Пути построения адаптивных систем коротковолновой радиосвязи
ART 54830
УДК
001
В.
В. ЕгоровБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Егоров
В.
В.,
Мингалев
А.
Н.,
Тимофеев
А.
Е.,
Смаль
М.
С.,
Маслаков
М.
Л. Пути построения адаптивных систем коротковолновой радиосвязи // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2014. – Т. 20. – С.
2831–2835. – URL:
http://e-koncept.ru/2014/54830.htm.
Аннотация. Рассмотрены основные вопросы, возникающие при построении адаптивных коротковолновых систем радиосвязи, показана перспективность использования бестестовых методов оценки состояния канала, установления частотно-временной синхронизации, предложена эффективная структура канала обратной связи.
Текст статьи
Егоров Владимир Викторович,Кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, ОАО«Российский институт мощного радиостроения», г.СанктПетербургegorovrimr@mail.ruМингалев Андрей Николаевич,Кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ОАО«Российский институт мощного радиостроения», г.СанктПетербургming@list.ruТимофеев Александр Евгеньевич,научный сотрудник, ОАО«Российский институт мощного радиостроения», г.СанктПетербургtimrimr@mail.ruСмаль Михаил Сергеевич,научный сотрудник, ОАО«Российский институт мощного радиостроения», г.СанктПетербургsmal_ms@mail.ruМаслаков Михаил Леонидович,инженер, ОАО«Российский институт мощного радиостроения», г.СанктПетербургmaslakovml@gmail.com
Путипостроения адаптивных систем коротковолновой радиосвязи
Аннотация.Рассмотрены основныевопросы, возникающие припостроенииадаптивных коротковолновых систем радиосвязи, показана перспективность использования бестестовых методов оценки состояния канала, установления частотновременной синхронизации, предложена эффективная структура канала обратной связи.Ключевые слова: адаптивная радиосвязь, сигнал, передача данных.
В силу ряда таких причин, как обширность территории Российской Федерации, значительная часть которой располагается в северных широтах, общей протяженности её границ, периодически возникающих чрезвычайных ситуаций, а также перспективного развития арктических территорий и северного морского пути всегда присутствовали, и будут возникать новые задачи по обеспечению информационными услугами удаленных объектов.Ранеедля такого обеспечения было достаточно наличие телефоннойсвязимежду должностными лицами, однако, развитие в последнее время автоматизированных систем управления различной аппаратурой определило возникновение задач по автоматической передаче цифровых данных без участия человека. К таким задачам можно отнести передачу накопленных данных в центры обработки от различных метеорологических станций, передачу картографической информации,передачу формализованных команд и контрольноизмерительной информации о состоянии используемых технических средств, чтобы иметь возможность вовремя реагировать на изменение обстановки, а также наразличные внештатные ситуации.Возможность передачи сообщений на большие расстояния обеспечивает космическая и коротковолновая (КВ) связь. К преимуществам КВ радиосвязи можно отнести то, что при её использовании можно обойтисьбез промежуточных ретрансляционных станций при относительно небольшой мощности передатчиков и без участиятретьей стороны. Взадачеуправления мобильными сухопутными и морскими силами и средствамиданный вид связи имеет большое значение, а в особый период становится основным.Однако, KBдиапазон характеризуется высокой загрузкой помехами от сторонних радиостанций, замираниями сигналов, многолучевым распространением, что не позволяет традиционными способами передавать большие объёмы данных с высокой скоростью и достоверностью.При этом, изза увеличения объёма требуемой для управления и контроляинформации наблюдается постоянный рост требований к скорости и достоверности передачи используемых для этого средств.Указанные факторы вынуждают использоватьновуюконцепцию построения систем радиосвязи. За основу принимается принцип автоматическогоадаптивногоуправленияимеющимися средствами и параметрами системыдля выбора оптимального режима работы с точки зрения решения поставленной задачи передачи данных[1].Сущность адаптации сводится к целенаправленному изменениюпараметров системы передачи данных в зависимости от условий распространения радиоволн и помеховой обстановки в точке приема.Адаптивная система передачи данных строится на использовании частотной, алгоритмической, параметрической, структурной и аппаратной избыточности, и задача адаптивного управления состоит в переходахсистемы из одного состояния в другоес целью достижения экстремума заданного показателя эффективности.Большинство имеющихся задач передачи данных можно условно разделить на отдельныекатегории, обладающие своей спецификой. Так, например, телефонный разговор, представляющий из себя цифровой потокбит,заранее неизвестной длительности, формируемый вокодером, характеризуетсяпостоянной информационнойскоростьюпередачи, при этом при передаче необходимо обеспечить достоверность принятых данных не ниже заданной. Между тем файловая передача характеризуетсяколичествомбит заданного объёма, которые необходимо передать, при этом припередаче необходимо обеспечить минимальное время передачи с достоверностью не ниже заданной.Из специфики каждой задачи можно определить управляемые параметры и целевую функцию, используемую для управления. Так, например, для задачи файловой передачи данных оптимальным режимом является тот, который обеспечивает наибольшую информационную скорость передачи данных. Данный показатель является естественным и самым значимым. Поэтому, при решении задачи выбора режима работы необходимо оценить информационные скорости передачи данных во всех возможных режимах и выбрать тот, который обеспечит максимальную информационную скоростьс заданной достоверностью.