Protocolul ale 3 g

Protocolul ALE 3 G

Sistemele ALE 2G au transformat sistemele radio HF in sisteme de comunicatii automatizate robuste si interoperabile, sprijinind astfel cresterea interesului pentru utilizarea extinsa a acestora.

Incepand cu mijlocul anilor 1990, nevoile de "retelizare" si interconectare a retelelor radio HF cu celelalte sisteme de comunicatii au scos in evidenta necesitatea unor noi protocoale de legatura, mai eficiente, astfel incat spectrul de frecvente la dispozitie sa poata fi utilizat mai eficient, de retele din ce in ce mai mari (ca numar de statii si ca intindere), cu nevoi de trafic din ce in ce mai mari.

In urma unor eforturi comune, un astfel de protocol a fost standardizat in MIL-STD-188-141B, anexa C, si la nivel NATO - sub codul STANAG 4538.

Principalele prevederi ale acestui standard se reflecta in performante ca:

reducerea timpului necesar stabilirii legaturii;

reducerea nivelului semnalului (raportului semnal/zgomot) la care se realizeaza legatura;

cresterea eficientei utilizarii canalelor;

utilizarea unei noi familii de forme de unda, comuna cu modem-ul de date;

cresterea capacitatii de transfer date atat pentru mesaje scurte cat si pentru mesaje lungi;

asigurarea unui suport mult mai bun pentru protocoalele Internet si aplicatiile specifice.

Realizarea tuturor acestor performante se bazeaza pe cateva elemente cheie, atat tehnologice cat si procedurale:

stabilirea unei noi arhitecturi a sistemului, prezentata in Figura 1;

crearea si utilizarea unor forme de unda specifice -"burst waveform";

scanarea sincrona a canalelor de apel;

gruparea statiilor pe sloturi de timp de stationare pe acelasi canal- "dwell group";

operatii tip "trunking";

posibilitatea de prioritizare a apelurilor;

proceduri de acces multiplu la canal cu detectia purtatoarei si evitarea coliziunilor - CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance).

Figura 1 Arhitectura generala a unui sistem ALE 3 G

1. Formele de unda

Unul din elementele specifice acestor sisteme este faptul ca atat protocolul de realizare a legaturii cat si protocolul de transfer date au la baza o familie de forme de unda PSK cu 8 faze, cu un ton de 1800 Hz, modulat serial cu o viteza de 2400 bps, scalabile, prezentate in Tabelul 1. Acestea au fost optimizate atat pentru transmisii lungi cat si pentru transmisii scurte ("burst"), ceea ce ofera sistemului o versatilitate imbunatatita.

Definirea acestora s-a facut tinand seama de tipurile diferite de activitati presupuse de procesul de realizare a legaturii si transmitere a datelor, numarul de biti necesar, timpul de sincronizare, performantele in prezenta zgomotului, fading-ului sau propagarii pe cai multiple. Aceste noi forme de unda realizeaza un echilibru intre doua obiective adverse: maximizarea diversitatii in timp prin intretesere si reducerea timpului de "transfer" a legaturii radio.

Masuratorile efectuate asupra acestor noi forme de unda au demonstrat o performanta superioara cu 6-9 dB fata de sistemele ALE 2 G, in conditiile utilizarii unui canal cu fading si zgomot alb gaussian aditiv - AWGN. Rezultatele masuratorilor sunt prezentate in figura 2.

Tabelul 1 Formele de unda specifice ALE 3G

Figura 2 Performantele noilor forme de unda versus vechile forme de unda

2. Sub - protocolul de realizare a legaturii

Dupa cum se poate observa din figura 1, responsabilitatea realizarii legaturii revine "managerului de conexiune". Acesta va realiza functia Connection Set Up, cunoscuta si ca o functie tip ALE.

Pentru realizarea legaturii se utilizeaza doua tipuri de blocuri (serii) de date: de proba (testare initiala) - Probe PDU si de stabilire a legaturii - Handshake PDU.

Blocurile de date de testare initiala contin informatii considerate suficiente pentru ca statia chemata sa decida daca raspunde sau nu. Aceste informatii se refera la:

identitatea chematorului si a chematului;

prioritatea apelului;

resursele necesare, in situatia in care apelul este acceptat;

calitatea necesara pentru canalul de trafic implicat;

tipul de apel (voce sau date, analog sau digital), lungimea mesajului - lung, scurt sau necunoscut.

