УСТРОЙСТВО РЕТРАНСЛЯЦИИ ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ
DEVICE FOR RELAYING DISCRETE SIGNALS

Изобретение относится к технике радиосвязи и может быть использовано для организации цифровой связи в системах автоматизированного обмена данными.
Известно двухканальное устройство ретрансляции дискретных сигналов, содержащее первый блок приема, выход которого подключен к объединенным первому входу первого блока оценки и входу первого решающего блока, второй блок приема, выход которого подключен к объединенным первому входу второго блока оценки и входу второго решающего блока, блок сравнения и первый и второй блоки передачи [1].
Однако известное устройство не обладает необходимой помехозащищенностью.
Известен аналог - двухканальное устройство ретрансляции дискретных сигналов [2]. В двухканальном устройстве ретрансляции дискретных сигналов, содержащем первый блок приема, выход которого подключен к объединенным первому входу первого блока оценки и входу первого решающего блока, второй блок приема, выход которого подключен к объединенным первому входу второго блока оценки и входу второго решающего блока, блок сравнения и первый и второй блоки передачи, первый и второй элементы И, и первый и второй элементы запрета, при этом первые выходы первого и второго решающих блоков подключены ко вторым входам соответственно первого и второго блоков оценки, выходы которых соответственно через первый и второй элементы И подключены к управляющим входам соответственно первого и второго элементов запрета, выходы которых подключены ко входам соответственно первого и второго блоков передачи, а вторые выходы первого и второго решающих блоков подключены соответственно к сигнальному входу первого элемента запрета, объединенному с первым входом блока сравнения, и к сигнальному входу второго элемента запрета, объединенному со вторым входом блока сравнения, выход которого подключен к объединенным вторым входам первого и второго элементов И.
Устройство работает следующим образом. В каждом канале информационные сигналы прямоугольной формы с выхода блока приема поступают на вход решающего блока и блока оценки. Исправленные по длительности двоичные сигналы с выхода решающего блока поступают на один из входов блока оценки и на один из входов блока сравнения, на второй вход которого поступают исправленные по длительности двоичные сигналы с выхода решающего блока второго канала. Принятые на входе блока двоичные сигналы сравниваются и в случаях их равенства на выходе блока сравнения сигнал ошибки отсутствует «0», в противном случае на вход элемента И выдается сигнал ошибки «1». Одновременно управляющий сигнал с выхода блока оценки, который осуществляет оценку надежности принятого сигнала в соответствии с принятым критерием (по уровню принятого сигнала, по зоне устойчивого приема, количества дроблений и т.д.), поступает на другой вход элемента И, выход которого является управляющим входом элемента запрета информационного выхода блока приема на вход блока передачи. Так, например, если сигнал, переданный на разнесенных частотах, принят на входе каждого канала приема правильно, то на выходе блока сравнения и блока оценки сигнал ошибки отсутствует, и элемент И не выдает на вход элемента запрета сигнал блокировки информационного выхода блока приема на вход блока передачи.
Если в любом из каналов разнесения сигнал принят неправильно, то на выходе блока сравнения и блока оценки данного канала появится сигнал ошибки и с выхода элемента И на вход элемента запрета поступит сигнал блокировки выхода блока приема данного канала на вход блока передачи. Если же в результате воздействия помех в обоих каналах сигнал искажен до такой степени, что блок оценки принимает решение о наличии ошибки, на его выходе появляется «1», но поскольку в блоке сравнения определено, что в обоих каналах сигнал одинаков, то на выходе блока сравнения будет «0», и в каждом канале сигнал с выхода решающего блока через элемент запрета, на управляющий вход которого будет подан «0» с элемента И, будет подан на вход передачи.
Однако аналогу присущи недостатки:
1. Низкая помехозащищенность из-за отсутствия антенн с узкими диаграммами направленности и аппаратная надежность устройства из-за отсутствия резервирования узлов.
2. Устройство рассчитано всего лишь на 2 канала, а во многих практических случаях требуется больше каналов ретрансляции.
