Способ синхронизации шкал времени в сети радиосвязи
METHOD FOR SYNCHRONIZING TIMELINES IN A RADIO NETWORK

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано при разработке систем синхронизации шкал времени на синхронизируемом объекте c неопределенным местоположением относительно эталонной станции в сети радиосвязи.
Известно устройство автоматической сверки шкал времени [1], которое работает следующим образом. На эталонной станции формируют и излучают запросный сигнал, соответствующий метке времени эталонной шкалы времени. На синхронизируемом объекте принимают запросный сигнал и переизлучают его. При этом также излучают следующий после момента приема запросного сигнала собственный сигнал, соответствующий метке времени своей шкалы времени. Оба этих сигнала принимают на эталонной станции, где определяют время распространения запросного сигнала и расхождение сверяемых шкал времени. Полученные на эталонной станции данные о расхождении сверяемых шкал времени могут использоваться для последующей коррекции шкалы времени синхронизируемого объекта, например, путем передачи данных о расхождении шкал времени через соответствующий канал радиосвязи. Таким образом, способ, реализованный в [1], может использоваться при решении задач, связанных с синхронизацией шкал времени пространственно разнесенных объектов, взаимное местоположение которых не определено. При этом, однако, в рамках этого способа в каждый конкретный промежуток времени может быть осуществлена сверка шкал времени и последующая синхронизация только одного объекта, синхронизация же другого объекта возможна в другой промежуток времени, специально отведенный для этой цели.
τ
τ
τ
τ
-
(τ
-τ
/2).
1
2
1
2
1
2
Известен способ синхронизации шкал времени, описанный в [2], который работает следующим образом. На эталонной станции и синхронизируемом объекте формируют собственные шкалы времени в соответствии с сигналами местных опорных генераторов. На эталонной станции в соответствии с метками времени своей временной шкалы излучают сигналы синхронизирующих меток времени. На синхронизируемом объекте принимают сигналы синхронизирующих меток времени и определяют интервал времени  между метками времени собственной шкалы времени и моментами времени приема от эталонной станции сигналов синхронизирующих меток времени. Затем на синхронизируемом объекте излучают сигналы запроса, в качестве которых используют переизлучаемые сигналы принятых синхронизирующих меток времени. Сигналы запроса, т.е. переизлученные синхронизируемым объектом сигналы синхронизирующих меток времени, принимают на эталонной станции и переизлучают их. На синхронизируемом объекте принимают переизлученные сигналы запроса, т. е. дважды переизлученные сигналы синхронизирующих меток времени, и измеряют интервалы времени  между излучениями сигналов запроса и их обратным приемом, которые представляют собой удвоенные интервалы времени распространения сигналов синхронизирующих меток времени. По результатам измерений  и  вычисляют поправку для коррекции шкалы времени синхронизируемого объекта:  По результатам вычислений поправки производят коррекцию шкалы времени синхронизируемого объекта.
Недостатком данного способа является необходимость повторного переизлучения сигналов синхронизирующих меток времени, что снижает пропускную способность общего канала радиосвязи.
Применение сигналов с кодовым разделением [3] позволяет одновременно реализовать выравнивание шкал и передачу информации в общем канале радиосвязи. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ синхронизации шкал времени [4], обеспечивающий синхронизацию нескольких объектов без выделения каждому объекту соответствующего временного окна, с адресными сигналами, который работает следующим образом:
- формируют на эталонной станции и синхронизируемом объекте собственные временные шкалы в соответствии с сигналами местных опорных генераторов;
- на эталонной станции излучают в соответствии со своей временной шкалой сигналы синхронизирующих меток времени, на синхронизируемом объекте принимают сигналы синхронизирующих меток времени и измеряют интервалы времени  между метками времени собственной шкалы времени синхронизируемого объекта и моментами времени приема от эталонной станции сигналов синхронизирующих меток времени;
- формируют на синхронизируемом объекте сигналы запроса в виде радиосигналов с характерной для данного синхронизируемого объекта кодовой модуляцией частоты, и/или фазы, и/или времени формирования и излучают их в промежутках времени между принимаемыми сигналами синхронизирующих меток времени;
- принимают сигналы запроса на эталонной станции и переизлучают их с задержкой на время , априорно известной на синхронизируемом объекте;
- на синхронизируемом объекте выполняют корреляционное измерение интервалов времени  между излучениями сигналов запроса и обратным приемом переизлученных сигналов запроса;
- коррекцию временной шкалы синхронизируемого объекта производят по результатам измерений интервалов времени  и  в соответствии с формулой .
