В цифровом радио пакетное радио — это применение методов коммутации пакетов к цифровой радиосвязи. Пакетное радио использует протокол коммутации пакетов в отличие от протоколов коммутации каналов или коммутации сообщений для передачи цифровых данных по каналу радиосвязи .
Пакетное радио часто используется радиолюбителями . Протокол AX.25 (Amateur X.25) был получен из протокола канального уровня X.25 и адаптирован для использования в любительском радио. Каждый пакет AX.25 включает в себя позывной радиолюбителя отправителя, который удовлетворяет требованиям FCC США по идентификации любительских радиостанций. AX.25 позволяет другим станциям автоматически повторять пакеты для расширения диапазона передач. Любая пакетная станция может выступать в качестве диджипитера , связывая удаленные станции друг с другом через специальные сети . Это делает пакетное радио особенно полезным для экстренной связи.
Пакетное радио может использоваться в мобильной связи . Некоторые мобильные пакетные радиостанции периодически передают свое местоположение с помощью Автоматической системы пакетных сообщений (APRS). Если пакет APRS получен станцией «igate», отчеты о местоположении и другие сообщения могут быть направлены на интернет-сервер и размещены на общедоступной веб-странице. Это позволяет радиолюбителям отслеживать местоположение транспортных средств, туристов, высотных аэростатов и т. д., а также телеметрию и другие сообщения по всему миру.
Некоторые реализации пакетной радиосвязи также используют выделенные каналы связи точка-точка, такие как TARPN. В таких случаях появились новые протоколы, такие как Improved Layer 2 Protocol (IL2P), поддерживающие прямое исправление ошибок для каналов со слабым и зашумленным сигналом.
Ранее цифровыми способами радиосвязи были телеграф (с использованием азбуки Морзе ), телетайп (с использованием кода Бодо ) и факсимильная связь .
Поскольку радиоканалы по своей сути обладают топологией широковещательной сети (т. е. многие или все узлы подключены к сети одновременно), одной из первых технических проблем, с которой пришлось столкнуться при внедрении сетей пакетной радиосвязи, был способ управления доступом к общему каналу связи для предотвращения столкновений сигналов. Профессор Норман Абрамсон из Гавайского университета руководил разработкой сети пакетной радиосвязи, известной как ALOHAnet , и провел ряд экспериментов, начиная с 1970-х годов, для разработки методов арбитража доступа к общему радиоканалу сетевыми узлами. Эта система работала на частотах УВЧ со скоростью 9600 бод. Из этой работы был получен протокол множественного доступа Aloha . Последующие усовершенствования методов доступа к каналу, сделанные Леонардом Кляйнроком и др. в 1975 году, привели Роберта Меткалфа к использованию протоколов множественного доступа с контролем несущей (CSMA) при проектировании ныне распространенной технологии локальной сети Ethernet (LAN).
В 1973–76 годах DARPA создала пакетную радиосеть под названием PRNET в районе залива Сан-Франциско и провела серию экспериментов с SRI для проверки использования протоколов связи ARPANET (предшественника Интернета ) ( позже известного как IP ) по пакетным радиоканалам между мобильными и фиксированными сетевыми узлами. [1] Эта система была довольно продвинутой, так как она использовала методы модуляции с прямым последовательным расширением спектра (DSSS) и прямой коррекции ошибок ( FEC ) для обеспечения каналов данных со скоростью 100 кбит/с и 400 кбит/с. Эти эксперименты в целом считались успешными, а также ознаменовали первую демонстрацию межсетевого взаимодействия , поскольку в этих экспериментах данные маршрутизировались между сетями ARPANET, PRNET и SATNET (спутниковая пакетная радиосеть). На протяжении 1970-х и 1980-х годов DARPA эксплуатировала ряд наземных и спутниковых пакетных радиосетей, подключенных к ARPANET на различных военных и правительственных объектах.
