А.В. Мирошниченко — инженер ГосНИИАС, отделение 1900
И.А. Татарчук — инженер 1-й категории ГосНИИАС, отделение 1900
Э.Я. Фальков — начальник отделения ГосНИИАС, главный конструктор по радиоэлектронным системам
С.С. Шаврин — профессор Московского технического университета связи и информатики, доктор технических наук
Пропускная способность линии передачи 1090 позиционируется как высокая, создавая у пользователей иллюзию возможности уверенного наблюдения всех воздушных судов в радиусе 200 морских миль независимо от их количества.
Что же имеет место на самом деле?
В сентябре 2019 г. в RTCA был представлен проект стандарта DO-260C-draft-v10.0-m12, подготовленный RTCA Special Committee 186 (SC-186) по АЗН-В. Проект содержит результаты моделирования функционирования АЗН-В/1090 для условий высокозагруженного и низкозагруженного воздушного пространства в районе Лос-Анжелеса.
Для условий высокозагруженного воздушного пространства в эфире рассматривались 1000 ВС с транспондерами разных типов, работающих на частоте 1090ES, для условий низкозагруженного – 300 ВС.
Результаты расчётно-экспериментальных исследований, Приложение P документа DO-260C-draft-v10.0-m12 , показаны в Таблице 1 — для условий высокозагруженного и в Таблице 2 — для низкозагруженного воздушного пространства.
Таблица 1. Расчет потерь в условиях высокозагруженного воздушного пространства
| Расстояние, NM | Вероятность Prob(95) успешного приема сообщений (95% доверительный интервал) | Время, за которое будет обновлена информация о векторе состояния, сек |
|---|---|---|
| 10 | 0,681 | 0,7 |
| 20 | 0,429 | 1,3 |
| 30 | 0,272 | 2,4 |
| 40 | 0,185 | 3,7 |
| 50 | 0,130 | 5,4 |
| 60 | 0,106 | 6,7 |
| 70 | 0,077 | 9,3 |
| 80 | 0,058 | 12,5 |
| 90 | 0,055 | 13,2 |
| 100 | 0,045 | 16,3 |
Таблица 2. Расчет потерь в условиях низкозагруженного воздушного пространства
| Расстояние, NM | Вероятность Prob(95) успешного приема сообщений (95% доверительный интервал) | Время, за которое будет обновлена информация о векторе состояния, сек |
|---|---|---|
| 70 | 0,696 0,676 | 0,629 0,665 |
| 80 | 0,481 0,552 | 1,142 0,933 |
| 90 | 0,465 0,465 | 1,197 1,197 |
| 100 | 0,465 0,465 | 1,197 1,197 |
| 110 | 0,464 0,402 | 1,201 1,457 |
| 120 | 0,215 0,278 | 3,094 2,229 |
| 130 | 0,142 0,094 | 4,890 7,587 |
| 140 | 0,018 0,018 | 41,232 41,232 |
В этих таблицах в первом столбце указано расстояние между передатчиками и приемником в морских милях, во втором — вероятность успешного приема сообщений (95% доверительный интервал) для соответствующего расстояния, а в третьем – значение времени, за которое будет обновлена информация о векторе состояния, сек.
Анализ приведенных результатов дает основание оценить фактическую максимальную пропускную способность ЛПД 1090 ES по принятым сигналам с учетом эффекта наложения во времени передаваемых пакетов. Она будет определяться выражением:
V = HП * NBC * Prob(95), где:
HП = 120бит/с — объем ежесекундно передаваемого пакета от каждого воздушного судна;
NBC — количество ВС в наблюдаемом пространстве, 1000 и 300 соответственно;
Prob(95) — значение вероятности успешного приема сообщений борт-система УВД из второго столбца таблиц 1 или 2.
Представленное выражение соответствует случаю, когда каждый из воздушных судов один раз в секунду передает в эфир два пакета длиной 120 бит, причем пропадание хотя бы одного пакета при приёме соответствует потере сообщения. Успешно принятой окажется доля пакетов, указанная в соответствующих столбцах таблиц 1 и 2.