Существенным недостатком способа является необходимость постоянного излучения эталонных синхронизирующих меток времени и постоянного излучения запросов от синхронизируемых объектов в промежутках времени между синхронизирующими метками времени, что в совокупности является детерминированным признаком, демаскирующим работу сети радиосвязи. Кроме того, сигналы запросов синхронизируемых объектов и синхронизирующих меток времени, передаваемые в общей полосе частот, выступают в качестве дополнительных взаимных помех для полезной информации синхронизируемых объектов и снижают пропускную способность сети радиосвязи.
Целью настоящего изобретения является повышение пропускной способности общего канала радиосвязи для передачи полезной информации между синхронизируемыми объектами и снижение демаскирующих признаков канала связи в процессе синхронизации шкал времени синхронизируемого объекта и эталонной станции.
Технический результат достигается тем, что способ синхронизации временных шкал в сети радиосвязи, осуществляемый эталонной станцией и синхронизируемыми объектами, формирующими собственные временные шкалы в соответствии с сигналами местных опорных генераторов, где синхронизируемый объект формирует и излучает сигналы запроса в виде радиосигналов с характерной для данного синхронизируемого объекта кодовой модуляцией частоты, и/или фазы, и/или времени формирования, на эталонной станции принятые сигналы запроса переизлучают с задержкой , априорно известной на синхронизируемом объекте, и излучают синхронизирующие метки времени эталонной станции, на синхронизируемом объекте выполняют корреляционное измерение интервала времени  между излучением сигнала запроса и обратным приемом переизлученного эталонной станцией сигнала запроса, и интервала времени  между метками времени собственной шкалы синхронизируемого объекта и моментом приема от эталонной станции синхронизирующей метки времени, а коррекцию шкалы синхронизируемого объекта производят по результатам измерений интервалов  и  в соответствии с формулой , при этом эталонная станция излучает синхронизирующие метки времени эталонной станции не в вещательном режиме, а по запросу на выравнивание шкал от синхронизируемого объекта, совместно с обратной ретрансляцией принятого сигнала запроса синхронизируемого объекта, а синхронизируемый объект формирует одиночные сигналы запроса на выравнивание шкал при первоначальном включении и перед каждым сеансом связи по инициативе синхронизируемого объекта, что обеспечивает повышение пропускной способности общего канала связи для передачи полезной информации в  раз, где L – отношение длительности сеанса связи к длительности сигнала запроса, и снижение демаскирующих признаков канала связи в процессе синхронизации шкал времени синхронизируемого объекта и эталонной станции.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 показаны структурные схемы синхронизации шкал времени синхронизируемого объекта и эталонной станции, на фиг. 2 приведены временные диаграммы.
к
к
к
К
Способ синхронизации шкал времени в сети радиосвязи осуществляется между  синхронизируемыми объектами 1.1, 1.2, …, 1., где =1, 2, …, , и эталонной станцией 2.
к
-й синхронизируемый объект содержит:
3 блок расчета времени ;
4 формирователь кодовой идентификационной последовательности объекта;
5 устройство сдвига;
6 блок расчета времени ;
7 блок расчета времени ;
8 генератор опорной частоты;
9 формирователь кодовой идентификационной последовательности эталонной станции;
10 устройство сдвига;
11 демодулятор;
12 модулятор;
13 формирователь временного цикла;
14 приемо-передающее устройство с антенной,
которые имеют следующие соединения между собой.
