Телекоммуникационный комплекс корабельной связи

Телекоммуникационный комплекс корабельной связи относится к области электрорадиотехники, а именно к технике передачи цифровой и аналоговой информации, и может быть использован для организации связи на кораблях, судах и других подвижных объектах. Достигаемым техническим результатом является упрощение комплекса и повышение его надежности и живучести за счет того, что транспортная сеть комплекса выполнена на базе стека протоколов TCP/IP, а управление сессиями связи осуществляется по протоколу сигнализации SIP, при этом в состав транспортной сети включены коммутаторы доступа, а терминальное и сетевое оборудование комплекса подключено к коммутируемой локальной вычислительной сети, выполненной на базе коммутаторов доступа, и основано на технологии коммутации Ethernet, причем терминальное оборудование построено на единой аппаратной платформе, на базе процессора Intel Atom по модульному принципу и состоит из различных модулей. Ил.5.

Настоящая полезная модель относится к области электрорадиотехники, а именно к технике передачи аналоговой и цифровой информации, и может быть использована для организации связи на кораблях, судах и других подвижных и стационарных объектах.

Известна Автоматизированная система интегрированной цифровой связи. Патент РФ 2188511. - Бюллетень изобретений - 2002. 24.

Комплекс состоит из центрального блока коммуникации (ЦБК) и блоков коммуникации (БК) к которым подключены источники информации и абоненты. ЦБК и БК соединены между собой посредством волоконно-оптической линии связи (ВОЛС).

Известен унифицированный комплекс внутрикорабельной связи. Патент РФ 2261530. - Бюллетень изобретений - 2005. 27.

Комплекс содержит интегральные коммуникационные центры (ИКЦ), каждый из которых связан со всеми другими центрами ВОЛС. К каждому ИКЦ подключены абонентские устройства (АУ), а к АУ подключены электрические преобразователи.

Прототипом заявляемой системы является комплекс внутрикорабельной громкоговорящей связи и трансляции. Патент РФ 2131168 от 27.05.1999 г.

Комплекс предназначен для организации внутрикорабельной громкоговорящей и телефонной связи. Этот комплекс рассчитан на использование коммутационных центров (КЦ), которые последовательно соединены между собой ВОЛС, и к ним подсоединены коммутаторы и пульты, блоки каютных и отсечных громкоговорителей и др. линии.

Недостатками, как аналогов, так и прототипа является то, что системы основываются на использовании метода коммутации каналов и аналоговой передачи информации по каналам связи, а также имеют низкую пропускную способность сети и недостаточную надежность. Эти системы относятся к технологиям, используемым для реализации территориально-распределенных систем связи.

Целью полезной модели является упрощение комплекса и повышение его надежности и живучести.

Поставленная цель достигается тем, что телекоммуникационный комплекс корабельной связи состоит из цифровой транспортной сети интегрального обслуживания, с абонентскими терминалами, причем транспортная сеть выполнена на базе стека протоколов TCP/IP, а управление сессиями связи осуществляется по протоколу сигнализации SIP при этом в состав транспортной сети включены коммутаторы доступа образующие локальную вычислительную сеть, а терминальное и сетевое оборудование комплекса подключено к коммутируемой локальной вычислительной сети, и основанной на технологии коммутации Ethernet, причем терминальное оборудование построено на единой аппаратной платформе, на базе процессора Intel Alom 7530 по модульному принципу и состоит из различных модулей, например, модуля устройства отображения и ввода, модуля ввода и вывода звуковой информации, модуля цветной видеокамеры и др., при этом каждый терминал имеет внешние интерфейсы, выведенные на разъем, а к коммутатору доступа подключены терминальные, серверные и шлюзовые устройства, причем коммутатор доступа обеспечивает подключение до 24 устройств на скорости до 1000 Мбит/с по витой паре типа 100BASETX. Функциональная схема комплекса приведена на фиг.1.

Она содержит:

1. цифровую транспортную сеть;

2. коммутаторы доступа;

3. локальную вычислительную сеть;

4. терминалы; серверы услуг;

5. шлюзовое устройство.