3. При выходе из строя блока приема первого канала и блока передачи второго канала или наоборот устройство будет не работоспособно.
4. При приеме недостоверных сообщений, отдельные фрагменты которых совпадают, на выходе блоков передачи в эти моменты формируются радиосигналы.
Наиболее близким из аналогов является двухканальное устройство ретрансляции дискретных сигналов, которое и принято за прототип [3]. Устройство ретрансляции дискретных сигналов имеет m каналов. Каждый из каналов состоит из блока приема, подключенного одновременно к входам блока оценки и решающего блока. Первый выход решающего блока соединен со вторым входом блока оценки. Выход блока оценки первого канала через первый элемент задержки подключен к первым входам m мультиплексоров. Выход блока оценки второго канала через второй элемент задержки подключен к вторым входам мультиплексоров и так далее. Выход блока оценки m-го канала через m-й элемент задержки подключен к m-м входам всех т мультиплексоров. Выходы каждого решающего блока соединены с соответствующим m входом вычислительного блока, m управляющих выходов которого подключены к соответствующим управляющим входам m мультиплексоров. Первая группа m входов-выходов вычислительного блока подключена к соответствующим входам-выходам каждого из m блоков приема, m входов-выходов второй группы вычислительного блока подключены к соответствующим входам-выходам каждого из m блоков передачи.
Прототип работает следующим образом. Радиосигналы с выхода блока приема преобразуются в аналоговые видеосигналы и поступают одновременно на входы блока 3 оценки и решающего блока 2. По известному типу принятого видеосигнала в решающем блоке 2 после преобразования с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в дискретную форму осуществляется анализ величины отношения сигнал/шум. Если по форме видеосигнала блоком 3 оценки обнаруживается помеха или величина отношения сигнал/шум меньше заданной, то с вычислительного блока 5 выдается команда запрета прохождения через соответствующий мультиплексор 6 на блок 7 передачи.
Однако прототипу присущи недостатки:
- отсутствуют блоки, обеспечивающие защиту от помех;
- не предусмотрены процедуры слежения за пространственным местоположением источника помех;
- при наличии источника помех программно уменьшается число абонентов, обслуживаемых с этого направления;
- абонентам не предоставляются сведения о характеристиках источника помех.
Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение помехозащищенности устройства за счет программного динамического формирования узких диаграмм направленности приемных и передающих антенных решеток и направления их главных лепестков на обслуживаемых абонентов.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройство ретрансляции дискретных сигналов, содержащее m каналов, каждый из которых состоит из блока приема, подключенного одновременно к входам блока оценки и решающего блока, причем первый выход решающего блока соединен со вторым входом блока оценки, блока передачи, вычислительного блока, m элементов задержки, m мультиплексоров, выход блока оценки первого канала через первый элемент задержки подключен к первым входам каждого из m мультиплексоров, выход блока оценки второго канала через второй элемент задержки подключен к вторым входам каждого из m мультиплексоров и так далее, выход m-го блока оценки через m-й элемент задержки подключен к m-м входам каждого из m мультиплексоров, выход каждого решающего блока соединен с соответствующим m входом вычислительного блока, m выходов которого подключены к соответствующим управляющим входам m мультиплексоров, первая группа m входов-выходов вычислительного блока подключена к соответствующим входам-выходам каждого из m блоков приема, вторая группа m входов-выходов вычислительного блока подключена к соответствующим входам-выходам каждого из m блоков передачи, введены m широкодиапазонных приемных антенных решеток, подключенных к соответствующим m блокам приема, управляющие входы m широкодиапазонных приемных антенных решеток подключены к третьей группе m входов-выходов вычислительного блока, m широкодиапазонных передающих антенных решеток, подключенных к соответствующим m блокам передачи, управляющие входы m широкодиапазонных передающих антенных решеток подключены к четвертой группе m входов-выходов вычислительного блока, выход приемника сигналов глобальных навигационных спутниковых систем подключен к первому входу вычислительного блока, второй вход которого служит для загрузки данных.
