СИСТЕМА РАДИОСВЯЗИ С ПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ
RADIO COMMUNICATION SYSTEM WITH MOBILE OBJECTS

Изобретение относится к системе радиосвязи высокочастотного (ВЧ) диапазона и предназначено для передачи данных между подвижными и неподвижными абонентами.
Известна система радиосвязи [1], принцип работы которой заключается в том, что с каждой ВЧ наземной станции (НС) излучают сигналы маркеров в первом слоте каждого кадра TDMA протокола доступа к каналу на всех частотах, которые периодически назначают и активизируют в пункте управления ВЧ системы связи ВЧ диапазона. Для реализации FDMA протокола доступа к каналам связи, согласно которому разные ВЧ наземные станции имеют разные наборы активных рабочих частот, на соответствующей ВЧ наземной станции регистрируют каждую ВЧ бортовую станцию на лучшей частоте связи ВЧ диапазона выбираемой ВЧ бортовой станцией по результатам оценки ею качества приема сигналов маркеров. Затем между ВЧ наземной станцией и зарегистрированной на ней ВЧ бортовой станцией производят обмен пакетными данными до тех пор, пока позволяет качество канала «Воздух-Земля» ВЧ диапазона. При ухудшении качества канала «Воздух-Земля» ВЧ диапазона ниже допустимого уровня на ВЧ бортовой станции выбирают новый канал и регистрируются на этом канале на новой или на старой ВЧ наземной станции, но на новой рабочей частоте. Через подсистему наземной связи производят обмен пакетными данными между каждой ВЧ наземной станцией и диспетчерскими пунктами управления воздушным движением и авиалиниями, а также пунктом управления системой связи ВЧ диапазона. На каждой ВЧ наземной станции выбирают лучшую частоту приема сообщений от каждой другой ВЧ наземной станции по результатам оценки качества приема сигналов маркеров с помощью дополнительных ВЧ приемников «Земля-Земля» и демодуляторов «Земля-Земля» однотонового многопозиционного фазоманипулированного сигнала. Таблицу слышимости формируют по результатам выбора лучших частот приема, в которой указывают признак своей доступности (недоступности) для подсистемы наземной связи, идентификаторы наземных станций и соответствующие им номера лучших частот приема с кодами рекомендуемых максимально допустимых скоростей передачи данных. На каждом частотном канале отводят один слот кадра доступа к каналу для передачи сообщений в направлении «Земля-Земля». Таблицу слышимости передают одновременно с помощью N ВЧ передатчиков в слотах, которые отводят для передачи сообщений в направлении «Земля-Земля». Затем принимают таблицы слышимости от других ВЧ наземных станций на предварительно выбранных лучших частотах приема с помощью дополнительных ВЧ приемников и демодуляторов «Земля-Земля» однотонового многопозиционного фазоманипулированного сигнала. Таблицу связности сети «Земля-Земля» формируют на основе принятых таблиц слышимости, в которой указывают идентификаторы наземных станций с признаками их доступности (недоступности) для подсистемы наземной связи и соответствующие им номера лучших частот приема и передачи с кодами рекомендуемых максимально допустимых скоростей передачи данных. Таблицу связности сети «Земля-Земля» используют для выбора частот связи (приема и передачи) с другими ВЧ НС. Пакет данных, принятый на недоступной ВЧ наземной станции от зарегистрированной на ней ВЧ бортовой станции, передают одновременно с таблицей слышимости по радиоканалу ВЧ диапазона в слоте «Земля-Земля» на другую доступную ВЧ НС, с которой его транслируют к диспетчерскому пункту УВД или УАЛ или к пункту управления системой связи ВЧ диапазона через подсистему наземной связи. Пакет данных от диспетчерского пункта управления УВД или УАЛ или от ПУС, предназначенный для ВЧ бортовой станции, которая зарегистрирована на недоступной ВЧ наземной станции, передают через подсистему наземной связи к доступной ВЧ НС, с которой затем его транслируют по радиоканалу «Земля-Земля» ВЧ диапазона к недоступной ВЧ наземной станции, и с которой далее его передают по радиоканалу «Воздух-Земля» ВЧ диапазона к ВЧ бортовой станции. Пакет данных от ПУС, адресованный для недоступной ВЧ наземной станции, передают через подсистему наземной связи к доступной ВЧ наземной станции, откуда его транслируют по радиоканалу «Земля-Земля» ВЧ диапазона к недоступной ВЧ наземной станции.
Недостатки аналога состоят в следующем:
- невозможно без значительного изменения алгоритмов работы и программно-аппаратных средств повысить эффективность системы передачи информации;
- велико время доставки информации;
- из-за необходимости организации многоканальной работы для реализации этого способа требуются десятки наземных станций, связи между ними и соответствующие вычислительные ресурсы, что затрудняет применение такого оборудования в подвижных объектах.