Цифровая транспортная сеть 1 физически состоит из медных проводов (витая пара) UTP и ВОЛС и обеспечивает скорость передачи до 1 Гбит/с.

Эта сеть, в которой предусматривается: применение протокола TCP/IP в качестве интегратора доступа; интеграция сетевой и канальной технологии; использование интеллектуальной высокоскоростной транспортной подсети.

Благодаря наличию протоколов TCP/IP, цифровых и аналоговых интерфейсов, в системе используются различные абонентские устройства, различные шлюзы и серверы.

Сетевой уровень системы содержит функции, обеспечивающие соединение, сопровождение и завершение соединений, представляемых пользователям цифровой транспортной сети, а также доступ пользователей к средствам пакетной коммутации и предоставление дополнительных услуг.

Коммутаторы доступа 2 выполнены в 19" конструктиве высоты 2U (88 мм) и предназначены для подключения терминальных, серверных и шлюзовых устройств. Они обеспечивают прием и передачу IP-трафика от этих устройств, а также от автоматизированных систем и комплексов технических средств корабля и подсистемы внешней связи корабля, размещение пакетов в очередях в зависимости от приоритета, коммутацию в соответствии с приоритетом и адресом назначения.

Коммутаторы доступа осуществляют подключение до 24 устройств на скорости 100 Мбит/с или 1000 Мбит/с по витой паре (100BASE-TX, 1000BASET), при этом дополнительно обеспечиваются:

- неблокирующая работа каждого порта в режиме дуплексной связи;

- управление потоком кадров (стандарт IEEE 802.3x);

- поддержка функционирования в режиме Full Duplex (стандарт IEEE 802.3x);

- поддержка увеличенного максимального размера кадра до 1522 байт для поддержки информации о VLAN (стандарт IEEE 802.1 Q);

- поддержка не менее 4 очередей приоритета кадров (стандарт IEEE 802.1р) и др.

Модули коммутаторов построены на основе семейства микросхем фирмы Marvell: 88FG 185 и 88Е1112.

Микросхема 88FG 185 является 10-портовым коммутатором 10/100/1000-битного Ethernet. Все порты имеют MAC - интерфейс SERDES, 8-10 порты могут непосредственно работать на логический приемопередатчик без микросхем физического уровня, 10-й порт дополнительно имеет интерфейс GMII/MII, через который подсоединяется модуль управления коммутатором.

Микросхема однотактного приемопередатчика 88Е1112 преобразовывает МАС-интерфейс SERDES в Ethernet 1000 Base-T или Ethernet 1000 Base-LX в зависимости от конфигурации микросхемы (задается внешними сопротивлениями).

Для программирования внутренних регистров микросхемы 88FG185 применяется ППЗУ.

Внешний генератор 25 МГц синхронизирует работу всех микросхем.

Модуль питается от напряжения 5 В.

Локальная вычислительная сеть 3 обеспечивает физическое взаимодействие составных частей комплекса. Скорость передачи в сети 1 Гбит/с.

Терминалы многофункциональные 4 предназначены для предоставления должностным лицам следующих услуг:

- видеосвязь входящая и исходящая в режиме «точка-точка» и многоточечная видеоконференцсвязь;

- громкоговорящая связь;

- передача файлов произвольного формата;

- передача текстовых сообщений;

- трансляция художественных программ;

- видеонаблюдение;

- индикация статуса присутствия.

Кроме того, терминал многофункциональный обеспечивает выполнение ряда дополнительных функций.

Терминал многофункциональный выполнен в виде самостоятельного изделия в корпусе из алюминиевого сплава, является влагозащищенным и имеет как навесное, так и пультовое исполнение.

Тастатура для работы в режиме аудио/видео телефонного аппарата выполнена в виде кнопочного номеронабирателя.

