автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Повышение достоверности передачи информации в радиолиниях коротковолновой радиосвязи на основе применения эффективных сигнально-кодовых конструкций

На правах рукописи

/

КОТЕНКО Олег Олегович

ПОВЫШЕНИЕ ДОСТОВЕРНОСТИ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В РАДИОЛИНИЯХ КОРОТКОВОЛНОВОЙ РАДИОСВЯЗИ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ СИГНАЛЬНО-КОДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Специальность 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2013

2 9 АВГ 2013

005532317

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном бюджетном учреждении высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича".

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент,

Аношкин Александр Владимирович

Официальные оппоненты: Резвецов Николай Борисович,

доктор технических наук, профессор, Военная академия РВСН им. Петра Великого, профессор

Матат Евгений Викторович, кандидат технических наук, ОАО "Мобильные ТелеСистемы", эксперт Корпоративного центра Группы МТС

Ведущая организация Открытое Акционерное Общество "Научно-Технический Институт "Радиосвязь", г. Санкт-Петербург.

Защита состоится 19 сентября 2013 года в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 219.004.01 при Федеральном государственном образовательном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича», 193232, Санкт-Петербург, пр. Большевиков, д. 22, ауд. 554.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного образовательного бюджетного учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича». Автореферат разослан 19 августа 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор

В.В. Сергеев

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. К преимуществам коротковолновой (КВ) радиосвязи следует отнести оперативность установления прямой связи на большие расстояния, простоту организации радиосвязи с подвижными объектами, возможность обеспечения связи с объектами в труднодоступных районах, высокую мобильность средств КВ радиосвязи, быструю восстанавливаемость связи в случае нарушения в результате воздействия как случайных, так и преднамеренных помех, а также в условиях экстремальных ситуаций.

Особый интерес представляет использование цифровых радиосигналов, позволяющих улучшить помехоустойчивость систем радиосвязи. Однако возможности применения цифровых методов передачи в КВ диапазоне ограничены из-за многолучевости распространения радиоволн и существенного ослабления сигналов на трассах радиосвязи в частотном диапазоне 1,5 — 30 МГц.

Перспективные системы КВ радиосвязи должны обеспечивать в каждом сеансе связи значение вероятности ошибки на бит р^ = 10" 4.

Существующие системы КВ радиосвязи работают в условиях ограничений на частотные и энергетические ресурсы, поскольку зафиксированы значения выделенной ширины полосы частот (3,2 кГц) канала и мощности (1, 5, 10, 20 кВт) передатчика. При этом в силу непредсказуемости условий распространения радиоволн от сеанса к сеансу связи изменяется значение отношения сигнал/шум и в конкретном сеансе связи оно заранее не известно.

В результате существующие системы КВ радиосвязи обеспечивают среднее значение вероятности ошибки на бит в течение суток рб = Ю-2.

Таким образом, имеется противоречие между возможностями существующих систем КВ радиосвязи и предъявляемыми к ним требованиями по достоверности передачи информации.

Перспективным направлением повышения помехоустойчивости систем КВ радиосвязи в условиях ограниченных энергетических и частотных ресурсов представляется поиск эффективных сигнально-кодовых конструкций (СКК).

Диссертационная работа посвящена решению актуальной научной задачи - повышению достоверности передачи информации в КВ радиолиниях в условиях ограничений на частотные и энергетические ресурсы на основе адаптации к помеховой обстановке за счет применения эффективных СКК.

Объект исследования — радиолинии коротковолновой связи.

Предметом исследования являются методы передачи и приема информации по радиолиниям коротковолнового диапазона в условиях ограниченных частотных и энергетических ресурсов.

Цель диссертационной работы: обеспечение требуемой достоверности передачи информации по КВ радиолиниям коротковолновой радиосвязи в условиях ограничений на занимаемую полосу частот и отношение сигнал/шум.

Сформулированная цель достигнута последовательным решением следующих частных научных задач:

1. Разработка методики обеспечения требуемой помехоустойчивости передачи информации по радиолиниям КВ радиосвязи в условиях ограничений на занимаемую полосу частот и отношение сигнал/шум.

2. Разработка имитационной модели радиолинии специальной КВ радиосвязи с использованием помехоустойчивого кодирования.

3. Поиск новых СКК для радиолиний КВ радиосвязи и оценка их потенциальной помехоустойчивости.

Методы исследования. В качестве основных методов исследования использовались методы анализа и синтеза радиосигналов, методы математической статистики. Экспериментальное исследование проводилось путем имитационного моделирования работы КВ радиолинии в системе инженерных расчетов МАТЬАВ.

Научная новизна. Заключается в разработке новой методики выбора СКК, позволяющей обеспечить требуемую достоверность передачи информации по КВ радиоканалу за счет адаптации к помеховой обстановке.

Практическая ценность. Обеспечивается требуемая достоверность передачи информации в радиолиниях КВ диапазона при ограничениях на занимаемую полосу частот и отношение сигнал/шум.

