СПОСОБ ОДНОКАНАЛЬНОЙ РАДИОСВЯЗИ
SINGLE-CHANNEL RADIO COMMUNICATION METHOD

Изобретение относится к автоматической радиосвязи и предназначено для передачи данных между подвижными и неподвижными абонентами.
-6
Известен способ ВЧ радиосвязи с использованием технологии HFDL (High Frequency Data Link), построенной на основе спецификации ARINC 635 [1], оптимизирует в смысле надежности связи, спектральной и экономической эффективности систему пакетной связи «Воздух-Земля», в которой большое количество самолетов (до 2500) обслуживается малым количеством частотных каналов (до 48-60) и наземных станций (до 16) в режиме множественного доступа с временным и частотным разделением. Способ обмена данными в системе HFDL подробно описан в [1]. HFDL определяет как процедуры составления канала с автовыбором рабочей частоты, так и все остальные процедуры автоматического ведения связи на всех уровнях (физическом, канальном и подсети) с многопараметрической адаптацией радиолинии по частоте, скорости передачи, видам модуляции и кодирования, а также по пространственному разнесению наземных станций, гарантирующие достоверность (остаточную вероятность ошибки) не хуже 10. В системе HFDL используется один и тот же набор частот для составления канала и ведения связи. Высокая спектральная эффективность системы достигается благодаря использованию комбинированного протокола множественного доступа к каналу с частотным (FDMA) и временным (TDMA) разделением. Протокол частотного разделения обеспечивается тем, что разные частотные каналы (от двух до шести) назначаются разным ВЧ наземным станциям (ВЧ НС). TDMA протокол обеспечивается тем, что время использования каждого частотного канала разбивается на 32-х секундные кадры, а каждый кадр разбивается на 13 временных слотов доступа длительностью 2,461538 с, равной времени передачи одного пакета данных 2,343888 с плюс 117,65 мс на неопределенность времени задержки распространения и рассинхронизм в радиолинии. На всех частотах ВЧ наземные станции периодически (в первом слоте каждого кадра) излучают сигналы маркеров, качество которых оценивают самолеты при выборе частоты связи. Самолет выбирает для связи любой канал, качество сигнала маркера которого является приемлемым или наилучшим, регистрируется на этом канале на наземной станции и ведет на нем связь до тех пор, пока качество канала отвечает требуемому уровню. Один канал связи могут выбрать несколько самолетов и зарегистрироваться на нем. Каждый ВЧ канал HFDL системы используется всеми зарегистрированными на нем самолетами в режиме множественного доступа с временным разделением. Управление протоколом TDMA обеспечивает ВЧ наземная станция, передавая в сигналах маркеров назначения слотов, резервируемых по запросам от бортов, слотов случайного доступа и слотов для передачи с «земли». ВЧ наземная станция прогнозирует системные характеристики (задержку передачи пакета) на каждом своем частотном канале и выставляет флаг занятости канала в маркере, когда критическое число самолетов зарегистрировалось на канале, чтобы прекратить доступ к нему новых корреспондентов и гарантировать заданные системные характеристики (задержку передачи пакета не более допустимой). В зависимости от качества канала и объема передаваемых данных в сообщении выбирается оптимальный вид многопозиционной фазовой манипуляции и кодирования. При этом длительность сообщения и скорость 1800 Бод, обеспечиваемая однотоновым модемом, не меняются.
Для обеспечения заданного уровня надежности связи в зоне ответственности каждой ВЧ наземной станции из общего списка ВЧ частот (48-60 каналов с одной боковой полосой), выделяемых для системы HFDL, в пункте управления ВЧ системой обмена данными назначают для каждой ВЧ наземной станции на каждый временной интервал суток длительностью (1-2) часа набор из (2-6) активных частот, оптимальный по условиям распространения радиоволн и электромагнитной совместимости, доводят назначенный набор частот вместе с интервалом времени его активизации до каждой ВЧ наземной станции через подсистему наземной связи, реализуя, таким образом, протокол множественного доступа с частотным разделением, разбивают время использования каждого частотного канала на временные кадры длительностью 32 с, а каждый кадр разбивают на 13 временных слотов длительностью 2,461538 с для реализации протокола множественного доступа к каналу с временным разделением (TDMA).
В конце каждого кадра на каждой ВЧ наземной станции для каждого слота следующего кадра производят назначение использования этого слота для передачи с земли или для передачи с конкретного борта по его предварительному запросу слота доступа, или для передач с любого борта в режиме случайного доступа.
С каждой ВЧ наземной станции на всех активных частотах в первом слоте каждого кадра излучают сигналы маркеров, которые содержат назначения использования каждого слота текущего кадра, а также квитанции на сообщения, принятые с ВЧ БС в предыдущих двух кадрах.
