Способ выбора скорости передачи в радиолиниях
METHOD FOR SELECTING THE TRANSMISSION RATE IN RADIO LINKS

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для адаптивного выбора скорости передачи в радиолинии по результатам измерения текущего значения отношения мощности сигнала к мощности шума и помех в полосе приема сигнала (ОСШ).
H04B 7/005
Известны система и способ для динамической адаптации скорости передачи данных и мощности передачи с помощью протокола передачи маяка (патент РФ № 2381622, ).
В известном способе динамического выбора скорости передачи данных и/или мощности передачи в системе связи, включающей в себя множество устройств, включающих в себя, по меньшей мере, одно приемное устройство и, по меньшей мере, одно передающее устройство, заключающийся в том, что делят время на последовательность из, по меньшей мере, одного суперкадра; внедряют в приемное устройство обратную связь в маяк, причем указанная обратная связь по состоянию или качеству линии связи дополнительно содержит, по меньшей мере, одно из следующего: отношение сигнал/шум; уровень принятого сигнала; уровень шума; частоту пакетных ошибок; частоту битовых ошибок; потери в тракте и любую другую характеристику качества канала или приема.
Недостаток известного способа заключается в ограниченности его применения, т.к. он относится только к беспроводным системам связи, использующим протокол MAC, в которых устройства передают маяк.
G01R 23/00
Известен способ выбора скорости передачи элементов сигнала в радиомодемах (патент РФ № 2640431, ).
Известный способ заключается в том, что принимают сигнал, измеряют его ширину спектра, значение которой уточняют по мере поступления сигнала. Измеряют уровень мощности спектральной составляющей сигнала с максимальным значением амплитуды, а ширину спектра сигнала измеряют в пределах полосы его половинной мощности, причем решение о выбранном номинале скорости передачи осуществляют по результатам сравнения измеренных значений ширины спектра с предварительно рассчитанными значениями, соответствующими тем номиналам скоростей, для работы с которыми предназначены радиомодемы, искомым значением является то, различия с которым по результатам измерения наименьшие.
Недостаток способа заключается в том, что он не обеспечивает адаптацию скорости в радиолинии в зависимости от ОСШ.
G08C 13/00
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является способ выбора скорости передачи в радиолиниях, по патенту РФ 2744037, , принятый за прототип.
Способ-прототип заключается в том, что принимают сигнал, измеряют уровень мощности сигнала, измеряют ширину спектра сигнала, сравнивают измеренные значения с предварительно рассчитанными значениями, принимают решение по результатам измерения, а предварительно на приемном конце радиолинии задают градации полосы пропускания приемного тракта в соответствии с номиналами допустимых скоростей передачи для радиолинии, измеряют уровень шума на приемной стороне радиолинии и рассчитывают его спектральную плотность мощности; первоначально принимают переданный тестовый сигнал с минимально допустимой для радиолинии скоростью передачи, измеряют уровень мощности тестового сигнала и рассчитывают текущее значение отношения мощности тестового сигнала к спектральной плотности мощности шума, передают рассчитанное текущее значение отношения мощности тестового сигнала к спектральной плотности мощности шума на передающую сторону на минимально допустимой для радиолинии скорости, устанавливают градацию полосы пропускания приемного тракта в соответствии с допустимой скоростью передачи, определяемой для текущего значения отношения мощности тестового сигнала к спектральной плотности мощности шума, передают информационные сообщения в виде пакетов со скоростью, определяемой для текущего значения отношения мощности тестового сигнала к спектральной плотности мощности шума, принимают переданный сигнал информационного сообщения на длительности пакета и измеряют соответствующее ему значение отношения мощности информационного сигнала к спектральной плотности мощности шума, передают измеренное значение отношения мощности информационного сигнала к спектральной плотности мощности шума на передающую сторону, при этом если измеренное значение отношения мощности информационного сигнала к спектральной плотности мощности шума окажется меньше рассчитанного значения отношения мощности тестового сигнала к спектральной плотности мощности шума, то на передающей стороне уменьшают скорость передачи на одну градацию, а на приемной уменьшают на одну градацию полосу пропускания приемного тракта, а если измеренное значение отношения мощности информационного сигнала к спектральной плотности мощности шума окажется не меньше рассчитанного значения отношения мощности тестового сигнала к спектральной плотности мощности шума, то передают следующий пакет информационных сообщений, указанные процедуры повторяют до тех пор, пока не будут переданы все пакеты информационных сообщений.
