CC BY
12ПЕРЕДАЧА, ПРИЕМ И ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ
УДК 621.396.93
Децентрализованное использование частотного ресурса декаметрового диапазона волн в сложной помеховой обстановке
Солозобов С.А., Шевченко ВВ., Щукин АН.
Аннотация. Цель статьи показать, что даже в условиях сложной помеховой обстановки, в пригодном для радиосвязи диапазоне частот, от наименьшей до максимально применимой частот, можно найти частоту, на которой условия распространения радиоволн и помеховая обстановка обеспечат требуемое качество связи. Проведено моделирование нормально-распределенных случайных процессов, характеризующих закон изменения уровней сигнала и помех, действующих в каналах радиосвязи декаметрового диапазона волн. Определена вероятность связи с требуемой достоверностью на моделируемых частотах для сигнала частотной телеграфии с различными частотными сдвигами. В качестве критерия пригодности частоты для радиосвязи выбрана вероятность связи с требуемой достоверностью превышающая на ней значение 0,9. Представлены результаты имитационного моделирования процесса определения вероятности связи с требуемой достоверностью как случайной величины, обусловленной случайным характером изменения сигнала и помех в декаметровом диапазоне волн с целью определения количества пригодных для связи частот. Определена вероятность того, что эти частоты будут заняты другими корреспондентами при различной загрузке частотного диапазона. Представлен алгоритм установления связи между корреспондентами, использующими для связи SDR-радиоприемники, в условиях сложной помеховой обстановки. Результаты работы могут быть реализованы при создании адаптивных радиолиний, основу которых будут составлять SDR-радиоприемники, быстро перестраиваемые радиопередатчики декаметрового диапазона волн и аппаратура управления, имеющая информацию о структуре сигнала и помех, на предполагаемых для использования частотах.
Ключевые слова: декаметровый диапазон; условия распространения радиоволн; помеховая обстановка; вероятность связи с требуемой достоверностью; SDR-радиоприемник; алгоритм установления связи.
Введение
Для обеспечения радиосвязи в декаметровом (ДКМ) диапазоне волн частоты связи распределяются централизованно и закрепляются за отдельными направлениями связи на определенный период времени. Связь на этих частотах осуществляется эпизодически и большую часть времени они не используются. Другие же корреспонденты использовать эти частоты для связи не могут. Однако по условиям распространения радиоволн и помеховой обстановке эти частоты могут быть использованы для радиосвязи на других направлениях связи. Это приводит к тому, что выделенный частотный ресурс используется неэффективно.
Сложная помеховая обстановка может возникнуть и при постановке противником преднамеренных помех на закрепленных для направления связи рабочих и запасных частотах в угрожаемый период. Такое положение может привести к потере управления объектами.
Текущая неравномерность загрузки ДКМ диапазона волн, которая подтверждается результатами имитационного моделирования, позволяет с большой вероятностью выбрать полосу частот, соизмеримую с шириной спектра сигнала, в пределах которой имеется низкий уровень помех и приемлемый для качественного приема уровень сигнала.
Современные радиоприемные устройства, построенные по SDR технологии [1], обеспечивают быструю перестройку по диапазону частот и позволяют обработать не только тот радиосигнал, который принимается на рабочей частоте, но и радиосигналы, которые присутствуют в определенном участке диапазона волн. Это позволяет использовать SDR-
радиоприемники для приема сигнала вызова и измерения уровней помех, в полосе частот которой обеспечивается линейность его динамических характеристик.
Данные факторы указывают на то, что имея возможность выбора частот, в неравномерно загруженном декаметровом диапазоне, Ж^-радиоприемник обеспечит быстрое сканирование диапазона частот и выбор в нем пригодной по помеховой обстановке и условиям распространения радиоволн частоты.
1. Имитационное моделирование загрузки декаметрового диапазона волн
В качестве критерия оценки состояния загрузки декаметрового диапазона волн выбрана вероятность связи с требуемой достостоверностью.
Радиосвязи в декаметровом диапазоне волн характерны глубокие замирания сигнала и высокий уровень помех от радиопередатчиков посторонних радиостанций. При этом уровни как сигналов, так и помех на входе радиоприемника изменяются по случайному закону.