Личный вклад автора в исследование проблемы. Все основные положения, теоретические выводы, рекомендации, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно.

Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов обеспечены непротиворечивостью результатов имитационного моделирования и результатов применения предлагаемой методики с известными теоретическими положениями.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений, изложена на 165 страницах машинописного текста, в нее включены 48 рисунков, 14 таблиц, список литературы из 54 наименований.

Реализация и внедрение результатов. Практические результаты диссертационной работы использовались в ОКР «Булат — ПУР-АУС» ОАО НПО Завод «Волна», ОКР «ПДРЦ — 3,4» НТИ ОАО «Радиосвязь», ОКР «Микстура» ОАО НПО Завод «Волна».

Публикации. Основные научные и практические результаты опубликованы в 2 статьях журналов, рекомендованных ВАК РФ для опубликования научных результатов диссертации. Основные положения работы докладывались на научно-технических советах (НТИ ОАО «Радиосвязь», ЗАО ПКБ «РИО», ОАО НПО Завод «Волна»),

Основными научными результатами, выносимыми на защиту

являются:

1.Методика обеспечения требуемой достоверности передачи информации по КВ радиолиниям, в условиях ограничений на занимаемую полосу частот и отношение сигнал/шум.

2. Имитационная модель радиолинии, позволяющая оценивать потенциальную помехоустойчивость КВ радиолиний при использовании различных СКК.

3. Результаты оценивания помехоустойчивости радиолиний при использовании сигналов КИМ16-КАМ4/ЧМ4 и различных помехоустойчивых кодов.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения.

Во введении дано обоснование актуальности работы и кратко охарактеризовано современное состояние исследуемых вопросов, сформулирована научная задача, цель, объект и предмет исследования, определены основные направления проведения исследований, дана краткая аннотация содержания всех составных частей диссертации, сформулированы новые научные результаты, выносимые на защиту, а так же оцениваются научная и практическая значимость результатов диссертационной работы.

В первой главе проведен анализ условий функционирования современных существующих КВ систем радиосвязи, требований, предъявляемым к этим системам, сигнально-кодовых конструкций, применяемых в комплексах КВ радиосвязи, и приведена общая постановка задачи исследований.

В ходе проведённого анализа установлено следующее.

Коротковолновый радиоканал является эффективным средством решения проблем связи на дальние расстояния. Он позволяет обеспечить радиообмен на трассах, значительно превышающих пределы прямой видимости благодаря

свойству коротких волн отражаться от верхних слоев атмосферы.

В результате возникающих трудностей при построении и эксплуатации систем передачи цифровой информации в КВ, связанных с сложной помеховой обстановкой, большой загруженностью КВ диапазона, недоступностью абонента для сеанса связи в определенное время, в существующих системах КВ радиосвязи удается поддерживать среднесуточную скорость передачи данных не более 3200 бит/с с вероятностью ошибки р^ = 10" ^. В основном же скорость

передачи данных составляет 200-2400 бит/, а зачастую связь вообще пропадает.

Анализ современных требований, предъявляемых к КВ радиосистемам, показал, что вероятность ошибки на бит должна составлять р = 10"^.

Таким образом, достоверность передачи данных в существующих системах КВ радиосвязи не соответствует предъявляемым требованиям.

Возможные пути разрешения этого противоречия:

1. Поиск новых эффективных методов модуляции и помехоустойчивого кодирования.

2. Поиск эффективных сигнально-кодовых конструкций (СКК) в условиях ограниченных энергетических и частотных ресурсов.

3. Адаптация к помеховой обстановке за счет оперативного выбора соответствующей СКК.

На основании проведённого анализа общая задача исследований сформулирована следующим образом:

Дано:

В существующей радиолинии используется метод М модуляции из заданного множества возможных методов модуляции {М}\

в существующей радиолинии используется метод К помехоустойчивого кодирования из заданного множества возможных методов помехоустойчивого кодирования {К}\

исходная вероятность ошибки на бит р=10 ;

Ограничения:

— зафиксировано значение выделенной полосы частот радиоканала Л/^ ;

— зафиксировано значение отношения сигнал/шум h2 ;

— необходимость обеспечения преемственности с заданными методами модуляции и помехоустойчивого кодирования.

Найти:

СКК, обеспечивающую требуемое значение вероятности ошибки на бит р < /?б0 при указанных ограничениях.

Во второй главе произведено исследование вариантов взаимного обмена ресурсов радиолинии для обеспечения требуемой достоверности информации, произведен предварительный выбор сигналов и помехоустойчивых кодов для КВ радиолиний, а также предложена новая сигнальная конструкция КИМа-КАМуЧМ^ для КВ радиолиний.

В работе для сравнения различных СКК использованы следующие показатели удельных расходов ресурсов для обеспечения заданной вероятности р. ошибки на бит:

1. Удельный расход полосы частот на передачу бита информации

¥

а (1)

HR w

где Af — необходимая для передачи сигнала полоса частот; R — скорость

передачи информации.