На фигуре приведена структурная схема заявляемого устройства и введены обозначения:
1 - блок приема;
2 - решающий блок;
3 - блок оценки;
4 - элемент задержки;
5 - вычислительный блок;
6 - мультиплексор;
7 - блок передачи;
8 - широкодиапазонная приемная антенная решетка;
9 - широкодиапазонная передающая антенная решетка;
10 - приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем;
11 - вход вычислительного блока для загрузки данных.
Устройство работает следующим образом. Радиосигналы с выхода широкодиапазонной приемной антенной решетки преобразуются в блоке 1 приема в аналоговые видеосигналы, поступают одновременно на входы блока 3 оценки и решающего блока 2. По известному типу принятого видеосигнала в решающем блоке 2 после преобразования с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в дискретную форму осуществляются следующие операции: анализ величины отношения сигнал/шум, формирование напряжения порога для блока 3 оценки в соответствии с заданным критерием, например, максимального правдоподобия, Неймана-Пирсона и т.п. Если по форме видеосигнала блоком 3 оценки обнаруживается мощная помеха, искажающая сигнал, или величина отношения сигнал/шум меньше заданной, то с вычислительного блока 5 выдается команда запрета прохождения этой информации через соответствующий мультиплексор 6 на блок 7 передачи, и этому абоненту вычислительным блоком 5 формируется команда о переходе на другую рабочую частоту.
В блоке 3 оценки осуществляются следующие операции: преобразование видеосигналов в дискретные, например, с помощью известного устройства с изменяемым напряжением порога, оценка и восстановление формы принятого сигнала, измененного, например, из-за его дробления, обнаружение помехи с помощью измерения величины отношения сигнал/шум, формирование сообщения на вычислительный блок 5 для выработки команды запрета на прохождение дискретного сигнала на соответствующий мультиплексор 6. При приеме достоверной информации с выхода блока 3 оценки дискретные сигналы через элемент 4 задержки, мультиплексор 6 поступают на блок 7 передачи, где преобразуются в радиосигналы, усиливаются и с помощью соответствующей широкодиапазонной передающей антенной решетки 9, управляемой с помощью вычислительного блока 5, излучаются в пространство в направлении обслуживаемого абонента. Элемент 4 необходим для задержки ретранслированного сообщения на время формирования вычислительным блоком необходимых управляющих воздействий на блоки 6, 7, 9 так, чтобы время задержки и превышало время проведения самой длительной процедуры по обработке дискретных сигналов в вычислительном блоке 5.
При выходе из строя одного из узлов канала, например, с выходов встроенной системы контроля блоков 1 и 7, ретранслирующих приоритетную (наиболее важную) информацию, сведения об этом передаются через соответствующую связь в первой или второй группах из m входов/выходов в вычислительный блок 5 [4, 5]. В этом случае для ретрансляции приоритетной информации с помощью вычислительного блока 5 и его связей переключаются соответствующие блоки «горячего» резерва. Если такого канала нет, то для работы с новыми характеристиками переключается канал с менее важной информацией. Возможен вариант, когда вышел из строя блок 1 i-го канала (i≤m) и блок 7 j-го канала (j≤m). Тогда с помощью вычислительного блока 5 и его связей с блоками 1,7 и 6 организуется трафик между j-м блоком 1 и i-м блоком 7 и т.д. Такие операции позволяют повысить аппаратную надежность, особенно необслуживаемых устройств ретрансляции, и достоверность передачи абонентам дискретной информации. В общем случае мультиплексор 6 с помощью управляющих сигналов вычислительного блока 5 может подключить выходной сигнал блока 3 оценки любого из m каналов к входу выбранного работоспособного блока 7 передачи. Для повышения надежности устройства вычислительный блок 5, например, может содержать несколько процессоров, дублирующих работу друг друга.