Выход генератор опорной частоты 8 соединен с входом формирователя кодовой идентификационной последовательности объекта 4, с входом формирователя кодовой идентификационной последовательности эталонной станции 9 и с входом формирователя цикла 13, выход которого соединен со вторым входом приемо-передающего устройства 14 и третьим входом блока расчета  3. Выход формирователя кодовой идентификационной последовательности объекта 4 соединен с первым входом устройства сдвига 5, выход которого соединен с первым входом блока расчета  6 и с входом модулятора 12, выход которого соединен с первый вход приемо-передающего устройства 14, выход которого соединен с входом демодулятор 11, выход которого соединен со вторым ходом блок расчета  6 и со вторым входом блок расчета блок расчета  7. Выход блока расчета  6 соединен с первым входом блока расчета  3. Выход блока расчета  7 соединен со вторым входом блока расчета  3, выход которого соединён со вторым входом устройства сдвига 5, с первым входом устройства сдвига 10, и является информационным выходом значения поправки шкалы. Выход формирователя кодовой идентификационной последовательности эталонной станции 9 соединен со вторым входом устройства сдвига 10, выход которого соединен с первым входом блока расчета  7. Приемо-передающее устройство 14 имеет антенный выход.
В состав эталонной станции 2 входят:
15  генератор опорной частоты;
16 первый буфер;
17 демодулятор;
18 приемо-передающее устройство;
19 формирователь кодовой идентификационной последовательности эталонной станции;
20 формирователь кодовой идентификационной последовательности объекта синхронизации;
21 формирователь цикла;
22 сумматор;
23 второй буфер;
24 третий буфер;
25 коррелятор;
26 первый коммутатор;
27 первый модулятор;
28 второй коммутатор;
29 второй модулятор,
которые имеют следующие соединения между собой.
Выход опорного генератора 15 соединен с входом формирователя кодовой идентификационной последовательности эталонной станции 19, с входом формирователя кодовой идентификационной последовательности объекта синхронизации 20 и с первым входом первого буфера 16, выход которого соединен со вторым входом коррелятора 25, с первым входом первого коммутатора 26выход которого соединен с первого модулятора 27, выход которого соединен с первым входом сумматора 22, выход которого соединен со вторым входом приемо-передающего устройства 18, выход которого соединен с входом демодулятора 17, выход которого соединен со вторым входом первого буфера 16. Выход формирователя кодовой идентификационной последовательности эталонной станции 19 соединен с входом второго буфера 23,выход которого соединен со вторым входом второго коммутатора 28, выход которого соединен с входом второго модулятора 29, выход которого соединен со вторым входом сумматора 22. Выход формирователя кодовой идентификационной последовательности объекта синхронизации 20 соединен с входом третьего буфера 24, выход которого соединен с первым входом коррелятора 25, выход которого соединен со вторым входом первого коммутатора 26, с первым входом второго коммутатора 28, и с входом формирователя цикла 21, выход которого соединен с входом приемо-передающего устройства 18, имеющего антенный выход.
к
Способ синхронизации шкал времени в сети радиосвязи осуществляется в первоначально после включения аппаратуры связи и перед каждым сеансом, при этом эталонная станция 2 находится в рабочем режиме и готова к приему сигнала. В момент формирования сети радиосвязи синхронизируемые объекты 1.1, 1.2, …, 1., после включения, излучают первичный запрос в виде адресной кодовой последовательности и ожидают ответ от эталонной станции 2.
i
T=τ
*N
N
τ
о
о
Рассмотрим работу системы на примере выравнивания  секундных меток времени с периодом , образующихся в результате свертки псевдослучайной последовательности (ПСП) из элементов с длительностью одного элемента ПСП - .