На каждой ВЧ бортовой станции по результатам оценки качества приема сигналов маркеров выбирают лучшую частоту связи (ВЧ радиоканал «Воздух-Земля»).
Каждую ВЧ бортовую станцию регистрируют на выбранном ею ВЧ канале на соответствующей этому каналу ВЧ наземной станции, производят обмен пакетными данными в режиме TDMA через ВЧ радиоканал «Воздух-Земля» между ВЧ наземной станцией и ВЧ бортовой станцией, которая на ней зарегистрирована, до тех пор, пока качество ВЧ радиоканала «Воздух-Земля» превышает допустимый уровень. При ухудшении качества ВЧ радиоканала ниже допустимого уровня выбирают новый ВЧ радиоканал для бортовой станции и регистрируют ее на новом выбранном ВЧ радиоканале. Производят обмен пакетными данными через наземную сеть связи между ВЧ наземными станциями и пунктом управления ВЧ системой связи, а также пользователями системы связи -диспетчерскими пунктами управления воздушным движением (УВД) и авиалиниями (УАЛ).
В процессе обмена пакетными данными пакетное сообщение для диспетчера УВД или УАЛ, содержащее адрес получателя - диспетчерского пункта УВД или УАЛ, а также адрес отправителя (адрес борта по версии ИКАО), формируют в бортовом блоке управления связью (бортовом маршрутизаторе), передают в ВЧ бортовую станцию, где его упаковывают в пакет, предназначенный для передачи по радиоканалу ВЧ диапазона, затем передают по радиоканалу на ВЧ наземную станцию, на которой зарегистрирована ВЧ бортовая станция, где его упаковывают в пакет, предназначенный для передачи по подсистеме наземной связи, и передают через интерфейс в подсистему наземной связи, откуда через интерфейс передают к диспетчерскому пункту УВД или УАЛ.
Пакетное сообщение для ПУС, содержащее адрес получателя - ПУС, а также адрес отправителя (адрес борта по версии ИКАО), формируют в ВЧ бортовой станции, где его упаковывают в пакет, предназначенный для передачи по радиоканалу ВЧ диапазона, передают по радиоканалу на ВЧ наземную станцию, на которой зарегистрирована ВЧ бортовая станция, где упаковывают в пакет, предназначенный для передачи по подсистеме наземной связи, передают через интерфейс в подсистему наземной связи, откуда передают через интерфейс к ЦУ.
В обратном направлении пакетное сообщение от диспетчерского пункта УВД или УАЛ, содержащее адрес получателя - (ИКАО адрес борта), а также адрес отправителя - диспетчерского пункта УВД или УАЛ, формируют на диспетчерском пункте УВД или УАЛ, передают его через интерфейс) в подсистему наземной связи, откуда пакет транслируют через интерфейс на ВЧ наземную станцию, на которой зарегистрирована ВЧ бортовая станция - адресат, где его упаковывают в пакет, предназначенный для передачи по радиоканалу ВЧ диапазона, и затем передают по радиоканалу к ВЧ бортовой станции - адресату.
Пакетное сообщение от ПУС для борта, содержащее адрес получателя -(адрес борта по версии ИКАО), а также адрес отправителя - ЦУ, формируют в ПУС, передают его через интерфейс в подсистему наземной связи, откуда его транслируют через интерфейс на ВЧ наземную станцию, на которой зарегистрирована бортовая станция - адресат, где его упаковывают в пакет, предназначенный для передачи по радиоканалу ВЧ диапазона, и передают по радиоканалу к ВЧ БС - адресату.
Недостатки аналога состоят в следующем:
- скорость передачи информации не превышает 1800 Бод;
- увеличение скорости передачи информации потребует значительного изменения алгоритмов работы и программно-аппаратных средств.
Известен аналог по способу применения [2]. Этот способ радиосвязи заключается в том, что с каждой ВЧ наземной станции 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. На основе принятых таблиц слышимости формируют таблицу связности сети «Земля-Земля», 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 увеличить скорость передачи информации;
- из-за необходимости организации многоканальной работы для реализации этого способа требуются десятки наземных станций, сети обмена данными между ними и соответствующие вычислительные ресурсы.
Известен способ передачи данных в условиях многолучевого распространения радиосигналов [3], включающий на передающей стороне канала передачи данных операции формирования пакетов сообщений с защитными интервалами перед пакетами, модуляции пакетов битов, формирования пакетов битов, формирования расширяющих сигналов в виде ортогональной производной системы сигналов Уолша и Баркера, расширения спектров битов пакетов методом прямой последовательности, увеличения длительности битов пакетов во времени в пределах пакетов, уплотнения битов пакетов во времени в пределах пакетов усиления мощности радиосигналов и излучения их передающей антенной. На приемной стороне канала последовательно выполняются операции приема, усиления и демодуляции радиосигналов обратного преобразования во времени длительностей сигналов, многоканального кодового разделения сигналов лучей по форме, формирования копий расширяющих сигналов, выделения сигналов сообщений в многоканальном решающем устройстве по критерию отношения правдоподобия, задержки во времени сигналов сообщений в соответствии с исходной последовательностью сообщений в пакетах на передающей стороне.
