СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ АДАПТИВНОЙ РАДИОСВЯЗИ
METHOD AND APPARATUS FOR ADAPTIVE RADIO COMMUNICATION

Изобретение относится к области радиосвязи, а именно к системам сеансовой связи, обеспечивающим выполнение высоких требований к достоверности передачи сообщений.
Известен способ связи, при котором связь между двумя абонентами осуществляется на одной из выделенных для связи частот [1]. Установление связи между абонентами начинается с поиска пригодной для передачи сообщения частоты, на которой уровень предварительно измеренных помех минимален. Передача сообщения начинается после передачи инициатором связи своему абоненту сигнала подтверждения приема ответа.
Недостатком способа является использование только частотной адаптации.
Другим аналогом заявленному является способ и устройство [2]. Способ и устройство обеспечивают адаптивный выбор стратегии осуществления связи для передачи сообщения в радиосистеме с селективным вызовом абонентов, включающей в себя стационарную часть и портативную часть. Способ включает осуществляемые в стационарной части этапы передачи путем использования заранее установленной исходной стратегии передачи, предупредительного сигнала в портативную часть и после этого ожидания сигнала подтверждения получения сообщения, содержащего оценку качества сигнала, из портативной части. Стационарная часть передает предупредительный сигнал в портативную часть, ожидает сигнал подтверждения приема, включающий в себя оценку качества сигнала, из портативной части. Портативная часть принимает предупредительный сигнал, вычисляет по нему оценку качества сигнала и затем посылает сигнал подтверждения приема. Стационарная часть реагирует на сигнал подтверждения приема путем выбора стратегии в соответствии с оценкой качества сигнала, совместная стратегия приема в соответствии с оценкой качества сигнала выбирается в портативной части без дополнительной связи со стационарной частью, что обеспечивает достижение максимальной эффективности пропускной способности и экономичности системы. При этом способе закрепленный за радиостанцией частотный ресурс используется в качестве параметра адаптации к условиям ведения связи.
К недостаткам способа-аналога и устройства, его реализующего, следует отнести:
сложность и, следовательно, длительное время реализации алгоритмов пошагового выбора рабочей частоты, скорости передачи и мощности передатчика;
оценку качества канала связи при выборе рабочей частоты осуществляют непосредственно после передачи вызывного сигнала, и если качество канала удовлетворяет заданному критерию, то передача информации осуществляется на данной частоте, хотя на других частотах скорость передачи может быть выше;
для определения оптимальной рабочей частоты необходимо передать сигнал вызова на всех выделенных для связи частотах, что снижает пропускную способность линии связи.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) заявленному является способ и устройство [3], у которого в промежутках между сеансами связи периодически перестраивают радиоприемное устройство по всем выделенным для связи частотам, формируют сигнал контрольной комбинации, величину которого аттенюатором изменяют в заданных пределах от максимума до минимума, преобразуют этот сигнал в аналоговую форму, суммируют с сигналом шумов с выхода радиоприемного устройства, преобразуют в цифровую форму, на каждой частоте сравнивают полученный сигнал с исходной контрольной комбинацией при различных уровнях сигнала и скоростях передачи, подсчитывают количество ошибок на каждой частоте, определяют, при каком уровне сигнала, с какой скоростью передачи можно работать, и выбирают для связи частоту, обеспечивающую максимальную скорость передачи при минимальном сигнале.
Устройство для адаптивной радиосвязи содержит последовательно соединенные радиоприемное устройство, модем и радиопередающее устройство, а также ЭВМ, соединенную с устройствами ввода-вывода, причем управляющие и информационные входы-выходы радиоприемного устройства, модема и радиопередающего устройства подключены к шине ЭВМ. В состав устройства введены последовательно соединенные второе радиоприемное устройство, сумматор, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и вычислитель, выполненный с возможностью сравнения сигнала, поступающего из формирователя сигнала контрольной комбинации, с сигналом, поступающим из АЦП, подсчитывания ошибок на каждой частоте и определения, при каком уровне сигнала с какой скоростью можно работать на данной частоте, а также последовательно соединенные формирователь сигнала контрольной комбинации, аттенюатор и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), выход которого подключен к другому входу сумматора, кроме того, управляющий вход радиоприемного устройства, формирователя сигнала контрольной комбинации и аттенюатора и информационный вход и выход вычислителя подключены к шине ЭВМ, а выход формирователя контрольной комбинации соединен с другим входом вычислителя.