Радиолюбители начали экспериментировать с пакетным радио в 1978 году, когда — после получения разрешения от канадского правительства — Роберт Руло, VE2PY; Брэм Фрэнк, VE2BFH; Норм Перл, VE2BQS; и Жак Орсали, VE2EHP [2] из Монреальского радиоклуба любителей Монреаля , Квебек , начали экспериментировать с передачей данных в кодировке ASCII по любительским радиочастотам VHF с использованием самодельного оборудования. [3] В 1980 году Дуг Локхарт, VE7APU, и Vancouver Area Digital Communications Group (VADCG) в Ванкувере , Британская Колумбия, начали производить стандартизированное оборудование ( контроллеры терминальных узлов ) в больших количествах для использования в любительских пакетных радиосетях. В 2003 году Руло был включен в зал славы журнала CQ Amateur Radio за его работу над Монреальским протоколом в 1978 году. [4]
Вскоре после начала этой деятельности в Канаде любители в США заинтересовались пакетным радио. В 1980 году Федеральная комиссия по связи США (FCC) предоставила разрешение любителям США передавать коды ASCII через любительское радио. [5] Ретрансляторы могут быть разработаны для любительского пакетного радио, их называют «диджипитерами». Первая известная любительская пакетная радиоактивность в США произошла в Сан-Франциско в декабре 1980 года, когда ретранслятор пакетов был введен в эксплуатацию на 2-метровом диапазоне Хэнком Магнуски KA6M и Тихоокеанским обществом пакетной радиосвязи (PPRS). [6] В соответствии с доминированием DARPA и ARPANET в то время, зарождающаяся любительская пакетная радиосеть была названа AMPRNet в стиле DARPA. [ требуется цитата ] Магнуски получил распределение IP-адресов в сети 44.0.0.0 / 8 для использования любительским радио по всему миру.
Вскоре по всей стране образовалось множество групп радиолюбителей, заинтересованных в пакетном радио, в том числе Pacific Packet Radio Society (PPRS) в Калифорнии , Tucson Amateur Packet Radio Corporation (TAPR) в Аризоне и Amateur Radio Research and Development Corporation (AMRAD) в Вашингтоне, округ Колумбия [7].
К 1983 году TAPR предлагала первый TNC, доступный в виде набора. Пакетное радио стало становиться все более популярным в Северной Америке , и к 1984 году начали появляться первые пакетные системы досок объявлений . Пакетное радио доказало свою ценность для экстренных операций после крушения авиалайнера Aeromexico в районе Серритос, Калифорния , в августе 1986 года. Добровольцы связали несколько ключевых сайтов для передачи текстового трафика через пакетное радио, которое сохраняло голосовые частоты чистыми.
Для объективного описания ранних разработок в области любительского пакетного радио см. статью «Пакетное радио в любительской службе». [8] [5]
Пакетную радиосвязь можно отличить от других схем коммутации цифрового радио по следующим признакам:
Это очень похоже на то, как пакеты данных передаются между узлами в Интернете .
Одной из первых проблем, с которой сталкиваются любители, внедряющие пакетное радио, является то, что почти все любительское радиооборудование (и большая часть избыточного коммерческого/военного оборудования) исторически было разработано для передачи голоса, а не данных. Как и любая другая цифровая система связи, использующая аналоговые носители, пакетные радиосистемы требуют модема. Поскольку радиооборудование, используемое с модемом, предназначалось для голоса, ранние любительские пакетные системы использовали модемы AFSK , которые следовали телефонным стандартам (в частности, стандарту Bell 202 ). Хотя этот подход работал, он не был оптимальным, поскольку он использовал канал FM 25 кГц для передачи со скоростью 1200 бод. При использовании прямой модуляции FSK , такой как пакетный радиомодем G3RUH, передача со скоростью 9600 бод легко осуществляется в том же канале. Кроме того, характеристики основной полосы звукового канала, предоставляемые голосовыми радиостанциями, часто сильно отличаются от характеристик телефонных звуковых каналов. Это приводило к необходимости в некоторых случаях включать или отключать схемы предыскажения или де-искажения в радиостанциях и/или модемах.