Известен способ защиты узкополосных каналов передачи данных в условиях многолучевого распространения радиосигналов и комплекс средств для его реализации [2], в котором на передающей стороне канала передачи данных содержится формирователь пакетов сообщений и последовательно соединенные модулятор, усилитель мощности и передающая антенна, а также модуль формирования и преобразования пакетов битов, содержащий формирователь пакетов битов с защитными интервалами перед пакетами, вход которого соединен с формирователем пакетов сообщений, а выход соединен с первым входом кодового модулятора, к второму входу которого подключен формирователь расширяющих сигналов, выход кодового модулятора подключен к входу преобразователя длительности битов, выход которого подключен к входу мультиплексора, выход мультиплексора подключен к входу модулятора, а на приемной стороне канала передачи данных последовательно соединенные принимающую антенну, усилитель и демодулятор, модуль обратного преобразования и обработки принятых сигналов, содержащий преобразователь длительности сигналов, вход которого подключен к выходу демодулятора, а выход подключен к первому входу многоканального кодового декодера пакетов, второй вход которого подключен к выходу формирователя копий расширяющих сигналов, выход многоканального кодового декодера пакетов подключен к входу многоканального решающего устройства, выход которого подключен к входу преобразователя задержек сигналов, выход которого является выходом модуля обратного преобразования и обработки принятых сигналов.
К недостаткам аналога следует отнести:
- отсутствие взаимной синхронизации между передающей и приемной сторонами, что ухудшает достоверность передачи информации и увеличивает время доставки сообщений;
- в подвижных объектах всегда меняется дальность связи, что влияет на задержку радиосигналов во времени, а для сдвинутых во времени и не синхронизированных сигналов взаимная корреляция может быть не равна нулю. Они могут интерферировать друг с другом, вот почему кодирование с помощью функций Уолша и соответствующее декодирование должны быть синхронизированы [3, стр. 86].
Известен комплекс средств защиты узкополосных систем радиосвязи в условиях сложной радиоэлектронной обстановки, который по большинству существенных признаков принят за прототип [4]. Комплекс на передающей стороне системы радиосвязи содержит последовательно соединенные источник сообщений, формирователь дискретных сигналов, кодер, формирователь фаз, фазовый модулятор, усилитель мощности и передающую антенну. На приемной стороне комплекс содержит последовательно соединенные приемную антенну, усилитель СВЧ и фазовый демодулятор, а также решающее пороговое устройство, первый вход которого подключен к выходу формирователя порога. Выход решающего порогового устройства подключен к входу преобразователя дискретных сигналов сообщений, с выхода которого информация поступает потребителям. На передающей стороне системы радиосвязи дополнительно введены формирователь исходных ФМ сигналов передающей стороны, выходы которого подключены к соответствующим входам сумматора исходных ФМ сигналов, выходы сумматора исходных ФМ сигналов подключены к соответствующим входам кодера. На приемной стороне системы радиосвязи дополнительно введены формирователь исходных ФМ сигналов приемной стороны, последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь сигналов, преобразователь масштаба сигналов для сжатия во времени пакета ФМ видеосигнала сообщения, устройство компенсации импульсной помехи, интерполяционное устройство, амплитудное нормирующее устройство и декодер с корреляционной обработкой ФМ сигналов сообщения, выходы которого подключены к соответствующим входам сумматора дискретных сигналов, выход сумматора дискретных сигналов подключен ко второму входу решающего порогового устройства, выходы формирователя исходных ФМ сигналов приемной стороны подключены к соответствующим входам декодера с корреляционной обработкой ФМ сигналов сообщения, при этом вход аналого-цифрового преобразователя сигналов подключен к выходу фазового демодулятора.
Прототипу присущи следующие недостатки:
- не учитывается специфика организации наземно-воздушной связи, а именно, то, что из-за соблюдения требований по электромагнитной совместимости бортового оборудования мощность бортового передатчика ВЧ диапазона не должна превышать определенную величину (обычно 400 Вт), а диаграмма направленности бортовой антенны ВЧ диапазона из-за возможности нахождения респондента в любом направлении по азимуту - круговая - канал связи «борт-земля» имеет низкий энергетический потенциал по сравнению с наземными средствами, для исключения взаимовлияния передающий и приемный радиоцентры наземного комплекса связи (НКС) территориально разнесены;
- не используются все преимущества разнесенного приема;
- низкий энергетический потенциал канала «борт-земля» снижает качество принимаемых сигналов и зачастую приводит к невозможности их обнаружения, особенно это явление нежелательно при неприеме положительной квитанции (в случае достоверного приема сообщения корреспондента), поскольку из-за специфики реализации IR-метода это приводит к повторной реализации процедуры доведения для пакетов, фактически являющихся уже доведенными.
Технической задачей является повышение помехоустойчивости и уменьшения времени доставки достоверной информации за счет организации ретрансляции не доставленной корреспонденту положительной квитанции через вычислительные модули связи (ВМС) соседних ПО и/или НКС, которые располагаются в текущий момент времени в зоне устойчивой связи с корреспондентом и с респондентом. Зоной устойчивой связи считается область воздушного пространства, в которой в текущий момент времени обеспечивается требуемое отношение сигнал/шум [4, 5, 6].
