Способ адаптивного управления мощностью в радиолинии с линейным предсказанием второго порядка значения мощности помехи
METHOD FOR ADAPTIVE POWER CONTROL IN A RADIO LINE WITH LINEAR PREDICTION OF THE SECOND ORDER OF INTERFERENCE POWER VALUE

Предлагаемый способ относится к области связи и может быть использован в системах передачи информации.
Известен «Ретранслятор, осуществляющий управление мощностью обратной линии связи» (патент RU 2300839, H04B 7/005, 7/26, H04J 13/00, H04Q 7/38). Недостатком данного способа является недостаточно высокая эффективность при работе средств связи в условиях быстро изменяющейся помеховой обстановки.
Известен «Способ измерения отношения сигнал-шум (ОСШ) для системы мобильной связи CDMA» включающий измерение мощности помех одноканального сигнала после прохождения полученным сигналом одноканального демодулирования в многоканальном приемном устройстве на стороне приема, проведение эквипартиционного суммирования измеренной мощности помех одноканальных сигналов для получения общей мощности помех, измерение мощности сигнала после диверсификационного суммирования одноканальных сигналов, получение измеренной величины ОСШ делением мощности сигнала на общую мощность помех (заявка RU 2003107679, H04J 13/00). Недостатком данного способа является недостаточно высокая эффективность при работе средств связи в условиях быстро изменяющейся помеховой обстановки в одноканальном режиме.
Устройство для оценки шума в системе связи, содержащее устройство корреляции, предназначенное для корреляции множества поднесущих с опорной последовательностью на поэлементной основе и вывода результата корреляции, и устройство вычисления шума сигнала, предназначенное для вычисления разности между величиной корреляции, связанной с каждой из множества поднесущих, и величиной корреляции, полученной, по меньшей мере, из одной смежной поднесущей, выведенной с помощью устройства корреляции (заявка RU 2005133437, H04J 11/00). Недостатком данного способа является высокая сложность устройства и недостаточно высокая точность оценки шума при наличии сигнала.
Известен «Способ управления мощностью в системе радиосвязи» (заявка RU 2002133457, H04B 7/005). Недостатком данного способа является недостаточно высокая эффективность при работе средств связи в условиях быстро изменяющейся помеховой обстановки.
Известен способ управления мощностью при помощи использования сигналов gnss (патент RU 2542328, H04W 52/18). Недостатком данного способа является недостаточно высокая эффективность при работе средств связи в условиях быстро изменяющейся помеховой обстановки.
Известен способ управления мощностью передачи в беспроводной локальной сети, контроллер и точка доступа (патент RU 2562250, H04W 52/24). Недостатком данного способа является недостаточно высокая эффективность при работе средств связи в условиях быстро изменяющейся помеховой обстановки.
Известен способ управления мощностью передатчиков мобильной (MS) и базовой (BTS) станций (управление с замкнутой петлей – Closed Loop Control) (описанный в WWW.2fcmd.ru(book_09/h9_2)), который заключается в следующем. Сеть дает MS команду на установку мощности передатчика, основываясь на результатах измерений уровня сигнала на входе приемника BTS, в BTS определяется необходимый уровень мощности передатчика. Недостатком данного способа является невысокая эффективность при работе средств связи в условиях быстро изменяющейся помеховой обстановки.
Известны «Устройство и способ управления начальной мощностью передачи прямого канала связи в системе связи с мобильными объектами» (заявка RU 2000108489, H04B 7/26), который содержит этапы измерения в мобильной станции мощности сигнала заданного прямого канала связи, принятого от базовой станции, посылки информации, указывающей мощность заданного прямого канала связи, к базовой станции, определения в базовой станции начальной мощности передачи для заданного прямого канала связи на основании информации, принятой от мобильной станции, и использования определенной мощности передачи для управления начальной мощностью передачи для другого прямого канала связи». Недостатком данного способа является недостаточно высокая эффективность при работе средств связи в условиях быстро изменяющейся помеховой обстановки.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является «Способ регулирования мощности сигналов, излучаемых передающим устройством, связанным с соответствующей приемной станцией в цифровой сотовой радиосистеме, по заявке RU 95108874, H04B 7/26, п. 1, принятый за прототип.
