Всё про радиостанции с программируемыми параметрами (SDR)

В современных условиях ведения войн и вооруженных конфликтов роль системы связи при управлении группировками войск (сил) на театре военных действий существенно возрастает. Именно система связи, выполняя задачи обеспечения информационного обмена в системе управления, должна быстро реагировать на изменения обстановки, динамично изменять свою структуру, совершенствовать способы построения и режимы работы [1].

Военная связь прошла долгий путь, начинаясь с гелиографов, флагов и дымовых сигналов, почтовых голубей. XX век стал временем феноменального взрыва в коммуникационных технологиях. Радио в корне изменило процесс передачи информации. Сейчас же, изменения происходят еще быстрее с приходом цифровой эпохи.

Рассмотрим классификацию и краткую характеристику средств военной радиосвязи исходя из диапазона рабочих частот.

Ультракороткие волны (УКВ) – 30-300 МГц (другие названия – очень высокие частоты (ОВЧ), Very High Frequency – VHF). Войсковые радиосредства, в основном, работают в нижней части этого диапазона – приблизительно от 30 до 110 МГц. Преимуществом этого диапазона частот является то, что радиоволны способны огибать небольшие препятствия, незначительно огибать земную поверхность, и осуществление связи возможно и при отсутствии прямой видимости между корреспондентами. При этом дальность связи с использованием относительно невысоких мачт (около 10 м) и передатчиков мощностью несколько десятков Вт может составлять до 50 км, при использовании переносных станций – приблизительно до 10 км.

Радиостанции ОВЧ диапазона находят широкое применение на уровне радиосетей роты-батальона. Они могут использоваться и для обеспечения связи во взводе-отделении (отряде), но в последнее время радиосети небольших подразделений (отрядов) предлагается создавать в более высоком диапазоне частот.

Ультравысокие частоты (УВЧ) – 300 МГц – 3 ГГц (Ultra High Frequency – UHF). Этот диапазон частот соответствует дециметровым волнам – от 10 до 100 см. при этом радиостанции, как правило, меньше и легче (часто их называют радиостанциями PRС – персональная радиосвязь). Для ведения связи, как правило, обязательно необходима прямая видимость, поэтому дальность связи составляет всего несколько (1-2) километров, однако, устойчивую связь можно обеспечить в условиях многократных переотражений сигнала, т.е. в условиях города. Оснащение такими радиостанциями каждого солдата подразделения значительно улучшило взаимодействие небольших отрядов в сложных боевых ситуациях. Хорошо зарекомендовало себя применение средств UHF при ведении боевых действий в городе.

Кроме этого, для повышения дальности связи разработчики оборудования военной радиосвязи предлагают конфигурацию одной из радиостанций сети в роли репитера или двух станций в режиме ретранслятора. Как правило, их стараются разместить максимально высоко для обеспечения покрытия в необходимом районе.

Диапазон коротких волн (КВ) – 3-30 МГц (другие названия: High Frequency – HF; высокие частоты – ВЧ). Важную роль в организации радиосвязи в тактическом звене управления по-прежнему принадлежит ранцевым радиостанциям КВ диапазона. КВ-диапазон предполагает осуществление связи за счет отражения сигналов от ионосферы, поэтому дальность связи для ранцевых маломощных станций может достигать до 300 км и более. С развитием спутниковой связи многие специалисты пророчили КВ-связи роль последнего резерва. Действительно, пропускная способность узкополосного КВ-канала (3 кГц) очень низкая – в лучшем случае немного больше 10 кбит/с. Возрождение роли средств связи КВ-диапазона для организации управления войсками началось в результате опыта проведения боевых операций в Афганистане и Ираке, где спутниковая связь не всегда могла обеспечить достаточный уровень надежности.

КВ-радиостанции начали широко использоваться также и потому, что внедрение современных технологий позволило значительно уменьшить их массогабаритные показатели, а также увеличить скорость передачи данных. Еще одним преимуществом является использование автоматической установки связи (ALE). Это означает, что обычный солдат, не обладающий специальными техническими знаниями, может полноценно эксплуатировать КВ-радиосредство.