К недостаткам аналога следует отнести:
- отсутствие возможности повышения скорости передачи информации;
- для реализации способа требуется усилитель мощности передатчика с линейной амплитудной характеристикой (режим класса А), который имеет малый КПД;
- не реализованы процессы синхронизации передающей и приемной аппаратуры цифровой обработки сигналов.
Наиболее близким заявленному способу по технической сущности является способ радиосвязи, приведенный в [4, рис. 1.2, лист 33], который и принят за прототип. Способ состоит из последовательно выполняемых с входной информацией операций, а именно: форматирование входной информации (преобразование к виду, удобному для работы кодера источника), шифрование, канальное кодирование, уплотнение, импульсная модуляция (модуляция на низкой частоте), полосовая модуляция (формирование радиосигнала на радиочастоте), расширение спектра, множественный доступ, усиление радиосигнала в передатчике и с помощью антенны излучение в канал связи. На приемной стороне переданные радиосигналы в приемнике выделяют среди других, обеспечивают множественный доступ и сужение спектра, осуществляют демодуляцию и дискретизацию, детектируют радиосигналы, проводят разуплотнение, канальное декодирование, дешифрование, декодирование источника и преобразование информации в исходный формат.
К недостаткам прототипа следует отнести:
- отсутствие возможности повышения скорости передачи информации;
- наличие операций (уплотнение, множественный доступ, расширение и сужение спектра), которые для реализации способа одноканальной радиосвязи не требуются;
- не реализованы процессы синхронизации передающей и приемной аппаратуры цифровой обработки сигналов.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение скорости передачи информации.
Указанный технический результат достигается тем, что в известный способ одноканальной радиосвязи, в котором на передающей стороне входную информацию от источника разбивают на кадры и в начале каждого кадра формируют маркеры, а на приемной стороне выделяют маркеры, включающий на передающей стороне последовательно выполняемые операции форматирования входной информации от источника, а именно, преобразования к виду, удобному для работы кодера источника, шифрования, канального кодирования, а также последовательно выполняемые операции формирования радиосигнала, усиления его в передатчике и излучения в канал связи с помощью антенны, а на приемной стороне включающий последовательно выполняемые операции выделения в приемнике переданных радиосигналов, демодуляции по фазе и дискретизации, а также последовательно выполняемые операции канального декодирования, дешифрования, декодирования источника и преобразования информации в исходный формат, при этом на передающей и приемной сторонах временные шкалы синхронизируют односекундными метками с выхода приемника глобальных навигационных спутниковых систем, на передающей стороне после операции канального кодирования записывают кадр сообщения в регистр и из него последовательно во времени формируют пакеты по 2N бит, кодируют двоичным кодом так, чтобы число разрядов в кодовом слове n=log2N совпадало с порядком фазовой манипуляции 2, 4, 6, 16, расставляют кодовые слова в порядке возрастания времени появления кодового слова, формируют передаваемый пакет, в начале которого устанавливают маркер, ортогональный битам передаваемого пакета и совпадающий по времени с односекундной меткой с выхода приемника глобальных навигационных спутниковых систем или находящийся от нее на известной задержке, манипулируют по фазе с заданным порядком, передают для формирования радиосигнала и преобразовывают в радиосигнал на заданной радиочастоте, а на приемной стороне после операций демодуляции по фазе и дискретизации, формируют строб в интервале времени, где ожидается появление маркера, выделяют маркер, который синхронизирует временную шкалу приемной стороны, с помощью которой после дискретизации принятых сигналов начинают синхронную запись в регистр импульсов принятого пакета, с выхода которого последовательно во времени снимают n-разрядные кодовые слова, которые с помощью канального декодирования и дешифрования переводят в N-разрядные сообщения, устанавливают их последовательно во времени в порядке следования пакетов и восстанавливают параметры сигналов кадра сообщения для проведения следующей операции декодирования источника.