Сформированный для передачи сигнал с выхода мультиплексора 6 подают на вход одного из m блоков 7 передачи, в котором с помощью управляющих воздействий вычислительного блока 5 подготавливают условия для формирования радиосигнала, излучаемого через соответствующую широкодиапазонную передающую антенную решетку 9: требуемый уровень мощности, рабочую частоту, вид модуляции. Затем усиленный радиосигнал через широкодиапазонную передающую антенную решетку 9 передают по радиоканалу обслуживаемому абоненту. При необходимости, особенно при работе в помехах, для увеличения энергетического потенциала радиолинии формируют в широкодиапазонной передающей антенной решетке 9 с помощью управляющих сигналов вычислительного блока 5 узкую диаграмму направленности антенны (ДНА) и устанавливают ее в направлении на обслуживаемого абонента.
В стационарном положении или в процессе движения, если устройство ретрансляции выполнено в подвижном варианте, инициируют процедуру поиска частот радиосигналов абонентов, например, сканирование по известным радиочастотам, заложенным в базу данных вычислительного блока 5 с помощью входа 11 до тех пор, пока не обнаружат правильный пакет от абонента с приемлемым адресом источника или пока не истечет заданное время таймера сканирования в вычислительном блоке 5. В таком случае настраиваются на другую частоту и продолжают сканирование с помощью вычислительного блока 5, управляющего свободными от приема блоками 1 и соответствующими широкодиапазонными приемными антенными решетками 8.
В случае приема радиосигнал от широкодиапазонных приемных антенных решеток 8 подают на соответствующие блоки 1 приема, где его демодулируют и выдают на входы решающего блока 3 и блока 2 оценки.
С выхода соответствующего мультиплексора 6 сигнал подают на вход блока 7 передачи, где его модулируют, усиливают до требуемого уровня мощности, подают на широкодиапазонную передающую антенную решетку 9 и передают по радиоканалу соответствующему абоненту. При необходимости для увеличения энергетического потенциала радиолинии, например, при наличии источника помех, с помощью управляющих сигналов вычислительного блока 5 и устройств, находящихся в широкодиапазонных приемной и передающей антенных решетках 8 и 9, например, фазовращателей, формируют узкую диаграмму направленности и устанавливают ее в направлении на обслуживаемых в текущий момент времени абонентов, местоположение которых известно, например, из получаемых от них сообщений.
При отсутствии радиосигналов на входах широкодиапазонных приемных антенных решеток 8 с помощью вычислительного блока 5 и блоков 1 приема осуществляют сканирование, автоматический анализ частот, выделенных для связи диапазонов частот, и выявление таких участков электромагнитного спектра, которые временно менее всего загружены, не имеют помех и доступны для организации на них каналов связи. Полученные сведения передают обслуживаемым абонентам с привязкой к точному времени и записывают в базу данных вычислительного блока 5. Если при сканировании выявлено наличие источника помех, то с помощью вычислительного блока 5 и узких диаграмм направленности широкодиапазонных приемных антенных решеток 8 известными в радиолокации методами [5, 6, 7] при наличии точного глобального времени определяют его местоположение, параметры движения и сообщают обслуживаемым абонентам. Для упрощения процедуры планирования частот связи, уменьшения влияния помех на достоверность передачи информации с помощью вычислительного блока 5 осуществляется решение задачи осведомленности о внешних помехах, которая подразумевает оценку различных параметров источника помех, например, частоты, мощности помехи, вида модуляции, направления приема, углового перемещения, местоположения, данных наземных и бортовых средств разведки и радиолокаторов, сравнения принятого сообщения с эталонным из базы данных вычислительного блока 5 и других. По результатам оценки с помощью управляющих воздействий вычислительного блока 5 осуществляется динамическая перестройка рабочих частот в узлах 1 и 7, формирование требуемой формы диаграмм направленности антенных решеток 8 и 9 и/или технологии радиодоступа.