Согласно статистическим данным [2] распределение уровней сигналов и помех в декаметровом диапазоне волн подчиняется нормальному закону распределения. Сумма нормальных законов распределения также подчиняется нормальному закону распределения. В этом случае аналитическое выражение для расчета вероятности связи с требуемой достоверностью имеет вид [2]:
1 £ г
Р(рош <рош доп) = Р(2> ¿доп) = F(Q = , (1)
где: = (г - ^доп)/а2 - некоторый расчетный параметр; г = (у - х) - среднее значение превышения уровня сигнала над уровнем помех, дБ; ¿доп - допустимое превышение уровня сигнала над помехой в точке приема, дБ; о2 - среднеквадратическое отклонение превышения уровня сигнала над уровнем помех от её среднего значения, дБ.
Для оценки состояния загрузки декаметрового диапазона волн формировались два случайных процесса сигнал и помеха, изменяемые по нормальному закону.
Исходя из того, что при моделировании в качестве сигнала, используемого для передачи информации, был выбран сигнал частотной телеграфии (ЧТ), то для него [2]
¿доп = 101§((1-2рош доп)/ Рош доп),
где: рош доп - допустимая вероятность ошибки.
По формуле (1) определялась вероятность связи в каждой из полос, занимаемой сигналом ЧТ, затем строилась гистограмма и подсчитывалось количество превышений порогового значения (при моделировании Р(рош < рош доп) > 0.9) вероятности связи.
Результаты моделирования, выполненные в средеМайаЪ, показаны на рис. 1-3.
Старость передачи, бит/с V—50 Количество пригодных частот п-666
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Возмо>шое количество используемых частот
Рис. 1. Зависимость вероятности связи от возможного количества используемых частот при V = 50 бит/с
Из рис. 1 видно, что при скорости передачи 50 бит/с, количество частот, на которых вероятность связи с требуемой достоверностью превышает пороговое значение, равно 668 частотам из 5000.
Рис. 2. Зависимость вероятности связи от возможного количества используемых частот
при V = 200 бит/с
Из рис. 2 видно, что при скорости передачи 200 бит/с, количество частот, на которых вероятность связи с требуемой достоверностью превышает пороговое значение, равно 163 частотам из 1200.
Рис. 3. Зависимость вероятности связи от возможного количества используемых частот
при V = 1000 бит/с
Из рис. 3 видно, что при скорости передачи 1000 бит/с, количество частот, на которых вероятность связи с требуемой достоверностью превышает пороговое значение, равно 32 частотам из 250.
Из рис. 1 - 3 также видно, что вероятность связи с требуемой достоверностью является случайной величиной, изменяющейся в пределах от 0 (белые просветы на гистограмме) до 1, что обусловлено случайным характером изменения сигнальной и помеховой обстановки в декаметровом диапазоне волн.
Однако результаты моделирования показывают, что чем ниже скорость передачи тем больше свободы в выборе полосы частот для установления связи.
2. Определение вероятности занятия частот другими радиосредствами
Все пригодные для связи частоты могут быть использованы корреспондентами в качестве рабочих частот для заданного направления связи.
Вероятность того, что часть из этих частот может быть занята другими пользователями можно определить с использованием первой формулы Эрланга [3], которая имеет вид:
Е(А) = ■
Ап/п\
(2)
где: п - количество пригодных частот, А - степень загрузки диапазона частот от наименьшей применимой частоты (НПЧ) до максимально применимой частоты (МПЧ).
Результаты расчета вероятности занятия частот другими радиосредствами от количества пригодных частот, рассчитанные, в среде МайаЪ, по формуле (2) приведены на рис. 4-6.
Рис. 4. Зависимость вероятности занятия частот другими радиосредствами от количества пригодных частот при скорости передачи V = 50 бит/с
Из рис. 4 видно, что при низкой загрузке ДКМ диапазона волн (МПЧ-НПЧ) вероятность того, что из 668 пригодных для связи частот с вероятностью 0,5 будет занята всего 1 частота, а при высокой загрузке декаметрового диапазона - 30.
Таким образом, при высокой загрузке декаметрового диапазона с вероятностью 0,5 будет занято около 5% пригодных частот.
Из рис. 5 видно, что при низкой загрузке декаметрового диапазона (МПЧ-НПЧ) вероятность того, что из 163 пригодных для связи частот с вероятностью 0,5 будет занята также 1 частота, а при высокой загрузке декаметрового диапазона также 30.