Указанный технический результат достигается тем, что система радиосвязи с подвижными объектами (ПО), содержащая передающую аппаратуру, в которую входят источник сообщений, формирователь дискретных сигналов, кодер, формирователь исходных ФМ сигналов передающей стороны, сумматор исходных ФМ сигналов, формирователь фаз, модулятор, усилитель мощности и передающая антенна, и приемную аппаратуру, в которую входят приемная антенну, усилитель СВЧ, демодулятор, формирователь порога, решающее пороговое устройство, сумматор дискретных сигналов, формирователь исходных ФМ сигналов приемной стороны, декодер с корреляционной обработкой, амплитудное нормирующее устройство, интерполяционное устройство, устройство компенсации импульсной помехи, преобразователь масштаба сигналов, преобразователь дискретных сигналов сообщений и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) сигналов, включает территориально разнесенные наземные комплексы связи, каждый из которых содержит удаленные друг от друга на расстояние более прямой видимости передающий и приемный радиоцентры, связанные двухсторонними связями между собой наземной сетью передачи данных и по эфиру, если располагаются в зоне устойчивой связи, связанные с вычислительными модулями связи подвижных объектов, находящихся в текущий момент времени в зоне устойчивой связи, а каждый ВМС ПО содержит вычислитель, к которому двухсторонними связями подключены группа из n модемов и группа из (m-n) модемов, при этом m>n, передающая каналообразующая аппаратура из n каналов, первая приемная каналообразующая аппаратура из n каналов, вторая приемная каналообразующая аппаратура из (m-n) каналов, модуль формирования пакетов сообщений с защитными интервалами перед пакетами и схемой формирования пилот-сигнала (преамбулы), модуль формирования временной шкалы на основе меток приемника сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, модуль сканирования частот на предмет наличия в них вызывных сигналов, модуль контроля качества каналов связи, автоматического выбора вероятностно оптимальной на данный момент времени для заданного корреспондента рабочей частоты из списка назначенных и автоматического составления канала связи, модуль управления процедурой кодирования и декодирования, адаптации к текущей сигнально-помеховой обстановке по скорости передачи данных путем последовательного повышения избыточности, модуль квитирования сообщений и автоматического перезапроса пакетов, принятых с ошибками, модуль ретрансляции определенному корреспонденту квитанций на его сообщение, модуль аппаратного контроля и формирования сообщений получателю информации, при этом вход/выход вычислителя является входом/выходом системы.
В состав модуля формирования пакетов сообщений с защитными интервалами перед пакетами и схемой формирования пилот-сигнала (преамбулы) входят подключенные двухсторонними связями к вычислителю формирователь дискретных сигналов и источник сообщений, входы которого являются входами системы, при этом выходы источника сообщений информации подключены к соответствующим входам формирователя дискретных сигналов.
В состав модуля аппаратного контроля и формирования сообщений получателю информации входят соединенные последовательно распределитель дискретных сигналов сообщений и преобразователь дискретных сигналов сообщений, выходы которого являются выходами системы, при этом шины управления и контроля вычислителя подключены двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам распределителя и преобразователя дискретных сигналов, а вход распределителя дискретных сигналов сообщений связан с информационным выходом вычислителя.
В состав модуля управления процедурой кодирования и декодирования, адаптации к текущей сигнально-помеховой обстановке по скорости передачи данных путем последовательного повышения избыточности и уменьшения скорости передачи информации входят связанные двухсторонними связями через вычислитель кодер, формирователь исходных ФМ сигналов передающей стороны, выходы которого соединены с входами кодера, сумматор исходных ФМ сигналов, формирователь фаз, преобразователь масштаба сигналов, устройство компенсации импульсной помехи, интерполяционное устройство, амплитудное нормирующее устройство, декодер с корреляционной обработкой, формирователь исходных ФМ сигналов приемной стороны, выходы которого дополнительно подключены к соответствующим входам декодера с корреляционной обработкой ФМ сигналов сообщения, сумматор дискретных сигналов, формирователь порога, решающее пороговое устройство, вход которого дополнительно подключен к выходу формирователя порога.
В состав передающей каналообразующей аппаратуры из n каналов входят n параллельных цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных усилителя мощности и передающей антенны, при этом входы усилителей мощности через группу из n модемов подключены к соответствующим информационным выходам вычислителя, шины управления и контроля которого подключены двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам усилителей мощности и группы из n модемов.
В состав первой приемной каналообразующей аппаратуры из n каналов входят n параллельных цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных приемной антенны и усилителя СВЧ, при этом выходы усилителей СВЧ через группу из n модемов подключены к соответствующим информационным входам вычислителя, шины управления и контроля которого подключены двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам усилителей СВЧ и группы из n модемов.
В состав второй приемной каналообразующей аппаратуры из (m-n) каналов входят (m-n) параллельных цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных приемной антенны и усилителя СВЧ, при этом выходы усилителей СВЧ через группу из (m-n) модемов подключены к соответствующим информационным входам вычислителя, шины управления и контроля которого подключены двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам усилителей СВЧ и группы из (m-n) модемов.
