Radio pakietowe - Packet radio

Terminal Node Controller 2400 radiomodem pakietowy

Packet radio to tryb cyfrowej komunikacji radiowej używany do wysyłania pakietów danych . Radio pakietowe wykorzystuje przełączanie pakietów do przesyłania datagramów . Jest to bardzo podobne do tego, jak pakiety danych są przesyłane między węzłami w Internecie . Radio pakietowe może być używane do przesyłania danych na duże odległości.

Radio pakietowe jest często używane przez radioamatorów . Protokół AX.25 (Amateur X.25) wywodzi się z protokołu warstwy łącza danych X.25 i jest przystosowany do użytku amatorskiego. Każdy pakiet AX.25 zawiera amatorski znak wywoławczy nadawcy, który spełnia wymagania US FCC dotyczące identyfikacji amatorskiej stacji radiowej. AX.25 pozwala innym stacjom na automatyczne powtarzanie pakietów w celu rozszerzenia zasięgu transmisji. Każda stacja pakietowa może działać jako digipeater , łącząc ze sobą odległe stacje za pośrednictwem sieci ad hoc . To sprawia, że ​​pakiety radiowe są szczególnie przydatne do komunikacji w sytuacjach awaryjnych.

Radio pakietowe może być wykorzystywane w komunikacji mobilnej . Niektóre mobilne stacje radiowe przesyłające pakietową transmisję danych okresowo przesyłają swoją lokalizację za pomocą systemu automatycznego raportowania pakietów (APRS). Jeśli pakiet APRS zostanie odebrany przez stację „igate”, raporty o pozycji i inne komunikaty mogą być kierowane do serwera internetowego i udostępniane na publicznej stronie internetowej. Pozwala to radioamatorom na śledzenie lokalizacji pojazdów, turystów, balonów na dużych wysokościach itp., wraz z telemetrią i innymi wiadomościami na całym świecie.

Niektóre implementacje Packet Radio wykorzystują również dedykowane łącza punkt-punkt, takie jak TARPN. W takich przypadkach pojawiły się nowe protokoły, takie jak ulepszony protokół warstwy 2 (IL2P) obsługujący korekcję błędów w przód dla zaszumionych i słabych łączy sygnałowych.

Oś czasu

Wcześniejszymi metodami cyfrowej łączności radiowej były telegrafia ( kod Morse'a ), teledruk ( kod Baudot ) i faks .

Aloha i PRNET

Ponieważ obwody radiowe z natury posiadają topologię sieci rozgłoszeniowej (tj. wiele lub wszystkie węzły są jednocześnie połączone z siecią ), jednym z pierwszych wyzwań technicznych napotykanych przy wdrażaniu sieci Packet Radio był sposób kontrolowania dostępu do współdzielonego kanału komunikacyjnego . Profesor Norman Abramson z University of Hawaii kierował rozwojem sieci pakietowej znanej jako ALOHAnet i przeprowadził szereg eksperymentów, począwszy od lat 70. XX wieku, aby opracować metody rozstrzygania dostępu do współdzielonego kanału radiowego przez węzły sieci. System ten działał na częstotliwościach UHF przy 9600 bodach. Z tej pracy powstał protokół wielodostępu Aloha . Kolejne ulepszenia w technikach dostępu do kanałów dokonane przez Leonarda Kleinrocka i in. w 1975 r. doprowadziło Roberta Metcalfe'a do wykorzystania protokołów wielodostępu z wyczuciem nośnika (CSMA) w projektowaniu obecnie powszechnej technologii sieci lokalnych Ethernet (LAN).