Однако, при высокой загрузке декаметрового диапазона с вероятностью 0,5 будет занято около 20% пригодных частот.
Рис. 5. Зависимость вероятности занятия частот другими радиосредствами от количества пригодных частот при скорости передачи V = 200 бит/с
Из рис. 6 видно, что при низкой загрузке декаметрового диапазона (МПЧ-НПЧ) вероятность того, что из 32 пригодных для связи частот с вероятностью 0,5 будет занята также 1 частота, а при высокой загрузке декаметрового диапазона также 30.
Однако, при высокой загрузке декаметрового диапазона с вероятностью 0,5 будет занято около 90% пригодных частот.
Таким образом, с увеличением загрузки декаметрового диапазона, т. е. при сложной помеховой обстановке в точке приема, которая может быть создана не только передатчиками других радиостанций, но и средствами радиоэлектронного подавления, процент частот, который может быть использован для передачи информации с различными скоростями имеет большой разброс от 5% ^ 90%.
Скорость передачи, бит/с \/=1000 Количество пригодных частот п=32
Высокая загрузи са -
ДКМ диапазона
Y^ Низкая загр \ диапаз! ^зка эна
л ш
0.Э
0.8
d
<d
cl
CI со а.
CL
Ч
ё 1-
0 я
zr ОС
1-
а:
1
я со л
I-
о
о
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
о
Cl О)
ш
0.1
0.2
10
10'
Количество пригодных частот
Рис. 6. Зависимость вероятности занятия частот другими радиосредствами от количества пригодных частот при скорости передачи V = 1000 бит/с
3. Вариант формирования алгоритма установления связи
При постановке противником преднамеренных помех на закрепленных частотах может возникнуть ситуация, когда обмен информацией, в том числе и на запасных частотах, будет невозможен. В этом случае, для установления радиосвязи, с целью обмена информацией, можно осуществить поиск частот свободных от помех в диапазоне частот пригодных по условиям распространения радиоволн.
Результаты моделирования загрузки декаметрового диапазона волн и расчета вероятности занятия частот другими средствами показывают, что как при низкой, так и при высокой его загрузке имеются полосы частот с низким уровнем помех. Эти полосы могут быть использованы для радиосвязи корреспондентами, оборудование которых имеет возможность анализировать сигнально-помеховую обстановку в точке приёма и управлять процессом установления радиосвязи.
Ж^-радиоприемники обеспечивают быструю перестройку по диапазону частот и позволяют обрабатывать не только тот радиосигнал, который принимается на рабочей частоте, но и радиосигналы, которые присутствуют в определенном участке диапазона волн. Этот фактор и определяет в перспективе возможность использования его для установления радиосвязи в декаметровом диапазоне волн на любых, пригодных по условиям распространения радиоволн и помеховой обстановке в точке приема, частотах, т. е. без предварительного жесткого закрепления за ними частотного ресурса.
Для установления радиосвязи в декаметровом диапазоне волн корреспондентам необходима лишь информация о диапазоне частот, для данной протяженности трассы, в котором они могут работать по условиям распространения радиоволн. Этим диапазоном
является интервал частот между МПЧ и НПЧ, определенный в соответствии с рекомендациями МСЭ-К [4, 5].