Результаты анализа сведены в таблицу 3.
Таблица 3.
| Расстояние, NM | Вероятность Prob(95) успешного приема сообщений (95% доверительный интервал) для количества объектов: | Вероятность потери приёма информации (1-Prob(95)) для количества объектов: | Фактическая пропускная способность, Кбит/с, при количестве объектов: | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1000 | 300 | 1000 | 300 | 1000 | 300 | |
| 10 | 0,681 | 0,319 | 81,72 | |||
| 20 | 0,429 | 0,571 | 51,48 | |||
| 30 | 0,272 | 0,728 | 32,64 | |||
| 40 | 0,185 | 0,815 | 22,20 | |||
| 50 | 0,130 | 0,870 | 15,60 | |||
| 60 | 0,106 | 0,894 | 12,72 | |||
| 70 | 0,077 | 0,676 | 0,923 | 0,324 | 9,24 | 24,34 |
| 80 | 0,058 | 0,481 | 0,942 | 0,519 | 6,96 | 17,32 |
| 90 | 0,055 | 0,465 | 0,945 | 0,535 | 6,60 | 16,74 |
| 100 | 0,045 | 0,465 | 0,955 | 0,535 | 5,40 | 16,74 |
| 110 | 0,402 | 0,598 | 14,47 | |||
| 120 | 0,215 | 0,785 | 7,74 | |||
| 130 | 0,094 | 0,906 | 3,38 | |||
| 140 | 0,018 | 0,982 | 0,65 | |||
Значения вероятности потерь пакетов обескураживают – от 32% до 98,2%, так же как и времена обновления информации, указанные в третьем столбце таблиц 1 и 2. Пропускная способность системы оценивается по фактически принятой информации. Значения реально достижимой пропускной способности приёма данных заставляют вспомнить исходную вечно зелёную «теоретическую» производительность 1 Мбит/c.
Проводя более подробный анализ достижимой скорости передачи по ЛПД 1090, следует заметить, что из 120 бит передаваемого пакета только 80 (поля АА и МЕ) несут полезную для пользователя информацию для наблюдения в виде идентификатора воздушного судна и его координат, остальные биты являются служебными. Результаты анализа достижимой скорости передачи не полной, но полезной для пользователя информации по ЛПД 1090 оказываются в 1,5 раза хуже.
Представляет интерес комплексно сравнить ЛПД 1090ES и VDL-4 по возможностям наблюдения.
Сравнительный анализ пропускной способности различных по характеру линий передачи данных, таких как VDL-4 и 1090 ES, корректно проводить для одинаковых исходных условий.
В части наблюдения пропускная способность систем, обеспечивающих функции АЗН-В, определяет максимальное количество взаимодействующих объектов в рамках контролируемого воздушного пространства.
Оценка пропускной способности систем АЗН-В должна определяться количеством объектов, для которых поддерживается передача требуемого количества сообщений в единицу времени при заданной вероятности их потерь или предельной пропускной способностью передачи полезной информации при тех же условиях.
В соответствии с общепринятыми правилами разработки радиотехнических систем, разработка ЛПД VDL-4 опирается на предельно допустимое значение вероятности потерь сообщений (MER – Message Error Rate), на основе которого рассчитывается коэффициент ошибок по битам (BER – Bit Error Rate).
Коэффициент ошибок по битам является основой для выбора сигнально–кодовой конструкции, а также определения необходимой мощности передатчика при достижимой чувствительности приемника в соответствии с энергетическим бюджетом канала.
В соответствии с требованиями европейского стандарта ETSI EN 301 842-1 V1.2.1, предельно допустимым значением потерь пакетов в ЛПД VDL-4 является 2%. Значения потерь, представленные в таблицах 1 и 2 как результаты исследований, этому требованию категорическим образом не удовлетворяют. Работа в проекте стандарта проводилась по принципу: берем реальное положение воздушных судов, запускаем механизм обмена данными через 1090 ES, а там в части потерь сообщений – что получится.
