Исследование методов создания интеллектуальных систем связи, адаптирующихся к сложной радиочастотной обстановке, на основе технологии когнитивного радио

Исследование методов создания интеллектуальных систем связи, адаптирующихся к сложной радиочастотной обстановке, на основе технологии когнитивного радио

Приводится основы когнитивного радио при проектировании перспективных систем связи. Основным направлением статьи является описание метода позволяющего вторичному пользователю, частотного ресурса, определять занятость эфира и осуществлять переход на другую частоту при появлении в эфире пользователя с более высоким приоритетом. Предлагаемый метод направлен на уменьшение времени реагирования вторичной системы на сигналы первичной. В основе методе лежит принцип когерентной компенсации сигнала в радиосвязи. На основе проведенных исследований предлагаемого метода была разработана схема для детектирования сигнала первичной системы.

Муравьев И.В.,

аспирант кафедры ТКС МТУСИ, Imyravei@gmail.com

Бахтин АА,

к.т.н., доцент кафедры ТКС МТУСИ, bahtin 77@mail.ru

Данная работа выполнена в рамках НИР "Исследование методов создания интеллектуальных систем связи, адаптирующихся к сложной радиочастотной обстановке, на основе технологии когнитивного радио (Cognitive Radio)" ГК № 02.740.11.0656.

Стремительное развитие высокоскоростных беспроводных систем связи 3 и 4 поколения, обнаружило серьезную проблему. Практически весь "удобный" частотный диапазон к настоящему времени распределен и лицензирован, однако при этом, как показали исследования, радиочастотный спектр используется не достаточно эффективно [1]. В результате, внедрение и использование новых сервисов, для работы которых необходимо наличие свободных частотных диапазонов, становится затруднительным, а в некоторых случаях вовсе невозможным. Современные средства связи не всегда требуют наличия собственного частотного диапазона и могут работать на вторых ролях в занятых диапазонах.

Существенным образом повысить эффективность использования спектра позволяет механизм динамического управления спектром, согласно которому вторичным пользователям (не закрепленным за данным частотным диапазоном) предоставляется возможность использовать диапазоны первичных пользователей (закрепленных за данным диапазоном) на время, пока этот диапазон не используется первичным пользователем.

Механизм динамического управления спектром весьма сложен технически, и может применяться только в так называемых интеллектуальных радиосистемах. Отличительной особенностью таких систем, выделяющей их в отдельную группу, является способность извлекать и анализировать информацию из окружающего пространства, предсказывать изменения канала связи и оптимальным образом подстраивать свои внутренние параметры состояния, адаптируясь к изменениям радио среды [2]. К таким системам можно отнести системы на основе когнитивного радио.

Когнитивное радио (cognitive radio) — система беспроводной коммуникации, в которой один из двух элементов — сеть или беспроводной узел — изменяет свои параметры передачи или приема для эффективного и рационального использования частотного ресурса. Система, связи, построенная по принципам когнитивного радио позволит получать и передавать информационные сигналы в различных частотных диапазонах. Частными случаями подобных

систем являются технологии распределенного спектра и пространственно-временного мультиплексирования [3].

Одной из основных проблем при разработке систем связи, на основе когнитивного радио, является разработка метода позволяющего вторичному пользователю определять занятость эфира и предсказание изменения канала связи для перехода на другую частоту при появлении в эфире пользователя с более высоким приоритетом (первичный пользователь).

Предлагаемый метод направлен на уменьшение времени реагирования вторичной системы на сигналы первичной. В методе используется принцип когерентного метода компенсации сигнала в радиосвязи.

В этом методе необходимо наличие двух приемопередающих устройств: основного и компенсационного (вспомогательного). Компенсационный канал должен принимать лишь помехи, а основной — смесь полезного и помехового сигналов. При этом осуществляется компенсация помех, действующих на основной приемник.

Сущность когерентного метода компенсации сигнала, именуемого часто амплитудно-фазовым [4], состоит в том, что обеспечивается получение одинаковых по амплитуде и противоположных по фазе (Бт(а)+ап(а+л;)=0) помеховых сигналов на выходе усилителей высокой частоты или промежуточной частоты в основном и компенсационном приемниках. С этих усилителей напряжения подаются на сумматор. Поскольку усилители в основном и компенсационном приемнике являются линейными, помехи на выходе сумматора устраняются, а сигнал остается без изменений. Если компенсационная отличается от идеальной, то как и при амплитудном методе, наряду с компенсацией помех будет происходить ослабление полезного сигнала. Однако степень этого ослабления будет меньше, т.к. не производится нелинейная обработка полез-ного сигнала и помех[5].

На основе данного метода разработана блок схема (рис. 1) для

Рис. 1. Блок схема метода детектирования первичного абонента

Рис. 2. Модель для определения первичного сигнала

а)

Рис. 3. Представление сигнала частотной области детектирования сигнала первичного пользователя.

На основе блок схемы рис.1 в ПО МоїіоЬ разработана имитационная модель, представленная на рис.2. Модель состоит из блока генерации информации, передатчика первичного абонента, лини задержки сигнала и сумматоров. Полученные результаты! можно наблюдать на анализаторе спектра. К анализатору спектра подключены все сигналы генерируемые моделью.