W latach 1973-76 DARPA stworzyła pakietową sieć radiową o nazwie PRNET w rejonie Zatoki San Francisco i przeprowadziła serię eksperymentów z SRI, aby zweryfikować użycie protokołów komunikacyjnych ARPANET (prekursor Internetu ) (później znanych jako IP ) przez pakiety łącza radiowe między węzłami sieci ruchomej i stacjonarnej. System ten był dość zaawansowany, ponieważ wykorzystywał modulację DSSS ( Direct Sequence Spread Spectrum ) i techniki korekcji błędów w przód ( FEC ), aby zapewnić kanały danych 100 kbit/si 400 kbit/s. Eksperymenty te ogólnie uznano za udane, a także stanowiły pierwszą demonstrację pracy w sieci , ponieważ w tych eksperymentach dane były przesyłane między sieciami ARPANET, PRNET i SATNET (satelitarna sieć pakietowa). W latach 70. i 80. DARPA obsługiwała szereg naziemnych i satelitarnych sieci radiowych połączonych z ARPANET w różnych instalacjach wojskowych i rządowych.

Amatorskie radio pakietowe i AMPRNet

Główny artykuł: AMPRNet

Krótkofalowcy zaczęli eksperymentować z pakietem radiowym w 1978 roku, kiedy — po uzyskaniu zezwolenia od rządu kanadyjskiego — Robert Rouleau, VE2PY; Bram Frank, VE2BFH; Norma Perła, VE2BQS; i Jacques Orsali, VE2EHP z Montreal Amateur Radio Club Montreal , Quebec rozpoczął eksperymenty z przesyłaniem danych zakodowanych w ASCII na amatorskich częstotliwościach radiowych VHF przy użyciu sprzętu domowego. W 1980 roku Doug Lockhart VE7APU i Vancouver Area Digital Communications Group (VADCG) w Vancouver w Kolumbii Brytyjskiej rozpoczęli produkcję standardowego sprzętu ( kontrolery węzłów terminalowych ) w ilościach do użytku w amatorskich sieciach pakietowych. W 2003 roku Rouleau został wprowadzony do galerii sław magazynu CQ Amateur Radio za pracę nad Protokołem Montrealskim w 1978 roku.

Niedługo po rozpoczęciu tej działalności w Kanadzie amatorzy w USA zainteresowali się pakietem radiowym. W 1980 roku Federalna Komisja Łączności Stanów Zjednoczonych (FCC) przyznała amatorom amerykańskim zezwolenie na przesyłanie kodów ASCII przez radio amatorskie. Repeatery mogą być zaprojektowane dla amatorskich stacji radiowych, są one nazywane „digippeaterami”. Pierwszym znanym działalność radiowa pakiet amator w USA doszło w San Francisco w grudniu 1980 roku, kiedy to repeater pakiet został oddany do eksploatacji na 2 metrów przez Hank Magnuski KA6M i Pacyfiku Packet Radio Society (PPRS). Zgodnie z ówczesną dominacją DARPA i ARPANET, rodząca się amatorska sieć pakietowa została nazwana AMPRNet w stylu DARPA. Magnuski uzyskuje adres IP alokacje w 44.0.0.0 / 8 sieci do użytku amatorskiego radia Worldwide.

Wkrótce w całym kraju powstało wiele grup amatorskich radiooperatorów zainteresowanych pakietem radiowym, w tym Pacific Packet Radio Society (PPRS) w Kalifornii , Tucson Amateur Packet Radio Corporation (TAPR) w Arizonie oraz Amateur Radio Research and Development Corporation (AMRAD) w Waszyngton

Do 1983 roku TAPR oferował pierwszy TNC dostępny w formie zestawu. Radio pakietowe zaczęło stawać się coraz bardziej popularne w Ameryce Północnej, a do 1984 roku zaczęły pojawiać się pierwsze oparte na pakietach systemy tablic ogłoszeniowych . Packet radio dowiodło swojej wartości w operacjach ratunkowych po katastrofie samolotu linii Aeromexico w sąsiedztwie Cerritos w Kalifornii w weekend Święta Pracy w 1986 r. Wolontariusze połączyli kilka kluczowych witryn, aby przekazywać ruch tekstowy za pośrednictwem pakietu radiowego, który utrzymywał częstotliwości głosu w czystości.

Obiektywny opis wczesnych zmian w amatorskiej transmisji pakietowej znajduje się w artykule „Packet Radio in the Amateur Service”.