Недостатками способа-прототипа являются:
не учитывается уровень помех в рабочих каналах связи, так как измеряется только величина шумов на выходе второго приемника, не участвующего в процессе связи;
не используются процедуры защиты от помех;
существует неопределенность по времени и по номеру канала при выборе оптимальной рабочей частоты, так как корреспонденты не привязаны к единому времени и не задан порядок сканирования каналов при параметрах первого канала, ниже требуемых.
Технический результат изобретения заключается в повышении помехозащищенности системы связи за счет использования метода пространственного разнесения двух приемников с их антенно-фидерными трактами, использования процедур помехоустойчивого кодирования при уменьшении отношения сигнал/шум в канале менее порогового значения.
Технический результат достигается тем, что в способ адаптивной радиосвязи, заключающийся в том, что до начала связи приемные и передающие средства корреспондентов настраивают на заранее оговоренные частоты, корреспондент, по инициативе которого начинается связь, передает сигнал вызова, принимающий корреспондент, получив сигнал вызова, передает сигнал подтверждения вызова, в котором передается информация о качестве (условно первого) канала, на котором предполагается передача информации, если это качество удовлетворяет заданным критериям, начинают передачу блока информации со скоростью передачи, соответствующей качеству канала связи, если нет, то повторяют вызов на другой частоте, в процессе приема информации производят подсчет ошибок, и если их число превышает допустимый уровень, передают по обратному каналу команду на изменение скорости передачи и способа кодирования или на смену частоты связи, в промежутках между сеансами связи периодически перестраивают радиоприемное устройство по всем выделенным для связи частотам, формируют сигнал контрольной комбинации, скорость передачи этого сигнала также дискретно изменяют от максимума до минимума, преобразуют этот сигнал в цифровую форму, на каждой частоте сравнивают полученный сигнал с исходной контрольной комбинацией при различных скоростях передачи и подсчитывают количество ошибок, на каждой частоте определяют, с какой скоростью передачи можно работать и выбирают для связи частоту, обеспечивающую максимальную скорость передачи, введены процедуры: до начала сеанса связи всех корреспондентов извещают о последовательности сканирования радиочастот и через какие промежутки времени при «плохом» (условно первом) канале, втором и так далее будут проведены следующие оценки параметров каналов, сигнал вызова составляют из кодов местоположения корреспондента, адресов отправителя и получателя информации, типа кодирования, модуляции, перемежения и других, сообщения, состоящего из тестовых вставок символов заданного формата, характеризующих в заданных пределах от максимума до минимума скорость передачи в проверяемом прямом канале связи, на приемной стороне по минимуму ошибок в каждой из вставок определяют оптимальную скорость передачи и при получении максимальной скорости фиксируют величину вероятностно-оптимальной частоты и передают ее значение и соответствующее сообщение, состоящее из кодов местоположения корреспондента, адресов отправителя и получателя информации, типа кодирования, модуляции, перемежения и других, тестовых вставок символов заданного формата, характеризующих в заданных пределах от максимума до минимума скорость передачи в проверяемом обратном канале связи, по обратному каналу на передающую сторону, после «положительной» оценки на передающей стороне принятых данных начинают сеанс связи.
Кроме того, перед сеансом связи сигнал контрольной комбинации используют для модуляции передающего устройства на каждой из рабочих частот для оценки максимально допустимой скорости на каждой из рабочих частот первого и второго радиоприемных устройств, после проверки всех рабочих частот выбирают для связи канал с максимальной скоростью передачи информации и вероятностно-оптимальной частотой и эту информацию с дополнительными сведениями, указанными в п.1, передают удаленному всем  корреспондентам, в том числе и вызывающему.
По кодам местоположения корреспондентов в каждой ЭВМ рассчитывают расстояние между ними и по известным формулам с учетом параметров приемников и соответствующих антенно-фидерных трактов вычисляют величину мощности радиопередающего устройства, обеспечивающую заданные требования по достоверности передачи информации (отношению сигнал/шум).