Недостаток способа-прототипа заключается в том, что он не учитывает возможность изменения значения мощности шума в радиолинии в ходе передачи сигнала информационного сообщения.
Задача предлагаемого
способа заключается в расширении области его применения, а именно в обеспечении возможности адаптации скорости в радиолинии в зависимости от отношения мощности сигнала к мощности шума и помех, с учетом возможного изменения значения мощности шума в радиолинии в ходе передачи сигнала информационного сообщения.
задают
Для решения поставленной задачи в способе, заключающемся в том, что  градации полосы пропускания приемного тракта в соответствии с номиналами допустимых скоростей передачи для радиолинии;
измеряют
уровень шума на приемной стороне радиолинии и рассчитывают его спектральную плотность мощности;
принимают
переданный тестовый сигнал;
измеряют
уровень мощности тестового сигнала и рассчитывают текущее значение отношения мощности тестового сигнала к спектральной плотности мощности шума;
передают
рассчитанное текущее значение отношения мощности тестового сигнала к спектральной плотности мощности шума на передающую сторону на минимально допустимой для радиолинии скорости;
устанавливают
градацию полосы пропускания приемного тракта в соответствии с допустимой скоростью передачи, определяемой для текущего значения отношения мощности тестового сигнала к спектральной плотности мощности шума;
передают
информационные сообщения в виде пакетов со скоростью, определяемой для текущего значения отношения мощности тестового сигнала к спектральной плотности мощности шума;
принимают
переданный сигнал информационного сообщения на длительности пакета и измеряют соответствующее ему значение отношения мощности информационного сигнала к спектральной плотности мощности шума;
передают
измеренное значение отношения мощности информационного сигнала к спектральной плотности мощности шума на передающую сторону;
уменьшают
уменьшают
при этом если измеренное значение отношения мощности информационного сигнала к спектральной плотности мощности шума окажется меньше рассчитанного значения отношения мощности тестового сигнала к спектральной плотности мощности шума, то на передающей стороне  скорость передачи на одну градацию, а на приемной  на одну градацию полосу пропускания приемного тракта;
а если измеренное значение отношения мощности информационного сигнала к спектральной плотности мощности шума окажется не меньше рассчитанного значения отношения мощности тестового сигнала к спектральной плотности мощности шума, то передают следующий пакет информационных сообщений;
согласно изобретению
указанные процедуры повторяют до тех пор, пока не будут переданы все пакеты информационных сообщений, ,
первоначально
последовательно передают тестовые сигналы для каждого допустимого значения скорости передачи,
принимают последовательно переданные тестовые сигналы в пределах градаций полос пропускания приемного тракта в соответствии с номиналами допустимых скоростей передачи для радиолинии;
дополнительно при приеме тестовых сигналов рассчитывают и получают их спектральное представление,
а значение мощности каждого из тестовых сигналов рассчитывают в пределах той полосы пропускания приемного тракта, градации которой соответствует тестовый сигнал с соответствующей скоростью передачи,
а для измерения отношения мощности информационного сигнала к спектральной плотности мощности шума, рассчитывают и получают спектральное представление принятого информационного сигнала в пределах градаций полос пропускания приемного тракта, в соответствии со скоростью его передачи;
а непосредственно значение отношения мощности информационного сигнала к спектральной плотности мощности шума, рассчитывают как отношение значения мощности тестового сигнала, соответствующего полосе пропускания приемного тракта при которой был принят информационный сигнал, к разности мощностей принятого информационного сигнала и тестового сигнала, соответствующего полосе пропускания приемного тракта, при которой был принят информационный сигнал.
