каналов телефонной связи АТС;
– организации обмена информацией с взаимодействующими органами управления;
– увеличения объема передаваемой информации в направлении корабль-берег;
– организации локальной вычислительной сети (ЛВС) с удаленными объектами СУДС.
Результаты анализа пропускной способности каналов ССПД СУДС Владивосток, проведенного нами на основе технической документации Дальневосточного бассейнового филиала ФГУП «Росморпорт» отражены в таблице 2.
Таблица 2 – Расчетные параметры РРЛ ССПД СУДС Владивосток
Максимальная скорость, Мбит/с
Фактическая скорость, Мбит/с
Требуемая скорость, Мбит/с
Использование ресурса радиотрассы, %
Посьет- Зарубино Зарубино- Туманная Туманная- Брюса Брюса- Горсоветская Горсоветская- ЦУ СУДС Елены- Голдобин АТС-51- Голдобин
Голдобин- ЦУ СУДС
16 5,3 32 16,5 32 17,3 32 23
155 23,5 8 8 155 106,1 155 63,1
11,3 71
28,5 89
29,3 92
40,2 Недостаток ресурса
40,7 26
36,2 Недостаток ресурса
328,3 Недостаток ресурса
251,1 Недостаток ресурса
По результатам анализа сделаны следующие выводы:
– ССПД СУДС Владивосток на базе РРС присущ ряд недостатков, которые снижают эффективность ее функционирования;
– наличие отражений от морской поверхности на радиотрассах ССПД СУДС Владивосток является одним из основных дестабилизирующих факторов, который снижает производительность и качественные характеристики каналов связи ССПД;
– имеющаяся пропускная способность ССПД недостаточна для совершенствования качества информационного обеспечении ЦУ СУДС Владивосток и обеспечения его дальнейшего развития.
Перспективное развитие ССПД СУДС в рамках концепции е- Навигации заключается во внедрении новых информационных технологий, способных обеспечить интеграцию обслуживающих судовождение служб и систем в единое информационное пространство. Для оценки степени влияния отражений от морской поверхности на качество каналов связи ССПД СУДС Владивосток необходимо учитывать параметры подстилающей морской поверхности в соответствии с разработанной математической моделью.
На интервалах ССПД СУДС Владивосток в основном используется сантиметровый диапазон электромагнитных волн, поэтому подстилающая морская поверхность является для них «шероховатой», что обусловливает диффузное отражение радиоволн в соответствии с критерием Релея, связывающим такие параметры как высота неровностей, длина радиоволны и угол скольжения.
Критерий Релея носит приближенный характер, поскольку не учитывает форму морской поверхности (высоту, длину и направление распространения волн относительно радиотрассы).
Для оценки параметров морских волн использована гидродинамическая модель SWAN. Исходные данные для модели SWAN получены с помощью глобальной модели атмосферы ICON.
В третьей главе проведено исследование параметров
подстилающей морской поверхности на радиотрассах ССПД СУДС Владивосток, разработана математическая модель расчета радиотрасс с учетом влияния на них подстилающей морской поверхности и получены результаты моделирования распространения
радиосигналов над морем на примере ССПД СУДС Владивосток.
Состояние морской поверхности на радиотрассах ССПД СУДС Владивосток оценивалось по следующим параметрам – высоте, периоду и направлению вынужденных и свободных волн.
Оценка значений вышеприведенных параметров морской поверхности проводилась каждый день с 01:00 до 22:00 (с интервалом 3 часа) 2020 года. Распространение морских волн оценивалось по восьми направлениям – северному (С), северо-восточному (СВ), восточному (В), юго-восточному (ЮВ), южному (Ю), юго-западному (ЮЗ), западному (З) и северо-западному (СЗ).
На основании статистической обработки параметров морских волн для радиотрасс ССПД СУДС Владивосток были построены соответствующие гистограммы и интегральные функции распределения высот, длин (рисунок 4) и направлений (рисунок 5) вынужденных и свободных морских волн.
