Организация каналов связи для систем оповещения по проекту Евразия

В этой статье обсудим проект, который попыталась воплотить в жизнь Компания ООО «ЕВРАЗИЯ».
Задумка была в целом не плохой, но имела ряд серьезных недостатков.

Россия страна огромная с достаточно низкой плотностью населения вне городов. Да и города у нас разбросаны на приличном удалении друг от друга. Но люди живут везде, в том числе и в тундре, где по официальным данным плотность составляет 0,01 человека на 1 квадратный километр. С учетом территорий и неразвитости наземных систем телекоммуникаций задача видится не самой простой и реализация этой задачи возможно только с использованием систем дальней связи или спутниковых технологий. Вот и пришла идея передавать сигналы оповещения вместе с каналами спутникового телевизионного вещания.

Конечно, идея не нова. Такой вид оповещения использует Япония в системе предупреждения о землетрясениях и цунами. Но везде свои особенности и проблемы. Россия — это 17 125 191 км² и 10 часовых поясов (UTC+2 — UTC+12). Информация критически важная для одних, совершенно не нужна другим. Авария на конкретной железнодорожной станции, даже с разливом опасных веществ, не интересует уже соседний район. Ситуация с цунами интересует только Приморский район и вообще не интересна на Алтае. Соответственно, централизованное вещание необходимо только в крайне критических ситуациях.

Вопрос… А возможно ли организовать спутниковый канал в тракте телевизионного вещания, но для локальных систем оповещения? Решение было найдено, но об этом чуть позже.

Сейчас поговорим о принципиальных вариантах встраивания команд и сигналов оповещения в телевизионный сигнал. Для этого нужно обратится к форматам и протоколам вещания.

Используемый стандарт DVB-S2 относится к цифровому стандарту вещания спутникового телевидения. Начата разработка в 2003 году, а в марте 2005 стандарт был ратифицирован ETSI (EN 302 307). Разработкой занималась группа DVB Project и международный промышленный консорциум. Так вышло, что разработка DVB-S2 совпала с появлением видеокодеков HDTV и H.264. Стандарт предназначен для телевизионного вещания высокой четкости, более известной как HDTV. Также DVB-S2 поддерживает интерактивные сервисы Internet access и передача контента.

Если дальше вдаваться в технические подробности, то надо по-шагово разбирать все поля формата и кодера. Думаю, что это долго и интересует только специалистов. Нам же для понимания и оценки потенциала стандарта для организации каналов систем оповещения достаточно информации из определения.

Итак, существует два принципиальных подхода по внедрению дополнительной информации в сигнал телевизионного спутникового вещания.

Первый — это вытекает из особенности работы кодека MPEG-4. В двух словах напомню: алгоритм его работы, который базируется на многокадровом предсказании. Есть некий кадр, который содержит опорную телевизионную статичную картинку и последовательность изменений в кадре. Таких описаний изменений в кадре может быть включено до 32 стандартных «пленочных» кадра. Т. е. вместо того, чтоб передавать 32 кадра, мы передаем один опорный полноформатный и 31 кадр в виде описания, что в опорном кадре изменилось. Теперь, представим две разных передачи. Первая — это некое интервью, где пара специалистов спорят о мировых проблемах, а второй — это футбольный матч. Представили? Теперь наложим на алгоритм сжатия MPEG-4 и сразу становится ясно, что в первой передаче динамики в кадре почти нет и, следовательно, изменений тоже нет. А во втором случае картинка очень динамично меняется. Так вот, в первом случае в кадры полного описания 32 кадров можно вложить практически любую информацию, включая сигналы оповещения, а вот в случае с футбольным матчем, вложить сигналы оповещения будет некуда, алгоритм кодирования заполнит все поля изменениями в кадре. Это я, собственно, о алгоритме вставки команд и сигналов оповещения и минусах такого подхода.

