Многоканальный имитатор многолучевого канала для исследования дуплексных и сетевых режимов

УДК 621.396.4

МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ИМИТАТОР МНОГОЛУЧЕВОГО КАНАЛА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДУПЛЕКСНЫХ И СЕТЕВЫХ РЕЖИМОВ П.Н. Радько

Предложены два метода, практически пригодные для моделирования многоканальных режимов работы имитаторов многолучевых каналов связи, обладающие приемлемой сложностью реализации и удовлетворяющие физическим ограничениям, накладываемым на модель канала

Ключевые слова: имитатор многолучевого канала связи, дуплексный режим, сетевой режим

Создание качественной, конкурентоспособной аппаратуры радиосвязи невозможно без проведения испытаний на различных стадиях ее разработки. Испытания на реальных радиотрассах являются очень длительным и трудоемким процессом. Альтернативой являются испытания, проводимые на специально созданных имитаторах радиоканалов.

Как правило, все известные к настоящему времени имитаторы строятся на основе использования той или иной модели канала связи, описывающей радиоканал лишь в одном направлении. Т.е. являются одноканальными, позволяя исследовать только симплексный режим связи двух модемов.

Для исследования дуплексных, сетевых режимов, а также схем разнесённого приёма и разнесённой передачи следовало бы использовать имитатор, допускающий одновременную имитацию нескольких каналов, либо несколько имитаторов канала.

Для этого необходимо соответствующим образом модифицировать модель канала с целью учёта корреляции статистических характеристик отдельных каналов связи: законов замираний каждой из лучевых мод, характеристик помех и т. д.

При этом в каждом отдельно взятом канале статистические характеристики процессов, описывающие: 1) искажения сигнала средой распространения и 2) аддитивные помехи, должны соответствовать какой-либо известной одноканальной модели. Т.е. все одномерные характеристики должны соответствовать данной модели, в то время как сама модель канала - многомерная.

Первая задача, вытекающая из предложенного подхода - выбор методов статистического описания зависимых характеристик многомерной модели канала, адекватного наблюдаемым физическим закономерностям, характерным для среды распространения, и удовлетворяющей требованиям модели, описывающей одномерный случай.

Исчерпывающе полным методом статистического описания зависимых случайных процессов является задание их многомерных функций распределения.

Поскольку в большинстве из известных моделей КВ канала случайные процессы, описывающие искажения сигнала средой, являются гауссовскими,

Радько Павел Николаевич -ВГУ, аспирант, тел. 8-919-241-07-73

то их полное статистическое описание возможно в рамках корреляционной теории. При этом совокупность всех случайных процессов, описывающих множество каналов связи можно рассматривать как многомерный стационарный гауссовский случайный процесс.

Для однозначного описания которого достаточно задания его корреляционной матрицы г(т)=||г. . (т)||, либо спектральной матрицы

С() = (ю)||. При этом каждый из диагональ-

ных элементов корреляционной матрицы г(Т представляет собой корреляционную функцию процесса, соответствующей одноканальной модели - ГИ(Т).

В данном случае возникает задача выбора недиагональных элементов, представляющих собой взаимные корреляционные функции случайных процессов в различных каналах имитатора. Она представляет определённую сложность, потому что: 1) трудно привести какие-либо физически обоснованные доводы в пользу выбора той или иной функциональной зависимости и затруднительно выполнить её измерение; 2) практическое моделирование многомерного случайного процесса должно быть основано на многомерной фильтрации белого шума. Это требует факторизации спектральной матрицы

, что практически выполнимо только для спектральных матриц, все элементы которых описываются дробно-рациональными функциями. Спектральные плотности, используемые для описания моделей КВ канала таковыми не являются.

Наиболее простой экспериментально измеряемой (или вычисляемой) характеристикой статистической зависимости вышеназванных величин является коэффициент их взаимной корреляции в совпадающие моменты времени. Его знания часто бывает достаточно для полного учёта влияния статистической зависимости на характеристики помехоустойчивости. Значения коэффициента корреляции могут быть вычислены для различных ситуаций, исходя из географических характеристик радиотрасс, параметров систем связи и т. д.

Для построения многоканальной модели среды распространения на основе данного факта необходимо сделать допущение, что одномерные корреляционные функции всех отдельных подканалов иден-

тичны. Это допущение выглядит физически достаточно обоснованным и подтверждается экспериментально.

Далее, исходя из физических соображений, можно считать, что в рассматриваемой модели коррелированны параметры только одноимённых мод сигнала (аналогично любой классической модели, например, Ваттерсона). Тогда, если считать заданными коэффициенты корреляции отсчётов комплексных амплитуд одноимённых мод и отсчётов шума, то для формирования зависимых отсчётов у = [у1,...,уы] с заданными коэффициентами корреляции:

г = Е {уун}

может быть использован метод линейного преобразования, суть которого состоит в линейном преобразовании вектора отсчётов независимых случайных

величинх = [х1,...,хы]

путём умножения на матрицу преобразования А: у = Ах.

Данное преобразование не изменит вида одномерных корреляционных функций для х .

Исходя из (1), с учётом (2), матрица линейного

преобразования должна вычисляться как результат

решения уравнения:

г=Е{уун} = Е{Ах

Выберем матрицу преобразования А нижней треугольной. Тогда, с учётом (2) и некоррелированности исходной последовательности х ,

эле-

r,j =E{yy} =СТ ЧЛк • Следовательно,

менты матрицы A могут быть рекурсивно вычислены как:

a.. =

J,t \h Jl x ¿—*k=1 i,k J’k)l

. < . , начиная с . = 2 и учитывая, что,

как следует из (3), и треугольного вида матрицы А:

«1,1 = >/*¡7, «1,2 = 0 и а2Х = Ги/фЦ.