Под режимом, или состоянием системы, подразумевается совокупность определенных состоянийкодека, модема,передатчика, приёмника, антеннофидерного тракта. При этомдля описания параметровкодекаи модемавводят понятие сигнальнокодовой конструкции(СКК), изменяя которую, можно обеспечивать различные скорости передачи и помехоустойчивость.Так, например, дляпередачи информации при формированииСККможетиспользоваться:различный вид модуляции;различное количество поднесущих частот;всявыделеннаячастотнаяполосаили её часть;различнаядлительность элементарной посылки;различнаядлительность защитного интервала или его полное отсутствие;различный вид кодирования.Средиразличных видов модуляциив КВ радиоканаленаиболее широкое распространение получила относительная фазовая модуляция (ОФМ) различной позиционности. В последнее время также внедряется использование квадратурноамплитудной модуляции, которая обеспечивает большую техническую скорость, однако, имеет малое время устойчивой работывследствие достаточно быстрого изменения параметров радиоканала.Исходя из физических условий также выбирается оптимальное количество используемых частот сигнала. Так, например для связи стационарных объектов и для обеспечения высоких скоростейпередачичасто используются многочастотные сигналы (параллельные), а в условиях связи с мобильными объектами, движущимися с относительно высокими скоростями, где возникает достаточно большое допплеровское смещение частоты, а также при неблагоприятной электромагнитной обстановке и низком энергетическом потенциале, такими как воздушные или морские суда,используются одночастотные сигналы (последовательные).
Обычно на излучаемый сигнал накладывается условие, чтобы эффективная ширина его спектра не выходила за пределы строго заданной частотной полосы. При этом внутри полосы сигнал может иметь любой спектр. Для получения максимальных скоростей передачи, сигнал должен максимально плотно занять всю полосу, однако, если скорость ограничивается, то для технологических нужд можно часть полосы оставить свободной.Длительность элементарной посылки в принципе можно выбрать различную, однако минимальна она для одночастотного сигнала и, естественно, обратно пропорциональна ширине выделенной частотной полосы, а максимальна для многочастотного сигнала и должна быть меньшепериода квазистационарности. Так, длястандартного телефонного канала вКВ диапазонеданная величина варьируется в пределах от порядка 0,5 мс и до примерно 100 мс.Наличие многолучевого распространения электромагнитной волны в ионосфере приводит к сложению на приемной стороне различного количества лучей с различной фазой и задержкой. Для снижения влияния данного эффекта между соседними элементарными посылками вводят защитный интервал, представляющий собой обычно периодическое продолжение сигнала. Таким образом, его длительность определяется максимальной задержкой между принимаемыми лучами. Для КВ диапазона данная величина в подавляющем большинстве случаев составляет не более 5 мс. Необходимо отметить, хотя это и очевидно, что его наличие снижает информационную скорость.Перед началом сеанса связимежду двумя корреспондентами, как известно, необходимо организовать каналсвязии войти в синхронизм. Затем необходимо оценить качество текущего режима работы и, если оно не удовлетворительное, то перейти в оптимальный режим, причем одновременно на приемной и передающей стороне, для чего отправить определенную команду.Также необходимо отметить, что в зависимости от вида сигнала могут возникать дополнительные задачи. Так, например, для случая использования одночастотного сигнала, который характеризуется минимальными по длительности элементарными посылками и полным отсутствием защитного интервала между ними, требуется использование корректирующего фильтра. Для настройки данного фильтра необходимо рассчитатьимпульсную характеристику канала.Ещё одной проблемой, возникающейв процессе функционирования систем коротковолнового диапазона является необходимость доведения на передающую сторону значений оптимальных параметров, вида алгоритмов работыи структуры системы, определяемых на приемной стороне в процессе приема и обработки сообщений.Для этого необходимо сформировать команду определённого вида и передать её по обратному каналу связи.Обычно структура передаваемой по обратному каналу связи команды управления в течение сеанса связи неизменна. При этом некоторые параметры команды передаются повторно без изменений.Это приводит к неоправданному увеличению нагрузки по обратному каналу.Классически для приведенных вышезадач используются специальные синхропоследовательности, тестовые и пилотные сигналы. Однако, ссовременных позицийданный подход имеет значительный недостаток: для их передачи требуется значительное время, на которое приходится задерживать или прерывать передачу полезной информации, что приводить к значительному снижению информационной скорости. Такие подходы имеет смысл использовать только в том случае, если имеются весомые аргументы в их пользу.Помимо этого, использование тестовых сигналов позволяет оценивать характеристики канала только для используемых видов модуляции.Более перспективным и оправдавшим себя на практике является использование бестестовых методов, способных обеспечить решение поставленных задач. Главным отличительным свойством данных методов является то, что все необходимые оценки можно получить путём детального анализа принимаемого информационного сигнала.Для этого необходимо использовать все имеющиеся априорные знания. Так, например, всегда имеются какиелибо сведения о параметрах СКК, иначе приём информации просто был бы невозможен. Соответственно, можно сказать, что на приёмной стороне известна математическаямодель и достаточно много сведений можно извлечь на основе анализаотличия принимаемого сигнала от этоймодели.