Способ регулирования мощности сигналов, излучаемых передающим устройством, связанным с соответствующей приемной станцией в цифровой сотовой радиосистеме включает следующие шаги:(а) вычисление затухания сигнала на пути распространения между передающим устройством и соответствующей приемной станцией;(б) измерение уровня мощности взаимной помехи на соответствующей приемной станции;(в) вычисление произведения обратной величины упомянутого затухания на пути распространения упомянутого уровня мощности взаимной помехи и фиксированной величины, которая соответствует минимальной назначенной величине отношения мощности несущей принятого сигнала к мощности взаимной помехи;(г) регулирование мощности сигналов, излучаемых передающим устройством, в соответствии со значением упомянутого произведения;(д) многократное повторение шагов (а), (б), (в) и (г), причем интервал времени между успешными выполнениями шага регулирования мощности сигналов меняется.
Недостатком способа-прототипа является негарантированное качество передачи информации в условиях быстроизменяющейся помеховой обстановки.
Задача – повышение вероятности передачи информации в условиях быстроизменяющейся помеховой обстановки.
Для решения поставленной задачи в способе адаптивного управления мощностью в радиолинии с линейным предсказанием второго порядка значения мощности помехи, включающем следующие шаги:
– измерение уровня мощности сигнала и уровня мощности помехи на соответствующей приемной станции;– регулирование мощности сигналов, излучаемых передающим устройством;
– многократное повторение данных шагов;
при этом используют фиксированную величину, которая соответствует минимальной назначенной величине отношения мощности несущей принятого сигнала к мощности помехи;
передают данные по управлению мощностью от соответствующей приемной станции к передающему устройству;
вычисления выполняют на соответствующей приемной станции;
регулирование мощности сигналов, излучаемых передающим устройством, включает операцию установления мощности излучаемого передающим устройством сигнала, которая включает в себя следующее:
– установку мощности сигналов, излучаемых передающим устройством, если его значение меньше максимальной допустимой мощности и больше минимально допустимой мощности;
– установку мощности сигналов, излучаемых передающим устройством, равной упомянутой максимально допустимой мощности, если упомянутое произведение больше или равно упомянутой мощности;
– установку мощности сигналов, излучаемых передающим устройством, равной упомянутой минимально допустимой мощности, если мощность меньше или равна упомянутой минимально допустимой мощности;
передачу и прием информации осуществляют на фиксированных частотах или на различных частотах при использовании перестройки рабочей частоты, в том числе псевдослучайной перестройки рабочей частоты (ППРЧ), согласно изобретению,
обмен информацией осуществляют в линии связи «точка – точка» (передающее устройство (станция №1) – приемная станция (станция №2) в режиме временного деления каналов, работа каждой станции состоит из временных циклов, каждый цикл состоит из интервала передачи информации и интервала приема информации для станции №1, интервала приема информации и интервала передачи информации для станции №2,
обмен информацией осуществляют в два этапа:
станция №1 в первом временном цикле передает информацию или пилот-сигнал станции №2 с максимальной мощностью,
в станции №2 при приеме информации, после измерения мощностей сигнала и помехи рассчитывают их отношение (текущее значение отношения мощностей сигнала и помехи (ОСП)), а также рассчитывают значение отношения фиксированной величины, которая соответствует минимальной назначенной величине отношения мощности несущей принятого сигнала к мощности помехи (минимально допустимое отношение мощностей сигнала и помехи (ООСП)) и ОСП, передают информацию и упомянутое рассчитанное значение с максимальной мощностью;
в станции №1 при приеме информации, после измерения мощностей сигнала и помехи рассчитывают их отношение (ОСП), а также рассчитывают значение отношения фиксированной величины, которая соответствует минимальной назначенной величине отношения мощности несущей принятого сигнала к мощности помехи (ООСП) и ОСП, передают информацию и упомянутое рассчитанное значение с максимальной мощностью;
во втором временном цикле в каждой станции после приема информации, кроме упомянутых операций, рассчитывают значение выходной мощности сигнала путем умножения значения выходной мощности, с которой перед этим была передана информация (текущее значение) на принятое значение отношения ООСП и ОСП и на корректирующий коэффициент, значение которого определяют заранее, устанавливают мощность передатчика равной рассчитанному значению,
