Способ активного контроля рабочих частот с идентификацией вида деструктивных воздействий
METHOD FOR ACTIVE MONITORING OF OPERATING FREQUENCIES WITH IDENTIFICATION OF TYPE OF DESTRUCTIVE EFFECTS

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для применения в системах передачи данных, использующих частотно-адаптивный режимы работы или режимы с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты.
Известен способ активного контроля рабочих частот, см. [Егоров В.В., Катанович А.А., и др. Способ активного контроля рабочих частот. Патент РФ №2447579 по заявке №2010101884/08 от 21.01.2010].
В известном способе сообщение на рабочей частоте передается полностью, за исключением последнего информационного пакета, а последний пакет каждого сообщения передают на одной из резервных частот, при этом на приемной стороне по числу исправленных корректирующим кодом ошибок определяется степень пригодности данной резервной частоты на смену рабочей, и таким образом, резервные частоты расставляются в вариационный ряд, определяющий приоритеты в использовании частот.
Недостатком известного способа является то, что его реализация предполагает косвенный анализ рабочих частот на основе исправляющей способности кода, не позволяющего идентифицировать вид деструктивного воздействия и, следовательно, изменить алгоритм функционирования системы передачи данных, что при увеличении числа непригодных частот приводит к снижению скорости передачи данных.
Известен способ определения лучшей частоты на основе предварительного зондирования, описанный в [Дворников С.В., Пшеничников А.В., Манаенко С.С Статистические характеристики помехозащищенных радиолиний с управлением частотным ресурсом / Информационные технологии. - М.: 2019. №1. С. 35-40].
В способе-аналоге источник информации последовательно отправляет на каждой из возможных частот заранее подготовленный тестовый блок данных, известный на приемной стороне. При этом системы передачи данных на приемной и передающей сторонах перестраиваются с частоты на частоту синхронно. Приемник информации производит оценку параметров канала связи на соответствующей частоте и по каналу обратной связи сообщает передающей стороне о качестве канала связи. После получения необходимой статистики по всему выделенному частотному ресурсу принимают решение о выборе рабочей частоты для передачи данных.
Недостаток способа-аналога заключается в том, что определение события пригодности/непригодности рабочей частоты не позволяет идентифицировать вид деструктивного воздействия и, следовательно, изменить алгоритм функционирования системы передачи данных, что при увеличении числа непригодных частот приводит к снижению скорости передачи данных.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к заявляемому является способ активного контроля рабочих частот, описанный в [Дворников С.В., Пшеничников А.В., и др. Способ активного контроля рабочих частот. Патент РФ №2710027 от 24.12.2019].
В способе-прототипе источник информации последовательно отправляет на каждой из возможных частот заранее подготовленный тестовый блок данных, известный на приемной стороне, при этом системы передачи данных на приемной и передающей сторонах перестраивают с частоты на частоту абсолютно синхронно, приемник информации производит оценку параметров канала связи на соответствующей частоте и по каналу обратной связи сообщает передающей стороне о качестве канала связи, после получения необходимой статистики по всему выделенному частотному ресурсу принимают решение о выборе рабочей частоты для передачи данных. При этом сообщают передающей стороне о качестве канала на той частоте, на которой был принят подготовленный тестовый блок, причем, в тот момент, когда принимают подготовленный тестовый блок на текущей частоте, одновременно сообщают передающей стороне о качестве канала на предыдущей частоте.
Недостатком способа-прототипа является то, что определение события пригодности/непригодности рабочей частоты не позволяет идентифицировать вид деструктивного воздействия и, следовательно, изменить алгоритм функционирования системы передачи данных, что приводит при увеличении числа непригодных частот к снижению скорости передачи данных.
Целью изобретения является создание способа активного контроля рабочих частот с идентификацией вида деструктивных воздействий.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение скорости передачи данных в помехозащищенной радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты путем определения вида деструктивного воздействия.