Сущность работы системы будет понятна из материалов заявки и представленных фигур. На фиг. 1 приведена структурная схема системы радиосвязи с подвижными объектами, где введены обозначения:
1 - наземный комплекс связи (НКС);
2 - вычислительный модуль связи (ВМС) подвижного объекта;
3 - наземная сеть передачи данных;
4 - передающий радиоцентр НКС;
5 - приемный радиоцентр НКС;
6 - выходы наземной сети 3 передачи данных для подключения других НКС;
7 - условно показан трафик не доставленной квитанции на отправленное и правильно принятое сообщение с удаленного ВМС 2 ПО.
На фиг. 2 приведена структурная схема ВМС 2, где введены обозначения:
8 - вычислитель;
9 - группа из n модемов;
10 - группа из (m-n) модемов, при этом m>n;
11 - передающая каналообразующая аппаратура из n каналов;
12 - первая приемная каналообразующая аппаратура из n каналов;
13 - вторая приемная каналообразующая аппаратура из (m-n) каналов;
14 - модуль формирования пакетов сообщений с защитными интервалами перед пакетами и схемой формирования пилот-сигнала (преамбулы), входы которого являются входами системы;
15 - модуль формирования временной шкалы на основе меток приемника сигналов глобальных навигационных спутниковых систем;
16 - модуль сканирования частот на предмет наличия в них вызывных сигналов и маркеров НКС 1;
17 - модуль контроля качества каналов связи, автоматического выбора вероятностно оптимальной на данный момент времени для заданного корреспондента рабочей частоты из списка назначенных и автоматического составления канала связи;
18 - модуль управления процедурой кодирования и декодирования, адаптации к текущей сигнально-помеховой обстановке по скорости передачи данных путем последовательного повышения избыточности и уменьшения скорости передачи информации;
19 - модуль квитирования сообщений и автоматического перезапроса пакетов, принятых с ошибками;
20 - модуль ретрансляции определенному корреспонденту квитанций на его сообщение;
21 - модуль аппаратного контроля и формирования сообщений получателю информации;
22 - вход/выход системы.
На фиг. 3 приведена структурная схема модуля формирования пакетов сообщений с защитными интервалами перед пакетами, схемой формирования пилот-сигнала (преамбулы), входы которого являются входами системы, и введены обозначения:
23 - источник сообщений;
24 - формирователь дискретных сигналов.
На фиг. 4 приведена структурная схема модуля аппаратного контроля и формирования сообщений получателю информации 21, выходы которого являются выходами системы, и введены обозначения:
25 - преобразователь дискретных сигналов сообщений; 44 - распределитель дискретных сигналов сообщений.
На фиг. 5 приведена структурная схема модуля управления процедурой кодирования и декодирования, адаптации к текущей сигнально-помеховой обстановке по скорости передачи данных путем последовательного повышения избыточности и уменьшения скорости передачи информации 18, и введены обозначения:
26 - кодер;
27 - формирователь исходных ФМ сигналов передающей стороны;
28 - сумматор исходных ФМ сигналов;
29 - формирователь фаз;
30 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП) сигналов;
31 - преобразователь масштаба сигналов;
32 - устройство компенсации импульсной помехи;
33 - интерполяционное устройство;
34 - амплитудное нормирующее устройство;
35 - декодер с корреляционной обработкой;
36 - формирователь исходных ФМ сигналов приемной стороны;
37 - сумматор дискретных сигналов;
38 - решающее пороговое устройство;
39 - формирователь порога.
На фиг. 6 приведена структурная схема передающих радиочастотных трактов системы и введены обозначения:
40 - усилителя мощности и;
41 - передающая антенна.
На фиг. 7 приведена структурная схема приемных радиочастотных трактов системы и введены обозначения:
42 - усилитель СВЧ;
43 - приемная антенна.
Система радиосвязи работает следующим образом.
Перед организацией сеанса связи все абоненты, участвующие в информационном обмене, должны знать план связи и номера, назначенных всем абонентам системы частотных каналов с привязкой к конкретному абоненту и к единому времени в системе.
Перед сеансами связи все доступные частотные каналы в планах связи равномерно распределяются между наземными комплексами связи и сведения о них вводятся в ВМС 2 подвижных объектов так, чтобы зоны односкачковых трасс НКС 1 с одноименными частотами не перекрывались. Одновременно должны быть учтены модели зон односкачковых трасс распространения радиоволн перемещающихся ВМС 2 в составе подвижных объектов.
Перед началом передачи радиосигналов в течение заданного интервала времени осуществляется излучение в эфир последовательности, состоящей из заданного числа символов, предназначенной для настройки системы автоматической регулировки усиления, перестройки передатчика, антенного согласующего устройства и стабилизации переходных процессов, возникающих в радиосредствах при приеме/передаче радиосигналов.
Установление соединения осуществляется путем отправки вызывных сигналов на частоте выбранного i-го канала.
Если на момент установления соединения вызывающий модем из группы 9 ВМС 2 не имеет информации о качестве частотных каналов, то i принимается равным 1, в противном случае значение i устанавливается равным порядковому номеру канала с наилучшим качеством, определенным по результатам его тестирования с помощью модулей 16 и 17 и вычислителя 8.