В устройство для реализации способа адаптивной радиосвязи, содержащее два радиоприемных устройства и радиопередающее устройство, а также ЭВМ, соединенную с устройствами ввода-вывода, причем управляющие и информационные входы/выходы первого и второго радиоприемных устройств,  формирователя сигнала контрольной комбинации и радиопередающего устройства подключены к шине ЭВМ, второе радиоприемное устройство, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и вычислитель, выполненный с возможностью сравнения сигнала, поступающего из формирователя сигнала контрольной комбинации, с сигналом, поступающим из соответствующего АЦП, подсчитывания ошибок на каждой частоте и определения, с какой скоростью можно работать на данной частоте, а также последовательно соединенные формирователь сигнала контрольной комбинации и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), выход которого подключен к первому входу сумматора, дополнительно введены второе АЦП, вход которого подключен к выходу первого радиоприемного устройства, а выход - двухсторонними связями к соответствующему входу/выходу вычислителя, второй выход формирователя сигнала контрольной комбинации соединен со вторым входом сумматора, вход первого АЦП подключен к выходу второго радиоприемного устройства, а выход - двухсторонними связями к соответствующему входу/выходу вычислителя, выход приемника сигналов глобальных навигационных спутниковых систем подключен к входу ЭВМ, входы/выходы первого и второго АЦП, ЦАП, формирователя сигнала контрольной комбинации, формирователя временных интервалов передачи сигнала контрольной комбинации подключены двухсторонними связями к шине ЭВМ, радиоприемные устройства соединены по радиоэфиру с соответствующим радиопередающим устройством вызывающего корреспондента.
Схема устройства, реализующего предложенный способ, приведена на фигуре и содержит: последовательно соединенные первое радиоприемное устройство 1, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 2, радиопередающее устройство 3, ЭВМ 4, устройства 5 ввода-вывода, второе радиоприемное устройство 6, сумматор 7, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8 и вычислитель 9, формирователь 10 сигнала контрольной комбинаций, второй АЦП 11 и формирователь 12 временных интервалов передачи сигнала контрольной комбинации, приемник 13 сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, 14 - разнесенные n корреспондентов, шина 15 ЭВМ.
Устройство реализует предложенный способ следующим образом. До начала сеанса связи всех корреспондентов извещают о адресах всех корреспондентов, участвующих в обмене данными, временных интервалах и составе тестовых вставок, последовательности сканирования радиочастот и через какие промежутки времени при «плохом» (условно первом) канале, втором и так далее. Для этого через устройство 5 ввода-вывода в ЭВМ 4 заносят необходимые для плана сеансов связи данные и временные интервалы для тестирования всех рабочих частот в начальный момент времени. Посредством ЭВМ 4 радиоприемные устройства 1 и 6 периодически перестраивают по всем выделенным для связи частотам. На каждой частоте посредством формирователя 10 формируют сигнал контрольной комбинации, который поступает на сумматор 7 и вычислитель 9. В  формирователе 10 формируют сигнал контрольной комбинации, в котором в известных интервалах времени (тестовых вставок) скорость передачи импульсов дискретно изменяют по заданным значениям от максимума до минимума. Сигналом контрольной комбинации через сумматор 7 модулируют (до сеанса связи) работающее в режиме малой мощности радиопередающее устройство 3, с выхода которого через передающую антенну, не указанную в материалах заявки, но обычно предусматриваемую во всех связных системах, радиоэфир подают на разнесенные в пространстве антенны радиоприемных устройств 1 и 6, также не указанные в материалах заявки. С выхода узлов 1 и 6 аналоговые сигналы, искаженные шумами и помехами, преобразуют в АЦП 8 и 11 в цифровые и подают в вычислитель 9, где их сравнивают с сигналами исходной контрольной комбинации, поступающими на него с формирователя 10. В вычислителе 9 по оценке достоверности принятых узлами 1 и 6 данных с разными скоростями передачи определяют, с какой максимальной скоростью можно работать на данной частоте [4]. Полученные результаты выдают в ЭВМ 4 и запоминают эти данные, а по окончании цикла перестройки по всем частотам выбирают частоту, обеспечивающую максимальную скорость обмена информацией на данный момент времени. После этого организуют сеанс связи на выбранной вероятностно-оптимальной частоте. Передаваемое по обратному каналу связи всем (n-1) корреспондентам сообщение состоит из кодов местоположения корреспондента, адресов отправителя и получателя информации, типа модуляции, кодирования, перемежения и других, сообщения, состоящего из тестовых вставок символов заданного формата, характеризующих в заданных пределах от максимума до минимума скорость передачи в проверяемом прямом канале связи для оценки достоверности переданных данных, принятия решения об оптимальной скорости передачи в данный момент времени, величине вероятностно-оптимальной частоты в прямом направлении и передаче этих сведений всем корреспондентам. Затем в отсутствие сеанса связи процесс анализа частот повторяют, полученные данные постоянно обновляют и сообщают об этом всем корреспондентам.
