CC BY
48Ю.Л. Николашин
кандидат технических наук, генеральный директор ПАО «Интелтех»
П.А. Будко
доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник ПАО «Интелтех»
Г.А. Жуков
кандидат технических наук, доцент, ученый секретарь ПАО «Интелтех»
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОГНИТИВНОЙ РАДИОСВЯЗИ В ДЕКАМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ
АННОТАЦИЯ. Предложено и обосновано расширение применения когнитивных радиосистем в де-каметровом диапазоне радиоволн. Рассмотрена структура ведомственной системы когнитивной радиосвязи с программируемыми параметрами. Ее отличительной особенностью является способность извлекать и анализировать информацию из окружающего радиопространства, предсказывать изменения канала связи и оптимально адаптировать услуги, предоставляемые абонентам сети, к изменяющимся параметрам среды распространения радиоволн, помеховой обстановке и загрузке частотного диапазона. В основу данной системы радиомониторинга должны лечь программно-аппаратные комплексы средств связи, построенные на основе SDR-технологий. Предложены схемная реализация цифрового синтезатора многочастотного сигнала, а также многоканальное радиоприемное устройство с системой графического отображения сигналов в виде спектрограммы. Предлагаемые в статье методы можно отнести к ресурсосберегающим технологиям, поскольку они позволяют: осуществить ведение декаметровой радиосвязи без привязки на приемной стороне к радиоданным; сократить количество персонала, обслуживающего радиолинии; исключить ошибки персонала при перестройке парка радиоприемников приемного радиоцентра; снизить энергетику радиолиний; повысить экономический эффект; повысить вероятность доведения сообщений до абонентов за счет ведения радиосвязи на оптимальных рабочих частотах.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: когнитивная радиосвязь, спектрограмма, декаметровая радиосвязь, многоканальное радиоприемное устройство, оптимальная рабочая частота.
Введение
Практически весь частотный диапазон в настоящее время уже распределен и лицензирован, однако при этом он, как драгоценный природный ресурс, используется недостаточно эффективно [1]. Существенным образом повысить коэффициент использования спектра позволяет механизм динамического управления, согласно которому вторичным пользователям (не закрепленным за данным частотным диапазоном) предоставляется возможность передавать сообщения в диапазоне первичных пользователей в то время, пока этот диапазон не занят штатной работой передающих устройств. Именно это по-
ложение инициировало введение в 2011 г. стандарта IEEE 802.22.
Вместе с тем необходимо отметить, что сам по себе механизм динамического управления спектром весьма сложен технически и может применяться только в так называемых интеллектуальных радиосистемах. Их отличительной особенностью является способность извлекать и анализировать информацию из окружающего радиопространства, предсказывать изменения канала связи и оптимально адаптировать услуги, предоставляемые абонентам сети к изменяющимся параметрам среды распространения радиоволн (РРВ), помеховой обстановке и загрузке частотного диапазона.
Для описания таких интеллектуальных радиосистем Д. Митоллой в 1999—2000 гг. был предложен термин «когнитивное радио» (ког-нитивность дословно означает способность к познанию и самообучению) [2]. Уровень востребованности и дефицит радиочастотного ресурса определяют необходимость проработки различных подходов и технологических решений, направленных на повышение эффективности его использования. При этом принципы когнитивности радиосистем, предопределяющие возможность их применения, в административном смысле включает в себя, прежде всего, вторичность использования радиочастотного спектра (РЧС), а в технологическом смысле — адаптивность радиосистем в части реализации полос и номиналов радиочастот [3].
Резолюция МСЭ-R2117 устанавливает, что «...к системам когнитивного радио (CRS) относятся радиосистемы, использующие технологию, позволяющую получать знания о своей среде эксплуатации и географической среде, об установившихся правилах и о своем внутреннем состоянии; динамически и автономно корректировать свои эксплуатационные параметры и протоколы, согласно полученным знаниям, для достижения заранее поставленных целей и учиться на основе полученных результатов...».
