Удосконалення метеорної системи передачі інформації

Размещено на http://www.allbest.ru/

Удосконалення метеорної системи передачі інформації

У теперішній час стає очевидним, що повсюдне застосування цифрових систем зв'язку забезпечує не тільки високу якість і швидкість передачі інформації, але й надає широку можливість для несанкціонованого доступу до неї.

Причому, навіть криптографічні засоби захисту не можуть гарантувати повну конфіденційність. Особливо важливим це стає в тих випадках, коли засоби зв'язку, що використовуються, та їхнє програмне забезпечення не є продукцією вітчизняної розробки та виробництва. Тому гостро постає питання про використання засобів зв'язку, яким, поряд з великою дальністю (до 2000 км), притаманні такі властивості, як природна скритність і просторова вибірковість. При цьому вони повністю незалежні від провідних і супутникових систем.

Виходячи зі сказаного, можна стверджувати, що наявність власних метеорних систем передачі інформації є необхідною умовою для безпеки, а інколи і територіальної цілісності держав, що мають велику територію (яка може стати об'єктом недружніх інтересів), але не мають власних супутникових систем зв'язку, зокрема, для України і для Іраку.

Метеорний радіоканал (МРК) має ряд особливостей, які роблять його використання досить складною технічною задачею. Це, у першу чергу, переривчастість, а також специфічні амплітудно-часові і не до кінця вивчені частотні характеристики. Теоретичним основам метеорного радіозв'язку з 40-х років минулого століття і дотепер присвячені роботи видатних вітчизняних (Б. Л. Кащеєв, Ю. І. Волощук, В. В. Сидоров) та закордонних учених (Е. Мак-Кінлі, Б. Ловелл, Л. Маннінг і ін).

Показано, що МРК має велику (порядку 10 МГц) смугу пропускання, що свідчить про його потенційно велику пропускну здатність. Але повний аналіз можливостей МРК, який включає розробку його математичної моделі з урахуванням всіх його особливостей і характеристик, (як це зроблено, наприклад, для каналів GSM, Wi-Fi, супутникового зв'язку та ін., що дало поштовх до їхнього бурхливого розвитку), поки що не реалізовано. Існуючі моделі МРК орієнтовані або на повністю наукові, або на вузькі практичні задачі. Ця обставина є серйозною перешкодою, яка не дозволяє обґрунтовано застосовувати цифрові способи формування й обробки сигналу в МРК, за допомогою яких і можуть бути повністю реалізовані його потенційно великі можливості. Тому, пропускна здатність метеорних систем передачі інформації залишається досить низькою.

Таким чином, є актуальною тема дисертаційних досліджень, спрямованих на підвищення пропускної здатності метеорних систем передачі інформації шляхом застосування в них цифрових методів формування й обробки сигналів, заснованих на більш повному врахуванні характеристик метеорного радіоканалу.

Дисертаційні дослідження пов'язані з виконанням д/б НДР № ДР 0111U002903 «Дослідження потенційних можливостей ефективного функціонування мережевих реконфігуруємих інформаційно-вимірювальних систем екологічного моніторингу»; а також д/б НДР (№ ДР 0112U000207) «Розвиток методів і алгоритмів дистанційного зондування атмосфери акустичними, електромагнітними та світловими хвилями». У зазначених роботах здобувач був виконавцем.

Метою дисертаційної роботи є вдосконалення метеорної системи передачі інформації, що полягає в збільшенні її пропускної здатності та зменшенні часу очікування, що досягається шляхом поглибленого аналізу характеристик каналу та застосування відповідних їм методів формування та обробки сигналів.

Для досягнення поставленої мети вирішено наступні наукові задачі.

1. Розглянуто раніше існуючі аналогові системи зв'язку і цифрові, які прийшли їм на зміну та, проаналізувавши шляхи їх розвитку, визначено шляхи розвитку та вдосконалення систем метеорного радіозв'язку.

2. Уточнено модель метеорного радіоканалу, звернувши особливу увагу на фазову стабільність, швидку зміну амплітуд, зміну смуги пропускання та виявлено «приховані резерви» для збільшення його пропускної здатності з урахуванням можливостей, які надають цифрові методи обробки сигналу.