Заявляемый технический результат достигается тем, что в способе активного контроля рабочих частот с идентификацией вида деструктивных воздействий источник информации последовательно отправляет на каждой из возможных рабочих частот заранее подготовленный тестовый блок данных, известный на приемной стороне, при этом системы передачи данных на приемной и передающей сторонах перестраивают с частоты на частоту абсолютно синхронно, приемник информации производит оценку параметров канала связи на соответствующей рабочей частоте и сообщает передающей стороне о качестве канала связи, после получения необходимой статистики по всему выделенному частотному ресурсу принимают решение о выборе рабочей частоты для передачи данных, сообщают передающей стороне о качестве канала на той частоте, на которой был принят подготовленный тестовый блок, при этом, в тот момент, когда принимают подготовленный тестовый блок на текущей рабочей частоте, одновременно сообщают передающей стороне о качестве канала на предыдущей рабочей частоте и отличается тем, что на основе проведенного анализа рассчитывают допустимое количество пригодных рабочих частот, при котором применение процедур тестирования еще обеспечивает требуемую скорость передачи данных, если общее количество непригодных частот превышает расчетное, допустимое количество, то дополнительно на каждой выявленной непригодной рабочей частоте передают специальный тестовый сигнал, а на приемной стороне производят структурный анализ особенностей его искажений на каждой рабочей частоте, на которой он передавался, результаты структурного анализа сравнивают с предварительно подготовленными эталонными значениями, по результатам сравнения с которыми принимают решение о виде деструктивного воздействия, и при необходимости, изменяют параметры и режимы работы системы передачи данных.
Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном способе предоставляется возможность идентифицировать параметры организованных помех на рабочих частотах и изменить режим работы систем передачи данных на тот, который способен повысить помехоустойчивость сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты, зная конкретный вид деструктивного воздействия, и снизить тем самым эффект воздействия помех, что в совокупности позволяет повысить скорость передачи данных и достичь технический результат. Так, в способах-аналогах и в прототипе скорость передачи данные повышается путем отбраковки частот, уровень помех на которых превышает допустимый для безыскаженной передачи данных. В случае, когда под воздействием организованных помех количество отбракованных частот увеличивается, то скорость передачи данных уменьшается (так как уменьшается количество пригодных рабочих частот). Также нарушается режим работы с программной перестройкой рабочей частоты с его преимуществами. Таким образом, определив вид организованной помехи, например, - шумовая помеха в части полосы, для повышения помехоустойчивости сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты могут применяться такие режимы работы (разработанные в монографии [Борисов В.И., Зинчук В.М., Лимарев А.Е. Помехозащищенность систем радиосвязи расширением спектра сигналов методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты // под ред. В.И. Борисова; изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: РадиоСофт, 2008. - 512 с.]): частотное разнесение информационных символов, адаптивная регулировка усиления, увеличение размера алфавита передачи.
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показаны:
Фиг. 1 - частотно-временная матрица, поясняющая принцип активного контроля рабочих частот, реализованного в заявляемом способе и способе-прототипе;
Фиг. 2 - временной фрагмент функционирования системы передачи данных с реализацией заявляемого способа.
Сущность замысла заявляемого способа базируется на реализованных особенностях способа-прототипа. В способе-прототипе, (см. фиг. 1) источник информации последовательно отправляет на каждой из возможных для работы частоте заранее подготовленный тестовый блок данных  здесь верхний индекс указывает частоту, на которой передают тестовый блок данных. При этом передачу тестового блока производят последовательно на всех возможных для работы системы передачи данных частотах. Таким образом, осуществляют тестирование рабочих частот. В ходе тестирования определяют факт пригодности/непригодности каждой рабочей частоты путем подсчета количества ошибочно принятых элементов тестового блока. Недостаток способа-прототипа заключается в том, что если выявленное количество непригодных для работы частот превысит некоторое допустимое значение, то применение процедур предварительного тестирования становится нецелесообразным, так как его применение не обеспечивает заявленный технический результат. Кроме того, способ-прототип не позволяет определить характер деструктивных воздействий на канал связи и, следовательно, своевременно изменить параметры и режим работы системы передачи данных в целях повышения скорости передачи данных.