на этапе обмена информацией с адаптивным управлением мощностью:
в каждой станции присваивают номеру интервала приема информации значение 0 и запоминают его;
в первом временном цикле в интервале передачи информации станция №1 (№2) передает информацию и рассчитанное в предыдущем цикле обмена информацией значение отношений ООСП и ОСП, с установленной мощностью;
в первом временном цикле в станции №1 (№2) в интервале приема информации:
после измерения мощностей сигнала и помехи рассчитывают их отношение (ОСП), а также рассчитывают отношения значения ООСП и ОСП;
рассчитывают значение выходной мощности сигнала путем умножения текущего значения выходной мощности, на принятое значение отношения ООСП и ОСП и на корректирующий коэффициент;
устанавливают значения кодов квитанции о приеме информации: код, соответствующий факту приема информации устанавливают в случае, если значение отношения ООСП и ОСП меньше единицы, код, соответствующий факту, что информации не принята, устанавливают в противном случае;
увеличивают значение номера интервала приема информации на 1 и запоминают его;
начиная с первого интервала приема информации, рассчитывают разность значений мощностей помехи, измеренных в текущий момент и в момент предыдущего приема, если это значение превышает заранее установленный порог, то оценку значения мощности помехи для очередного момента приема информации производят методом линейного предсказания второго порядка, в противном случае в качестве значения мощности помехи для очередного момента приема используют текущее измеренное значение мощности помехи,
начиная со второго временного цикла:
в каждой станции, кроме упомянутых операций, анализируют код квитанции о приеме (не приеме) информации, в случае если принято кодовое сообщение о том, что информация принята, в станциях устанавливают рассчитанное значение мощности передатчика;
в противном случае в следующем временном цикле повторно передают информацию, о приеме которой не получено подтверждение, с мощностью, значение которой рассчитывают путем умножения ее текущего значения на коэффициент увеличения мощности, значение которого устанавливают заранее;
далее работу продолжают по описанной процедуре.
Предлагаемый способ заключается в следующем.
Работа каждой станции состоит из временных циклов, каждый цикл состоит из интервала передачи информации и интервала приема информации для станции №1 и интервала приема информации и интервала передачи информации для станции №2 (см. фиг.1).
Обмен информацией осуществляют в два этапа: начальный этап и этап обмена информацией с адаптивным управлением мощностью.
На начальном этапе станция №1 передает информацию с максимальной мощностью, например, в виде пилотного сигнала.
В станции №2 после измерения мощностей сигнала и помехи, рассчитывают их отношение (текущее значение отношения мощностей сигнала и помехи (ОСП)). Также рассчитывают значение отношения фиксированной величины, которая соответствует минимальной назначенной величине отношения мощности несущей принятого сигнала к мощности помехи (минимально допустимое отношение мощностей сигнала и помехи (ООСП)), и ОСП.
Передают информацию и упомянутое рассчитанное значение с максимальной мощностью.
В станции №1 после измерения мощностей сигнала и помехи, рассчитывают их отношение (ОСП), а также рассчитывают отношение значения ООСП и ОСП.
Рассчитывают значение выходной мощности сигнала путем умножения значения выходной мощности, с которой перед этим была передана информация (текущее значение) на принятое значение отношения ООСП и ОСП и на корректирующий коэффициент, значение которого определяют заранее
рпрд
тпрд
к
о
т
P= P K q/q        (1)
тпрд
где: P – текущее значение выходной мощности сигнала;
к
K – корректирующий коэффициент;
о
т
q, q – минимально допустимое и текущее значения отношений мощностей сигнала и помехи, соответственно.
Корректирующий коэффициент учитывает возможное изменение мощности сигнала, например, из-за нестабильности частоты, других факторов, например, изменение значения коэффициента направленного действия антенны из-за воздействия атмосферных факторов, и т.д., а также из-за ошибок измерения мощностей сигнала и помехи.
Значение корректирующего коэффициента определяют экспериментальным путем на этапе испытаний средств связи.
Устанавливают мощность передатчика равной рассчитанному значению.
