В цифровом радио пакетное радио — это применение методов коммутации пакетов к цифровой радиосвязи. Пакетная радиосвязь 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 создан на основе протокола канального уровня X.25 и адаптирован для использования в любительской радиосвязи. Каждый пакет AX.25 включает в себя позывной любительского радио отправителя, который удовлетворяет требованиям FCC США по идентификации любительских радиостанций. AX.25 позволяет другим станциям автоматически повторять пакеты для расширения диапазона передачи. Любая пакетная станция может действовать как дигипитер , связывая удаленные станции друг с другом через одноранговые сети . Это делает пакетную радиосвязь особенно полезной для экстренной связи.
Пакетная радиосвязь может использоваться в мобильной связи . Некоторые станции мобильной пакетной радиосвязи периодически передают свое местоположение, используя систему автоматического оповещения о пакетах (APRS). Если пакет APRS получен станцией «igate», отчеты о местоположении и другие сообщения могут быть перенаправлены на интернет-сервер и доступны на общедоступной веб-странице. Это позволяет радиолюбителям отслеживать местонахождение транспортных средств, туристов, высотных аэростатов и т. д., а также передавать телеметрические и другие сообщения по всему миру.
Некоторые реализации пакетной радиосвязи также используют выделенные каналы «точка-точка», такие как TARPN. В подобных случаях появились новые протоколы, такие как улучшенный протокол уровня 2 (IL2P), поддерживающий прямое исправление ошибок для каналов с шумом и слабым сигналом.
Ранее режимами цифровой радиосвязи были телеграфия (с использованием кода Морзе ), телетайп (с использованием кода Бодо ) и факсимильная связь .
Поскольку радиосхемы по своей сути обладают топологией широковещательной сети (т. е. многие или все узлы подключены к сети одновременно), одной из первых технических проблем, с которыми пришлось столкнуться при реализации сетей пакетной радиосвязи, было средство управления доступом к общему каналу связи для избегать коллизий сигналов. Профессор Норман Абрамсон из Гавайского университета возглавил разработку сети пакетной радиосвязи, известной как ALOHAnet , и, начиная с 1970-х годов, провел ряд экспериментов по разработке методов арбитражного доступа к общему радиоканалу для сетевых узлов. Эта система работала на частотах УВЧ со скоростью 9600 бод. В результате этой работы был разработан протокол множественного доступа Aloha . Последующие улучшения в методах доступа к каналам, внесенные Леонардом Кляйнроком и др. В 1975 году Роберт Меткалф побудил Роберта Меткалфа использовать протоколы множественного доступа с контролем несущей (CSMA) при разработке ныне распространенной технологии локальной вычислительной сети (LAN) Ethernet .
В 1973–76 годах DARPA создало сеть пакетной радиосвязи под названием PRNET в районе залива Сан-Франциско и провело серию экспериментов с SRI для проверки использования протоколов связи ARPANET (предшественника Интернета ) ( позже известных как IP ) поверх пакетных пакетов. радиосвязь между узлами мобильной и фиксированной сети. [1] Эта система была весьма продвинутой, поскольку в ней использовались методы модуляции с прямым расширением спектра (DSSS) и прямого исправления ошибок ( FEC ) для обеспечения каналов передачи 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 эксплуатировало ряд наземных и спутниковых сетей пакетной радиосвязи, подключенных к ARPANET, на различных военных и правительственных объектах.
Радиолюбители начали экспериментировать с пакетной радиосвязью в 1978 году, когда — после получения разрешения от правительства Канады — Роберт Руло, VE2PY; Брэм Фрэнк, VE2BFH; Норм Перл, VE2BQS; и Жак Орсали, VE2EHP [2] из Монреальского любительского радиоклуба Монреаля , Квебек , начали экспериментировать с передачей данных в кодировке ASCII на любительских радиочастотах УКВ с использованием самодельного оборудования. [3] В 1980 году Дуг Локхарт VE7APU и Ванкуверская группа цифровых коммуникаций (VADCG) в Ванкувере , Британская Колумбия, начали производить стандартизированное оборудование ( контроллеры терминальных узлов ) в больших количествах для использования в любительских сетях пакетной радиосвязи. В 2003 году Руло был занесен в зал славы журнала CQ любительского радио за свою работу над Монреальским протоколом в 1978 году .
