СПОСОБ МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ АДАПТАЦИИ
METHOD OF MULTIPARAMETER ADAPTATION

Изобретение относится к области радиосвязи и может использоваться при построении адаптивных систем и комплексов радиосвязи.
Известен способ адаптации системы радиосвязи по частоте [1-2], основанный на оценке качества канала на нескольких разрешенных частотах и выборе для передачи информации частоты с минимальным уровнем помех. Такой способ позволяет отсеять частоты, занятые другими радиостанциями, но не обеспечивает выбор частоты с наилучшими условиями связи, т.к. при выборе частоты не учитываются потери полезного сигнала в канале и уровень полезного сигнала на входе приемника. Это приводит к неверному выбору наилучшей для связи рабочей частоты и, как следствие, к низкой средней скорости передачи информации.
Известен способ многопараметрической адаптации (например, [3]), в соответствии с которым для определения пригодности рабочей частоты на ней проводится трассовое зондирование. В зависимости от количества ошибок на принятой тестовой комбинации принимается решение о пригодности данной рабочей частоты для связи, а также оценивается скорость передачи информации, на которой должна обеспечиваться связь на данной частоте. Недостатком данного способа адаптации является неточность оценки качества канала по критерию числа ошибок на короткой тестовой комбинации, а также низкая точность оценки скорости, с которой можно передавать информацию. Тестовая комбинация, как правило, передается на наиболее низкой частоте и с максимальной корректирующей способностью кода. По результатам приема тестовой комбинации, переданной на конкретной частоте, приближенно оценивается максимальная скорость, на которой возможна передача информации. Низкая точность оценки рабочей частоты и скорости передачи приводит к неверному выбору указанных параметров и, как следствие, к низкой средней скорости передачи информации и, соответственно, пропускной способности системы связи.
Известен также способ многопараметрической адаптации [4], в соответствии с которым первоначально рабочая частота выбирается в процессе вхождения в связь по оценке качества вызывных сигналов. Затем пропускная способность других частот приближенно оценивается путем формирования на приемной стороне тестовой комбинации и суммирования с ней шумов и помех на анализируемых частотах. Изменяя амплитуду тестовой комбинации, находят значение амплитуды, при котором достигается достаточное значение отношения сигнал/шум. Частота, на которой требуемая амплитуда тестовой комбинации ниже, является лучшей. Недостатком указанного способа является отсутствие учета искажений тестовой комбинации при прохождении через канал, т.е. частотного и временного рассеяния сигнала. Низкая точность оценки требуемых для достижения максимальной пропускной способности регулируемых параметров радиолинии, как рабочей частоты, так и скорости передачи информации, как и в способах, описанных выше, приводят к низкой средней скорости передачи информации.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) заявленному изобретению является способ, описанный в [5]. В данном способе адаптивной радиосвязи осуществляется выбор типа (корректирующей способности) кода и параметров перемежения по результатам оценки состояния канала, которая формируется по результатам анализа тестовой последовательности на приеме. В соответствии с рассматриваемым способом работа системы связи должна происходить следующим образом. После удачного вхождения в связь обмен основными сообщениями производятся с применением кодов с максимальной корректирующей способностью, т.е. с наименьшей скоростью передачи сообщений. Далее по результатам оценки качества приема скорость может быть увеличена, при этом информация о выбранном коде и параметрах перемежения отправляются на передающую сторону. Тестовая последовательность передается в специально выделенные интервалы времени, либо в свободное от основных передач время. По результатам оценки качества приема тестовой последовательности оценивается требуемая корректирующая способность кода и параметры перемежения. В способе [5] декларируется, что на выбор значений параметров кода и перемежения помимо результатов приема тестовых последовательностей могут использоваться и другие данные о состоянии канала, в том числе данные зондирования каналов передачи и данные долговременного прогноза, однако не уточняется, из каких источников эти данные появятся, а также не указан алгоритм использования таких данных.