Основанием для перехода к следующему значению i с повторением процедуры установления соединения на другом частотном канале являются:
- обнаружение модемом из групп 9 и10 занятости частоты передачи и (или) приема в течение интервала времени, предшествующего отправке вызывного сигнала;
- отсутствие ответного сигнала от вызываемого модема группы 9. Приняв вызывной сигнал, модем из групп 9 или 10 ВМС 2 выдает квитанцию
на установление соединения и настраивается на прием сигнала по ожидаемому протоколу ведения связи. Если в ожидаемое время определяемое длительностью преамбулы, протокольный сигнал модемом из групп 9 или 10 ВМС 2 не принят, то он переходит в режим сканирования частотных каналов с помощью модуля 16 и вычислителя 8.
Время ожидания квитанции на вызывной сигнал определяется временем перестройки приемника на частоту приема и длительностью сообщения (длительностью преамбулы и данных). Более длительный интервал используется для перестройки модемом из группы 9 передающего устройства и антенного согласующего устройства на частоту излучения для передачи ответного сообщения, после получения которого удаленный модем из групп 9 или 10 ВМС 2 переходит к доведению информации по одному из протоколов.
В протоколе обмена данными между разнесенными ВМС 2 при малом энергетическом потенциале принимаемого радиосигнала реализуется механизм последовательного повышения избыточности, подразумевающий совместное декодирование повторов пакета [6]. Относительная скорость помехоустойчивого кода снижается кратно номеру повтора пакета. Протокол передачи данных ВМС 2 адаптируется к помеховой обстановке по скорости передачи данных.
В сообщении передается определенное протоколом обмена число пакетов, как и квитанция на него. Последующие сообщения от корреспондента, отправляемые после приема квитанции, будут содержать повторы не доведенных пакетов и вновь отправляемые пакеты. Процедура продолжается до тех пор, пока не будут получены положительные квитанции на все пакеты.
Если в течение заданного времени квитанция после перезапросов не получена, то модем из группы 9 ВМС 2 прекращает информационный обмен и начинает процедуру по установления соединения на частотном канале, отличном от текущего [4, 5, 6]. После установления соединения на другом канале процесс гарантированного доведения возобновляется.
Использование на прием нескольких модемов из групп 9 и 10 в каждом из разнесенных ВМС 2 позволяет повысить достоверность (помехоустойчивость) доставки и сократить время доставки данных.
В каждом из вызывных сообщений указывается общий номер частотного канала, на котором ожидается получение ответного сигнала (приемный канал первого i-го модема из группы 9 ВМС 2, соответствующий его каналу передачи. После перебора всех частотных каналов указывается приемный канал j-ro модема удаленного ВМС.
Если в ВМС имеется по одному передающему и по несколько приемных устройств, то приемные устройства с соответствующими модемами настраиваются на одинаковую частоту канала приема, в модемах производится независимая обработка сигналов (обнаружение, синхронизация, оценка достоверности) с последующим «мягким» сложением решений демодулятора и их декодированием в модуле 18 с помощью вычислителя 8 [6].
Протокол обмена данными определяет порядок последовательной передачи данных на одной несущей частоте, в котором для обеспечения гарантии доставки пакетов применяется схема с автоматическим запросом повторной передачи в сочетании с методом последовательного повышения избыточности на основе, например, турбо-кода [6]. На передающей стороне каждый информационный блок дополняется контрольной суммой, после чего подвергается кодированию, например, со скоростью ¼ таким образом, что преобразуется в последовательность четырех кодовых блоков. Передача данных осуществляется передающей стороной чередованием передачи информационных кадров передающей стороной и квитанций, подтверждающей качество приема сообщения приемной стороной. Кодовые блоки передаются последовательно, что позволяет изменять информационную скорость в зависимости от условий распространения (от без избыточной - при успешной передачи с первой попытки до ¼ от технической - за четыре повторения сообщения).
После выполнения этих процедур в ВМС 2, где на его входе имеется информация, формируется вызывной радиосигнал с адресом респондента и излучается в эфир. Удаленный подвижный объект с ВМС 2, находящийся в зоне устойчивой связи, принимает вызывной радиосигнал, анализируют его и, если адрес в нем совпадает с адресом собственного ВМС 2, то в нем формируется ответная квитанция - подтверждение. Если вызывающий абонент достоверно принял квитанцию, то считается что канал связи составлен и можно начинать сеанс связи.
После составления канала на передающей стороне в модуле 14 ВМС 2 соответствующего подвижного объекта из имеющейся на выходе источника 23 сообщений информации в формирователе 24 дискретных сигналов формируются пакеты сообщений, которые преобразовывают к виду, удобному для проведения следующих операций, например, при необходимости переводят их в цифровую форму с помощью аналогово-цифрового преобразования и импульсов единой в системе временной шкалы с модуля 15, сокращают ее избыточность, формируют пакеты заданной длительности с защитными интервалами, пилот-сигналами (преамбулами), информацией. Пилот-сигнал необходим для обозначения начала пакета на приемной стороне. Он должен отличаться по структуре от информации, быть помехоустойчивым, ортогональным ей и переносить данные, например, об адресе, точном (системном) времени передачи данных и т.п. Поэтому пилот-сигнал и информация формируются, например, путем перемножения их на разные ортогональные последовательности в модуле 14 [6, 7].
