Способ передачи дискретной информации по каналу связи с многолучевым распространением с использованием результатов его тестирования
METHOD OF TRANSMITTING DISCRETE INFORMATION OVER A COMMUNICATION CHANNEL WITH MULTIPATH PROPAGATION USING TEST RESULTS THEREOF

Известны способы цифровой обработки сигналов с амплитудно-импульсной модуляцией (ASK) и с модуляцией фазовым сдвигом (PSK), описанные в книге «Прокис Джон, «Цифровая связь». Пер. с англ./Под ред. Д.Д. Кловского. - М.: Радио и связь. 2000, стр. 148 - 151, недостатком которых является низкая эффективность в условиях многолучевого распространения сигнала.
G01S
5/00
Известен способ подавления ошибок многолучевости в приемниках спутниковой навигации (2237256,  RU). Недостатком данного способа является невысокая эффективность в условиях многолучевого распространения сигнала.
G01S
1/00
Известен способ ослабления фазовой многолучевости - патент 2407025,  RU. Недостатком известного способа является недостаточно высокая эффективность в условиях многолучевого распространения сигнала.
H04B 13/00
Известен способ передачи дискретной информации по гидроакустическому каналу связи в условиях многолучевого распространения сигнала (патент 2571390,  RU). Недостатком данного способа является невысокая эффективность в условиях многолучевого распространения сигнала.
H04B 13/00
Известен способ защиты узкополосных каналов передачи данных в условиях многолучевого распространения радиосигналов и комплекс средств для его реализации (патент 2663240,  RU). Недостатком способа является снижение скорости передачи информации.
H04B 3/46
Известен способ и система для тестирования цифрового канала связи с переменными или фиксированными скоростями передачи данных (заявка 97111851,  RU). Способ тестирования канала связи в системе связи, в которой цифровую информацию передают на изменяемых скоростях по каналу связи, отличающийся тем, что включает операции: передачи тестовой последовательности цифровых данных по каналу связи на одной или более из множества выбираемых скоростей, приема тестовой последовательности цифровых данных, передаваемых по каналу связи, генерирования копии тестовой последовательности цифровых данных, и сравнения копии тестовой последовательности цифровых данных с тестовой последовательностью данных, принятых по каналу связи, для определения точности передачи данных по каналу связи. Недостатком данного способа является недостаточно высокая эффективность в условиях многолучевого распространения сигнала.
H04Q 1/00
Известны способ и устройство для тестирования трафика и вспомогательных каналов в системе беспроводной передачи данных (заявка 2004121141,  RU). Способ тестирования множества каналов, связанных с прямой линией в системе беспроводной передачи данных, заключающийся в том, что принимают первое сообщение, имеющее включенные в него тестовые установки для одного или более каналов, включающих в себя каналы трафика, вспомогательные каналы или их комбинации; конфигурируют один или более каналов на основании тестовых установок в первом сообщении; принимают тестовые пакеты по прямому каналу трафика; передают пакеты кольцевой проверки по обратному каналу трафика и передают данные сигнализации по каналу трафика или одному или более вспомогательным каналам. Недостатком данного способа является невысокая эффективность в условиях многолучевого распространения сигнала.
H04 17/00
Известны способ и устройство для тестирования каналов беспроводной связи (патент 2307470,  RU). Изобретение относится к системам передачи данных. Технический результат заключается в повышении эффективности использования ресурсов. Канал трафика тестируется через сервисную опцию тестовых данных (СОТД), которая может быть согласована и подключена, подобно другим услугам. Значения тестовых параметров могут быть предложены, приняты или отклонены и согласованы. Тестовые данные для канала генерируются на основе определенного образца данных или генератора псевдослучайных чисел. Достаточные тестовые данные могут генерироваться на основе генератора в течение промежутка времени тестирования, сохраняться в буфере и затем восстанавливаться из конкретной секции буфера для формирования блока (блоков) данных для каждого «активного» кадра. Канал трафика может тестироваться, используя прерывистую передачу. Цепь Маркова с двумя состояниями определяет передавать или нет тестовые данные для каждого кадра. Средняя активность кадра и среднее значение длины пачки определяются с помощью выбора вероятности для переключения между ВКЛ/ВЫКЛ состояниями цепи Маркова, которая может управляться вторым генератором. Недостатком данного способа является недостаточно высокая эффективность в условиях многолучевого распространения сигнала.
H04Q 7/00
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ и устройство для тестирования каналов беспроводной связи (заявка 2002121491,  RU), принятый за прототип.
Способ-прототип является способом генерации тестовых данных для тестирования определенного канала в системе беспроводной связи, по которому генерируют последовательность битов данных, основываясь на генераторе псевдослучайных чисел, и формируют множество блоков данных для передачи по множеству временных интервалов в конкретном канале, в котором каждый блок данных включает в себя, по меньшей мере часть сгенерированной последовательности битов данных.
Недостатком способа-прототипа является недостаточно высокая эффективность в условиях многолучевого распространения сигнала.
Задача предлагаемого технического решения - повышение эффективности обмена информацией путем обеспечения выделения сигнала в условиях многолучевого распространения сигнала.
согласно изобретению
Для решения поставленной задачи в способе передачи дискретной информации по каналу связи с многолучевым распространением с использованием результатов его тестирования, заключающемся в том, что осуществляют генерацию тестовых данных для тестирования определенного канала в системе беспроводной связи, по которому передают последовательность битов данных, формируют множество блоков данных для передачи по множеству временных интервалов в конкретном канале, , в станциях, образующих линию связи, используют гармонические сигналы с многопозиционной фазовой манипуляцией (PSK) или многопозиционной амплитудно-импульсной модуляцией (ASK) - K типов сигналов, на этапе вхождения в связь осуществляют синхронизацию средств связи, рассчитывают целое число сигналов, которые могут быть переданы за время, равное максимально возможному значению времени задержки отраженных от земной поверхности сигналов n, на первом этапе в линии связи осуществляют тестирование канала распространения сигнала - этап тестирования канала, путем последовательной передачи передающей/принимающей стороной множества блоков данных, причем каждый блок данных соответствует какому-либо типу сигнала из K используемых типов сигналов, при этом сигналы передают с интервалом между ними, длительность которого устанавливают равной максимально возможному значению времени задержки отраженных от земной поверхности сигналов; в принимающей/(передающей станции формируют отсчеты принятых сумм сигнала и отраженных от земной поверхности сигналов и отраженных от земной поверхности сигналов, отсчеты берут в те же моменты времени, в которые будут брать отсчеты на этапе обмена информацией, суммируют отсчеты в соответствии с используемой модуляцией и запоминают значения сумм, число суммируемых отсчетов устанавливают в соответствии с длительностью сигналов; определяют значения амплитуд для каждого типа сигналов путем их измерения в моменты времени, когда отраженные от земной поверхности сигналы отсутствуют, или значения их амплитуд пренебрежимо мало; рассчитывают значения порогов путем умножения полученных значений амплитуд сигналов на коэффициент, значение которого устанавливают заранее, запоминают эти значения, на этапе обмена информацией обработку сигналов в передающей и принимающей станциях осуществляют одинаковым образом, в станции, принимающей информацию, формируют в цифровом виде отсчеты принятых сумм сигналов и отраженных от земной поверхности сигналов, рассчитывают значения сумм отсчетов, в соответствии с используемой модуляцией, запоминают значения сумм, число отсчетов при суммировании устанавливают в соответствии с длительностью сигналов; для первого принятого сигнала устанавливают его тип путем определения сигнала, для которого степень близости значений сумм отсчетов принятого сигнала, и запомненных значений сумм отсчетов сигналов различных типов, полученных на этапе тестирования, имеет минимальное значение; в n-мерный массив отраженных сигналов включают массив, соответствующий типу принятого сигнала, определяют время появления первого отраженного сигнала из этого массива, при приеме второго сигнала рассчитывают значение суммы отсчетов в соответствии с используемой модуляцией, определяют значение амплитуды сигнала путем вычитания из рассчитанного значения суммы отсчетов, запомненного значения суммы отсчетов, отраженных от земной поверхности сигналов, соответствующих типу первого принятого сигнала, определяют тип второго принятого сигнала по результатам сравнения рассчитанного значения амплитуды сигнала с пороговыми значениями, в n-мерный массив отраженных сигналов включают массив, соответствующий типу принятого сигнала, определяют время появления первого отраженного сигнала из этого массива, при приеме третьего сигнала рассчитывают значение суммы отсчетов в соответствии с используемой модуляцией, определяют значение амплитуды сигнала путем вычитания из рассчитанного значения суммы отсчетов, запомненных значений сумм отсчетов, отраженных от земной поверхности сигналов, соответствующих первому и второму принятым сигналам, определяют тип второго принятого сигнала по результатам сравнения рассчитанного значения амплитуды сигнала с пороговыми значениями, в n-мерный массив отраженных сигналов включают массив, соответствующий типу принятого сигнала, определяют время появления первого отраженного сигнала из этого массива, при приеме n-го сигнала рассчитывают значение суммы отсчетов в соответствии с используемой модуляцией, определяют значение амплитуды сигнала путем вычитания из рассчитанного значения суммы отсчетов принятого сигнала, запомненные значения сумм отсчетов, отраженных от земной поверхности сигналов, соответствующих первому, второму, …, (n-1)-му, принятым сигналам, определяют тип n-го принятого сигнала по результатам сравнения рассчитанного значения амплитуды сигнала с пороговыми значениями, в n-мерный массив отраженных сигналов включают массив, соответствующий типу принятого сигнала, определяют время появления первого отраженного сигнала из этого массива, описанную процедуру проводят для всех принимаемых сигналов.
Предлагаемый способ выделения сигнала осуществляется следующим образом.
Приводится описание способа для случая работы на фиксированной частоте. Для случая работы с перестройкой частоты процесс осуществляется для каждой рабочей частоты так же, как для фиксированной частоты.
Используют гармонические сигналы с многопозиционной фазовой манипуляцией (PSK) или многопозиционной амплитудно-импульсной модуляцией (ASK) (N типов сигналов).
На этапе вхождения в связь осуществляют синхронизацию станций.
На первом этапе в линии связи осуществляют тестирование канала распространения сигнала (этап тестирования канала) путем последовательной передачи передающей/принимающей стороной множества блоков данных, причем каждый блок данных соответствует какому-либо типу сигнала из K используемых типов сигналов.
Сигналы передают с интервалом между ними, длительность которого устанавливают равной максимально возможному значению времени задержки отраженных от земной поверхности сигналов.
Максимально возможное значение времени задержки отраженных от земной поверхности сигналов задают на основе анализа результатов экспериментальных исследований или моделирования процесса отражения сигнала от земной поверхности.
Рассчитывают целое число сигналов, которые могут быть переданы за время, равное максимально возможному значению задержки отраженных от земной поверхности сигналов (n).
В принимающей/передающей станции формируют отсчеты принятых сумм сигнала и отраженных от земной поверхности сигналов и отраженных от земной поверхности сигналов.
Отсчеты берут в те же моменты времени, в которые будут брать отсчеты на этапе обмена информацией.
Число отсчетов, используемых для представления сигнала, определяется путем математического моделирования или экспериментальным путем.
Суммируют отсчеты в соответствии с используемой модуляцией, запоминают эти значения (иллюстративный пример приведен на фиг. 1). Число отсчетов при суммировании устанавливают в соответствии с длительностью сигналов.
Суммирование отсчетов осуществляют с использованием способа когерентного накопления (см., например, «Основы теории радиотехнических систем». Учебное пособие. // В.И. Борисов, В.М. Зинчук, А.Е. Лимарев, Н.П. Мухин. Под ред. В.И. Борисова. Воронежский научно-исследовательский институт связи, 2004, стр. 66).
Для ASK осуществляют суммирование абсолютных значений отсчетов. Для PSK осуществляют суммирование в соответствии с сигнатурой сигналов, а именно, в случае, если отсчеты берут через период, то отсчеты суммируют в соответствии с их знаками, если отсчеты берут через половину периода, то знак отсчетов с четными номерами изменяют на противоположный.
Определяют значения амплитуд для каждого типа сигнала путем их измерения в моменты времени, когда отраженные от земной поверхности сигналы отсутствуют.
Рассчитывают значения порогов путем умножения значений амплитуд сигналов на коэффициент, с заранее установленным значением, запоминают пороговое значение. Значение данного коэффициента определяют путем математического моделирования или экспериментальным путем.
На этапе обмена информацией обработку сигналов в передающей и принимающей станциях осуществляют одинаковым образом.
В станции, принимающей информацию, формируют отсчеты принятых сумм сигналов и отраженных от земной поверхности сигналов и рассчитывают значения сумм отсчетов в соответствии с используемой модуляцией. Запоминают эти значения.
Для первого принятого сигнала определяют его тип путем определения сигнала, для которого степень близости значений сумм отсчетов принятого сигнала и запомненных значений сумм отсчетов сигналов различных типов, полученных на этапе тестирования, имеет минимальное значение.
Например, рассчитывают абсолютные значения разности значения сумм отсчетов принятого сигнала, и запомненных значений сумм отсчетов сигнала, полученных на этапе тестирования. Считают, что принят тот тип сигнала, для которого значение разности минимально.
В n-мерный массив отраженных сигналов включают массив, соответствующий типу принятого сигнала. Определяют время появления первого отраженного сигнала из этого массива.
При формировании n-мерного массива отраженных сигналов реализуют принцип «первый пришел, первый ушел» (см., например, Роберт Круз. «Структуры данных и проектирования программ». - Бином. Лаборатория знаний. 2008).
Размерность многомерного массива n определяется максимально-возможным значением времени задержки отраженных от земной поверхности сигналов и длительностью сигнала, а именно
мз
с
n = ]Т/τ[,          (1)
мз
где: Т - максимально возможное значение времени задержки отраженных от земной поверхности сигналов;
с
τ - длительность сигнала;
] [ - целая часть числа.
При приеме второго сигнала рассчитывают значения суммы отсчетов в соответствии с используемой модуляцией.
Определяют значение амплитуды сигнала путем вычитания из рассчитанного значения суммы отсчетов, запомненного значения суммы отсчетов, отраженных от земной поверхности сигналов, соответствующих типу первого принятого сигнала. Определяют тип второго принятого сигнала по результатам сравнения рассчитанного значения амплитуды сигнала, с пороговыми значениями.
В n-мерный массив отраженных сигналов включают массив, соответствующий типу принятого сигнала. Определяют время появления первого отраженного сигнала из этого массива.
При приеме третьего сигнала из суммы отсчетов принятого сигнала вычитают запомненные значения сумм отсчетов, отраженных от земной поверхности сигналов, соответствующих первому и второму принятым сигналам. Определяют тип третьего принятого сигнала по результатам сравнения рассчитанного значения амплитуды сигнала, с пороговыми значениями.
В n-мерный массив отраженных сигналов включают массив, соответствующий типу принятого сигнала. Определяют время появления первого отраженного сигнала из этого массива.
При приеме n-го сигнала из суммы отсчетов принятого сигнала вычитают запомненные значения сумм отсчетов, отраженных от земной поверхности сигналов, соответствующих первому, второму, …, (n-2)-му, (n-1)-му принятым сигналам. Определяют тип n-го принятого сигнала по результатам сравнения рассчитанного значения амплитуды сигнала, с пороговыми значениями.
В n-мерный массив отраженных сигналов включают массив, соответствующий типу принятого сигнала. Определяют время появления первого отраженного сигнала из этого массива.
Для сигналов, с номерами, превышающими размер многомерного массива n (m), из n-мерного массива отраженных сигналов исключают массив, соответствующий типу принятого сигнала с номером m-n.
Описанную процедуру осуществляют для всех принятых сигналов.
Ниже приведены результаты оценки эффективности.
В качестве помех рассматриваются сигналы, отраженные от подстилающей поверхности (поверхности земли).
pi
pi
Помеха при моделировании представлена в виде суммы гармонических колебаний c частотой, равной частоте сигнала, со случайными значениями фаз (ϕ), которые распределены по равномерному закону, и амплитуд (U), которые получают как произведение амплитуды сигнала на значение коэффициента отражения от земной поверхности сигнала, значение которого распределено по равномерному закону в некотором заданном интервале значений, длительность каждого отраженного сигнала равна длительности сигнала
pi
U=,     (2)
со
где: N- число отраженных сигналов;
соi
U - амплитуда i-ого отраженного сигнала;
с
ω - частота сигнала;
соi
ϕ - фаза i-ого отраженного сигнала.
Амплитуда i-ого отраженного сигнала рассчитывается по формуле
соi
оi
с
U=KU,
с
где U - амплитуда сигнала в момент его попадания на участок земной поверхности, от которой он отражается;
оi
K- коэффициент отражения сигнала от земной поверхности.
Значение интервала изменения коэффициента отражения сигнала от земной поверхности задают на основе анализа результатов экспериментальных исследований или моделирования процесса отражения сигнала от земной поверхности.
Сложение сигналов осуществляют с учетом значения времени прихода отраженного сигнала и его начальной фазы. Считается, что время прихода отраженного сигнала распределено по равномерному закону в интервале значений изменения времени задержки отраженных от земной поверхности сигналов.
Сравнение эффективности предлагаемого способа осуществлено с эффективностью способов передачи информации с использованием фазовой бинарной манипуляции (BPSK) и бинарной амплитудно-импульсной модуляции (BASK).
Моделирование осуществлялось с использованием системы MATLAB.
Для получения результатов моделирования использовались: «Программа оценки эффективности способа компенсации отраженного от земной поверхности сигнала с ASK и квадратичной обработкой с использованием результатов тестирования канала распространения», cвидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2019611568; «Программа оценки эффективности способа компенсации отраженного от земной поверхности сигнала с BPSK путем использования результатов тестирования канала распространения», свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2019611569.