τ
N*τ
N=2
-1
n
t
N*τ
N
t
t
N* τ
о
а
э
о
изл
о
прием
ррвмакс
о
n
На к-ом синхронизируемом объекте формируется запрос в виде адресной кодовой последовательности и ожидается ответ от эталонной станции 2, при этом на синхронизируемом объекте опорный генератор 8 вырабатывает тактовые импульсы с периодом , по которым запускаются в работу формирователи псевдослучайных последовательностей ПСП и ПСП в блоках 4 и 9. Каждая последовательность имеет равную длительность - , из  символов, где - степень порождающего полинома М-последовательности [3]. Этими же импульсами в блоке 13 формируется интервал длительностью =, разрешающий работу передатчика в устройстве 14, а также запрещающий прием сигналов и работу блока расчета 3. Последний не вырабатывает поправок шкалы  и устройство сдвига 5 транслирует сформированную идентификационную последовательность объекта синхронизации от блока 4 на вход модулятора 12 в шкале местного времени без сдвига. Таким образом, сигнал запроса поступает в передатчик устройства 14, где переносится на рабочую частоту, усиливается и излучается антенной. По истечении  тактов излучения в формирователе 13 вырабатывается пауза, запирающая передатчик и разрешающая прием сигнала устройством 14 от эталонной станции. Длительность интервала приема  определяется удвоенной длительностью распространения сигнала по сети для максимальной дистанции - , длительностью запроса - , а также известной задержкой на прием  в эталонной станции:
t
t
+N*τ
+
прием
ррвмакс
о
=2*.
а
э
а
а
o
о
э
э
N
N
U
N*τ
На эталонной станции приемо-передатчик 18 находиться в режиме приема до момента обнаружения сигнала запроса от к-го синхронизируемого объекта. При этом отсчеты на выходе демодулятора 20 образуются после поступления сигнала в фазовый центр приемной антенны спустя время , необходимое для прохождения тракта приема и демодуляции. Принятые комплексные отсчеты записываются по тактам от генератора опорной частоты 15 в буфер большой емкости 16. Одновременно в формирователе кодовой идентификационной последовательности эталонной станции 19 и в формирователе кодовой идентификационной последовательности объекта синхронизации 20 формируются кодовые М последовательности ПСП и ПСП,  отсчетов которых запоминаются во втором буфере 23 и в третьем буфере 24 соответственно. По выборкам из  символов принятого сигнала от первого буфера 16 и опоры ПСП от третьего буфера 24 выполняется корреляционная обработка в корреляторе 25. При отсутствии отклика производиться считывание следующих данных из первого буфера 16, второго буфера 23, третьего буфера 24 и корреляционная обработка повторяется. В случае наличия в очередной выборке сигнала запроса на выходе коррелятора 25 образуется отклик, пропорциональный длительности фрагмента принятой ПСП. Если уровень последнего превышает шумовой порог , то разрешается работа формирователя цикла 15, на выходе которого образуется видеоимпульс запрещающий радиоприем и разрешающий работу передатчика в течение времени , необходимого для передачи аддитивного ответа эталонной станции 2. При этом выходной сигнал коррелятора 25 разрешает передать отсчеты сигналов запросов и псевдослучайной последовательности ПСП из первого буфера 16 и из второго буфера 23, которые проходят из первого буфера 16 проходят через первый коммутатор 26, первый модулятор 27 приходит в сумматор 22, а из второго буфера 23 проходят через второй коммутатор 28 второй модулятор 29 приходит в сумматор 22. Таким образом, на входы сумматора 22 поступают модулированные отсчеты содержащие сигнал запроса от синхронизируемого объекта и эталонной последовательности ПСП, которые суммируются и передаются в приемо-передающее устройство 18, где выполняется перенос на рабочую частоту и усиление аддитивного сигнала с кодовым уплотнением, который передается антенный выход и далее в эфир.