Затем в модуле 18 символы в пакетах кодируются с заданной скоростью передачи данных, модулируются в соответствующем модеме из группы 9, преобразуются в радиосигналы, которые поступают в один из n каналов аппаратуры 11, где, например, усиливаются и, пройдя через антенное согласующее устройство и передающую антенну, излучаются в пространство. Модем представляет собой устройство, объединяющее модулятор и демодулятор, выполняющие соответствующие функции.
Точное (системное) время передачи кадра обеспечивается с помощью синхронизации временной шкалы модуля 15, например, односекундными метками с выхода приемника глобальных навигационных спутниковых систем с антенной [8].
Ширину спектра и другие параметры выходного радиосигнала на выходе модулятора из группы модемов 9 формируют методом фильтрации и согласуют ее с величиной полосы частот радиоканала связи для реализации оптимальной скорости передачи информации.
На приемной стороне канала связи многолучевые радиосигналы, отраженные от ионосферы, через соответствующий канал аппаратуры 12 или 13, состоящий, например, из последовательно соединенных приемной антенны и усилителя СВЧ, где выделяются передаваемые радиосигналы среди других, поступают на вход соответствующего модема из группы 9 или 10, демодулируются и дискретизируются для упрощения дальнейшей цифровой обработки сигналов [6]. Уровень порога при дискретизации принятых сигналов (число уровней квантования) определяется максимальным уровнем шумов и помех на выходе усилителя СВЧ. Затем в модуле 15, например, формируется строб в интервале времени, где ожидается появление пилот-сигнала, например, с помощью схемы синхронизации с опережающим и запаздывающим стробированием [6, рис. 10,13 лист 648]. Эффективность выделения пилот-сигнала определяется, например, автокорреляционной функцией выбранного при его формировании сигнала, например, кода Баркера с малым уровнем его боковых лепестков [2, 5, 6, 8]. При выделении пилот-сигнала из принимаемых сигналов осуществляется, например, корреляционная обработка путем умножения их на копию передаваемого пилот-сигнала, сформированного, например, в соответствии с кодом Баркера [2, 5, 6, 8] в модуле 15. Одновременно выделяется заложенная в пилот-сигнале информация о точном (системном) времени передачи пакета и определяется время задержки сигнала в радиоканале, что очень важно при обмене данными между ВМС 2 подвижных объектов, так как даже при односкачковой трассе распространения радиосигналов на расстояние 3000 км величина задержки может составлять до 10 мс. Эта информация необходима для установки в нуль узлов, осуществляющих процедуры формирования кодов-прототипов исходных кодов с целью точного воспроизведения принятых сообщений и повышения их достоверности. Пилот-сигнал синхронизирует временную шкалу модуля 15 на прием, с помощью которой после дискретизации принятых сигналов в модуле 12 или 13 они декодируются в модуле 18 с выделением преамбулы и информации, совместно с вычислителем 8 проверяются на достоверность и в случае правильного приема на выходе модуля 21 формируются сообщения получателю информации требуемой формы.
При декодировании в модуле 19 осуществляется, например, корреляционная обработка принятых сигналов путем умножения сигналов на копии системы сигналов, например, Уолша и Баркера, поступающих с вычислителя 8 [2, 6, 7].
В процессе проверки достоверности в вычислителе 8 решается задача выбора уровня порога, который определяется максимальным уровнем помех в канале.
Во время движения подвижных объектов с помощью модуля 16 и вычислителя 8 осуществляется сканирование известных всем абонентам системы частот наземных комплексов 1 связи. Эта процедура позволяет, например, по величине отношения сигнал/шум, выделить с помощью модуля 17 и вычислителя 8 канал с вероятностно оптимальной на данный момент времени частотой и учитывать ее при дальнейших сеансах связи. В случае приема сообщения со своим адресом в ВМС 2, осуществляется его обработка в соответствии с рассмотренными выше процедурами. Если не принята квитанция о правильном приеме сообщения ВМС 2 другого подвижного объекта, то квитанция считается не доставленной, адреса источника и получателя информации записываются в память вычислителя 8, организуется повторный сеанс связи с этим получателем информации на частоте принятой квитанции, что позволяет в течение времени ожидания, отведенного для приема квитанции ретранслировать ее, исключить повторы правильно принятых сообщений и тем самым повысить помехоустойчивость системы. Время ожидания квитанции о правильном приеме сообщения может быть равным, например, суммарному времени утроенной длительности квитанции плюс время задержки в трактах приема, обработки, передачи сообщений и трансляции их по наземной сети 3 передачи данных с входами/выходами 6 для других НКС 1. Для повышения помехоустойчивости предусмотрено то, что длительность квитанции не превышает время стационарности канала связи.