Stabilirea lungimii mesajului ca fiind "lung" sau "scurt" este o decizie a organizatorului retelei, acest parametru fiind utilizat pentru optimizarea capacitatii de transfer.

Deoarece apelul este plasat intr-un anume dwell grup, nu este necesara adresa completa a statiei chemate (11 biti), ci numai adresa din cadrul grupului (ultimii 6 biti).

Blocurile de date de stabilire a legaturii sunt utilizate atat de statia chematoare cat si de statia chemata. Aceste blocuri de date pot simboliza:

continuarea procesului de negociere (datorita propagarii necorespunzatoare);

trecerea la canalul de trafic;

renuntarea la procesul de negociere.

Dupa procedura de stabilire a legaturii, protocolul prevede si o procedura de stabilirea a traficului ce va fi realizat pe aceasta legatura. Pentru aceasta, este utilizata forma de unda BW1. Parametrii de trafic ce vor fi stabiliti se refera la tipul protocolului de date ce va fi utilizat, tipul de forma de unda, prioritatea traficului, sincronizarea de timp.

Sub-protocolul de realizare a legaturii se bazeaza pe o serie de functiuni - scanarea, apelarea, operarea sincrona etc., a caror implementare in ALE 3 G difera de abordarile anterioare.

2.1. Scanarea

Atat timp cat nu este angajata in trafic, o statie radio cu protocol ALE - 3G va scana canalele alocate, in vederea receptionarii unor eventuale apeluri si, in acelasi timp, pentru a colecta informatii privind ocuparea canalelor de catre alte statii. Scanarea este efectuata sincron, de toate statiile, spre deosebire de sistemele ALE 2 G care efectuau scanarea asincron.

2.2. Apelarea

Pentru realizarea unei legaturi este nevoie ca un apel, transmis cu forma de unda corespunzatoare -BW0, sa primeasca raspuns de la statia chemata.

In cazuri speciale, legatura poate fi initiata si finalizata doar de statia chematoare, aceasta avand date despre statia chemata (disponibilitatea acesteia) obtinute in urma procesului de scanare. In functie de slotul in care este plasat apelul, se realizeaza o prioritizare a acestora, conform tabelului 2.

Tabel 2 Prioritizarea apelurilor

2.3. Operarea sincrona

Asa cum am aratat, modul de operare in sistemele ALE 2G este asincron, in momentul lansarii apelului statia chematoare nu are informatii despre canalul pe care se afla statia chemata, acest lucru conducand la prelungirea procesului cu un timp corespunzator scanarii complete a canalelor la dispozitie. Sistemele ALE 3G pot opera atat asincron dar si sincron, mod in care performantele sunt net superioare. Atunci cand se opereaza in mod sincron, toate receptoarele aflate in scanare se vor afla simultan pe aceeasi frecventa, cu o marja de eroare, astfel incat se poate determina cu usurinta frecventa pe care se afla statia chemata, fiind nevoie de emiterea unui singur cuvant de apel. Trebuie subliniat ca utilizarea unui sistem sincron impune costuri de infrastructura si necesita transmisii radio suplimentare pentru mentinerea sincronizarii.

2.4. Grupurile "Dwell"

In modul de operare sincron, perioada de timp cat o statie (grup de statii) stationeaza pe o frecventa a fost denumita "dwell". Pentru cresterea eficientei utilizarii frecventelor (canalelor), aceasta perioada poate fi divizata in 5 intervale de timp egale (sloturi de timp), ca in figura 3. In aceasta situatie se lucreaza cu interval de timp multislot - "multislots dwell", fiecare dintre aceste sloturi avand utilizari precise.

Figura 3 Structura dwell multislot

Astfel, slotul 0 este alocat pentru acord si supraveghere canal (de trafic), pentru a detecta existenta unui posibil trafic efectuat pe acesta, obtinandu-se informatii despre canalele de trafic libere, posibil a fi utilizate ulterior, iar s

loturile 1-4 sunt alocate schimbului de informatii de apel. Cele 800 ms permit transmiterea unui bloc de date de 24 biti, 700 ms fiind alocate pentru propagare si ± 50 ms pentru eventualele diferente de timp (nesincronizari intre statii).