Если рассчитанное значение мощности передатчика становится равным или большим максимальной допустимой мощности, или становится равным, или меньше минимальной допустимой мощности передатчика, то устанавливают, соответственно, максимальное или минимальное значение мощности.
На этапе обмена информацией с адаптивным управлением мощностью:
в каждой станции присваивают номеру интервала приема информации значение 0 и запоминают его;
в первом цикле станция №1 передает с установленной мощностью информацию и рассчитанное значение отношений ООСП и ОСП, которое было рассчитано в предыдущем цикле обмена информацией,
в первом цикле станции №1 и №2 в интервале приема информации:
после измерения мощностей сигнала и помехи рассчитывают их отношение (ОСП), а также рассчитывают отношения значения ООСП и ОСП;
рассчитывают значение выходной мощности сигнала путем умножения текущего значения выходной мощности, с которой перед этим была передана информация, на принятое значение отношения ООСП и ОСП и на корректирующий коэффициент;
устанавливают мощность передатчика равной рассчитанному значению;
увеличивают значение номера интервала приема информации на 1 и запоминают его;
устанавливают значение кода квитанции о приеме информации: код, соответствующий факту приема информации устанавливают в случае, если значение отношения ООСП и ОСП меньше единицы, код, соответствующий факту, что информации не принята устанавливают в противном случае.
В первом цикле станция №2 в интервале передачи информации:
передает с установленной мощностью информацию, рассчитанное значение отношений ООСП и ОСП, значение которой рассчитано в предыдущем цикле обмена информацией, код квитанции о приеме (не приеме) информации.
Начиная со второго интервала приема информации в каждой станции кроме упомянутых операций анализируют код квитанции о приеме (не приеме) информации.
В случае если принято кодовое сообщение о том, что информация принята, в станциях устанавливают рассчитанное значение мощности передатчика, в противном случае в следующем временном цикле повторно передают информацию, о приеме которой не получено подтверждение, с мощностью, значение которой рассчитывают путем умножения текущего значения мощности на коэффициент увеличения мощности, значение которого устанавливают заранее.
Значение данного коэффициента определяют методом математического моделирования или экспериментальным путем на этапе испытаний средств связи как значение, обеспечивающее доведение информации с вероятностью не ниже заданного уровня, при условии, что вероятность ложной тревоги при этом будет не выше заданного уровня.
Рассчитывают разность значений мощностей помехи, измеренных в текущий момент и в момент предыдущего приема, если это значение не превышает заранее установленный порог, то в качестве оценки значения мощности помехи для очередного момента приема используют текущее измеренное значение мощности помехи.
В противном случае оценку значения мощности помехи для очередного момента приема информации производят методом линейного предсказания второго порядка (см., например, «Цифровая обработка речевых сигналов. //Л.Р. Рабинер, Р.В. Шафер. Перевод с английского под редакцией М.В. Назарова и Ю.Н. Прохорова. Москва, «Радио и связь», 1981», стр. 211)
1
2
Р(n+1)= а Р(n)+ а Р(n-1)       (2)
где: Р(n), Р(n-1) – значение мощности помехи в текущий и в предыдущий моменты времени, соответственно;
1
2
а, а – множители.
Значения данных множителей определяют методом математического моделирования или экспериментальным путем.
Далее работу продолжают по описанному алгоритму.
Ниже приведены результаты оценки эффективности предлагаемого способа.
Результаты оценки эффективности предлагаемого способа получены методом математического моделирования на ЭВМ с использованием системы MATLAB.
При моделировании было принято, что
п
п
Р(n)= Р(n-1)(1+pp)        (3)
п
п
где: Р(n), Р(n-1) – значение мощности помехи в текущий и в предыдущий моменты времени, соответственно;
pp – равномерно распределенная случайная величина в диапазоне
м
0 – Р.
м
Здесь Р – максимальное значение изменения мощности помехи за один шаг.
То есть мощность помехи увеличивается случайным образом.
Аппроксимация значения мощности помехи осуществлялась по формуле (3).
При моделировании использовались следующие исходные данные:
3
число реализаций – 10;
1
а=2;
2
а=-1.
Результаты моделирования приведены в таблице.