3. Розроблено комплексну модель метеорної системи радіозв'язку, яка включає уточнену модель метеорного радіоканалу і моделі пристроїв, що здійснюють формування й обробку сигналу.

4. Сформулювало критерії якості роботи метеорної системи передачі інформації та з точки зору запропонованих критеріїв знайдено оптимальні параметри метеорної системи передачі інформації.

Об'єкт дослідження - модель метеорного радіоканалу і метеорних систем передачі інформації.

Предмет дослідження - методи формування, перетворення й обробки
сигналів у метеорному радіоканалі та у метеорній системі передачі інформації.

Методи дослідження.

При розробці й обґрунтуванні моделі метеорної системи передачі інформації використовувалися методи теорії електрозв'язку, теорії поширення радіохвиль і теорії сигналів. Для оптимізації параметрів МСПІ використовувалося імітаційне моделювання, експериментальна перевірка була заснована на моделюванні та чисельному аналізі.

Наукова новизна

1. Набула подальшого розвитку математична модель метеорного каналу зв'язку, яка відрізняється тим, що в ній враховується нерівномірність амплітуди сигналу протягом часу існування сліду і зміна смуги пропускання каналу як від сліду до сліду, так і протягом часу існування окремого сліду, що дозволило підвищити ефективність його використання.

2. Вперше сформульовано критерії для визначення якості метеорної системи передачі інформації, що дозволило чітко визначити цільову функцію при оптимізації її параметрів.

3. Запропоновано нові методи підвищення пропускної здатності, зменшення часу очікування та збільшення коефіцієнта використання метеорного радіоканалу при створенні метеорної системи передачі інформації.

4. Запропоновано нову методологію побудови повністю цифрових систем метеорного зв'язку, яка відрізняється тим, що вся система зв'язку виконується у вигляді програмно-реалізованої системи.

Практичне значення

1. Розроблено практичні рекомендації зі створення системи метеорного зв'язку як програмно-реалізованої системи, які дозволяють спростити її проектування та експлуатацію.

2. Застосування алгоритму з прийманням і запам'ятовуванням без попередньої синхронізації дозволило підвищити ефективність використання метеорного сліду, а саме, зберегти для передачі інформації до 50 мс часу його існування.

3. Сформульовано рекомендації для застосування в метеорному радіоканалі найкращих методів модуляції з точки зору максимуму пропускної здатності з точку зору мінімуму часу очікування в залежності від відношення сигнал/шум і тривалості сліду.

4. Застосування зазначених рекомендацій дозволяє підвищити пропускну здатність МРК (в середньому) на 15..20 %, а для коротких слідів (тривалістю менш ніж 100 мс) до 30 %.

5. Запропоновано новий алгоритм приймання та обробки сигналу МРК, який відрізняється тим, що прийнятий сигнал запам'ятовується в запам'ятовуючому пристрої приймача без виконання процедури синхронізації, а його обробка здійснюється вже по закінченню сеансу зв'язку.

6. Вперше синтезовано структурну схему повністю цифрової метеорної системи передачі інформації, яка дозволяє найбільш повно використовувати можливості метеорного каналу зв'язку.

Матеріали дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі на кафедрі основ радіотехніки для студентів 5 курсу спеціальності «Системи
технічного захисту інформації, автоматизація її обробки» у дисципліні «Цифрові сигнали в системах технічного захисту інформації».

Обґрунтованість і достовірність результатів

Результати роботи можна вважати обґрунтованими, оскільки вони ґрунтуються на добре перевірених принципах теорії електрозв'язку, поширеннярадіохвиль, а також на коректному використанні математичного апарата. Достовірність чисельних оцінок, отриманих у роботі, підтверджується їхнім добрим збігом з результатами, отриманими іншими дослідниками.

Особистий внесок автора

Автор дисертації особисто одержав основні наукові результати, викладені в роботі. Внесок дисертанта в статтях і доповідях, виконаних у співавторстві, полягає в наступному: у роботах [1] і [2] і тезах [7] - проаналізовані фактори, що впливають на характеристики системи в цілому, підібрана додаткова література. У статтях [3-5] виконано моделювання, отримані графіки показників якості й виконаний їхній короткий аналіз. У роботі [6] запропоновані шляхи вдосконалення методів обробки сигналів у межах використання програмно реалізованих цифрових систем. У тезах [8-10] реалізований метод роботи вказаних систем і виконано їхнє моделювання.