Вскоре после того, как эта деятельность началась в Канаде, любители в США заинтересовались пакетной радиосвязью. В 1980 году Федеральная комиссия по связи США (FCC) разрешила любителям США передавать коды ASCII через любительское радио. [5] Ретрансляторы могут быть предназначены для любительской пакетной радиосвязи, их называют «дигипитерами». Первая известная любительская пакетная радиосвязь в США произошла в Сан-Франциско в декабре 1980 года, когда Хэнк Магнуски KA6M и Тихоокеанское общество пакетной радиосвязи (PPRS) ввели в эксплуатацию ретранслятор пакетов на расстоянии 2 метра . [6] В связи с доминированием DARPA и ARPANET в то время зарождающаяся любительская сеть пакетной радиосвязи получила название AMPRNet в стиле DARPA. [ нужна цитата ] Магнуски получил выделение IP - адресов в сети 44.0.0.0/8 для использования любительским радио во всем мире.
Вскоре по всей стране сформировалось множество групп радиолюбителей, заинтересованных в пакетной радиосвязи, включая Тихоокеанское общество пакетной радиосвязи (PPRS) в Калифорнии , Тусонскую любительскую корпорацию пакетной радиосвязи (TAPR) в Аризоне и Корпорацию исследований и разработок любительского радио (AMRAD) в США. Вашингтон, округ Колумбия [7]
К 1983 году TAPR предлагала первый TNC, доступный в виде комплекта. Пакетное радио начало становиться все более популярным в Северной Америке , и к 1984 году начали появляться первые пакетные системы досок объявлений . Пакетная радиосвязь доказала свою ценность для экстренных операций после крушения авиалайнера Aeromexico в районе Серритоса, штат Калифорния , в августе 1986 года. Добровольцы связали несколько ключевых сайтов для передачи текстового трафика через пакетную радиосвязь, которая сохраняла чистоту голосовых частот.
Объективное описание первых разработок любительской пакетной радиосвязи можно найти в статье «Пакетная радиосвязь в любительской службе». [8] [5]
Пакетную радиосвязь можно отличить от других схем коммутации цифровой радиосвязи по следующим признакам:
Это очень похоже на то, как пакеты данных передаются между узлами в Интернете .
Одна из первых проблем, с которыми сталкиваются любители, реализующие пакетную радиосвязь, заключается в том, что почти все любительское радиооборудование (и большая часть излишков коммерческого/военного оборудования) исторически предназначалось для передачи голоса, а не данных. Как и любая другая система цифровой связи, использующая аналоговую среду, системам пакетной радиосвязи требуется модем. Поскольку радиооборудование, используемое с модемом, предназначалось для передачи голоса, в ранних любительских пакетных системах использовались модемы AFSK , соответствующие телефонным стандартам (в частности, стандарту Bell 202 ). Хотя этот подход работал, он не был оптимальным, поскольку для передачи со скоростью 1200 бод использовался FM-канал с частотой 25 кГц. При использовании прямой модуляции FSK , как в пакетном радиомодеме G3RUH, в том же канале легко осуществляется передача со скоростью 9600 бод. Кроме того, характеристики основной полосы аудиоканала, обеспечиваемого голосовыми радиостанциями, часто сильно отличаются от характеристик телефонных аудиоканалов. В некоторых случаях это приводило к необходимости включать или отключать схемы предыскажения или снятия предыскажения в радиоприемниках и/или модемах.
Еще одной проблемой, с которой столкнулись первые «пакетщики», 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 режим старт-стоп передачи данных, при котором данные передаются группами (символами) по 7 или 8 бит. К сожалению, обычно используемые простые модемы AFSK не выдают сигнал синхронизации, указывающий начало кадра пакета . Это привело к необходимости создания механизма, позволяющего получателю знать, когда начинать сборку каждого кадра пакета. Используемый метод называется асинхронным кадрированием . Получатель ищет «октет границы кадра», а затем начинает декодировать следующие за ним пакетные данные. Другой октет границы кадра отмечает конец кадра пакета.
На одном радиоканале в течение конечного периода возможно несколько «переговоров» данных.
Базовая станция пакетной радиосвязи состоит из компьютера или терминала, модема и приемопередатчика с антенной . Традиционно компьютер и модем объединяются в один блок — контроллер терминального узла (TNC) с тупым терминалом (или эмулятором терминала ), используемым для ввода и отображения данных. Все чаще функции ЧПУ берут на себя персональные компьютеры , при этом модем либо является самостоятельным устройством, либо полностью реализован в программном обеспечении . Альтернативно, многие производители (включая Kenwood и Alinco) теперь продают портативные или мобильные радиостанции со встроенными TNC, позволяющими подключаться непосредственно к последовательному порту компьютера или терминала без необходимости использования другого оборудования. Компьютер отвечает за управление сетевыми подключениями, форматирование данных в виде пакетов AX.25 и управление радиоканалом. Часто он предоставляет и другие функции, например, простую систему досок объявлений для приема сообщений в отсутствие оператора.