Сегодня за рубежом активно ведутся работы по построению систем широкополосного радиодоступа в так называемом телевизионном диапазоне волн (54^862 МГц), для которого разработан стандарт IEEE 802.22 беспроводной передачи данных, основанный на принципах когнитивного радио, в том числе предусматривающий возможность безлицензионного использования частотного ресурса.
Продвижение данного направления развития интеллектуальных радиосистем выдвигает на первый план проведение обоснований и выработки концепции внедрения технологий когнитивного радио и в России. В 2012 году по решению Государственной комиссии по радиочастотам при Министерстве связи и массовым телекоммуникациям в стране создана опытная зона по внедрению когнитивных систем широкополосного беспроводного доступа в РФ в полосе радиочастот 470^686 МГц. Однако на сегодня кроме стандарта IEEE 802.22 других нормативных документов, регламентирующих использование систем когнитивного радио в мировом сообществе, пока не принято. В этом
плане с оптимизмом следует ожидать изменений в Регламент радиосвязи МСЭ, касающихся совершенствования международного регулирования использования спектра, а также распределения и совместного использования частот в ближайшей перспективе на очередной Всемирной конференции радиосвязи.
Как считают зарубежные специалисты из Beal Labs и Cisco, к 2016 году объем мобильного трафика возрастет в 18—25 раз и возможности радиочастотного диапазона в региональных сетях будут исчерпаны. Однако, как отмечают в Европейском институте электросвязи (ETSI), имеющиеся технологии пока еще не обеспечивают все необходимые требования для универсального применения когнитивного радио [4]. Вместе с тем, планируется, что системы связи с программируемыми параметрами должны работать в будущем от 9 кГц до 300 ГГц [5].
Одним из специфических участков указанной частотной области, в силу ряда особенностей, является диапазон декаметровых волн (ДКМВ).
В статье рассматриваются пути технической реализации элементов ведомственной когнитивной радиосвязи диапазона ДКМВ и определяется перечень задач, требующих решения при создании единой когнитивной системы связи ДКМВ.
Основные элементы радиолиний на базе применения SDR-технологий
В системах связи специального назначения уделяется значительное внимание средствам «прямой» радиосвязи, обеспечивающим возможности оперативного обмена информацией между абонентами минуя каналы и линии первичной сети связи и сетей связи общего пользования [1—4]. К классу таких средств относятся линии декаметровой (100 м^10 м) (ДКМ) радиосвязи, которые находят широкое применение практически во всех звеньях управления. Это обусловлено рядом объективных причин, основными из которых являются: возможность доведения информации на дальние и сверхдальние (до 12 тыс. км и более) расстояния; сравнительно низкая стоимость и компактность технических средств ДКМ радиолиний и др.
Особое место ДКМ радиосвязь занимает при организации обмена данными между удаленными абонентами гражданских и военных ведомств, например для организации связи
с абонентами в труднодоступных районах, доведения команд до надводных кораблей и решения ряда других специальных задач. Кроме того, ДКМ радиосвязь имеет важное значение как резервный вид связи. Поэтому поиск путей ее эффективного развития является важной и актуальной задачей, решение которой требует модернизации принципов организации и управления сетями ДКМ радиосвязи и внедрения новых радиолиний, основанных на применении SDR-технологий.
В соответствии с резолюцией МСЭ-Я2П7 «... SDR — это устройство с программируемыми параметрами: передатчик и/или радиоприемное устройство, использующие технологию, позволяющую с помощью программного обеспечения установить или изменить рабочие радиочастотные параметры, включая, в частности, диапазон частот, тип модуляции или выходную мощность...».
Одним из перспективных направлений повышения эффективности использования SDR-технологий является создание радиоприемных устройств (РПУ) с системой графического отображения сигналов в виде спектрограммы. К таким РПУ может быть отнесен цифровой радиоприемник декаметрового диапазона волн ST-093, работающий под управлением IBM PC [6]. Подключение персонального компьютера, позволяющего осуществлять просмотр спектрограмм осуществляется по стыку RS-232 (см. рис. 1).