Недостатком способа [5] является низкая точность оценки качества анализируемого канала, т.к. для получения статистически устойчивой оценки требуется тестовая последовательность большой длины, кроме того, тестовая последовательность передается на определенной (самой низкой) скорости и оценки возможности приема на других скоростях передачи будут иметь низкую точность. Выбор заниженных или завышенных скоростей передачи информации в процессе ведения связи в обоих случаях приведет к понижению средней скорости передачи информации и пропускной способности системы связи.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении точности и оперативности определения требуемых значений регулируемых параметров радиолинии и, соответственно, в повышении пропускной способности, обеспечиваемой адаптивной системой связи.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном способе многопараметрической адаптации, основанном на процедуре вхождения в связь, передаче тестовых последовательностей в выделенные интервалы времени в каждом направлении радиолинии как в процессе ведения связи, так и в периоды, свободные от передачи сообщений, оценке состояния каналов передачи в каждом направлении радиолинии, нахождении значений адаптируемых параметров радиолинии, обеспечивающих передачу сообщений с достаточным (или наилучшим) качеством, передаче значений выбранных параметров своему корреспонденту, обмене информационными сообщениями в каждом из направлений радиолинии, дополнительно выполняются следующие действия:
- в качестве сигналов трассового зондирования применяют сигналы, позволяющие определить частотное и временное рассеяние канала связи, а также отношение сигнал/шум в канале (например, последовательность ЛЧМ сигналов, передаваемых в полосе передаваемого информационного сигнала);
- значения регулируемых параметров радиолинии, обеспечивающие максимальную пропускную способность, определяют с использованием заранее подготовленных таблиц соответствия, в которых для каждой пары возможных значений частотного и временного рассеяния указано минимальное отношение сигнал/шум на входе приемника, требуемое для достижения величины вероятности ошибки, меньшей или равной заранее определенной. Эти минимальные значения должны быть определены для используемых в данной системе связи модема и кодека, при этом такие таблицы должны быть заранее рассчитаны для каждой скорости передачи информации;
ош
ош
-2
-3
- для расчета таблиц соответствия должны быть разработаны имитационные модели передающей и приемной сторон системы связи, включающие в качестве составных частей модем и кодек, а также имитационная модель канала связи, в качестве которой может быть выбрана модель Ваттерсона. Далее, путем многократного прогона на полученной модели сеансов связи (до получения статистически устойчивого результата) определяют для каждой пары возможных в канале значений частотного и временного рассеяния определяется минимальное значение сигнал/помеха, при котором вероятность ошибки принимаемых сообщений Р не превышает заранее установленного значения. Пороговое значение Р определяется главным образом характеристиками оконечной аппаратуры (обычно от 2⋅10 до 0,5⋅10). Такие таблицы должны быть составлены для каждой скорости передачи сообщений. Если данная скорость реализуется в нескольких вариантах сигнально-кодовой конструкции (тип созвездия, тип и избыточность кода), то кроме найденного минимального значения сигнал/помеха в каждой ячейке таблицы должен быть указан вариант сигнально-кодовой конструкции, при котором этот минимум достигается;
- для определения оптимальных (по критерию максимума пропускной способности) регулируемых параметров радиолинии после вхождения в связь, а также через заданные промежутки времени либо по требованию приемной стороны, проводится сеанс зондирования, в процессе которого передаются и анализируются на приеме специальные сигналы. По результатам их приема рассчитывается функция рассеяния канала и определяются значения частотного и временного рассеяния, существующие в данный момент в канале. Определяется также и отношение сигнал/шум, существующее в канале. Далее по таблицам соответствия начиная с таблицы для максимальной скорости по измеренным значениям частотного и временного рассеяния определяется необходимое значение сигнал/помеха, при котором обеспечивается связь с необходимым качеством. Если указанное значение отношения сигнал/помеха меньше измеренного в канале, то выбирают значение скорости, соответствующее рассматриваемой таблице, иначе переходят к таблице с меньшей скоростью. Если имеется несколько рабочих частот, то зондирование проводят на всех частотах и для каждой частоты определяют максимальную скорость, при которой достигается заданное качество связи. Выбирается та частота, на которой обеспечивается наибольшая скорость передачи информации. Таким образом, определяются значения регулируемых параметров радиолинии: скорости передачи информации, рабочей частоты, а также номера варианта сигнально-кодовой конструкции, если их несколько.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что введение существенных отличительных признаков составляет новизну и позволяет, как будет показано ниже, решить поставленную задачу.
Таким образом, предлагаемый способ адаптации основан на:
- предварительной подготовке для каждой скорости передачи таблиц соответствия каждого возможного состояния канала минимальному значению отношения сигнал/шум, при котором достигается связь с заданным качеством;
- периодической (или по запросу приемной стороны) передаче передающей стороной радиолинии специальных сигналов трассового зондирования;
- приеме сигналов трассового зондирования и измерении приемной стороной характеристик КВ канала связи (функции рассеяния канала и отношения сигнал/шум в канале);
- определении по результатам анализа принятых сигналов трассового зондирования с помощью заранее подготовленных таблиц соответствия совокупности оптимальных параметров радиолинии, которые нужно использовать для обеспечения максимальной пропускной способности;
- пересылке на передающую сторону по обратному каналу найденных (оптимальных) значений регулируемых параметров радиосигнала и радиолинии;
- передаче передающей стороной информационных сигналов с параметрами, указанными приемной стороной.
На фиг. 1 представлена блок-схема алгоритма функционирования предлагаемого способа многопараметрической адаптации. На фиг. 2 представлена блок-схема алгоритма определения функции рассеяния канала. На фиг. 3 и фиг. 4 представлена блок-схема алгоритма определения величин частотного и временного рассеяния, а также отношения сигнал/шум. На фиг. 5 представлена блок-схема процесса нахождения регулируемых параметров радиолинии по найденным значениям параметров канала радиосвязи с использованием таблиц соответствия. На фиг. 6 представлен алгоритм расчета таблиц соответствия. На фиг. 7 представлена таблица соответствия.
В соответствии с блок-схемой алгоритма, представленном на фиг. 1, на первом этапе производится вхождение в связь, которое может производиться любым из известных методов. Далее определяется необходимость проведения трассового зондирования. Трассовое зондирование может проводиться в паузах, возникающих при передаче сообщений, либо периодически через время, меньшее интервала стационарности канала связи, либо по запросу приемной стороны при снижении качества приема. Решение о проведении трассового зондирования может принимать приемная сторона и сообщать об этом на передающую сторону, однако это решение может формироваться и на передающей стороне на основе данных, переданных приемной стороной. Если проведение трассового зондирования необходимо, то передающая сторона передает тестовый сигнал трассового зондирования на каждой из частот, отведенных для связи. В этом случае приемная сторона осуществляет прием тестовых сигналов, прошедших через канал, проводится оцифровка входного сигнала, определение амплитудно-частотной, фазо-частотной и импульсной характеристик канала (АЧХ, ФЧХ и ИХ). С использованием полученных характеристик находится функция рассеяния канала (ФРК).
Далее по найденной функции рассеяния канала определяются значения временного и частотного рассеяния, а также находится отношение сигнал/шум. По полученным значениям параметров канала с использованием заранее заготовленной таблицы соответствия находятся адаптируемые (регулируемые) параметры радиолинии (рабочая частота, информационная скорость передачи данных, вариант сигнально-кодовой конструкции).
Найденные оптимальные значения регулируемых параметров передаются для установки на передающую сторону. После установки новых параметров на приемной и передающей стороне передача информационного сигнала продолжается до конца связи, либо до очередного сеанса зондирования.
В качестве сигналов трассового зондирования, позволяющих получать функцию рассеяния канала, могут использоваться сигналы фазовой и частотной манипуляции, сигналы последовательного модема, сигналы линейной частотной манипуляции (ЛЧМ), передаваемые в полосе информационного сигнала. Далее, для определенности, считаем, что в качестве сигналов трассового зондирования используют последовательности ЛЧМ-сигналов, передаваемые в полосе информационного сигнала.
Метод определения ФРК при приеме последовательности ЛЧМ-сигналов, передаваемых в полосе информационного сигнала, представлен в работе [6]. Метод получения значений параметров частотного и временного рассеяния, а также отношения сигнал/шум по известной ФРК описан в работе [7].
На фиг. 2 представлена блок-схема алгоритма определения ФРК, разработанная в соответствии с методом, описанном в работе [6].
Алгоритм состоит из нескольких шагов:
Ts
Si
На первом этапе определяются спектры опорного ЛЧМ-сигнала (S) и ЛЧМ-сигнала, принятого после прохождения канала связи (S).
где m - текущий номер ЛЧМ-сигнала; k - текущий номер отсчета в частотной области (количество точек БПФ); N - количество передаваемых ЛЧМ-сигналов; K - количество отсчетов на одном ЛЧМ-сигнале.
После чего по полученным спектрам определяется частотная характеристика канала связи:
Далее импульсную характеристику канала связи получают, взяв обратное преобразование Фурье от АЧХ канала связи.
ν
k
э
э
По результатам N полученных оценок ИХ канала находят функцию рассеяния канала. В общем случае ФРК можно представить как набор векторов квадратов модулей, полученных после преобразования Фурье для фиксированных задержек по времени τ=τ для множества последовательных измерений импульсных характеристик h(τ,t). Для каждой ИХ задержка может изменяться в пределах 0≤τ≤Т, где T - длительность элемента сигнала. Тогда ФРК для фиксированных значений задержки по времени будет представляться следующим образом:
dn
где F - сдвиги частот, при которых ищется дискретное преобразование Фурье.
На фиг. 3 и фиг. 4 представлена блок-схема алгоритма определения величин частотного и временного рассеяния, а также отношения сигнал/шум, выполненная на основе метода, описанного в работе [7].
Значения временного и частотного рассеяния (Δτ и ΔF) определяются в соответствии с формулами (5) и (6) соответственно.
где 2N+1 - число отсчетов во временном профиле рассеяния;
2М+1 - число отсчетов в частотном профиле рассеяния;
τk - k-я задержка по времени;
m
τ - среднее значение задержки;
τ
k
Р(τ) - профиль интенсивности многолучевости;
dk
F - k-e значение доплеровского сдвига частоты;
dm
F - среднее значение доплеровского сдвига;
Fd
dk
P(F) - профиль интенсивности доплеровского сдвига частоты.
Для определения отношения сигнал/шум в канале используется алгоритм автоматического разделения компонентов сигнала и шума, в соответствии с которым числовой массив ФРК обрабатывается низкочастотным гауссовским фильтром. Далее в каждом из столбцов массива определяется центральный момент 3-го порядка, в результате чего появляется массив моментов М. Определение, в каком столбце массива находится сигнал, а в каком шум, производится путем сравнения найденного значения момента 3-го порядка с порогом, который является функцией дисперсии элементов массива М. Найденные элементы как сигнала, так и шума усредняются.
Отношение сигнал/шум (SNR) находится с учетом базы сигнала (В) и пик-фактора из выражения
Si
где P - мощность сигнала;
N
P - мощность шума.
На фиг. 5 представлена блок-схема процесса нахождения регулируемых параметров радиолинии по найденным значениям параметров канала радиосвязи с использованием таблиц соответствия. Таблицы соответствия представляют собой заранее рассчитанные таблицы требуемых значений отношения сигнал/шум для обеспечения используемым модемом заданного качества принятого сигнала (заданной вероятности ошибки), при заданных в канале значениях временного и частотного рассеяния). Число таких таблиц должно быть равно числу возможных скоростей, реализуемых конкретным типом модема. Например, для полосы сигнала 3,1 кГц может быть реализован следующий ряд скоростей, принятый для использования в КВ радиоканале: 75, 100, 200, 300, 500, 1200, 2400, 4800, 7200, 9600 бит/с.
Значения временного и частотного рассеяния, используемые в таблицах, могут быть приняты в соответствии с рекомендацией ITU-R F.1487 [8]. Таким образом, временное рассеяние канала может принимать следующие значения:
0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 3,5; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10; 11; 12; 14; 16; 18; 20 мс;
частотное рассеяние может принимать следующие значения:
0,1; 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 3,5; 4; 6; 8; 10; 12; 14; 16; 18; 20; 24; 28; 32; 36; 40 Гц.
В итоге таблица соответствия представляет собой матрицу всевозможных состояний канала размерностью [20×22], в каждой ячейке которой установлено значение сигнал/шум, необходимое для обеспечения заданного значения вероятности ошибки. Диапазон рассчитываемых значений отношения сигнал/помеха и диапазон задаваемых значений вероятности ошибки также могут быть выбраны из рекомендации [8], однако, в зависимости от назначений системы и используемого модема могут принимать и другие значения.
Изм
Изм
Изм
Изм
Изм
Изм
Таб
Изм
Изм
Таб
Изм
Таб
Изм
Таб
Изм
Нахождение оптимальных значений регулируемых параметров радиолинии по найденным значениям параметров канала радиосвязи (частотного рассеяния Δτ, временного рассеяния ΔF и отношения сигнал/шум SNR) с использованием таблиц соответствия согласно фиг. 5 производится следующим образом. Измеренные значения Δτ и ΔF округляют до ближайших больших значений соответствующих параметров, принятых в таблицах соответствия. Далее по всем таблицам соответствия, начиная с таблицы для максимальной скорости модема, сравниваем измеренное значение SNR с значением отношения сигнал/шум, указанным в таблице SNR для измеренных значений рассеяния Δτ и ΔF. Если SNR≤SNR, то в качестве параметра радиолинии принимается то значение скорости модема, для которого рассчитана указанная таблица соответствия. Если SNR>SNR, то переходят к таблице соответствия для следующей более низкой скорости модема, пока не будет выполнено условие SNR≤SNR.
Изм
Изм
Таб
Изм
Если адаптация проводится и по частоте, то для каждой частоты проводится измерение значений Δτ и ΔF, затем находится значение скорости, удовлетворяющее условию SNR≤SNR. Далее выбирается рабочая частота, на которой обеспечивается работа с максимальной скоростью.