При моделировании использовались следующие исходные данные:
3
- число реализаций - 10;
- вид манипуляции - BPSK, BASK;
- число временных шагов - 40;
- число отраженных сигналов - 300;
- максимальное время задержки отраженного сигнала - 15 мкс;
- длительность сигнала - 5 периодов (число отсчетов - 10);
- частота сигнала - 1;
- частота дискретизации - 1;
- диапазон изменения коэффициента отражения сигнала от земной поверхности - 0.3;
- минимальное значение коэффициента отражения сигнала от земной поверхности - 0.05;
- точность измерения - ± 2,5%;
- амплитуда сигнала:
для BPSK:
сигнал первого типа (предается 1) - амплитуда сигнала равна 1;
сигнал первого типа (предается 0) - амплитуда сигнала равна -1;
для ASK:
сигнал первого типа (предается 1) - амплитуда сигнала равна 1;
сигнал первого типа (предается 0) - амплитуда сигнала равна 3.
-3
В таблице приведены значения вероятностей обнаружения сигнала для видов модуляции BPSK и ASK и для различных вариантов обработки при условии, что вероятность ложной тревоги не превышает 10:
- с компенсацией отраженного сигнала предлагаемым способом;
- без компенсации отраженного сигнала.
Тип обработки
Вид модуляции
BPSK
BASK
с компенсацией отраженного сигнала предлагаемым способом
0,996
0,994
без компенсации отраженного сигнала
0,7
0,38
Результаты анализа данных, приведенных в таблице, позволяют сделать вывод о том, что при применении предлагаемого способа значение вероятности обнаружения сигнала превышает значение аналогичного показателя для традиционного способа обработки сигнала при использовании BPSK в 1,42 раза, при использовании BASK в 2,62 раза.
Структурная схема заявляемого устройства приведена на фиг. 2, где обозначено:
1 - антенна;
2 - смеситель;
3 - полосовой фильтр;
4 - усилитель промежуточной частоты (УПЧ);
5 - гетеродин;
6 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
7 - вычислительное устройство (ВУ);
8 - устройство управления.
Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные антенну 1, смеситель 2, полосовой фильтр 3, УПЧ 4, АЦП 6 и вычислительное устройство 7, выход которого является выходом устройства, кроме того, выход гетеродина 5 соединен со вторым входом смесителя 2, выход устройства управления 8 соединен со вторым входом вычислительного устройства 7, вход антенны 1 является входом устройства.
Устройство работает следующим образом.
Приводится описание способа для случая работы на фиксированной частоте. Для случая работы с перестройкой частоты процесс осуществляется для каждой рабочей частоты так же как для фиксированной частоты.
Используется гармонический сигнал.
Вид модуляции - фазовая манипуляция (PSK), амплитудно-импульсная модуляции (ASK).
Аддитивную смесь сигнала и помехи с антенны 1 подают в смеситель 2, где осуществляют понижение или повышение частоты сигнала. Полученный сигнал фильтруют полосовым фильтром 3, полоса которого согласована с полосой сигнала. Затем аддитивную смесь сигнала и помехи усиливают в УПЧ 4. С выхода УПЧ 4 аддитивную смесь сигнала и помехи подают в АЦП 6, где формируют отсчеты принятых сигналов, сумм сигналов и отраженных от земной поверхности сигналов и отраженных от земной поверхности сигналов.
Считается, что во время вхождения в связь осуществлена синхронизация, и положение во времени начала сигнала известно с достаточной точностью для обеспечения формирования отсчетов.
Число отсчетов, используемых для представления сигнала, определяется путем математического моделирования или экспериментальным путем.
В ВУ 7, в зависимости от значения управляющего сигнала, который подают на его второй вход, отсчеты обрабатывают по описанным алгоритмам, соответственно для этапа тестирования канала и для этапа обмена информацией.
Сигналы управления формируют в устройстве управления 8, которое может быть выполнено на базе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС).
Вычислительное устройство 7 может быть выполнено, например, на микросхеме TMS320VC5416 фирмы Texas Instruments (США).
АЦП 6 может быть выполнен, например, на микросхеме AD7495BR фирмы Analog Devices.
Устройство управления (ПЛИС) 8 может быть выполнено, например, на микросхеме XC2V3000-6FG676I фирмы Xilinx.
Эффективность - значения вероятностей обнаружения сигнала для видов модуляции BPSK и BASK для различных вариантов обработки приведены выше.
Таким образом, с использованием описанного устройства может быть реализован способ компенсации отраженного от земной поверхности сигнала путем использования результатов тестирования канала распространения, эффективность которого значительно превышает эффективность традиционных способов.