Апробація результатів роботи

Основні результати роботи, викладені в дисертації, доповідалися і обговорювалися на 4 міжнародних конференціях [7-10]: Міжнародній науково-технічній конференції молодих вчених і студентів «Актуальні задачі сучасних технологій» (Україна, Тернопіль, 19-20 грудня 2012 г.); Міжнародній науково-технічній конференції «Радіотехнічні поля, сигнали, апарати та системи РТПСАС» (Україна, Київ, НТУ «КПІ», 2013); Сучасні проблеми радіотехніки і телекомунікацій «РТ-2013», (Україна, Севастополь, 2013); 17-му Міжнародному молодіжному форумі «Радіоелектроніка й молодь у ХХ столітті» (Україна, Харків, 22 - 24 квітня 2013 р.)

Публікації. За темою дисертації опубліковано 10 наукових праць, у тому числі 6 статей у спеціалізованих виданнях, що входять у фаховий перелік МОН України та 4 тези доповідей на наукових конференціях.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури з 78 найменувань і 2 додатків. Обсяг дисертаційної роботи 117 стор., 36 рисунків, 7 таблиць.

Вступ містить загальну інформацію про дисертаційну роботу, її актуальність, наукову новизну, практичне значення, публікації тощо.

У першому розділі «Аналіз сучасного стану метеорних систем передачі інформації» коротко викладаються фізичні принципи метеорного поширення радіохвиль, які створюють основу для виникнення метеорного радіоканалу, наведені його основні характеристики. Так, діапазон частот МРК знаходиться в межах 30...90 МГц, дальність метеорного радіозв'язку становить до 2000 км. Однією з найважливіших характеристик переривчастого МРК є його коефіцієнт заповнення

,

метеорний радіозв'язок безпека

де - час існування каналу, - повний час роботи МСПІ. Величина залежить від багатьох факторів і може становити від 1 до 10%.

Відзначається, що сама по собі переривчастість не є серйозною перешкодою при використанні радіоканалу (більшість сучасних цифрових систем передачі, які використовують часовий розподіл, теж є переривчастими). Однак, для використання переривчастого каналу необхідні спеціальні алгоритми, які також коротко представлені в даному розділі. Ці алгоритми передбачають виявлення каналу, процедуру входження у зв'язок, підтвердження, тощо.

Розглядаються МСПІ що існують в теперішній час та такі, що існували раніше. Відзначається, що МСПІ мають цілий ряд переваг (велика дальність, хороша електромагнітна сумісність, скритність, просторова вибірковість, тощо), що робить їх незамінними для забезпечення конфіденційності даних, що передаються, а також в умовах надзвичайних ситуацій і при непрацездатності інших засобів зв'язку.

У висновку до першого розділу наводяться причини, які стримують подальший розвиток МСПІ. У першу чергу, це низька пропускна здатність, (від кількох сотень бітів/с), громіздкі антени, наявність добового ходу метеорної активності та великий (до кількох хвилин) час затримки доставки повідомлення.

На підставі представленого огляду зроблено наступні висновки.

1. Метеорний радіозв'язок має ряд істотних переваг, може застосовуватися для рішення багатьох практичних задач, а в ряді випадків МСПІ може виявитися єдиним працездатним видом зв'язку. Тому вдосконалення МСПІ є актуальною науковою задачею.

2. Не заперечуючи переваг, притаманних існуючим МСПІ, слід зазначити, що вони орієнтовані на рішення повністю наукових або вузьких практичних задач, в результаті чого не повністю використовують можливості МРК.

3. Також поки що не розглядалися критерії якості системи в цілому, які могли б стати основою для розробки оптимальної системи в умовах специфіки МРК.

У другому розділі «Теоретичний аналіз шляхів удосконалення метеорних систем передачі інформації» на підставі зробленого аналізу розглядаються «приховані резерви» для підвищення пропускної здатності й поліпшення інших характеристик МСПІ.

На початку другого розділу проаналізовано критерії якості, що застосовуються в системах зв'язку взагалі та виділено ті з них, які доцільно застосовувати для оптимізації МСПІ. Це, в першу чергу, середня пропускна здатність системи.



де - імовірність помилкового прийому елементарного сигналу.