Каждый терминал имеет следующие внешние интерфейсы, выведенные на разъемы:

- два интерфейса сети Ethernet для подключения к коммутаторам доступа;

- интерфейс для подключения внешнего светодиодного устройства световой индексации вызова;

- интерфейс для подключения внешних аудиоустройств;

- интерфейс питания от бортовой сети постоянного тока.

Все клавиши терминалов являются программируемыми, их функциональное назначение зависит от контекста использования терминала.

Сервер услуг 5 предназначен для расширения функциональности ТККС, обеспечиваемой терминальным оборудованием. В число основных задач, решаемых СУ, входят следующие:

- организация и управление телефонной нумерацией;

- обеспечение мобильности пользователей сети;

- организация ДВО для телефонной связи;

- организация сессий конференцсвязи по сценарию;

- обеспечение приема, промежуточного хранения и гарантированной доставки файлов и текстовых сообщений до адресатов;

- сбор и хранение статических данных по сессиям связи;

- централизованное конфигурирование и мониторинг состояния сетевых элементов внутрикорабельной связи.

Серверное оборудование включает в свой состав модули технических средств, состоящие из: процессорного модуля и модулей программного обеспечения.

Шлюзовое устройство 6 предназначено для обеспечения взаимодействия с комплексом внутрикорабельной связи и трансляции типа П-409 в режимах предоставления голосовых услуг, а также для обеспечения взаимодействия с внешними сетями и системами связи.

На фиг.2 представлена пространственная структура среды передачи транспортной сети с топологией двойное кольцо.

Два кольца магистрального уровня в штатном режиме работают с разделенной нагрузкой. При аварийной ситуации в одном кольце весь трафик обслуживается другим работоспособным кольцом.

На фиг. 3 представлен стек протоколов, действующих в комплексе.

Стек протоколов транспортной сети комплекса сформирован на основе TCP/IP.

Протоколы канального и сетевого уровней обеспечивают организацию инфраструктуры (возможность построения виртуальных защищенных сетей (VPN) логически независимых групп пользователей системы и комплексов, систем управления техническими средствами, разделяющими общие ресурсы сети), а также предоставляют возможность решения задач безопасности, управления сетевыми характеристиками, предоставления качества обслуживания в зависимости от требований приложений и имеющихся ресурсов сети.

Основным протоколом предоставления услуг является протокол SIP. Протокол SIP имеет клиент-серверную архитектуру. Клиент выдает запросы с указанием того, что он хочет получить от сервера. Сервер принимает и обрабатывает запросы, выдает ответы, содержащие уведомление об успешности выполнения запроса, уведомление об ошибке или информацию, запрошенную клиентом.

Обслуживание вызовов распределено между различными элементами сети SIP. Основным функциональным элементом, реализующим функции управления соединением, является абонентский терминал. Остальные элементы сети обеспечивают маршрутизацию вызова, предоставление различных сервисов.

Таким образом предлагается стек протоколов комплекса, обеспечивающий организацию взаимодействия составных частей комплекса на базе стека протоколов TCP/IP по технологии Ethernet с физической средой передачи на базе медных или оптических кабелей.

В качестве основной спецификации организации и предоставления услуг связи предлагается использовать рекомендацию SIP v.2.0.

Взаимодействие комплекса с другими корабельными комплексами и системами выполняется на трех уровнях интеграции:

- уровень 1 - трансляция сетевого графика из «конца в конец» на канальном и физическом уровнях (мультиплексирование/демультиплексирование) в соответствии с 7-ми уровневой моделью ВОС;

- уровень 2 - трансляция сетевого графика из «конца в конец» на транспортном уровне (при подключении взаимодействующей системы к коммутатору комплекса);

- уровень 3 - взаимодействие на прикладном уровне (полная совместимость услуг связи).

Протоколы различных уровней имеют следующее назначение:

Прикладной

SIP-Session Initiation Protocol (протокол установления сеанса) - протокол передачи данных, который описывает способ установления и завершения пользовательского сеанса связи, включающего обмен мультимедийным содержанием (видео - и аудиоинформация, мгновенные сообщения, файлы).

