В этой статье мы рассмотрим зачем нужны MANET радиостанции, их область применения, основные свойства и перспективы. Сразу оговорюсь, здесь пойдет речь о портативных (ручных) станциях, с относительно небольшой батареей.

Зачем это нужно и кому?

Прошло довольно много времени со дня первой публикации о MANET, мир шагнул в новую реальность, появились и приобрели массовый характер стриминговые видео сервисы, всевозможные сенсоры, дроны, автономные платформы генерирующие большие объемы данных и т.д. Я уже молчу о смартфонах и планшетах - всему этому чуду для нормальной работы нужны широкополосные каналы с низкой задержкой. Понятно, что если есть нормальное покрытие LTE или WiFi, то большинство базовых потребностей связи будет сразу закрыто. Но что если покрытия нет?

Теперь рассмотрим ситуацию когда у вас нет инфраструктуры, а нужно гонять большие объемы данных "на лету". В первую очередь, это требуется военным, т.к. современный солдат обвешан колоссальным количеством сенсоров и включен в единую автоматизированную систему управления боем BMS. Здесь он должен быть всегда онлайн, всегда виден своему командованию и иметь возможность взаимодействовать с другими такими же как он, а в перспективе даже с роботизированными платформами на земле, воде, в воздухе (в космосе - ?), а это и передача видео, файлов, телеметрии, карт и всего другого, вне зависимости от доступной инфраструктуры. Такой себе закрытый Интернет. Вот этот сегмент как раз и закрывают такие радиостанции.

Другим потенциальным "клиентом" таких систем являются спасатели. По информации из СМИ, американские компании TrellisWare Technologies и Persisten Systems активно продвигают свои MANET радиостанций в Федеральное агентство по чрезвычайным ситуациям FEMA для решения задач эффективного управления командами спасателей, поиска людей на больших площадях и т.д. Вполне логичное решение, с учетом того, сколько ущерба инфраструктуре США приносят природные катаклизмы, а время самый дорогой ресурс для спасателя.

Архитектура

Внутренняя архитектура таких девайсов ничем не уступает самым современным смартфонам, а в некоторых аспектах, таких как например диапазон рабочих частот или требования по надежности, значительно превосходит их. Единственное в чем они уступают смартфонам - это внешний вид, в стиле "защищенный кирпич", что обусловлено требованиями стандартов MIL-STD и IEC, предъявляемых к таким устройствам. Но это ерунда - главное, чтобы работало!

Следующим важным фактором является богатая периферия. И это неудивительно, ведь это не рации "walkie-talkie" с одной кнопкой для голоса. Все данные передаются как IP пакеты, для того чтобы максимально быстро и просто подключить клиентское оборудование, в том числе кнопки РТТ для голосовых сеансов. Следовательно, нужно иметь максимум из распространенных интерфейсов и работать как маршрутизатор. Чем по сути эти девайсы и являются.

Любопытно отметить, что практически все производители подобных систем, отказались от экранов. Поскольку подключаемое клиентское оборудование - смартфоны, планшеты, компьютеры - уже имеют экраны, то зачем дублировать функционал. К тому же, вставить нормальный экран в столь компактное решение, а тем более защитить его от механических воздействий и климата (-40...+55 С) по MIL-STD, очень сложно и дорого.

Наконец, батарея. Здесь все упирается в понятие SWaP, т.е. размер, вес и потребление устройства. Как вы понимаете, эти радиостанции практически постоянно в эфире, причем не столько как генераторы трафика от своих периферийных устройств (планшетов, смартфонов и т.д.), но в основном как ретрансляторы трафика других абонентов. И это должно длится сутками! Поэтому требования к батареям предъявляются чрезвычайно высокие. Это не только ёмкость, но и работа при глубоком минусе, до -40 градусов по Цельсию. В итоге, дешевыми такие батарейки точно не назовешь.

Радиочасть

Здесь можно выразиться одной фразой - "чем шире, тем лучше". С повсеместным распространением интегральных SDR трансиверов с цифровой обработкой сигналов в этом сегменте произошла самая настоящая революция. Большие скорости передачи требуют больше полосы, а традиционные радиочастотные цепи, не могут обеспечить более широких полос частот и схем цифровой модуляции без значительного потребления энергии и увеличения в размере и весе. Таким образом, революцией в дизайне MANET радиостанций с малым форм-фактором стали встроенные SDR приемопередатчики, уменьшающие размер и потребление несколькими способами.