а
э
n
При приеме на к-м объекте синхронизации ответа от эталонной станции 2, аддитивная смесь в виде ретранслированной последовательности к-го синхронизируемого объекта и эталонной станции 2 переноситься на промежуточную частоту и поступает на демодулятор 11, а затем в блок расчета времени  6 и блок расчета времени  7, где производиться оценка максимумов корреляционных функции и их сдвигов  и относительно опорных последовательностей ПСП и ПСП, поступающих от формирователя кодовой идентификационной последовательности объекта 4 и от формирователя кодовой идентификационной последовательности эталонной станции 9 через устройство сдвига 5 и устройство сдвига 10. Измеренные значения  и  подаются в блок расчета времени  3, где по разрешающему сигналу от формирователя цикла 13 производиться расчет поправки шкалы к-го синхронизируемого объекта в соответствии с выражением:  Однозначность решения обеспечивается при выполнении условия  и достигается выбором порядка полинома .
а
э
Полученный результат поступает на устройство сдвига 5 и устройство 10 где ПСП и ПСПциклически сдвигаются «влево» или «вправо» в зависимости от знака и значения , чем достигается совмещение шкал к-го синхронизируемого объекта и эталонной станции 2. При отсутствии результатов расчета  производиться повторное формирование запроса на к-м синхронизируемом объекте.
к-
После совмещения шкал го синхронизируемого объекта и эталонной станции 2, эталонная станция 2 переходит в режим приема.
В последующем, каждый синхронизируемый объект перед началом передачи информации другому абоненту сети, повторяет формирование запроса в виде адресной кодовой последовательности и ожидает ответ от эталонной станции 2 по вышеизложенной схеме.
На временных диаграммах фиг. 2. поясняется принцип синхронизации шкалы времени при .
На диаграмме приведены:
а
а) график ПСПдо коррекциинавыходе устройства сдвига 5 синхронизируемой станции;
а
э
к-
б) график переизлученной ПСП без ПСП на выходе демодулятора 11 й синхронизируемой станции;
э
в) график ПСП на входе модулятора 29 эталонной станции 2;
э,
а
к
г) график ПСПбез ПСП на выходе демодулятора 11 -той синхронизируемой станции;
а
к
д) график ПСП на выходе устройства сдвига 5 после коррекции шкалы -го синхронизируемого объекта;
э
е) график ПСП на выходе устройства сдвига 10 после коррекции шкалы к-го синхронизируемого объекта.
n
N
Предлагаемое техническое решение практически применимо, поскольку в реализации могут быть использованы типовые радиоэлектронные узлы и устройства. В качестве опорных генераторов 8, 15 возможно применение термостатированных кварцевых генераторов как указано в [5], формирователи кодовой идентификационной последовательности 4, 9, 19, 20 представляют собой генераторы М-последовательностей и выполнены на основе регистров сдвига длины [6], формирователи временного цикла 13 и 21 представляют собой одновибраторы заданной длительности, буферные устройства 16, 23, 24 являются запоминающими устройствами с разрядностью блоков данных -  и дисциплиной обслуживания первый блок пришел первый ушел, устройства сдвига 5, 10 построены на основе управляемых циклических регистров, где направление и величина сдвига определяется значением и знаком управляющего сигнала. Модуляторы 12, 27, 29 представляют собой двоично-фазовые модуляторы, как приведено в [5], демодуляторы 11 и 17 выполняют детектирование бинарных фазоманипулированных сигналов и построены в соответствии со стандартными схемными решениями [5]. Коррелятор 25 может быть реализован как согласованный фильтр с фиксированными коэффициентами, соответствующими опорной ПСП и пороговым устройством как приведено в [6], коммутаторы 26, 28 разрешают (запрещают) прохождение отсчетов и выполнены на логических элементах умножения, сумматор 22 выполняет аддитивное сложение и может быть выполнен на операционном усилите по схеме суммирования. Приемо-передающие устройства 14, 29 решают задачу по селективному приему фазокодоманипулированных сигналов с переносом на промежуточную частоту в режиме радиоприема, а по управляющему сигналу через электронный ключ, управляемый напряжением, преобразование на рабочую частоту и усиление радиосигналов с последующим излучением в эфир в режиме радиопередачи. Блоки расчета времени  - 6 и  - 7 представляет собой корреляторы, реализованные на согласованных фильтрах с перезаписываемыми коэффициентами. Блок расчета времени  - 3, представляет собой цифровое вычислительное устройство на базе микропроцессора c записанной программой расчета значения коррекции шкалы [7].