Systemy komercyjne

Wiele operacji komercyjnych, szczególnie tych, które wykorzystują wysyłkę pojazdów (tj. taksówki, lawety, policja) szybko dostrzegło wartość systemów Packet Radio w dostarczaniu prostych mobilnych systemów danych. Doprowadziło to do szybkiego rozwoju wielu komercyjnych systemów Packet Radio:

  • MDI (1979)
  • DCS (1984)
  • DRN (1986)
  • Mobiteks (1986)
  • ARDIS (1990)
  • CDPD umożliwił przesyłanie danych pakietowych przez analogowe sieci telefonii komórkowej AMPS
  • GPRS to usługa przesyłania danych pakietowych zapewniana przez sieć telefonii komórkowej GSM

Szczegóły techniczne

Głos nie dane

Jednym z pierwszych wyzwań, przed jakim stają amatorzy wdrażający pakietowe radio jest to, że prawie cały amatorski sprzęt radiowy (i większość nadwyżek sprzętu komercyjnego/wojskowego) był historycznie zaprojektowany do przesyłania głosu, a nie danych. Jak każdy inny system komunikacji cyfrowej wykorzystujący media analogowe, systemy Packet Radio wymagają modemu. Ponieważ sprzęt radiowy, który miał być używany z modemem, był przeznaczony do komunikacji głosowej, wczesne amatorskie systemy pakietowe wykorzystywały modemy AFSK zgodne ze standardami telefonicznymi (zwłaszcza standardem Bell 202 ). Chociaż to podejście działało, nie było optymalne, ponieważ używało kanału FM 25 kHz do transmisji z prędkością 1200 bodów. W przypadku korzystania z bezpośredniej modulacji FSK, takiej jak radiomodem G3RUH, transmisja 9600 bodów jest łatwo realizowana w tym samym kanale.

Ponadto charakterystyka pasma podstawowego kanału audio zapewnianego przez radiotelefony są często zupełnie inne niż charakterystyka kanałów audio telefonu. Doprowadziło to w niektórych przypadkach do konieczności włączenia lub wyłączenia obwodów preemfazy lub deemfazy w radiotelefonach i/lub modemach.

Kadrowanie asynchroniczne

Innym problemem, z jakim borykali się wcześni „pakietujący” był problem asynchronicznego i synchronicznego przesyłania danych. W tamtych czasach większość komputerów osobistych miała asynchroniczne porty szeregowe RS-232 do przesyłania danych między komputerem a urządzeniami, takimi jak modemy. Standard RS-232 określa asynchroniczny tryb transmisji danych start-stop, w którym dane przesyłane są w grupach (znakach) po 7 lub 8 bitów. Niestety, zwykle używane proste modemy AFSK nie dostarczają sygnału taktowania, aby wskazać początek ramki pakietu . Doprowadziło to do potrzeby stworzenia mechanizmu, który umożliwiłby odbiorcy wiedzieć, kiedy zacząć składać każdą ramkę pakietu. Użyta metoda nazywana jest ramkami asynchronicznymi . Odbiornik szuka „oktetu granicznego ramki”, a następnie rozpoczyna dekodowanie danych pakietowych, które po nim następują. Kolejny oktet graniczny ramki oznacza koniec ramki pakietu.

Udostępnianie kanału

W jednym kanale radiowym przez określony czas możliwa jest pewna liczba „rozmów” dotyczących danych.

Konfiguracja stacji

Podstawowa stacja radiowa pakietowa składa się z komputera lub terminala niemego, modemu i nadajnika-odbiornika z anteną . Tradycyjnie komputer i modem są połączone w jedną jednostkę, kontroler węzła terminala (TNC), z terminalem niemyślnym (lub emulatorem terminala ) używanym do wprowadzania i wyświetlania danych. Coraz częściej komputery osobiste przejmują funkcje TNC, z modemem jako samodzielną jednostką lub zaimplementowanym całkowicie w oprogramowaniu . Alternatywnie, wielu producentów (w tym Kenwood i Alinco) wprowadza na rynek radiotelefony przenośne lub przenośne z wbudowanymi TNC, umożliwiającymi bezpośrednie połączenie z portem szeregowym komputera lub terminala bez konieczności stosowania dodatkowego sprzętu.

