RU2755259C1 - Способ и устройство структурно-параметрической адаптации - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к технике радиосвязи, а именно к способу и устройству адаптации режимов пакетной передачи речи по коротковолновым каналам связи в условиях сложной сигнально-помеховой обстановки. Технический результат – повышение помехоустойчивости в условиях сложной сигнально-помеховой обстановки, повышение пропускной способности канала связи. Для этого осуществляют прогнозирование изменения канала связи и осуществляют коррекцию таблиц соответствия по критерию вероятности ошибок при заданном отношении сигнал/шум, а также выбирают сигнально-кодовые конструкции с минимально возможной задержкой на формирование и обработку сигналов. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Изобретения объединены единым изобретательским замыслом, относятся к технике радиосвязи, а именно к способам и устройствам адаптации режимов пакетной передачи речи по коротковолновым каналам связи в условиях сложной сигнально-помеховой обстановки, и могут быть использованы для организации связи более высокого качества в условиях сложной сигнально-помеховой обстановки.

Связь в коротковолновом (КВ) диапазоне (3-30 МГц) на больших расстояниях с помощью мобильных станций небольшой мощности имеет значительное преимущество перед другими видами связи. Однако из-за замираний сигнала при ионосферном распространении и наличия «зон молчания» надежность канала КВ связи может быть недостаточно высокой, а в отельных случаях очень низкой. Для решения проблемы сложной сигнально-помеховой обстановки в КВ канале, под которой понимается наличие замираний сигнала, вызванные многолучевым распространением, и большое количество работающих в данном диапазоне радиостанций различной мощности, существует большое количество методов повышения эффективности КВ радиолиний, подробно описанных в [Березовский В.А., Дулькейт И.В., Савицкий О.К. Современная декаметровая радиосвязь: оборудование, системы и комплексы / Под ред. В.А. Березовского. – М.: Радиотехника, 2011. – 444 с.: ил., стр. 197].

Под структурно-параметрической адаптацией канала связи понимается изменение структуры (места и количества) и параметров элементов тракта формирования и обработки радиосигналов, в зависимости от сигнально-помеховой обстановки [Березовский В.А., Дулькейт И.В., Савицкий О.К. Современная декаметровая радиосвязь: оборудование, системы и комплексы / Под ред. В.А. Березовского. – М.: Радиотехника, 2011. – 444 с.: ил., стр. 201].

Под сигнально-кодовой конструкцией (СКК) в заявленном изобретении понимается установленные в трактах формирования и обработки сигналов скремблеры и дескремблеры, перемежители и деперемежители, помехоустойчивые кодеры и декодеры, адаптивные эквалайзеры, модуляторы и демодуляторы, передатчик и приемник, а также их место и количество в трактах формирования и обработки сигналов и их параметры. [Зюко А.Г., Кловский Д.Д., Коржик В.И., Назаров М.В., Теория электрической связи: Учебник для вузов. – М.: Радио и связь, 1999. – 432 с.: 204 ил., стр. 416].

Под пакетной передачей речи понимается передача речи с помощью технологий пакетной передачи информации, например, с помощью технологии VoIP [Рекомендация МСЭ-Т Y.1541 (02/2006) Требования к сетевым показателям качества для служб, основанных на протоколе IP].

BER – коэффициент битовых ошибок, отношение числа ошибочно принятых бит к общему числу бит измеряемого сигнала в заданном временном интервале [ГОСТ Р 53363-2009 Цифровые радиорелейные линии. Показатели качества. Методы расчета].

Под вероятностью ошибок понимается ожидаемое значение коэффициента битовых ошибок. Таким образом, коэффициент битовых ошибок можно рассматривать как приближенное значение вероятности битовой ошибки. Точность этой оценки увеличивается при увеличении длительности интервала времени и объема передаваемых данных [Егоров В.В., Смаль М.С. Оценка вероятности ошибки на бит по результатам декодирования кодовых слов, Статья, журнал радиоэлектроники № 4, 2014, УДК 621.391].

Под сквозной задержкой понимается сумма всех задержек сигнала при пакетной передаче речи, а именно сумма следующих задержек: задержка пакетизации и депакетизации, задержка распространения сигнала в среде распространения, задержка на формирование и обработку сигналов в оборудовании, задержка буфера джиттера [Рекомендация МСЭ-Т G.114 (05/2003) Время односторонней передачи].

Известен способ адаптации каналов радиосвязи с использованием искусственного интеллекта и устройство для его осуществления (патент РФ № 2405265, H04L 1/00(2006.01), опубл. 27.11.2010 г., Бюл. № 33), в котором с целью повышение готовности и скрытности канала радиосвязи при одновременном улучшении условий электромагнитной совместимости происходит периодическое измерение качества канала радиосвязи и сравнение его с допустимым уровнем, обмен с корреспондентом данными о новых параметрах адаптации и переходе в заданное время на новые параметры адаптации, причем для адаптации канала радиосвязи канала используется система искусственного интеллекта, предназначенная для накопления опыта успешной работы канала радиосвязи и использования его для последующей адаптации.

Известены способ и устройство для адаптивной радиосвязи (патент РФ № 2626335, H04L 12/00 (2006.01), опубл. 26.07.2017 г., Бюл. №21), в котором с целью повышения помехозащищенности за счет выделения сигнала из смеси сигнала и помех и формирования нуля диаграммы направленности в направлении на источник помех и повышение пропускной способности системы связи при отсутствии помех осуществляется периодическое измерение качества канала связи, сравнение его с допустимым уровнем, обмене с корреспондентом данными о новых параметрах адаптации, а именно смене рабочей частоты, вида модуляции и кодирования, сложение полезного компонентов полезного сигнала и вычитание помех.

Известен способ реализации частотной и многопараметрической адаптации в многоантенной ДКМВ системе связи (патент РФ № 2685286, H04L 1/00 (2006.01), опубл. 17.04.2019 г., Бюл. №11), в котором с целью повышения эффективности систем частотной адаптации проводится периодическое измерение качества канала связи и сравнение его с допустимым уровнем; обмен данными о новых параметрах адаптации и переход канала связи на новые параметры адаптации; подключение к антеннам связного приемника многоканального обзорного приемника; последовательная настройка его на резервные частоты связи; оценка пространственного спектра помех; расчёт усреднённых параметров канала связи; измерение мощности принимаемого сигнала; расчет фактического коэффициента ослабления сигнала слоем D-ионосферы; расчет коэффициента поглощения; уточнение значения ожидаемой мощности принимаемого сигнала; загрузка прогноза в имитатор канала связи данных; пропускание через имитатор сигнала используемого модема передачи данных, передающего текстовую последовательность данных; подсчет ошибок в тестовой последовательности на ее длине, достаточной для обеспечения требуемой статистической точности оценки; ранжирование списка резервных частот путем сравнения их величин BER.

Наиболее близким по технической сущности и выполняемым функциям аналогом (прототипом) к заявленному является способ многопараметрической адаптации (патент РФ № 2643237, H04B 7/22 (2006.01), опубл. 01.02.2018 г., Бюл.  № 4), в котором с целью повышения точности и оперативности определения требуемых значений регулируемых параметров радиолинии и, соответственно, повышения пропускной способности, обеспечиваемой адаптивной системой связи происходит вхождение в связь, передача тестовых последовательностей в выделенные интервалы времени в каждом направлении радиолинии как в процессе ведения связи, так и в периоды, свободные от передачи сообщений, оценка состояния каналов передачи в каждом направлении радиолинии, нахождение значений адаптируемых параметров радиолинии, обеспечивающих передачу сообщений с достаточным (или наилучшим) качеством, передача значений выбранных параметров своему корреспонденту, обмен информационными сообщениями в каждом из направлений радиолинии. В качестве сигналов трассового зондирования применяют сигналы ЛЧМ, заранее подготовленные таблицы соответствия рассчитывают заранее для каждой скорости передачи информации с использованием имитационной модели, передающей и приемной сторон системы связи. Для определения оптимальных (по критерию максимума пропускной способности) регулируемых параметров радиолинии после вхождения в связь проводят сеанс зондирования, в процессе которого передают и анализируют на приеме сигналы трассового зондирования. 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/помеха, существующее в канале. По полученным значениям параметров канала с использованием заранее рассчитанной таблицы соответствия находят значения адаптируемых параметров радиолинии.

Известны способ и устройство для адаптивной радиосвязи (патент РФ № 2284659, H04B 7/005 (2006.01), опубл. 27.09.2006 г., Бюл.  № 27), в котором для достижения максимальной пропускной способности линии связи содержится последовательно соединенные радиоприемное устройство, модем и радиопередающее устройство, а также ЭВМ соединенная с устройствами ввода-вывода, причем управляющие и информационные входы-выходы радиоприемного устройства модема и радиопередающего устройства подключены к шине ЭВМ, последовательно соединенные второе радиоприемное устройство, сумматор, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и вычислитель, выполненный с возможностью сравнения сигнала, поступающего из формирователя сигнала контрольной комбинации, с сигналом, поступающим из АЦП, подсчитывания ошибок на каждой частоте и определения, при каком уровне сигнала с какой скоростью можно работать на данной частоте, а также последовательно-соединенные формирователь сигнала контрольной комбинации, аттенюатор и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), выход которого подключен к другому входу сумматора, управляющий вход радиоприемного устройства, формирователя сигнала контрольной комбинации и аттенюатора и информационный вход и выход вычислителя подключены к шине ЭВМ, а выход формирователя контрольной комбинации соединен с другим входом вычислителя.

Известны способ и устройство для адаптивной радиосвязи (патент РФ № 2593378, H04B 7/00 (2006.01), опубл. 10.08.2016 г., Бюл. № 22), в котором для повышения помехозащищенности системы радиосвязи содержится два радиоприемных устройства и радиопередающее устройство, а также ЭВМ, соединенная с устройствами ввода-вывода, причем управляющие и информационные входы/выходы первого и второго радиоприемных устройств, формирователя сигнала контрольной комбинации и радиопередающего устройства подключены к шине ЭВМ, второе радиоприемное устройство, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и вычислитель, выполненный с возможностью сравнения сигнала, поступающего из формирователя сигнала контрольной комбинации, с сигналом, поступающим из соответствующего АЦП, подсчитывания ошибок на каждой частоте и определения, с какой скоростью можно работать на данной частоте, а также последовательно соединенные формирователь сигнала контрольной комбинации и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), выход которого подключен к первому входу сумматора, второе АЦП, вход которого подключен к выходу первого радиоприемного устройства, а выход - двухсторонними связями к соответствующему входу/выходу вычислителя, второй выход формирователя сигнала контрольной комбинации соединен со вторым входом сумматора, вход первого АЦП подключен к выходу второго радиоприемного устройства, а выход – двухсторонними связями к соответствующему входу/выходу вычислителя, выход приемника сигналов глобальных навигационных спутниковых систем подключен к входу ЭВМ, входы/ выходы первого и второго АЦП, ЦАП, формирователя сигнала контрольной комбинации, формирователя временных интервалов передачи сигнала контрольной комбинации подключены двухсторонними связями к шине ЭВМ, радиоприемные устройства соединены по радиоэфиру с соответствующим радиопередающим устройством вызывающего корреспондента.

Наиболее близким по технической сущности является взятое за прототип устройство для адаптивной радиосвязи (патент РФ № 2626335, H04L 12/00 (2006.01), опубл. 26.07.2017 г., Бюл.  № 21), в котором с целью повышения помехозащищенности за счет выделения сигнала из смеси сигнала и помех и формирования нуля диаграммы направленности в направлении на источник помех и повышение пропускной способности системы связи при отсутствии помех осуществляется периодическое измерение качества канала связи, сравнение его с допустимым уровнем, обмене с корреспондентом данными о новых параметрах адаптации, а именно смене рабочей частоты, вида модуляции и кодирования, сложение компонентов полезного сигнала и вычитание помех. Устройство содержит последовательно соединенные и работающие в первой ветви процедур (при отсутствии помех) первое радиоприемное устройство, модем и радиопередающее устройство, ЭВМ, соединенную с устройствами ввода-вывода, причем информационные и управляющие входы и выходы первого радиоприемного и радиопередающего устройств, и модема подключены к шине ЭВМ. Кроме того, устройство содержит последовательно соединенные второе радиоприемное устройство, сумматор, аналого-цифровой преобразователь и первый вычислитель, а также последовательно соединенные формирователь сигнала контрольной комбинаций, аттенюатор и первый цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен ко второму входу сумматора, причем другие входы второго радиоприемного устройства, формирователя сигнала контрольной комбинации, аттенюатора и вход-выход первого вычислителя подключены к шине ЭВМ, первая приемная антенна подключена к первому радиоприемному устройству, а вторая приемная антенна подключена к второму радиоприемному устройству. Работа во второй ветви процедур (при наличии помех) обеспечивается с помощью узлов: двухвходового цифрового радиоприемного устройства, второго вычислителя с помеховыми выходами, второго цифроаналогового преобразователя, фильтра, блока оценки уровня помех, коммутатора, цифрового возбудителя, входы-выходы устройств ввода-вывода являются входами-выходами устройства для адаптивной радиосвязи. ЭВМ с шиной, входы-выходы устройств ввода-вывода с входами-выходами, радиопередающее устройство, приемные антенны и коммутатор являются общими для двух процедур обработки сигналов.

Технической проблемой является низкая помехоустойчивость в условиях сложной сигнально-помеховой обстановки из-за отсутствия прогнозирования изменения состояния канала связи и низкая пропускная способность канала связи из-за отсутствия коррекции таблиц соответствия по критерию вероятности ошибок при заданном отношении сигнал/шум, а также высокая сквозная задержка из-за отсутствия выбора СКК с минимально возможной задержкой на обработку и формирование сигналов; низкая помехоустойчивость в условиях сложной сигнально-помеховой обстановки из-за отсутствия блоков прогнозирования, структурно-параметрической адаптации, расчета таблиц соответствия, анализа сигналов зондирования и низкая пропускная способность канала связи из-за отсутствия блока коррекции таблиц соответствия по критерию вероятности ошибок при заданном отношении сигнал/шум, а также высокая сквозная задержка из-за отсутствия блока структурно параметрической адаптации для выбора сигнально-кодовой конструкции с минимальной задержкой на обработку и формирование сигналов.

Решением указанной технической проблемы является создание способа и устройства структурно-параметрической адаптации, обеспечивающих достижение следующего технического результата: повышение помехоустойчивости в условиях сложной сигнально-помеховой обстановки за счет прогнозирования изменения канала связи и повышение пропускной способности канала связи за счет коррекции таблиц соответствия по критерию вероятности ошибок при заданном отношении сигнал/шум, а также снижение сквозной задержки за счет выбора сигнально-кодовой конструкции с минимально возможной задержкой на формирование и обработку сигналов; повышение помехоустойчивости в условиях сложной сигнально-помеховой обстановки за счет введения блоков прогнозирования, структурно-параметрической адаптации, расчета таблиц соответствия, анализа сигналов зондирования и повышение пропускной способности канала за счет введения блоков коррекции таблиц соответствия по критерию вероятности ошибок при заданном отношении сигнал/шум, а также снижение сквозной задержки за счет введения блока структурно-параметрической адаптации для выбора СКК с минимальной задержкой на обработку и формирование сигналов.

Техническая проблема решается тем, что в способе структурно-параметрической адаптации выполняется следующая последовательность действий:

Способ структурно-параметрической адаптации, основанный на процедуре вхождения в связь, передаче сигналов трассового зондирования 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 регулируемых параметров радиолинии, обеспечивающих передачу сообщений с достаточным (или лучшим) качеством, передаче значений выбранных параметров своему корреспонденту, обмене информационными сообщениями в каждом из направлений радиолинии, применении в качестве сигналов трассового зондирования сигналов, позволяющих определить значения временного рассеяния, частотного рассеяния и отношения сигнал/шум в канале связи, значения скорости передачи информации, рабочей частоты, номера СКК, обеспечивающих максимальную пропускную способность, определении с использованием заранее подготовленных таблиц соответствия, в которых для каждой пары возможных значений частотного и временного рассеяния указывают минимальное отношение сигнал/шум на входе приемника, требуемое для достижения величины вероятности ошибки, меньшей или равной заранее заданной, проведении расчета таблиц соответствия с использованием имитационных моделей системы связи и канала связи путем многократного моделирования на полученной модели сеансов связи до получения статистически устойчивого результата, определении при этом для каждой пары возможных в канале значений частотного и временного рассеяния минимального значения сигнал/шум, при котором вероятность ошибки принимаемых сообщений не превышает заранее установленного значения вероятности ошибок, расчете таблиц соответствия для каждой скорости передачи информации, реализуемой в системе, проведении передачи сигналов трассового зондирования для определения оптимальных по критерию максимума пропускной способности значений оптимизируемых параметров радиолинии, анализе сигналов трассового зондирования на приеме, расчете по результатам их приема значения частотного и временного рассеяния, существующих в данный момент в канале, а также на определении отношения сигнал/шум, существующего в канале, отличающийся тем, что рассчитывают дополнительно таблицы соответствия для каждой возможной реализуемой СКК, рассчитывают для каждой СКК значение задержки на формирование и обработку сигналов, устанавливают начальное значение порога для вероятности уменьшения или увеличения значений отношения сигнал/шум, временного и частотного рассеяния, при котором будет осуществляться выбор и смена СКК, определяют начальное значение временного отрезка, достаточного для краткосрочного прогнозирования, записывают в память в процессе ведения связи все измеренные значения отношения сигнал/шум, временного и частотного рассеяния на отрезке времени, достаточном для краткосрочного прогнозирования, рассчитывают постоянно в режиме реального времени на отрезке времени, достаточном для краткосрочного прогнозирования статистические характеристики накопленных значений отношения сигнал/шум, временного и частотного рассеяния, на основе которых рассчитывают значение вероятности уменьшения или увеличения значений отношения сигнал/шум, временного и частотного рассеяния в канале связи, выбирают при превышении значения вероятности уменьшения или увеличения значений отношения сигнал/шум, временного и частотного рассеяния заданного значения порога, из таблиц соответствия ту СКК, которая обеспечивает при прогнозируемом значении отношения сигнал/шум, временного и частотного рассеяния требуемое значение вероятности ошибок, при этом выбирают СКК с наименьшим значением задержки на формирование и обработку сигналов, постоянно сравнивают спрогнозированные значения отношения сигнал/шум, временного и частотного рассеяния с рассчитанными по сигналам трассового зондирования, изменяют по результатам сравнения значение заданного порога вероятности уменьшения либо увеличения значений отношения сигнал/шум, временного и частотного рассеяния и значение временного отрезка, достаточного для краткосрочного прогнозирования, рассчитывают реальное значение вероятности ошибок, корректируют по результатам прогнозирования и измерения значений отношения сигнал/шум, частотного и временного рассеяния и вероятности ошибок таблицы соответствия по критерию вероятности ошибок при заданном отношении сигнал/шум.

Техническая проблема решается за счет того, что в устройство адаптивной радиосвязи, содержащее: последовательно соединенные первое радиоприемное устройство с антенной, модем и радиопередающее устройство с передающей антенной, а также ЭВМ, соединенную с устройствами ввода-вывода, причем управляющие и информационные входы-выходы первого радиоприемного устройства с антенной, модема и радиопередающего устройства с передающей антенной подключены к шине ЭВМ, последовательно соединенные второе радиоприемное устройство с антенной, сумматор, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и первый вычислитель, выполненный с возможностью сравнения сигнала, поступающего из формирователя сигнала контрольной комбинации, с сигналом, поступающим из АЦП, подсчитывания ошибок на каждой частоте и определения, при каком уровне сигнала с какой скоростью можно работать на данной частоте, а также последовательно соединенные формирователь сигнала контрольной комбинации, аттенюатор и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), выход которого подключен к другому входу сумматора, кроме того, управляющие входы второго радиоприемного устройства с антенной, формирователя сигнала контрольной комбинации и аттенюатора, а также информационный вход и выход первого вычислителя подключены к шине ЭВМ, а выход формирователя сигнала контрольной комбинации соединен с другим входом первого вычислителя, двухвходовое цифровое радиоприемное устройство, соединенное двухсторонними связями через второй вычислитель с цифроаналоговым преобразователем, выход которого через фильтр подключен ко второму информационному входу коммутатора, выход модема через коммутатор подключен к информационному входу радиопередающего устройства с передающей антенной, помеховые выходы второго вычислителя двухсторонними связями подключены к блоку оценки уровня помех, цифровой возбудитель подключен двухсторонними связями к двухвходовому цифровому радиоприемному устройству, второму вычислителю и шине ЭВМ, входы-выходы аналого-цифрового преобразователя, коммутатора, двухвходового цифрового радиоприемного устройства, второго вычислителя, второго цифроаналогового преобразователя двухсторонними связями подключены к шине ЭВМ, входы-выходы устройств ввода-вывода являются входами-выходами устройства, дополнительно введены блок расчета таблиц соответствия, вход и выход которого соединены двусторонними связями с шиной ЭВМ, блок структурно-параметрической адаптации, вход и выход которого соединены двусторонними связями с шиной ЭВМ, блок коррекции, вход и выход которого соединены двусторонними связями с шиной ЭВМ, блок прогнозирования, вход и выход которого соединены двусторонними связями с шиной ЭВМ, блок анализа сигналов зондирования, вход и выход которого соединены двусторонними связями с шиной ЭВМ, блок расчета вероятности ошибки, вход и выход которого соединены двусторонними связями с шиной ЭВМ.

Перечисленная новая совокупность существенных признаков обеспечивает повышение помехоустойчивости в условиях сложной сигнально-помеховой обстановки за счет прогнозирования изменения канала связи и повышение пропускной способности канала связи за счет коррекции таблиц соответствия по критерию вероятности ошибок при заданном отношении сигнал/шум, а также снижение сквозной задержки за счет выбора СКК с минимально возможной задержкой на формирование и обработку сигналов; повышение помехоустойчивости в условиях сложной сигнально-помеховой обстановки за счет введения блоков прогнозирования, структурно-параметрической адаптации, расчета таблиц соответствия, анализа сигналов зондирования и повышение пропускной способности канала связи за счет введения блоков коррекции таблиц соответствия по критерию вероятности ошибок при заданном отношении сигнал/шум, а также снижение сквозной задержки за счет введения блока структурно-параметрической адаптации для выбора СКК с минимальной задержкой на обработку и формирование сигналов.

Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа и устройства, его реализующего, условию патентоспособности «новизна».

Возможность реализации заявленного способа на современных вычислительных процессорах, например, с помощью программируемых логических интегральных схем (например, на основе ПЛИС Kintex UltraScale+ FPGA KCU116 производителя XILINK [Электронный ресурс] URL: https://www.xilinx.com) позволяют утверждать о его «промышленной применимости».

Заявленный способ и устройство, его реализующее поясняются фигурами, на которых показано:

фиг.1 – пример структуры канала коротковолновой связи;

фиг.2 – обобщенная структурная схема способа структурно-параметрической адаптации;

фиг.3 – пример долгосрочного прогнозирования КВ канала;

фиг.4 – результаты моделирования для способа-прототипа и предлагаемого способа;

фиг.5 – результаты моделирования устройства-прототипа и предлагаемого устройства;

фиг.6 – устройство структурно-параметрической адаптации.

Для реализации заявленного способа требуется два идентичных по составу устройства.

Возможность реализации заявленного способа поясняется следующим образом.

На фиг.1 представлена структура коротковолнового канала с источниками различных помех., где: 104 и 115 работающие друг с другом предлагаемые устройства, 101 – другая радиостанция, работающая в коротковолновом диапазоне, 111 – возможная радиостанция радиоэлектронного подавления, 113 – населенный пункт с источниками промышленных помех, 103 – направление распространения основного луча и его отражение 108 от ионосферы 105, копии основного луча 107 и 110, отразившиеся от другого слоя ионосферы и прибывающие с задержкой и доплеровским смещением частоты, 102, 106, 109, 112, 114 – приходящие на радиостанцию помехи.

На фиг.2 представлена обобщенная последовательность действий способа структурно-параметрической адаптации.

В блоке 201 перед сеансом связи рассчитывают таблицы соответствия для каждой возможной реализуемой сигнально-кодовой конструкции, а также рассчитывают для каждой СКК значение задержки на формирование и обработку сигналов. Данные таблицы и значения задержек можно получить с помощью имитационного моделирования, например, на основе модели Ваттерсона, рекомендуемую стандартом [MIL-STD U. S. 188-110С," // Military Standard-Interoperability and Performance Standards for Data Modems", US Dept of Defense. – 2012, стр. 221] и рекомендацией ITU-R [Recommendation ITU-R F.1487], а также на основе программы для ЭВМ [«Программа моделирования передачи речевого пакетного трафика в коротковолновом канале в условиях сложной сигнально-помеховой обстановки» свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2020619267, Маркелов Н.Н., Илюхин А.А., Харисов Р.Р., Викторов М.А.]. Модель Ваттерсона относительно легко реализуется программно в системе программирования MATLAB, в которой модель Ваттерсона реализована в виде отдельного программного модуля stdchan, реализующего 10 стандартных настроек параметров в соответствии с [Recommendation ITU-R F.1487] с возможностью ручного изменения.

В блоке 202 устанавливают начальное значение порога для вероятности уменьшения или увеличения значений отношения сигнал/шум, временного и частотного рассеяния, при котором будет осуществляться выбор и смена сигнально-кодовой конструкции, значение которого может быть получено, например, при использовании свободно распространяемого программного обеспечения долгосрочного планирования медианных значений характеристик КВ канала [High Frequency (HF) Planning software, U.S., Department of Commerce, National Telecommunications and Information Administration, Institute for Telecommunication Sciences (NTIA/ITS), 325 Broadway, Boulder, Colorado 80305] [Электронный ресурс] URL: https://www.its.bldrdoc.gov/resources/radio-propagation-software/high-frequency/windows-32-bit-hf-propagation-models.aspx], в котором можно, например, оценить изменение прогнозируемого среднего значения отношения сигнал/шум в течении суток на определенной частоте и определить вероятность его изменения в любое значение времени, соответственно оценить необходимое значение порога для вероятности уменьшения или увеличения значений отношения сигнал/шум, временного и частотного рассеяния, при котором будет осуществляться выбор и смена сигнально-кодовой конструкции.

В блоке 203 определяют начальное значение временного отрезка, достаточного для краткосрочного прогнозирования. Данное значение можно определить с помощью свободно распространяемого программного обеспечения долгосрочного планирования медианных значений характеристик КВ канала [High Frequency (HF) Planning software, U.S., Department of Commerce, National Telecommunications and Information Administration, Institute for Telecommunication Sciences (NTIA/ITS), 325 Broadway, Boulder, Colorado 80305] [Электронный ресурс] URL: https://www.its.bldrdoc.gov/resources/radio-propagation-software/high-frequency/windows-32-bit-hf-propagation-models.aspx].

Пример расчета прогнозируемого среднего значения отношения сигнал/шум с помощью указанного программного обеспечения указан на фиг.3. со следующими исходными данными: модель прогнозирования КВ канала REC533, дата – октябрь 2020 года, передатчик выбран в г. Краснодаре, приемник – в г. Челябинске, передающая и приемная антенна – вертикальный диполь.

В блоке 204 осуществляют вхождение в связь любым известным способом.

В блоке 205 передают сигналы трассового зондирования, например сигналы линейной частотной модуляции (ЛЧМ) [Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: учеб. Пособие для вузов. – 5-е изд., испр. и доп. – М.: Дрофа, 2006. – 719, [1] с. : ил. – ISBN 5-7107-7985-7, стр. 128].

В блоке 206 анализируют сигналы трассового зондирования на приеме, прошедших через канал, проводят оцифровку данных сигналов, определяют амплитудно-частотную, фазо-частотную и импульсную характеристику канала (АЧХ, ФЧХ и ИХ) [Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: учеб. Пособие для вузов. – 5-е изд., испр. и доп. – М.: Дрофа, 2006. – 719, [1] с. : ил. – ISBN 5-7107-7985-7, стр. 48, 216]. С использованием полученных характеристик находится функция рассеяния канала (ФРК). Метод определения ФРК при приеме последовательности ЛЧМ-сигналов, передаваемых в полосе информационного сигнала, представлен в работе [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]. Метод получения значений параметров частотного и временного рассеяния, а также отношения сигнал/шум по известной ФРК описан в работе [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.]. Также метод анализа ЛЧМ сигналов рассмотрены в способе многопараметрической адаптации (патент РФ № 2643237, H04B 7/22 (2006.01), опубл. 01.02.2018 г., Бюл. № 4).

В блоке 207 осуществляют расчет значений частотного и временного рассеяния, существующих на данный момент в канале, а также определяют значение отношения сигнал/шум, существующего на данный момент в канале. Методы расчета данных значений представлены в способе многопараметрической адаптации (патент РФ № 2643237, H04B 7/22 (2006.01), опубл. 01.02.2018 г., Бюл. № 4).

В блоке 208 записывают в память в процессе ведения связи все измеренные с помощью сигналов зондирования значения отношения сигнал/шум, временного и частотного рассеяния на отрезке времени, достаточном для краткосрочного прогнозирования.

В блоке 209 рассчитывают постоянно в режиме реального времени на отрезке времени, достаточном для краткосрочного прогнозирования статистические характеристики накопленных значений отношения сигнал/шум, временного и частотного рассеяния. Согласно [Венцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория случайных процессов и её инженерные приложения. – Учеб. пособие. – 5-е изд., стер. – М.: КНОРУС, 2016. – 448 с. – ISBN 978-5-406-00746-4, стр. 13] отношение сигнал/шум, временное и частотное рассеяние являются случайными процессами, для которых возможно идентифицировать модель распределения параметров случайных процессов [Прохоров С.А., Аппроксимативный анализ случайных процессов. – 2-е изд., перераб. и доп./Самар. гос. аэрокосм. ун-т, 2001. 380с., ил. – ISBN 5-93 424-048-X], и получить оценки статистических параметров [Кремер Н.Ш. Теория вероятностей и математическая статистика: учебник для студентов, обучающихся экономическим специальностям. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2010. – 551 с. – ISBN 978-5-238-01270-4, – стр. 286-327].

В блоке 210 рассчитывают значение вероятности уменьшения или увеличения значений отношения сигнал/шум, временного и частотного рассеяния в канале связи на основе рассчитанных в блоке 209 статистических характеристик.

В блоке 211 выбирают при превышении значения вероятности уменьшения или увеличения значений отношения сигнал/шум, временного и частотного рассеяния заданного значения порога, из таблиц соответствия ту сигнально-кодовую конструкцию, которая обеспечивает при прогнозируемом значении отношения сигнал/шум, временного и частотного рассеяния требуемое значение вероятности ошибок, при этом выбирают сигнально-кодовую конструкцию с наименьшим значением задержки на формирование и обработку сигналов.

В блоке 212 передают значения выбранных параметров своему корреспонденту.

В блоке 213 сравнивают постоянно прогнозируемые значения отношения сигнал/шум, временного и частотного рассеяния со значениями, рассчитанными по сигналам трассового зондирования.

В блоке 214 изменяют по результатам сравнения значение заданного порога вероятности уменьшения либо увеличения значений отношения сигнал/шум, временного и частотного рассеяния и значение временного отрезка, достаточного для краткосрочного прогнозирования.

В блоке 215 рассчитывают реальное значение вероятности ошибок. Данное действие легко реализовать с помощью внесения избыточности в передаваемые сообщения, а именно путем добавления проверочных последовательностей, например, можно реализовать с помощью способов, описанных в [Канаков В.А. Новые технологии измерения в цифровых каналах передачи информации. Учебно-методический материал по программе повышения квалификации «Современные системы мобильной цифровой связи, проблемы помехозащищенности и защиты информации». Нижний Новгород, 2006, 91 с. стр. 34].

В блоке 216 корректируют по результатам прогнозирования и измерения значений отношения сигнал/шум, частотного и временного рассеяния и вероятности ошибок на бит таблицы соответствия по критерию требуемого отношения сигнал/шум при заданной вероятности ошибок. Соответственно проверяют, какая вероятность ошибки обеспечивается выбранной сигнально-кодовой конструкцией в реальном канале связи, если рассчитанное значение вероятности ошибок не соответствует тому, которое должно обеспечиваться, то в таблицу соответствия для данной сигнально-кодовой конструкции вносят изменение, и далее учитывают обновленную таблицу соответствия при выборе сигнально-кодовой конструкции.

Эффективность нового способа структурно-параметрической адаптации подтверждается моделированием КВ канала с помощью пакета прикладных программ Matlab R2019а на основе модели Ваттерсона [MIL-STD U. S. 188-110С," // Military Standard-Interoperability and Performance Standards for Data Modems", US Dept of Defense. - 2012.] и программы для ЭВМ [«Программа моделирования передачи речевого пакетного трафика в коротковолновом канале в условиях сложной сигнально-помеховой обстановки» свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2020619267, Маркелов Н.Н., Илюхин А.А., Харисов Р.Р., Викторов М.А.] в различных условиях сигнально-помеховой обстановки с десятью структурами канала и с десятью наборами параметров в каждой структуре, что позволило установить 100 СКК. Моделирование проводилось в следующих условиях. Структурные элементы СКК, из которых составлялись упорядоченные структуры канала и у которых был изменяем набор параметров, использовались следующие: скремблеры, перемежители, помехоустойчивые коды, такие как сверточные коды, коды Рида-Соломона, коды Коды Боуза-Чоудхури-Хоквингема (БЧХ-коды), коды LDPC, турбокоды, адаптивные эквалайзеры, модуляторы и демодуляторы BPSK, QPSK, 8PSK, передатчик с мощностями передачи от 1 до 50 Ватт с шагом 1 Ватт. Скорости передачи были выбраны 1200 и 2400 бит/с. Таблицы соответствия для сигнально-кодовых конструкций были рассчитаны для значений вероятности ошибки 10^-2, 10^-3, 10^-4.

Объем статистики моделирования выбирался исходя из требований времени моделирования не менее чем на порядок превышающем время корреляции самого «медленного» процесса в системе - процесса медленных замираний неинтерференционной природы (максимальный интервал корреляции 3 мин). При этом гарантированно выполнялось условие, что количество ошибочно принятых бит не менее чем на порядок превышало величину обратную вероятности ошибок. Таким образом, объем статистики принятых бит составлял не менее 10⁷. Моделирование проводилось в течение 72 часов, как для предложенного способа, так и для способа-прототипа.

При моделировании постоянно изменялась сигнально-помеховая обстановка, периодически моделировалось воздействие помех от других радиостанций и моделировалось воздействие промышленных помех.

В результате моделирования было установлено, что в одинаковых условиях сигнально-помеховой обстановки предлагаемый способ позволил достичь BER, равный 0,00054, в то же время использование способа-прототипа позволило достичь BER, равный 0,0012, что обеспечило выигрыш от использования предложенного способа по BER в 2,22 раза по сравнению со способом-прототипом. Также было установлено, что за время моделирования способ-прототип обеспечил среднюю пропускную способность 1854 бит/с, в то же время предложенный способ позволил обеспечить среднюю пропускную способность больше на 377 бит/с, а именно – 2231 бит/с. Значение задержки формирования и обработки сигналов варьировалось во время моделирования от 200 мс до 2 с и среднее значение составило 605 мс для способа-прототипа, значение задержки на формирование и обработку сигналов для предложенного способа варьировалось от 150 мс до 1 с и среднее значение составило 312 мс, что обеспечило снижение среднего значения задержки на 293 мс. Результаты моделирования работы предложенного способа и способа-прототипа представлены на фиг.4.

На фиг.6 показано устройство структурно-параметрической адаптации процессов формирования и обработки сигналов в коротковолновом канале в условиях сложной сигнально-помеховой обстановки. Оно состоит из следующих элементов:

601 – первое радиоприемное устройство (РПрУ);

602 – модем;

603 – радиопередающее устройство (РПдУ);

604 – ЭВМ;

605 – устройства ввода-вывода;

606 – второе радиоприемное устройство;

607 – сумматор;

608 – аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

609 – первый вычислитель;

610 – формирователь сигнала контрольной комбинации;

611 – аттенюатор;

612 – первый цифроаналоговый преобразователь (ЦАП);

613 – приемная антенна;

614 – приемная антенна;

615 – шина ЭВМ;

616 – двухвходовое цифровое РПрУ;

617 – второй вычислитель;

618 – второй ЦАП;

619 – фильтр;

620 – помеховые выходы;

621 – блок оценки уровня помех;

622 – коммутатор;

623 – цифровой возбудитель;

624 – входы-выходы устройства для структурно-параметрической адаптации;

625 – блок анализа сигналов зондирования;

626 – блок расчета вероятности ошибок;

627 – блок коррекции таблиц соответствия;

628 – блок структурно-параметрической адаптации;

629 – блок расчета таблиц соответствия;

630 – блок прогнозирования.

Устройство, реализующее предложенный способ, работает следующим образом.

Через устройство 605 ввода-вывода в ЭВМ 604 заносят все необходимые для радиосвязи данные. Посредством ЭВМ 604 на основе введенных данных настраиваются все остальные блоки устройства через шину ЭВМ 615, кроме блоков 607, 621, 612, 619.

Перед сеансом связи с помощью блока расчета таблиц соответствия 629 осуществляют расчет таблиц соответствия, в которых для каждой пары возможных значений частотного и временного рассеяния указывают минимальное отношение сигнал/шум на входе приемника, требуемое для достижения величины вероятности ошибки, меньшей или равной заранее заданной, таблицы рассчитывают для каждой реализуемой СКК, для каждой реализуемой скорости передачи, а также рассчитывают для каждой СКК задержку на формирование и обработку сигналов. В данном блоке также происходит расчет начального значения порога для вероятности уменьшения или увеличения значений отношения сигнал/шум, временного и частотного рассеяния, при котором будет осуществляться выбор и смена сигнально-кодовой конструкции, а также начальное значение временного отрезка, достаточного для краткосрочного прогнозирования.

Рассчитанные таблицы соответствия, начальное значение порога для вероятности уменьшения или увеличения значений отношения сигнал/шум, временного и частотного рассеяния, при котором будет осуществляться выбор и смена сигнально-кодовой конструкции, а также начальное значение временного отрезка, достаточного для краткосрочного прогнозирования через шину ЭВМ 615 записывают в ЭВМ 604, в блок структурно-параметрической адаптации 628 и в блок коррекции таблиц соответствия 627.

Информационные и зондирующие радиосигналы принимаются двумя антеннами 613 и 614, обрабатываются двухвходовым цифровым радиоприемным устройством 616, в который могут входить, например, два преселектора и два АЦП, которые трансформируют принятые сигнально-помеховые смеси, например, по технологии «программируемое радио» – SDR, в поток данных для реализации алгоритма пространственно-временной обработки сигналов с помощью второго вычислителя 617, выполненным, например, на сигнальном процессоре типа TMS320C6678. Второй вычислитель 617 производит фильтрационное разделение сигналов и сдвиг квадратур на нулевую частоту каждого из них. Пары квадратур сигналов суммируют во втором вычислителе 617 таким образом, чтобы колебания полезного сигнала складывались, а помеховые колебания вычитались за счет формирование нулей диаграммы направленности в направлении углов прихода помеховых радиоволн с сохранением конечного коэффициента усиления диаграммы направленности в направлении прихода полезного сигнала, а именно, вычисляют весовые коэффициенты, с учетом которых складывают антенные колебания, по входным процессам (парциальным колебаниям) и реализуют заложенные в них пространственно-корреляционные различия сигнала и помех, вводят (при необходимости) временные задержки в каждую ветвь пространственного разнесения и осуществляют взвешенное суммирование с учетом амплитуды и фазы задержанных сигналов, после суммирования получают выходной сигнал, который далее демодулируется, декодируется и по шине 615 поступает в ЭВМ 604. В узле 617 сигналы дополнительно обрабатываются соответствующими демодуляторами, оснащенными, например, схемами тактовой синхронизации.

В ЭВМ 604 решаются задачи общего контроля всех блоков, общего управления устройством, задачи хранения всей информации о функционировании устройства.

В блок 625 анализа сигналов зондирования поступают сигналы с блока 617 через шину ЭВМ 615. В блоке 625 происходит анализ сигналов зондирования и определение значений частотного и временного рассеяний, а также отношения сигнал/шум, существующих в канале связи. После определенные значения частотного и временного рассеяний, а также отношения сигнал/шум поступают через шину ЭВМ 615 в блок 628 структурно-параметрической адаптации. Далее в блоке 628 выбирается необходимая для работы сигнально-кодовая конструкция из таблиц соответствия, обеспечивающая при полученных значениях временного и частотного рассеяния, отношения сигнал/шум заданную вероятность ошибки и минимальную задержку на формирование и обработку сигналов, подаются сигналы управления на установку необходимых параметров всех блоков согласно выбранной сигнально-кодовой конструкции по шине 615 в ЭВМ 604, от которой сигналы управления по шине 615 поступают во все блоки, кроме блоков 607, 621, 612, 619.

Из блока 625 все измеренные значения временного и частотного рассеяния, отношения сигнал/шум поступают в блок прогнозирования 630 через шину ЭВМ 615 и в блок коррекции 627. В блоке 630 осуществляется расчет в режиме реального времени на отрезке времени, достаточном для краткосрочного прогнозирования статистических характеристиках накопленных значений отношения сигнал/шум, временного и частотного рассеяния, на основе которых рассчитывают значение вероятности уменьшения или увеличения значений отношения сигнал/шум, временного и частотного рассеяния в канале связи. Значение вероятности уменьшения или увеличения значений отношения сигнал/шум, временного и частотного рассеяния в канале связи передаются в блок коррекции 627 по шине ЭВМ 615 и в блок структурно-параметрической адаптации 628 по шине ЭВМ 615, в блоке 628 принимается решение при превышении вероятности уменьшения или увеличения значений отношения сигнал/шум, временного и частотного рассеяния в канале связи заданного значения порога о выборе и смене СКК.

Блок 626 осуществляет расчет вероятности ошибок на основе поступающих данных с ЭВМ 604 по шине ЭВМ 615 и передает рассчитанное значение в блок 627 по шине ЭВМ 615. В блоке коррекции 627 происходит постоянное сравнение спрогнозированных значений отношения сигнал/шум, временного и частотного рассеяния с рассчитанными по сигналам трассового зондирования, изменение по результатам сравнения значения заданного порога вероятности уменьшения либо увеличения значений отношения сигнал/шум, временного и частотного рассеяния и значение временного отрезка, достаточного для краткосрочного прогнозирования, коррекция по результатам прогнозирования и измерения значений отношения сигнал/шум, частотного и временного рассеяния и вероятности ошибок выбранной таблицы соответствия по критерию вероятности ошибок при заданном отношении сигнал/шум. Если рассчитанное значение вероятности ошибок не соответствует тому, которое должно обеспечиваться, то в таблицу соответствия для данной сигнально-кодовой конструкции вносится изменение, далее обновленная таблица соответствия передается по шине ЭВМ 615 в блоки 604 и 628, где происходит перезапись таблицы соответствия. Скорректированные значения порога вероятности уменьшения либо увеличения значений отношения сигнал/шум, временного и частотного рассеяния и значение временного отрезка, достаточного для краткосрочного прогнозирования передают по шине ЭВМ 615 в ЭВМ 604, в блок структурно-параметрической адаптации 628 и в блок коррекции таблиц соответствия 627.

Установка известных всем абонентам СКК осуществляется с входа-выхода 624 через устройство 605 ввода-вывода, ЭВМ 604 и шину 615. Передаваемое сообщение через устройство 605 ввода-вывода поступает в ЭВМ 604, где сообщения разделяют на блоки (кадры). Каждый кадр, например, кодируется для исправления ошибок, в начале кадра формируются заголовочные сообщения, которые синхронизируют процедуры обмена информацией. Затем сообщения через шину 615 передаются в модем 602, где в соответствии с выбранной СКК осуществляют в цифровом виде операции скремблирования, кодирования, перемежения и модуляции. Затем цифровой сигнал через шину 615 передается в блок 617, далее преобразуется в узле 618 в аналоговую форму, фильтруется в узле 619 для уменьшения уровня боковых лепестков в спектре передаваемого радиосигнала и подается на второй информационный вход коммутатора 622, управляемого ЭВМ 604 по шине 615. На первый информационный вход коммутатора 622 подается информация о выбранной СКК с модема 602, данная информация поступает с блока 628 через шину ЭВМ 615. Коммутатор 622 по команде с ЭВМ 604 переключается для считывания информации с первого информационного входа в случае необходимости передачи корреспонденту информации о необходимости изменения СКК. С выхода коммутатора 622 через передающее устройство 603 и соответствующую антенну в пространство излучаются радиосигналы. Также с помощью блока 603 осуществляется передача зондирующих сигналов.

У корреспондента при приеме сигнала об изменении СКК посредством ЭВМ 604 настраивают все блоки в соответствии с принятой информацией.

У корреспондента также осуществляются все процедуры, описанные выше. Полученные значения отправляются в обратном сообщении в качестве служебной информации.

При отсутствии сведений об углах прихода помехи во втором вычислителе 617 осуществляется операция оценки весовых коэффициентов, с учетом которых складываются антенные колебания по входным процессам и реализация, заложенных в них пространственно-корреляционных различий сигнала и помех с помощью пространственно-временной обработки сигналов, которая включает в себя не только сложение сигналов с разных антенн, но и введение (при необходимости) линий задержки в каждую ветвь пространственного разнесения, построенных, например, на трансверсальных фильтрах, и дополнительного взвешенного суммирования задержанных сигналов.

Адаптивная работа устройства заключается в использовании совокупности радиосигналов двух приемных элементов (узлы 613 и 614), с помощью которых получается информация об зондирующих сигналах, и адаптивно работающего в реальном масштабе времени двухвходового цифрового радиоприемного устройства 616, первого 601 и второго 606 приемных устройств, второго вычислителя 617 с помеховыми выходами 620 и ЭВМ 604, осуществляющих автоматическую компенсацию нежелаемых сигналов (помех), адаптивную подстройку диаграммы направленности, для повышения эффективности приема полезного сигнала, выбор весовых коэффициентов в диаграммообразующей схеме, блока 625 анализа сигналов зондирования, блока 626 расчета вероятности ошибок, блока 626 расчета вероятности ошибок, блока 627 коррекции таблиц соответствия, блока 628 структурно-параметрической адаптации, блока 629 расчета таблиц соответствия, блока 630 прогнозирования. Выделение сигнала из смеси с помехой осуществляется за счет разного фазового сдвига колебаний сигнала и помехи в разнесенных антеннах или (и) перекоса в отношении амплитуд сигнала и помехи (проявление пространственного разноса их источников), и корреляционных свойств колебаний сигнала и помехи, принятых на разные антенны. Основной задачей узлов 616, 617, 604 является такая подстройка весовых коэффициентов, при которой реализуется выбранный критерий эффективности, например, критерии минимума среднеквадратичной ошибки. Оптимальные алгоритмы, реализуемые в узлах 617 и 604, обеспечивают не только компенсацию помехи, но и когерентное сложение сигнала с разнесенных антенн. Блок 628 осуществляет важную процедуру адаптации канала связи, подавая команды в ЭВМ 604 для изменения СКК.

Выходные сигналы узла 616 поступают во второй вычислитель 617, где они умножаются на комплексные весовые коэффициенты (с учетом амплитуды и фазы) и суммируются, образуя выходной цифровой сигнал.

Первое радиоприемное устройство 601 и второе 606 автоматически постоянно перестраиваются по всем частотам с заданным шагом для контроля состояния канала на других частотах.

На каждой частоте посредством узла 610 формируют сигнал контрольной комбинации, который поступает на аттенюатор 611 и первый вычислитель 609, при котором скорость передачи дискретно изменяют по заданным значениям от максимума до минимума. Аттенюатором 611 по командам с ЭВМ 604 дискретно изменяют уровень сигнала контрольной комбинации по заранее установленным значениям от максимума до минимума, преобразуют цифроаналоговым преобразователем 612 в аналоговую форму, складывают сумматором 607 с сигналом шумов на данной частоте, поступающим с выхода второго приемника 606, преобразуют аналого-цифровым преобразователем 608 в цифровую форму и подают в первый вычислитель 609. В вычислителе 609 сравнивают сигнал с исходной контрольной комбинации, поступающий на него из формирователя 610, с сигналом, искаженным шумами и помехами, поступающим на него с АЦП 608, и определяют, с какой максимальной скоростью и при каком минимальном уровне сигнала можно работать на данной частоте.

Полученные результаты выдают в ЭВМ 604, после этого процесс повторяют, и полученные данные постоянно обновляют.

По уровню и характеристикам помех с помощью блока 621 можно судить о наличии постановщиков помех, их количестве и обеспечить пеленгацию источников излучения, что позволяет ориентироваться в сложной сигнально-помеховой обстановке.

С помощью введенных дополнительных блоков 625-630 реализуется в данном устройстве способ структурно-параметрической адаптации, позволяющий повысить помехоустойчивость и пропускную способность, а также снизить задержку формирования и обработки сигналов.

Эффективность нового устройства структурно-параметрической адаптации подтверждается моделированием КВ канала с помощью пакета прикладных программ Matlab R2019а на основе модели Ваттерсона [MIL-STD U. S. 188-110С," // Military Standard-Interoperability and Performance Standards for Data Modems", US Dept of Defense. - 2012.], программы для ЭВМ [Программа моделирования передачи речевого пакетного трафика в коротковолновом канале в условиях сложной сигнально-помеховой обстановки, Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2020619267 от 14.08.2020 г.] и с помощью подключенного к Matlab R2019a через интерфейс Ethernet SDR приемопередатчика USRP-2955 компании National Instruments на базе ПЛИС Kintex-7 410T в различных условиях сигнально-помеховой обстановки с десятью структурами канала и с десятью наборами параметров в каждой структуре, что позволило установить 100 СКК. Моделирование проводилось в следующих условиях. Структурные элементы СКК, из которых составлялись упорядоченные структуры канала и у которых был изменяем набор параметров, использовались следующие: скремблеры, перемежители, помехоустойчивые коды, такие как сверточные коды, коды Рида-Соломона, коды Коды Боуза-Чоудхури-Хоквингема (БЧХ-коды), коды LDPC, турбокоды, адаптивные эквалайзеры, модуляторы и демодуляторы BPSK, QPSK, 8PSK, передатчик с мощностями передачи от -12 дБмВт до 20 дБмВт с шагом 1 дБмВт. Скорости передачи были выбраны 1200 и 2400 бит/с. Таблицы соответствия для сигнально-кодовых конструкций были рассчитаны для значений вероятности ошибки 10^-2, 10^-3, 10^-4.

Объем статистики моделирования выбирался исходя из требований времени моделирования не менее чем на порядок превышающем время корреляции самого «медленного» процесса в системе - процесса медленных замираний неинтерференционной природы (максимальный интервал корреляции 3 мин). При этом гарантированно выполнялось условие, что количество ошибочно принятых бит не менее чем на порядок превышало величину обратную вероятности ошибок. Таким образом, объем статистики принятых бит составлял не менее 10⁷. Моделирование проводилось в течение 72 часов, как для предложенного устройства, так и для устройства-прототипа.

При моделировании постоянно изменялась сигнально-помеховая обстановка, периодически моделировалось воздействие помех от других радиостанций и моделировалось воздействие промышленных помех.

В результате моделирования было установлено, что в одинаковых условиях сигнально-помеховой обстановки предлагаемое устройство позволило достичь BER, равный 0,00045, в то же время использование устройства-прототипа позволило достичь BER, равный 0,0011, что обеспечило выигрыш от использования предложенного устройства по BER в 2,44 раза по сравнению с устройством-прототипом. Также было установлено, что за время моделирования устройство-прототип обеспечило среднюю пропускную способность 1810 бит/с, в то же время предложенное устройство позволило обеспечить среднюю пропускную способность на 363 бит/с больше, а именно 2173 бит/с. Значение задержки формирования и обработки сигналов варьировалось во время моделирования от 200 мс до 2,2 с и среднее значение составило 722 мс для устройства-прототипа, значение задержки на формирование и обработку сигналов для предложенного устройства варьировалось от 200 мс до 1,1 с и среднее значение составило 304 мс, что обеспечило снижение среднего значения задержки на 418 мс. Результаты моделирования работы предложенного устройства и устройства-прототипа представлены на фиг. 5.

Claims (2)

1. Способ структурно-параметрической адаптации, основанный на процедуре вхождения в связь, передаче сигналов трассового зондирования 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 регулируемых параметров радиолинии, обеспечивающих передачу сообщений с достаточным качеством, передаче значений выбранных параметров своему корреспонденту, обмене информационными сообщениями в каждом из направлений радиолинии, применении в качестве сигналов трассового зондирования сигналов, позволяющих определить значения временного рассеяния, частотного рассеяния и отношения сигнал/шум в канале связи, значения скорости передачи информации, рабочей частоты, номера сигнально-кодовой конструкции (СКК), обеспечивающих максимальную пропускную способность, определении с использованием заранее подготовленных таблиц соответствия, в которых для каждой пары возможных значений частотного и временного рассеяния указывают минимальное отношение сигнал/шум на входе приемника, требуемое для достижения величины вероятности ошибки, меньшей или равной заранее заданной, проведении расчета таблиц соответствия с использованием имитационных моделей системы связи и канала связи путем многократного моделирования на полученной модели сеансов связи до получения статистически устойчивого результата, определении при этом для каждой пары возможных в канале значений частотного и временного рассеяния минимального значения сигнал/шум, при котором вероятность ошибки принимаемых сообщений не превышает заранее установленного значения вероятности ошибок, расчете таблиц соответствия для каждой скорости передачи информации, реализуемой в системе, проведении передачи сигналов трассового зондирования для определения оптимальных по критерию максимума пропускной способности значений оптимизируемых параметров радиолинии, анализе сигналов трассового зондирования на приеме, расчете по результатам их приема значения частотного и временного рассеяния, существующих в данный момент в канале, а также на определении отношения сигнал/шум, существующего в канале, отличающийся тем, что рассчитывают дополнительно таблицы соответствия для каждой возможной реализуемой СКК, рассчитывают для каждой СКК значение задержки на формирование и обработку сигналов, устанавливают начальное значение порога для вероятности уменьшения или увеличения значений отношения сигнал/шум, временного и частотного рассеяния, при котором будет осуществляться выбор и смена СКК, определяют начальное значение временного отрезка, достаточного для краткосрочного прогнозирования, записывают в память в процессе ведения связи все измеренные значения отношения сигнал/шум, временного и частотного рассеяния на отрезке времени, достаточном для краткосрочного прогнозирования, рассчитывают постоянно в режиме реального времени на отрезке времени, достаточном для краткосрочного прогнозирования статистические характеристики накопленных значений отношения сигнал/шум, временного и частотного рассеяния, на основе которых рассчитывают значение вероятности уменьшения или увеличения значений отношения сигнал/шум, временного и частотного рассеяния в канале связи, выбирают при превышении значения вероятности уменьшения или увеличения значений отношения сигнал/шум, временного и частотного рассеяния заданного значения порога, из таблиц соответствия ту СКК, которая обеспечивает при прогнозируемом значении отношения сигнал/шум, временного и частотного рассеяния требуемое значение вероятности ошибок, при этом выбирают СКК с наименьшим значением задержки на формирование и обработку сигналов, постоянно сравнивают спрогнозированные значения отношения сигнал/шум, временного и частотного рассеяния с рассчитанными по сигналам трассового зондирования, изменяют по результатам сравнения значение заданного порога вероятности уменьшения либо увеличения значений отношения сигнал/шум, временного и частотного рассеяния и значение временного отрезка, достаточного для краткосрочного прогнозирования, рассчитывают реальное значение вероятности ошибок, корректируют по результатам прогнозирования и измерения значений отношения сигнал/шум, частотного и временного рассеяния и вероятности ошибок таблицы соответствия по критерию вероятности ошибок при заданном отношении сигнал/шум.

2. Устройство структурно-параметрической адаптации, содержащее последовательно соединенные первое радиоприемное устройство с антенной, модем и радиопередающее устройство с передающей антенной, а также электронно-вычислительную машину (ЭВМ), соединенную с устройствами ввода-вывода, причем управляющие и информационные входы-выходы первого радиоприемного устройства с антенной, модема и радиопередающего устройства с передающей антенной подключены к шине ЭВМ, последовательно соединенные второе радиоприемное устройство с антенной, сумматор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и первый вычислитель, выполненный с возможностью сравнения сигнала, поступающего из формирователя сигнала контрольной комбинации, с сигналом, поступающим из АЦП, подсчитывания ошибок на каждой частоте и определения, при каком уровне сигнала с какой скоростью можно работать на данной частоте, а также последовательно соединенные формирователь сигнала контрольной комбинации, аттенюатор и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), выход которого подключен к другому входу сумматора, кроме того, управляющие входы второго радиоприемного устройства с антенной, формирователя сигнала контрольной комбинации и аттенюатора, а также информационный вход и выход первого вычислителя подключены к шине ЭВМ, а выход формирователя сигнала контрольной комбинации соединен с другим входом первого вычислителя, двухвходовое цифровое радиоприемное устройство, соединенное двухсторонними связями через второй вычислитель с цифроаналоговым преобразователем, выход которого через фильтр подключен ко второму информационному входу коммутатора, выход модема через коммутатор подключен к информационному входу радиопередающего устройства с передающей антенной, помеховые выходы второго вычислителя двухсторонними связями подключены к блоку оценки уровня помех, цифровой возбудитель подключен двухсторонними связями к двухвходовому цифровому радиоприемному устройству, второму вычислителю и шине ЭВМ, входы-выходы аналого-цифрового преобразователя, коммутатора, двухвходового цифрового радиоприемного устройства, второго вычислителя, второго цифроаналогового преобразователя двухсторонними связями подключены к шине ЭВМ, входы-выходы устройств ввода-вывода являются входами-выходами устройства, отличающееся тем, что дополнительно введены блок расчета таблиц соответствия, вход и выход которого соединены двусторонними связями с шиной ЭВМ, блок структурно-параметрической адаптации, вход и выход которого соединены двусторонними связями с шиной ЭВМ, блок коррекции, вход и выход которого соединены двусторонними связями с шиной ЭВМ, блок прогнозирования, вход и выход которого соединены двусторонними связями с шиной ЭВМ, блок анализа сигналов зондирования, вход и выход которого соединены двусторонними связями с шиной ЭВМ, блок расчета вероятности ошибки, вход и выход которого соединены двусторонними связями с шиной ЭВМ.

Images