СПОСОБ АДАПТАЦИИ СИСТЕМЫ КВ РАДИОСВЯЗИ С OFDM-СИГНАЛАМИ
METHOD OF ADAPTATION OF SHORT-WAVE COMMUNICATION SYSTEM WITH OFDM-SIGNALS

Изобретение относится к области радиосвязи и может использоваться при построении адаптивных систем и комплексов КВ радиосвязи.
Известен способ адаптации системы радиосвязи по частоте [1-2], основанный на оценке качества канала на нескольких разрешенных частотах и выборе для передачи информации частоты с минимальным уровнем помех. Недостатком этого способа является использование для адаптации только одного параметра (частоты), что требует использования большого количества рабочих частот для обеспечения надежного доведения информации до потребителя. Это не всегда возможно ввиду дефицитности частотного ресурса.
Известен способ адаптации системы радиосвязи по скорости передачи данных [3], который может реализовываться изменением длительности посылки, изменением избыточности кода, изменением вида модуляции. Недостатком способа адаптации по скорости передачи сообщения является необходимость снижения скорости передачи при ухудшении качества канала, что приводит к низкой средней скорости передачи информации. То же будет происходить и в случае многопараметрической адаптации (по рабочей частоте и скорости) в условиях ограниченного частотного ресурса.
Тенденция развития современных адаптивных систем КВ радиосвязи направлена в сторону увеличения скорости передачи информации, в частности, путем применения высокоскоростных модемов, в которых используется технология OFDM (англ. Orthogonal frequency-division multiplexing - мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов), а также повышения надежности связи путем применения многопараметрической адаптации. Примерами построения адаптивной системы КВ радиосвязи с использованием технологии OFDM являются комплексы «ПИРС», «Сердолик» и ряд других.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявленному изобретению является способ адаптации, реализованный в адаптивной системе КВ радиосвязи «ПИРС» [4]. Способ адаптации, реализованный в системе «Пирс», основан на технологии OFDM, поскольку в системе применяется высокоскоростной параллельный модем. В соответствии с данным способом при ведении связи проводится трассовое зондирование путем передачи контрольной комбинации с последующей оценкой качества принятого сигнала. По результатам трассового зондирования осуществляется оценка параметров канала связи: проводится анализ многолучевости, проводится оценка уровня помех и рассчитывается количество обнаруженных кодом ошибок.
По результатам оценки условий распространения радиоволн и помеховой обстановки обеспечивается многопараметрическая адаптация за счет автоматического выбора лучшей частоты в процессе ведения связи, изменения скорости передачи данных (в пределах 300-9600 бит/с) и кодовой скорости (от 0,4 до 0,8).
Недостатком этого способа адаптации является то, что при оценке качества канала учитывается многолучевость и уровень помех, но не учитывается частотное рассеяние, что снижает точность оценки канала связи, и вероятность правильного выбора как лучшей частоты для связи, так и оптимальной скорости передачи для выбранной рабочей частоты. Другим недостатком способа адаптации является необходимость снижения информационной скорости передачи данных при ухудшении качества канала, что приводит к снижению средней скорости передачи информации.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении пропускной способности, обеспечиваемой адаптивной системой связи, использующей для передачи информации OFDM сигналы.
подн
OFDM
OFDM
подн
Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном способе многопараметрической адаптации, основанном на процедуре вхождения в связь, проведении трассового зондирования, оценке состояния канала передачи сообщений, нахождении значений оптимизируемых параметров системы связи, обеспечивающих максимум пропускной способности радиолинии, передаче значений выбранных параметров своему корреспонденту, обмене информационными сообщениями, в число оптимизируемых параметров при осуществлении процесса адаптации системы радиосвязи дополнительно вводят параметр - величина разнесения по частоте соседних поднесущих OFDM - сигнала, при этом, при изменении величины разнесения Δƒ по частоте длительность OFDM-сигнала T, также меняется по закону T=1/Δƒ.