В заявляемом способе, первоначально, аналогично способу-прототипу, производится анализ пригодности рабочих частот. В случае, когда количество выявленных непригодных рабочих частот становится больше допустимого, дополнительно используют тестовый сигнал, который передают последовательно на каждой выявленной непригодной рабочей частоте. Структура тестового сигнала известна на приемной стороне, что позволяет выявить структурные искажения, возникающие в канале. Затем выявленные структурные искажения сравнивают с эталонными значениями, которые формируют предварительно, в результате воздействия на специальный тестовый сигнал при его передаче в канале с различными видами деструктивных воздействий. Таким образом, составляют базу эталонных значений, позволяющую по результатам анализа структурных искажений тестового сигнала идентифицировать вид деструктивного воздействия. По результатам проведенной идентификации определяют вид деструктивного воздействия и принимают решение на изменение параметров и режимов работы системы передачи данных.
ri
ai
a2
r3
Отличительной особенностью разработанного способа является выбор интервалов работы T и анализа T (см. фиг. 2), который осуществляют на основе статистических параметров каналов радиосвязи [Дворников С.В., Пшеничников А.В., Манаенко С.С Статистические характеристики помехозащищенных радиолиний с управлением частотным ресурсом / Информационные технологии. - М.: 2019. №1. С. 35-40]. Такой подход обеспечивает периодический контроль используемых рабочих частот на всем временном интервале функционирования системы передачи данных, что и позволяет повысить скорость передачи данных. То есть, время анализа T (см. фиг. 2) увеличивается на длительность тестовой посылки только в наихудшем случае, когда количество пораженных организованной помехой рабочих частот превышает порог, необходимый для своевременной передачи данных. Иначе передача данных была бы неосуществима и режим работы с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты был бы полностью нарушен (T стремилась бы к нулю), (см. фиг. 2).
А поскольку в радиоканале, например, декаметровой связи набор видов деструктивных воздействий ограничен [Пшеничников А.В. Модели и методы помехозащиты: монография. - СПб.: 2017. - 132 с.], то в большинстве случаев они будут идентифицированы. Зная вид и характер деструктивного воздействия, можно соответствующим образом изменить параметры и режимы работы системы передачи данных, которые подробно описаны в [Борисов В.И., Зинчук В.М., Лимарев А.Е. Помехозащищенность систем радиосвязи расширением спектра сигналов методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты // под ред. В.И. Борисова; изд 2-е, перераб. и доп. - М.: РадиоСофт, 2008. - 512 с.]. Таким образом, обеспечивается достижение заявляемого технического результата.
Реализация заявляемого способа осуществляется следующим образом.
1. Источник информации последовательно отправляет на каждой из возможных частот заранее подготовленный тестовый блок данных, известный на приемной стороне.
Реализация указанных процедур известна и описана в способе-прототипе (патент РФ на изобретение 2710027 от 24.12.2019), а также в статье [Дворников С.В., Пшеничников А.В., Манаенко С.С Статистические характеристики помехозащищенных радиолиний с управлением частотным ресурсом / Информационные технологии. -М.: 2019. №1. С. 35-40].
Порядок и принцип формирования цифровых потоков в виде импульсных последовательностей известен, см. [Герасименко В.Г., Тупота В.И., Тупота А.В. Способ передачи дискретной информации в радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты. Патент №2228575 по заявке №2002117818/09 от 02.07.2002.].
2. Система передачи данных на приемной и передающей сторонах перестраивается с частоты на частоту абсолютно синхронно. Реализация указанных процедур для линий радиосвязи с ППРЧ известна, описана в прототипе и, например, в [Герасименко В.Г., Тупота В.И., Тупота А.В. Способ передачи дискретной информации в радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты. Патент №2228575 по заявке №2002117818/09 от 02.07.2002.], а также в монографии [Борисов В.И., Зинчук В.М., Лимарев А.Е. Помехозащищенность систем радиосвязи расширением спектра сигналов методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты // под ред. В.И. Борисова; изд. 2-е, перераб. и доп. -М.: РадиоСофт, 2008. - 512 с.].