Для передачи информации радиопередающее устройство 3 вызывающего корреспондента и радиоприемные устройства 1 и 6 вызываемого корреспондента посредством разнесенных ЭВМ 4 настраивают одну и ту же, заранее выбранную частоту. Радиоприемные устройства 1 и 6 вызывающего корреспондента настраивают также на предварительно выбранную вероятностно-оптимальную частоту обратного канала связи, обеспечивающую на данный момент максимальную скорость передачи информации.
С помощью ЭВМ 4 осуществляют следующие процедуры:
осуществляют привязку к единому времени с помощью секундных меток с выхода приемника 13 сигналов глобальных навигационных спутниковых систем [5];
формируют управляющие сигналы в узел 10 для интервалов времени, в которых обеспечивают дискретное изменение скорости передачи импульсов;
формируют управляющие и синхросигналы для АЦП 8 и 11, ЦАП 2, формирователя 10 сигнала контрольной комбинаций, формирователя 12 временных интервалов передачи сигнала контрольной комбинации;
управляют режимами работы вычислителя 9, радиоприемных устройств 1 и 6, радиопередающего устройства 3;
обеспечивают сопряжение с устройствами 5 ввода-вывода информации обмена с корреспондентами;
выбирают типы модуляции,  помехоустойчивого кода, перемежения и других;
обеспечивают непрерывный контроль работоспособности всех узлов устройства и сигнализацию об отказах.
Вычислитель 9 предназначен для следующих операций:
обработки цифровых сигналов с выходов АЦП 8 и 11 для оценки достоверности передаваемых с разной скоростью импульсов во временных интервалах сигнала контрольной комбинации формирователя 12;
выбора допустимой, с точки зрения обеспечения требуемой достоверности, скорости передачи информации на проверяемой частоте (канале);
сдвоенного пространственно разнесенного приема с автовыбором более мощного принимаемого сигнала [4];
взаимодействия с ЭВМ 4 через шину 15 ЭВМ, АЦП 8 и 11 и ЦАП 2;
кодирования (декодирования), перемежения (деперемежения) и других по рекомендованному ЭВМ 4 или переданному с противоположной стороны коду, например, по технологии «программируемое радио» SDR [4];
подготовки цифровых сигналов для модуляции (демодуляции), например по технологии «программируемое радио» SDR [4];
выдачи данных в ЭВМ 4 о состоянии вычислителя 9.
У вызываемого корреспондента при приеме сигнала вызова посредством ЭВМ 4 настраивают радиопередающее устройство 3, радиоприемные устройства 1 и 6 на предварительно выбранные частоты, рекомендованные в сигнале вызова, обеспечивающие максимальную на данный момент времени скорость передачи информации в прямом и обратном каналах. Режимы работы вычислителя 9 для осуществления операций модуляции (демодуляции), кодирования (декодирования), перемежения (деперемежения) и других устанавливают с помощью управляющих сигналов ЭВМ 4, соответствующих качеству каналов связи, на которые настроены радиопередающие устройства 3, радиоприемные устройства 1 и 6 вызываемого и вызывающего корреспондентов. Затем передают сигнал подтверждения вызова, в котором содержится информация о коде местоположения корреспондента, адресах отправителя и получателя информации, типах кодирования, модуляции, перемежения и других, тестовых вставках символов заданного формата, характеризующих в заданных пределах от максимума до минимума скорость передачи информации в проверяемом обратном канале связи.
В случае неприема сигнала подтверждения вызова в течение определенного времени, задаваемого ЭВМ 4, повторяют передачу сигнала вызова на другой частоте, заранее оговоренной в плане связи или полученной в результате проверки тестовых вставок символов заданного формата частоте.