Так, например, оценить качество текущего режима работы можно непосредственно на основе анализа первого блока сообщения. При этом могут быть применены либо методы оценки вероятности ошибки на бит для непрерывного канала (то есть на уровне анализа сигнала)[28]. Данные методы основаны либо на восстановлении плотности распределения вероятности разницы фаз между двумя соседними посылками. В этом случае найденная оценка соответствует только тому распределению мощности, которое используется. Другие способы основанына выборе наиболее адекватной модели нестационарного радиоканала и определении её неизвестных параметров, что позволяет также получить оценку для различных вариантов распределения мощности.Вслучае, если используется помехоустойчивое кодирование, то могут быть примененыметоды для оценки дискретного канала (то есть на уровне анализа потока бит), основанные на анализе принимаемых искаженных кодовых слов, либо на анализе результатов синдромного декодирования, когда известен спектр используемого кода [910].Оценить качество для режимов повышенной позиционности, для достижения более высоких скоростей можно также на основе анализа первого блока сообщения. При этом, для сигналов с ОФМ искомую оценку можно найти, так как она аналитически связана с вероятностью попадания разницы фазы в определенные заданные сектора фазовой плоскости[1113].Решение задачи установления тактовой синхронизации, то есть определения времени начала/окончания элементарной посылки сигнала, также возможно, если в процессе обработки принимаемого информационного сигнала использовать такие функции, которые во временной области имеют ярко выраженные экстремумы, координаты которых соответствуют указанным моментам времени[1415].Для решения задачи установления цикловой синхронизации, то есть определения позиции начала/окончания кодового слова, можно использовать подходы с введением дополнительной модуляции на длительности кодового слова или же с использованием характеристик применяемого кода.При использовании многочастотных сигналов возникает возможность адаптивного управления мощностью и позиционностью сигналов на отдельных поднесущих частотах. Для случая использования корректирующего фильтра, импульсную характеристику канала связи можно получить, анализируя информационный сигнал, если организовать в нем поиск квазиоптимальных последовательностей, которые могут использоваться в качестветестовых [1618]. Данный метод основан на анализе кодовой конструкции и результатов декодирования, вследствие чего поиск такихпоследовательностей осуществляется в безошибочных кодовых блоках, что гарантирует высокую надежность и устойчивость работы. Такой подход позволяет либо полностью отказаться от передачи теста, либо значительно снизить интенсивность его использования.Передача команд управления, необходимых для перехода передающей и приемной стороны в новыйрежим также может осуществляться без введения дополнительной избыточности, например, путём добавления одного из нескольких возможных дополнительных циклических кодов, которые в настоящее время используются для подтверждения достоверности декодированного блока сообщения. Кроме того, также можно непрерывно осуществлять многовариантный приёмСКК для устранения сбоев связи при непрохождении команды на смену СКК.Следовательно,путем использованияфункциональной избыточности на приемной стороне, заключающейся в обработке принимаемой сигнальнокодовой конструкции, алгоритмами соответствующими как новой, так и предыдущейСКК, удается в подавляющем большинстве случаев выяснить фактприема команды передающей стороной по ее исполнению. Для уменьшения информационной избыточности обратного канала предлагается использовать команды управления переменной длины, передавая в них только изменяемые параметры системы [19]. В этом случае количество информационных бит в команде будет являться переменным, а время для передачи команды остается фиксированным. Тогда вся избыточность будет полностью использована для повышения помехоустойчивости при передаче команды управления. Для передачи команд по обратному каналу может использоваться разработанный авторами код с переменной избыточностью[20], использующий набор кодовых конструкций с различной кодовой скоростью для передачи блоков данных различной длины по КВ каналу с фиксированной технической скоростью.
Таким образом,видно, что за последние годыв результате развития теории цифровой обработки сигналов, управления и кодирования,появились принципиально новые подходы к решению классических задач радиосвязи, которые позволяют повысить скорость и достоверность передачи сообщений в КВ диапазоне, а также решить возникающие задачипо обеспечению информационными услугами.Также стоит отметить, что все приведенные задачи необходимо решать в режиме реального времени. Поэтому только в настоящеевремя, когда появились высокопроизводительные вычислители,возникла возможность их реализации. Более того, можно сказать, что часть задач выдвигают требования по росту производительности на ближайшую перспективу и полностью оправдывают, на первый взгляд кажущиеся излишними вычислительные ресурсы.Часть предлагаемых решений нашли свою реализацию в автоматической адаптивной системе радиосвязи «Пирс», разработаннойв ОАО «Российскийинститут мощного радиостроения». При этом планируется внедрение новых полученных технологий для её дальнейшего развития и модернизации.Использование предлагаемого подхода позволяет построить высокоэффективную систему связи, способную адаптивно менять свои параметры, а значит, своевременно реагировать на изменение качества канала связи в соответствии с решаемой в данный момент задачей. При этом можно организовать автоматический выбор оптимального режима связи, а все необходимые оценки и данные для решения технологических проблем можно получить с помощью детального анализа принимаемого информационного сигнала, аиспользование тестовых и синхронизирующих последовательностейпрактически везде становится принципиально излишней операцией.Это позволяет значительно повысить информационную скорость передачи и помехоустойчивость в сравнении с аналогичными системами.