G01R 23/00
Работа радиолиний, как правило, осуществляется в условиях шумов и помех, интенсивность которых может изменяться в ходе сеанса радиосвязи, [Дворников С.В. и др. Обобщенная функциональная модель радиолинии с управлением её частотным ресурсом // Вопросы радиоэлектроники. Серия: Техника телевидения. 2016. № 3. С. 49-56]. В результате изменения уровня шумов происходит изменение значения ОСШ в тракте приема, [Комарович В.Ф., Сосунов В.Н. Случайные радиопомехи и надежность КB связи. – М.: «Связь», 1977 г. 136 с]. В таких условиях для сохранения допустимого значения вероятности ошибки в канале необходимо изменять скорость передачи адаптивно с изменением текущего значения ОСШ, [Зайцев Д.В. и др. Способ выбора скорости передачи элементов сигнала в радиомодемах. Патент РФ № 2640431, ].
Обеспечение допустимого значения вероятности ошибки в тракте приема возможно за счет своевременной адаптации, в зависимости от значения ОСШ на приемном конце радиолинии, скорости передачи на передающем конце радиолинии и изменения полосы пропускания приемного тракта.
Однако такой подход является приемлемым только при условии неизменности значения ОСШ в процессе передачи информационных сообщений, что не всегда обеспечивается на практике, см. (Дворников С.В. и др. Аппарат анализа частотного ресурса для режима псевдослучайной перестройки рабочей частоты // Информационно-управляющие системы. 2019. № 4 (101). С. 62-68).
В таких условиях для обеспечения устойчивой работы радиолинии необходимо рассчитывать значение ОСШ с учетом текущего значения уровня мощности шумов и помех.
Поэтому предлагается измерять значение ОСШ следующим образом.
На предварительном этапе тестовый сигнал представить в виде нескольких тестовых сигналов, соответствующих допустимым для данной радиолинии значениям скорости передачи. И затем всю совокупность тестовых сигналов передать таким образом, чтобы каждый тестовый сигнал принимался в пределах градации той полосы пропускания приемного тракта, градации которых соответствуют его скорости передачи.
Затем для каждого принятого тестового сигнала необходимо сформировать его спектральное представление и рассчитать значение мощности в соответствии со следующим выражением:
,                                             (1)
m
где  – модуль спектрального представления обрабатываемого сигнала;  – порядковый номер реализации сигнала;.
И тогда, на этапе приема информационного сигнала, в соответствии с формулой (1) рассчитать его мощность, и с учетом значения мощности тестового сигнала, соответствующего информационному сигналу по скорости, рассчитать значение ОСШ, с учетом текущего значения уровня мощности шумов и помех (в данном контексте понятие измерять значение ОСШ исходит из необходимости измерений текущего значения мощности приятого информационного сигнала и мощности тестового сигнала, соответствующего ему по скорости передачи):
,                                          (2)
где  – текущее значение отношения мощности информационного сигнала к спектральной плотности мощности шумов и помех в радиолинии (данное утверждение справедливо в том случае, когда полезный сигнал, и соответствующий ему по скорости тестовый сигнал имеют одинаковую мощность и одинаковый вид модуляции) в [дБ]; верхний индекс 1 – указывает, что это значение мощности тестового сигнала; верхний индекс 2 – указывает, что это значение мощности полезного сигнала.
Таким образом, расчет по формуле (2) гарантирует, что полученная величина ОСШ учитывает текущее значения мощности шумов и помех в радиолинии.
Реализация указанных процедур обеспечивается в заявляемом техническом решении.
Заявленный способ поясняется чертежом, на котором показаны:
N
N
фиг. 1 — модуль спектра информационного сигнала  и модуль, соответствующего ему по скорости передачи, тестового сигнала ; 2 и 1 – верхняя и нижняя границы полосы частот, в пределах которой рассчитывается мощность сигнала.
Реализация технического решения заявляемого способа предполагает последовательное выполнение следующих процедур.
1. Задают градации полосы пропускания приемного тракта в соответствии с номиналами допустимых скоростей передачи для радиолинии.
Взаимосвязь ширины спектра сигнала со скоростью передачи его элементов известна и описана, например, [Зайцев Д.В. и др. Способ выбора скорости передачи элементов сигнала в радиомодемах. Патент РФ № 2640431, от 01.07.2016 г., G01R 23/00, Опубликовано: 09.01.2018 Бюл. № 1].