По-друге, час доставки повідомлення - час, протягом якого повідомлення певної довжини може бути передане з заданою ймовірністю.

Для узагальненої оцінки ефективності МСПІ враховується ефективність використання її частотного діапазону , динамічного діапазону , часу існування каналу, а також його коефіцієнт заповнення, можна ввести коефіцієнт використання каналу:

,

де - середня швидкість передачі (бітів/с) за час існування метеорного сліду,

- час, використаний для передачі інформації (без урахування втрат часу на виявлення каналу, затримку в ньому, синхронізацію та передачу службових символів).

При аналізі узагальненої структури взаємодії рівнів мережевої моделі (т. зв. модель OSI) у МРК відзначається, що ряд рівнів цієї моделі (транспортний, мережевий і сеансовий) можуть бути об'єднані в один, оскільки їх функції в комп'ютерній мережі та в мережі станцій метеорного зв'язку мають деякі відмінності.

На рис. 1 представлена структура взаємодії рівнів мережевої моделі стосовно МСПІ із зазначенням функцій, що виконуються ними. Оскільки характер. Аналіз функцій фізичного рівня дозволяє стверджувати, що, якби можна було б тим чи іншим чином заздалегідь знати, яка буде електронна щільність і інші параметри метеорного сліду в момент відбиття від нього радіосигналу, що відповідає кожному інформаційному символу, то ефективність використання каналу можна було б підвищити в 4...6 разів. Тому наявність моделі МРК, яка могла б адекватно описувати, (а ще краще - прогнозувати) поведінку відбитого сигналу, буде сприяти значному підвищенню пропускної здатності МСПІ. Прикладом такої моделі може бути вираз для залежності амплітуди відбитого сигналу від часу

,

де та - параметри моделі, що характеризують сталу часу спаду його амплітудно-часової характеристики (АЧсХ), глибину та період завмирань. На рис. 2. представлені кілька типових АЧсХ, отриманих згідно (4).

Крім того, необхідно уточнити модель МРК стосовно його АЧсХ та частотних характеристик. У даний час смуга частот існуючих МСПІ обмежується смугою пропускання їх приймального та передавального трактів (як правило, вона складає десятки, рідше - сотні кілогерц). Фізично смуга каналу може бути значно ширша. Але при її використанні необхідно виходити з реальних умов роботи МСПІ (обмеження щодо випромінюваного спектру, електромагнітна сумісність з іншими РЕЗ).



Для практичного «пристосування» до каналу з характеристиками, які швидко змінюються, необхідно забезпечити швидку зміну параметрів сигналу, а значить передавального й приймального обладнання (що здійснює модуляцію, демодуляцію та змінює смугу пропускання). Розглянуто різні види модуляції, які доцільно застосовувати в МРК (ЧМ, ФМ, ВФМ, КАМ з різною кількістю сигнальних позицій).

Оскільки точне прогнозування параметрів МРК навряд чи можливе, у МСПІ слід застосовувати багатошвидкісну передачу, що дозволяє одночасно здійснювати передавання двох і більше різних частин повідомлень із різною швидкістю модуляції. Приймання в цьому випадку відбувається на найбільшій швидкості, яку дозволяє канал.

Значні втрати часу існування сліду пов'язані з необхідністю виконання процедури синхронізації приймального й передавального модемів. Витрати часу на синхронізацію для коротких слідів (тривалістю близько 100 мс) є співрозмірними з їхньою повною тривалістю. Скорочення часу синхронізації, а в ідеальному випадку відмова від синхронізації, може сприяти помітному підвищенню ефективності використання каналу.

На канальному рівні варто приділити увагу наступним питанням.

Виявлення каналу, що здійснюється за допомогою зондувальних сигналів з періодом , призводить до середніх втрат часу в на кожному сліді. Використання окремого вузькосмугового каналу для виявлення МРК може виключити ці втрати. З іншого боку, одночасне використання широкосмугового ЛЧМ-імпульсу в якості зондувального дозволить оцінити смугу частот каналу та вибрати відповідні параметри передачі.

При аналізі шляхів підвищення пропускної здатності на канальному рівні також розглянуте використання завадостійких кодів. Який би спосіб модуляції не застосовувався, робота приймача при відношенні с/ш менш ніж 10 дБ неминуче супроводжується помилками, тому в МРК традиційно застосовуються коди що виявляють і/або виправляють помилки. Розглянуто різні коди (контроль парності, Ріда-Соломона, Хеммінга, БЧХ-коди тощо), знайдені умови, при яких доцільно застосовувати ті або інші. Але при аналізі завадостійкого кодування є очевидним, що його не можна розглядати окремо від способів модуляції.

Особливість МРК, пов'язана з хвилеподібною зміною амплітуди сигналу (рис. 2), часто призводить до виникнення групових помилок. Для боротьби з цим явищем у МСПІ на канальному рівні необхідно застосовувати перемежування символів, завдяки якому групові помилки «розсіюються» та перетворюються в одиночні, що дозволяє виправляти або виявляти їх більш простими кодами. Перемежування також необхідно розглядати в комплексі з тим чи іншим кодом.

Аналіз роботи МСПІ на транспортному рівні показує, що інформацію про стан каналу доцільно передавати і на нього, оскільки, виходячи з імовірності символьної помилки й середньої тривалості сліду, необхідно вибирати тривалість інформаційного пакета. Це ще один спосіб підвищення ефективності використання МРК, який полягає в тому, що довжина пакета вибирається таким чином, щоб мінімізувати втрати, пов'язані з помилками або неотриманням (непідтвердженням) пакету, пов'язаного з закінченням сліду.

За результатами теоретичного аналізу шляхів удосконалення МСПІ можна зробити наступні висновки.

1. На підставі аналізу існуючих критеріїв якості систем передачі інформації в цілому, сформульовані критерії, які враховують специфіку МРК.

2. Запропоновано декілька методів підвищення ефективності МСПІ:

- уточнення моделі МРК у частині її частотних характеристик і АЧсХ;

- застосування способів модуляції, здатних адаптуватися до каналу;

- застосування багатошвидкісної передачі;

- скорочення витрат часу на синхронізацію;

- застосування завадостійких кодів разом з перемежуванням;

- оптимізація довжини інформаційного пакета;

- оптимізація витрат на виявлення каналу та передачу підтверджень.

3. Практична реалізація деяких з зазначених методів неможлива при збереженні аналогових способів формування й обробки сигналів.

4. Через складність і багатофакторність задачі аналізу МСПІ з метою визначення оптимальних за обраним критерієм параметрів, необхідна побудова математичної моделі цієї системи.

Третій розділ дисертаційної роботи «Розробка моделі метеорної системи передачі інформації», присвячений саме цьому питанню.

На початку розділу розглядається модель МСПІ вцілому. На рис. 3 представлена структура моделі, її складові частини та взаємодія між ними (за аналогією з моделлю OSI). Як видно з рисунка, в моделі мають бути розглянуті як фізичні характеристики метеорів (АЧХ каналу, АЧсХ слідів, їх чисельність), так і технічні пристрої, що реалізують обмін даними, а також сам протокол обміну.

Далі в підрозділах розглядаються складові частини зазначеної моделі. Модель МРК є найбільш складною, оскільки більша частина параметрів метеорного радіоканалу є випадковими величинами. Основна увага в роботі приділяється тим аспектам моделі МРК, які недостатньо розглянуті в роботах інших авторів. Зокрема, питання смуги пропускання МРК (інакше кажучи, нерівномірність його АЧХ). Аналіз формул, які визначають потужність сигналу, відбитого від насиченого та ненасиченого слідів, дозволив накреслити криві (рис. 4), які відображають розкид можливої нерівномірності АЧХ сліду після закінчення його формування. Якщо ж враховувати процес формування сліду, коли на ньому тільки формуються зони Френеля (різні для різних частот), то нерівномірність АЧХ збільшується ще більше. АЧсХ,
представлена на рис. 2, доповнена залежністю від частоти. Розрахунок виконується відповідно співвідношення (4), але з урахуванням того, що має місце залежність довжини зони Френеля від частоти

,

де R - відстань до сліду. Як показали розрахунки, даною залежністю не можна зневажати, якщо смуга частот МРК, що використовується, становить більше 10 % від значення несучої (середньої) частоти.

Метеорні сліди бувають різних типів, тривалості та форми АЧсХ. Імовірнісна модель виникнення слідів того чи іншого типу, яка використовується в роботі, графічно представлена на рис. 5.