Целесообразность графического представления принимаемого сигнала обусловлена, в частности, следующими предпосылками. Для ДКМ канала характерно наличие помех естественного и искусственного происхождения, а также искажение принимаемого сигнала из-за эффекта «многолучевости», что приводит к снижению вероятности приема сообщений в авто-
матизированных радиосистемах. С учетом этого для передачи сообщений в ряде случаев применяется параллельная передача: по автоматизированной радиолинии с соответствующей сигнально-кодовой конструкцией, а также передача текста в коде «азбуки Морзе» с последующим его приемом дежурным оператором в «слуховом режиме». Это связано с тем, что система слухового восприятия у человека способна адаптироваться к посторонним шумам и определять наличие полезного сигнала даже при соотношении сигнал/шум менее 1.
Вместе с тем, зрительное восприятие человеком заранее заданного образа (геометрической фигуры, отрезка линии и т. д.) обеспечивается при потере или искажении до 90 % элементов изображения в результате воздействия помех (шумов) на его фрагменты, позволяя отождествить оставшиеся элементы изображения с заданным образом. Это определяется важной особенностью нейронной сети мозга человека по восстановлению полного ключевого образа, хранящегося в памяти, по неполным и искаженным данным [7].
Испытания, проведенные ПАО «Интелтех» на реальных радиотрассах, показали, что визуальный прием сигналов азбуки Морзе, с использованием приемника, отображающего на мониторе временную спектрограмму сигнала (рис. 2), позволяет зрительно зарегистрировать передаваемую информацию, даже в том случае, когда в слуховом режиме прием невозможен из-за слишком низкого соотношения сигнал/помеха (рис. 3).
Визуализация сигнала, т. е. его графическое отображение на экране монитора в реальном масштабе времени является эффективным средством для разработчиков новых радиолиний, глубокого исследования особенностей распространения
Рис. 1. Структурная схема цифрового РПУ ST-093: ФНЧ — фильтр нижних частот; АЦП — аналого-цифровой преобразователь; УНЧ — усилитель низких частот; НЧ — низкочастотный (вых.); ЗУ — запоминающее устройство; ПЛИС — программно-
логическая интегральная схема
Амплитудно-частотная характеристика сигналов (помех) II участке КВ диапазона спектра
Рис. 2. Визуальный прием слухового телеграфа (Азбуки Морзе)
Рис. 3. Слуховой режим приема невозможен из-за низкого соотношения сигнал/помеха (визуальный прием возможен)
сигналов и создания на базе полученных знаний новых методов передачи и приема сообщений.
Одними из технических средств, частично реализующих решение данных задач, являются профессиональные анализаторы спектра зарубежных фирм Agilent, Tectronics и Rohde&Schwarz [8-10].
В анализаторах спектра реального времени (АСРВ) [9, 10] с помощью АЦП и блока памяти сигнал промежуточной частоты оцифровывается, запоминается и детектируется цифровым детектором. При этом группы кадров (блоки) подвергаются цифровой обработке сигналов (ЦОС) с применением короткого (быстрого) оконного преобразования Фурье (БПФ). Анализируемый участок спектра последовательно просматривается коротким окном и строится спектрограмма в плоскости «время-частота» с представлением амплитуды цветом. В отличие от АСРВ в обычных анализаторах спектр строится в плоскости «амплитуда-частота», что делает их неэффективными для анализа нестационарных сигналов и не дает привязки компонентов спектра ко времени. Применение БПФ, высокоскоростной ЦОС, хранения спектров реального времени в памяти, а также использование технологии цифрового фосфора (имитация послесвечения на дисплее) позволяют объединить в АСРВ достоинства предшествующих поколений анализаторов с новейшими достижениями в области цифровой обработки сигналов, при этом становится возможным анализ нестационарных сигналов с изменяемыми во времени параметрами, в том числе сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочих частот (ППРЧ).