2. Измеряют уровень шума на приемной стороне радиолинии и рассчитывают его спектральную плотность мощности.
Процедуры измерения принятых реализаций радиоизлучений известны. Например, [Гель В.Э. и др. Способ оценки помехозащищенности линий радиосвязи. Патент РФ № 2613035 С1, от 16.03.2016 г., H04L 29/00,Опубликовано: 14.03.2017 г., Бюл. № 8].
3. Первоначально последовательно передают тестовые сигналы для каждого допустимого значения скорости передачи.
Для этого синтезирую для каждого допустимого значения скорости свой тестовый сигнал (или используют ранее принятые). Тестовые сигналы соответствуют информационным сигналам по скорости передачи и по виду модуляции.
Процедуры излучения (передачи) сигналов известны. Например, [Гвоздяков Ю.А. и др. Способ радиоподавления каналов связи. Патент РФ № 24504584 С1, от 13.04.2011, H04K 3/00 (2006.01), H04L 27/22 (2006.01), Опубликовано: 10.05.2012 Бюл. № 13].
4. Принимают последовательно переданные тестовые сигналы в пределах градаций полос пропускания приемного тракта в соответствии с номиналами допустимых скоростей передачи для радиолинии.
То есть каждый тестовый сигнал принимают в пределах градаций той полосы пропускания приемного тракта, которая соответствует ширине спектра, определяемой скоростью передачи.
Процедуры приема сигналов известны. Например, [Дворников С.В. и др. Способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов. Патент РФ № 2382495 С1, от 17.02.2009, H04B 1/10 (2006.01), Опубликовано: 20.02.2010 Бюл. № 5].
5. Дополнительно при приеме тестовых сигналов рассчитывают и получают их спектральное представление.
Процедуры расчета и получения спектральных представлений сигналов известны. Например, см. [Дворников С.В. и др. Способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов. Патент РФ № 2419968 С1, от 03.08.2009, H04B 1/10 (2006.01), Опубликовано: 27.05.2011 Бюл. № 15].
6. А значение мощности каждого из тестовых сигналов измеряют и рассчитывают в пределах той полосы пропускания приемного тракта, градации которой соответствует тестовый сигнал с соответствующей скоростью передачи.
Процедуры измерения мощности тестового сигнала известны. Например, [Дворников С.В. и др. Способ распознавания радиосигналов. Патент РФ № 2419147 С1, от 23.11.2009, G06K 9/00, Опубликовано: 20.05.2011 г., Бюл. № 14].
7. Рассчитывают текущее значение отношения мощности тестового сигнала к спектральной плотности мощности шума.
Расчет текущего значения ОСШ производят как отношение измеренной мощности тестового сигнала к спектральной плотности мощности шума, рассчитанной в ходе 2-го этапа.
Расчет производят для всех градаций тестового сигнала по скорости. В результате расчетов получают количество значений ОСШ равное количеству допустимых градаций скорости для данной радиолинии.
Для расчета мощности тестового сигнала в полосе приема используют формулу (1).
8. Передают рассчитанное текущее значение ОСШ на передающую сторону на минимально допустимой для радиолинии скорости.
Текущим значением ОСШ является то значение, при котором обеспечивается допустимое качество передачи полезного сигнала по показателю вероятности битовой ошибки для используемого вида модуляции и типа помехоустойчивого кодирования.
Процедуры передачи информационных сигналов известны. Например, [Вознюк М.А. и др. Работа линий радиосвязи с ППРЧ в условиях преднамеренных помех // Информационные технологии. 2012. № 10. С. 64-67].
9. Устанавливают градацию полосы пропускания приемного тракта в соответствии с допустимой скоростью передачи, определяемой для текущего значения ОСШ.
Процедуры установки градацию полосы пропускания приемного тракта в соответствии с допустимой скоростью передачи известны, [Зайцев Д.В. и др. Способ выбора скорости передачи элементов сигнала в радиомодемах. Патент РФ № 2640431, от 01.07.2016 г., G01R 23/00, Опубликовано: 09.01.2018 Бюл. № 1].