Для перового этапа моделирования выбран, в качестве сигнала первичного абонента, синусоидальный сигнал. На рисунке 3а пред-

ставлен спектр передаваемого информационного сигнала, рисунок 3б показывает сигнал после прохождения сумматора, рисунок 3в показывает выделенный сигнал первичного абонента.

Во временной области форма сигналов и его характеристик представлена на рис.4. На рисунке 4а отображен собственный сигнал с замешенным сигналом первичного абонента, рисунок 4б чистый информационный сигнал вторичного абонента, рисунок 4в выделенный сигнал первичного абонента, смешанный сигнал первичного и вторичного абонента рисунок 4г, рисунок 4д сигнал первичного абонента.

Моделирование показало, что при точном совпадении вторичного сигнала, с замешанным сигналом первичного абонента, и с задержанным вторичным можно выделить сигнал первичного абонента и на основе этого принять решение о прекращение передачи или переходу на другую частоту.

На втором этапе моделирования сигнал первичного абонента подбирался похожий по форме на сигнал вторичного абонента. Сигнал первичного абонента представляет собой сигнал генератора двоичных битов. Для оценки погрешности параметров вторичных сигналов использовалась не точная разность фаз в 90 , а разность с некоторой дельтой равной 90°±30°, что позволило оценить, на сколько точно должны совпадать сигналы.

На рисунке 5а представлен спектр передаваемого информационного сигнала, рисунок 5б показывает сигнал после прохождения сумматора, рисунок 5в показывает выделенный сигнал первичного абонента.

Во временной области форма сигналов и его характеристик

E

а) *

б)

Е

д)

Е

Рис. 6. Представление сигнала во временной области

Рис. 7. Представление сигнала частотной области

а)

б)

д)

[

Рис. 8. Представление сигнала во временной области а) Принятый сигнал с наложенным мешающим информационным сигналом, задержанным ±30°, б) передаваемый информационный сигнал, в) выделенный мешающий информационный сигнал, задержанный ±30°, г) сигнал с мешающим информационным сигналом, д) передаваемый мешающий информационный сигнал.

представлена на рис. 6. На рисунке 6а отображен собственный сигнал с замешенным сигналом первичного абонента, рисунок 6б чистый информационный сигнал вторичного абонента, рисунок 6в

выделенный сигнал первичного абонента, смешанный сигнал первичного и вторичного абонента рисунок 6г, рисунок 6д сигнал первичного абонента.

На рисунке 7а показан сигнал после прохождения сумматора, рисунок 7б показывает выделенный сигнал первичного абонента задержанный на 30°

Во временной области форма сигналов и его характеристик представлена на рис. 8. На рисунке 8а отображен собственный сигнал с замешенным сигналом первичного абонента, задержанным на 30°, рисунок 8б чистый информационный сигнал вторичного абонента, рисунок 8в выделенный сигнал первичного абонента, задержанный на 30°, смешанный сигнал первичного и вторичного абонента рис. 8г, рисунок 8д сигнал первичного абонента задержанный на 30°.

Предлагаемый метод способен извлекать и анализировать информацию из радио эфира в моменты приема и передачи. Метод позволяет оптимальным образом подстраивать свои внутренние параметры под эфирную обстановку.

Итоги проведения данного эксперимента показали практическую возможность подавления собственного сигнала предлагаемым методом. В процессе эксперименты были выявлены грубые границы отклонения по фазе мешающего сигнала в противофазе от информационного сигнала вторичного абонента.

Итоги проведения эксперимента показали возможность применения данного метода в системах, предназначенных для радиоэлектронной борьбы, если к модели канала добавить блок детектирования помех. Так же данный метод позволяет прослушивать несущую частоту в момент передачи информации, что позволяет услышать в эфире другого пользователя и предотвратить коллизию, CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection — множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий), для беспроводных сетей связи.

ЛИТЕРАТУРА

1. Муравьев И.В., Перцев Л.В., Исаенков Н.С. Обзор методов адаптивного использования спектра // Инженерный Вестник Дона. — 2011. — №3.

2. Муравьев И.В., Осипенко ДА Развитие методов адаптации в беспроводных сетях передачи данных будущих поколений // Естественные и технические науки. — 2011. — № 6. — С.441.

3. Бахтин А.А., Муравьев И.В., Зенин Н.А. Организация высокоскоростного канала связи между элементами системы информационного обеспечения с использованием пространственного разнесения // Естественные и технические науки. — 2011. — №6. — С.432.

4. Попов ПА Ослабление паразитной фазовой модуляции методом амплитудной компенсации // Техника средств связи. — 1981. — Сер. ТРПА. — Вып.1. — С.113-117.

5. Скляр Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Перевод с английского. — М.: Издательский дом "Вильямс", 2004. — 1104 с.

Research methods for creating intelligent communication systems, adapting to a complex radio frequency environment,

based on cognitive radio technology.

Muravyev Ilya, Bakhtin Alexander

Abstract: This article provides a framework for cognitive radio design of future communication systems. The main direction of the article is a description of the method allows a secondary user, the frequency resource, to determine the employment of air and make the transition to a different frequency in the air when a user with higher priority. The proposed method aims to reduce the response time of the secondary system on the primary signals. Method is based on the principle of compensation for coherent signal in the radio. Based on studies of the proposed method has been developed a scheme for detecting the signal of the primary system.

Keywords Radio systems, Adaptation, Spectrum, Multipath, Cognitive radio, Coherent method.

г)