Ссылки на источники1.В.А.Березовский, И.В.Дулькейт, О.К.Савицкий. Современная декаметровая радиосвязь.–М.: Радиотехника, 2011.2.М.С.Смаль, А.Н.Мингалев. Определение вероятности ошибки на бит по рабочим сигналам // Вестник академии военных наук. 2009. №3 (28). С. 7074.3.В.В.Егоров, М.С.Смаль. Оценка вероятности ошибки на бит по флуктуациям фазы информационных сигналов // Телекоммуникации. 2012. № 8. С. 254.Гребнева Р.К, Егоров В.В., Катанович А.А., Лобов С.А., Мингалев А.Н., ТимофеевА.Е. Способ оценки достоверности приема сигналов с многопозиционной относительной фазовой модуляцией //Патент РФ №24343345.Егоров В.В., Катанович А.А., Лобов С.А., Мингалев А.Н., Смаль М.С., Тимофеев А.Е., Щеглова Е.Ф. Способ определения вероятности ошибки на бит по параллельным многочастотным информационным сигналам //Патент РФ №24514076.В.В.Егоров, М.С.Смаль. «Оценка параметров распределения Накагами по рабочим сигналам» // Электросвязь. 2011. № 11. С. 35367.М.С.Смаль. Оценка вероятности ошибки на бит порабочим сигналам в условиях наличия замираний сигнала по закону Райса. Сборник докладов 19й международной научнотехнической конференции «Радиолокация, навигация, связь», Том 1. С. 11158.М.С. Смаль. Оценка качества нестационарного радиоканала по информационным сигналам. Итоги диссертационных исследований. Том 1.–Материалы VВсероссийского конкурса молодых ученых.–М.: РАН, 2013, С. 5058.9.В.В.Егоров, М.С.Смаль. Оценка вероятности ошибки на бит по результатам декодирования кодовых слов. Доклады VIIВсероссийской научнотехнической конференции «Радиолокация и радиосвязь», 2527 ноября 2013 г., Москва, С. 169171.10.Егоров В.В., Катанович А.А., Лобов С.А., Маслаков М.Л., Мингалев А.Н., Смаль М.С., Тимофеев А.Е. Устройство оценки вероятности ошибки на бит при кодировании с помощью бита четности // Патент РФ №13666211.В.В.Егоров, М.С.Смаль. Выбор оптимальной кратности фазовой модуляции по информационным сигналам // Телекоммуникации. 2013. № 11. С. 161912.В.В.Егоров, М.С.Смаль. Прогнозирование достоверности приема ОФМ сигналов для потенциально возможных режимов работы. Доклады VIIВсероссийской научнотехнической конференции «Радиолокация и радиосвязь», 2527 ноября 2013 г., Москва, С. 238240.13.Егоров В.В., Катанович А.А., Лобов С.А., Маслаков М.Л., Мингалев А.Н., Смаль М.С., Тимофеев А.Е. Устройство оценки вероятности ошибки на бит для сигналов с четырехпозиционной фазовой модуляцией по двухпозиционным сигналам // Патент РФ №136661.14.В.В.Егоров, А.Е. Тимофеев. Установление частотновременной синхронизации в многочастотных КВсистемах передачи данных //Электросвязь. 2013. №7. С. 414415.В.В.Егоров, М.С.Смаль. Установление тактовой синхронизации по информационным OFDMсигналам с фазовой модуляцией. Сборник докладов 15й международной конференции «Цифровая обработка сигналов и её применение» (DSPA2013). Том 1. С 26827116.В.В. Егоров, М.Л. Маслаков, А.Н. Мингалев. Бестестовая адаптивная коррекция сигналов в КВ системах последовательной передачи данных. Электросвязь. 2011. –№ 11. С 3234.17.В.В.Егоров, М.Л. Маслаков, А.Н. Мингалев. Совместная передача тестовых и информационных последовательностей в системах последовательной передачи данных с адаптивной коррекцией. Сборник трудов 14й международной конференции «Цифровая обработка сигналов и её применение» (DSPA2012).С 14214518.М.Л. Маслаков. Бестестовые методы адаптивной коррекции в каналах с межсимвольной интерференцией. Итоги диссертационных исследований. Том 1.–Материалы VВсероссийского конкурса молодых ученых.–М.: РАН, 2013, С. 4149.19.В.В.Егоров, А.Е.Тимофеев. Обратный канал в адаптивных КВ радиосистемах передачи информации // Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2013 №6.20.В.В.Егоров, А.Е.Тимофеев. Передача сообщений по КВрадиоканалу при случайном характере моментов поступления данных // Электросвязь. —2011. —11. —C. 3031
Vladimir Egorov,Candidate of TechnicalSciences, leading researcher at JSC “Russian Institute of Power Radiobuilding”, SaintPetersburgAndrew Mingalev,Candidate of Technical Sciences, senior researcher at JSC “Russian Institute of Power Radiobuilding”, SaintPetersburgAlexander Timofeev,Researchassociateat JSC “Russian Institute of Power Radiobuilding”, SaintPetersburgMikhail Smal,Research
associate at JSC “Russian Institute of Power Radiobuilding”, SaintPetersburgMikhail Maslakov,Engineer at JSC “Russian Institute of Power Radiobuilding”, SaintPetersburg.Ways of adaptive radio communication systems construction.Abstract.Paper is devoted to the main questions that arise at adaptive high frequency radio communication systems construction process. The perceptivity of nontest methods of channel estimation and timefrequency synchronization is shown. The effective structure of feedback channel is offered.Keywords:adaptive radio communication, signal, data transmission.