Следуя модели OSI , сети пакетной радиосвязи можно описать с точки зрения протоколов физического уровня, уровня канала передачи данных и сетевого уровня, 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 звука ( AFSK ) в пределах существующей полосы пропускания речи радиооборудования. Первые любительские пакетные радиостанции были построены с использованием модемов Bell 202 со скоростью 1200 бит/с , и, несмотря на низкую скорость передачи данных, модуляция Bell 202 остается стандартом для работы в диапазоне УКВ в большинстве регионов. Совсем недавно скорость 9600 бит/с стала популярной, хотя и более технически сложной альтернативой. На ВЧ частотах используется модуляция Bell 103 со скоростью 300 бит/с.
По историческим причинам все обычно используемые модуляции основаны на идее минимальной модификации самого радио, обычно просто подключая аудиовыход компьютера непосредственно к микрофонному входу передатчика, а аудиовыход приемника непосредственно к микрофонному входу компьютера. Добавив включение передатчика на выходной сигнал («РТТ») для управления передатчиком, сделали радиомодем . Благодаря этой простоте и наличию подходящих микрочипов модуляция Bell 202 стала стандартным способом передачи пакетных радиоданных по радио в виде двух отдельных тонов. Частота тонов составляет 1200 Гц для Марка и 2200 Гц для пробела (сдвиг на 1000 Гц). В случае модуляции Bell 103 используется сдвиг на 200 Гц. Данные дифференциально кодируются с помощью шаблона NRZI , где нулевой бит данных кодируется изменением тонов, а один бит данных кодируется без изменения тонов.
Способы достижения более высоких скоростей, чем 1200 бит/с , включают использование чипов телефонных модемов через разъемы микрофона и аудиовыхода. Было доказано, что это работает на скоростях до 4800 бит/с при использовании 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 радиосвязи. Эти системы были впервые разработаны Саймоном Тейлором (G1NTX) и Джерри Сэндисом (G8DXZ) в 1980-х годах. Другие системы, которые включали небольшую модификацию радио, были разработаны Джеймсом Миллером (G3RUH) и работали со скоростью 9600 бит/с.
Контроллеры узлов AFSK со скоростью 1200 бит/с на расстоянии 2 метра (144–148 МГц) являются наиболее распространенными пакетными радиоканалами. Для пакетной радиосвязи UHF/VHF со скоростью 1200/2400 бит/с любители используют общедоступные узкополосные голосовые FM-радиостанции. Для ВЧ-пакета данные со скоростью 300 бит/с используются при однополосной модуляции ( SSB ). Для высокоскоростной передачи пакетов (9600 бит/с и выше) необходимо использовать специальные радиоприемники или модифицированные FM-радиоприемники.
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 на промежуточной частотной части радио, в отличие от аудиочасти, используемой для работы со скоростью 1200 бит/с. Внедрение этих высокоскоростных каналов связи было ограничено.
Во многих коммерческих приложениях радиопередачи данных модуляция основной полосы аудио не используется. Данные передаются путем изменения выходной частоты передатчика между двумя разными частотами (в случае модуляции FSK существуют и другие альтернативы).
Диапазон «Wi-Fi» 2,4 ГГц 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 пакетной радиосвязи для подключиться к Интернету. Правила Федеральной комиссии по связи США не допускают шифрования или конфиденциальности любительской радиосвязи, помимо других ограничений контента. [9]
Сети пакетной радиосвязи основаны на протоколе канального уровня AX.25 , созданном на основе набора протоколов X.25 и предназначенном специально для использования в любительской радиосвязи. Несмотря на свое название, AX.25 определяет как физический уровень, так и уровень канала передачи данных модели OSI. (Он также определяет протокол сетевого уровня, хотя он используется редко.) [10]
Пакетная радиосвязь чаще всего использовалась для прямого соединения между клавиатурами между станциями, либо между двумя операторами, работающими в режиме реального времени, либо между оператором и системой доски объявлений . Для этих приложений не требуются сетевые службы выше уровня канала передачи данных.
Чтобы обеспечить автоматическую маршрутизацию данных между станциями (важно для доставки электронной почты ), было разработано несколько протоколов сетевого уровня для использования с AX.25. Наиболее известными среди этих протоколов сетевого уровня являются NET/ROM и TheNET, ROSE, FlexNet и TexNet.
В принципе, может использоваться любой протокол сетевого уровня, включая вездесущий Интернет-протокол .
Многие коммерческие предприятия, особенно те, которые используют диспетчеризацию транспортных средств (например, такси, эвакуаторы, полиция), быстро заметили ценность систем пакетной радиосвязи для обеспечения простых систем мобильной передачи данных. Это привело к быстрому развитию ряда коммерческих систем пакетной радиосвязи: [11]
{{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )