RU2809982C1 - Способ организации радиосвязи с пространственной адаптацией - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области радиосвязи и может использоваться при построении адаптивных радиолиний коротковолновой (КВ) и ультракоротковолновой (УКВ) радиосвязи. Техническим результатом изобретения является уменьшение временных затрат на определение требуемых параметров адаптации при неудовлетворительном качестве канала связи за счет управления диаграммой направленности антенны передающего и приемного устройства, что дополнительно обеспечивает энергетический выигрыш, повышение скорости передачи информации и ее достоверности, а также снижение мощности излучения радиопередающих устройств и времени простоя канала связи. Способ организации связи с пространственной адаптацией заключается в том, что с передающей стороны отправляют дискретную информацию, а на приемной стороне по принятой дискретной информации принимают решение о многопараметрическом адаптивном управлении процессом связи и посредством передатчика обратного канала передают в приемник обратного канала сигнал управления процессом связи, измеряют параметры сигнально-помеховой обстановки, выбирают параметр адаптации по скорости передачи, мощности излучения и рабочей частоте, дополнительно в качестве исходных данных используют множество состояний диаграмм направленности передающих и приемных антенн. 3 ил.

Description

Изобретение относится к области радиосвязи и может использоваться при построении адаптивных радиолиний коротковолновой (КВ) и ультракоротковолновой (УКВ) радиосвязи.

Известен способ адаптации системы КВ радиосвязи с OFDM-сигналами, описанный в патенте №2639657, МПК H04L 5/00 (2006.01), H04L 27/26 (2006.01), 21.12.2017. Способ заключается в том, что в число оптимизируемых параметров при осуществлении процесса адаптации системы радиосвязи дополнительно вводят параметр - величина разнесения по частоте соседних поднесущих OFDM-сигнала, при этом оценку состояния канала связи проводят по величинам частотного рассеяния, временного рассеяния и отношению сигнал/шум, измеряемым в процессе приема сигналов трассового зондирования.

Недостатком данного способа является низкая оперативность установления связи из-за сложности процесса адаптации, связанного с расчетом таблиц соответствия и отсутствия мониторинга состояния канала связи в процессе ведения связи, что приводит к повышению времени простоя линии связи.

Известен способ повышения помехоустойчивости и пропускной способности адаптивной системы КВ радиосвязи, реализованный в патенте №2713507, МПК H04L 5/00 (2006.01), H04L 27/26 (2006.01), 05.02.2020. Способ основан на поэтапной адаптации радиоканала ведомой и ведущей станций, выполнении процедуры трассового зондирования, тестировании помеховой обстановки, нахождении значений оптимизируемых параметров системы радиосвязи, передачи значений выбранных параметров на ведущую станцию, перестройки приемного и передающего трактов на новые оптимизированные параметры.

Недостатком данного способа является отсутствие измерения помеховой обстановки в точке приема и определения направления на источник помех и угол прихода помехи с последующим изменением диаграммы направленности передающих и приемных антенн при ухудшении качества канала связи.

Известен способ, описанный в патенте SU №1585902, МПК Н04В 7/22, 1990 г., согласно которому с целью повышения достоверности приема информации в системах радиосвязи КВ и УКВ диапазонов по результатам оценки качества приема и в зависимости от помеховой обстановки в канале связи перестраивают следующие параметры: несущую частоту радиостанции, мощность излучения, скорость передачи информационных символов, а также вид модуляции и способ кодирования.

Недостатком данного способа является неизменяемость алгоритма выбора параметров адаптации в условиях сложной сигнально-помеховой обстановке и необходимость перебора параметров адаптации, что приводит к значительному снижению пропускной способности канала и значительному увеличению простоя канала связи.

Прототипом является способ, реализованный в патенте РФ №2323526 «Способ связи с многопараметрической адаптацией», МПК Н04В 7/22, 27.04.2008. Способ заключается в том, что с передающей стороны передают дискретную информацию, а на приемной стороне по принятой дискретной информации принимают решение о многопараметрическом адаптивном управлении процессом связи и посредством передатчика обратного канала передают на приемник сигнал управления процессом связи, дополнительно для реализации алгоритма многопараметрической адаптации определяют параметры сигнально-помеховой обстановки, рассчитывают вероятностные ожидаемые функции полезности при принятии решений на адаптацию по одному из параметров от каждого решения в конкретных условиях связи и средние временные затраты на смену параметра, выбирают интервал Т_о вероятности работы радиолинии без нарушений связи при различных параметрах с учетом интервала квазистационарности, в конце текущего временного интервала квазистационарности на основе рассчитанных функций полезности выбирают параметр адаптации по критерию Гурвица, обеспечивающего максимизацию функции полезности на данном интервале квазистационарности канала радиосвязи, при этом последовательность смены параметра адаптации выбирают с учетом рассчитанных вероятностных функций полезности всех решений по управлению радиолинией и требований по достоверности приема информации.

Данный способ потенциально позволяет повысить максимальную относительную пропускную способность канала связи со случайными параметрами.

Недостатком способа-прототипа являются временные затраты на определение оптимальных рабочих параметров и регулировку параметров приемной аппаратуры, при наличии быстрых и медленных замираний в канале связи, в определенном интервале квазистационарности, что приводит к увеличению времени простоя линии связи.

Техническим результатом, достигаемым при использовании заявленного изобретения, является уменьшение временных затрат на определение требуемых параметров адаптации при неудовлетворительном качестве канала связи за счет управления диаграммой направленности антенны передающего и приемного устройства, что дополнительно обеспечивает энергетический выигрыш, повышение скорости передачи информации и ее достоверности, а также снижение мощности излучения радиопередающих устройств и времени простоя канала связи.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе: «Способ связи с многопараметрической адаптацией», заключающемся в том, что с передающей стороны отправляют дискретною информацию, а на приемной стороне по принятой дискретной информации принимают решение о многопараметрическом адаптивном управлении процессом связи и посредством передатчика обратного канала передают в приемник обратного канала сигнал управления процессом связи, измеряют параметры сигнально-помеховой обстановки, выбирают параметр адаптации по скорости передачи, мощности излучения и рабочей частоте, отличающийся тем, что дополнительно в качестве исходных данных используют множество состояний диаграмм направленности передающих и приемных антенн - {Q}, множество заданных частот для связи - {F}, множество заданных скоростей передачи информации - {В}, множество градаций величин мощности - {Р}, минимально допустимое отношение сигнал/помеха в канале связи - Z_доп, допустимое значение вероятности ошибки в канале связи - Р_{ош тр}, время исправной работы канала связи - t_ир. Определяют на заданном множестве частот {F} направление и угол места прихода помехи для каждого корреспондента. После чего выбирают из множества {Q} значение, соответствующее провалу в диаграмме направленности приемной антенны в направлении и по углу места прихода помехи и изменяют диаграмму направленности приемных антенн в соответствии с выбранными значениями из множества {Q}. Далее измеряют на заданном множестве {F} уровень помех и вычисляют по измеренным данным отношение сигнал/помеха и вероятность ошибки при заданных значениях из множеств {В} и {Р} для фиксированных частот из множества {F}. За тем запоминают полученные данные по рассчитанным значениям отношения сигнал/помеха и вероятности ошибки в канале связи для фиксированных частот из множества {F} и составляют вариационные ряды отношения сигнал/помеха и вероятности ошибки для каждого корреспондента. Если Р_ош не превышает заданного допустимого значения, то повторяют действия от измерения параметров помеховой обстановки до составления вариационных рядов отношения сигнал/помеха и вероятности ошибки по значениям из множеств {В}, {Р} и {F}, иначе выбирают параметры адаптации из составленных вариационных рядов с учетом следующих условий: Z_k>Z_доп, Р_{ош i}<Р_{ош тр}. Далее настраивают параметры радиопередающих и радиоприемных устройств корреспондентов в соответствии с выбранными параметрами адаптации и осуществляют обмен информацией в канале связи с постоянным контролем состояния канала радиосвязи. Если обмен информацией закончен, то осуществляют статистическую обработку данных за сеанс связи, иначе вычисляют вероятность ошибки в канале связи. Если значение вероятности ошибки не превышает требуемого значения, то продолжают обмен информацией, иначе повторно выбирают параметры адаптации из составленных вариационных рядов.

Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном способе за счет управления диаграммой направленности антенн передающего и приемного устройства, снижаются временные затраты на определение требуемых параметров адаптации при плохом качестве канала связи, обеспечивается энергетический выигрыш, повышение скорости передачи информации, снижается мощность излучения радиопередающих устройств и время простоя канала связи, тем самым достигается сформулированный технический результат.

Заявленные технические решения поясняются чертежами, на которых показаны:

фиг. 1 - блок-схема способа организации связи с пространственной адаптацией;

фиг. 3 - вариант тестового сигнала от корреспондента для определения данных о помеховой обстановке в точке приема;

фиг. 2 - вариант реализации предлагаемого способа.

Реализация заявленного способа поясняется последовательностью действий (см. фиг. 1) и объясняется следующим образом. Перед началом работы предварительно задают исходные данные:

{Q} - множество состояний диаграмм направленности передающих и приемных антенн;

{F} - множество заданных частот для связи, выделенных для работы радиосредств;

{В} - множество заданных скоростей передачи информации;

{Р} - множество градаций величин мощности;

Z_доп - минимально допустимое отношение сигнал/помеха в канале связи;

Р_{ош тр} - требуемое значение вероятности ошибки в канале связи;

t_ир - время исправной работы канала связи.

Р_{ош тр} и t_ир необходимы для оценки качества канала и достоверности связи.

После задания исходных данных, с помощью пеленгационной антенны и пеленгационного приемника определяют направление и угол места прихода помехи для заданного множества частот в точке приема каждого корреспондента.

В соответствии с определенными параметрами выбирают из всего множества состояний диаграмм направленности {Q} то значение, которое позволяет сформировать провал в диаграмме направленности по направлению и углу места прихода помехи и изменяют диаграмму направленности приемной антенны в соответствии с выбранным значением из множества {Q}. Использование этих данных позволяет сформировать в точке приема нули диаграмм направленности приемных антенн в отношении наиболее мощных источников помех. Эти действия осуществляют для каждого корреспондента.

Далее, с помощью измерительных антенн КВ и УКВ диапазонов измеряют уровень помех на заданных частотах. По измеренным уровням помех на заданном множестве {F} вычисляют соотношение сигнал/помеха Z в точке приема для заданных значений из множеств {В} и {Р}, используя уравнение радиосвязи [Комарович В.Ф., Сосунов В.Н. Случайные радиопомехи и надежность КВ связи. М.: Связь, 1977. 136 с.], и значение вероятности ошибки Р_ош одним из следующих способов:

1. Р_ош в каналах с замираниями и аддитивной помехой в виде нормального шума при некогерентном приеме, характерных для КВ-диапазона, использую известные формулы расчета [Комарович В.Ф., Сосунов В.Н. Случайные радиопомехи и надежность КВ связи. М.: Связь, 1977. 136 с.] необходимо вычислять из условий приема:

- в случае рэлеевских замираний при одинарном приеме элемента ортогональных в усиленном смысле двоичных сигналов с активной паузой;

- в случае квазирэлеевских замираний в канале;

- при сдвоенном приеме и квадратичном сложении на разнесенные антенны ортогональных в усиленном смысле двоичных сигналов ЧТ в канале с рэлеевскими замираниями;

- при некогерентном приеме элемента ортогональных в усиленном смысле двоичных сигналов ДЧТ в условиях рэлеевских замираний.

- при нормальной стационарной помехе

2. Путем обмена тестовыми сигналами между корреспондентами и их последующим анализом. Для определения помеховой обстановки в точке приема корреспондент с установленной периодичностью передает в канал связи на всех заданных частотах из множества {F} тестовые сигналы с установленными уровнями передачи (значения из множества {Р}) и видами модуляции. Например, как представлено на фиг. 2, тестовый сигнал состоит из последовательного чередования логических «1» и «0», излучается на двух уровнях и с использованием таких видов модуляции, как частотная манипуляция (ЧМ) и фазовая манипуляция (ФМ). В точке приема принимают данный тестовый сигнал и осуществляют его анализ для каждой частоты из заданного множества, а именно: рассчитывают отношение мощности сигнала к мощности помех в децибелах - Z, величину вероятности ошибочного приема элемента сигнала Р_ош.

По полученным значениям Z и Р_ош составляется вариационный ряд вида:

Z₁≤Z₂≤Z₃≤…≤Z_i, где самый левый член вариационного ряда соответствует максимальному значению отношения мощности сигнала к мощности помехи на соответствующей частоте из множества {F}, а правый член ряда - частоте с минимальной величиной Z.

Р_ош1≤Р_ош2≤Р_ош3≤…≤Р_ошi, где самый левый член вариационного ряда соответствует минимальной Р_ош на соответствующей частоте из множества {F}, а правый член ряда - частоте с максимальной величиной Р_ош.

Количество вариационных рядов для соответствующих значений будет определяться количеством значений из множеств {Р} и {В} и они будут изменяться вместе с изменением помеховой обстановки в точке приема и будут храниться в запоминающем устройстве.

Далее из полученных вариационных рядов выбирают значения частоты, мощности и скорости передачи с учетом следующих условий: Z_i>Z_доп, Р_{ош i}<Р_{ош тр} и в соответствии с этими параметрами настраивают радиоприемное устройство, а параметры радиопередающего устройства настраивают в соответствии с данными, полученными от корреспондента по обратному каналу об оптимальных для него параметрах в точке приема, после чего приступают к обмену информацией.

В процессе обмена информацией осуществляется постоянный контроль с помощью встроенных средств измерения за значением Р_ош в канале связи. Если Р_ош не превышает заданного допустимого значения, то продолжают обмен информацией. Если же Р_ош превышает заданное допустимое значение (или же начинает приближаться к пороговому значению), то происходит обращение к запоминающему устройству, где уже рассчитаны значения Z и Р_ош, находящиеся в вариационных рядах, для текущего временного интервала, на основе которых осуществляют изменение параметров радиоприемного устройства в соответствии с текущими данными о помеховой обстановке, а именно: изменяют частоту, мощность, скорость передачи информации. Далее передают эти данные по обратному каналу корреспонденту для изменения параметров радиопередающего устройства. По окончании передачи сообщения (окончании сеанса связи) осуществляют статистическую обработку данных за сеанс связи (рассчитывают t_ир и среднюю Р_ош).

Способ организации связи с пространственной адаптацией может быть реализован согласно схеме, представленной на фиг. 3, с использованием существующей элементной базы.

Измерение помеховой обстановки в точке приема можно осуществить с помощью измерительных пассивных антенн КВ и УКВ диапазонов (1), которые через антенный коммутатор (2) подключены к многоканальному цифровому радиоприемному устройству (3), описанных на сайте http://niphrit.com [материалы сайта http://niphrit.com дата обращения на сайт 25.10.2022 г.].

Пеленгационная антенна (4), подключенная к блоку цифровой обработки сигнала и пеленгования (5), который в свою очередь подключен к многоканальному цифровому радиоприемному устройству (3) и ПЭВМ (6), на которую он посылается данные о пеленге, позволяют определить направление на источник помех и угол прихода помехи. Данный комплекс позволит установить необходимые характеристики для управления диаграммами направленности передающих антенн радиопередающего устройства (7) и приемных антенн радиоприемного устройства (8). Блок цифровой обработки сигнала и пеленгования (3) может быть выполнен в виде цифрового сканирующего пеленгатора R&S DDF 06А, а пеленгационная антенна в виде широкоапертурной пеленгаторной антенной R&S ADD011 [материалы сайта http://www.bnti.ru дата обращения на сайт 25.10.2022 г.].

Анализ помеховой обстановки в точке приема можно руализуется с помощью многоканального цифрового радиоприемного устройства (3). Для измерения помеховой обстановки с ПЭВМ (6) на многоканальное цифровое радиоприемное устройство (3) поступают данные об используемых для связи частотах, обратно на ПЭВМ (6) поступают результаты измерения помеховой обстановки. Многоканальное цифровое радиоприемное устройство (3) может быть выполнено на основе приемников R&S DDF 0хА [материалы сайта http://www.bnti.ru дата обращения на сайт 25.10.2022 г.].

На ПЭВМ (6) в запоминающем устройстве хранятся данные о заданных частот для связи - множество {F}, состояниях диаграмм направленности передающих и приемных антенн - множество {Q}, заданных скоростях передачи информации - множество {В} и градациях величин мощности - множество {Р}, а также допустимое значение отношения сигнал/помеха в канале связи - Z_доп и требуемое значение вероятности ошибки в канале связи - Р_{ош тр}. Для вычисления значений отношения сигнал/помеха и вероятности ошибки на ПЭВМ (6) устанавливается пакет прикладных программ, например, «Mathcad». На основе рассчитанных значений составляются вариационные ряды для этих параметров, которые впоследствии хранятся в запоминающем устройстве ПЭВМ (6). Настройка параметров радиоприемных (7) и радиопередающих (8) устройств, а именно рабочая частота, мощность излучения, скорость передачи, диаграмма направленности передающей и приемной антенны, осуществляется с ПЭВМ (6) путем передачи команд управления на изменение соответствующего параметра. Контроль вероятности ошибки в процессе ведения информационного обмена (сеанса связи) можно осуществлять с помощью встроенных средств контроля, позволяющих измерять вероятность ошибки в канале связи.

Достижение технического результата поясняется следующим образом. Рассмотрены два возможных случая работы радиолинии:

1. На определенном интервале квазистационарности не возникло преднамеренных и непреднамеренных помех в канале связи.

2. Наличие преднамеренных и непреднамеренных помех во время сеанса связи на установленном интервале квазистационарности.

Для первого случая, когда по определенным параметрам помеховой обстановки выбраны соответствующие параметры адаптации, использование предлагаемого способа позволяет получить дополнительный энергетический выигрыш за счет дополнительных возможностей по управлению диаграммой направленности антенн передающего и приемного устройства (возможность сформировать специальную диаграмму направленности, учитывающую направление на корреспондента), что в свою очередь, позволяет повысить скорость передачи информации и снизить мощность излучения радиопередающих устройств.

Во втором случае, помимо энергетического выигрыша, предлагаемый способ позволяет снизить время простоя канала связи, и, следовательно, повысить достоверность передачи информации. Это объясняется тем, что при возникновении преднамеренных или непреднамеренных помех в канале связи во время интервала квазистационарности, согласно способу-прототипу, до окончания интервала квазистационарности никаких действий по изменению параметров предприниматься не будет, и обмен информацией между корреспондентами будет осуществляться с установленными в конце прошлого интервала квазистационарности параметрами. Соответственно, до конца интервала квазистационарности канал связи будет находиться в состоянии простоя или будет осуществляться обмен информацией с высокой вероятностью ошибок, что приведет к увеличению простоя канала связи и снижению достоверности передаваемой информации. В предлагаемом способе при ухудшении качества канала связи на любом участке интервала квазистационарности (превышение вероятности ошибки над заданным порогом) произойдет адаптация путем выбора параметров из вариационных рядов отношения сигнал/помеха и вероятности ошибки. Время простоя канала связи в данном случае будет определяться только длительностью команд управления на изменение параметров, временем перестройки и синхронизации для конкретного типа аппаратуры и будет значительно меньше интервала квазистационарности канала связи, это и показывает достижение сформулированного технического результата при реализации заявленного способа, то есть за счет использования дополнительного управления диаграммой направленности антенн передающего и приемного устройства (путем сформирования специальной диаграммы направленности, учитывающей направление прихода преднамеренных и непреднамеренных помех), снижается мощность излучения радиопередающих устройств и время простоя канала связи, повышается скорость передачи информации и ее достоверность, а также обеспечивается дополнительный энергетический выигрыш при ухудшении качества канала связи.

Claims (1)

1. Способ организации связи с пространственной адаптацией, заключающийся в том, что с передающей стороны отправляют дискретную информацию, а на приемной стороне по принятой дискретной информации принимают решение о многопараметрическом адаптивном управлении процессом связи и посредством передатчика обратного канала передают в приемник обратного канала сигнал управления процессом связи, измеряют параметры сигнально-помеховой обстановки, выбирают параметр адаптации по скорости передачи, мощности излучения и рабочей частоты, отличающийся тем, что дополнительно в качестве исходных данных используют множество состояний диаграмм направленности передающих и приемных антенн - {Q}, множество заданных частот для связи - {F}, множество заданных скоростей передачи информации - {В}, множество градаций величин мощности - {Р}, минимально допустимое отношение сигнал/помеха в канале связи - Z_доп, требуемое значение вероятности ошибки в канале связи - Р_{ош тр}, время исправной работы канала связи - t_ир, определяют на заданном множестве частот {F} направление и угол места прихода помехи для каждого корреспондента, выбирают из множества {Q} значение, соответствующее провалу в диаграмме направленности приемной антенны в направлении и по углу места прихода помехи, изменяют диаграмму направленности приемных антенн в соответствии с выбранными значениями из множества {Q}, измеряют на заданном множестве {F} уровень помех, вычисляют по измеренным данным отношение сигнал/помеха и вероятность ошибки при заданных значениях из множеств {В} и {Р} для фиксированных частот из множества {F}, запоминают полученные данные по рассчитанным значениям отношения сигнал/помеха и вероятности ошибки в канале связи для фиксированных частот из множества {F}, составляют вариационные ряды отношения сигнал/помеха и вероятности ошибки для каждого корреспондента, если Р_ош не превышает заданного допустимого значения, то повторяют действия от определения на заданном множестве частот {F} направления и угла места прихода помехи для каждого корреспондента до составления вариационных рядов отношения сигнал/помеха и вероятности ошибки для каждого корреспондента, иначе выбирают параметры адаптации из составленных вариационных рядов с учетом следующих условий: Z_i>Z_доп, Р_{ош i}<Р_{ош тр}, настраивают параметры радиопередающих и радиоприемных устройств корреспондентов в соответствии с выбранными параметрами адаптации, осуществляют обмен информацией в канале связи с постоянным контролем состояния канала радиосвязи, если обмен информацией закончен, то осуществляют статистическую обработку данных за сеанс связи, иначе вычисляют вероятность ошибки в канале связи, если значение вероятности ошибки не превышает требуемого значения, то продолжают обмен информацией, иначе повторно выбирают параметры адаптации из составленных вариационных рядов.

Images