N
N
N
N
2
Сущность способа заключается в следующем. Входную информацию от источника, которая может быть как в аналоговой, так и в дискретной форме, форматируют - преобразовывают к виду, удобному для работы кодера источника, например, переводят в цифровую форму с помощью аналогово-цифрового преобразования путем дискретизации во времени и квантования по амплитуде. Затем после сокращения избыточности в кодере источника сообщения шифруют для обеспечения криптозащиты, осуществляют канальное помехоустойчивое кодирование. Далее сообщения разбивают на кадры и каждый бит кадра сообщения записывают в регистр размером 2 разрядов, а из него последовательно во времени формируют пакеты по 2 бит, которые кодируют двоичным кодом так, чтобы число разрядов в кодовом слове n=logN совпадало с порядком фазовой манипуляции 2, 4, 6, 16, расставляют кодовые слова в порядке возрастания времени появления кодового слова и из них формируют передаваемый пакет. Если объем входной информации превышает 2 бит, то она разбивается на несколько кадров. Оставшаяся часть бит после разбиения добавляется нулями до величины 2.
В начале каждого пакета устанавливают маркер, ортогональный битам передаваемого пакета и совпадающий по времени с односекундной меткой с выхода приемника глобальных навигационных спутниковых систем или находящийся от нее на известной, например, псевдослучайной задержке. Формирование кодовых слов осуществляется с защитными интервалами перед битами, их составляющими. Форма представления маркера должна быть ортогональной к передаваемым кодовым словам. Ширину спектра выходного бита (сигнала) низкочастотного модулятора согласуют с величиной полосы частот радиоканала связи для реализации оптимальной скорости передачи информации.
Затем сформированный пакет с маркером манипулируют по фазе с заданным порядком 2, 4, 8, 16, передают для формирования радиосигнала, преобразовывают в радиосигнал на заданной радиочастоте, усиливают в передатчике и с помощью антенны излучают в канал связи. Порядок манипуляции по фазе выбирается на основе компромисса между величиной скорости передачи информации и уровнем отношения мощностей сигнала и смеси шума и помехи, чем ниже этот уровень, тем меньше должен быть порядок манипуляции.
На приемной стороне переданные радиосигналы в приемнике выделяют среди других радиосигналов, осуществляют демодуляцию по фазе и дискретизацию [4]. Уровень порога при квантовании принятых сигналов определяется максимальным уровнем взаимных шумов и помех на выходе приемника. Затем формируют строб в интервале времени, где ожидается появление маркера, например, с помощью схемы синхронизации с опережающим и запаздывающим стробированием [4, рис. 10.13 лист 648]. Эффективность выделения маркера определяется, например, автокорреляционной функцией выбранного при формировании маркера сигнала, например, кода Баркера с малым уровнем его боковых лепестков [4, 5]. При выделении маркера из принимаемых сигналов осуществляют, например, корреляционную обработку путем умножения их на копию передаваемого маркера, сформированного, например, в соответствии с кодом Баркера [4-6]. Маркер синхронизирует временную шкалу приемной стороны, с помощью которой после дискретизации и квантования принятых сигналов начинают синхронную запись в регистр импульсов принятого пакета, с выхода которого последовательно во времени снимают n-разрядные кодовые слова. Эти кодовые слова с помощью канального декодирования и дешифрования переводят в N-разрядные сообщения, устанавливают их последовательно во времени в порядке следования пакетов и восстанавливают параметры сигналов кадра сообщения для проведения дальнейшей операции декодирования источника и преобразования информации в исходный формат. Для повышения качества восстановления входной информации скорость записи в регистр битов пакетов на передающей стороне, должна быть идентичной скорости ее считывания из регистра на приемной стороне.
Особенностью заявляемого способа является то, что в канале радиосвязи передается не входная информация, а ее «отображение» на фазовой плоскости, которое занимает меньшее число бит.Максимальная теоретически достижимая скорость передачи информации при N=16, n=4 и использовании фазовой манипуляции 2ФМн может быть в 8 раз больше, чем в случае, если бы передача информации велась побитно, при N=64, n=8 и использовании фазовой манипуляции 4ФМн - в 16 раз больше и т.д. Эти данные приведены без учета интервалов времени, отведенных под маркер и защитные интервалы. Верхний предел скорости передачи информации ограничивается величиной среднеквадратической ошибки определения времени точной односекундной метки с выхода приемника глобальных навигационных спутниковых систем и точностью генератора опорной частоты формирователей временных шкал на передающей и приемной сторонах.
Литература:
1. ARINC 635-3. Specification. HF Data Link Protocols. 12/2000.
2. Патент РФ №2286030.
3. Патент РФ №2663240.
4. Скляр Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом "Вильямс", 2003. 1104 с. (рис. 1.2, лист 33 - прототип).
5. М.В. Ратынский. Основы сотовой связи / Под ред. Д.Б. Зимина - М.: Радио и связь, 1998. 248 с.
6. Х.Ф. Хармут. Передача информации ортогональными функциями. Пер. с англ. Н.Г. Дядюнова и А.И. Сенина, М., «Связь», 1975. 272 с.