Для установления радиосвязи между корреспондентами радиоприемные и радиопередающие устройства корреспондентов должны работать по следующему алгоритму:
- радиоприемное устройство вызываемого корреспондента перестраивается по диапазону частот от НПЧ до МПЧ с шагом, равным полосе частот в которой обеспечивается линейность динамических характеристик радиоприемника, измеряет уровень помехи в полосе частот, определяемой видом радиосигнала, сравнивает его с уровнем сигнала, полученным путем имитационного моделирования нормально распределенного случайного процесса, характеризующего закон изменения сигнала при его распространении в ионосфере с рассчитанным параметром у [6] и статистически полученным Оу [2], а также анализирует принимаемые сигналы на предмет наличия в них своего адреса. Этот процесс необходим для выбора частоты приема, пригодной как по условиям распространения радиоволн так и помеховой обстановке;
- радиоприемное устройство корреспондента, инициатора установления связи, перестраивается по диапазону частот с шагом, равным полосе частот в которой обеспечивается линейность динамических характеристик радиоприемника, измеряет уровень помехи, в полосе частот, определяемой видом радиосигнала, сравнивает его с уровнем сигнала, полученным путем имитационного моделирования нормально распределенного случайного процесса, характеризующего закон изменения сигнала при его распространении в ионосфере с рассчитанным параметром у [6] и статистически полученным Оу [2], а также анализирует принимаемые сигналы на предмет наличия в них своего адреса. Этот процесс необходим для выбора частоты приема;
- радиопередающее устройство инициатора установления связи, перестраивается на одну из частот с минимальным уровнем помех (для исключения влияния на качество связи других радиолиний) и излучает сигнал вызова с адресом вызываемого корреспондента и значением частоты на которой вызывающий корреспондент готов принять ответ на вызов, в течение времени, пока его радиоприемник не перестроится по всем полосам частот, в которых обеспечивается линейность динамических характеристик радиоприемника, и не проанализирует принимаемые сигналы в полосе частот, равным ширине спектра сигнала, который будет использоваться для передачи информации. При этом полоса частот, в которой передается вызов, исключается из сканирования радиоприемником вызывающего корреспондента;
- если в обрабатываемом сигнале присутствует адрес вызываемого корреспондента, то его радиоприемник останавливается на этой частоте, аппаратура управления перестраивает его радиопередатчик на частоту, указанную в вызове, и излучает сигнал ответа на вызов, в котором содержится адрес вызывающего корреспондента, свой адрес и частота, на которых был принят сигнал вызова, в течение времени, пока радиоприемник вызывающего корреспондента не перестроится по всем полосам частот и не проанализирует принимаемые сигналы в полосе частот, равным ширине спектра сигнала, который будет использоваться для передачи информации. При этом полоса частот, в которой передается ответ на вызов, исключается из сканирования радиоприемником вызываемого корреспондента;
- корреспондент-инициатор установления связи, приняв ответ на вызов, посылает квитанцию, подтверждая окончание процесса установления связи.
На этом процесс установления связи завершается.
Таким образом, радиоприёмные устройства корреспондентов, обрабатывая сигнал и выделяя из него информацию, выбирают частоты для ведения радиосвязи не только в условиях случайных, но и в условиях преднамеренных помех. При выборе частот учитывается распределение мощности помехи и радиосигнала в полосе, занимаемой им.
Выводы
1) С увеличением скорости передачи информации количество частот, пригодных для связи в декаметровом диапазоне при одинаковой сигнально-помеховой обстановке в точке приема, уменьшается.
2) В сложной сигнально-помеховой обстановке и относительно высокой скорости передачи процент пригодных для связи частот резко уменьшается. Поэтому целесообразно вхождение в связь осуществлять на низкой скорости передачи, а затем адаптироваться к сигнально-помеховой обстановке для ведения связи оптимальным с точки зрения помехоустойчивости и скорости придачи информации.
3) Использование SDR-приемников в радиолиниях декаметрового диапазона волн и реализация алгоритма установления связи в устройствах управления радиолиниями позволит в перспективе отказаться от жёсткого закрепления частот за направлениями связи, что приведет более рациональному использованию частотного ресурса и возможности установления радиосвязи в условиях преднамеренных помех, когда на рабочих и запасных частотах будет нарушена радиосвязь средствами радиоэлектронного подавления противника.
Литература
1. Николашин Ю.Л., Кулешов И.А., Будко П.А., Жуков Г.А. SDR радиоустройства и когнитивная радиосвязь в декаметровом диапазоне волн // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. № 1. 2015. С. 20-30.
2. Прохоров В.К., Шаров А.Н. Расчет показателей эффективности радиосвязи. Л.: ВАС, 1982.
132 с.
3. Шнепс М.А. Системы распределения информации. Методы расчета: Справ. пособие. М.: Связь, 1979. 344 с.
4. Методы прогнозирования основной МПЧ, рабочей МПЧ и траектории луча, разработанные МСЭ-R. Рекомендация МСЭ-R Р.1240-2, 2015. 7 с.
5. Эталонные характеристики ионосферы, разработанные МСЭ-R. Рекомендация МСЭ-R P.1239-3, 2012. 30 с.
6. Метод для прогнозирования рабочих характеристик ВЧ-линий, разработанные МСЭ-R, рекомендация МСЭ-R P.533-13, 2015. 28 с.
References
1. Nikolashin Yu. L., Kuleshov I.A., Budko P.A., Zhukov G.A. SDR radio devices and cognitive radio communication in the decameter wave range. Science-Intensive technologies in earth space research, no. 1. 2015. P. 20-30 (in Russian).