Второй подход, который был применен OOO «Евразия», это размещение команд оповещения в полях Internet access самого DVB-S2. Это исключало влияние интенсивности движения в кадре на время передачи информации, но требовало некоторого ресурса от оператора телевизионного вещания.

Думаю, что этой информации достаточно, чтоб понять принципы встраивания команд оповещения в сам спутниковый телевизионный сигнал.

Теперь перейдем к программно-аппаратным аспектам реализации.

Для того что бы перекрыть всю территорию РФ проектом было предусмотрено использование минимум 3 космических аппаратов в обычном режиме функционирования и двух в качестве резерва. Центры поднятия сигналов оповещения были размещены в Центрах космической связи «Сколково», «Дубна» и Хабаровске. Сервера сбора сигналов оповещения и формирования сигнала вещания были размещены в защищенных Дата-центрах Синтера Медиа. Кстати, они же предоставляли каналы до точек подъема.

Естественно, вся серверная часть была зарезервирована.

Прием сигналов оповещения мог осуществляться на обычную телевизионную спутниковую антенну и мог быть распределен между ресивером телевизионного приема и специализированного приемника сигналов оповещения. С последнего, декодированные и выделенные сигналы поступали на оконечные устройства оповещения. Хочу заметить, что спутниковый канал ЕВРАЗИЯ мог работать с довольно большим набором протоколов разных производителей систем оповещения: КЗТА (Азимут), КНИИТМУ, ЭЛЕС, Марс-Арсенал, Отзвук, РТС-2000, СЕНСОР и Сигма. Взаимодействие происходило в рамка предоставленной информации, носило полностью официальный характер и было подтверждено совместными заводскими испытаниями. Весь комплекс был аттестован ВНИИ ГОЧС. Да, стоит заметить, что Данная система, ко всему прочему, была интегрирована SIP-домофоном — «Тедофон v.4», который мог раздавать сигналы оповещения на громкоговорящие устройства в квартирах многоквартирного дома.

Внимательный читатель, видимо заметил, что в описании чего-то не хватает. Явно не складывается картина межуровневого взаимодействия и вообще получения сигналов оповещения.

Думаю, стоит взглянуть на схему

Если отвлечься от уровневой структуры и не заострять на ней внимание, то программно-аппаратный комплекс (ПАК) ЕВРАЗИЯ работал следующим образом: Команды и сигналы оповещения с АРМ дежурных или любых других устройств оповещения, выступающих в роли управляющих, по линиям связи поступали на сервер обработки сообщений. На сервере сообщения обрабатывались, им присваивался признак адресности, кодировались и отправлялись, например, в ЦУС «Сколково». Там этот сигнал мультиплексировался в тракт телевизионного спутникового вещания и, со всеми телевизионными каналами, попадал на геостационарные спутники. Они, в свою очередь, вещали на всю подконтрольную территорию.

Приемный Комплекс Евразия в составе: антенна спутникового приема, LNB, специализированный приемник-декодер, провода, разъемы получал весь телевизионный сигнал, выделял из него поле, где должны быть сигналы оповещения и декодировал их.

Далее проводилась сверка по территориальному признаку и конкретизация адресов оповещения — это осуществлялось для того, чтобы сигналы оповещения, предназначенные для определенной территории, воспроизводились только на ней.

По завершении всех проверок и выявлении полного соответствия сигнала территории звуковой файл отправлялся на внешнее устройство оповещения. Мы с вами понимаем, чтобы реализовать данный алгоритм, пришлось дважды буферизировать команды и сигналы оповещения. Первый раз на серверах формирования сигнала, второй раз на приемном комплексе. На приемном комплексе буферизация была нужна для того, чтобы исключить неправильный порядок поступления сигналов на исполняющее устройство.

Очевидно, что при передаче в любых каналах возможны ошибки и потери пакетов. Буферизация исключала всякие искажения в голосовом сообщении и гарантировала заданную производителем последовательность команд.