Кроме «классических» радиосредств (устаревший термин – одноканальных, то есть персональных) при построении системы связи соединений и объединений широко используются средства широкополосного беспроводного доступа (ШБД), работающие на частотах 4-5 ГГц, и станции спутниковой связи, функционирующие, как правило, в так называемом Ku-диапазоне (10-12 ГГц). Устаревшее название таких радиостанций – многоканальные, поскольку их пропускная способность может использоваться одновременно многими абонентами на пункте управления. Средства ШБД по принципу организации трассы распространения радиоволн соответствуют радиорелейной связи, а линии связи, создаваемые ими, принято обозначать HCLOS – High Capacity Line of Site.

Радиостанция AN/PRC-154 поддерживает работу в мобильной одноранговой сети (MANET)

Принципы построения и функционирования

Современные радиостанции могут передавать не только голосовые сообщения, но и обмениваться данными, в том числе изображениями и даже видео, с довольно большой скоростью. В самом деле, радиостанция с программируемыми параметрами (SDR – Software-Defined Radio) открывает новые горизонты возможностей в условиях боя. Принцип SDR технологий – слияние возможностей компьютера и радиостанции. Еще сравнительно недавно радиостанции имели лишь набор встроенных функций. Устройство с SDR используя несколько уровней программного обеспечения для выполнения различных задач, так же как и настольный компьютер, может, например, производить обработку текста, обеспечить просмотр Интернет-ресурсов, а также управление базами данных в зависимости от предпочтений пользователя.

Операционная система SDR, используемая в США, называется коммуникационным программным обеспечением с открытой архитектурой (SCA – Software Communications Architecture), и это позволяет SDR-устройствам обмениваться информацией друг с другом. Шифрование сигналов является перепрограммируемым и гибким. Например, алгоритмы шифрования Single-Channel Ground and Airborne Radio System (SINCGARS) могут быть загружены на SDR-радиостанцию, но если потребуется может быть загружено другое программное обеспечение (ПО). Таким образом, SDR предполагает большую функциональную гибкость, основанную на единой аппаратной платформе. Очень важной является возможность использования одной аппаратной платформой разных классов современной радиосвязи: Soldier Radio Waveform (SRW), Wideband Networking Waveform (WNW), Mobile User Objective System (MUOS), Tactical Targeting Network Technology (TTNT), и другие, которые будут разработаны в будущем. К примеру, SRW обеспечивает подключение к сети, а WNW поддерживает дальнюю радиосвязь.

AN/PRC-148-SDR – портативная, тактическая радиостанция MBITR (Multiband Inter/Intra Team Radio)

Преимущества SDR

Ключевым преимуществом SDR является взаимодействие между средствами радиосвязи предыдущих поколений и современными системами. Военным системам связи всегда была присуща консервативность и обновление парка средств радиосвязи в вооруженных силах, даже в самых развитых странах никогда не сравнится по своим темпам с рынком современных мобильных телефонов и других коммуникационных средств. Это очевидно, ведь никакой прибыли, кроме повышения боеспособности, оснащение подразделений более современными радиосредствами не приносит. Поэтому важно, чтобы новые и старые системы могли работать совместимо.

Радиостанции, применяемые в некоторых странах, могут принадлежать, например, к эпохе войны во Вьетнаме или Афганистане. Интересно, что в свое время вооруженные силы США имели до 200 различных типов радио, ни одно из которых не было предназначено для взаимодействия друг с другом. Очевидно, что радиосредства сухопутных, военно-морских и военно-воздушных сил должны быть совместимыми. Технология SDR может обеспечить такую возможность. Она предполагает адаптацию к спектру протоколов, так что в результате могут взаимодействовать разные модели радиостанций и сети. Это важно, поскольку подразделения, представляющие разные страны, все чаще работают в крупномасштабных и многонациональных операциях, например, Международные силы содействия безопасности (ISAF – International Security Assistance Force) в Афганистане. Наличие радиостанции для взаимодействия важно не только для военных и их союзников, но и для гражданских ведомств, например, полиции.