Prin impartirea membrilor unei retele in grupuri care monitorizeaza canale diferite pe durata fiecarui dwell,   apelul catre o anumita statie va avea o distributie in timp si/sau frecventa. Acest lucru conduce la o puternica decongestionare a apelurilor si implicit a canalelor si la o reducere a interferentelor, sesizabile mai ales in conditii de trafic intens. Toate statiile care monitorizeaza aceleasi canale in acelasi timp formeaza un grup denumit si dwell group.

Modul trunking

Sistemele ALE 3 G permit impartirea si utilizarea canalelor in canale pentru apel si canale pentru trafic. Acest fapt permite utilizarea intensiva a canalelor de trafic si "eliberarea" relativa a canalelor de apel. Se realizeaza astfel un echilibru intre traficul de mare viteza realizat pe canalele de trafic si traficul de viteza mica utilizat la stabilirea legaturii. Utilizarea principiilor de lucru tip trunking in retelele radio HF implica unele complicatii. Mai intai este necesara estimarea capacitatii canalelor, deoarece nu se mai poate efectua masurarea lor pe durata realizarii legaturii. Apoi, chiar si cu aceasta estimare, este necesara supravegherea activitatii pe canalele de trafic astfel incat sa nu fie selectat pentru trafic un canal pe care se desfasoara deja trafic.

Adresarea

O functie adiacenta acestui nivel este translatarea adreselor utilizate la nivelele superioare (adresa IP, spre exemplu) in adrese utilizabile de catre clientii locali. Adresele utilizate in formatele ALE 3 G sunt numere binare de 11 biti. Pentru retelele care opereaza in mod sincron, primii 5 biti reprezinta numarul asociat grupului dwell, iar ceilalti 6 definesc statia din respectivul grup. Se pot realiza astfel pana la 32 grupuri dwell si pana la 60 statii membre pentru fiecare grup, rezultand 1920 statii intr-o retea. 4 adrese din fiecare grup (1111xx) sunt rezervate statiilor care apeleaza in interiorul retelei.

Sub-protocolul pentru controlul legaturii tip circuit (Circuit Link Controller)

Are rolul de a monitoriza si coordona traficul efectuat pe o legatura (circuit) realizata, prin implementarea unui mecanism simplu, de tip "asculta inainte de a transmite", ale carui functiuni de baza sunt:

inhiba transmisia unui nou mesaj daca detecteaza un semnal (o activitate) pe canal;

inhiba transmisia unui nou mesaj in intervalele de timp necesare confirmarii primirii mesajului;

supravegheaza expirarea timpilor acordati executarii diferitelor functiuni, sprijinind managerul de trafic in terminarea sau initierea unui transfer de mesaj.

Performantele protocoalelor de realizare a legaturii

Asa cum s-a prezentat, realizarea protocoalelor ALE a fost determinata de necesitatea automatizarii procesului de realizare a legaturii. In procesul de elaborare a fost impus un nivel minim al performantelor.

In tabelul 3 sunt prezentate sintetic, principalele caracteristici ale protocoalelor ALE utilizate pana in momentul de fata. Este de subliniat faptul ca ALE 3G produce un salt calitativ considerabil, determinat de utilizarea noilor forme de unda - scaleable burst waveform si de adoptarea principiului de lucru sincron. Este semnificativ nivelul raportului semnal/zgomot de - 2 dB pentru o probabilitate de legatura de 95 %, fata de cei 14 dB necesari primei generatii de protocoale ALE. De asemenea, este de subliniat performanta modem-ului de date incorporat, care ajunge pana la 9600 bps, valoare considerabila pentru un canal ionosferic.

Tabelul 3 Caracteristicile de baza ale protocoalelor ALE

Bibliografie

STANAG 4538, "Technical Standards for an automatic Radio Control System (ARCS) for HF Communication Links", North Atlantic Treaty Organization, Ratification Request 2000, Edition 1.

Elvy S.J. - Comparison of Second and Third Generation HF Communication Links, Harris Corporation, RF Communications Division, New York, U.S.A. 2002.

Postolache C. - Sisteme de radiocomunicatii adaptive in gama US, teza de doctorat, Academia Tehnica Militara, Bucuresti, 2004.

W. Beamish and W. Furman, "Performance of HMTP Base E-Mail using Second and Third Generation HF Data Links", HF'01 Nordic Shortwave Conference Proceedings, 2001.

M. Wadsworth and E. Peach, "Initial Performance results for an Implementation of the STANAG 4538 Fast Link Setup Protocol", HF'01 Nordic Shortwave Conference Proceedings, 2001.