Во-первых, радиочастотные и аналоговые устройства могут быть переведены в цифровую область - например, радиочастотные фильтры могут стать цифровыми фильтрами. Цифровые реализации этих блоков более эффективны и лучше программируемы, чем их РЧ аналоги. Во-вторых, цепи на дискретных элементах часто представляют собой гетеродинные архитектуры, которые требуют нескольких уровней преобразования частоты, фильтрации, усиления и цифровой обработки. Интегрированные трансиверы могут использовать архитектуру с нулевой промежуточной частотой (ZIF), которая резко сокращает количество требуемых компонентов в сигнальной цепи, в частности, требуемых этапов фильтрации и усиления. Удаление этих ступеней уменьшает как размер, так и потребляемую мощность [1].

К слову, широкополосные SDR трансиверы требуют соответствующих усилителей. На помощь пришел нитрид галлия (GaN). Транзисторы на этом соединении способны обеспечить необходимую широкополосность и мощность. Такие компании, как Qorvo, Ampleon, Cree в полной мере отвечают всем самым современным требованиям производителей усилителей для SDR, в то время когда основные игроки этого рынка стараются уходить на вверх на гигагерцы. Хотя в последнее время много внимания уделяется когнитивному радио и переиспользованию спектра внизу, на УКВ, перекрывая весь диапазон частот в одном устройстве.

Софт

Поскольку классическая радиотехника закончилась (см. выше), теперь все упирается в софт, а точнее в "форму волны" - waveform. Вот тут и развернулась основная борьба между производителями таких девайсов.

Большинство из них используют технологию MIMO и активно наращивают количество апертур, что в связке с цифровым диаграммообразованием открывает невероятные возможности. Помните 5G? Как там собираются достигать гигабитных скоростей и большой емкости сети? Точно таким же образом - цифровой диаграммой и обработкой сигналов, когда на каждого абонента формируется отдельный луч и с адаптивной модуляцией. Примерно такая же логика и тут.

Однако, это влечет и сопутствующие проблемы. Во-первых, это не очень удобно, т.к. надо носить много антенн, а это проблема "в полях". А во-вторых, в сетях MANET, отличие от сотовых сетей, нет базовой станции - все абоненты мобильны. Соответственно, диаграмму нужно формировать "на лету, от каждого-к каждому", что на сегодня еще является серьезной научной проблемой. В любом случае, люди над этим работают.

Другим любопытным трендом является управление сетями MANET через SDN. Как и в случае в 5G и MIMO, основным преимуществом SDN для таких радиостанций становится гибкий механизм управления параметрами сети. Причем не только физическим уровнем (адаптивная модуляция, когнитивное радио), но и канальным, и сетевым. Это особенно актуально в случае больших сетей с множеством абонентов, где параметры каналов, требования по задержке, BER, PER, полосе могут меняться динамически от абонента к абоненту. А добавьте сюда аспект безопасности, распределение доступа, управление спектром и т.д. Как этим всем управлять? В данном случае SDN подходит как нельзя лучше. Однако, и тут есть масса чисто научных проблем и организации типа DARPA туда копают очень активно.

Итого, все вышеозначенное реализуется в софте на ПЛИС/DSP и взаимодействует с SDR трансиверами и ОС (например, Linux). Таким образом, у каждого вендора есть свой уникальный waveform - комбинация модуляции, кодирования, фильтрации, управления диаграммой - реализованная как специализированная прошивка для радиостанции.

Перспективы

В заключении, хочется показать несколько самых популярных MANET радиостанций и рассмотреть перспективы этого направления. Сформировалась конкретная потребность, появились необходимые комплектующие, объемы передачи данных растут с каждым годом, поэтому абсолютно очевидно, что у подобных систем большое будущее. Другое дело, что это очень узкоспециализированное оборудование и стоит оно довольно дорого. К тому же, поскольку перекрывается практически весь радиочастотный спектр, то возникают юридические вопросы в плане использования частот гражданскими пользователями. Отсюда проблема с выходом на новые рынки.

Резюме: персональный, децентрализованный Интернет все больше набирает популярность. А какие перспективы у MANET радиостанций видите вы?

[1] - https://militaryembedded.com/comms/rf-and-microwave/next-generation-military-communications-challenges