В вычислительном блоке 5 хранится введенная по входу 11 полная информации о собственных вычислительных, аппаратных возможностях и характеристиках всех абонентов, обслуживаемых системой, текущем состоянии эфира и алгоритмах действий, которые могут выполнять абоненты. На основании принятых от абонентов данных в вычислительном блоке 5 решается задача определения прогнозируемых положений абонентов и возможных их маневров, определяется время следующих сеансов связи с источниками и получателями информации. При передаче от абонентов приоритетных сообщений в соответствии с принятыми в устройстве ретрансляции категориями срочности, если отсутствуют свободные каналы, в вычислительном блоке 5 формируется код запрета передачи менее приоритетных сообщений на время, отводимое для трансляции данных выбранному абоненту с учетом времени их приема и времени задержки в устройстве ретрансляции. В вычислительном блоке 5 определяется время «старения» информации, и, если сообщение в течение определенного промежутка времени не было передано в канал связи, то оно «стирается», и посылается запрос на повторную передачу сообщения.
-6
Устройство ретрансляции гарантирует для каждого зарегистрированного на нем абонента требуемые системные характеристики связи, а именно вероятность своевременной доставки сообщения с заданной достоверностью и интенсивностью потока сообщений между абонентами, т.е. вероятность того, что средняя задержка передачи сообщения не превысит требуемого порога, например, при достоверности связи не хуже 10. Средняя задержка передачи сообщения в зоне прямой видимости при надежности канала распространения радиоволн, близкой к 1, обусловлена коллизиями случайного доступа и растет с увеличением вероятности коллизий, ростом количества абонентов, использующих один канал связи в режиме случайного множественного доступа, и интенсивности потока сообщений от каждого абонента. Зная точные количественные зависимости указанных параметров для разных режимов обмена данными, вычислительный блок 5 должен прогнозировать системные характеристики в зависимости от количества зарегистрированных на одном частотном канале абонентов и прекращать регистрацию новых, если прогнозируемые системные характеристики деградируют ниже заданного уровня, уменьшая тем самым вероятность коллизий случайного доступа и, следовательно, задержку передачи сообщения. Для того чтобы минимизировать вероятность коллизий случайного доступа, не создавать помех текущей передаче сообщения, подготовленная кодограмма с устройства ретрансляции передается только в том случае, когда радиоканал свободен и в данном направлении нет мощных помех. Если устройство ретрансляции сформировало для передачи сообщения и обнаружило, что один из m радиоканалов свободен, то оно информирует остальных абонентов на этом частотном канале о начале цикла передачи данных и о своем местоположении. Вычислительный блок 5 обеспечивает функциональное взаимодействие с узлами 1, 2, 6-10, поддержку отказоустойчивого режима работы и другие функции.
Сообщения о местоположении устройства ретрансляции и параметрах его движения (при необходимости) с выходов приемника 10 сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, например, ГЛОНАСС/GPS, записываются в память вычислительного блока 5 с привязкой к глобальному времени [5, 7]. В вычислительном блоке 5 сообщения абонентов об их местоположении используются для расчета навигационных характеристик и параметров их движения. В зависимости от выбранного интервала времени выдачи сообщений о местоположении устройства ретрансляции в вычислительном блоке 5 в заданное время формируется соответствующее сообщение с привязкой к глобальному времени проведения измерения координат. Это время используется абонентами для известной операции построения экстраполяционных отметок об ожидаемом местоположении устройства ретрансляции [6]. Синхронизация работы вычислителя 5 и абонентов осуществляется на основе использования всеми абонентами единого глобального всемирного координированного времени (UTC), получаемого от существующих объектов глобальной навигационной спутниковой системы.
Основное преимущество использования введенных новых операций в вычислительном блоке 5 и блоков 8, 9 и 10 состоит в постоянной оценке уровня помех и загрузки выделенных диапазонов частот с привязкой к единому глобальному времени, управлении динамическим доступом к спектральным радиочастотным ресурсам, используемым формам радиосигналов и изменении положения в пространстве диаграмм направленности антенных решеток 8 и 9. При точном выполнении принятой в изобретении стратегии управления процессом связи в динамическом режиме можно использовать незанятые каналы и автоматически переключать рабочие частоты, оптимизируя сетевую топологию на основе данных по источникам помех, местоположению устройства ретрансляции и абонентов, требуемой пропускной способности и интенсивности трафика, обеспечить высший уровень конфигурируемости в части выбора видов модуляции, возможности изменения ширины полосы сигнала и центральной частоты по программе в широких пределах [4, 5], предоставляемых архитектурой устройства и вычислительным блоком 5.