Протокол описывает, каким образом клиентское приложение может запросить начало соединения у другого, возможно, физически удаленного клиента, находящегося в той же сети, и используя его уникальное имя.

Протокол определяет способ согласования между клиентами соглашения об открытии каналов обмена на основе других протоколов, которые могут использоваться для непосредственной передачи информации (например, RTP). Допускается добавление или удаление таких каналов в течение установленного сеанса, а также подключение и отключение дополнительных клиентов. Протокол так же определяет порядок завершения сеанса.

Представления и сессии

RTCP - протокол управления передачей в реальном времени. Протокол используется совместно с RTP. RTCP базируется на периодической передаче управляющих пакетов всем участникам сессии, используя такой же механизм рассылки, что и для пакетных данных.

DNS - протокол обеспечивает поиск имен хостов, используя распределенную по сетевым серверам имен базу данных.

MSRP - определяет текстовый протокол, используемый для обмена содержимым файлов произвольного размера между пользователями в любое время. Сессия MSRP настраивается путем обмена определенной информацией, такой как MSRP WRI, внутри SDP и SIP сигнализации.

Транспортный

TCP - протокол управления передачей, транспортный протокол с предварительной установкой соединения, которая обеспечивает достоверность получаемых данных, осуществляет повторный запрос данных в случае потери данных и устраняет дублирование при получении двух копий одного пакета. В отличие от протокола UDP организует целостность передаваемых данных и уведомляет отправителя о результатах передачи.

UDP - протокол пользовательских дейтаграмм для передачи данных в сетях IP без установления соединения.

RTP - применяется при передаче графика реального времени. Протокол RTP переносит в своем заголовке данные, необходимые для восстановления голоса или видеоизображения в приемном узле, а так же данные о типе кодирования информации (jpeg, mpeg и т.п.).

Сетевой

IP - объединяющий сегменты сети в единую сеть. Обеспечивает доставку данных между любыми узлами сети.

ICMP - протокол управляющих сообщений IP, в общем случае используется для передачи сведений о проблемах маршрутизации дейтаграмм IP, обмена временными метками и эхо-транзакциями (ping).

DHCP - протокол динамической настройки хостов, обеспечивает конфигурирование хостов в IP сети. DHCP представляет собой расширение протокола ВООТР и состоит из двух компонент - протокола доставки параметров хоста от сервера DHCP и механизм предоставления сетевых адресов хостам.

Канальный

ARP - протокол преобразования адресов.

RARP - протокол обратного преобразования адресов.

Оба протокола применяются при инициализации использования адресов IP в сетях Ethernet и управления доступом к среде передачи. Протокол ARP позволяет хостам обмениваться информацией с другими хостами в тех случаях, когда известен только IP-адрес ближайшего сетевого элемента.

Физический

В качестве основной среды передачи и протоколов физического уровня сети внутрикорабельной связи используются медный кабель (витая пара UTP) или ВОЛС. Резервирование осуществляется по радиоканалам UWB (Ultra Wide Band). ВОЛС применяются для организации транспортного уровня, где имеют место протяженные участки (сотни метров) и агрегированный трафик в десятки и сотни Мбит/сек. Медные кабели - для уровня доступа, где применение «витой пары» на расстояниях до 100 м обеспечивает весь диапазон возможных скоростей передачи абонентского графика. Резервирование по UWB имеет ограничение по полосе пропускания 480 Мбит/сек на расстоянии до 10 метров. Этого достаточно для восстановления связи между отсеками корабля при обрыве магистрального канала связи.

Выбор протоколов для передачи информации

Протоколы RTP (Real-time Transport Protocol) и RTCP (RTP Control Protocol) являются общепринятыми международными стандартами для решения этой задачи в части передачи аудио- и видеоданных, в IP-сетях с любыми видами сигнализации. Форматы и структуры сообщений протоколов RTP и RTCP, а также порядок их следования и обработки представлены в рекомендации RFC 3550 (RTP A Transport Protocol for Real-Time Applications). Использование этих протоколов для передачи данных при различных способах кодирования аудио- и видеоинформации регламентируются рядом рекомендаций, таких как RFC 3551 (RTP Profile for Audio and Video Conferences with Minimal Control), RFC 3016 (RTP Payload Format for MPEG-4 Audio/Visual Streams) и т.д..