2. Удельный расход энергии на передачу бита информации

~ Ел РЛ*ТЛ Р Р д/ Р д/ 7

f>2 _ б _ б о_ с _ с *jh-C*jh- u-i (2)

н Nn Nn R*Nn Д/ *Nn RPR «' w

0 0 0 h 0 ut

где Е^ - средняя энергия сигнала, затрачиваемая на передачу одного бита информации; Р — средняя мощность сигнала на входе приемника; Р — мощность шума в полосе пропускания частот приемника; Т^ -длительность

бита сообщения; Л^ - спектральная плотность мощности нормального белого шума (НБШ).

Анализ международных стандартов показал, что наиболее перспективными для КВ радиосвязи считаются сигналы с фазовой модуляцией (КИМа-ФМ), квадратурной фазовой модуляцией (КИМа-КФМ) и квадратурной амплитудной модуляцией (КИМа-КАМ) с основанием кода а = 2, 4, 8, 16, 32 и 64.

Кроме того, в существующих системах КВ радиосвязи также используются сигналы с амплитудной модуляцией (КИМа-АМ), частотной модуляцией (КИМа-ЧМ) и относительной фазовой модуляцией (КИМа-ОФМ).

Совместно с указанными сигнальными конструкциями (методами модуляции) рекомендуется использовать помехоустойчивые циклические коды, сверточные коды, каскадные коды (коды Рида-Соломона плюс сверточные коды), турбокоды и перемежение символов.

В работе проанализированы направления поиска новых эффективных методов модуляции и помехоустойчивых кодов (ПК). Показано, что для повышения достоверности передачи информации по линиям КВ радиосвязи возможен взаимный обмен энергетических (показатель р^) и частотных (показатель а ) ресурсов с последующим обменом выигрыша по показателю

Р на вероятность ошибки р^

При этом возможны несколько вариантов:

1. Повышение достоверности передачи без изменения метода модуляции за счет уменьшения скорости передачи информации.

2. Выбор более эффективного метода модуляции, который позволяет

'у

создать запас по показателю р по сравнению с используемым методом модуляции.

3. Использование помехоустойчивого кодирования, реализующего взаимный обмен показателей ¡р- и а .

' и

4. Выбор более эффективной СКК, объединяющий два предыдущих варианта.

В результате исследования возможных методов модуляции в работе предложено использовать семейство сигналов с комбинированным методом модуляции КИМа-КАМЦ/ЧМи. Показатели эффективности предложенных и используемых в настоящее время сигналов приведены на рисунке 1.

Рис. 1. Сигналы для КВ радиолиний Из рисунка видно, что вероятность ошибки =10"4 сигнал КИМ16-

КАМ4/ЧМ4 обеспечивает при

Р* = 6,5 дБ при таком же удельном расходе полосы частот, как и сигнал КИМ2-ФМ, что обеспечивает выигрыш на 1,9 дБ по показателю . При этом сигнал КИМ32-КАМ4/ЧМ8 обеспечивает вероятность ошибки рк = 10~4 при ¡р-= 6 дБ и а = 1,5, что существенно лучше

О Н'

соответствующих показателей для используемых в отечественных системах сигналов КИМа-ЧМ.

В работе показано, что аналитические оценки помехоустойчивости радиолиний носят асимптотический характер и характеризуют верхнюю границу вероятности ошибки на бит при совместном использовании помехоустойчивых кодов и методов модуляции, что мешает получить оценки

вероятности ошибки в бите с приемлемой для практики точностью. Поэтому было принято решение о необходимости разработки имитационной модели.

С помощью имитационной модели проведена оценка помехоустойчивости предложенного автором сигнала КИМ^-КАМ/ЧМь а так же сигнальных конструкций на базе этого сигнала совместно со сверхточными кодами, с использованием различных перемежителей, с кодами Рида-Соломона, с каскадным кодом (Рида-Соломона — сверточный код). Также исследована помехоустойчивость СКК в зависимости от длины пакета ошибок и построены графики зависимости помехоустойчивости радиолиний от скоростей используемых помехоустойчивых кодов, позволяющие сделать вывод о том, что наибольший выигрыш в помехоустойчивости радиолинии обеспечивают коды, скорости которых лежат в интервале [1/3; 3/4].

В третьей главе представлена методика обеспечения требуемой достоверности передачи информации по КВ радиолиниям, в условиях ограничений на занимаемую полосу частот и отношение сигнал/шум.

Методика состоит из следующих шагов.

1. Экспериментальная оценка помехоустойчивости канала связи.

1.1. Определение количества V символов, необходимого для проведения физического эксперимента.

Определяется количество V символов, необходимое для получения оценки значения вероятности р ошибки при доверительной

вероятности Р()(т ■

1.2. Тестирование канала связи.

Проводится физический эксперимент, заключающийся в передаче априорно известной последовательности V символов по используемому каналу связи.

1.3. Обработка результатов физического эксперимента.

1.3.1. Оценивание вероятностей ошибок различной кратности. Осуществляется классификация ошибок в используемом канале связи,

для одиночных ошибок оцениваются вероятности ошибок различной кратности I, для пакетов ошибок оцениваются вероятности различных длин г пакетов ошибок.

1.3.2. Оценивание эквивалентных вероятностей ошибки на бит при исключении ошибок различной кратности.

Оцениваются значения р* эквивалентных вероятностей ошибки на бит

при исключении одиночных ошибок кратности

Оцениваются значения р эквивалентных вероятностей ошибки на бит

при исключении пакетов ошибок длиной г. 2. Выбор СКК. 2.1. Выбор метода модуляции.

2.1.1. Определение текущего значения удельного расхода энергии.

о

Определяется текущее значение удельного расхода энергии Р£ в данном сеансе связи по графику зависимости вероятности ошибки на бит рб от

•у

удельного расхода энергии /? для используемого метода модуляции М0.

2.1.2. Выбор возможных методов модуляции с требуемой помехоустойчивостью.

Выбирается из заданного множества возможных методов модуляции {М} по диаграмме показателей эффективности для требуемого значения р < р^

вероятности ошибки на бит (рис. 1) подмножество методов модуляции {М1},

? 7

для которых значения удельного расхода энергии < Р^.

Если требуемых методов модуляции нет, то выбирается метод модуляции с минимальным значением удельного расхода энергии -Р„ и

осуществляется переход к шагу 2.2.

2.1.3. Выбор метода модуляции с наибольшей скоростью передачи информации.

Выбирается из выбранного подмножества помехоустойчивых методов модуляции {Mi} метод модуляции М/ с минимальным значением удельного расхода полосы частот min а .

Если метод модуляции Mi выбран, то поставленная задача обеспечения требуемой достоверности может быть решена без помехоустойчивого кодирования. При этом осуществляется переход к шагу 3.

2.2. Выбор помехоустойчивого кода.

2.2.1. Определение кратности исключаемых ошибок.

В случае возникновения одиночных ошибок определяется значение кратности t исключаемых одиночных ошибок, при котором выполняется

условие Р*<Ртр-

В случае возникновения пакетов ошибок определяется значение длины г исключаемых пакетов ошибок, при котором выполняется условие р*_ < Ртр-

2.2.2. Определение необходимой корректирующей способности кода и глубины перемежения символов.

Определяется необходимое значение d =2*t + \ минимального кодового

расстояния помехоустойчивого кода.

Определяется необходимое значение D = г глубины перемежения символов.

2.2.3. Выбор возможных помехоустойчивых кодов с требуемой помехоустойчивостью.

Выбирается из заданного множества {К} возможных помехоустойчивых кодов (п, к, f) подмножество помехоустойчивых кодов {К,}, с требуемым значением d минимального кодового расстояния.

Выбирается перемежитель с требуемым значением г глубины перемежения символов.

2.2.4. Выбор помехоустойчивого кода с наибольшей скоростью.

Выбирается из выбранного подмножества помехоустойчивых кодов {Kj} помехоустойчивый код Ki с максимальным значением скорости кода г^=к/п.

3. Экспериментальная проверка адекватности выбранной СКК.

Проводится физический эксперимент для получения оценки значения вероятности р^ ошибки, заключающийся в передаче априорно известной

последовательности V символов по имеющемуся каналу связи с использованием выбранной СКК (выбранных метода модуляции Mi и помехоустойчивого кода К{).

Если выполняется условие рj < , то требуемая СКК выбрана.

Если это условие не выполняется, то осуществляется возврат к п. 2.2.3 и выбирается новое подмножество помехоустойчивых кодов (п, k, t) с большим значением длины кодовой комбинации п.

В качестве примера использования разработанной методики рассмотрен выбор СКК для следующих условий:

Дано:

множество {М} возможных методов модуляции: КИМа-ФМ, КИМа-КФМ, КИМа-КАМ, КИМа-ЧМ, КИМа-ОФМ и КИМа-КАМ4/ЧМа/4;

множество {К} возможных методов помехоустойчивого кодирования: циклические и сверточные коды;

_'у

исходная вероятность ошибки на бит />^=10 в существующей

радиолинии при использовании метода М0 модуляции КИМ2-ФМ без помехоустойчивого кодирования;

Ограничения:

— зафиксировано значение ширины выделенной полосы частот радиоканала А/^ = 3200Гц = const;

— зафиксировано значение отношения сигнал/шум h2;

- необходимо обеспечить скорость передачи информации

Я = 2400 бит/с; тр

Найти:

СКК, обеспечивающую требуемое значение вероятности ошибки на бит р = 10"4 при указанных ограничениях;

При использовании методики получено:

в используемом канале связи действуют одиночные ошибки различной

кратности / с максимальной кратностью / = 12;

г шах

определено текущее значение удельного расхода энергии ^=5 дБ по графику (рис. 2) зависимости вероятности ошибки на бит р от удельного расхода энергии /?2 для используемого метода модуляции КИМ2-ФМ для исходного значения вероятности ошибки на бит р . = 10" 2;

Рис. 2. Зависимость вероятности ошибки на бит от удельного расхода энергии

в заданном множестве возможных методов модуляции {М} для требуемого значения р^ = 10~4 вероятности ошибки на бит (см. рис. 1) нет

метода модуляции М), для которого значение удельного расхода энергии

выбран метод модуляции КИМ16-КАМ4/ЧМ4 с минимальным среди возможных методов модуляции значением удельного расхода энергии

р1. =6,5 дБ; гтш

выбран помехоустойчивый код Рида-Соломона (127, 102, 12) с

минимальным кодовым расстоянием =25, и скоростью кода г^ = 0,8;

выбранная СКК обеспечивает передачу информации в полосе частот

Д/, = 3200Гц с требуемыми значениями вероятности ошибки на бит р =10

|-4

тр

и скорости передачи информации = 2400 бит/с.

В четвертой главе представлена имитационная модель КВ радиолинии и проверяется адекватность ее работы.

Структурная схема имитационной модели для исследования помехоустойчивости сигнально-кодовых конструкций представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Структурная схема имитационной модели КВ радиолинии

Источник сообщений формирует первичный многоосновный цифровой сигнал (в частном случае он может быть двоичным, содержащий э блоков по к равновероятных и статистически независимых символов).

Кодер и декодер Рида-Соломона осуществляют помехоустойчивое кодирование/декодирование передаваемых сообщений внутренним кодом.

Матричные перемежитель и деперемежитель производят матричное перемежение/деперемежение (запись - по столбцам, считывание - по строкам и

наоборот) символов передаваемых сообщений с помощью матрицы

необходимого размера (в примере использована матрица размером 40x18).

Сверточные кодер и декодер осуществляют помехоустойчивое

кодирование/декодирование внешним кодом, при этом декодирование

выполняется по алгоритму Витерби.

Модулятор и демодулятор обеспечивают модуляцию/демодуляцию

радиосигналов КИМа-АМ, КИМа-ЧМ, КИМа-ОФМ, КИМа-ФМ, КИМа-КФМ,

КИМа-КАМ и К И М а- К А М 4 / Ч М а/4.

К радиосигналу в канале связи добавляется НБШ, вырабатываемый

генератором С . Действия импульсных помех и замирание сигнала ньш

моделируется путем введения в передаваемый сигнал пакетов ошибок, формируемых генератором пакетов ошибок Опак.

Блок оценки помехоустойчивости позволяет произвести оценку вероятности ошибки на бит передаваемой информации в зависимости от

о

удельного расхода энергии р^ и длины пакета ошибок, возникающих в канале связи.

Адекватность разработанной модели проверена путём моделирования радиолиний с сигналами КИМа-ФМ, КИМа-ЧМ, КИМа-КФМ, КИМа-КАМ с основаниями кода а = 2,4, 8 и 16.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в ходе исследований. Изложены рекомендации по возможному использованию полученных результатов и основные направления дальнейших исследований.

В приложении приведен текст программы «Модель КВ радиолинии», написанной в программной среде МАТЬАВ, в которой реализованы основные блоки имитационной модели.

3. СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ

ДИССЕРТАЦИИ

1. Котенко, О. О. Методика обеспечения требуемой помехоустойчивости и скорости передачи информации при фиксированных мощности сигнала и занимаемой полосе частот в КВ радиолиниях / О. О. Котенко // Системы управления и информационные технологии. -2013. -№ 1.1 (51). - С. 202-207.

2. Котенко, О. О. Имитационная модель для оценки помехоустойчивости радиолиний КВ радиосвязи / О. О. Котенко // В мире научных открытий. — 2013. - № 6 (Математика. Механика. Информатика). - С. 46-63.

4. АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

Основные положения работы докладывались и обсуждались на научно-технических советах:

- Помехоустойчивость КВ радиосвязи при использовании сигнально-

КАМ

кодовых конструкций на базе сигнала КИМ>&---. — Научно-технический

чм4

совет ОАО НПО Завод «Волна» (г. Санкт-Петербург, 2011).

- Методика обеспечения требуемой помехоустойчивости КВ радиолиний в условиях ограничения мощности сигнала и занимаемой полосы частот. -Научно-технический совет НТИ ОАО «Радиосвязь» (г. Санкт-Петербург, 2012).

- Способы повышения достоверности передачи информации в радиолиниях коротковолновой радиосвязи на основе применения эффективных сигнально-кодовых конструкций. — Объединенный научно-технический совет оборонного комплекса промышленных предприятий холдинговой компании «ЭГО - Холдинг» ЗАО ПКБ «РИО» (г. Санкт-Петербург, 2013).

- Результаты оценки помехоустойчивости КВ радиолиний с помощью имитационной модели. — Научно-технический совет ЗАО ПКБ «РИО» (г. Санкт-Петербург, 2013).

Подписано в печать 18.06.2013. Формат 60x84 1/16.

_Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз._

Отпечатано в СПбГУТ, 191186, Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, 61

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение

высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций

им. проф. М.А. Бонч-Бруевича»

На правах рукописи

04201 361 391

КОТЕНКО Олег Олегович

ПОВЫШЕНИЕ ДОСТОВЕРНОСТИ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В РАДИОЛИНИЯХ КОРОТКОВОЛНОВОЙ РАДИОСВЯЗИ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ СИГНАЛЬНО-КОДОВЫХ

КОНСТРУКЦИЙ

Специальность 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат техических наук, доцент, Аношкин Александр Владимирович

Санкт-Петербург - 2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................5

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ СУЩЕСТУЮЩИХ СИСТЕМ КОРОТКОВОЛНОВОЙ РАДИОСВЯЗИ....................................................................11

1.1. Анализ условий функционирования коротковолновых радиолиний......11

1.2. Основные показатели качества системы.....................................................15

1.2.1. Удельные показатели эффективности Сандерса.................................17

1.2.2. Процедура сравнения и выбора необходимых систем........................19

1.3. Анализ требований к современным системам коротковолновой радиосвязи..................................................................................................................20

1.4. Анализ существующих сигнально-кодовых конструкций, используемых в современных системах КВ связи и рекомендованных международными стандартами................................................................................................................23

1.4.1. Анализ сигнально-кодовых конструкций, применяемых в существующих комплексах КВ радиосвязи........................................................23

1.4.1.1. Используемые в современных КВ системах виды манипуляции......24

1.4.1.2. Используемые в современных системах КВ связи виды помехоустойчивого кодирования.......................................................................34

1.4.1.3. Виды сигнальных созвездий, позволяющих повысить помехоустойчивость канала связи....................................................................34

1.4.2. Сигнальные конструкции, рекомендованные международными стандартами.............................................................................................................36

1.4.3. Сигнальные конструкции, используемые в современных российских комплексах коротковолновой радиосвязи...........................................................36

1.5. Анализ путей повышения достоверности передачи информации по КВ радиолиниям...............................................................................................................37

1.6. Постановка задачи исследования................................................................42

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫХ КОРОТКОВОЛНОВЫХ РАДИОЛИНИЙ..................................................................45

2.1. Исследование вариантов взаимного обмена ресурсов радиолинии для обеспечения требуемой достоверности передачи информации...........................45

2.1.1. Обеспечение требуемой достоверности за счет выбора метода модуляции сигнала в СКК.....................................................................................48

2.1.1.1. Без изменения метода модуляции в радиолиниях............................48

2.1.1.2. Выбор более эффективного метода модуляции................................50

2.1.2. Обеспечение требуемой достоверности за счет выбора метода помехоустойчивого кодирования.........................................................................52

2.1.3. Метод поиска сигнально-кодовых конструкций.................................58

2.2. Выбор метода модуляции.............................................................................58

2.3. Исследование параметров помехоустойчивости КВ радиолинии при использовании помехоустойчивого кодирования..................................................63

2.3.1. Недостатки аналитической оценки помехоустойчивости радиолиний, использующих помехоустойчивое кодирование................................................63

2.3.2. Оценка помехоустойчивости радиолиний использующих помехоустойчивые коды с помощью имитационной модели...........................68

2.3.2.1. Экспериментальное исследование параметров сверточных кодеров и перемежителей..................................................................................................74

2.3.2.2. Экспериментальное исследования помехоустойчивости сигналов СКК в зависимости от длины пакета ошибок...................................................77

2.3.2.3. Оценка помехоустойчивости радиолинии при использовании ПК Рида-Соломона.....................................................................................................81

2.3.2.4. Сравнительный анализ помехоустойчивости радиолиний,.............84

использующих предложенные и стандартные помехоустойчивые коды.....84

2.3.2.5. Помехоустойчивость КВ радиолинии при использовании сигнала КИМ16 - КАМ4/ЧМ4 и каскадного кода........................................................87

2.3.3. Построение графиков зависимости помехоустойчивости радиолиний от скоростей используемых помехоустойчивых кодов......................................89

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТРЕБУЕМОЙ ДОСТОВЕРНОСТИ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В РАДИОЛИНИЯХ КОРОТКОВОЛНОВОЙ РАДИОСВЯЗИ....................................................................96

3.1. Методика обеспечения требуемой достоверности радиолиний коротковолновой радиосвязи за счет использования эффективных СКК...........96

3.1.1. Экспериментальная оценка помехоустойчивости системы КВ радиосвязи...............................................................................................................96

3.1.1.1 Определение объёма данных, необходимых для проведения физического эксперимента.................................................................................96

3.1.1.2 Тестирование канала связи.................................................................97

3.1.1.3 Обработка результатов физического эксперимента.........................98

3.1.2. Выбор метода модуляции.....................................................................101

3.1.3. Определение необходимых корректирующей способности кода и размеров перемежителя.......................................................................................106

3.1.4. Определение скорости помехоустойчивого кода и скорости передачи информации при его применении.......................................................................108

3.1.5. Проверка адекватности выбранной СКК............................................108

3.2. Пример расчета радиолиний по приведенной комплексной методике . 109

3.2.1. Определение исходных данных...........................................................110

3.2.2. Определение объёма данных, необходимых для проведения физического эксперимента..................................................................................110

3.2.3. Физический эксперимент.....................................................................111

3.2.4. Обработка результатов физического эксперимента..........................111

3.2.4.1. Выбор метода модуляции..................................................................111

3.2.4.2. Структурирование принятых и переданных массивов данных .... 114

3.2.4.3. Нахождение числа ошибок, содержащихся во всех блоках с ошибками фиксированной кратности..............................................................115

3.2.5. Определение требуемой корректирующей способности помехоустойчивого кода.....................................................................................116

3.2.6. Определение скорости помехоустойчивого кода и скорости передачи информации при его применении.......................................................................117

4. ИМИТАЦИОНАЯ МОДЕЛЬ КОРОТКОВОЛНОВОЙ РАДИОЛИНИИ.......121

4.1. Цели и особенности моделирования.........................................................121

4.2. Особенности применяемых помехоустойчивых кодов в стандарте MIL-STD-188-110В...........................................................................................................123

4.3. Разработка программно реализуемой имитационной модели радиолинии 129

4.4. Результаты исследований, подтверждающие адекватность работы имитационной модели.............................................................................................136

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................139

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ........................................................140

ПРИЛОЖЕНИЕ 1........................................................................................................145

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

164

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации.

Системы телекоммуникаций государства, в том числе и системы связи Вооруженных сил, являются основой системы государственного управления, уровень их развития определяет степень оборонной готовности страны.

К преимуществам коротковолновой (КВ) радиосвязи следует отнести оперативность установления прямой связи на большие расстояния, простоту организации радиосвязи с подвижными объектами, возможность обеспечения связи с объектами в труднодоступных районах. Высокая мобильность средств КВ радиосвязи, быстрая восстанавливаемость связи в случае нарушения в результате воздействия как случайных, так и преднамеренных помех, а также в условиях экстремальных ситуаций делают эту связь единственно возможной.

Особое значение приобретает КВ радиосвязь в чрезвычайных ситуациях в мирное время при организации и проведении аварийно-спасательных работ, координации действий, различных организаций и служб в районах стихийных бедствий (землетрясений, наводнений, крупных снежных и селевых лавин на промышленные и жилые районы).

Одновременно КВ связи присущи и такие недостатки, как возможное резкое затухание сигнала на трассе радиосвязи, различный характер замирания сигнала, ограниченная емкость используемого диапазона частот. Качество связи существенно зависит также от времени суток, года и состояния ионосферы. Кроме того, системы КВ радиосвязи характеризуются чувствительностью к случайным и преднамеренным помехам. Распространение радиоволн КВ диапазона на трассах большой протяженности (1500—4000 км), как правило, является многолучевым. Это приводит к изменениям глубины и частоты интерференционных замираний в точке приема, которые в основном и определяют качество радиоканалов, ограничивая скорость и качество передачи сообщений по ним.

В зарубежной печати отмечается, что возрождение интереса к КВ связи в настоящее время объясняется еще и установленной в ходе исследований [56, 57]

уязвимостью в военное время спутниковых систем связи, получивших в 80-е годы весьма широкое распространение.

В начале 80-х годов в печати появились сообщения, свидетельствующие о возрождении интереса к цифровой КВ радиосвязи [56—60]. Этот интерес был вызван, прежде всего, тем, что в отличие от аналоговых сигналов цифровые сигналы позволяют значительно увеличить среднюю мощность передатчиков и повысить соотношение сигнал-помеха в точке приема, т. е. улучшить помехоустойчивость систем радиосвязи. Преимуществом цифровой радиосвязи является также отсутствие накоплений помех при ретрансляции в результате регенерации сигналов на линии связи, повышение надежности аппаратуры и возможность использования для обработки сигналов микропроцессорных устройств и ЭВМ.

В то же время специалистами отмечаются ограниченные возможности применения цифровых методов передачи в КВ диапазоне из-за специфических условий распространения радиоволн в этом диапазоне. Эта ограниченность проявляется, прежде всего, в предельно достижимых скоростях передачи дискретных сигналов, обусловленных многолучевостью и большим ослаблением энергии радиоволны на трассах радиосвязи.

В настоящее время к системам КВ радиосвязи со стороны пользователей и заказчиков предъявляются все новые требования. В особенности это касается радиотрасс большой протяженности, а также радиотрасс государственного масштаба, для осуществления связи по которым в качестве основных и резервных средств связи предусмотрены коротковолновые системы. При этом разработчикам необходимо учитывать особенности распространения радиоволн данного частотного диапазона 1,5-30 МГц.

Перспективные системы КВ радиосвязи должны обеспечивать в каждом

сеансе связи значение вероятности ошибки на бит рб = 10" 4.

Существующие системы КВ радиосвязи работают в условиях ограничений на частотные и энергетические ресурсы, поскольку зафиксированы значения

выделенной ширины полосы частот (3,2 кГц) канала и мощности (1, 5, 10, 20 кВт) передатчика. При этом в силу непредсказуемости условий распространения радиоволн от сеанса к сеансу связи изменяется значение отношения сигнал/шум и в конкретном сеансе связи оно заранее не известно.

В результате существующие системы КВ радиосвязи обеспечивают

среднее значение вероятности ошибки на бит в течение суток р^ = 10" 2.

Таким образом, имеется противоречие между возможностями существующих систем КВ радиосвязи и предъявляемыми к ним требованиями по достоверности передачи информации.

Перспективным направлением повышения помехоустойчивости систем КВ радиосвязи условиях ограниченных энергетических и частотных ресурсов представляется поиск эффективных сигнально-кодовых конструкций (СКК).

Изложенное выше обусловило выбор объекта и предмета исследования.

Объект исследования - радиолинии коротковолновой связи.

Предметом являются методы передачи и приема информации по радиолиниям коротковолнового диапазона в условиях ограниченных частотных и энергетических ресурсов.

Анализ степени разработки темы диссертации в ранее выполненных работах показал, что вопросы поиска СКК в диссертационных работах, НИР отражались недостаточно полно и системно. Следует отметить, что во всех работах рассматривались отдельные сигнальные конструкции и различные конкретные помехоустойчивые коды, использование которых могло бы помочь справиться с возникшей проблемой. Однако методические рекомендаций по поиску и последующему выбору СКК в известных автору работах не отражались.

Целью диссертационного исследования является обеспечение требуемой достоверности передачи информации по КВ радиолиниям коротковолновой радиосвязи в условиях ограничений на занимаемую полосу частот и отношение сигнал/шум.

Научная задача диссертационной работы заключается в повышении достоверности передачи информации в КВ радиолиниях в условиях ограничений на частотные и энергетические ресурсы на основе адаптации к помеховой обстановке за счет применения эффективных СКК.

Практическая задача - обеспечение требуемой достоверности передачи информации в радиолиниях КВ диапазона при ограничениях на занимаемую полосу частот и отношение сигнал/шум.

Решение научной и практической задачи осуществлено путем деления их на ряд частных задач, взаимосвязь которых определила структуру исследования.

Частные задачи исследования:

1. Разработка методики обеспечения требуемой помехоустойчивости передачи информации по радиолиниям специальной КВ радиосвязи.

2. Разработка имитационной модели радиолинии специальной КВ радиосвязи с использованием помехоустойчивого кодирования.

3. Поиск новых СКК для радиолиний специальной КВ радиосвязи и оценка их потенциальной помехоустойчивости.

Методы исследования: в качестве основных методов исследования использовались анализ, синтез, методы математической статистики. Экспериментальное исследование проводилось путем имитационного моделирования работы КВ радиолинии в системе МАТЬАВ.

Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов обеспечен непротиворечивостью результатов имитационного моделирования и результатов применения предлагаемой методики с известными теоретическими положениями.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений.

В первой главе проведен анализ условий функционирования современных существующих коротковолновых систем радиосвязи, требований, предъявляемым к этим системам, сигнально-кодовых конструкций, применяемых в комплексах КВ связи и приведена общая постановка задачи исследований.

Во второй главе произведено исследование вариантов взаимного обмена

ресурсов радиолинии для обеспечения требуемой достоверности информации,

произведен предварительный выбор сигналов и помехоустойчивых кодов для КВ

кам4

радиолинии, а также предложена новая сигнальная конструкция КИМ16- чм для КВ радиолиний.

В третьей главе представлена методика обеспечения требуемой помехоустойчивости передачи информации по радиолиниям КВ радиосвязи.

Четвертая глава посвящена разработке имитационной модели радиолинии коротковолновой связи.

Научная новизна заключается в разработке новой методики выбора сигнально-кодовой конструкции, позволяющей обеспечить требуемую достоверность передачи информации по КВ радиоканалу.

Практическая значимость - обеспечивается требуемая достоверность передачи информации в радиолиниях КВ диапазона при ограничениях на занимаемую полосу частот и отношение сигнал/шум.

На защиту выносятся следующие научные результаты диссертационной работы:

1. Методика обеспечения требуемой достоверности передачи информации по КВ радиолиниям, в условиях ограничений на частотные и энергетические ресурсы.

2. Имитационная модель радиолинии, позволяющая оценивать потенциальную помехоустойчивость КВ радиолиний при использовании различных СКК.

3. Результаты оценивания помехоустойчивости радиолинии с СКК типа

КИМ16--^р /различные помехоустойчивые коды.

Основные результаты и положения диссертационной работы опубликованы в двух научных статьях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования научных результатов диссертации.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

• научно-техническом сов