Ограничимся для примера рассмотрением случая четырёхканального режима работы имитатора, позволяющего моделировать: 1) сеть, состоящую из пяти корреспондентов, 2) два дуплексных канала связи, 3) разнесённый приём на четыре антенны. Для него соответствующие элементы матрицы А, помимо (5), могут быть рассчитаны при помощи (4) как:

‘

Vr2,2 г1л! r1,1"

Для большего числа корреспондентов расчёт должен быть продолжен далее в соответствии с (4).

Предложенный алгоритм является достаточно универсальным и позволяет построить алгоритмы работы многоканального имитатора КВ канала, достаточно полно учитывающие статистическую зависимость отдельных подканалов. Для этого в каждом отдельном канале имитатора реализуется та или иная классическая одномерная модель, но все случайные процессы, описывающие как искажения сигнала каналом (ГМ), так и огибающие аддитивных

sig

помех (rrose) коррелированны в соответствии с выбранными значениями соответствующих корреляционных матриц.

Практически, данный подход м. б. реализован путём организации режима распределённых вычислений нескольких имитаторов канала, объединённых в сеть.

На основе экспериментально измеренных или рассчитанных корреляционных матриц для каждой из сигнальных мод и помех на входе каждого РПУ должны быть рассчитаны соответствующие матрицы преобразования.

Далее, как и в случае независимой работы имитаторов, формируются реализации независимых друг от друга случайных процессов с необходимыми корреляционными функциями.

По сети происходит обмен между всеми имитаторами дискретными отсчётами реализаций данных случайных процессов и выполнение над ними преобразования (2).

Обмен отсчётными данными выполняется на частоте дискретизации огибающих, описывающих квадратурные компоненты замираний. Затем, после преобразования, производится многозвенная цепочная интерполяция до частоты дискретизации сигнала, как и в обычном одноканальном режиме в соответствии с известными правилами [1].

Сетевой режим очень ресурсоёмкий, поскольку он связан с большим количеством выполняемых вычислений в реальном времени.

Однако можно заметить, что в то время как задача анализа сетевых режимов, как правило, требует учёта корреляции статистических характеристик всех каналов узлов сети (приёмных и передающих), то ряд других задач (дуплексный и разнесённый приём) требует обязательного учёта корреляции только множественных каналов приёма (но не передачи) в каждом узле сети. При решении последних можно пренебречь корреляцией искажений сигналов, принимаемых разными приёмными корреспондентами, но учитывать корреляцию сигналов от различных передающих корреспондентов, принимаемых на одно (при одиночном приёме) или несколько (при разнесённом приёме) РПУ. Тогда, дополнительно, становятся возможными следующие схемы моделирования режимов работы системы связи, основанные на использовании одного или нескольких многоканальных имитаторов, не использующих распределённые вычисления (рис).

Оба предложенных подхода были использованы при реализации имитаторов канала на персональных компьютерах с процессорами Core2 Duo

E6550 и Core2 Quad Q9400 соответственно. При этом производительности персонального компьютера оказалось достаточно для реализации двух [2, 3] и четырёх [4] каналов обработки.

Выводы

Предложенные методы позволяют практически разработать многоканальный имитатор канала, пригодный для моделирования работы сети корреспондентов, дуплексных режимов связи, а также разнесённых приёма и передачи.

Первый метод является более универсальным, но требует использования параллельных распределённых вычислений с обменом информацией между несколькими ПК.

Второй метод проще в реализации, поскольку не требует обмена данными между ПК, но не способен учитывать корреляцию приёмных каналов различных корреспондентов.

Литература

1. А.А.Малютин, Д.В.Меркулов, А.Г.Славчев. Имитатор КВ-УКВ радиоканалов. // Материалы XIII международной конференции «Радиолокация, радионавигация, связь», Воронеж, 2007 г. - Воронеж: ОАО Концерн «Созвездие», 2007. - Т.2. -С. 1124 - 1130.

2. Малютин А. А., Меркулов Д. В. Имитатор коротковолнового канала. Пат. РФ 65327 МПК7 Н 04 В 17/10 / заявитель и патентообладатель ОАО Концерн «Созвездие»; д№ЙШ7ЙШ80/22; заявл. 26.03.2007; опубл.

2707%о № 21

3 Малютин А.А., Меркулов Д.В., Славчев А.Г. Имитатор метеорного канала. Пат. РФ 71493 Рос. МПК7 Н 04 В 17/00 / заявитель и патентообладатель ОАО Концерн «Созвездие»; №2007136470/22; заявл. 02.10.2007; опубл.ы10.03.2008, Бюл. № 7.

ИМ4ТМлютин А.А. Многоканальный имитатор КВ-ка^Ша: пат. 94093 Рос. Федерация: МПК Н04В 7/00 / зая-виГел^йалатентообладатель ОАО Концерн «Созвездие»; № 2009148261/22; заявл. 24 декабря 2009 г.; зарег. 10 мая 2010 г.; опубл. 10.05.2010., Бюл. №13.

Воронежский государственный университет

MULTI-CHANNEL MULTIPATH CHANNEL SIMULATOR FOR DUPLEX AND NETWORK MODES RESEARCH

B*' 6x2 P.N. Radko B*' 6x2

Имитатор Имитатор

Two methods are practi£&ly suitable for modelling multi-channel modes of multipath channels simulators, have an acceptable ^ implementation complexity, еШ&Щ^У the physical constraints imposed on the channel model

Вых'

Key words: multipath channels simulator, duplex mode, network mode