Интерфейс радиостанций также улучшается. Оператору не нужно иметь специальное образование или проходить дополнительное обучение, чтобы пользоваться устройством.

Новейшие технологии выполняют свои задачи автоматически, не требуя ввода данных пользователем. Например, станция может выступать в качестве ретранслятора или принимать участие в создании беспроводных сетей передачи данных во время движения. При этом оператор об этом ничего не знает и может использовать станцию для связи в любой момент.

Еще одним преимуществом SDR является возможность получения многих функций и сервисов в одном компактном корпусе. Одна система теперь может сделать работу, для которой ранее потребовалось бы несколько радиостанций. Например, данные о военнослужащих, имеющих SDR-радиостанцию и встроенные системы глобального позиционирования (GPS – Global Positioning Systems) могут транслироваться в сети, так что все корреспонденты сети, или, например, только командир, могут знать, и даже видеть на реальной карте местности (при подключении планшета или компьютера) где они находятся. Такая система может даже контролировать жизненно важные параметры человека с помощью специальных датчиков и выполнять другие не менее важные функции.

Срок службы военной радиостанции, как правило, равен 15-20 годам, так что еще одно огромное преимущество SDR заключается в возможности оперативной модернизации. Это продлевает жизненный цикл радиостанции, так как она может быть приспособлена к новым технологическим возможностям и сервисам просто через изменение программного обеспечения.

Современной армии нужны компактные, легкие и быстродействующие устройства, в то же время взаимодействующие со старыми узкополосными системами. SDR использует встраиваемые компьютерные технологии, и опирается на достижения в области цифровой  обработки сигналов (DSP – digital signal processing), полу-программируемых вентильных матрицах (FGPA – field-programmable gate arrays), разработках в области генерации программного кода.

Сегодня, типичная батарея имеющая размеры 40 х 75 х 75 мм обеспечивает 8-10 часов работы радиостанции. Батареи радиостанций прогрессировали от никель-кадмиевых, через никель-металлогидридные, к наиболее распространенным сегодня – литий-ионным. Технология топливных элементов является еще одной областью, которые будут влиять на мобильность радиостанций. Революционные изменения в этой области мы увидим, вероятно, в ближайшие десять лет.

Портативная радиостанция RF-7800V-HH Falcon III

Анализ существующих радиосредств

Интересным решением в области SDR является радиостанция AN/PRC-154 (Rifleman Radio, продукция General Dynamics), благодаря которой военнослужащие в зоне боевых действий являются пользователями мобильной одноранговой сети (MANET – Mobile Ad Hoc Network). Системы и объекты этой сети автоматически конфигурируются, внутреннее подключение позволяет ретранслировать сигналы от одного AN/PRC-154 к другому, до получения шлюза на станцию спутниковой связи или Интернет, или установления необходимого внутреннего соединения в сети.

AN/PRC-148-SDR – портативная, тактическая радиостанция MBITR (Multiband Inter/Intra Team Radio) от Thales Communications широко используется в вооруженных силах стран НАТО. Недавно Thales Communications начала производство второго поколения MBITR2. Эта радиостанция одновременно объединяет два канала – широкополосный тактический Интернет SRW и голосовую связь сетей с узкополосным каналом. Thales позиционирует MBITR2 как экономичный способ модернизации для AN/PRC-148.

Другой популярный продукт – AN/PRC-117G  Falcon III от Harris Corporation. Известно, что министерство обороны Австралии решило дополнить старые системы связи радиостанциями AN/PRC-117G , AN/PRC-117F, а также AN/PRC-150 в ранцевой версии и AN/PRC-152  с адаптерами для установки в более чем 1000 единиц бронетехники. В последнее время эта страна получила AN/PRC-152 Falcon III, многополосные портативные тактические радиостанции, с поддержкой системы SINCGARS, передачей голоса и данных, и имеют встроенные GPS-приемники.