Путипостроения адаптивных систем коротковолновой радиосвязи
Аннотация.Рассмотрены основныевопросы, возникающие припостроенииадаптивных коротковолновых систем радиосвязи, показана перспективность использования бестестовых методов оценки состояния канала, установления частотновременной синхронизации, предложена эффективная структура канала обратной связи.Ключевые слова: адаптивная радиосвязь, сигнал, передача данных.
В силу ряда таких причин, как обширность территории Российской Федерации, значительная часть которой располагается в северных широтах, общей протяженности её границ, периодически возникающих чрезвычайных ситуаций, а также перспективного развития арктических территорий и северного морского пути всегда присутствовали, и будут возникать новые задачи по обеспечению информационными услугами удаленных объектов.Ранеедля такого обеспечения было достаточно наличие телефоннойсвязимежду должностными лицами, однако, развитие в последнее время автоматизированных систем управления различной аппаратурой определило возникновение задач по автоматической передаче цифровых данных без участия человека. К таким задачам можно отнести передачу накопленных данных в центры обработки от различных метеорологических станций, передачу картографической информации,передачу формализованных команд и контрольноизмерительной информации о состоянии используемых технических средств, чтобы иметь возможность вовремя реагировать на изменение обстановки, а также наразличные внештатные ситуации.Возможность передачи сообщений на большие расстояния обеспечивает космическая и коротковолновая (КВ) связь. К преимуществам КВ радиосвязи можно отнести то, что при её использовании можно обойтисьбез промежуточных ретрансляционных станций при относительно небольшой мощности передатчиков и без участиятретьей стороны. Взадачеуправления мобильными сухопутными и морскими силами и средствамиданный вид связи имеет большое значение, а в особый период становится основным.Однако, KBдиапазон характеризуется высокой загрузкой помехами от сторонних радиостанций, замираниями сигналов, многолучевым распространением, что не позволяет традиционными способами передавать большие объёмы данных с высокой скоростью и достоверностью.При этом, изза увеличения объёма требуемой для управления и контроляинформации наблюдается постоянный рост требований к скорости и достоверности передачи используемых для этого средств.Указанные факторы вынуждают использоватьновуюконцепцию построения систем радиосвязи. За основу принимается принцип автоматическогоадаптивногоуправленияимеющимися средствами и параметрами системыдля выбора оптимального режима работы с точки зрения решения поставленной задачи передачи данных[1].Сущность адаптации сводится к целенаправленному изменениюпараметров системы передачи данных в зависимости от условий распространения радиоволн и помеховой обстановки в точке приема.Адаптивная система передачи данных строится на использовании частотной, алгоритмической, параметрической, структурной и аппаратной избыточности, и задача адаптивного управления состоит в переходахсистемы из одного состояния в другоес целью достижения экстремума заданного показателя эффективности.Большинство имеющихся задач передачи данных можно условно разделить на отдельныекатегории, обладающие своей спецификой. Так, например, телефонный разговор, представляющий из себя цифровой потокбит,заранее неизвестной длительности, формируемый вокодером, характеризуетсяпостоянной информационнойскоростьюпередачи, при этом при передаче необходимо обеспечить достоверность принятых данных не ниже заданной. Между тем файловая передача характеризуетсяколичествомбит заданного объёма, которые необходимо передать, при этом припередаче необходимо обеспечить минимальное время передачи с достоверностью не ниже заданной.Из специфики каждой задачи можно определить управляемые параметры и целевую функцию, используемую для управления. Так, например, для задачи файловой передачи данных оптимальным режимом является тот, который обеспечивает наибольшую информационную скорость передачи данных. Данный показатель является естественным и самым значимым. Поэтому, при решении задачи выбора режима работы необходимо оценить информационные скорости передачи данных во всех возможных режимах и выбрать тот, который обеспечит максимальную информационную скоростьс заданной достоверностью.Под режимом, или состоянием системы, подразумевается совокупность определенных состоянийкодека, модема,передатчика, приёмника, антеннофидерного тракта. При этомдля описания параметровкодекаи модемавводят понятие сигнальнокодовой конструкции(СКК), изменяя которую, можно обеспечивать различные скорости передачи и помехоустойчивость.Так, например, дляпередачи информации при формированииСККможетиспользоваться:различный вид модуляции;различное количество поднесущих частот;всявыделеннаячастотнаяполосаили её часть;различнаядлительность элементарной посылки;различнаядлительность защитного интервала или его полное отсутствие;различный вид кодирования.Средиразличных видов модуляциив КВ радиоканаленаиболее широкое распространение получила относительная фазовая модуляция (ОФМ) различной позиционности. В последнее время также внедряется использование квадратурноамплитудной модуляции, которая обеспечивает большую техническую скорость, однако, имеет малое время устойчивой работывследствие достаточно быстрого изменения параметров радиоканала.Исходя из физических условий также выбирается оптимальное количество используемых частот сигнала. Так, например для связи стационарных объектов и для обеспечения высоких скоростейпередачичасто используются многочастотные сигналы (параллельные), а в условиях связи с мобильными объектами, движущимися с относительно высокими скоростями, где возникает достаточно большое допплеровское смещение частоты, а также при неблагоприятной электромагнитной обстановке и низком энергетическом потенциале, такими как воздушные или морские суда,используются одночастотные сигналы (последовательные).