При этом оценку состояния канала связи проводят по величинам параметров канала (частотного рассеяния, временного рассеяния и отношению сигнал/шум), измеряемым в процессе приема сигналов трассового зондирования. Требуемые значения оптимизируемых параметров системы связи определяют с использованием заранее подготовленных таблиц соответствия, в каждой из которых, для каждой пары значений частотного и временного рассеяния возможных в канале связи, определены: минимальное значение отношения сигнал/шум, достаточное для обеспечения связи с заданным качеством, а также тип (или номер) сигнально-кодовой конструкции из числа реализуемых данной системой связи и значение разнесения по частоте соседних поднесущих OFDM сигнала, при которых достигается указанное минимальное значение отношения сигнал/шум.
Таблицы соответствия заранее получают методом имитационного моделирования с использованием модели радиолинии, включающей имитационные модели приемной и передающей сторон системы связи, а также модели канала связи, путем многократного прогона на полученной модели сеансов связи до получения статистически устойчивого результата, число таких таблиц должно быть равно числу информационных скоростей, реализуемых в данной радиолинии. Из таблиц соответствия, начиная с таблицы для максимальной скорости, по измеренным в процессе трассового зондирования значениям частотного и временного рассеяния находят минимальное значение отношения сигнал/шум, при котором обеспечивается связь с необходимым качеством, при этом, если указанное значение меньше измеренного в канале, то выбирают значение скорости, соответствующее данной таблице, иначе переходят к таблице с меньшей скоростью и так до тех пор, пока не найдется таблица, в которой ячейка, соответствующая измеренным значениям частотного и временного рассеяния канала, будет содержать значение отношения сигнал/шум меньшее, чем измеренное в канале. При этом запоминается скорость передачи информации, тип сигнально-кодовой конструкции (СКК) из числа реализуемых данной системой связи и значение разнесения по частоте соседних поднесущих OFDM сигнала, соответствующие ячейке найденной таблицы.
Если имеется несколько рабочих частот, т.е. адаптация возможна и по частоте, то зондирование проводят на всех рабочих частотах, для каждой определяют параметры канала связи, и для каждой частоты описанным выше методом определяют значения скорости передачи информации, типа СКК и разноса по частоте соседних поднесущих OFDM сигнала. Далее выбирается та рабочая частота, при которой достигается максимальная скорость передачи информации, при обеспечении качества связи не хуже заданного. Типа СКК и разноса по частоте соседних поднесущих OFDM сигнала определяют также из таблицы, соответствующей найденной скорости передачи информации.
Таким образом, по измеренным значениям параметров канала связи определяют максимально возможную скорость передачи, значение рабочей частоты, на которой достигается максимальная скорость, значение величины разнесения по частоте соседних поднесущих OFDM - сигнала и тип (или номер) сигнально-кодовой конструкции из числа реализуемых системой связи.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что введение существенных отличительных признаков составляет новизну и позволяет, как будет показано ниже, решить поставленную задачу.
Согласно рекомендации ITU-R F.1487 [7] эффективность модема должна определяться не отдельной кривой помехоустойчивости, а характеристической поверхностью производительности (ХПП), которая представляет собой трехмерную поверхность, показывающую зависимость отношения сигнал/помеха, необходимого для передачи сообщения с заданным качеством связи от величины частотного и временного рассеяния. Поскольку OFDM-модем является составной частью радиолинии, использующей OFDM-сигналы, то эта рекомендация относится также и к радиолинии. На практике может использоваться аппроксимация ХПП прямоугольником и проекция аппроксимированной характеристической поверхности на плоскость, образуемую осями частотного и временного рассеяния [4].
Основной принцип реализации модемов с OFDM предполагает, что увеличение или уменьшение расстояния между поднесущими должно приводить к обратно пропорциональному увеличению или уменьшению длительности символа. При увеличении разноса поднесущих по частоте, увеличивается устойчивость модема к частотному рассеянию канала связи и одновременно уменьшается устойчивость к временному рассеянию, т.к. длительность сигнала уменьшается. И наоборот, при уменьшении разноса поднесущих по частоте устойчивость модема к частотному рассеянию канала связи уменьшается, а устойчивость к временному рассеянию увеличивается.