Модель чисельності метеорних слідів може бути задана як функція від потужності передавача, робочої частоти, довжини траси, КНД антен, пори року, часу доби та орієнтації траси щодо сторін світу. Оскільки спеціальних досліджень у цьому напрямку в даній роботі не проводилося, то за основу для моделі були взяті дані інших авторів, оброблені й представлені в зручному для використання вигляді. У табл. 1 наведений приклад оцінки чисельності метеорних слідів для трас різної довжини в різний час доби.

Окрема увага приділяється метеорним слідам з довгим (3...10 с) часом існування. Вони зустрічаються дуже рідко, їхня частка в загальній кількості слідів становить менш 0,5 %, але їхній внесок в сумарний коефіцієнт заповнення може бути досить великий, до 5...10 %. Такі сліди не дуже «піддаються» будь-якій класифікації, кожний з них можна вважати унікальним. Складність використання таких слідів пов'язана з тим, що для них просто може не бути достатнього обсягу інформації, що призведе, фактично, до зниження коефіцієнту використання каналу. Ця задача має вирішуватися на прикладному рівні.

Моделювання, проведене в розділі, дозволяє стверджувати, що із всіх розглянутих видів модуляції в МРК доцільно застосовувати МЧМ і ВФМ із числом сигнальних позицій не більше 16, а також КАМ навіть із більшою кількістю сигнальних позицій, але за умови, що не використовуються ті з них, які відповідають малим значенням амплітуди. Двохшвидкісну передачу можна організувати, використовуючи або ВФМ, або КАМ з нерівномірними кодовими відстанями. Така КАМ, наприклад, описується рівнянням

де - відношення амплітуд основного і додаткового несучих коливань,

та - квадратурні складові основного і додаткового інформаційних сигналів.

Сигнальна діаграма такої КАМ представлена на рис. 6, а її часова діаграма та спектр практично не відрізняються від часової діаграми та спектра звичайної КАМ. Залежно від співвідношення обраних амплітуд основного і додаткового несучих коливань мінімальна кодова відстань для основного й додаткового сигналів складе відповідно

Використання даного виду модуляції дозволить обирати швидкість, з якою здійснюється передача, виходячи з характеристик каналу, але не на передавальній, а на приймальній стороні МРК.

Модель процедур кодування та декодування являє собою набір рівнянь, що їх описують.

Часові діаграми, які описують протокол обміну даними, що моделюється, представлено на рис. 7. Рис. 7,а ілюструє етап пошуку каналу, мал. 7,б - структуру пакета даних, рис. 7,в - структуру інформаційного блоку. В моделі, реалізованої програмно, можна змінювати тривалості зазначених елементів протоколу, способи кодування, перемежування тощо.

Рис 7. Часові діаграми, які характеризують протокол передачі по МРК

За підсумками третього розділу можна зробити наступні висновки.

1. Розроблено нову модель МРК, що враховує нерівномірність його частотних характеристик, а також їх зміну в процесі формування сліду.

2. Відповідно до існуючої класифікації метеорних слідів і залежностей, які характеризують метеорну активність, запропонована спрощена методика визначення чисельності метеорних слідів для різних трас і часу доби.

3. Вказано способи модуляції, які доцільно застосовувати в МРК, а також запропоновано новий спосіб модуляції, що дозволяє вибирати її швидкість не на передавальній, а на приймальній стороні каналу.

4. Розроблено модель, яка імітує протокол передачі по МРК, що дозволяє змінювати його параметри з метою їх оптимізації.

У роботі не ставилася задача розробити «ідеальну» МСПІ для всіх ситуацій. Така задача має вирішуватися виходячи з конкретного призначення системи, що розробляється. Тому в першій частині четвертого розділу «Результати моделювання МСПІ та рекомендації з їх практичного використання» на прикладах показані можливості моделі й окремі результати моделювання.