Обычно на излучаемый сигнал накладывается условие, чтобы эффективная ширина его спектра не выходила за пределы строго заданной частотной полосы. При этом внутри полосы сигнал может иметь любой спектр. Для получения максимальных скоростей передачи, сигнал должен максимально плотно занять всю полосу, однако, если скорость ограничивается, то для технологических нужд можно часть полосы оставить свободной.Длительность элементарной посылки в принципе можно выбрать различную, однако минимальна она для одночастотного сигнала и, естественно, обратно пропорциональна ширине выделенной частотной полосы, а максимальна для многочастотного сигнала и должна быть меньшепериода квазистационарности. Так, длястандартного телефонного канала вКВ диапазонеданная величина варьируется в пределах от порядка 0,5 мс и до примерно 100 мс.Наличие многолучевого распространения электромагнитной волны в ионосфере приводит к сложению на приемной стороне различного количества лучей с различной фазой и задержкой. Для снижения влияния данного эффекта между соседними элементарными посылками вводят защитный интервал, представляющий собой обычно периодическое продолжение сигнала. Таким образом, его длительность определяется максимальной задержкой между принимаемыми лучами. Для КВ диапазона данная величина в подавляющем большинстве случаев составляет не более 5 мс. Необходимо отметить, хотя это и очевидно, что его наличие снижает информационную скорость.Перед началом сеанса связимежду двумя корреспондентами, как известно, необходимо организовать каналсвязии войти в синхронизм. Затем необходимо оценить качество текущего режима работы и, если оно не удовлетворительное, то перейти в оптимальный режим, причем одновременно на приемной и передающей стороне, для чего отправить определенную команду.Также необходимо отметить, что в зависимости от вида сигнала могут возникать дополнительные задачи. Так, например, для случая использования одночастотного сигнала, который характеризуется минимальными по длительности элементарными посылками и полным отсутствием защитного интервала между ними, требуется использование корректирующего фильтра. Для настройки данного фильтра необходимо рассчитатьимпульсную характеристику канала.Ещё одной проблемой, возникающейв процессе функционирования систем коротковолнового диапазона является необходимость доведения на передающую сторону значений оптимальных параметров, вида алгоритмов работыи структуры системы, определяемых на приемной стороне в процессе приема и обработки сообщений.Для этого необходимо сформировать команду определённого вида и передать её по обратному каналу связи.Обычно структура передаваемой по обратному каналу связи команды управления в течение сеанса связи неизменна. При этом некоторые параметры команды передаются повторно без изменений.Это приводит к неоправданному увеличению нагрузки по обратному каналу.Классически для приведенных вышезадач используются специальные синхропоследовательности, тестовые и пилотные сигналы. Однако, ссовременных позицийданный подход имеет значительный недостаток: для их передачи требуется значительное время, на которое приходится задерживать или прерывать передачу полезной информации, что приводить к значительному снижению информационной скорости. Такие подходы имеет смысл использовать только в том случае, если имеются весомые аргументы в их пользу.Помимо этого, использование тестовых сигналов позволяет оценивать характеристики канала только для используемых видов модуляции.Более перспективным и оправдавшим себя на практике является использование бестестовых методов, способных обеспечить решение поставленных задач. Главным отличительным свойством данных методов является то, что все необходимые оценки можно получить путём детального анализа принимаемого информационного сигнала.Для этого необходимо использовать все имеющиеся априорные знания. Так, например, всегда имеются какиелибо сведения о параметрах СКК, иначе приём информации просто был бы невозможен. Соответственно, можно сказать, что на приёмной стороне известна математическаямодель и достаточно много сведений можно извлечь на основе анализаотличия принимаемого сигнала от этоймодели.Так, например, оценить качество текущего режима работы можно непосредственно на основе анализа первого блока сообщения. При этом могут быть применены либо методы оценки вероятности ошибки на бит для непрерывного канала (то есть на уровне анализа сигнала)[28]. Данные методы основаны либо на восстановлении плотности распределения вероятности разницы фаз между двумя соседними посылками. В этом случае найденная оценка соответствует только тому распределению мощности, которое используется. Другие способы основанына выборе наиболее адекватной модели нестационарного радиоканала и определении её неизвестных параметров, что позволяет также получить оценку для различных вариантов распределения мощности.Вслучае, если используется помехоустойчивое кодирование, то могут быть примененыметоды для оценки дискретного канала (то есть на уровне анализа потока бит), основанные на анализе принимаемых искаженных кодовых слов, либо на анализе результатов синдромного декодирования, когда известен спектр используемого кода [910].