Оборудование устройства ретрансляции представляет собой конструктивное и функциональное объединение отдельных блоков с максимальным использованием цифровой обработки сигналов, выполняющих функции фильтрации, частотного преобразования, усиления, формирования и обработки сигналов, управления протоколами обмена данными «воздух-земля» или «воздух-воздух», менеджмента связью (маршрутизации сообщений), обмена данными при отстройке от источника помех [8, 9], слежения за технической исправностью не только для обнаружения отказов, но и для изоляции отказов и реконфигурации аппаратуры, обеспечения отказоустойчивой работы. Эта способность позволяет повысить помехозащищенность, аппаратурную надежность оборудования, т.е. вероятность работы оборудования без отказов, без внеурочного обслуживания, только регламентное обслуживание по расписанию с заменой отказавших модулей. Резервирование ресурсов будет обеспечено программно на уровне модулей и блоков.
Заявляемое изобретение имеет следующие преимущества:
- повышается помехозащищенность, так как устройство обладает структурной, временной, пространственной и функционально сетевой избыточностью за счет взаимоувязанных процессов: интеллектуального управления с помощью вычислительного блока 5, оптимального на данный момент времени распределения ресурсов связи, прогнозирования действий источника помех и нахождения оптимального решения;
- непрерывный автоматический анализ радиоэфира, в том числе назначенных рабочих частот, позволяет выявить участки электромагнитного спектра, которые временно менее всего загружены и осуществить программно динамическую перестройку рабочих частот, формы диаграмм направленности антенных решеток и технологии радиодоступа;
- информация о собственных вычислительных (программных), аппаратных возможностях и характеристиках абонентов, текущем состоянии эфира и алгоритме действий, которые могут выполнять абоненты, позволяет обеспечить «гибкое» программируемое изменение конфигурации;
- организация единой синхронизации в радиосети, наличие базы данных о текущих характеристиках абонентов с входом для текущего обновления массивов и построение аппаратуры на принципах программного выполнения основных функций упрощает обмен данными между абонентами;
- повышается аппаратурная (эксплуатационная) надежность. Узлы 1-7 общие с прототипом. Вычислительный блок 5 может быть выполнен на ЭВМ Багет-01, узлы 1 и 7 - на широкодиапазонных радиочастотных модулях комплекса С-111, антенные решетки - на широкодиапазонных адаптивных антенных решетках [8, 9], приемник 10 - на серийном изделии К-161.
На момент подачи заявки разработаны алгоритмы функционирования и фрагменты программного обеспечения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Андронов И.С. и др. Передача дискретных сообщений по параллельным каналам. М., «Советское радио», 1971, с.337-338.
2. Авторское свидетельство №720745 М. кл. Н04В 7/02, H04L 1/02, 1980.
3. Патент №2461969. (прототип).
4. Б.И. Кузьмин «Сети и системы цифровой электросвязи», часть 1 «Концепция ИКАО CNS/ATM. Москва - Санкт-Петербург: - ОАО «НИИЭР», 1999. 206 с.
5. Автоматизированные системы управления воздушным движением:
Новые информационные технологии в авиации: Учеб. Пособие / P.M. Ахмедов, А.А. Бибутов, А.В. Васильев и др.; под ред. С.Г. Пятко и А.И. Красова. - СПб: Политехника, 2004.
6. Д.С.Конторов, Ю.С. Голубев-Новожилов. Введение в радиолокационную системотехнику. - М.; Сов. Радио,1971, 367 с.
7. GPS - глобальная система позиционирования. - М.: ПРИМ, 1994, 76 с.
8. Shekh К., Gesbert D., Gore D., Paulraj A. Smart antennas for broadband wireless access networks//EEE Communication Magazine. Nov. 1999.
9. http://www.tssonline.ru/articles2/fix-op/smart-antennas-for-3g E. Строганова. Доцент МТУСИ, к.т.н., эксперт ИЦ МТУСИ.