1400 1400
110,00%
700 110,00% 700
8 8 00, 0 0 % %
70,00%
60,00% 60 %
50,00%
40,00% 40 %
100,00% 100 %
100 % 90,00%
1300 100,00%
600 1200 600
1200
1100 100100
90,00%
80,00% 5050
800 800
600 600
400 400
200 200
400 400
50,00% 300 300
900 70,00%
60,00% 60 %
4
200
%
,00%
30,00%
200 30,00% 20,00%
100 100
0 0,00% 00%
Высоты свободных волн, м
1200 110,00% 1200
100,00%
1100 100 %
20 % 10,00%
20 % 10,00%
20,00%
0 0,00% 00%
0 0,10,20,30,40,50,60,70,80,9 1 1,21,11,31,41,61,51,71,92,4 2 2,12,53,23,84,4
Высоты вынужденных волн, м
1400 1400
1300
1200 1200
1100
000 10100
800 800
600 600
110,00%
100,00% 100 %
1000 1000
а
90,00%
80,00% 80 %
70,00%
60,00% 60 %
50,00%
40,00% 40 %
30,00%
90,00%
80,00%
900 80%
800 800
70,00%
60,00% 60%
50,00%
40,00% 40 %
30,00%
60 500
400 400
6
00 0
40 300
20 100
0 0
,00%
0,0
0 0
20 %
10,00%
0,00% 0%
б
Рисунок 4 – Высоты (а) и длины (б) морских волн за 2020 год
0 0
0% 20 %
100 10,00%
00 2 200
0,0
1,6
6,2
14,0
25,0
39,0
56,2
76,5
99,9
124,8
Еще
39,0 56,2 25,0 76,5 99,9 124,8 14,0 151,3 178,1 204,8 231,1 257,1 0,0 282,6 307,7 Еще
Длины свободных волн, м
0,00% 0%
Длины вынужденных волн, м
0,0 1,6 6,2
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,1 1,4 1,5 1,9 2 2,5 3,8
14,0 25,0 39,0 56,2 76,5 99,9
124,8
39,0 56,2 25,0 76,5 99,9
0,3 0,3 0,4 0,2 0,2 0,5 ,6 0,06 0,7 ,1 0,01 0,8 ,9 0,09 1 ,1 1,1 1,2 ,3 1,13 1,4
124,8 14,0 151,3 178,1 204,8 231,1 257,1 0,0 282,6 307,7
,5 1,5 1,6 ,7 1,17 1,8 2,3 2,3 2,6 2,28,8 0 22 2,2 2,27,7 2,9 3,31,1 4 4,43,3 4,6 4,48,8 Еще
Количество событий
Количество событий
Количество событий
Количество событий

1400 1200 1000
800 600 400 200
100 %
80 % 1000 60% 800
100 % 80 % 60 % 40 % 20 %
ЮВ Ю ЮЗ СВ В СЗ С З – 0%
Направления свободных волн
– Ю ЮВ СЗ ЮЗ С СВ З В
400 20% 200 0% 0
Направления вынужденных волн
40 %
14
1200
Рисунок 5 – Направления морских волн за 2020 год
Анализ параметров подстилающей морской поверхности позволяет сделать следующие выводы (таблица 3):
– значения высот и длин вынужденных волн зависят от времени года и в осенне-зимний период они наиболее значительные;
– значения высот свободных волн зависят от времени года и в весенне-летне-осенний период они наиболее значительные за счет преобладания в этот период волнений южных и юго-восточных направлений;
– в каждом сезоне наиболее вероятны волнения направлений, перпендикулярных радиотрассе (СЗ, ЮВ), формирующие зеркальную отражающую поверхность.
Таблица 3 – Значения параметров морской поверхности
Наиболее вероятные высоты вынужденных волн, м Наиболее вероятные длины вынужденных волн, м Наиболее вероятные высоты свободных волн, м Наиболее вероятные длины свободных волн, м Наиболее вероятные направления вынужденных волн Наиболее вероятные направления свободных волн
Зима 0 / 0,1
0 / 6,2 / 1,6 0,2 / 0,3 39 / 25
– / СЗ ЮВ / ЮЗ
Весна 0 / 0,1
0 / 1,6 0,4 / 0,3 39 / 56,2 – / СЗ Ю / ЮВ
Лето 0 / 0,1
0 / 1,6 0,4 / 0,3 39 / 25 – / ЮВ ЮВ / Ю
Осень 0 / 0,1
0 / 6,2 0,3 / 0,2 39 / 56,2 – / ЮЗ ЮВ / Ю
Год 0 / 0,1
0 / 1,6 / 6,2 0,3 / 0,4 39 / 56,2 – / Ю ЮВ / Ю
Количество событий
Количество событий

Исходные данные
Выходные данные
Определить участок отражений
Рассчитать потери в свободном пространстве
0,4
0,9
0,35
0,6
0,2 0,15 0,20,15 0,5 0,1
рисунки
На базе полученных распределений (
4, 5) разработана
модель расчета радиотрасс ССПД СУДС, учитывающая влияние подстилающей морской поверхности, она реализована с помощью высокоуровневого языка программирования Python по алгоритму,
представленному на рисунке 6.