На схеме мы видим еще один тракт, реализованный на GSM. Он выполнял две важные функции. После обработки команд оповещения, по принятым алгоритмам, конечное оборудование оповещения «рапортует» вышестоящему узлу о том, что все выполнено. Не важно, что это за команда: опрос работоспособности, сообщение о переходе на резервное питание или исполнение тренировочной проверки, ответ формируется в любом случае. И этот ответ пересылался по GSM сети на сервер обработки сообщений. А он, в свою очередь, переадресовывал его на устройство, которое сформировало эту команду. При этом GSM канал, мог выступать как резервный, если Система понимала, что за установленное время команда не пришла через спутниковый канал, но GSM канал работает.

Теперь немного фактов в отношении безопасности. Естественно, в системе такого масштаба были предусмотрены строгие алгоритмы, исключающие возможность несанкционированного вмешательства на любом из этапов работы системы. И если на наземном, сетевом, уровне для специалистов все более-менее понятно и вопросы возможны лишь по некоторым нюансам, то вот в космосе не все так однозначно. Ну например, операторы спутникового вещания, иной раз, жалуются, что некие «умельцы» транслируют на спутник что-то, что создает помехи в ретрансляции.

Это не совсем так — ретрансляция на спутнике работает, а вот на приеме у абонента уровень шумов такой, что детектирование полезного сигнала невозможно. Так вот, чтобы исключить, например, запись сигналов оповещения с последующим повторным вещанием модифицированного сигнала в «нужное» злоумышленнику время… Ведь не проблема, если вы приняли сигнал, то раскодировать его, понять, где какие поля в структуре сигнала и сформировать свой.

После «закинуть» сфабрикованный сигнал на спутник одним из доступных способов, ну например, купив у производителя антенну и передатчик, проблема, технически, не сложная. Так вот, каждый пакет оповещения имел ограниченное время жизни и уникальный код, что позволяло исключить вмешательство, потому как приемники получали все пакеты и уникальные кода отслеживались глобально и локально.

В ранних статьях мы уже упоминали способность противостоять такому вмешательству, имя ему — имитозащита. Это я раскрыл один из механизмов защиты, не буду углубляться дальше. Уж простите.

С какими трудностями столкнулись и какие проблемы получили, а также выявленные недостатки… Ну во-первых, и об этом уже упомянул, каждый производитель выдал только ограниченное количество команд из своего протокола, то есть то, что посчитал нужным. Поэтому, функционал системы оповещения по сравнению с полным протоколом каждого конкретного производителя был ограничен. На этапе создания и первых внедрений система не могла быть экономически оправдана, потому как арендуемые ресурсы на спутниках достаточно дороги, а единичное количество абонентов не покрывало даже малой доли расходов.

Также выяснилось, что не всегда возможно организовать наземный канал от АРМ оповещения до сервера обработки сообщений. Здесь на помощь пришла другая технология, описанная ранее построение VSAT-канала.

Однако, помимо экономической целесообразности, тут встает вопрос возрастающих задержек при такой реализации. Скорее всего собрать канала просто на VSAT будет эффективней. Опять же, далеко не везде есть покрытие GSM-сети, а при отсутствии обратного канала сигналы, подтверждающие исполнение команд, возвратить на АРМ нет возможности.

Последнюю проблему обошли по принципу ранее используемого канала TETRA предположением, что для систем оповещения населения важно чтобы сигналы оповещения были доставлены на оконечные средства оповещения, а вот как эти сигналы были обработаны, можно посмотреть позже по логам устройства. Кстати, как на сервере обработки информации, так и на приемном устройстве было реализовано хранение всех действий в течении 5 лет.

Иллюстрация алгоритма работы Комплекса:

Ну и последнее, на что хотел обратить внимание- стандарт вещания DVB-S2 уже устарел, уже появился новый DVB-S2X и если возобновлять Проект Евразия, то уже в новом формате.