Komteh modemi ‑ modemi za prijenos podataka radio‑vezom

Opis i dizajn parametri

1. Uvod

Od osnivanja 1990. godine, glavno područje djelovanja Komteha su radiokomunikacije, odnosno projektiranje, razvoj, proizvodnja, dobava, montaža i održavanje radijskih sustava, opreme i komponenti. U tom okviru osobito važno polje je razvoj i proizvodnja radio-komunikacijske opreme, poput prijamnika, odašiljača, RF filtera, antena i antenskih sustava, kontrolera, digitalnih i tonskih signalizacijskih sklopova i drugog. Jedan od produkata razvoja je porodica modema namijenjenih prijenosu podataka monokanalnim i pokretnim radijskim vezama.

 

2. Područja primjene monokanalne i pokretne podatkovne radio-veze

Iako javne pokretne telekomunikacije, primjerice GSM i GPRS, mogu zadovoljiti potrebe mnogih korisnika, svakako ostaje znakoviti broj aplikacija koje su gotovo neostvarive bez predmetnih podatkovnih veza. Prvenstveno su to SCADA, DGPS, AVL, telemetrija i daljinsko upravljanje i slično. Sve ove aplikacije zahtijevaju pouzdan prijenos male količine podataka relativno malom brzinom, recimo nekoliko stotina byta po transmisiji uz brzinu primjerice 1200 ili 2400 bps. S druge strane, redoviti zahtjev je spektralna i energetska učinkovitost, drugim riječima traži se postizanje velikog dometa uz minimalne snage odašiljača; Primjerice, SCADA elektrodistribucije tipično obuhvaća postrojenja udaljena više desetaka kilometara, ili ekstremnije, telemetrija bespilotne letjelice imala je domet stotinjak kilometara.

 

3. Problematika radijskog prijenosa podataka

Jasno je da se poradi DC komponente, radijskim uređajima, slično kao i POTS-om (Plain Old Telephone Service), digitalni baseband signali ne mogu prenositi – nužna je uporaba modema. Povijesno, pokušaji prijenosa podataka putem, na radio-postaje spojenih, telefonskih modema nisu davali zadovoljavajuće rezultate. Razlozi su brojni, primjerice:

1. simpleksni karakter radio-veze zahtjeva RTS/CTS razmjenu koju većina aplikacija ne predviđa,
2. simpleksni karakter veze onemogućava trening modema,
3. dugotrajno prekapčanja prijam/odašiljanje radio-postaje često uzrokuje time-out aplikacije,
4. fazna i amplitudna izobličenja, svojstvena radio-uređajima i prenosnom putu, imaju za posljedicu veliki BER, čak i u uvjetima dobrog odnosa S/N.

Nekolicina proizvođača identificirala je navedeno i ponudila tržištu specijalizirane radio-modeme. Primjerice to su uređaji Pathfinder, ESTeem, Niros, Satel i drugi. Iako ti uređaji ne pate od navedenih teškoća, u praksi se javljaju drugi problemi poput:

1. Poradi marketinških razloga ovi radio-modemi rade nepotrebno velikim brzinama (9600 bps i više). Naravno zbog toga trpi osjetljivosti prijamnika – tipično deklarirana osjetljivost je -105 dBm, dakle osjetno manje prema -115 dBm koliko je ostvarivo za brzinu 1200 bps i/ili prijenos govora

1. Uređaji su gotovo nedobavljivi za pojas VHF 2m, a posve nedobavljivi za VHF 4m pojas.
2. Cijena uređaja je nesrazmjerno visoka u usporedbi sa cijenama PMR radio-uređaja.
3. Poradi neisporučljive dokumentacije i pričuvnih dijelova, uređaji su praktički nepopravljivi – gotovo svaki kvar iziskuje zamjenu koja nije jeftina.
4. Bespotrebna minijaturizacija uzrok je limitiranju snage odašiljača (tipično na 1 ili 2 W) i/ili ograničenoj interimitenciji.

Uvidjevši tehničku i gospodarstvenu neopravdanost uporabe spomenutih radio-modema, Komteh je krenuo drugim putem. Razvijen je modem koji, u kombinaciji sa uobičajenom govornom radijskom postajom, tvori radio-modem bez opisanih nedostataka. Ispravnost ovakvog pristupa potvrđuju mnogobrojne primjene kako će biti dalje dokumentirano.

3.1 Diskusija podatkovne brzine

Primjer sustava za automatsko određivanje, prijenos i uporabu podataka pozicije vozila, uobičajeni naziv AVL (Auto­ma­tic Vehicle Location), biti će korišten za ilustraciju utjecaja brzine prijenosa podataka mobilnim radijskim vezama. U AVL sustavu podaci pozicije osmotrene na vozilu prenose se središnjice AVL sustava, gdje se podaci u odgovarajućoj formi koriste i prezentiraju.