Оценить качество для режимов повышенной позиционности, для достижения более высоких скоростей можно также на основе анализа первого блока сообщения. При этом, для сигналов с ОФМ искомую оценку можно найти, так как она аналитически связана с вероятностью попадания разницы фазы в определенные заданные сектора фазовой плоскости[1113].Решение задачи установления тактовой синхронизации, то есть определения времени начала/окончания элементарной посылки сигнала, также возможно, если в процессе обработки принимаемого информационного сигнала использовать такие функции, которые во временной области имеют ярко выраженные экстремумы, координаты которых соответствуют указанным моментам времени[1415].Для решения задачи установления цикловой синхронизации, то есть определения позиции начала/окончания кодового слова, можно использовать подходы с введением дополнительной модуляции на длительности кодового слова или же с использованием характеристик применяемого кода.При использовании многочастотных сигналов возникает возможность адаптивного управления мощностью и позиционностью сигналов на отдельных поднесущих частотах. Для случая использования корректирующего фильтра, импульсную характеристику канала связи можно получить, анализируя информационный сигнал, если организовать в нем поиск квазиоптимальных последовательностей, которые могут использоваться в качестветестовых [1618]. Данный метод основан на анализе кодовой конструкции и результатов декодирования, вследствие чего поиск такихпоследовательностей осуществляется в безошибочных кодовых блоках, что гарантирует высокую надежность и устойчивость работы. Такой подход позволяет либо полностью отказаться от передачи теста, либо значительно снизить интенсивность его использования.Передача команд управления, необходимых для перехода передающей и приемной стороны в новыйрежим также может осуществляться без введения дополнительной избыточности, например, путём добавления одного из нескольких возможных дополнительных циклических кодов, которые в настоящее время используются для подтверждения достоверности декодированного блока сообщения. Кроме того, также можно непрерывно осуществлять многовариантный приёмСКК для устранения сбоев связи при непрохождении команды на смену СКК.Следовательно,путем использованияфункциональной избыточности на приемной стороне, заключающейся в обработке принимаемой сигнальнокодовой конструкции, алгоритмами соответствующими как новой, так и предыдущейСКК, удается в подавляющем большинстве случаев выяснить фактприема команды передающей стороной по ее исполнению. Для уменьшения информационной избыточности обратного канала предлагается использовать команды управления переменной длины, передавая в них только изменяемые параметры системы [19]. В этом случае количество информационных бит в команде будет являться переменным, а время для передачи команды остается фиксированным. Тогда вся избыточность будет полностью использована для повышения помехоустойчивости при передаче команды управления. Для передачи команд по обратному каналу может использоваться разработанный авторами код с переменной избыточностью[20], использующий набор кодовых конструкций с различной кодовой скоростью для передачи блоков данных различной длины по КВ каналу с фиксированной технической скоростью.
Таким образом,видно, что за последние годыв результате развития теории цифровой обработки сигналов, управления и кодирования,появились принципиально новые подходы к решению классических задач радиосвязи, которые позволяют повысить скорость и достоверность передачи сообщений в КВ диапазоне, а также решить возникающие задачипо обеспечению информационными услугами.Также стоит отметить, что все приведенные задачи необходимо решать в режиме реального времени. Поэтому только в настоящеевремя, когда появились высокопроизводительные вычислители,возникла возможность их реализации. Более того, можно сказать, что часть задач выдвигают требования по росту производительности на ближайшую перспективу и полностью оправдывают, на первый взгляд кажущиеся излишними вычислительные ресурсы.Часть предлагаемых решений нашли свою реализацию в автоматической адаптивной системе радиосвязи «Пирс», разработаннойв ОАО «Российскийинститут мощного радиостроения». При этом планируется внедрение новых полученных технологий для её дальнейшего развития и модернизации.Использование предлагаемого подхода позволяет построить высокоэффективную систему связи, способную адаптивно менять свои параметры, а значит, своевременно реагировать на изменение качества канала связи в соответствии с решаемой в данный момент задачей. При этом можно организовать автоматический выбор оптимального режима связи, а все необходимые оценки и данные для решения технологических проблем можно получить с помощью детального анализа принимаемого информационного сигнала, аиспользование тестовых и синхронизирующих последовательностейпрактически везде становится принципиально излишней операцией.Это позволяет значительно повысить информационную скорость передачи и помехоустойчивость в сравнении с аналогичными системами.
