СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА ИНФОРМАЦИИ ПАКЕТАМИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR TRANSFER AND RECEIPT OF INFORMATION IN PACKETS AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к радиосвязи и может применяться для передачи цифровой информации в каналах с многолучевым распространения радиоволн и в условиях воздействия внешних помех.
Известна система передачи и приема информации, имеющая режим адаптации к условиям распространения и установления двухсторонней связи (Л.1).
Известны также высокочастотная система и способ обмена пакетными данными, в котором осуществляется анализ помеховой обстановки. На каждый временной интервал суток выделяется оптимальная по условиям распространения частота передачи (Л.2).
В качестве наиболее близкого аналога принята система радиосвязи, работающая в режиме разделения приема и передачи во времени (Л.3) и состоящая из двух станций, каждая из которой имеет общий для приема и передачи антенный - фидерный тракт, подключенный к входу/выходу антенного переключателя, к входу которого подключен СВЧ выход передающего тракта, а к выходу подсоединен СВЧ вход приемного тракта, передающий тракт состоит из смесителя и усилителя мощности, приемный тракт из малошумящего усилителя и смесителя, при этом к вторым входам преобразователей частоты тракта приема и передачи подключен выход общего синтезатора частоты.
ц
ц
з
р
Принцип передачи с разделением процедуры приема и передачи во времени очень выгоден в канале с многолучевым распространением, где имеют место селективные замирания, т.е. различные участки спектра замирают независимо друг от друга и имеется возможность в каждом рабочем цикле выбирать сигнал с частотой, наибольшей по амплитуде. Технический результат состоит в повышении помехоустойчивости, получаемой за счет определения оптимальных рабочих частот, выбираемых в реальном масштабе времени. Для этого в способе передачи и приема информации пакетами на цикле длительностью Т с адаптацией по частоте, заключающемся в том, что определяется помеховая обстановка с выбором оптимальной частоты на корреспондирующей стороне, цикл длительностью Т разбивается на окна передачи и приема, в которых передается и принимается пакетная информация на оптимальной частоте передачи, в окне передачи перед информационным пакетом передается преамбула, включающая сигнал из N частот, на которых передается одна и та же команда о номере частоты передачи информации в данном цикле, после информационного пакета передаются N зондирующих частот, между концом пакета передачи и началом приема пакета существует защитный временной интервал Т≥2Т=2L/C, где L - расстояние связи, С - скорость света, после приема преамбулы и информационного пакета принимаются N зондирующих частот, по которым определяется оптимальная для данного момента несущая рабочая частота. Частоты преамбулы совпадают с зондирующими частотами. N частот преамбулы и зондирующие сигналы передают с равными амплитудами.
o
o
o
k
k
Диапазон несущих частот передачи выбирают с учетом необходимой полосы маневрирования ΔF=(N-1)Δf, где Δf - частотный интервал между рабочими несущими частотами, причем Δf≥Δf, где Δf - интервал частотной корреляции интерференционных замираний.
Передачу информационного пакета осуществляют с использованием ОФМ, ДОФМ или многофазной кодовой модуляции.
В защитном временном интервале проводят анализ электромагнитной обстановки, и в случае обнаружения пораженной частоты из группы командных частот ее исключают из числа зондирующих частот.
N частот преамбулы передают с равными амплитудами.
В составе преамбулы передается номер несущей рабочей частоты данного цикла, который дублируется на всех N командных частотах, являющейся ожидаемой несущей частотой передачи, на которой следует принимать информационный пакет.
ц
Система передачи и приема информации пакетами, работающая с адаптацией по частоте по многолучевому каналу с переменными параметрами и в условиях воздействия внешних помех циклами длительностью Т в режиме разделения приема и передачи во времени, состоит из двух станций, каждая из которых имеет общий для приема и передачи антенно-фидерный тракт, подключенный к входу/выходу антенного переключателя, к входу которого подключен СВЧ выход передающего тракта, а к выходу подсоединен СВЧ вход приемного тракта, передающий тракт состоит из последовательно соединенных смесителя передачи и усилителя мощности, соединенного с входом антенного переключателя, в приемном тракте выход антенного переключателя через малошумящий усилитель соединен со входом смесителя приема с усилителем промежуточной частоты (УПЧ), при этом к гетеродинным входам смесителей тракта приема и передачи подключен выход общего синтезатора частоты, одна из станций является ведущей, а другая ведомой, в каждую станцию введены устройство разделения и уплотнения информационных потоков, соединенное с терминалом и переключателями входных информационных потоков, соединенными с n адаптивными модемами, сумматор сигналов промежуточной частоты, поступающих с передающих выходов N адаптивных модемов, выход сумматора соединен со входом смесителя передачи и подстраиваемый генератор циклов, выход которого соединен с цикловым входом адаптивного модема, входы адаптивных модемов соединены с выходом смесителя приема с УПЧ, при этом устройство разделения и уплотнения информационных потоков выполнено с возможностью разделения входного информационного потока на n потоков, для поступления в приемную часть адаптивных модемов и возможностью уплотнения информационных потоков для поступления в передающую часть адаптивных модемов.
Адаптивный модем включает в себя тракт передачи, состоящий из последовательно соединенных устройства пакетирования, устройства временного уплотнения, модулятора, преобразователя частоты передачи с переключаемым синтезатором частоты передачи и тракт приема, состоящий из последовательно соединенных преобразователя частоты приема с переключаемым синтезатором приема, демодулятора с устройством цикловой синхронизации, устройства временного разделения потока и устройства депакетирования, а также формирователя команд о номере частоты передачи, выход которого подключен к дополнительному входу устройства временного уплотнения, устройство выделения зондирующих частот, устройство выделения N командных частот передачи, устройство анализа помех, входы которых подключены к выходу демодулятора, а выходы соответственно подключены к общему контроллеру, на вход которого подается также сигнал цикловой синхронизации, а выходы подключены к входам формирователя команд передачи и переключаемым синтезаторам частоты, при этом контроллер выполнен с возможностью определения номера частоты по принимаемым командам, определения оптимальной рабочей частоты передачи, определения участков спектра, пораженных помехами, формирования кода номера частоты передачи и определения разрешенного набора рабочих частот.
Для работы одного адаптивного модема выделена своя группа частот, замирания которых некоррелированы.
з
Каждый из n адаптивных модемов выполнен с возможностью работы на своей группе частот, отличных от частот других адаптивных модемов. Анализатор помех выполнен с возможностью определения наличия помех в защитном временном интервале Т, расположенном между концом передачи пакета и началом приема пакета и при наличии пораженных участков рабочего спектра контроллер исключает из рабочего набора частот пораженные частоты.
Адаптивные модемы выполнены с возможностью работы в общем цикле, задаваемом общим генератором цикла, причем передача сигналов во всех адаптивных модемах производится одновременно в одном окне передачи.
Подстраиваемый генератор циклов ведущей станции задает цикл работы системы, а подстраиваемый генератор циклов ведомой станции подстраивается под цикл ведущей станции.
При передаче независимых N входных потоков система выполнена с возможностью работы в радиально-узловом режиме, при котором ведущая станция является центральной, а ведомые станции являются периферийными.
При условии работы станции в режиме ретрансляции в разных направлениях станция выполнена с возможностью передачи в разные направления в одном временном интервале окна передачи.
Адаптивный модем выполнен с возможностью вхождения в синхронизм на одной из рабочих несущих частот.
ц
з
Контроллер, предназначенный для управления работой системы передачи и приема информации пакетами на цикле, содержащий процессор, выполненный с возможностью формирования цикла длительностью Т, который разбивается на окна передачи и приема, с возможностью включения в окне передачи перед информационным пакетом преамбулы, включающей сигнал из N командных частот, на которых повторяется команда с номером ожидаемой несущей частоты передачи, с возможностью формирования между концом передачи пакета и началом приема пакета защитного временного интервала Т, с возможностью приема после информационного пакета N зондирующих частот и определения по ним оптимальной для данного момента несущей рабочей частоты.
Машиночитаемый носитель информации для процессора, включенного в контроллер для управления работой системы передачи и приема информации пакетами, содержащий команды, которые при считывании их процессором предписывает процессору выполнять операции, предназначенные для осуществления способа передачи и приема информации.
В рассматриваемой системе возможно вести работу на прием и передачу на одних и тех же частотах и оперативно определять оптимальную частоту в радиоканале, используя принцип взаимности (Л.4).
Сущность этого принципа состоит в том, что с точки зрения условий распространения радиоволн передатчик и приемник радиолинии могут быть заменены местами, и при этом характеристики сигнала на входе приемника не изменяются.
Система связи на оптимальных частотах относится к классу адаптивных систем, в которых принципиально необходим обратный канал. По этому каналу должна передаваться команда с приемника на передатчик корреспондента для перестройки его на выбранную частоту. Однако при использовании принципа взаимности появляется возможность изменить направление передачи команды и исключить обратный канал, а команду о номере выбранной оптимальной частоты передавать по прямому каналу. В этом случае выбор оптимальной частоты в приемнике и перестройка передатчика на эту частоту производится на одной и той же станции, а по прямому каналу передается команда для перестройки приемника корреспондента на выбранную оптимальную частоту. Отсутствие обратного канала позволяет повысить надежность связи, уменьшить время устаревания оптимальной частоты, так как при этом сокращается временной интервал от момента выбора оптимальной частоты в приемнике до момента переключения передатчика на эту частоту.
На фиг.1 дана функциональная схема заявленной системы.
На фиг.2 - функциональная схема адаптивного модема.
На фиг.3 - временная диаграмма цикла работы системы.
На фиг.4 - спектр сигнала в системе с выбором оптимальной частоты.
ц
i
i
1
i
N
i
1
к
к
з
р
р
уст
Из временной диаграммы (фиг.3) видно, что временная ось разбивается на циклы длительностью Т, в каждом из которых имеется два временных окна: окно приема и окно передачи. Информация передается пакетами. В окне приема сигнал имеет частоту f, которая была выбрана как оптимальная на корреспондирующей стороне. В начале пакета передается преамбула-сигнал, состоящий из N частот, которые используются в качестве несущих для передачи командных сигналов K [Л.5]. Зондирующие частоты f,…f…f передаются в конце пакета. Прием командных сигналов производится на всех N частотах, т.к. частота f принимаемого пакета заранее неизвестна. Из принятых командных сигналов наиболее достоверным является тот, у которого амплитуда наибольшая. Приемник по этой команде перестраивается на частоту пакета f. Далее следует блок информации. В конце пакета приема последовательно принимаются N зондирующих частот, по которым производится выбор оптимальной (наибольшей по уровню) частоты. Пусть такой оказалась частота f. Сразу после окончания пакета приема начинается передача на оптимальной для данного момента частоте f. Между концом пакета передачи и началом пакета приема существует защитный промежуток Т≥2T=2L/C (L - расстояние связи, C - скорость света), вызванный запаздыванием сигнала за счет конечности времени распространения радиоволн Т. Промежуток времени между моментом выбора оптимальной частоты и моментом окончания передачи информации на фиг.3 обозначен Т - время устаревания.
1
i
N
Возможен вариант построения линейного сигнала, когда несущие частоты командных сигналов f,…f…f преамбулы используются в качестве зондирующих частот. Тогда зондирующие сигналы в конце пакета не передаются.
o
o
o
k
k
Необходимая полоса маневрирования в системе с выбором оптимальной частоты определяется диапазоном маневрирования частоты ΔF. При использовании N частот ΔF=(N-1)Δf, где Δf - частотный интервал между набором рабочих частот. Необходимо выбирать Δf>Δf, где Δf - интервал частотной корреляции интерференционных замираний.
На фиг.4а приведен пример разбиения спектра одного канала. Передача ведется на одной из частот, которая в данный момент является оптимальной. (На фигуре оптимальная частота обозначена сплошной линией, остальные виртуальные частоты обозначены пунктиром).
Передача сигнала на выбранных частотах может вестись с использованием различных методов манипуляции (ОФМ, ДОФМ, решетчатых многофазных конструкций и т.д.).
Предлагаемый режим работы с временным дуплексом позволяет повысить помехоустойчивость системы путем адаптации к условиям сложной электромагнитной обстановки. Выигрыш зависит от вида помех. При узкополосных стационарных помехах он может достигать очень больших значений.
з
Суть этого метода заключается в следующем. При разделении сигналов передачи и приема во времени перед началом приема пакета существует пауза (защитный промежуток), равная удвоенному времени распространения Т. Так при связи на расстоянии 150 км длительность паузы составит 1 мс, а на расстоянии 100 км - 0.67 мс. Если в этой паузе в каждом цикле производить анализ электромагнитной обстановки, то при обнаружении пораженной частоты ее можно исключить из числа рабочих волн и таким образом обеспечить безошибочную работу радиолинии.
m
э
0
1
1
В многолучевом канале имеют место межсимвольные искажения, которыми можно пренебречь, если скорость передачи информации такова, что длительность элементарной посылки информации приблизительно в 10 раз меньше длительности многолучевого отклика канала Δt. Для повышения скорости передачи информации в такой системе связи возможно использовать частотное уплотнение каналов. Для этого входной поток информации с длительностью посылки Т следует разделить на n потоков с длительностью Т=nT и передавать каждый из этих потоков через отдельный адаптивный модем, который работает на своей группе частот. На фиг.4а), б), в), г) приведен пример одновременной передачи четырех каналов, уплотненных в частотном промежутке между соседними виртуальными частотами одного канала. Общее количество каналов в многоканальном случае n=Δf/Δf, где Δf - частотный сдвиг между соседними каналами. Для каждого из каналов сохраняется возможность работы на одной из N частот в режиме выбора оптимальной частоты. При этом все каналы работают в общем системном цикле, и передача всех каналов производится одновременно. Выходы всех модемов объединяются на промежуточной частоте в сумматоре и подаются в общий передающий тракт. Уровень каждого из n сигналов устанавливается таким образом, чтобы на входе приемника корреспондента сигналы всех каналов имели одинаковую мощность. Групповой сигнал характеризуется наличием пикфактора больше 2.
На фиг.1 показана система передачи и приема информации пакетами, состоящая из двух станций, каждая из которых имеет общий для приема и передачи антенно-фидерный тракт 1, подключенный к входу/выходу антенного переключателя 2, к входу которого подключен СВЧ выход передающего тракта, а к выходу подсоединен СВЧ вход приемного тракта, передающий тракт состоит из последовательно соединенных смесителя 3 передачи и усилителя 4 мощности, соединенного с входом антенного переключателя 2, в приемном тракте выход антенного переключателя 2 через малошумящий усилитель5 соединен со входом смесителя приема с усилителем промежуточной частоты (УПЧ) 6, при этом к гетеродинным входам смесителей 3,6 тракта приема и передачи подключен выход общего синтезатора частоты 7, одна из станций является ведущей, а другая ведомой, в каждую станцию введены устройство разделения и уплотнения информационных потоков 8, соединенное с терминалом 9 и переключателями 10 входных информационных потоков, соединенными с n адаптивными модемами 11, сумматор 12 сигналов промежуточной частоты, поступающих с передающих выходов N адаптивных модемов 11, подстраиваемый генератор циклов 13, выход которого соединен с цикловым входом адаптивных модемов и переключатель 14 режима станции «ведомый/ведущий».
На фиг.2 дана схема адаптивного модема, который включает в себя тракт передачи, состоящий из последовательно соединенных устройства пакетирования 15, устройства временного уплотнения 16, модулятора 17, преобразователя частоты передачи 18 с переключаемым синтезатором 19 частоты передачи, и тракт приема, состоящий из последовательно соединенных преобразователя 20 частоты приема с переключаемым синтезатором приема 21, демодулятора с устройством цикловой синхронизации 22, устройства временного разделения потока 23 и устройства депакетирования 24, а также формирователя команд о номере 25 частоты передачи, устройства выделения зондирующих частот 26, устройства выделения N командных частот передачи 27, устройства анализа помех 28, контроллера 29, и выделитель цикла приема 30.
ц
Контроллер 29 предназначен для управления работой системы передачи и приема информации пакетами на цикле, содержит процессор, выполненный с возможностью формирования цикла длительностью Т. Машиночитаемый носитель информации для процессора, включенного в контроллер для управления работой системы передачи и приема информации пакетами, содержащий команды, которые при считывании их процессором предписывают процессору выполнять операции, предназначенные для осуществления способа передачи и приема информации.
Рассматриваемая адаптивная система должна работать синхронно в одном и том же временном цикле на двух корреспондирующих станциях. Для обеспечения этого требования одна из станций, называемая ведущей, задает цикл работы системы, а другая станция, называемая ведомой, подстраивает свой генератор 13 цикла под принятую цикловую частоту. Перевод одного режима работы станции в другой осуществляется переключателем 14. Наличие в системе n адаптивных модемов 11 позволяет использовать рассматриваемую систему связи в радиально-узловом режиме без изменения аппаратуры станции. В этом случае на вход адаптивных модемов 11 ВЕДУЩЕЙ станции, которая становится центральной станцией, поступают n цифровых потоков от независимых абонентов, а n абонентских станций, расположенных в различных точках на местности, ставятся в режим ВЕДОМАЯ.
i
В начальный момент после включения аппаратуры в режим работы рабочая частота не определена, т.к. в рабочем режиме она определяется случайным состоянием канала. Для вхождения в синхронизм при включении устанавливается определенная фиксированная частота, на которой устанавливается связь. При вхождении в синхронизм система переходит в рабочий режим работы на оптимальных частотах. При передаче входной информации имеются 2 режима работы: передача одного высокоскоростного потока по линии и передача n независимых потоков информации. В первом режиме на вход устройства разуплотнения/уплотнения информации 8 поступает входная цифровая информационная последовательность с скоростью R бит/с, которая разделяется на n потоков, скорость каждого из которых R=R/n. Каждый из n потоков поступает на вход одного из адаптивных модемов через переключатели 10.1…10.n.. Во втором режиме на вход системы через переключатели10.1…10.n.. поступает n потоков от независимых источников терминала 9.
Адаптивные модемы 11 работают в режиме временного дуплекса с разделением процедуры передачи и приема во времени. Одна из станций радиолинии устанавливается в режим ВЕДУЩАЯ, а другая в режим ВЕДОМАЯ путем установки переключателя 14. Цикл работы определяется подстраиваемым генератором цикла 13. На интервале передачи сигналы с передающих выходов адаптивных модемов 11 суммируются в сумматоре 12 и поступают на передачу через смеситель 3 передачи, усилитель мощности 4, антенный переключатель 2 и антенно-фидерный тракт 1.
Принимаемый сигнал проходит через антенно-фидерный тракт 1, антенный переключатель 2, малошумящий усилитель 5, смеситель 6 приема и поступает на приемные входы адаптивных модемов 11. Информационные выходы модемов через переключатели 10 поступают либо на вход устройства уплотнения/разуплотнения 8, либо на n независимых выходов терминала 9.
На передающий вход адаптивного модема (фиг.2) поступает входная информация, которая в соответствии с описанным выше принципом работы системы пакетируется в устройстве пакетирования 15 для того, чтобы в цикле работы системы образовать интервал передачи и приема. Цикл работы системы задается общим внешним генератором циклов 13 (фиг.1.3). В пакетированный сигнал добавляются вспомогательные сигналы в устройстве временного разделения 16, которые поступают из формирователя команд 25. Команды несут информацию о номере частоты передачи, которая выбрана для передачи в данном цикле передачи. Эта команда передается последовательно N раз на каждой из частот, выделенных для работы системы. Содержание команды определяется контроллером 29. Далее сигнал поступает на модулятор 17, с выхода которого сигнал поступает на вход преобразователя частоты передачи 18, работающий совместно с перестраиваемым синтезатором частоты 19. Перестраиваемый синтезатор частоты передачи управляется от контроллера 29. Алгоритм переключения частот определяется выбранной структурой пакета.
В начале пакета формируется преамбула, состоящая из последовательного кратного повторения команды о номере частоты передачи на всех частотах системы, затем идет информационный блок на оптимальной частоте данного цикла, в конце пакета передаются N зондирующих частот.
Выходом преобразователя частоты передачи является сигнал промежуточной частоты.
С выхода приемного тракта сигнал на промежуточной частоте поступает на вход преобразователя частоты приема 20, работающий совместно с переключаемым синтезатором частоты приема 21, который управляется по сигналам контроллера 29. С выхода преобразователя частоты приема 20 сигнал поступает на демодулятор 22, к выходу которого подсоединены устройство выделения зондирующих частот 26, устройство выделения N командных частот передачи 27, устройство анализа помех 28, выделитель цикла приема 30. Выход устройства депакетирования 24 является цифровым выходом адаптивного модема 11. Контроллер 29 осуществляет обработку принятых сигналов и выработку сигналов управления. В контроллере производится определение номера частоты приема по командам, передаваемым в преамбуле, определение оптимальной частоты для передачи в данном цикле работы, определение участков спектра, пораженных помехами, формирование номера частоты передачи, определение разрешенного набора рабочих частот в данном цикле работы, формирование сигналов для переключаемых синтезаторов передачи и приема. Сигнал циклового синхронизма с выхода выделителя цикла 30 поступает на выход адаптивного модема.
Литература
1. RU 2154910 С2, (Жданов Б.Б.), 20.08.2000.
2. RU 2286030 С1, (ФГУП НПП «ПОЛЕТ»), 20.10.2006.
3. GB 2196514 A, (ULDECO LIMITED), 27.04.1988.
4. SU 565400 А1, (КЛИОТ Е.И.), 15.07.1977.
5. SU 291347 (КЛИОТ Е.И.), 06.01.1971.