Komputer odpowiada za zarządzanie połączeniami sieciowymi, formatowanie danych jako pakiety AX.25 oraz sterowanie kanałem radiowym. Często zapewnia również inne funkcje, takie jak prosty system tablicy ogłoszeń do przyjmowania wiadomości podczas nieobecności operatora.

Zgodnie z modelem OSI , sieci Packet Radio można opisać w kategoriach protokołów warstwy fizycznej, łącza danych i warstwy sieci, na których się opierają.

Warstwa fizyczna: modem i kanał radiowy

Modemy używane w pakietach radiowych różnią się przepustowością i techniką modulacji i są zwykle wybierane tak, aby odpowiadały możliwościom używanego sprzętu radiowego. Najczęściej stosowaną metodą jest metoda wykorzystująca kluczowanie z przesunięciem częstotliwości audio ( AFSK ) w ramach istniejącego pasma mowy sprzętu radiowego. Pierwsze amatorskie stacje radiowe wykorzystujące pakiety zostały skonstruowane przy użyciu nadmiarowych modemów Bell 202 1200 bit/s i pomimo niskiej szybkości transmisji danych, modulacja Bell 202 pozostała standardem dla pracy VHF w większości obszarów. Ostatnio 9600 bit/s stało się popularną, choć bardziej wymagającą technicznie alternatywą. Przy częstotliwościach HF stosowana jest modulacja Bell 103 z szybkością 300 bitów/s.

Ze względów historycznych wszystkie powszechnie stosowane modulacje opierają się na idei minimalnej modyfikacji samego radia, zwykle po prostu podłączając wyjście audio komputera bezpośrednio do wejścia mikrofonowego nadajnika i wyjście audio odbiornika bezpośrednio do wejścia mikrofonowego komputera. Po dodaniu włączenia nadajnika na sygnał wyjściowy („PTT”) do sterowania nadajnikiem, wykonuje się radiomodem . Ze względu na tę prostotę i posiadanie odpowiednich mikrochipów pod ręką, modulacja Bell 202 stała się standardowym sposobem wysyłania danych pakietowych przez radio jako dwa różne tony. Dźwięki to 1200 Hz dla Marka i 2200 Hz dla przestrzeni (przesunięcie o 1000 Hz). W przypadku modulacji Bell 103 stosuje się przesunięcie 200 Hz. Dane są kodowane w sposób różnicowy za pomocą wzorca NRZI , w którym zerowy bit danych jest kodowany ze zmianą tonów, a jednobitowy bit danych jest zakodowany bez zmiany tonów.

Sposoby na osiągnięcie prędkości wyższych niż 1200 bitów/s obejmują użycie chipów modemu telefonicznego przez złącza mikrofonu i wyjścia audio. Udowodniono, że działa z prędkością do 4800 bitów/s przy użyciu modemów faksu V.27 w trybie półdupleksowym. Modemy te wykorzystują kluczowanie z przesunięciem fazy, które działa dobrze, gdy nie ma kluczowania z przesunięciem amplitudy , ale przy wyższych prędkościach, takich jak 9600 bitów/s, poziomy sygnału stają się krytyczne i są niezwykle wrażliwe na opóźnienia grupowe w radiu. Systemy te zostały zapoczątkowane przez Simona Taylora (G1NTX) i Jerry'ego Sandysa (G8DXZ) w latach 80-tych. Inne systemy, które wymagały niewielkich modyfikacji radia, zostały opracowane przez Jamesa Millera (G3RUH) i działały z prędkością 9600 bitów/s.

