Возможности линии передачи данных 1090 ES – мифы и реальность

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 = H_П * N_BC * Prob(95), где:

H_П = 120бит/с – объем ежесекундно передаваемого пакета от каждого воздушного судна;

N_BC – 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 примерно 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:

P_K = Т_П * ( 2 / Т_СР ), где:

Т_П = 120мкс – длительность передачи пакета;

Т_СР = 1с – средний период передачи пакета.

Вероятность успешного приема пакета Ру определяется выражением:

Ру = 1 – Рк

тогда вероятность успешного приема m пакетов Pm:

Pm = Py^m = ( 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 полезной загрузки 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.

Рис. 1. Зависимость числа воздушных судов от допустимого уровня потерь.

На рис. 1 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 т. н. малых БАС.

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

Мнение автора может не совпадать с позицией МКАА «Безопасность полетов».

Материалы публикуются в том виде, в котором получены от автора – без какой-либо редакторской правки.