Ссылки на источники1.В.А.Березовский, И.В.Дулькейт, О.К.Савицкий. Современная декаметровая радиосвязь.–М.: Радиотехника, 2011.2.М.С.Смаль, А.Н.Мингалев. Определение вероятности ошибки на бит по рабочим сигналам // Вестник академии военных наук. 2009. №3 (28). С. 7074.3.В.В.Егоров, М.С.Смаль. Оценка вероятности ошибки на бит по флуктуациям фазы информационных сигналов // Телекоммуникации. 2012. № 8. С. 254.Гребнева Р.К, Егоров В.В., Катанович А.А., Лобов С.А., Мингалев А.Н., ТимофеевА.Е. Способ оценки достоверности приема сигналов с многопозиционной относительной фазовой модуляцией //Патент РФ №24343345.Егоров В.В., Катанович А.А., Лобов С.А., Мингалев А.Н., Смаль М.С., Тимофеев А.Е., Щеглова Е.Ф. Способ определения вероятности ошибки на бит по параллельным многочастотным информационным сигналам //Патент РФ №24514076.В.В.Егоров, М.С.Смаль. «Оценка параметров распределения Накагами по рабочим сигналам» // Электросвязь. 2011. № 11. С. 35367.М.С.Смаль. Оценка вероятности ошибки на бит порабочим сигналам в условиях наличия замираний сигнала по закону Райса. Сборник докладов 19й международной научнотехнической конференции «Радиолокация, навигация, связь», Том 1. С. 11158.М.С. Смаль. Оценка качества нестационарного радиоканала по информационным сигналам. Итоги диссертационных исследований. Том 1.–Материалы VВсероссийского конкурса молодых ученых.–М.: РАН, 2013, С. 5058.9.В.В.Егоров, М.С.Смаль. Оценка вероятности ошибки на бит по результатам декодирования кодовых слов. Доклады VIIВсероссийской научнотехнической конференции «Радиолокация и радиосвязь», 2527 ноября 2013 г., Москва, С. 169171.10.Егоров В.В., Катанович А.А., Лобов С.А., Маслаков М.Л., Мингалев А.Н., Смаль М.С., Тимофеев А.Е. Устройство оценки вероятности ошибки на бит при кодировании с помощью бита четности // Патент РФ №13666211.В.В.Егоров, М.С.Смаль. Выбор оптимальной кратности фазовой модуляции по информационным сигналам // Телекоммуникации. 2013. № 11. С. 161912.В.В.Егоров, М.С.Смаль. Прогнозирование достоверности приема ОФМ сигналов для потенциально возможных режимов работы. Доклады VIIВсероссийской научнотехнической конференции «Радиолокация и радиосвязь», 2527 ноября 2013 г., Москва, С. 238240.13.Егоров В.В., Катанович А.А., Лобов С.А., Маслаков М.Л., Мингалев А.Н., Смаль М.С., Тимофеев А.Е. Устройство оценки вероятности ошибки на бит для сигналов с четырехпозиционной фазовой модуляцией по двухпозиционным сигналам // Патент РФ №136661.14.В.В.Егоров, А.Е. Тимофеев. Установление частотновременной синхронизации в многочастотных КВсистемах передачи данных //Электросвязь. 2013. №7. С. 414415.В.В.Егоров, М.С.Смаль. Установление тактовой синхронизации по информационным OFDMсигналам с фазовой модуляцией. Сборник докладов 15й международной конференции «Цифровая обработка сигналов и её применение» (DSPA2013). Том 1. С 26827116.В.В. Егоров, М.Л. Маслаков, А.Н. Мингалев. Бестестовая адаптивная коррекция сигналов в КВ системах последовательной передачи данных. Электросвязь. 2011. –№ 11. С 3234.17.В.В.Егоров, М.Л. Маслаков, А.Н. Мингалев. Совместная передача тестовых и информационных последовательностей в системах последовательной передачи данных с адаптивной коррекцией. Сборник трудов 14й международной конференции «Цифровая обработка сигналов и её применение» (DSPA2012).С 14214518.М.Л. Маслаков. Бестестовые методы адаптивной коррекции в каналах с межсимвольной интерференцией. Итоги диссертационных исследований. Том 1.–Материалы VВсероссийского конкурса молодых ученых.–М.: РАН, 2013, С. 4149.19.В.В.Егоров, А.Е.Тимофеев. Обратный канал в адаптивных КВ радиосистемах передачи информации // Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2013 №6.20.В.В.Егоров, А.Е.Тимофеев. Передача сообщений по КВрадиоканалу при случайном характере моментов поступления данных // Электросвязь. —2011. —11. —C. 3031
Vladimir Egorov,Candidate of TechnicalSciences, leading researcher at JSC “Russian Institute of Power Radiobuilding”, SaintPetersburgAndrew Mingalev,Candidate of Technical Sciences, senior researcher at JSC “Russian Institute of Power Radiobuilding”, SaintPetersburgAlexander Timofeev,Researchassociateat JSC “Russian Institute of Power Radiobuilding”, SaintPetersburgMikhail Smal,Research
associate at JSC “Russian Institute of Power Radiobuilding”, SaintPetersburgMikhail Maslakov,Engineer at JSC “Russian Institute of Power Radiobuilding”, SaintPetersburg.Ways of adaptive radio communication systems construction.Abstract.Paper is devoted to the main questions that arise at adaptive high frequency radio communication systems construction process. The perceptivity of nontest methods of channel estimation and timefrequency synchronization is shown. The effective structure of feedback channel is offered.Keywords:adaptive radio communication, signal, data transmission.