Для организации дополнительных услуг по передаче данных существует множество различных подходов и стандартных решений, однако представляется целесообразным использование решений, основанных на едином стеке протокола сигнализации SIP. Доставка текстовых сообщений с использованием протокола SIP выполнена в двух режимах: пейджинговом и сессионном. Пейджинговый режим передачи мгновенных сообщений подразумевает доставку данных в отложенном режиме с минимальными гарантиями. Данный режим описан в документе RFC 3428 (Session Initiation Protocol Extension for Instant Messaging). Сессионный режим обеспечивает гарантированную доставку сообщений в реальном времени и реализуется при помощи протокола MSRP, специфицированного в рекомендации RFC 4975 (The Message Session Relay Protocol). Для передачи файлов используется только сессионный режим, который реализуется с использованием протокола MSRP.

Таким образом, практически весь спектр телекоммуникационных услуг реализован на базе единого сигнализационного протокола в соответствии с международными стандартами и рекомендациями, как это показано на Фиг.4

Модули общего программного обеспечения комплекса

Основными модулями общего программного обеспечения (ОПО) являются загрузчик, ядро ОС, драйверы (физических и виртуальных устройств, файловой системы) и подсистемы, реализующие программные интерфейсы (API), необходимые для работы СПО.

В качестве ОПО комплекса используются операционные системы, которые без внесения в них каких-либо изменений и дополнений смогут функционировать в рамках выбранных аппаратных модулей и позволяют обеспечивать корректную работу модулей СПО, а так же их взаимодействие с периферийным оборудованием.

Одним из самых важных требований, предъявляемых программному обеспечению комплекса, является время «холодной» загрузки, которое лимитирует время инициализации операционной системы с момента ее запуска. Используемая ОС обеспечивает время своей загрузки и инициализации не более половины заданного времени.

Для унификации общего программного обеспечения используется ОС Astra Linux.

Модули специального программного обеспечения комплекса

В целях унификации технических решений в области программного обеспечения комплекса используется три компонента модулей специального программного обеспечения (СПО) верхнего уровня:

а) модуль терминала;

б) модуль сервера;

в) модуль управления коммутатором.

Модуль терминала предназначен для установки на все виды терминального оборудования комплекса, а модуль сервера и модуль управления коммутатором - на аппаратные модули сервера и коммутатора соответственно.

В состав комплекса входит несколько видов терминалов 4, которые различаются в первую очередь конструктивным исполнением и номенклатурой периферийных устройств.

Одна и та же процессорная плата используется для всех видов терминалов. Поэтому при разработке СПО комплекса создан единый модуль терминала, что позволяет иметь один комплект ПО для всех видов терминалов.

Модуль сервера выполняет функциональные задачи, рассматриваемые ранее, и состоит из трех модулей, каждый из которых выполняет одну обозначенную функциональную задачу:

а) модуль услуг;

б) модуль документирования;

в) модуль конфигурирования и управления.

Структура ПО комплекса с учетом наличия программного инструментария и рассмотренных модулей серверных и пользовательских приложений, представлена на фиг.5. Данные модули имеют различные предназначения, состав и структуру, и являются отличительными особенностями каждого комплекта ПО комплекса.

Основным предназначением СПО терминалов 4 является предоставление пользователям интегрированного доступа к услугам связи комплекса. Основное отличие различных видов терминалов - это набор услуг, к которым предоставляется доступ, и, соответственно, состав и структура пользовательского интерфейса для различных терминалов 4 разные.

Кроме таких элементов управления терминалами 4, как номеронабиратель и микротелефонная трубка, для реализации всех услуг внутрикорабельной связи используется набор клавиш, позволяющих организовывать услуги громкоговорящей связи, а так же предоставлять пользователям возможности управлять режимами и настройками терминалов 4.