Рассчитать ослабление
в атмосферных газах
в туманах и облаках
Рассчитать коэффициенты отражения и расходимости от вынужденной волны
При анализе годовой статистки параметров морской поверхности на радиотрассах ССПД СУДС Владивосток получены зависимости коэффициента ослабления от амплитуд и эквивалентных длин вынужденных (рисунки 7, 8) и свободных (рисунки 9, 10) морских волн исследуемых направлений. В качестве примера приведены графики только для наиболее характерных направлений для данного региона. Зеленым цветом выделены области наиболее вероятных значений амплитуд и длин волн.
0,9
0,8
0,7 0,25
0,8 0,3 0,7
40
35 30 25 20 15 10 5
0,40,305,30,25
0,05 5
10 15 20 25
30 35 40
0,05 0,1
0,5
0,6
Рисунок 7 – Зависимость коэффициента ослабления от амплитуд и эквивалентных длин вынужденных морских волн северных и южных направлений
Рассчитать минимально допустимый множитель ослабления
Рассчитать зависимость коэффициента ослабления от амплитуд и длин морских волн
Рассчитать процент замираний
Рассчитать множитель ослабления
Рассчитать коэффициент ослабления
Рисунок 6 – Алгоритм расчета морских радиотрасс
Рассчитать коэффициенты отражения и расходимости от свободной волны

40 35
30 25 20 15 10
0,20,15
0,305,30,25 0,4
0,5
0,05 0,1
0,9 0,8 0,7 0,6
0,5 0,4
2 0,9 1,75 1,5 1,25 0,7 1 0,6 0,75 0,5 0,25
0
0,5
1,5
0,8
0,5
1 0
600 800
200 400
100 200
300 400
500 600 700 800
Рисунок 8 – Зависимость коэффициента ослабления от амплитуд и эквивалентных длин вынужденных морских волн северо-западных и юго-восточных направлений
0,9 0,9
0,4 0,35
0,8 0,7 0,6 0,5
0,8 0,3 0,25
0,7
0,6 0,15
0,1 0,05
Рисунок 9 – Зависимость коэффициента ослабления от амплитуд и эквивалентных длин свободных морских волн северных и южных направлений
0,2
5 10 15 20 25 30 35 40
0,9 0,8 0,7 0,6
0,5 0,4
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5
2 1,75 1,5 1,25 1 0,75 0,5 0,25
0 0,5
1,5
0 200
100 200
300 400
500 600 700 800
400 600
Рисунок 10 – Зависимость коэффициента ослабления от амплитуд и эквивалентных длин свободных морских волн северо-западных и юго-восточных направлений
Вышеприведенные графики, построенные на основе данных параметров морской поверхности на радиотрассе РТП Брюса-РТП Горсоветская ССПД СУДС Владивосток, показывают, что при наименьших амплитудах и наибольших длинах морских волн коэффициент ослабления стремится к 1. Это формирует зеркальную отражающую поверхность и является наихудшим вариантом формирования интерференционной картины в точке приема сигнала.
Наиболее вероятным является сценарий не полного пропадания канала связи, а его ухудшение, что приведет к снижению скорости передачи данных. Однако при увеличении объема передаваемой информации степень влияния параметров среды на качество каналов связи будет возрастать и противоречие между требуемой и реализуемой пропускной способностью ССПД СУДС будет обостряться.
В результате проведенного исследования установлено:
– морская поверхность оказывает большое воздействие на качество каналов связи ССПД СУДС, что необходимо учитывать при построении сетей передачи данных над морской поверхностью;
– проведенные нами исследования позволят точно производить расчеты радиотрасс над морской поверхностью, что обеспечит надежную и устойчивую работу ССПД СУДС и повысит безопасность мореплавания;
– при организации новых ССПД СУДС полученные нами данные позволят производить выбор оптимального направления радиотрасс, обеспечивающего наибольшую устойчивость работы, а также совершенствовать действующие ССПД СУДС с учетом статистики волнений моря путем применения различных методов борьбы с МСИ.
ля численной оценки которого используется критерий результат/стоимость. Он представляет собой себестоимость информации, передаваемой по одному каналу связи и определяется отношением стоимости оборудования и работ на построение сети связи к количеству
организованных каналов связи.