Каких-либо результатов исследований, отражающих реальную пропускную способность ЛПД 1090 при вероятности потери сообщений не выше 2%, в доступных источниках не обнаружено.
Между тем ее несложно оценить по методике, родственной использованной при проведении ранее описанных исследований RTCA.
Передача пакетов в ЛПД 1090 носит неупорядоченный (случайный) характер, что приводит к возможности наложения во времени передачи пакетов разных воздушных судов и их потере.
Потеря сообщения соответствует потере хотя бы одного пакета, поскольку группа пакетов в сообщении содержит взаимосвязанную информацию.
Потеря пакета происходит при частичном или полном перекрытии во времени сигналов разных объектов. В оптимистическом случае – большой разнице в мощности конфликтующих пакетов в точке приема – происходит пропадание одного пакета. В пессимистическом случае близких значений мощности в точке приема пропадают оба пакета.
Далее рассматривается пропускная способность системы для оптимистического случая.
В соответствии с базовыми понятиями теории вероятностей вероятность перекрытия двух пакетов при случайном характере их передачи может быть определена как:
PK = ТП * ( 2 / ТСР ), где:
ТП = 120мкс – длительность передачи пакета;
ТСР = 1с – средний период передачи пакета.
Вероятность успешного приема пакета Ру определяется выражением:
Ру = 1 — Рк,
тогда вероятность успешного приема m пакетов Pm:
Pm = Pym = ( 1 — Pк )m.
Вероятность Pп потери пакета в группе из m пакетов:
Рп = 1 — Pm = 1 — ( 1 — Pк )m = 1 — ( 1 — ( Тп * 2) / Тср )m .
Сравнительный анализ возможностей различных систем следует производить для равных условий. С учетом требований к допустимому значению вероятности потерь пакетов для системы VDL-4, равному 2%, предельное количество передаваемых и успешно принимаемых пакетов для ЛПД 1090 ES составит:
m = log( 1 — Рп ) / log( 1 — Рк ) = 84,
а предельное количество объектов в зоне взаимодействия составит:
N ≤ m / K = 42,
где K = 2 – минимальное количество пакетов в сообщении.
Таким образом, в течение одной секунды для АЗН-В/1090 предельное количество передаваемых пакетов при допустимом значении вероятности потерь, равном 2%, составляет 84. При этом полноценной связью будет обеспечено не более 42 ВС – только в маловероятном случае, если каждое из 42 ВС получит по 2 целых пакета. В столь же маловероятном случае, когда все 84 пакета будут приняты от разных ВС, ни одно сообщение восстановлено не будет. В качестве оценки представляется допустимым ожидать в среднем ≈ 21 ВС, обеспеченное наблюдением в текущей секунде. Предельная скорость передачи информации составляет 84 * 120 = 10080 бит/с, а для полезной информации 84 * 80 = 6720 бит/с.
Если сравнить с пресловутой исходной цифрой в 1Мбит/с, КПД канала 1090 ES составит 10080 / 1000000 = 0,01008 (около 1%).
Высокая символьная скорость передачи информации в условиях её нерегулируемого наложения от различных источников не всегда приводит к высокой результирующей пропускной способности.
Зависимость числа воздушных судов от допустимого уровня потерь
На рисунке представлена зависимость количества взаимодействующих воздушных судов в зависимости от предельно допустимых потерь пакетов для оптимистического случая.
Для 300 воздушных судов средняя величина потерь пакетов составляет 0,134, для 1000 воздушных судов 0,381.
Помимо потерь пакетов в результате наложения сигналов, материалы FAA и ИКАО — Possible impact small VAS transmitting on 1090MHz, Automatic Dependent Surveillance-Broadcast Out Implementation meeting for the NAM/CAR Regions (ADS-B/Out/M), Ottawa, Canada 21-23 August 2019, ADS-B/Out/M-IP/04, 14/08,19, показали неприменимость АЗН-В/1090 Out для так называемых малых БАС.