Еще одной проблемой, с которой столкнулись ранние «пакетчики», была проблема асинхронной и синхронной передачи данных. В то время большинство персональных компьютеров имели асинхронные последовательные порты RS-232 для передачи данных между компьютером и такими устройствами, как модемы. Стандарт RS-232 определяет асинхронный, старт-стопный режим передачи данных, при котором данные отправляются группами (символами) по 7 или 8 бит. К сожалению, простые модемы AFSK, которые обычно используются, не обеспечивают тактового сигнала для указания начала кадра пакета . Это привело к необходимости в механизме, позволяющем приемнику знать, когда начинать сборку каждого кадра пакета. Используемый метод называется асинхронным кадрированием . Приемник ищет «октет границы кадра», затем начинает декодировать следующие за ним данные пакета. Другой октет границы кадра отмечает конец кадра пакета.
На одном радиоканале в течение конечного периода времени возможно несколько «диалогов» данных.
Базовая пакетная радиостанция состоит из компьютера или немого терминала, модема и трансивера с антенной . Традиционно компьютер и модем объединены в одном блоке, контроллере терминального узла (TNC), с немым терминалом (или эмулятором терминала ), используемым для ввода и отображения данных. Все чаще персональные компьютеры берут на себя функции TNC, при этом модем либо является автономным устройством, либо полностью реализован в программном обеспечении . В качестве альтернативы несколько производителей (включая Kenwood и Alinco) теперь продают портативные или мобильные радиостанции со встроенными TNC, что позволяет подключаться напрямую к последовательному порту компьютера или терминала без необходимости использования другого оборудования. Компьютер отвечает за управление сетевыми соединениями, форматирование данных в виде пакетов AX.25 и управление радиоканалом. Часто он также обеспечивает другие функции, такие как простая система доски объявлений для приема сообщений во время отсутствия оператора.
Следуя модели OSI , пакетные радиосети можно описать с точки зрения протоколов физического , канального и сетевого уровней, на которых они основаны.
Модемы, используемые для пакетной радиосвязи, различаются по пропускной способности и методу модуляции и обычно выбираются в соответствии с возможностями используемого радиооборудования. Наиболее часто используемый метод — это метод с использованием частотной манипуляции ( AFSK ) в пределах существующей полосы пропускания радиооборудования. Первые любительские пакетные радиостанции были построены с использованием излишков модемов Bell 202 1200 бит/с , и, несмотря на низкую скорость передачи данных, модуляция Bell 202 осталась стандартом для работы на УКВ в большинстве областей. Совсем недавно популярной, хотя и более технически сложной, альтернативой стала 9600 бит/с. На частотах HF используется модуляция Bell 103 со скоростью 300 бит/с.
В силу исторических причин все обычно используемые модуляции основаны на идее минимальной модификации самого радио, обычно просто подключая аудиовыход компьютера напрямую к микрофонному входу передатчика, а аудиовыход приемника напрямую к микрофонному входу компьютера. После добавления выходного сигнала включения передатчика («PTT») для управления передатчиком, был создан радиомодем . Благодаря этой простоте и просто имея под рукой подходящие микросхемы, модуляция Bell 202 стала стандартным способом отправки пакетных радиоданных по радио в виде двух отдельных тонов. Тоны составляют 1200 Гц для Mark и 2200 Гц для space (сдвиг 1000 Гц). В случае модуляции Bell 103 используется сдвиг 200 Гц. Данные дифференциально кодируются с помощью шаблона NRZI , где нулевой бит данных кодируется изменением тонов, а один бит данных кодируется отсутствием изменения тонов.