3. Приемник информации производит оценку параметров канала связи на соответствующей частоте.
Реализация указанных процедур для линий радиосвязи, реализующих способ активного контроля рабочих частот известна и описана в способе-прототипе и, в частности, в [Дворников С.В., Пшеничников А.В., и др. Способ активного контроля рабочих частот. Патент РФ на изобретение 2710027 от 24.12.2019.], а также в статье [Дворников С.В., Пшеничников А.В., Манаенко СС Статистические характеристики помехозащищенных радиолиний с управлением частотным ресурсом / Информационные технологии. -М.: 2019. №1. С. 35-40.].
4. Сообщают передающей стороне о качестве канала на той частоте, на которой был принят подготовленный тестовый блок, причем, в тот момент, когда принимают подготовленный тестовый блок на текущей частоте, одновременно сообщают передающей стороне о качестве канала на предыдущей частоте.
Указанные процедуры аналогичны используемым в способе- прототипе.
5. После получения необходимой статистики по всему выделенному частотному ресурсу принимают решение о выборе рабочей частоты для передачи данных.
Указанные процедуры аналогичны используемым в способе- прототипе.
6. Оценивают допустимое значение пригодных частот, при котором применение процедур тестирования обеспечивает требуемую скорость передачи данных.
Указанная процедура может быть реализована на основе формирования вектора рабочих частот и представляет собой реализацию формирования вектора двоичных чисел, причем номера элементов соответствуют номеру частоты, а значение элемента отражает событие пригодности/непригодности рабочей частоты, например, 1 - частота пригодна, 0 - частота непригодна. Процедура формирования вектора двоичных чисел аналогична формированию последовательностей двоичных чисел и приведена в [Дворников С.В., Пшеничников А.В., и др. Способ активного контроля рабочих частот. Патент РФ на изобретение 2710027 от 24.12.2019.]. На основе подсчета единичных значений элементов вектора определяется количество пригодных частот, которое сравнивают с пороговым значением. Пороговое значение пригодных частот определяется, исходя из необходимости реализации алгоритма функционирования системы передачи данных [Борисов В.И., Зинчук В.М., Лимарев А.Е. Помехозащищенность систем радиосвязи расширением спектра сигналов методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты // под ред. В.И. Борисова; изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: РадиоСофт, 2008. - 512 с.], [Адаптивные автоматизированные системы военной радиосвязи / Ю.П. Килимник, Е.В. Лебединский, В.К. Прохоров, А.Н. Шаров. // Под ред. А.Н. Шарова. - Л.: ВАС, 1978. - 284 с.], [Пшеничников А.В. Модели и методы помехозащиты: монография. - СПб.: 2017. - 132 с.].
7. Если общее количество непригодных частот превышает расчетное допустимое значение, то дополнительно на непригодных частотах передают специальный тестовый сигнал.
Указанная процедура реализуется на основе передачи команды на продолжение анализа частот и передаче тестовой последовательности. Команда на продолжение процедуры анализа формируется методом формирования двоичной последовательности чисел, см. [Дворников С.В., Пшеничников А.В., и др. Способ активного контроля рабочих частот. Патент РФ на изобретение 2710027 от 24.12.2019.]. Тестовый сигнал формируется на основе модуляции тестового блока. Способы модуляций известны и приведены, например, в [Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение / Пер. с англ.; Под ред. А.В. Назаренко. - М.: «Вильямс», 2003. - 1104 с.].
8. На приемной стороне производят структурный анализ особенностей искажений тестового сигнала на каждой частоте, на которой он передавался.