В анализаторах спектра указанных выше зарубежных фирм реализуется принцип параллельно-последовательного частотного анализа сигнала, что не всегда позволяет зарегистрировать кратковременные импульсы. Кроме того, в этих анализаторах динамический диапазон как правило не превышает 100 дБ, что недостаточно для исследования сигналов в декаметровом диапазоне волн.
Вместе с тем, достижения в области SDR-технологии позволяют создать многоканальные радиоприемные устройства (МРПУ) с независимыми параллельными каналами приема. Серийно уже выпускаются 32(64)-канальные РПУ с высоким динамическим диапазоном и чувствительностью, описание которых приведено в [11].
Анализ характеристик перспективной элементной базы и эффективных алгоритмов обработки цифровых сигналов показывает, что практически возможно реализовать РПУ в стандартном типоразмере Евромеханики (19 дюймов, 4(8) и) с числом независимых каналов параллельного приема/обработки до 50^100 тысяч. Следовательно, при шаге сетки частот установки радиопередающего устройства 100 Гц двумя МРПУ будет перекрыт диапазон до 20-ти МГц, что фактически является достаточным для реальной декаметровой связи.
Это дает возможность внедрения нового способа доведения сообщений до удаленных объектов по ДКМ радиоканалу без необходимости установки частоты передачи на приемном радиоцентре и в то же время позволяющего вести передачу на оптимальной для данного момента времени частоте [12].
Кроме того, такое МРПУ с программным управлением сеткой частот является основной альтернативой рассмотренных анализаторов спектра при решении задач когнитивной радиосвязи в части визуального и автоматического мониторинга радиочастотного диапазона. Современные методы и алгоритмы цифровой обработки сигнала и построения банков цифровых фильтров, подобные рассмотренным в [13—16], позволяют резко сократить используемое количество ПЛИС при построении возбудительных и радиоприемных устройств в интересах системы когнитивной радиосвязи. Так, например, 16,5 тыс. каналов приема реализуется в зависимости от заданных требований к МРПУ на 25— 30 ПЛИС.
В настоящее время ПАО «Интелтех», совместно с Военной академией связи реализовали макет такого многоканального перепрограммируемого РПУ с параллельной обработкой сигналов, являющегося основой для создания промышленного образца комплекса радиомониторинга широкого назначения [17].
Аналогично МРПУ может быть создано широкодиапазонное радиопередающее устройство (РПДУ), обеспечивающее передачу многочастотных сигналов, реализуемое на основе цифрового синтезатора частот. Одна из возможных схемных реализаций такого синтезатора (возбудительного устройства) приведена в [18], а ее модернизированный вариант, обеспечивающий параллельную передачу N сигналов с частотной модуляцией (ЧМ), с использованием одной ан-
тенно-фидерной подсистемы (АФП), приведен на рис. 4.
Устройство, представленное на рис. 4 состоит из последовательно соединенных сумматора кодов частот 8, цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) 11, полосового фильтра 12, усилителя мощности 13, блока согласования с антенной 14 и АФП 15. При этом информационное сообщение (И бит) поступает на обработку в последовательно-параллельный регистр записи сообщения (блока сообщения) 1. Далее все биты информационного сообщения в параллельном режиме считываются в блок управления ключами 2 и по сигналу тактовой частоты от системы единого времени (СЕВ) и синхронизации 4 по информационной шине 3 поступают на N информационных входов «1 бит»^«И бит» блока электронных ключей 7, на 2И управляющих входов которого поступают рабочие частоты « /1раб' »^ « /гру6' » из блока установки рабочих частот 6, формируемых на основе псевдослучайной последовательности (ПСП) в генераторе ПСП 5.
