Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ АДАПТАЦИИ

Изобретение относится к области радиосвязи и может использоваться при построении адаптивных систем и комплексов радиосвязи.

Известен способ адаптации системы радиосвязи по частоте [1-2], основанный на оценке качества канала на нескольких разрешенных частотах и выборе для передачи информации частоты с минимальным уровнем помех. Такой способ позволяет отсеять частоты, занятые другими радиостанциями, но не обеспечивает выбор частоты с наилучшими условиями связи, т.к. при выборе частоты не учитываются потери полезного сигнала в канале и уровень полезного сигнала на входе приемника. Это приводит к неверному выбору наилучшей для связи рабочей частоты и, как следствие, к низкой средней скорости передачи информации.

Известен способ многопараметрической адаптации (например, [3]), в соответствии с которым для определения пригодности рабочей частоты на ней проводится трассовое зондирование. В зависимости от количества ошибок на принятой тестовой комбинации принимается решение о пригодности данной рабочей частоты для связи, а также оценивается скорость передачи информации, на которой должна обеспечиваться связь на данной частоте. Недостатком данного способа адаптации является неточность оценки качества канала по критерию числа ошибок на короткой тестовой комбинации, а также низкая точность оценки скорости, с которой можно передавать информацию. Тестовая комбинация, как правило, передается на наиболее низкой частоте и с максимальной корректирующей способностью кода. По результатам приема тестовой комбинации, переданной на конкретной частоте, приближенно оценивается максимальная скорость, на которой возможна передача информации. Низкая точность оценки рабочей частоты и скорости передачи приводит к неверному выбору указанных параметров и, как следствие, к низкой средней скорости передачи информации и, соответственно, пропускной способности системы связи.

Известен также способ многопараметрической адаптации [4], в соответствии с которым первоначально рабочая частота выбирается в процессе вхождения в связь по оценке качества вызывных сигналов. Затем пропускная способность других частот приближенно оценивается путем формирования на приемной стороне тестовой комбинации и суммирования с ней шумов и помех на анализируемых частотах. Изменяя амплитуду тестовой комбинации, находят значение амплитуды, при котором достигается достаточное значение отношения сигнал/шум. Частота, на которой требуемая амплитуда тестовой комбинации ниже, является лучшей. Недостатком указанного способа является отсутствие учета искажений тестовой комбинации при прохождении через канал, т.е. частотного и временного рассеяния сигнала. Низкая точность оценки требуемых для достижения максимальной пропускной способности регулируемых параметров радиолинии, как рабочей частоты, так и скорости передачи информации, как и в способах, описанных выше, приводят к низкой средней скорости передачи информации.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) заявленному изобретению является способ, описанный в [5]. В данном способе адаптивной радиосвязи осуществляется выбор типа (корректирующей способности) кода и параметров перемежения по результатам оценки состояния канала, которая формируется по результатам анализа тестовой последовательности на приеме. В соответствии с рассматриваемым способом работа системы связи должна происходить следующим образом. После удачного вхождения в связь обмен основными сообщениями производятся с применением кодов с максимальной корректирующей способностью, т.е. с наименьшей скоростью передачи сообщений. Далее по результатам оценки качества приема скорость может быть увеличена, при этом информация о выбранном коде и параметрах перемежения отправляются на передающую сторону. Тестовая последовательность передается в специально выделенные интервалы времени, либо в свободное от основных передач время. По результатам оценки качества приема тестовой последовательности оценивается требуемая корректирующая способность кода и параметры перемежения. В способе [5] декларируется, что на выбор значений параметров кода и перемежения помимо результатов приема тестовых последовательностей могут использоваться и другие данные о состоянии канала, в том числе данные зондирования каналов передачи и данные долговременного прогноза, однако не уточняется, из каких источников эти данные появятся, а также не указан алгоритм использования таких данных.

Недостатком способа [5] является низкая точность оценки качества анализируемого канала, т.к. для получения статистически устойчивой оценки требуется тестовая последовательность большой длины, кроме того, тестовая последовательность передается на определенной (самой низкой) скорости и оценки возможности приема на других скоростях передачи будут иметь низкую точность. Выбор заниженных или завышенных скоростей передачи информации в процессе ведения связи в обоих случаях приведет к понижению средней скорости передачи информации и пропускной способности системы связи.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении точности и оперативности определения требуемых значений регулируемых параметров радиолинии и, соответственно, в повышении пропускной способности, обеспечиваемой адаптивной системой связи.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном способе многопараметрической адаптации, основанном на процедуре вхождения в связь, передаче тестовых последовательностей в выделенные интервалы времени в каждом направлении радиолинии как в процессе ведения связи, так и в периоды, свободные от передачи сообщений, оценке состояния каналов передачи в каждом направлении радиолинии, нахождении значений адаптируемых параметров радиолинии, обеспечивающих передачу сообщений с достаточным (или наилучшим) качеством, передаче значений выбранных параметров своему корреспонденту, обмене информационными сообщениями в каждом из направлений радиолинии, дополнительно выполняются следующие действия:

- в качестве сигналов трассового зондирования применяют сигналы, позволяющие определить частотное и временное рассеяние канала связи, а также отношение сигнал/шум в канале (например, последовательность ЛЧМ сигналов, передаваемых в полосе передаваемого информационного сигнала);

- значения регулируемых параметров радиолинии, обеспечивающие максимальную пропускную способность, определяют с использованием заранее подготовленных таблиц соответствия, в которых для каждой пары возможных значений частотного и временного рассеяния указано минимальное отношение сигнал/шум на входе приемника, требуемое для достижения величины вероятности ошибки, меньшей или равной заранее определенной. Эти минимальные значения должны быть определены для используемых в данной системе связи модема и кодека, при этом такие таблицы должны быть заранее рассчитаны для каждой скорости передачи информации;

- для расчета таблиц соответствия должны быть разработаны имитационные модели передающей и приемной сторон системы связи, включающие в качестве составных частей модем и кодек, а также имитационная модель канала связи, в качестве которой может быть выбрана модель Ваттерсона. Далее, путем многократного прогона на полученной модели сеансов связи (до получения статистически устойчивого результата) определяют для каждой пары возможных в канале значений частотного и временного рассеяния определяется минимальное значение сигнал/помеха, при котором вероятность ошибки принимаемых сообщений Р_ош не превышает заранее установленного значения. Пороговое значение Р_ош определяется главным образом характеристиками оконечной аппаратуры (обычно от 2⋅10^-2 до 0,5⋅10^-3). Такие таблицы должны быть составлены для каждой скорости передачи сообщений. Если данная скорость реализуется в нескольких вариантах сигнально-кодовой конструкции (тип созвездия, тип и избыточность кода), то кроме найденного минимального значения сигнал/помеха в каждой ячейке таблицы должен быть указан вариант сигнально-кодовой конструкции, при котором этот минимум достигается;

- для определения оптимальных (по критерию максимума пропускной способности) регулируемых параметров радиолинии после вхождения в связь, а также через заданные промежутки времени либо по требованию приемной стороны, проводится сеанс зондирования, в процессе которого передаются и анализируются на приеме специальные сигналы. По результатам их приема рассчитывается функция рассеяния канала и определяются значения частотного и временного рассеяния, существующие в данный момент в канале. Определяется также и отношение сигнал/шум, существующее в канале. Далее по таблицам соответствия начиная с таблицы для максимальной скорости по измеренным значениям частотного и временного рассеяния определяется необходимое значение сигнал/помеха, при котором обеспечивается связь с необходимым качеством. Если указанное значение отношения сигнал/помеха меньше измеренного в канале, то выбирают значение скорости, соответствующее рассматриваемой таблице, иначе переходят к таблице с меньшей скоростью. Если имеется несколько рабочих частот, то зондирование проводят на всех частотах и для каждой частоты определяют максимальную скорость, при которой достигается заданное качество связи. Выбирается та частота, на которой обеспечивается наибольшая скорость передачи информации. Таким образом, определяются значения регулируемых параметров радиолинии: скорости передачи информации, рабочей частоты, а также номера варианта сигнально-кодовой конструкции, если их несколько.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что введение существенных отличительных признаков составляет новизну и позволяет, как будет показано ниже, решить поставленную задачу.

Таким образом, предлагаемый способ адаптации основан на:

- предварительной подготовке для каждой скорости передачи таблиц соответствия каждого возможного состояния канала минимальному значению отношения сигнал/шум, при котором достигается связь с заданным качеством;

- периодической (или по запросу приемной стороны) передаче передающей стороной радиолинии специальных сигналов трассового зондирования;

- приеме сигналов трассового зондирования и измерении приемной стороной характеристик КВ канала связи (функции рассеяния канала и отношения сигнал/шум в канале);

- определении по результатам анализа принятых сигналов трассового зондирования с помощью заранее подготовленных таблиц соответствия совокупности оптимальных параметров радиолинии, которые нужно использовать для обеспечения максимальной пропускной способности;

- пересылке на передающую сторону по обратному каналу найденных (оптимальных) значений регулируемых параметров радиосигнала и радиолинии;

- передаче передающей стороной информационных сигналов с параметрами, указанными приемной стороной.