Kontrolery węzłów AFSK 1200 bitów/s na 2 metrach (144–148 MHz) to najczęściej spotykane pakiety radiowe. W przypadku radia pakietowego UHF/VHF 1200/2400 bit/s amatorzy używają powszechnie dostępnych wąskopasmowych radiotelefonów FM. W przypadku pakietów HF, 300 bitów/s danych jest używanych w modulacji pojedynczej wstęgi bocznej ( SSB ). W przypadku pakietów o dużej szybkości (9600 bitów/s w górę) należy używać specjalnych radioodbiorników lub zmodyfikowanych radiotelefonów FM.

Opracowano niestandardowe modemy, które umożliwiają przepustowość 19,2 kbit/s, 56 kbit/s, a nawet 1,2 Mbit/s na amatorskich łączach radiowych na dozwolonych przez FCC częstotliwościach 440 MHz i wyższych. Jednak do przesyłania danych przy tych prędkościach potrzebny jest specjalny sprzęt radiowy. Interfejs między „modemem” a „radiem” znajduje się w części radia o częstotliwości pośredniej, w przeciwieństwie do sekcji audio używanej do pracy z prędkością 1200 bitów/s. Przyjęcie tych szybkich łączy było ograniczone.

W wielu komercyjnych zastosowaniach radiowych danych modulacja pasma podstawowego audio nie jest używana. Dane są przesyłane poprzez zmianę częstotliwości wyjściowej nadajnika pomiędzy dwiema różnymi częstotliwościami (w przypadku modulacji FSK istnieją inne alternatywy).

Szybkie radio multimedialne

Główny artykuł: szybkie radio multimedialne

Pasmo „Wi-Fi” 2,4 GHz częściowo pokrywa się z amatorskim pasmem radiowym, więc komercyjny sprzęt Wi-Fi może być przystosowany i używany przez licencjonowanych amatorskich operatorów radiowych na wyższych poziomach mocy, chociaż ograniczenia dotyczące radia amatorskiego ograniczają atrakcyjność korzystania z Packet Radio do Połącz z internetem. Przepisy US FCC nie zezwalają na szyfrowanie lub prywatność amatorskiej komunikacji radiowej, oprócz innych ograniczeń dotyczących treści.

Warstwa łącza danych: AX.25

Pakietowe sieci radiowe opierają się na protokole warstwy łącza danych AX.25 , wywodzącym się z zestawu protokołów X.25 i przeznaczonym specjalnie do zastosowań radioamatorskich. Pomimo swojej nazwy, AX.25 definiuje zarówno warstwę fizyczną, jak i warstwę łącza danych modelu OSI. (Określa również protokół warstwy sieciowej, chociaż jest on rzadko używany).

Warstwa sieci

Radio pakietowe jest najczęściej używane do bezpośrednich połączeń między stacjami, między dwoma operatorami na żywo lub między operatorem a systemem tablicy ogłoszeń . W przypadku tych aplikacji nie są wymagane żadne usługi sieciowe powyżej warstwy łącza danych.

Aby zapewnić automatyczny routing danych między stacjami (ważne przy dostarczaniu poczty elektronicznej ), opracowano kilka protokołów warstwy sieci do użytku z AX.25. Najbardziej znanymi protokołami warstwy sieciowej są NET/ROM i TheNET, ROSE, FlexNet i TexNet.

W zasadzie można zastosować dowolny protokół warstwy sieciowej, w tym wszechobecny protokół internetowy .

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

  • Lynch, Clifford A.; Brownrigg, Edwin B. (1987). Pakietowe sieci radiowe . Prasa Pergamońska. Numer ISBN 0-08-035913-2.
  • Okin, JR (2005). The Internet Revolution: The Not-for-Dummies Przewodnik po historii, technologii i korzystaniu z Internetu . Prasa żelazna. Numer ISBN 0-9763857-6-7.
  • Rouleau, Robercie; Hodgson, Ian (1981). Pakiet radiowy . Książki TAB. Numer ISBN 0-8306-1345-5.
  • Don Rotolo, N2IRZ (lipiec 2015). „Sieci pakietowe i TARPN”. CQ radioamatorskie . 71 (7): 82–84. ISSN  0007-893X .

Linki zewnętrzne