F
К
R
L*N*τ
– N*τ
о
о
Оценка пропускной способности канала радиосвязи с кодовым уплотнением в полосе частот , используемым для обеспечения выравнивания шкал и передачи информации, применительно к сети из  абонентских (синхронизируемых объектов) и эталонных станций 2, каждая из которых инициирует трафик с равной информационной скоростью –  на фиксированном интервале сеанса связи длительностью  при одинаковой длительности сигнала запроса и метки времени  тактов.
Как приведено в [6], пропускная способность системы с кодовым разделением определяется в соответствии с выражением:
,
где  - спектральная плотность взаимных помех от абонентов в полосе используемых частот,
- спектральная плотность шумов,
- энергия сигнала на бит информации.
L*N*τ
)/2
о
При передаче полезной информации в общей полосе частот применительно к прототипу, сигналы запросов и информации могут быть совмещены по времени, но размещаются в окнах между постоянно передаваемыми метками от эталонной станции 2. Таким образом на интервале сеанса связи половина времени (задействована под передачу меток от эталонной станции 2, а другая под передачу полезной информации и сигналов запроса, а пропускная способность может быть рассчитана как:
.
L-1)N*τ
о
В предлагаемом решении метки времени и сигналы запроса совмещены и размещаются перед информационными символами, следовательно на интервале связи полезная информация передается в течение оставшегося времени (, а пропускную способность можно оценить как:
,
что соответствует выигрышу в  раз по сравнению с известным решением.
Таким образом, обеспечивается повышение пропускной способности общего канала связи для передачи полезной информации и снижение демаскирующих признаков канала связи в процессе синхронизации шкал времени синхронизируемого объекта и эталонной станции.
Источники информации
1. Авторское свидетельство № 1464136 SU, G04C 11/02, Устройство автоматизированной сверки шкал времени / А.Г. Притычкин (SU). - № 4225402; Заявлено 03.02.1987; Опубл 07.03.1989, Бюл. 9. – 4 с : 3 ил.
2. Авторское свидетельство № 1712942 SU, G04C 11/02, H04L 7/02, способ синхронизации шкал времени /А.А. Козлов (SU). - № 4661788; Заявлено 24.01.1989; Опубл 15.02.1992, Бюл. 6. – 3 с :2 ил.
3. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М., Радио и связь, 1985.
4. Патент №2146833 RU, МПК G04G 7/02, G04C 11/02, Способ синхронизации шкал времени / П.Э. Ефремов, В.Н. Иванов, С.Н. Малюков, А.Д. Матюшенко, К.А. Матюшенко, А.П. Охинченко (РФ); Закрытое акционерное общество Фирма «Котлин» (РФ). - № 97121872; Заявлено 30.12.1987; опубл. 20.03.2000, Бюл. 8. – 11 с : 1 ил.
5. Фомин Н.Н, Буга Н.Н, Головин О.В. и др. Радиоприемные устройства под ред. Н.Н.Фомина М. Горячая линия Телеком, 2007 520 с.
6. Волков Л.Н., Немировский М.С., Шинаков Ю.С. Системы цифровой радиосвязи: базовые методы и характеристики: Учебное пособие.- М.: Эко-Трендз, 2005. – 392 с.: ил.
7. Цифровые радионавигационные устройства. В.В. Барашенков, А.Е. Лутченко, Е.М. Скороходов и др. Под ред. В.Б.Смолова. – М.: Сов. Радио, 1980.