Оскільки задача вдосконалення МСПІ є багатофакторною, то найчастіше в одній і тій же ситуації (наприклад, при погіршенні співвідношення с/ш наприкінці сліду) запобігти зростанню помилок можна по-різному: зменшивши швидкість модуляції, або застосувавши більш надлишкове кодування, або ж зменшивши довжину інформаційного блоку щоб знизити ймовірність необхідності його повторення. Використовуючи розглянуту вище модель, для кожного з варіантів конфігурації системи було задано СКВ шуму з розрахунку отримання співвідношення сигнал/шум в межах від 0 до 20 з кроком 0,1, вважаючи що рівень сигналу дорівнює 1. Для кожного співвідношення рівня сигналу й завади одне й те саме інформаційне повідомлення оброблялося за допомогою моделі системи, утворюючи вихідне інформаційне повідомлення. Для одержання статистично вірогідних результатів, значення параметрів якості визначалися як середні при повторенні процедури 100 разів.

Проведене в роботі моделювання різних ситуацій дозволяє вибрати найкраще поєднання названих параметрів. Як приклад, на рис. 8 показана залежність імовірності бітової помилки для різних видів модуляції і способів кодування при с/ш = 5. Отримані в ході моделювання результати добре збігаються з даними інших дослідників, що може служити ознакою адекватності моделі.

Рисунок 8. Імовірність бітової помилки при с/ш = 5

метеорний радіозв'язок безпека

Далі в четвертому розділі розглянуто моделі різних пристроїв, застосування яких буде сприяти підвищенню пропускної здатності або скороченню часу очікування.

Розглянуто схему (рис. 9), яка дозволяє здійснювати обробку сигналу без синхронізації. Принцип її роботи є подібним до принципу синхронізації в системах зв'язку з шумоподібним сигналом, але в якості опорного сигналу тут використовується не модулююча послідовність, а псевдовипадковий сигнал. При цьому дані для обробки надходять не безпосередньо від приймача, а із запам'ятовуючого пристрою (ЗП), де попередньо записуються, що дозволяє повторювати процедуру пошуку точного значення фази синхросигналу необхідну кількість разів. Запис у ЗП здійснюється з значно більш високою частотою дискретизації, ніж частота модуляції. Сучасні ЗП мають достатню ємність і швидкодію для цього.



Як показав розрахунок, застосування даного методу обробки дозволяє заощаджувати до 15...50 мс часу кожного метеорного сліду, що еквівалентне збільшенню пропускної здатності на 10...30 %.

Розглянуто схему еквалайзера, який може бути використаний для зменшення впливу швидкої зміни АЧХ каналу в процесі формування сліду, а також для компенсації ефектів, пов'язаних з багатопроменевістю. Але, як показав розрахунок, час на навчання такого еквалайзера виявляється порівнюваним з часом існування сліду, тому еквалайзер теж доцільно застосовувати для обробки даних, що вже перебувають у ЗП.

Застосування ЗП на етапі синхронізації й обробки даних змушує внести зміни до протоколу обміну інформацією, передбачивши передачу підтвердження про успішний прийом не на поточному, а на наступному метеорному сліді.

За допомогою моделі розглянута можливість прогнозування поведінки МРК на підставі його поведінки протягом перших десятків мілісекунд існування сліду. Фактично за перші 50...100 мс часу існування сліду приймається рішення про те, до якого типу (рис. 5) він належить. В залежності від прийнятого рішення вибирається швидкість модуляції, надлишковість тощо. Це дозволяє збільшити середню пропускну здатність ще на 15...30%.

Оскільки більшість розглянутих у роботі методів може бути реалізовано тільки за умови, що формування й обробка сигналу в МСПІ здійснюється в цифровій формі, у заключній частині четвертого розділу запропонована структурна схема метеорної цифрової системи передачі інформації (МЦСПІ), яка показана на рис. 10. (Для спрощення рисунка на ньому не показані зворотні зв'язки, завдяки яким відбувається підстроювання параметрів системи до змінних характеристик каналу.) Вся МЦПСІ (за винятком підсилювача потужності в передавачі і високочастотної частини приймача) може бути виконана як програмно-реалізована система, наприклад, на програмованій логічній схемі (ПЛІС).

По четвертому розділу можна зробити наступні висновки.

1. Розроблена модель дає адекватні оцінки характеристик МСПІ в широкому діапазоні змінюваних параметрів і може бути використана для вибору цих параметрів виходячи з конкретних вимог до системи.

2. Запропонований спосіб синхронізації приймальної частини МСПІ дозволяє отримати збільшення її пропускної здатності на 10...30 %.

3. Прогнозування характеристик сліду на підставі наявних даних про його поточний стан дозволяє збільшити середню пропускну здатність МСПІ ще на 15...30 %.