На фиг. 1 представлена блок-схема алгоритма функционирования предлагаемого способа многопараметрической адаптации. На фиг. 2 представлена блок-схема алгоритма определения функции рассеяния канала. На фиг. 3 и фиг. 4 представлена блок-схема алгоритма определения величин частотного и временного рассеяния, а также отношения сигнал/шум. На фиг. 5 представлена блок-схема процесса нахождения регулируемых параметров радиолинии по найденным значениям параметров канала радиосвязи с использованием таблиц соответствия. На фиг. 6 представлен алгоритм расчета таблиц соответствия. На фиг. 7 представлена таблица соответствия.

В соответствии с блок-схемой алгоритма, представленном на фиг. 1, на первом этапе производится вхождение в связь, которое может производиться любым из известных методов. Далее определяется необходимость проведения трассового зондирования. Трассовое зондирование может проводиться в паузах, возникающих при передаче сообщений, либо периодически через время, меньшее интервала стационарности канала связи, либо по запросу приемной стороны при снижении качества приема. Решение о проведении трассового зондирования может принимать приемная сторона и сообщать об этом на передающую сторону, однако это решение может формироваться и на передающей стороне на основе данных, переданных приемной стороной. Если проведение трассового зондирования необходимо, то передающая сторона передает тестовый сигнал трассового зондирования на каждой из частот, отведенных для связи. В этом случае приемная сторона осуществляет прием тестовых сигналов, прошедших через канал, проводится оцифровка входного сигнала, определение амплитудно-частотной, фазо-частотной и импульсной характеристик канала (АЧХ, ФЧХ и ИХ). С использованием полученных характеристик находится функция рассеяния канала (ФРК).

Далее по найденной функции рассеяния канала определяются значения временного и частотного рассеяния, а также находится отношение сигнал/шум. По полученным значениям параметров канала с использованием заранее заготовленной таблицы соответствия находятся адаптируемые (регулируемые) параметры радиолинии (рабочая частота, информационная скорость передачи данных, вариант сигнально-кодовой конструкции).

Найденные оптимальные значения регулируемых параметров передаются для установки на передающую сторону. После установки новых параметров на приемной и передающей стороне передача информационного сигнала продолжается до конца связи, либо до очередного сеанса зондирования.

В качестве сигналов трассового зондирования, позволяющих получать функцию рассеяния канала, могут использоваться сигналы фазовой и частотной манипуляции, сигналы последовательного модема, сигналы линейной частотной манипуляции (ЛЧМ), передаваемые в полосе информационного сигнала. Далее, для определенности, считаем, что в качестве сигналов трассового зондирования используют последовательности ЛЧМ-сигналов, передаваемые в полосе информационного сигнала.

Метод определения ФРК при приеме последовательности ЛЧМ-сигналов, передаваемых в полосе информационного сигнала, представлен в работе [6]. Метод получения значений параметров частотного и временного рассеяния, а также отношения сигнал/шум по известной ФРК описан в работе [7].

На фиг. 2 представлена блок-схема алгоритма определения ФРК, разработанная в соответствии с методом, описанном в работе [6].

Алгоритм состоит из нескольких шагов:

На первом этапе определяются спектры опорного ЛЧМ-сигнала (S_Ts) и ЛЧМ-сигнала, принятого после прохождения канала связи (S_Si).

где m - текущий номер ЛЧМ-сигнала; k - текущий номер отсчета в частотной области (количество точек БПФ); N - количество передаваемых ЛЧМ-сигналов; K - количество отсчетов на одном ЛЧМ-сигнале.

После чего по полученным спектрам определяется частотная характеристика канала связи:

Далее импульсную характеристику канала связи получают, взяв обратное преобразование Фурье от АЧХ канала связи.

По результатам N полученных оценок ИХ канала находят функцию рассеяния канала. В общем случае ФРК можно представить как набор векторов квадратов модулей, полученных после преобразования Фурье для фиксированных задержек по времени τ=τ_ν для множества последовательных измерений импульсных характеристик h(τ,t_k). Для каждой ИХ задержка может изменяться в пределах 0≤τ≤Т_э, где T_э - длительность элемента сигнала. Тогда ФРК для фиксированных значений задержки по времени будет представляться следующим образом:

где F_dn - сдвиги частот, при которых ищется дискретное преобразование Фурье.

На фиг. 3 и фиг. 4 представлена блок-схема алгоритма определения величин частотного и временного рассеяния, а также отношения сигнал/шум, выполненная на основе метода, описанного в работе [7].

Значения временного и частотного рассеяния (Δτ и ΔF) определяются в соответствии с формулами (5) и (6) соответственно.

где 2N+1 - число отсчетов во временном профиле рассеяния;

2М+1 - число отсчетов в частотном профиле рассеяния;

τk - k-я задержка по времени;

τ_m - среднее значение задержки;

Р_τ(τ_k) - профиль интенсивности многолучевости;

F_dk - k-e значение доплеровского сдвига частоты;

F_dm - среднее значение доплеровского сдвига;

P_Fd(F_dk) - профиль интенсивности доплеровского сдвига частоты.

Для определения отношения сигнал/шум в канале используется алгоритм автоматического разделения компонентов сигнала и шума, в соответствии с которым числовой массив ФРК обрабатывается низкочастотным гауссовским фильтром. Далее в каждом из столбцов массива определяется центральный момент 3-го порядка, в результате чего появляется массив моментов М. Определение, в каком столбце массива находится сигнал, а в каком шум, производится путем сравнения найденного значения момента 3-го порядка с порогом, который является функцией дисперсии элементов массива М. Найденные элементы как сигнала, так и шума усредняются.

Отношение сигнал/шум (SNR) находится с учетом базы сигнала (В) и пик-фактора из выражения

где P_Si - мощность сигнала;

P_N - мощность шума.

На фиг. 5 представлена блок-схема процесса нахождения регулируемых параметров радиолинии по найденным значениям параметров канала радиосвязи с использованием таблиц соответствия. Таблицы соответствия представляют собой заранее рассчитанные таблицы требуемых значений отношения сигнал/шум для обеспечения используемым модемом заданного качества принятого сигнала (заданной вероятности ошибки), при заданных в канале значениях временного и частотного рассеяния). Число таких таблиц должно быть равно числу возможных скоростей, реализуемых конкретным типом модема. Например, для полосы сигнала 3,1 кГц может быть реализован следующий ряд скоростей, принятый для использования в КВ радиоканале: 75, 100, 200, 300, 500, 1200, 2400, 4800, 7200, 9600 бит/с.

Значения временного и частотного рассеяния, используемые в таблицах, могут быть приняты в соответствии с рекомендацией ITU-R F.1487 [8]. Таким образом, временное рассеяние канала может принимать следующие значения:

0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 3,5; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10; 11; 12; 14; 16; 18; 20 мс;

частотное рассеяние может принимать следующие значения:

0,1; 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 3,5; 4; 6; 8; 10; 12; 14; 16; 18; 20; 24; 28; 32; 36; 40 Гц.

В итоге таблица соответствия представляет собой матрицу всевозможных состояний канала размерностью [20×22], в каждой ячейке которой установлено значение сигнал/шум, необходимое для обеспечения заданного значения вероятности ошибки. Диапазон рассчитываемых значений отношения сигнал/помеха и диапазон задаваемых значений вероятности ошибки также могут быть выбраны из рекомендации [8], однако, в зависимости от назначений системы и используемого модема могут принимать и другие значения.

Нахождение оптимальных значений регулируемых параметров радиолинии по найденным значениям параметров канала радиосвязи (частотного рассеяния Δτ_Изм, временного рассеяния ΔF_Изм и отношения сигнал/шум SNR_Изм) с использованием таблиц соответствия согласно фиг. 5 производится следующим образом. Измеренные значения Δτ_Изм и ΔF_Изм округляют до ближайших больших значений соответствующих параметров, принятых в таблицах соответствия. Далее по всем таблицам соответствия, начиная с таблицы для максимальной скорости модема, сравниваем измеренное значение SNR_Изм с значением отношения сигнал/шум, указанным в таблице SNR_Таб для измеренных значений рассеяния Δτ_Изм и ΔF_Изм. Если SNR_Таб≤SNR_Изм, то в качестве параметра радиолинии принимается то значение скорости модема, для которого рассчитана указанная таблица соответствия. Если SNR_Таб>SNR_Изм, то переходят к таблице соответствия для следующей более низкой скорости модема, пока не будет выполнено условие SNR_Таб≤SNR_Изм.

Если адаптация проводится и по частоте, то для каждой частоты проводится измерение значений Δτ_Изм и ΔF_Изм, затем находится значение скорости, удовлетворяющее условию SNR_Таб≤SNR_Изм. Далее выбирается рабочая частота, на которой обеспечивается работа с максимальной скоростью.

На фиг. 6 представлен алгоритм расчета таблиц соответствия. Согласно рекомендации ITU-RF.1487 [8] эффективность модема следует определять не отдельной кривой помехоустойчивости, а характеристической поверхностью производительности (ХПП), которая представляет собой трехмерную поверхность, показывающую зависимость отношения сигнал/помеха, необходимого для передачи сообщения с заданным качеством связи от величины частотного и временного рассеяния.

Определяют набор информационных скоростей передачи данных, обеспечиваемый модемом в заданной полосе частот, задают значения временного и частотного рассеяния канала, согласно рекомендации ITU-R F.1487, определяют необходимое качество приема информации, например, Р_ош=0.001. Определяют актуальный диапазон значений отношения сигнал/шум, например, от -10 до 50 дБ с шагом 1дБ.

Задают значение информационной скорости передачи.

Далее с использованием имитационных моделей системы связи и канала связи для всех выбранных величин частотного и временного рассеяния, проводят имитационный эксперимент по прохождению модемного сигнала через канал, изменяя значение отношения сигнал/шум в заданных пределах и с заданным шагом, для каждого определяя вероятность ошибки. Эксперимент при каждом заданном отношении сигнал/шум проводят до тех пор, пока результат не окажется статистически устойчивым.

Если полученное в результате имитационного эксперимента значение вероятности ошибки получилось больше требуемого, то увеличивают отношение сигнал/шум на 1 дБ и снова проводят испытания. Если отношение сигнал/шум превысило уровень 50 дБ, то эксперимент прекращается и переходят к другой ячейке таблицы, определяемой другими значениями частотного и временного рассеяния. Если на каком-то шаге изменения отношения сигнал/шум удалось добиться значения качества приема, удовлетворяющего заданным требованиям, то вычисления прекращаются и методом линейной интерполяции вычисляется отношение сигнал/помеха, при котором достигается заданная вероятность ошибки.

После того как требуемое отношение сигнал/помеха определено для всех точек матрицы состояния канала связи, переходят к следующей скорости передачи. В результате получают таблицу, в каждой ячейке которой будет записано требуемое минимальное отношение сигнал/шум. Вид таблицы представлен на фиг. 7. Если система связи обеспечивает возможность передачи информации с разными вариантами сигнально-кодовой конструкции, то в каждой ячейке таблицы должен стоять тип СКК, при котором указанное минимальное отношение сигнал/шум достигнуто.

Операцию по расчету таблиц соответствия необходимо повторить для оставшихся скоростей передачи данных. В результате должен получиться набор таблиц размерностью [20×22], число которых равно числу возможных скоростей передачи данных, реализуемых системой связи.

Предлагаемый способ многопараметрической адаптации позволяет более точно находить параметры радиолинии, обеспечивающие максимально возможную скорость передачи в условиях текущего состояния канала, что обеспечивает повышение средней скорости передачи данных

Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет решить поставленную задачу.

Источники информации

1. Комарович В.Ф., Сосунов В.Н. Случайные радиопомехи и надежность KB связи. - М.: Связь, 1977, 135 с.

2. Военные системы радиосвязи. Ч. 1. Под ред. В.В. Игнатова. Л. ВАС. 1989, с. 297-301.

3. Патент РФ №2138926, заявлен 11.01.1995 г., опубл. 27.09.1999 г. Способ и устройство для адаптивного выбора стратегии осуществления связи в системе радиосвязи с селективным вызовом абонентов. Лейтч К.Д., Швендеман Р.Д., Макнак Ф.П. Заявитель Моторолла, Инк. (US).

4. Патент РФ №2284659, заявлен 28.04.2004 г., опубликован 27.09.2006 г. в Бюл. №27. Способ и устройство для адаптивной радиосвязи. Балыбин В.М., Рыжов П.П. и др.

5. Патент РФ №2300843, заявлен 14.06.2005 г., опубл. 20.12.2006. Способ передачи дискретных сообщений с многопараметрической адаптацией. Ярошевич Б.Н., Кульбида В.А. (Прототип).

6. Иванов В.А., Рябова Н.В., Царев И.Е. Диагностика функции рассеяния декаметровых узкополосных стохастических радиоканалов // Радиотехника и электроника. Том 55, №3, Москва: Академиздатцентр «Наука», 2009. - С.1-7.

7. Иванов В.А., Рябова Н.В., Царев И.Е. Канальный зонд для исследования функции рассеяния ионосферных ВЧ радиоканалов // Труды симпозиума XXII-ой Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн», сентябрь 2008, №2, с. 45-48.

8. Recommendation ITU-R F.1487 Testing of HF modems with bandwidths of up to about 12 kHz using ionospheric channel simulators - ITU-R. - 2000 г.