Существует определенный набор функциональных элементов пользовательского уровня, основным из которых являются клавиши по периметру экрана. Количество и расположение клавиш ограничено параметрами конструкции терминала 4. Поэтому одними и тем же аппаратными клавишами, расположенными по периметру экрана, выполняются разные действия в зависимости от текущего контекста.

Для индикации текущего контекста и индикации действий, соответствующих в данном контексте аппаратным клавишам, задействован экран терминала. Графический интерфейс, отображаемый на экране терминала, организован в виде набора переключаемых страниц. Назначение действия клавишам производится для каждой страницы интерфейса независимо.

Страницы графического интерфейса имеют одинаковую структуру и содержат следующие элементы:

- индикаторы - области экрана, визуально соответствующие (расположенные в непосредственной близости) аппаратным клавишам, используемые для отображения подписей к данным клавишам;

- информационная панель - область экрана, используемая для отображения вспомогательной информации, соответствующей текущей странице интерфейса.

Открытая архитектура построения телекоммуникационного комплекса корабельной связи позволяет конфигурировать ее под любые корабли. Данная унификация позволит построить на кораблях единую сеть для решения широкого спектра телекоммуникационных задач.

В качестве коммутируемой среды передачи информации используется сеть Ethernet, транспортная сеть построена на базе стека протоколов TCP/IP, управление сессиями связи осуществляется по протоколу сигнализации SIP. Непосредственно протокол SIP обеспечивает только базовые услуги связи, для их расширения в направлении организации сессии конференцсвязи, громкоговорящей связи, трансляции художественных программ, а также дополнительных услуг телефонной связи и передачи данных реализована поддержка различных стандартных расширений протокола SIP или реализация ряда дополнительных протоколов, тесно связанных по управлению сессиями с протоколом SIP, таких как группа стандартов SIMPLE, протоколы MSRP, RTSP и другие.

Такой подход позволяет легко расширять спектр предоставляемых должностным лицам услуг связи и в дальнейшем, например, группа протоколов SIMPLE позволяет интегрировать в комплекс возможность сбора и распределения данных биометрического мониторинга, состояние и контроль перемещения должностных лиц в пределах корабля.

Таким образом, предлагаемый комплекс телекоммуникационной корабельной связи является легко масштабируемой и управляемой современной телекоммуникационной системой, сочетающей в себе экономическую эффективность и новые технические возможности.

Минимальное количество необходимых проводных коммуникаций и возможности интеграции уже существующего аналогового оборудования снижает уровень инвестиций, а отсутствие одной точки отказа за счет децентрализованной архитектуры системы обеспечивает высокую степень устойчивости связи. Особенности построения комплекса существенно повышают продуктивность эксплуатации каналов связи и позволяют максимально использовать пропускную способность сети, что делает это решение преемственным классическим системам корабельной связи.

Телекоммуникационный комплекс корабельной связи, состоящий из цифровой транспортной сети интегрального обслуживания, с абонентскими терминалами отличающийся тем, что транспортная сеть выполнена на базе стека протоколов TCP/IP, а управление сессиями связи осуществляется по протоколу сигнализации SIP, при этом в состав транспортной сети включены коммутаторы доступа, образующие локальную вычислительную сеть, а терминальное и сетевое оборудование комплекса подключено к коммутируемой локальной вычислительной сети, и основанной на технологии коммутации Ethernet, причем терминальное оборудование построено на единой аппаратной платформе, на базе процессора Intel Alom 7530 по модульному принципу и состоит из различных модулей, например, модуля устройства отображения и ввода, модуля ввода и вывода звуковой информации, модуля цветной видеокамеры и др., при этом каждый терминал имеет внешние интерфейсы, выведенные на разъем, а к коммутатору доступа подключены терминальные, серверные и шлюзовые устройства, причем коммутатор доступа обеспечивает подключение до 24 устройств на скорости до 1000 Мбит/с по витой паре типа 100BASETX.