1
В таблице приведены значения числа случаев потери пакетов информации (без учета их повторной передачи) для случая использования способа адаптивной регулировки мощности выходного сигнала средств связи с линейным предсказанием второго порядка мощности помехи и для случая, когда данный алгоритм не используется, для различных значений диапазона изменения мощности помехи, числа шагов процесса и значения коэффициента а в модели линейного предсказания второго порядка.
Значение диапазона изменения мощности помехи (Р<sub>м</sub>)
Число шагов процесса
Обозначение переменной
Значение коэффициента а<sub>1</sub> в модели линейного предсказания второго порядка
2,1
2,2
2,3
2,4
2,5
2,6
0,3
20
Nпа, %
23
5,5
0
0
0
0
Nпба, %
64
64
64
64
64
64
50
Nпа, %
24,7
5,8
0
0
0
0
Nпба, %
65,4
65,4
65,4
65,4
65,4
65,4
100
Nпа, %
25,3
5,9
0
0
0
0
Nпба, %
65,9
65,9
65,9
65,9
65,9
65,9
0,5
20
Nпа, %
38
20,5
8,5
2
0
0
Nпба, %
76
76
76
76
76
76
50
Nпа, %
40,7
21,6
8,9
2,2
0
0
Nпба, %
78
78
78
78
78
78
100
Nпа, %
41,4
22,3
9,1
2,1
0
0
Nпба, %
79
79
79
79
79
79
0,8
20
Nпа, %
49
37,7
26,5
15,5
8,2
3,2
Nпба, %
83,2
83,2
83,2
83,2
83,2
83,2
50
Nпа, %
52,2
40,2
28,2
16,6
8,4
3,4
Nпба, %
85,7
85,7
85,7
85,7
85,7
85,7
100
Nпа, %
53,3
41,1
28,7
17
8,7
3,5
Nпба, %
86,5
86,5
86,5
86,5
86,5
86,5
В таблице использованы следующие обозначения:
Nпа, Nпба – число случаев потери пакетов информации (без учета их повторной передачи) для случая использования способа адаптивной регулировки мощности выходного сигнала средств связи с линейным предсказанием второго порядка мощности помехи и для случая, когда данный алгоритм не используется, соответственно.
м
Следует отметить, что по результатам моделирования получено, что при значении параметра Р = 0,8 за 20 шагов процесса мощность помехи увеличивается в среднем в 1000 раз.
1
По результатам анализа данных, приведенных в таблице, может быть сделан вывод, что при применении способа адаптивной регулировки мощности выходного сигнала средств связи с линейным предсказанием второго порядка мощности помехи число потерь пакетов информации может быть снижено практически до нуля за счет выбора соответствующего значения коэффициента а в модели линейного предсказания второго порядка практически для любых значений параметров, определяющих увеличение мощности помехи.
Эффективность способа, когда адаптивная регулировка мощности выходного сигнала средств связи с линейным предсказанием второго порядка мощности помехи не используется, значительно уступает эффективности предлагаемого способа.
Технический результат заключается в обеспечении работы средств связи с минимальной мощностью с заданным уровнем вероятности потери информации в условиях быстро изменяющейся помеховой обстановки.
Структурная схема устройства, предназначенного для реализации предлагаемого способа, приведена на фиг. 1, где обозначено:
1 – антенна;
2 – смеситель;
3 – усилитель промежуточной частоты (УПЧ);
4 – полосовой фильтр (ПФ);
5 – гетеродин;
6 – аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
7 – вычислительное устройство (ВУ);
8 – передатчик;
9 – модулятор.
Устройство содержит последовательно соединенные антенну 1, смеситель 2, УПЧ 3, полосовой фильтр 4, АЦП 6, ВУ 7, модулятор 9 и передатчик 8, выход которого соединен с входом антенны 1, выход-вход которой является выходом-входом устройства. При этом выход гетеродина 5, соединен со вторым входом смесителя 2; второй выход ВУ 7 соединен со вторым входом передатчика 8, вторые входы модулятора 9 и ВУ 7 объединены и являются входом устройства.
Устройство работает следующим образом.