В четвертой главе произведен сравнительный анализ и выбор
технологии передачи данных, разработана структура и технические
решения для совершенствования ССПД СУДС Владивосток.
Сравнение технологий передачи данных осуществляется на
основании показателя эффективности, д
В зависимости от технологии построения ССПД СУДС, стоимость оборудования, работ и количество каналов связи будет меняться, что отразится на показателе эффективности.
На основании разработанной модели произведен выбор новой топологии
Выполнен сравнительный анализ оборудования БШД с целью
применения в ССПД СУДС Владивосток, по результатам которого
сделан выбор в пользу отечественной компании-разработчика.
, обеспечивающей наиболее устойчивую связь с учетом
влияния морской поверхности
,в
первые разработаны новая структура
(рисунок 11) и схема (рисунок 12) ССПД СУДС Владивосток.
Морские суда
РТП Голдобин
Морские суда
РТП Золотой Рог
РТП Горсоветская
Морские суда
РТП АТС-51
Морские суда
Морские суда
РТП Елены
ЦУ СУДС Находка
ЦУ СУДС Владивосток
Морские суда
Морские суда
РТП Посьет
РТП Зарубино
Морские суда
Морские суда
РТП Туманная
РТП Брюса
Морские суда
МО РФ
ГМССБ
Порты
Рисунок 11 – Структура перспективной ССПД СУДС Владивосток
РТП Горсоветская
РТП Золотой Рог
РТП АТС-51
РТП Голдобин
РТП Елена сектор БС
ЦУ СУДС Владивосток
сектор БС РТП Посьет
РТП Зарубино
сектор БС
РТП Туманная
залив Петра Великого
Рисунок 12 – Схема перспективной ССПД СУДС Владивосток Произведен
(рисунок 13).
Брюса
Рисунок 13 – ССПД СУДС Владивосток в направлении берег-судно
сектор БС
РТП Горсоветская
ЦУ СУДС Владивосток
СУДС Находка
РТП Брюса
расчет зоны покрытия морской связи ССПД СУДС
Владивосток, обеспечивающей передачу данных с судами со
скоростью 30 Мбит/с на расстоянии 40 км от берега.
Горсоветская
Золотой Рог АТС-51
Голдобин
Елены ЦУ СУДС Владивосток
Посьет Зарубино Туманная

Состав объектов ССПД СУДС
Расчет радиотрасс
В результате проделанной работы, впервые разработан алгоритм применения БШД в ССПД СУДС (рисунок 14).
А
Исходные данные
Выбор технологии БШД
Объем передаваемой информации
Оценка влияния морской поверхности
Разработка ТЗ
Выбор оборудования БШД
ТТХ БШД
Определение участков отражения
Оценка эффективности технологии БШД
Определение топологии ССПД БШД
Расчет зоны покрытия
в направлении берег-судно
А
ВОЛС / РРС
Рисунок 14 – Структура алгоритма применения БШД в ССПД СУДС
По результатам проведенного анализа установлено:
– наиболее оптимальной для совершенствования ССПД СУДС в целях повышения безопасности мореплавания является технология БШД;
– зона покрытия сети БШД полностью соответствует зоне ответственности СУДС Владивосток и может обеспечить передачу данных о надводной обстановке без ограничений;
– предложенные технические решения по совершенствованию ССПД СУДС Владивосток на базе БШД обеспечат предоставление широкополосных услуг органам управления судовождением и возможность управления качеством сети;
– эффективность применения БШД в ССПД СУДС по критерию результат/стоимость существенно превышает другие способы передачи данных о надводной обстановке;
– внедрение БШД в ССПД СУДС Владивосток создаст необходимые условия для реализации концепции е-Навигация в
Конечная стоимость проекта
интересах повышения безопасности мореплавания в рассматриваемом районе.
В заключении приведены основные результаты и выводы:
1.Разработан алгоритм применения БШД в ССПД СУДС, учитывающий расположение радиотрасс над морской поверхностью. 2. Разработана новая структура ССПД СУДС Владивосток на базе
БШД, обеспечивающая обмен данными с судами в режиме реального времени.
3. Разработана математическая модель расчета радиотрасс, учитывающая влияние морской поверхности на функционирование ССПД СУДС.
4.
5. Произведен расчет зоны покрытия ССПД в направлении берег- судно, которая обеспечит устойчивую передачу данных в зоне ответственности СУДС Владивосток.