На фиг. 6 представлен алгоритм расчета таблиц соответствия. Согласно рекомендации ITU-RF.1487 [8] эффективность модема следует определять не отдельной кривой помехоустойчивости, а характеристической поверхностью производительности (ХПП), которая представляет собой трехмерную поверхность, показывающую зависимость отношения сигнал/помеха, необходимого для передачи сообщения с заданным качеством связи от величины частотного и временного рассеяния.
ош
Определяют набор информационных скоростей передачи данных, обеспечиваемый модемом в заданной полосе частот, задают значения временного и частотного рассеяния канала, согласно рекомендации ITU-R F.1487, определяют необходимое качество приема информации, например, Р=0.001. Определяют актуальный диапазон значений отношения сигнал/шум, например, от -10 до 50 дБ с шагом 1дБ.
Задают значение информационной скорости передачи.
Далее с использованием имитационных моделей системы связи и канала связи для всех выбранных величин частотного и временного рассеяния, проводят имитационный эксперимент по прохождению модемного сигнала через канал, изменяя значение отношения сигнал/шум в заданных пределах и с заданным шагом, для каждого определяя вероятность ошибки. Эксперимент при каждом заданном отношении сигнал/шум проводят до тех пор, пока результат не окажется статистически устойчивым.
Если полученное в результате имитационного эксперимента значение вероятности ошибки получилось больше требуемого, то увеличивают отношение сигнал/шум на 1 дБ и снова проводят испытания. Если отношение сигнал/шум превысило уровень 50 дБ, то эксперимент прекращается и переходят к другой ячейке таблицы, определяемой другими значениями частотного и временного рассеяния. Если на каком-то шаге изменения отношения сигнал/шум удалось добиться значения качества приема, удовлетворяющего заданным требованиям, то вычисления прекращаются и методом линейной интерполяции вычисляется отношение сигнал/помеха, при котором достигается заданная вероятность ошибки.
После того как требуемое отношение сигнал/помеха определено для всех точек матрицы состояния канала связи, переходят к следующей скорости передачи. В результате получают таблицу, в каждой ячейке которой будет записано требуемое минимальное отношение сигнал/шум. Вид таблицы представлен на фиг. 7. Если система связи обеспечивает возможность передачи информации с разными вариантами сигнально-кодовой конструкции, то в каждой ячейке таблицы должен стоять тип СКК, при котором указанное минимальное отношение сигнал/шум достигнуто.
Операцию по расчету таблиц соответствия необходимо повторить для оставшихся скоростей передачи данных. В результате должен получиться набор таблиц размерностью [20×22], число которых равно числу возможных скоростей передачи данных, реализуемых системой связи.
Предлагаемый способ многопараметрической адаптации позволяет более точно находить параметры радиолинии, обеспечивающие максимально возможную скорость передачи в условиях текущего состояния канала, что обеспечивает повышение средней скорости передачи данных
Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет решить поставленную задачу.
Источники информации
1. Комарович В.Ф., Сосунов В.Н. Случайные радиопомехи и надежность KB связи. - М.: Связь, 1977, 135 с.
2. Военные системы радиосвязи. Ч. 1. Под ред. В.В. Игнатова. Л. ВАС. 1989, с. 297-301.
3. Патент РФ №2138926, заявлен 11.01.1995 г., опубл. 27.09.1999 г. Способ и устройство для адаптивного выбора стратегии осуществления связи в системе радиосвязи с селективным вызовом абонентов. Лейтч К.Д., Швендеман Р.Д., Макнак Ф.П. Заявитель Моторолла, Инк. (US).
4. Патент РФ №2284659, заявлен 28.04.2004 г., опубликован 27.09.2006 г. в Бюл. №27. Способ и устройство для адаптивной радиосвязи. Балыбин В.М., Рыжов П.П. и др.
5. Патент РФ №2300843, заявлен 14.06.2005 г., опубл. 20.12.2006. Способ передачи дискретных сообщений с многопараметрической адаптацией. Ярошевич Б.Н., Кульбида В.А. (Прототип).
6. Иванов В.А., Рябова Н.В., Царев И.Е. Диагностика функции рассеяния декаметровых узкополосных стохастических радиоканалов // Радиотехника и электроника. Том 55, №3, Москва: Академиздатцентр «Наука», 2009. - С.1-7.
7. Иванов В.А., Рябова Н.В., Царев И.Е. Канальный зонд для исследования функции рассеяния ионосферных ВЧ радиоканалов // Труды симпозиума XXII-ой Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн», сентябрь 2008, №2, с. 45-48.
8. Recommendation ITU-R F.1487 Testing of HF modems with bandwidths of up to about 12 kHz using ionospheric channel simulators - ITU-R. - 2000 г.