Za početak odrediti će se količinu podataka koja se prenosi – tabela pokazuje količine informacija koje vozilo može generirati
Tijek podataka u AVL sustavu

 

Naziv	Količina informacija	Opaska
Identifikacija vozila	12 bita	Omogućava identifikaciju do 4096 vozila
Pozicija, širina	28 bita	7 BCD-a, nepromjenjivi dio se ne prenosi
Pozicija, dužina	28 bita	7 BCD-a, nepromjenjivi dio se ne prenosi
Status	8 bita	256 kombinacija
CRC	16 bita	Omogućava detekcija pogreške u prenosu
Ukupno	92 bita	Ukupna količina informacija
Total hamming enkodirano	161 bita	FEC jednostruke greške

 

Slijedi procjena postizljive podatkovne brzine i utjecaja na trajanje prijenosa.

 

Tip modulacije i brzina prijenosa podataka

Znakovito ograničenje postizanja brzine prijenosa podataka je nelegalnost bilo kakvog zahvata na radio-postaji, izuzev priključivanja, programiranja i ugađanja. Poradi toga, jedini način prijenosa podataka uobičajenom radio-postajom namijenjenom go­vor­nom komuniciranju, je podatkovna modulacija analognog podnosioca koji dalje modulira RF prenosni signal radio-postaje – oznaka emisije 16k0F2D. Pri tome su moguća dva tehnička rješenja: audio frequency shift keying (AFSK) i fast frequency shift keying (FFSK).

AFSK je jednostavniji postupak u kojem se frekvencija tonskog podnosioca mijenja ovisno o trenutačnom stanju basband digitalnog signala, primjerice za logičko stanje “0” frekvencija je 1200 Hz, a za logičko stanje “1” frekvencija je 2200 Hz. Slika prikazuje izgled ovako moduliranog podnosioca.

I površni pogled na sliku ukazuje na glavni nedostatak ovog rješenja – frekvencija tonskog podnosioca mijenja se bilo kada. To vodi proširenju spektra, odnosno do uvećanju BER-a pri prolazu signala kroz filtere prijamnika.

Ukoliko se promjena frekvencije tonskog podnosioca dozvoli samo u trenutku prolaza kroz nulu, mogu se očekivati bolji rezultati.

 

Teorija, literatura i iskustvo pokazuju da je optimalno rješenje FFSK modulacija analognog podnosioca. Ovu modulaciju, pored promjene frekvencije samo u trenutku amplitude nula, karakterizira odabir frekvencija koje udovoljavaju zahtjevima za MSK (minimum shift keying). Naime, ukoliko se frekvencije tonskog podnosioca razlikuju za polovicu brzine signalizacije, modulirani signal ima najuži mogući spektar i kao takav najmanje degradira pri prolasku kroz filtere prijamnika. U tabeli su navedene frekvencije tonskog podnosioca za često rabljene signalizacijske brzine radio-modema Komteh:

 

Brzina (bps)	f0 (Hz)	f1 (Hz)	Df (Hz)
1200	1800	1200	600
2400	1200	2400	1200
4800	2400	4800	2400

 

Mjerenja na nemodificiranim radij­skim postajama pokazuju da je, za FFSK tip modulacije, 1200 bps gornja granica brzina prijenosa podataka kojom se ostvaruju dometi slični dometima govorne komunikacije, odnosno osjetljivost prijamnika oko -115 dBm.

Teorijski je i 2400 bps ostvariva brzina uz neznatno manje performanse. Nezgoda je nužnost odr­ža­vanja frekvencija RF nosioca, devijacije i amplitude NF signala unutar uskih granica, što pove­ća­va troškove. Dopunski problem stvara neophodno spajanje modema na “flat” modulacijski i prijam­nič­ki priključak radio-postaje, koji priključak nema svaki tip postaje.

Korištenje brzine 4800 bps povezano je uz gubitak osjetljivosti prijamnika oko 5 dB i, jednako kao i brzina 2400 bps, zahtjeva održavanje parametara radio-uređaja u uskim granicama.

Zahtijevani sinkronizam tonskog podnosioca i digitalnog baseband signala čini nužnim bufferiranje podataka, odnosno uporabu mikrokontrolera. U praksi to nije problem, jer je mikrokontroler potreban i poradi drugih funkcija – upravljanje radio-postajom, bit i frame sinkronizacija, formiranje blokova, FEC enkodiranje, interleaving, deinterleaving, dekodiranje, CRC i drugog.

 

Za ilustraciju izračunato je trajanje prijenosa bloka podataka sustava AVL i to za obje, za primjenu jednostavnije, brzine signalizacije.