4. Запропоновано структурну схему повністю цифрової МСПІ, що дозволяє реалізувати всі її функції, в тому числі й вдосконалення, розглянуті вище, у вигляді програмно-реалізованої системи.



Рис. 10. Структурна схема метеорної цифрової системи передачі інформації

Висновки

У дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-практична задача
підвищення пропускної здатності метеорних систем передачі інформації шляхом більш повного врахування характеристик метеорного каналу з використанням цифрових методів формування й обробки сигналів.

В ході вирішення вказаної задачі отримані наступні наукові результати.

1. Сформульовані найбільш суттєві критерії якості МСПІ: середня пропускна здатність, час очікування доставки повідомлення і коефіцієнт використання каналу. Вони враховують специфіку цих систем зв'язку і можуть служити орієнтирами для їхньої оптимізації.

2. Розроблено нову модель МСПІ, в якій виділені фізичний, канальний і сеансово-транспортно-мережевий рівні. Проаналізовано функції рівнів виходячи з алгоритму роботи МСПІ та запропоновано методи підвищення ефективності МСПІ на кожному з них:

- способи модуляції, здатні адаптуватися до каналу;

- багатошвидкісна передача;

- завадостійке кодування разом з перемежуванням;

- оптимізація довжини інформаційного пакету;

- оптимізація витрат часу на виявлення каналу і передачу підтверджень.

3. Уточнено модель метеорного радіоканалу в частині нерівномірності його амплітудно-частотних і складних амплітудно-часових характеристик метеорних слідів.

4. Вказано способи модуляції, які доцільно застосовувати в МРК (МЧМ, КАМ, ВФМ), а також запропонований новий спосіб модуляції, що дозволяє вибирати її швидкість не на передавальній, а на приймальній стороні каналу.

5. Запропоновано способи суттєвого (10...30%) підвищення пропускної здатності МСПІ шляхом відмови від синхросигналу на початку кожного пакету і прогнозування характеристик сліду.

6. Запропоновано структурну схему повністю цифрової МСПІ, яка дозволяє реалізувати всі її функції у вигляді програмно-реалізованої системи.

Темою подальших досліджень у напрямку вдосконалювання МСПІ може бути застосування в них шумоподібних сигналів, а також розробка на базі МСПІ багатофункціональних систем, які забезпечують не тільки обмін інформацією, але і її криптографічний захист з використанням випадкових властивостей МРК і синхронізацію територіально рознесених еталонів часу і частоти. Не виключена можливість розробки широкомовних метеорних систем (без зворотного зв'язку) .

Література

1. Юсиф Хардан Сулейман. Метеорная система передачи информации: пути к модернизации /Юсиф Хардан Сулейман, А.В.Воргуль,//Радиотехника: Всеукр. межвед. научн.-техн. сб.-2011.- Вып. 167.- С. 21 - 25.

2. Юсиф Хардан Сулейман. Критерии оценки качества метеорной системы передачи информации / Юсиф Хардан Сулейман, А.В. Воргуль // Радиотехника: Всеукр. межвед. научн.-техн. сб.2012. Вып. 169.- С. 22 - 26.

3. Юсиф Хардан Сулейман. Исследование цифровых методов модуляции для метеорных систем передачи информации / Юсиф Хардан Сулейман, А.В. Воргуль // Восточно-Европейский журнал передовых технологий,-2013. 2/9 (62).- С. 24 - 28.

4. Юсиф Хардан Сулейман. Адаптация цифровой системы передачи информации к метеорном канала / Юсиф Хардан Сулейман, А.В.Воргуль // Вестник НТУ «ХПИ».- 2013. - № 1 (977).- С. 42 - 45.

5. Юсиф Хардан Сулейман. Исследование методов помехоустойчивого кодирования для метеорных систем передачи информации / Юсиф Хардан Сулейман, А.В. Воргуль // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2013. № 3/9 (63).- С. 23 - 26.

6. Юсиф Хардан Сулейман. Цифровая метеорная система передачи информации. Идентификация параметров модели / Юсиф Хардан Сулейман, А.В. Воргуль // Радиотехника: Всеукр. межвед. научн.-техн. сб.-2013.- Вып.- С. 23-27.

Размещено на Allbest.ru

...