2. Prokhorov V.K., Sharov A.N. Calculation of radio communication efficiency indicators. L.: VAS, 1982. 132 P. (in Russian).
3. Schneps M.A. information distribution Systems. Calculation methods: Reference. stipend. Moscow: Svyaz, 1979. 344 s. (in Russian).
4. Methods for predicting the main MHR, working MHR, and beam path developed by ITU-R, recommendation ITU-R P. 1240-2, 2015. 7 s. (in Russian).
5. Reference characteristics of the ionosphere developed by ITU-R, recommendation ITU-R P. 12393, 2012. 30 s. (in Russian).
6. A method for predicting the performance of RF lines developed by ITU-R, recommendation ITU-R P. 533-13, 2015. 28 s. (in Russian).
Статья поступила 16 марта 2020 г.
Информация об авторах
Солозобов Сергей Анатольевич - Кандидат технических наук, доцент, начальник научно-исследовательского отделения ПАО «Интелтех». E-mail: solozobob@inteltech.ru. Тел.: (812)295-40-54.
Шевченко Василий Васильевич - Кандидат военных наук, доцент, начальник лаборатории ПАО «Интелтех». E-mail: ShevchekoVV@inteltech.ru. Тел.: (812)448-95-94.
Щукин Анатолий Николаевич - Кандидат технических наук, главный специалист ПАО «Интелтех». E-mail: ShchukinAN@inteltech.ru. Тел.: (812)448-95-94. Адрес: 197342, Россия, Санкт Петербург, ул. Кантемировская, д. 8.
Decentralized use of the frequency resource decameter wave range in a complex interference environment
S.A. Solozobov, V.V. Shevchenko, A.N. Shchukin
Annotation. The purpose of the article is to show that even in the complex interference environment suitable for radio frequency range from the lowest to the highest applicable frequency is the frequency at which the conditions of propagation and interference environment will ensure the required quality of communication. The simulation of normally distributed random processes that characterize the law of changes in signal levels and interference in radio channels of the decameter wave range is carried out. The probability of a connection with the required confidence at the simulated frequencies for a frequency telegraphy signal with different frequency shifts is determined. As a criterion for the suitability of the frequency for radio communication, the probability of communication with the required reliability is selected, which exceeds the value of 0.9 on it. The results of simulation modeling of the process of determining the probability of communication with the required reliability as a random variable due to the random nature of the signal change and interference in the decameter wave range in order to determine the number of frequencies suitable for communication are presented. The probability that these frequencies will be occupied by other correspondents at different frequency range loads is determined. An algorithm for establishing communication between correspondents using SDR radios for communication in a complex interference environment is presented. The results of the work can be implemented when creating adaptive radio lines, which will be based on SDR radio receivers, quickly tunable radio transmitters of the decameter wave range, and control equipment that has information about the signal structure and interference at the intended frequencies for use.
Keywords: decameter range; radio wave propagation conditions; interference situation; probability of communication with the required reliability; SDR radio receiver; communication algorithm.
Information about Authors
Sergey Anatolyevich Solozobov - Doctoral. The postgraduate shef of the Department Inteltech. Field of research: radio; data acquisition. Tel.: +78122954054. E-mail: solozobob@inteltech.ru.
Vasiliy Vasilievich Shevchenko - Doctoral. The postgraduate shef of the Department Inteltech. Field of research: radio; data acquisition. Tel.: +78124489594. E-mail: ShevchekoVV@inteltech.ru .
Anatoliy Anatolievich Shchukin - Doctoral. The postgraduate engenier of the Department Inteltech. Field of research: radio; data acquisition. Tel.: +78124489594. E-mail: ShchukinAN @inteltech.ru.
Address: 197342, Russia, Saint-Petersburg, Kantemirovskaya street, 8.
Для цитирования: Солозобов С.А., Шевченко В.В., Щукин А.Н. Децентрализованное использование частотного ресурса декаметрового диапазона волн в сложной помеховой обстановке // Техника средств связи. 2020. № 1 (149). С. 28-36.
For citation: Solozobov SA., Shevchenko V.V., Shchukin АЖ Decentralized use of the frequency resource decameter wave range in a complex interference environment. Means of communication equipment. 2020. No 1 (149). P. 28-36 (in Russian).