Для уменьшения времени доведения сообщений может быть, например, предусмотрена высокая помехоустойчивость преамбулы за счет дополнительного кодирования, значительно превосходящая помехоустойчивость информационных пакетов.
При сеансе связи модуляторы из группы модемов 9, передатчики и передающие антенны аппаратуры 11 в ВМС 2 считаются элементами прямого канала, а приемные антенны и приемники аппаратуры 12 и 13, демодуляторы в группах модемов 9 и 10 - элементами обратного канала для приема сообщений другого удаленного ВМС 2.
Реализация отдельных модулей системы следующая. При передаче сообщений от преобразователя дискретных сигналов 25 на узлы 26-29, подключенные к вычислителю 8 для выполнения операций помехоустойчивого кодирования, выходы формирователя исходных ФМ сигналов передающей стороны 27 подключены к соответствующим входам кодера 26 [4].
Для использования преимуществ частотного разнесения осуществляют передачу радиосигналов в различных диапазонах по n каналам. Реализация процедур частотного разнесения осуществляется с помощью n передающих антенны 41 и n усилителей 40 мощности, которые входят в состав передающей каналообразующей аппаратуры из n каналов 11. При этом каждая из передающих антенн 41 через соответствующий усилитель 40 мощности подключена к группе из n модемов передающего радиоцентра.
Особенностью приема радиосигналов является то, что в состав первой приемной каналообразующей аппаратуры 12 из n каналов входят n приемных антенн 43 и n усилителей СВЧ 42, а в состав второй приемной каналообразующей аппаратуры 13 из (m-n) каналов входят (m-n) приемных антенн 43 и (m-n) усилителей СВЧ 42. Каждая из n приемных антенн 43 первой приемной каналообразующей аппаратуры 12 через соответствующий усилитель СВЧ 42 подключена к группе из n модемов приемного радиоцентра. А каждая из (m-n) приемных антенн 43 второй приемной каналообразующей аппаратуры 13 через соответствующий усилитель СВЧ 42 подключена к группе из (m-n) модемов приемного радиоцентра.
Приемные антенны 43 и СВЧ усилители 42 в каналообразующих аппаратурах 12 и 13 идентичны. Число каналов на прием всегда должно быть больше m>n, так как для использования преимуществ частотного и пространственного разнесения осуществляют прием радиосигналов от разных источников в различных диапазонах.
При приеме сообщений после АЦП 30 узлы, подключенные двухсторонними связями к вычислителю 8: преобразователь масштаба сигналов 31, устройство компенсации импульсной помехи 32, интерполяционное устройство 33, амплитудное нормирующее устройство 34, декодер с корреляционной обработкой 35, формирователь исходных ФМ сигналов приемной стороны 36, сумматор дискретных сигналов 37, решающее пороговое устройство 38, формирователь порога 39, преобразуют дискретные сигналы к виду, необходимому для обработки их вычислителем 8 [4]. Для выполнения требуемых процедур при выполнении операций помехоустойчивого декодирования вход решающего порогового устройства 38 дополнительно подключен к выходу формирователя порога 39, а выходы формирователя исходных ФМ сигналов приемной стороны 36 подключены к соответствующим входам декодера с корреляционной обработкой 35. После обработки вычислителем 8 сигналы передаются в распределитель 44 дискретных сигналов сообщении, разводятся по соответствующим каналам с помощью преобразователей 25 дискретных сигналов сообщений, с выходов которого информация требуемой формы поступает потребителям.
Шины (входы/выходы) вычислителя 8, связанные с узлами системы, разделяются на информационные, обозначенные на фиг. 3 - фиг. 7 односторонними связями, и управления и контроля, обозначенные на фиг. 3 - фиг. 7 двухсторонними связями.
ВМС 2 может быть применен и в наземном комплексе 1 связи, так как по структуре и выполняемым функциям он аналогичен ВМС 2 бортового комплекса связи. Отличие заключается лишь в том, что число передающих и приемных средств и мощность излучения в НКС 1 больше, чем на борту, передающий радиоцентр 4 удален от приемного за пределы прямой видимости и в режиме ретрансляции квитанции о правильном приеме сообщения с ВМС 2 получателю информации квитанция с приемного радиоцентра 5 транслируется на передающий радиоцентр 4 по наземной сети 3 передачи данных. Вычислительный модуль связи в составе бортового или наземного комплексов связи ВЧ диапазона обеспечивает обмен данными в режиме работы с автоматическим выбором оптимального радиоканала по частоте из списка заранее заданных и адаптацией по скорости передачи информации.
Для повышения помехоустойчивости применяются методы частотного и пространственного разнесения каналов. В первом случае число приемных средств в ВМС 2 всегда больше, чем передающих, что позволяет принять сообщение с большего числа средств и затем провести соответствующую обработку, например, мажоритарную, поучить выигрыш по величине отношения сигнал/шум, а, следовательно, повысить помехоустойчивость. Во втором случае сообщение по наземной сети 3 передачи данных с входами/выходами 6 передается нескольким НКС 1 и излучается в пространство. Из-за разных путей распространения и рабочих частот в ВМС 2 радиосигналы приходят некоррелированными и после соответствующей обработки можно выделить наилучший сигнал [4].