При приеме сигнала подтверждения вызова у вызывающего корреспондента посредством ЭВМ 4 устанавливают радиопередающее устройство 3 на частоту, переданную в сигнале подтверждения вызова или полученную в результате оценки параметров канала связи, а режим работы вычислителя 9 - соответствующим качеству канала связи на этой частоте. После этого с помощью управляющих сигналов ЭВМ 4, вычислителя 9, ЦАП 2, сумматора 7 и радиопередающего устройства 3 передают информацию с максимально возможной на данный момент времени скоростью передачи.
У вызываемого корреспондента в процессе приема информации программно в вычислителе 9 определяют и подсчитывают количество нескорректированных ошибок в принимаемом сообщении. Если сообщение принято с допустимыми искажениями, то по обратному каналу вызывающему корреспонденту передают подтверждение его приема. В случае, когда сообщение принимают с числом ошибок, превышающим допустимую величину, что соответствует уменьшению отношения сигнал/шум в канале менее порогового значения, на вызывающую сторону по обратному каналу передают сигнал, несущий информацию о снижении скорости передачи за счет установки более эффективного помехоустойчивого кода или, если есть частота, позволяющая передавать информацию с более высокой скоростью, о переходе на эту частоту. При этом радиопередающее устройство 3 вызывающего корреспондента и радиоприемные устройства 1 и 6 вызываемого корреспондента настраивают на эту частоту, а в вычислителе 9 устанавливают новый режим работы, соответствующий изменившемуся (в результате снижения скорости передачи или перехода на новую частоту) качеству канала связи.
-2
-4
По кодам местоположения корреспондентов в ЭВМ 4 рассчитывают расстояние между ними и по известным формулам [4] с учетом параметров радиоприемных устройств 1 и 6, антенно-фидерных трактов вычисляют величину мощности радиопередающего устройства 3, обеспечивающую заданные требования по достоверности передачи информации (отношению сигнал/шум). Разнесенный прием по пространству, обеспечиваемый с помощью радиоприемных устройств 1 и 6 с их антенно-фидерными трактами, позволяет, например, при отношении сигнал/шум, равном 10, что соответствует при некогерентном приеме вероятности ошибочного приема 10,уменьшить ее значение до величины 10 [4], что характеризует повышение помехозащищенности адаптивной радиосвязи. Аналогичным образом на величину вероятности ошибочного приема влияет использование более эффективного помехоустойчивого кода.
Введенные процедуры могут быть выполнены программно. Узлы системы могут быть реализованы следующим образом. Узлы 1-10 - общие с прототипом, узлы 11, 13 могут быть реализованы на серийных модулях, узел 12 - программно, шина 15 - на типовой локально-вычислительной сети, например, МКИО.
Таким образом, настоящее изобретение посвящено способу и устройству для адаптивной радиосвязи на вероятностно-оптимальных частотах, позволяющих передавать информацию с максимальной на данный момент времени скоростью при минимальном уровне мощности радиопередающего устройства 3 и выполнять заданные требования по помехозащищенности.
Сравнение заявляемого способа и реализующего его устройства с другими аналогами показывает, что вновь введенные операции, выполняемые, в основном, программно и узлы: второй АЦП, приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, формирователь временных интервалов передачи сигнала контрольной комбинации с их связями известны специалистам в области техники связи, что показывают приведенные ссылки. Данное устройство существенно отличается от известных аналогов в области техники связи, явным образом не следует из уровня техники, поэтому имеет изобретательский уровень. Заявляемое устройство может быть реализовано программно при использовании существующих серийных устройств, применяемых в технике связи и вычислительной технике, и является промышленно применимым.
Литература
1. Военные системы радиосвязи, ч.1. Под ред. В.В.Игнатова. Л., ВАС, 1989, с.379-382 (аналог).
2. Патент РФ №2138926 от 27.09.1999 г. (аналог).
3. Патент РФ №2284659 от 27.09.2006 г. (прототип).
4. Кейстович А.В., Комяков А.В. Системы и техника радиосвязи в авиации: учеб. пособие - Нижний Новгород: НГТУ, 2012. - 236 с.
5. GPS - глобальная система позиционирования.- М.: ПРИН, 1994, 76 с.