Таким образом, получая, например, с помощью периодически проводимого трассового зондирования, информацию о текущем частотном и временном рассеянии в канале и изменяя, соответственно этим данным, расстояние между поднесущими в OFDM-сигнале, можно адаптировать параметры работы модема к условиям распространения в ионосферном радиоканале. При этом адаптация по величине разноса между поднесущими не приводит к изменению информационной скорости, реализуемой модемом. Проведенное авторами имитационное моделирование показало эффективность предлагаемого метода адаптации.
Предлагаемый способ адаптации реализуется следующим образом.
После состоявшегося вхождения в связь, которое может производиться любым из известных методов, определяют необходимость проведения трассового зондирования. Трассовое зондирование может проводиться в паузах, возникающих при передаче сообщений, периодически через время, меньшее интервала стационарности канала связи, либо по запросу приемной стороны, при снижении качества приема. Если проведение трассового зондирования необходимо, то передающая сторона передает тестовый сигнал трассового зондирования на каждой из частот, отведенных для связи. На приемной стороне осуществляют прием тестовых сигналов, прошедших через канал, и проводят его цифровую обработку, в процессе которой определяют амплитудно-частотную, фазо-частотную и импульсную характеристики канала связи (АЧХ, ФЧХ и ИХ). На основе полученных импульсных характеристик находят функцию рассеяния канала (ФРК) и определяют значения временного и частотного рассеяния, а также находят отношение сигнал/шум.
По полученным значениям параметров канала (временное рассеяние, частотное рассеяние, отношение сигнал/шум) с использованием заранее рассчитанной таблицы соответствия находят оптимизируемые параметры радиолинии (рабочая частота, информационная скорость передачи данных, расстояние между поднесущими, вид или условный номер сигнально-кодовой конструкции), которые обеспечивают максимальную пропускную способность радиолинии.
Найденные значения оптимизируемых параметров радиолинии передают для установки на передающую сторону. После установки новых параметров на приемной и передающей стороне передачу информационного сигнала продолжают до конца связи, либо до очередного сеанса зондирования.
В качестве сигналов трассового зондирования, позволяющих получать текущие значения характеристик канала связи, могут использоваться сигналы фазовой и частотной манипуляции, сигналы последовательного модема, сигналы линейной частотной манипуляции (ЛЧМ), передаваемые в полосе информационного сигнала.
Далее, для определенности, считаем, что в качестве сигналов трассового зондирования использованы последовательности ЛЧМ-сигналов, передаваемые в полосе информационного сигнала. Метод определения ФРК, при приеме последовательности ЛЧМ-сигналов, передаваемых в полосе информационного сигнала, представлен в работе [5]. Метод получения значений параметров частотного и временного рассеяния, а также отношения сигнал/шум описан в работе [6].
Таблицы соответствия представляют собой заранее рассчитанные таблицы минимальных значений отношения сигнал/шум, требуемых для обеспечения используемым модемом заданного качества принятого сигнала (заданной вероятности ошибки), при заданных значениях временного и частотного рассеяния в канале). Кроме минимальных значений отношения сигнал/шум в таблицах также указывается номер сигнально-кодовой конструкции и разнесение поднесущих по частоте, при которых достигается минимальное значение. Число таких таблиц должно быть равно числу возможных скоростей, реализуемых OFDM-модемом. Например, для полосы сигнала 3,1 кГц может быть принят следующий ряд скоростей, принятый для использования в КВ радиоканале: 75, 100, 200, 300, 500, 1200, 2400, 4800, 7200, 9600 бит/с, при этом для реализации всего ряда информационных скоростей используют насколько различных сигнально-кодовых конструкций (СКК).