ВМС 2 поддерживает работу как на совпадающих, так и отличающихся частотах передачи и приема, что актуально для обеспечения связи с дальнемагистральными самолетами. ВМС 2 может обеспечивать с точки зрения пользователя режим совместной работы с одним респондентом, что позволяем им перераспределять доступные радиотракты. Использование одного или нескольких модемов ВМС 2 в режиме совместной работы позволяет использовать территориально разнесенные передающие и приемные наземные комплексы связи как ретрансляторы определенному корреспонденту радиосигналов с ВМС 2, имеющим малый энергетический потенциал, в том числе квитанций о правильном приеме посланного этим корреспондентом сообщения.
Вычислитель 8 совместно с модулем 17 ВМС 2 обеспечивает контроль качества каналов связи, на основе которого осуществляется выбор вероятностно оптимальной частоты на данный момент времени. Контроль качества каналов проводится посредством одностороннего и двустороннего зондирования как в автоматическом режиме, так и по команде. В модемах 9 и 10 ВМС 2 использованы сигнально-кодовые конструкции, построенные на основе использования, например, турбо-кода и последовательностей Уолша и Баркера [3, 6, 7].
В дежурном режиме работы модемы 9, 10 и аппаратура 11, 12, 13 ВМС 2 совместно с вычислителем 8 осуществляют сканирование своих приемных частот каждого из доступных каналов на предмет наличия в них вызывных сигналов других абонентов системы.
Модулем 21 совместно с вычислителем 8 осуществляется аппаратурный контроль ВМС 2 с выводом полученных данных на его выход или через вычислитель 8 и вход/выход 22 - на внешние системы.
Технический результат изобретения состоит в повышении помехоустойчивости системы радиосвязи ВЧ диапазона за счет разнесения по частоте и пространству, применения ортогональных сигналов и турбо-кодов, являющихся наиболее близкими к пределу Шеннона [6], обеспечения своевременности доставки сообщений за счет уменьшения числа перезапросов не достоверных данных по обратному каналу связи. Достоверность передачи сообщений и их воспроизводимость с заданной точностью у получателей информации повышены за счет введения процедур обработки пилот-сигнала, учета постоянно изменяющегося времени задержки радиосигналов в канале связи, обеспечения взаимной синхронизации между передающей и приемной сторонами системы.
Система радиосвязи может быть реализована программно и на современных серийных аппаратно - программных средствах и серийных интегральных схемах. ВМС 2 может быть реализован по технологии «программируемое радио» (SDR) и представляет собой аппаратную платформу, выполненную, например, на базе отечественной СБИС 1892 ВМ14Я с внешними модулями.
Существует возможность использования ВМС 2 на различных объектах связи, например, при взаимодействии с внешним управляющим оборудованием по интерфейсам (вход/выход 22): МКИО, Ethernet, RS-232, ARINC-429 и по интерфейсам: С1-ТЧ ГОСТ 23578-79 и Ethernet - для подключения к каналообразующей аппаратуре.
При обмене данными между вычислительными модулями связи используется не только перезапрос квитанции, но и ретрансляция квитанций через НКС или ВМС подвижных объектов, находящихся в зоне устойчивой связи (где величина отношения сигнал/шум превышает заданную), относительно корреспондента и респондента находящихся в зоне устойчивой связи одновременно с респондентом и с корреспондентом, чем обеспечивается ее гарантированное доведение и исключение переспросов.
Разнесенный прием по частоте и переход к более мощной схеме помехоустойчивого кодирования и ее интеграция в процедуры метода последовательного повышения избыточности позволяет сократить число повторов, необходимое для достоверного доведения пакетов, и, как следствие, повысить помехоустойчивость и информационную скорость в канале связи. Помимо повышения скорости применением турбо-кодирования удается увеличить диапазон допустимых отношений сигнал/шум, при котором остается возможным обеспечить качественное и своевременное доведение данных до выбранного абонента.
Литература:
1. Патент РФ на изобретение №2286030, дата публикации 20.10.2006 Бюл. №29.
2. Патент РФ на изобретение №2663240, дата публикации 03.08.2018 Бюл. №22.
3. Берлин А.Н. Цифровые сотовые системы связи. - М.: Эко-Трендз, 2007. - 296 с.
4. Патент РФ на изобретение №2720215, дата публикации 28.04.2020 Бюл. №13 (прототип).
5. М.В. Ратынский. Основы сотовой связи / Под ред. Д. Б. Зимина - М.: Радио и связь, 1998. 248 с.
6. Скляр, Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом "Вильяме", 2003. 1104 с.
7. Х.Ф. Хармут.Передача информации ортогональными функциями. Пер. с англ. Н.Г. Дядюнова и А.И. Сенина, М., «Связь», 1975. 272 с.
8. GPS - глобальная система позиционирования. - М.: ПРИН, 1994, 76 с.