 

Sadržaj / događaj	Trajanje, 1200 bps	Trajanje, 2400 bps	Opis
Aktiviranje Tx	0.08 s	0.08 s	Dolazak PLL-a na Tx frekvenciju, postizanje pune snage
Bit sinkronizacija	0.013333 s	0.00666 s	Odašilje se 16 alternacija 1010.... poradi uspostave bit sinkronizacije
Frame sync	0.02 s	0.01 s	Start flag bitovi prema MPT1327
Prenos podataka	0.1341 s	0.067	161 bit podataka
Aktiviranje Rx	0.08 s	0.08 s	Dolazak PLL-a na Rx frekvenciju, uspostava radne točke NF pojačala
Ukupno	0.327 s	0.3036 s

 

Iz tabele je vidljivo da se dvostruko većom brzinom postiže približno 8% skraćenje trajanja preno­sa – u svakom slučaju nije vrijedno truda. Uzrok je relativno mala količina podataka i fiksno vrijeme koje radio-postaji treba za aktiviranje odašiljača i povratak na prijam.

 

3.2 Protokol prijenosa podataka

Protokol prijenosa podataka definira sve moguće događaje i procedure, primjerice definiraju se tipo­vi komunikacija, količine informacija, enkodiranje, struktura blokova podataka, postupanje prilikom detekcije greške, izostanka potvrde i slično. Uvažavajući količinu podataka, brzinu prijenosa, oso­bi­ne medija i radio-postaja, određene su slijedeće temeljne značajke protokola:

1. Sinkroni prijenos podataka, osim što je učinkovitiji – ne prenose se start i stop bitovi koji ne nose informaciju, pogodniji je za radio-prijenos jer eliminira moguće “lažne” start bitove koji iza sebe kvare sve preostale podatke poruke.

1. Dovoljno dugačka frame sync sekvencija omogućava izbjegavanje lažne detekcije početka. Naime, poradi bržeg odziva, modem se priključuje na unsquelched audio izlaz postaje tako da je na njegovom ulazu uvijek prisutan šum ili signal. Slijedom toga, prije ili kas­nije, modem-kontroler u šumu dekodira lažnu frame sync sekvenciju. Duža frame sync sek­ven­cija,^,iako troši vrijeme, umanjuje brojnost lažnih detekcija početka i time uvećava propus­nost. Naime, po svakoj lažnoj detekciji početka, modem-kontroler počinje prijam, iako poruke u stvari nema. Naravno, na kraju CRC pokaže neispravnost, ali tijekom prijama lažne, mo­dem nije u stanju primiti možebitnu legalnu poruku, pa ista propada.
2. Forward Error Corection (FEC) omogućava detekciju i korekciju pogrešaka u prijenosu. Primjenjeni je FEC umjerene zalihosti – Hamming 7/4, moćniji FEC nema puno smisla jer znakovito uvećava količinu podataka za prijenos. Kako se višestruke greške rijetko pojavljuju, to nije isplativo, odnosno ekonomičnija je tolerirati povremene retransmisije poruke.
3. Interleaving u uvjetima radijskog prijenosa dodatno, bez povećanja zalihosti, uvećava učin­ko­vi­tost FEC-a. Interleaving mijenja redoslijed prijenosa bitova FEC enkodiranog bloka, primjerice redoslijed odašiljanja je b0, b7, b14, b21, b28, b2, b9, b16, b23, b30, b3, b10 itd. Naravno, bitovi se, prilikom prijama, ponovo slažu u prvobitni redoslijed (b0, b1, b2 itd.). Na taj način, u radio prijenosu susjedni bitovi, koje možebitni burst radio-smetnje pokvari (primjerice prva tri: b0, b14, b21), bivaju raz­ba­cani po primljenom bloku (nakon neispravnog b0 slijede ispravni b1, b2, b3 itd), pa FEC algo­ritam nailazi samo na jednostruke greške koje može popraviti.
4. Fiksnom dužinom bloka poruke uvećava se propusnost jer se izbjegava prenošenje podatka o du­ži­ni. Naime, podatak dužine mora biti poznati prijamniku prije nego što započne blok podataka. Ukoliko dužina poruke nije fiksna, taj podatak se mora emitirati prije bloka podataka zaštićenog FEC-om i interleaving-om. Naravno to iziskuje FEC velike zalihosti. Uz to, greška u prijamu podatka dužine može zauzeti prijamnik za dugo vrijeme – isti biva zaposlen prijamom nepostojeće dugačke poruke. Fiksna dužina poruke nužno ne znači samo jednu dužinu, moguće je definirati, primjerice, dvije ili više dužine. U tom slučaju tipovi poruke se diferenciraju različitim frame sync sekvencijama.
5. Data Carier Detect (DCD) funkcija umanjuje broj kolizija – korupcija podataka uslijed isto­vre­menog odašiljanja dvaju ili više postaja. Naime, tijekom postojanja DCD-a, modem-kon­tro­ler suzdržat će se od odašiljanja jer zna da je tuđa podatkovna emisija u tijeku. Pri tome je od prvorazredne važnosti pouzdanost DCD-a. Naime, lažni DCD (nastao primjerice uslijed šuma ili smetnji) otežat će, ili posve onemogućiti, pristup pogođenom modemu. Za kratke poruke, pogodni DCD-a je kompletni prijam poruke jer to, tijekom toga perioda, priječi odašiljanje.
6. Sloted ALOHA vremenski rasteriziranim odašiljanjem umanjuje gubitke propusnosti uslijed kolizija. Naime, iako DCD onemogućava “upad” u tuđu emisiju, preklapanje odašiljanja više postaja nije posve isključeno. Štetu uslijed ovako nastalih kolizija umanjuje Sloted ALOHA jer dozvoljava odašiljanja samo u definiranom vremenskom rasteru – istovremeno odašiljanje više postaja koruptirati će isključivo njihove poruke, odnosno neće oštetiti možebitnu emisiju u slijedećem “okviru” vremenskog rastera.
7. Potvrda prijama, nužno mora slijediti svaku podatkovnu poruku. Naime, izostanak potvrde je jedina indikacija pošiljaocu da poruka nije primljena. Kako potvrde op­te­rećuju sustav, korisno je više potvrda odašiljati zajedno, u okviru jedne radio-emisije, suk­ce­siv­no ili uz druge podatke.
8. Slučajni odabir ALOHA okvira prije odašiljanja priječi blokadu sustava istovremenim pokušajima odašiljanja dviju ili više postaja koje nisu dobile potvrdu prijama. Primjerice, neka je kanal zauzet i neka više postaja čekaju oslobođenje kanala. Ukoliko protokol ne predviđa slučajno dugo čekanja ili slučajni odabir ALOHA okvira, u trenutku kada DCD nestane, postaje počinju sa oda­ši­ljanjem. Jasno, poradi kolizije, potvrda prijama izostaje, te postaje u nedogled bezuspješno pokušavaju ponovo. Slučajni odabir okvira umanjuje vjerojatnost blokade kanala uslijed opisane sinkronizacije i, ako do blokade dođe, čine takvu situaciju kratkotrajnom.