Смесь сигнала и помехи с антенны 1 поступает в смеситель 2, где осуществляется понижение или повышение значения частоты сигнала до значения промежуточной частоты. Полученную смесь сигнала и помехи усиливают в УПЧ 3, усиленный сигнал фильтруют полосовым фильтром 4 и подают в АЦП 6, где формируют в цифровом виде отсчеты смеси сигнала и помехи. Значения отсчетов с выхода АЦП 6 подают на первый вход ВУ 7.
В ВУ 7 по значениям отсчетов рассчитывают значения мощностей сигнала и помехи, которые используют при расчете их отношения (текущее значение) и отношение текущего и минимально допустимого значений отношений мощностей сигнала и помехи (значение отношения ООСП и ОСП).
В ВУ 7 устанавливают значение кода квитанции о приеме информации: код, соответствующий факту приема информации устанавливают в случае, если значение отношения ООСП и текущего значения ОСП меньше единицы, код, соответствующий факту, что информации не принята, устанавливают в противном случае.
Значение отношения ООСП и текущего значения ОСП и кодовое сообщение о том, что информация не принята или принята, подают с первого выхода ВУ 7 на первый вход модулятора 9, где модулируют данную информацию соответствующим образом, после чего ее подают на первый вход передатчика 8 и излучают через антенну 1.
Также в ВУ 7 анализируют код принятой квитанции о том, что информация принята или не принята передающей стороной.
В случае если принято кодовое сообщение о том, что информация принята, рассчитывают значение выходной мощности сигнала путем умножения значения выходной мощности, с которой перед этим была передана информация (текущее значение) на принятое значение отношения ООСП и ОСП и на корректирующий коэффициент, значение которого определяют заранее (формула 1).
Рассчитанное значение выходной мощности со второго выхода ВУ 7 подается на второй вход передатчика 8 и устанавливает в нем рассчитанное значение мощности путем соответствующего увеличения или уменьшения коэффициента усиления усилителя мощности, который входит в состав передатчика 8.
Если рассчитанное значение мощности передатчика становится равным или большим максимального допустимого значения выходной мощности или становится равным, или меньше минимального допустимого значения выходной мощности передатчика, то текущее значение мощности устанавливают максимально допустимым или минимально допустимым, соответственно. Эту информацию со второго выхода ВУ 7 подают на второй вход передатчика 8, где устанавливают соответствующее значение выходной мощности передатчика.
Информацию от внешнего устройства (на фиг. 2 не показано) с входа устройства подают на вторые входы ВУ 7 и модулятора 9.
В модуляторе 9 модулируют данную информацию соответствующим образом, после чего ее подают на первый вход передатчика 8 и излучают через антенну 1.
В ВУ 7 информацию хранят некоторое время, установленное заранее.
Если в ВУ 7 устанавливают, что принято кодовое сообщение о том, что информация станцией, которой она передана, не принята, то данную информацию с первого выхода ВУ 7 передают на вход передатчика 8.
Одновременно со второго выхода ВУ 7 на второй вход передатчика  8 отправляют информацию о значении мощности, которое рассчитывают путем умножения текущего значения мощности на коэффициент увеличения мощности, значение которого устанавливают заранее, например, при котором рассчитанное значение мощности становится близким к максимально возможному, и в следующем временном цикле повторно передают информацию, о приеме которой не получено подтверждение, с данным уровнем мощности.
Вычислительное устройство 7 может быть выполнено, например, в виде единого микропроцессорного устройства с соответствующим программным обеспечением, например процессора серии TMS320VC5416 фирмы Texas Instruments, или в виде программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), с соответствующим программным обеспечением, например ПЛИС XCV400 фирмы Xilinx.
АЦП 6 может быть выполнен, например, на микросхеме AD7495BR фирмы Analog Devices.
Таким образом, данное устройство позволяет реализовать предлагаемый способ изменения уровня мощности передатчиков средств связи в зависимости от изменения помеховой обстановки, а также обеспечивает доведение информации в случае потери пакетов информации, и за счет этого улучшить эффективность работы систем связи в части повышения устойчивости радиосвязи в условиях наличия нестационарных помех, улучшить характеристики электромагнитной совместимости средств связи, повысить эксплуатационные характеристики, а именно – срок службы передатчиков средств связи.