10. Передают информационные сообщения в виде пакетов со скоростью, определяемой для текущего значения ОСШ.
Процедуры пакетной передачи известны. Например, [Дворников С.В. и др. Аппарат анализа частотного ресурса для режима псевдослучайной перестройки рабочей частоты // Информационно-управляющие системы. 2019. № 4 (101). С. 62-68].
11. Принимают переданный сигнал информационного сообщения на длительности пакета.
Процедуры приема сигнала известны. Например, [Горячая А.В. и др. Способ оценки помехозащищенности линий радиосвязи приемного радиоцентра. Патент РФ № 2633984 С1, от 23.05.2016, H04L 29/00, Опубликовано: 20.10.2017 г., Бюл. № 29] и [Дворников С.В. и др. Способ распознавания радиосигналов. Патент РФ № 2419147 С1, от 23.11.2009, G06K 9/00, Опубликовано: 20.05.2011 г., Бюл. № 14].
12. А для измерения отношения мощности информационного сигнала к спектральной плотности мощности шума, рассчитывают и получают спектральное представление принятого информационного сигнала в пределах градаций полос пропускания приемного тракта, в соответствии со скоростью его передачи.
Реализация данных процедур аналогична процедурам этапа 5.
13. А непосредственно значение отношения мощности информационного сигнала к спектральной плотности мощности шума, рассчитывают, как отношение значения мощности тестового сигнала, соответствующего полосе пропускания приемного тракта при которой был принят информационный сигнал, к разности мощностей принятого информационного сигнала и тестового сигнала, соответствующего полосе пропускания приемного тракта, при которой был принят информационный сигнал.
Указанный расчет производят в соответствии с формулой (2).
14. Передают измеренное значение ОСШ на передающую сторону.
Реализация данных процедур аналогична процедурам этапа 8.
15. Сравниваютизмеренное значение и принимают решениепо результатам измерения, если ОСШ окажется меньше предварительно рассчитанного значения ОСШ, то на передающей стороне уменьшают скорость передачи на одну градацию, а на приемной уменьшают на одну градацию полосу пропускания приемного тракта.
Реализация процедур этапа 15 аналогична реализации процедур этапа 9.
16. Если измеренное значение ОСШ окажется не меньше рассчитанного значения ОСШ, то передают следующий пакет информационных сообщений.
Реализация процедур этапа 16 аналогична процедурам этапа 10.
17. Указанные процедуры повторяют до тех пор, пока не будут переданы все пакеты информационных сообщений.
При этом если в ходе передачи пакетов информационных сообщений текущее значение ОСШ будет ниже допустимого для передачи на самой низкой скорости для данной линии радиосвязи, то передача пакетов информационных сообщений прекращается и периодически происходит передача тестового сигнала до момента установления ОСШ, позволяющего осуществлять дальнейшую передачу информационных пакетов.
Периодичность передачи тестового сигнала устанавливают на основе эмпирического опыта предыдущих сеансов связи.
N
N
В качестве примера, на фиг. 1 показаны: модуль спектра информационного сигнала  и модуль, соответствующего ему по скорости передачи, тестового сигнала ; 2 и 1 – верхняя и нижняя границы полосы частот, в пределах которой рассчитывается мощность сигнала. При этом уровень спектральной плотности мощности шумов и помех на длительности информационного сигнала  выше, чем на длительности тестового сигнала . Расчеты для представленного на фиг. 1 случая, в соответствии с формулой (2), показали значение ОСШ = 9,2 дБ.
Таким образом, благодаря новым существенным признакам обеспечивается технический результат, заключающийся в адаптивном изменении скорости передачи на передающей стороне радиолинии и соответствующем выборе полосы пропускания приемного тракта на приемной стороне радиолинии в зависимости от ОСШ, значение которого рассчитывают как отношение значения мощности тестового сигнала, соответствующего, полосе пропускания приемного тракта при которой был принят информационный сигнал, к разности мощностей принятого информационного сигнала и тестового сигнала, соответствующего, полосе пропускания приемного тракта, при значении которой был принят информационный сигнал.