Реализация данной процедуры может быть реализована на основе формирования на приемной стороне радиосигнала из тестового блока с видом модуляции идентичным передающей стороне. Способы модуляции известны и описаны, например, в [Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение / Пер. с англ.; Под ред. А.В. Назаренкою - М.: «Вильямс», 2003. - 1104 с.].
Частота формирования определяется исходя из условий фильтрации и линейности обработки трактов радиоприемника, см., например, в [Заварзин Г.Д., Мартынов В.А., Федорцов Б.Ф. Радиоприемные устройства. - М. Воениздат, 1973 г.]. Далее принятый и сформированный радиосигналы вычитаются на частоте обработки. Реализацию данной процедуры целесообразно реализовать на методах цифровой обработки сигналов, представленных, например, в [Оппенгейм А.В., Шафер Р.В. Цифровая обработка сигналов. - М.: Связь, 1979. - 416 с.]. Учитывая, что данная процедура предъявляет высокие требования к линейности трактов радиоприемника, то ее целесообразно осуществлять до демодуляции. Далее осуществляется спектральный анализ полученного таким образом сигнала. Методы спектрального анализа известны и приведены, в частности, в [Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение / Пер. с англ.; Под ред. А.В. Назаренко. - М.: «Вильямс», 2003. - 1104 с.]. Затем производят сравнение сигнала с эталонными видами сигналов и помех, см. патент РФ на изобретение 2525302 от 10.08.2014.
9. Результаты структурного анализа сравнивают с предварительно подготовленными эталонными значениями.
Данная процедура известна и приведена, например, в патенте РФ на изобретение №2525302 от 10.08.2014. Отличительной особенностью реализуемой процедуры является сравнение с известными спектрально-энергетическими характеристиками сигналов и помех, приведенных, например, в [Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение / Пер. с англ.; Под ред. А.В. Назаренко. - М.: «Вильямс», 2003. - 1104 с.], а также в [Борисов В.И., Зинчук В.М., Лимарев А.Е. Помехозащищенность систем радиосвязи расширением спектра сигналов методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты // под ред. В.И. Борисова; изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: РадиоСофт, 2008. - 512 с.].
10. По результатам сравнения принимают решение о виде деструктивного воздействия.
На основе выявленных в п. 8, 9 признаках определяют параметры воздействия и сравнивают их с известными видами воздействий, представленных, в частности, [Борисов В.И., Зинчук В.М., Лимарев А.Е. Помехозащищенность систем радиосвязи расширением спектра сигналов методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты // под ред. В.И. Борисова; изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: РадиоСофт, 2008. - 512 с.], [Иванов М.С., Макаренко С.И., Попов С.А. Помехозащищенность систем связи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты: монография. - СПб.: свое издательство, 2013. - 166 с.].
11. На основе результатов по п. 10 изменяют параметры и режимы работы систем передачи данных.
Процедура выбора параметров и режимов функционирования в зависимости от вида воздействия известна и описана, например, в [Борисов В.И., Зинчук В.М., Лимарев А.Е. Помехозащищенность систем радиосвязи расширением спектра сигналов методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты // под ред. В.И. Борисова; изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: РадиоСофт, 2008. - 512 с.], [Адаптивные автоматизированные системы военной радиосвязи / Ю.П. Килимник, Е.В. Лебединский, В.К. Прохоров, А.Н. Шаров. // Под ред. А.Н. Шарова. - Л.: ВАС, 1978. - 284 с.], [Пшеничников А.В. Модели и методы помехозащиты: монография. - СПб.: 2017. - 132 с.].
ai
ri
ri
Имитация алгоритма функционирования линии радиосвязи на основе разработанного способа выявила увеличение времени анализа T примерно на 15-20% в зависимости от исходных данных, но в то же время, благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном способе стало возможным увеличить время работы T системы передачи данных в условиях большого количества непригодных частот, что в противном случае означало бы полное нарушение функционирования системы передачи данных (T → 0) и в совокупности позволяет повысить скорость передачи данных в условиях организованных помех и достичь технического результата.