Интересно, что различные «типы» войн предъявляют различные требования к радиосвязи. Например, тактика пакистанских военных претерпела заметные изменения, обусловленные действиями против повстанцев и исламских экстремистов, а не ожидаемой массивной бронированной конфронтацией с Индией. В настоящее время Harris Corporation поставляет на рынок еще три продукта: портативные радиостанции RF-7800H  Falcon III, RF-7800-HH  Falcon III, а также планшет повышенной прочности RF-3590,  предназначенные для использования в боевых действиях против небольших отрядов. Следует отметить появление радиостанций Falcon III, а именно RF-7800H, RF-7850M-HH, RF-7800V-HH, RF-7800S на вооружении отечественных силовых структур.

Направления развития SDR

С развитием технологий средства связи становятся все компактнее. Например, SDR-системы могут быть встроены в устройства на запястье или в нашлемный дисплей. Исследователи изучают, как устройства могут быть связаны друг с другом на поле боя, так чтобы люди могли получить доступ к сети и оперативно получить полезные данные. Будущие сети смогут отображать в режиме реального времени дружественные и враждебные силы, а также предоставлять другие ситуационные данные. Частично это уже реализовано, например, в сетях связи, построенных на оборудовании Harris Falcon III с использованием ПО Falcon Command. Другое направление – использование сенсоров (датчиков) ядерного, биологического и химического контроля, или регистрации наличия артиллерийских ударов и бомбардировки с воздуха, что очень актуально сегодня в вооруженном конфликте на Донбассе.

Следующим шагом после SDR может быть создание радиостанции с интеллектуальным управлением, которая автоматически сможет устанавливать связь в реальном времени. Подход к построению интеллектуальных радиосистем, получивший название когнитивное радио, является передовой технологией, позволяющей обеспечить рациональное использование радиочастотного спектра. Однако внедрение указанной технологии в военных средствах связи требует дополнительных исследований, которые учитывают специфические особенности работы радиосредств в сложной электромагнитной обстановке, а также в условиях активного радиопротиводействия противника.

Основы технологии когнитивных радиосистем представлены в виде стандарта IEEE 802.22, принятого относительно недавно (в 2011 году). Согласно указанного стандарта, система когнитивного радио (CR – Cognitive Radio) – это радиосистема, использующая технологию, позволяющую этой системе получать знания о своей среде эксплуатации и географической среде, об установившихся правилах и о своем внутреннем состоянии; динамически и автономно корректировать свои эксплуатационные параметры и протоколы согласно полученным знаниям для достижения заранее поставленных целей и учиться на основе полученных результатов [2].

Так называемые когнитивные радиостанции должны иметь встроенные системы интеллекта для автоматического мониторинга окружающей среды. Система мониторинга будет оценивать, в первую очередь, анализ применения средств радиоэлектронного подавления, состояние канала связи, на основе чего будет  приниматься решение о лучшем способе эксплуатации. Они смогут выбирать менее загруженные участки диапазона, выбирать наилучшие схемы модуляции и кодирования сигнала и т.д.

В настоящее время вопросы разработки исследования алгоритмов, предназначенных для использования в системах когнитивного радио, находятся в стадии исследования. Одна из задач, которые будут решать когнитивные радиосистемы – выбор приоритета сообщений, когда наиболее актуальные данные будут переданы в первую очередь, а менее важные – позднее.

Интересным направлением является исследование возможности коммуникации через инфракрасный лазер для обеспечения невозможности перехвата информации. Подобные системы используются военными с середины 2000-х годов. Современные системы, разработанные для ВМС, позволяют передавать данные в системе корабль-берег на дальности до 19 км.

1. Рекомендации по внедрению стандарта беспроводной связи IEEE 802.22 всистемах радиосвязи специального назначения / [Масесов Н.А., Панченко И.В., Бондаренко Л.А., Малых В.В.] // Збірник наукових праць ВІТІ НТУУ „КПІ”. – № 1. – 2013. – С. 24-30.
2. Гурський Т. Г. Аналіз бойового застосування та характеристик сучасних
   військових засобів радіозв’язку іноземного виробництва / Т. Г. Гурський // Тези ІІІ науково-практичної конференції ВІТІ ДУТ, 2014. – С. 80–81.

Статья опубликована в специальном выпуске журнала Телеком: Военная Связь