 

4. Kronološka lista tipova radio-modema iz produkcije Komteh.

 

Tip	Opis	Protokol	Aplikacija	Količina	Korisnik
MUPMOD	AFSK modem asinkroni	POCSAG	paging sustav	46	MUP
FFSKMOD	FFSK modem, sinkroni	transparentni	sustav upravljanja vatrom topničke bitnice	8	MORH
FFSKMOD	FFSK modem,sinkroni	Komteh 93	telemetrija bespilotne letjelice	4	MORH
FFSKMOD2	FFSK modem, sinkroni	RTCM 104	DGPS broda Faust Vrančić	4	MORH
FFSKMOD	FFSK modem, sinkroni	RTCM 104	DGPS AVL sustava	2	MORH
ŠIME	FFSK modem, sinkroni	Komteh 94	Telemetrija	8	DHMZ
FFSKMOD	FFSK modem, sinkroni	transparentni	Podatkovni sustav BOV	2	MORH
FFSKMOD2	FFSK modem, sinkroni	Komteh 94	SCADA, glavni odvodni kanal Zagreb	8	Vodoopskrba i odvodnja
FFSKMOD2	FFSK modem, sinkroni	DBEN	RTK CPD GPS brodova za premjer Save i Drave	6	Hrvatske vode
KET 2	FFSK modem, sinkroni	Komteh 97	Telemetrija	9	Vodovod Split
KET 2	FFSK modem, sinkroni	Komteh 00	AVL sustav	5	Viatel, Zagreb
MUPMOD2	AFSK modem asinkroni	POCSAG	paging sustav	10	MUP
KET 3.3	FFSK modem, sinkroni	transparentni, 9 bita data	SCADA, upravljanje rastavljačima	> 50	HEP
KET GPZ	FFSK modem, sinkroni	Modbus	SCADA, plinska mreža	40	Gradska plinara Zagreb
MUPMOD3	AFSK modem asinkroni	Komteh 01	SCADA paging sustava	15	MUP
KET GPS	FFSK modem, sinkroni	RTCM 104	DGPS	3	Elektrolika, Gospić
KET M	FFSK modem, sinkroni	Modbus	SCADA, upravljanje rastavljačima	6	Telenerg, Zagreb
KET V	FFSK modem, sinkroni	Komteh 99	SCADA pumpe kanalizacije	8	Grad Vis
KET 4.2	FFSK modem, sinkroni	IEC 60870	SCADA, upravljanje rastavljačima	> 350	HEP