Значения временного и частотного рассеяния, используемые в таблицах, принимают в соответствии с рекомендацией ITU-R F.1487 [7]. Таким образом, временное рассеяние канала может принимать следующие значения:
0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 3,5; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10; 11; 12; 14; 16; 18; 20 мс
Частотное рассеяние может принимать следующие значения:
0,1; 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 3,5; 4; 6; 8; 10; 12; 14; 16; 18; 20; 24; 28; 32; 36; 40 Гц
Таблица соответствия, в этом случае, представляет собой матрицу всевозможных состояний канала размерностью [20×22], в каждой ячейке которой установлено минимальное значение сигнал/шум, необходимое для обеспечения заданного значения вероятности ошибки, а также тип СКК и величина расстройки по частоте соседних поднесущих OFDM-сигнала, при которых этот минимум достигается. Диапазоны рассчитываемых значений отношения сигнал/помеха также могут быть выбраны из рекомендации [7], однако, в зависимости от назначений системы, и используемого модема, указанный диапазон может быть изменен. Задаваемое значение вероятности ошибки, которое должно обеспечиваться на выходе модема (в демодулированном и декодированном сигнале) определяется, главным образом, характеристиками используемой оконечной аппаратуры. Число таких таблиц соответствия должно быть равно числу возможных скоростей передачи информации.
Расчет таблиц соответствия производят методом имитационного моделирования с использованием имитационных моделей системы связи и канала связи путем многократного прогона на полученной модели сеансов связи до получения статистически устойчивого результата. В качестве модели канала связи принимают модель Ваттерсона, рекомендованную ITU-R.
При проведении моделирования каждой паре значений частотного и временного рассеяния, которые возможны в канале, необходимо сопоставить минимальное значение отношения сигнал/шум, при котором достигается заданное качество принимаемого сигнала, расстройку по частоте между поднесущими OFDM-сигнала и номер сигнально-кодовой конструкции, из числа реализуемых модемом. Необходимость введения номера СКК определяется тем, что различные информационные скорости могут реализовываться различными СКК, кроме того в некоторых случаях одна и та же информационная скорость, определяемая полосой сигнала, типом модуляции, скоростью кода, процентом пилот сигналов относительно общего числа поднесущих может быть реализована применением различных СКК. В последнем случае должна быть использована та СКК, которая обеспечивает меньшее требуемое отношение сигнал/шум для реализации связи с заданным качеством (заданную вероятность ошибок).
При проведении расчета таблиц соответствия необходимо:
ош
- задать качество приема, например, Р=0.001;
- зафиксировать скорость передачи данных, которая определяется полосой, типом модуляции, скоростью кода, процентом пилот-сигналов относительно общего числа поднесущих,
- определить диапазон и шаг изменения задаваемых значений отношения сигнал/помеха, например, от 0 дБ до 50 дБ с шагом 1 дБ,
- определить диапазон и шаг изменения расстояний между поднесущими, рекомендуемые значения от 4 Гц до 64 Гц с шагом 4 Гц.
Для ряда фиксированных расстояний между поднесущими, которые определяются возможными величинами частотного и временного рассеяния (рекомендуемые значения от 4 Гц до 64 Гц с шагом 4 Гц), проводят имитационный эксперимент по прохождению модемного сигнала через канал с заданными замираниями. Эксперимент при заданном отношении сигнал/помеха проводят до тех пор, пока не накопилось заданное число ошибок, обеспечивающее статистическую устойчивость результата моделирования.
Далее производят оценку вероятности ошибки при данном отношении сигнал/шум. Если оцененное значение вероятности ошибки получилось больше требуемого, то увеличиваем отношение сигнал/шум на 1 дБ и снова проводим испытания. Если отношение сигнал шум превысило уровень 50 дБ, то эксперимент прекращается и происходит изменение частотного и временного рассеяния. Если на каком-то шаге изменения отношения сигнал/шум удалось добиться значения качества приема, удовлетворяющего заданным требованиям, то вычисления прекращаются, и методом линейной интерполяции вычисляется отношение сигнал/помеха, при котором достигается заданная вероятность ошибки.
После определения отношения сигнал/шум для фиксированной точки матрицы состояния канала переходим к следующему значению частотного и временного рассеяния. После того как требуемое отношение сигнал/шум определено для всех точек матрицы состояния канала связи, переходим к следующему расстоянию между поднесущими.
ош
В итоге для каждой скорости получают таблицу соответствия, в которой для каждой пары возможных в канале значений частотного и временного рассеяния определены минимальное значение сигнал/шум, при котором вероятность ошибки принимаемых сообщений не превышает заранее установленного значения Р, а также, номер сигнально-кодовой конструкции и величину разнесения по частоте соседних поднесущих OFDM-сигнала, при которых этот минимум был достигнут.
Определение значений оптимизируемых параметров системы радиосвязи проводят начиная с таблицы соответствия для максимальной информационной скорости следующим образом, по измеренным в процессе трассового зондирования значениям частотного и временного рассеяния находят соответствующую этим значениям ячейку таблицы соответствия, сравнивают значение отношения сигнал/шум, записанное в таблице, со значением отношения сигнал/шум, измененным в канале в процессе трассового зондирования. При этом, если отношение сигнал/шум, указанное в ячейке таблицы, меньше или равно измеренному в канале, то выбирают значение информационной скорости, соответствующее данной таблице, иначе переходят к таблице с меньшей скоростью и повторяют процесс сравнения, пока не найдут информационную скорость, для которой значение отношения сигнал/шум, указанное в соответствующей ячейке таблицы, меньше или равно измеренному в канале. Трассовое зондирование проводят на всех рабочих частотах, отведенных для связи, и для каждой частоты определяют максимальную скорость, при которой достигается заданное качество связи, далее выбирают ту рабочую частоту, на которой обеспечивается максимальная информационная скорость, значение величины разнесения по частоте соседних поднесущих OFDM-сигнала и номер используемой сигнально-кодовой конструкции выбирают из ячейки таблицы, соответствующей найденной информационной скорости.
Оптимизация величины расстройки по частоте между поднесущими OFDM-сигнала позволяет без изменения информационной скорости модема адаптировать излучаемый сигнал к текущим параметрам канала, что увеличивает среднюю скорость и пропускную способность, реализуемую модемом. Повышению пропускной способности способствует также предлагаемый метод определения оптимальных параметров системы связи по результатам трассового зондирования. Заранее рассчитанные таблицы соответствия позволяют более точно определять требуемые значения характеристик системы связи, по сравнению с другими известными методами.
Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет решить поставленную задачу.
Источники информации
1. Комарович В.Ф., Сосунов В.Н. Случайные радиопомехи и надежность КВ связи. - М.: Связь, 1977, 135 с.
2. Патент РФ №2138926, заявлен 11.01.1995 г., опубл. 27.09.1999 г. Способ и устройство для адаптивного выбора стратегии осуществления связи в системе радиосвязи с селективным вызовом абонентов. Лейтч К.Д., Швендеман Р.Д., Макнак Ф.П. Заявитель Моторолла, Инк. (US).
3. Патент РФ №2284659, заявлен 28.04.2004 г., опубликован 27.09.2006 г. в Бюл. №27. Способ и устройство для адаптивной радиосвязи. Балыбин В.М., Рыжов П.П. и др.
4. Комплекс технических средств адаптивной передачи данных и речи по КВ каналам серии «Пирс», http://www.rimr.ru/adm/uploaded/f10690-b03.doc.
5. Иванов В.А., Рябова Н.В., Царев И.Е. Диагностика функции рассеяния декаметровых узкополосных стохастических радиоканалов // Радиотехника и электроника. Том 55, №3, Москва: Академиздатцентр «Наука», 2009. - С. 1-7.
6. Иванов В.А., Рябова Н.В., Царев И.Е. Канальный зонд для исследования функции рассеяния ионосферных ВЧ радиоканалов // Труды симпозиума XXII-ой Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн», сентябрь 2008, №2, с. 45-48.
7. Recommendation ITU-R F.1487, Testing of HF modems with bandwidths of up to about 12 kHz using ionospheric channel simulators - ITU-R. - 2000 г.
8. W. Henkel, V. Azis, "Partial Transmit Sequences and Trellis Shaping," 5th International ITG Conference on Source and Channel Coding (SCC), Erlangen, January 14-16, 2004.