Способы достижения более высоких скоростей, чем 1200 бит/с , включают использование телефонных модемных чипов через разъемы микрофона и аудиовыхода. Было доказано, что это работает на скоростях до 4800 бит/с с использованием факс- модемов V.27 в полудуплексном режиме. Эти модемы используют фазовую манипуляцию , которая отлично работает, когда нет амплитудной манипуляции , но на более высоких скоростях, таких как 9600 бит/с, уровни сигнала становятся критическими, и они чрезвычайно чувствительны к групповой задержке в радио. Эти системы были пионерами Саймона Тейлора (G1NTX) и Джерри Сэндиса (G8DXZ) в 1980-х годах. Другие системы, которые включали небольшую модификацию радио, были разработаны Джеймсом Миллером (G3RUH) и работали на скорости 9600 бит/с.
Контроллеры узлов AFSK 1200 бит/с на 2 метрах (144–148 МГц) являются наиболее распространенными пакетными радиостанциями. Для пакетной радиосвязи UHF/VHF 1200/2400 бит/с любители используют общедоступные узкополосные голосовые радиостанции FM. Для пакетной передачи HF данные 300 бит/с используются через однополосную ( SSB ) модуляцию. Для высокоскоростной пакетной передачи (9600 бит/с и выше) необходимо использовать специальные радиостанции или модифицированные радиостанции FM.
Были разработаны специальные модемы, которые обеспечивают пропускную способность 19,2 кбит/с, 56 кбит/с и даже 1,2 Мбит/с по любительским радиоканалам на разрешенных FCC частотах 440 МГц и выше. Однако для передачи данных на таких скоростях необходимо специальное радиооборудование. Интерфейс между «модемом» и «радио» находится в промежуточной частотной части радио, в отличие от аудиосекции, используемой для работы на скорости 1200 бит/с. Внедрение этих высокоскоростных каналов было ограничено.
Во многих коммерческих приложениях радиоданных аудиомодуляция не используется. Данные передаются путем изменения выходной частоты передатчика между двумя различными частотами (в случае модуляции FSK существуют другие альтернативы).
Диапазон 2,4 ГГц "Wi-Fi" частично перекрывает диапазон любительского радио, поэтому коммерческое оборудование Wi-Fi может быть адаптировано и использовано лицензированными радиолюбителями на более высоких уровнях мощности, хотя ограничения на любительское радио ограничивают привлекательность использования пакетного радио для подключения к Интернету. Правила Федеральной комиссии по связи США (FCC) не позволяют любительским радиосвязям быть зашифрованными или конфиденциальными, в дополнение к другим ограничениям на контент. [9]
Пакетные радиосети полагаются на протокол канального уровня AX.25 , полученный из набора протоколов X.25 и предназначенный специально для использования в любительском радио. Несмотря на свое название, AX.25 определяет как физический, так и канальный уровни модели OSI. (Он также определяет протокол сетевого уровня, хотя он используется редко.) [10]
Пакетная радиосвязь чаще всего использовалась для прямых соединений клавиатура-к-клавиатуре между станциями, либо между двумя живыми операторами, либо между оператором и системой доски объявлений . Для этих приложений не требуются сетевые службы выше уровня канала передачи данных.
Для обеспечения автоматизированной маршрутизации данных между станциями (важно для доставки электронной почты ) было разработано несколько сетевых протоколов для использования с AX.25. Наиболее известными среди этих сетевых протоколов являются NET/ROM и TheNET, ROSE, FlexNet и TexNet.
В принципе, может использоваться любой протокол сетевого уровня, включая широко распространенный Интернет-протокол .
Многие коммерческие операции, особенно те, которые используют диспетчеризацию транспортных средств (например, такси, эвакуаторы, полиция), быстро отметили ценность пакетных радиосистем для предоставления простых мобильных систем передачи данных. Это привело к быстрому развитию ряда коммерческих пакетных радиосистем: [11]
{{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )