СПОСОБ МНОГОСТУПЕНЧАТОЙ СИСТЕМЫ РЕТРАНСЛЯЦИИ МЕЖДУ ПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ
METHOD OF MULTISTAGE RELAY SYSTEM BETWEEN MOBILE OBJECTS

Изобретение относится к системам ретрансляции с многостанционным доступом.
Известны способы радиосвязи с подвижными объектами (ПО), которые применяются в системах управления воздушным движением.
Способ радиосвязи с ПО [1], заключающийся в передаче с центральной станции (ЦС) блока информации, содержащего заложенные в него данные, приеме его на ПО и передаче с ПО информационного сигнала, содержащего подтверждение о приеме блока информации с ЦС и данных с датчиков подвижного объекта, задержанного относительно принятого с ЦС блока информации, в состав информационного блока с ЦС вводят кодовые группы вида работ, типа запрашиваемых данных, номинала рабочей частоты на следующий кадр обмена и времени начала следующего кадра, данные в информационном сигнале с каждого из ПО распределяют по временным интервалам, в зависимости от номера, определяемого кодовой группой вида работ, начиная от момента времени, задаваемого кодовой группой времени начала следующего кадра, взаимную синхронизацию во времени ЦС и ПО осуществляют с помощью временной шкалы глобальной навигационной системы, длительность кадра Т определяют исходя из назначения системы радиосвязи, но не более
T=(1+Nn)τ+t при τ≥mσt,
где N - число ПО;
n - число разрядов в сообщении с ПО;
t - максимальное суммарное время распространения радиосигнала по линии «ЦС - ПО - ЦС» и удвоенной длительности сообщения с ЦС;
σt - относительная среднеквадратичная ошибка определения текущего интервала времени;
τ - длительность единичной посылки информации;
m - коэффициент (больше единицы), зависящий от назначения системы радиосвязи.
Недостатками способа являются:
- невозможность построить многоступенчатую систему ретрансляции;
- необходимость передачи для следующего кадра номинала рабочей частоты и времени начала следующего кадра, что снижает надежность связи в случае недоставки этой информации на ПО;
- необходимость обеспечения взаимной синхронизации по сигналам временной шкалы глобальной навигационной системы GPS или ГЛОНАС, что снижает надежность связи в случае выхода из строя или подавления сигналов системы GPS или ГЛОНАС;
1
- организация радиосети осуществляется ЦС на фиксированной частоте f, что снижает скрытность, надежность и помехозащищенность;
- номер временного интервала в кадре определяется на каждом ПО по принятой от ЦС кодовой группе вида работ, что нарушает работу радиосети в случае непринятия на ПО этой кодовой группы;
- применение симплексного режима информационного обмена приводит к необходимости учета удвоенного времени распространения радиосигналов, в то время как при дуплексном режиме только одинарного;
- отсутствие информационного обмена всех ПО между собой снижает надежность связи;
- помехозащищеность снижается из-за невозможности использования разнесенного в пространстве, времени и по частоте методов приема и отсутствия мажоритарной обработки информации на каждом ПО;
- при переключении рабочей частоты требуется введение в каждый такт времени переключения синтезатора Тсинт, при этом время передачи сообщения возрастет в К раз
К=(Тсинт+τ)×n/τ×n=1+Тсинт/τ (раз),
где Тсинт - время переключения частоты в синтезаторе;
τ - длительность единичной посылки информации;
n - число разрядов в сообщении.
Скорость передачи уменьшится во столько же раз. При увеличении скорости передачи, т.е. уменьшении τ и постоянном значении Тсинт проигрыш в увеличении скорости передачи полезной информации будет увеличиваться.
o
o
o
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является способ радиосвязи между подвижными объектами [2], заключающийся в том, что за время одного кадра осуществляют одновременно попарную дуплексную радиосвязь каждого ПО с каждым ПО, включая и центральный подвижный объект (ЦПО), с помощью узконаправленных антенн, ориентируемых по координатам, известным на всех ПО и ЦПО, за время каждого временного окна длительностью T осуществляют одновременный попарный узконаправленный дуплексный информационный обмен между N/2 ПО, где N - число зарегистрированных в радиосети на данный момент времени ПО, данные в каждом информационном пакете, передаваемом за время длительностью T, распределяются по временным позициям для всех ПО, зарегистрированных на данный момент времени в радиосети, на каждом ПО осуществляют мажоритарную обработку и последующее декодирование информационных сообщений, принятых по разным путям от других ПО, разнесенных в пространстве, времени и по частоте, на другие ПО передают первоначальное информационное сообщение, введенное ЦПО в радиосеть в начале каждого кадра, а на ЦПО передают на позиции данного ПО информационное сообщение от датчиков данного ПО, а на остальных позициях первоначальное информационное сообщение, синхронизацию кадров и временных окон длительностью T на каждом ПО осуществляют за счет применения на каждом ПО и ЦПО высокостабильных опорных генераторов с последующей взаимной синхронизацией с помощью синхросигнала, передаваемого в начале каждого информационного сообщения, длительность кадра определяют по формуле:
ц
за
o
o
за
o
Т=N×T+К×T=(К+N)×T,
за
где N - число зарегистрированных на данный момент времени ПО в радиосети;
o
T - длительность временного окна информационного обмена в каждой паре ПО радиосети;
К - число дополнительных окон длительностью То для включения в сеть новых ПО.
Время информационного обмена в каждой паре ПО радиосети определяют исходя из выражения
o
T=tзи+tсг+tип+tпч,
max
max
где tзи - защитный интервал, равный tзи≥D/c, где D - максимально возможное взаимное удаление между ПО в радиосети, а с - скорость распространения радиосигналов;
tсг - длительность синхрогруппы в начале каждого информационного сообщения;
tип - длительность информационного пакета;
tпч - длительность переключения с одной рабочей частоты на другую.
Рабочую частоту изменяют в каждом информационном сообщении по псевдослучайному закону, известному на каждом ПО и ЦПО.
На ЦПО сравнивают сигналы, переданные ЦПО в радиосеть для всех ПО, с сигналами, возвращенными каждым ПО обратно ЦПО, и, таким образом, на ЦПО определяют состояние ПО и радиоканала связи с каждым ПО.
Основными недостатками прототипа являются:
- невозможность на базе полностью полносвязной радиосети организовать многоступенчатую ретрансляцию;
- наличие ЦПО, организующего полносвязную радиосеть;
- необходимость знания координат каждым ПО о каждом ПО при организации полносвязной радиосети.
Задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей за счет реализации многоступенчатой системы ретрансляции на базе ступеней (кластеров), в которых используется полносвязная радиосеть.
о
Указанный технический результат достигается тем, что за время одного кадра осуществляют одновременно попарную дуплексную радиосвязь каждого ПО с каждым ПО, за время каждого временного окна длительностью Т осуществляют одновременный попарный дуплексный информационный обмен между N/2 ПО, где N - число зарегистрированных в радиосети ПО, отличающийся тем, что всю трассу ретрансляции разбивают на N ступеней (кластеров) по n ПО в каждом, за время одного кадра в каждом кластере одновременно осуществляют попарную дуплексную радиосвязь каждого ПО с каждым ПО, внутри каждого кластера осуществляют восстановление информации за счет избыточности внутренних связей и разнесенного в пространстве, времени и частоте приема, в конце кадра информационного обмена в кластере осуществляют мажоритарную обработку информации, принятой каждым ПО кластера, далее информацию передают в следующий кластер и обрабатывают ее в нем аналогичным образом, информацию передают из кластера в кластер, восстанавливают ее в каждом кластере и таким образом ретранслируют между источником и потребителем.
Предлагаемый способ позволяет осуществлять помехозащищенную многоступенчатую ретрансляцию информации с восстановлением информации в каждом кластере за счет применения разнесения информации в пространстве, времени и частоте с последующей мажоритарной обработкой, что в конечном счете и повышает помехозащищенность, живучесть, скрытность и надежность всей многоступенчатой системы ретрансляции.
Все отличия предлагаемого изобретения могут быть разделены на абсолютные (операции и алгоритмы) и относительные или взаимные, характеризующие взаимодействие между абсолютными отличиями (связи между отдельными операциями и алгоритмами).
В предлагаемом способе отличия абсолютного типа (разнос в пространстве, времени, по частоте и мажоритарная обработка) известны из технической литературы [3, стр. 225-229]. Однако в известных решениях они не способствуют обеспечению живучести и надежности многоступенчатой системы ретрансляции.
Что же касается отличий взаимного типа, т.е. новых связей, то они отсутствуют в литературе.
Для пояснения реализации способа приводятся следующие фигуры
Фиг. 1. Диаграмма установившихся взаимосвязей в кластере, состоящем из 4-х ПО.
Фиг. 2. Диаграмма информационного внутрикластерного дуплексного обмена в многоступенчатой системе ретрансляции.
Фиг. 3. Диаграмма информационного обмена внутри кластера.
Фиг. 4. Графики вероятностей доставки и ошибок в обычной многоступенчатой системе ретрансляции и в кластерной системе ретрансляции.
Фиг. 5. Сравнение технических характеристик (ТХ) обычной многоступенчатой системы ретрансляции и кластерной системы ретрансляции.
Способ многоступенчатой системы ретрансляции между ПО реализуется следующим образом.
Вся трасса ретрансляции информации от головного ПО до источника информации (ИИ) разделяется на N кластеров, расстояние между которыми определяется эквивалентной излучаемой мощностью, каждого ПО, чувствительностью приемника и условиями распространения, а также энергетическим выигрышем от внутрикластерной и мажоритарной обработки. В каждом кластере реализуется полносвязная радиосеть каждого ПО с каждым.
Рассмотрим способ многоступенчатой системы ретрансляции между ИИ и головным подвижным объектом (ГПО) на конкретном примере системы ретрансляции, состоящей из 10-ти кластеров по 4-е ПО в каждом кластере, и сравним ее с обычной многоступенчатой системой ретрансляции, состоящей также из 10-ти ступеней.
Общее число парных связей внутри каждого кластера равно 6-ти и определяется выражением:
<mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>n</mi><mi>i</mi></msubsup></mrow>
где
- число комбинаций i по n.
Число одновременно обменивающихся пар среди 4-х ПО равно 4/2=2.
Из всех возможных 6-ти связей одновременно парных связей может быть не более 2-х
На фиг. 1 условными обозначениями показаны эти 6 связей и как можно организовать одновременный информационный обмен двух пар для 4-х ПО в кластере.
Рассмотрим подробно диаграмму информационного внутрикластерного дуплексного обмена, представленную на фиг. 2. Диаграмма состоит из 3-х временных окон попарного обмена между 4-мя ПО. Временное окно ТО является интервалом обмена ИИ с 1-м кластером.
Временные окна T1, Т2, Т3 являются временными интервалами внутрикластерного обмена.
Рассмотрим более подробно процесс ретрансляции информации от ГПО на ИИ и обратно на примере кластеров по 4-е ПО в каждом.
Рассмотрим полную циклограмму ретрансляции в многоступенчатой системе ретрансляции, состоящей из 3-х ступеней ретрансляции, каждая из которых представляет собой кластер из 4-х полносвязанных ПО.
Во временном окне ТО ИИ осуществляет разнесенный в пространстве и по частоте информационный обмен с двумя крайними ПО 1-го кластера. Информация поступает на ПО1 и ПО2 от ИИ и от ИИ на ПО1 и ПО2 двумя трафиками, разнесенными в пространстве и по частоте. На ИИ и крайних ПО1 и ПО2 осуществляется прием и последующая цифровая обработка двух некоррелированных информационных пакетов.
Далее во временных интервалах Т1-T3 на первой ступени ретрансляции N1 осуществляется внутрикластерный информационный обмен между парами ПО этих кластеров.
Рассмотрим фигуру 3, на которой представлен внутрикластерный информационный обмен в кластере, состоящем из 4-х ПО.
Во временном окне Т1 ПО1 связывается с ПО3, а ПО2 с ПО4, при этом информация в буферах памяти этих ПО записывается 1-й раз.
Во временном окне Т2 ПО3 связывается с ПО4, а ПО1 с ПО2, при этом информация в буферах памяти этих ПО записывается 2-й раз.
Во временном окне T3 ПО2 связывается с ПО3, а ПО1 с ПО4, при этом информация в буферах памяти этих ПО записывается 3-й раз.
Далее ПО1, ПО2, ПО3 и ПО4 осуществляют мажоритарное сложение информации, хранящейся в их буферах памяти по принципу 2 из 3-х.
Вероятность битовой ошибки после мажоритарной обработки по принципу 2 из 3-х определяется выражением [3, стр 259, формула 5.171]:
<mrow><msubsup><mi>P</mi><mn>1</mn><mi>k</mi></msubsup></mrow>
Где
- средняя вероятность ошибки в отдельной ветви;
κ - порог принятия мажоритарного решения κ=2, т.е. 2 из 3-х.
Далее осуществляется внутрикластерный информационный обмен на второй ступени ретрансляции N2 во 2-м кластере аналогичным образом и так далее до конца. Из последнего кластера информация после мажоритарной обработки на ИИ и ГПО передается двумя трафиками методом разнесенного приема.
Верхняя оценка вероятности доставки информации в кластере, состоящем из n ПО, определяется выражением:
где р - вероятность доставки информации в каждой парциальной линии связи между ПО;
d - степень вершины определяется выражением
d=2Nсв/n (при n>2);
n - число ПО;
Nсв - общее число связей между ПО.
где i=2, т.к. связь осуществляется между парами ПО.
Рассмотрим частный случай многоступенчатой системы ретрансляции, состоящей из 10-ти кластеров по 4-е ПО в каждом.
Общее число парных связей между всеми 4-мя ПО одного кластера определяется выражением и равно 6-ти.
Число пар среди 4-х ПО равно 4/2=2.
Из всех возможных 6-ти связей одновременно парных связей может быть не более 2-х.
Рассмотрим последовательность информационных обменов в многоступенчатой системе ретрансляции, состоящей из 10-ти ступеней.
Зададимся размером информационного пакета Nи бит. Этот пакет поступает в 1-й кластер с вероятностью доставки Рдост. Рассмотрим преобразование вероятностей доставки и ошибки в кластере.
1. Число бит, правильно доставленных в 1-й кластер, равно:
Nди1=Nи×Рдост
2. Число ошибочных бит, доставленных в 1-й кластер, равно:
Nои1=Nи×(1-Рдост)
3. После полного цикла информационного обмена в 1-м кластере вероятность ошибки Po1 вычисляется по формуле:
4. Число ошибочных бит в 1-м кластере равно:
Nош1=Nди1×Po1
5. Число исправленных ошибочных бит равно:
Nио1=Nои1×Po1
6. Число правильных бит после информационного обмена в 1-м кластере равно:
Nпр1=Nди1-Nош1+Nиo1
Число ошибочных бит в 1 -м кластере после мажоритарной обработки 2 из 3-х
Число исправленных ошибок в 1-м кластере после мажоритарной обработки 2 из 3-х
7. Число правильных бит в 1-м кластере после мажоритарной обработки
Nпр1мо=Nпр1по-No1мо
8. Число ошибочных бит в 1-м кластере после мажоритарной обработки
No1мо=No1по-Nио1мо
9. Число правильных бит доставленных из 1-го кластера во 2-й кластер
Nпрд2=No1мо+Nио1мо
10. Число ошибочных бит доставленных из 1-го кластера во 2-й кластер равно:
Nод2=No1мо+No1мо
11. Вероятность доставки в каждой из 3-х ветвей 2-го кластера равна:
Рд2=Nпрд2/Nи
12. Вероятность ошибок в каждой из 3-х ветвей 2-го кластера равна:
Ро2=Nод2/Nи
С этой вероятностью ошибок информация из 1-го кластера доставляется в каждую парциальную ветвь 2-го кластера.
Далее цикл с п. 1 по п. 12 повторяется в остальных кластерах.
Используем приведенные выше формулы преобразования вероятностей доставки и ошибки для вычисления конечной вероятности доставки и ошибки в 10-ступенчатой системе ретрансляции.
Аналогичные расчеты конечной вероятности доставки и ошибки вычислим и в обычной 10-ступенчатой системе ретрансляции.
Графики вероятностей доставки и ошибок в обычной многоступенчатой системе ретрансляции и в кластерной системе ретрансляции приведены на фигуре 4.
На фигуре 4 введены следующие обозначения:
Рдост - вероятность доставки в обычной системе многоступенчатой ретрансляции;
Рош - вероятность ошибки в обычной системе многоступенчатой ретрансляции;
Рдост с - вероятность доставки в многоступенчатой многокластерной системе ретрансляции;
Рош с - вероятность ошибки в многоступенчатой многокластерной системе ретрансляции без мажоритарной обработки в кластерах;
Рош маж обр 2 из 3 - вероятность ошибки в многоступенчатой многокластерной системе ретрансляции после мажоритарной обработки 2 из 3.
Анализ фигуры 4 показывает:
- вероятности доставки и ошибки в обоих системах при увеличении числа ступеней ретрансляции сходятся к 0,5, что доказывает правильность вычислений;
- вероятности доставки в многокластерной системе ретрансляции убывает с ростом ступеней ретрансляции гораздо медленнее;
- выигрыш по вероятности ошибок в многокластерной системе ретрансляции складывается из уменьшения ошибок за счет полносвязности и за счет мажоритарной обработки.
На фигуре 5 представлены сравнительные технические характеристики двух систем ретрансляции:
- обычной 10-ступенчатой системы ретрансляции;
- кластерной 4-ступенчатой системы ретрансляции
Анализ фигуры 5 показывает:
- вероятность доставки и вероятность ошибки в обычной системе после 10 ступеней стремится к 0,5, что соответствует обрыву связи между ИИ и ГПО, что подтверждается и результатами расчетов, приведенными на фигуре 4;
-4
- в кластерной 4-ступенчатой системы ретрансляции вероятность доставки после 4-х ступеней стремится к 0,989, а вероятность ошибки соответственно к 3,3×10, что соответствует присутствию связи между ИИ и ГПО, что подтверждается и результатами расчетов;
- дальность связи и тактико-технические характеристики обеих систем одинаковые;
- увеличение вероятности доставки в кластерной 4-ступенчатой системе ретрансляции происходит за счет использования приема на каждом ПО, разнесенного «в пространстве, времени и частоте и мажоритарной обработке на каждом ПО.
Таким образом, технический результат в части повышения помехозащищенности, живучести, скрытности и надежности многоступенчатой системы ретрансляции обеспечивается за счет:
- осуществления внутрикластерного информационного обмена на каждой ступени ретрансляции;
- применения внутрикластерной мажоритарной обработки информации каждым ПО радиосети в конце цикла внутрикластерного обмена;
- применения приема разнесенного в пространстве, частоте и времени каждым абонентом.
Источники информации
1. Патент RU №2231927, опубликовано 27.06.2004 г.
2. Патент RU №2382499, опубликовано 20.02.2010 г.
3. П.И. Пенин. «Системы передачи цифровой информации», М. Изд. Сов. Радио 1976 г., стр. 365.