Блок электронных ключей 7 состоит из N пар электронных ключей 7.1—7.2; 7.3—7.4; ...; 7.(2г'-1)-7.2г', ..., 7.(2И-1)-7.2И, настроенных на прием соответственно двух видов бинарных посылок — информационной единицы (Ключ «1») и информационного нуля (Ключ «0»). Причем информационные входы г'-ой пары электронных ключей, г = 1, 2, ..., И, связаны с соответствующими г-ми информационными входами «1-й бит», ..., «И-й бит» блока электронных ключей 7 и информационной шины 3. На управляющие входы нечетных (Ключ «1») и четных (Ключ «0») электронных ключей г'-ой пары через соответствующие управляющие входы блока электронных ключей 7 по сигналам тактовой частоты СЕВ и синхронизации 4 от блока установки рабочих частот 6 одновременно поступают соответственно рабочие частоты « /2ра6' » и « /2раб' ». Четные 7.2г' и нечетные 7.(2г'—1) электронные ключи дают сигналы разрешения на установку соответствующего поступившему информационному «0» или информационной «1» кода рабочей частоты выбранного по сформированной ПСП в генераторе ПСП 5.
Таким образом, с 2И выходов блока электронных ключей 7 сформированные для информационных битов сообщения коды рабочих частот поступают на соответствующие входы
сумматора кодов частот 8, выполненного по каскадной схеме и состоящего из суммирующих блоков. Причем каждый г-й суммирующий блок, г = 0, 1, ..., содержит И/2Г сумматоров 9 на два входа для формирования многочастотного сигнала и И/2г регистров памяти 10 с возможностью хранения в них промежуточных сумм.
Формирование суммарного многочастотного сигнала происходит аналогично процедуре, рассмотренной в [18].
В результате сигнал на шине «выход» сумматора кода частот 8 представляет собой сумму гармонических функций, частоты которых изменяются по псевдослучайному коду. После цифро-аналогового преобразования, фильтрации, усиления и согласования с антенной групповой многочастотный сигнал излучается с использованием широкополосной АФП 15.
Построение РПДУ с использованием многоканального возбудительного устройства (МВУ), а также реализация многоканального перепрограммируемого РПУ [17] с параллельной обработкой сигналов на приемной стороне открывает возможности как по созданию новых многоканальных помехозащищенных радиолиний ДКМ диапазона волн на базе применения SDR-технологий, так и перспективы получения современного технологического оборудования, обеспечивающего повышение качества, снижение сроков разработок и внедрения новых радиосредств и радиолиний.
Технологическое оборудование для разработки эффективных средств когнитивной радиосвязи
Новые возможности, открываемые данной технологией могут также использоваться как инструментарий для построения и исследования моделей когнитивных радиосистем, позволяющих вести, помимо мониторинга, расчет и анализ состояния среды эксплуатации, определять коэффициенты корреляции сигналов при территориально разнесенном приеме и прогнозировать использование различных видов ресурсов радиоцентров.
Структурная схема реализации комплекса технологического оборудования, в основном реализующего указанные задачи, представлена на рис. 5.
При этом для связи с удаленными объектами в исследовательских целях применяются каналы мобильного интернета, а для систем
Рис. 4. Структурная схема устройства, реализующего параллельную передачу N сигналов
с частотной модуляцией
Рис. 5. Структурная схема реализации комплекса технологического оборудования: ПРЦ — приемный радиоцентр; ПДРЦ — передающий радиоцентр; ФАР — фазированная антенная решетка
специального назначения предполагается использование защищенных каналов спутниковой (радиорелейной) либо волоконно-оптической связи. В качестве приемного антенного устройства целесообразно применить кольцевую ФАР с дистанционно управляемой диаграммой направленности.
Для иллюстрации возможного использования комплекса при анализе радиосигнала на верхней части рисунков 6 и 7 представлены записи сигналов из эфира в участке диапазона ДКМВ, наблюдаемые на экране АРМ разработчика в режиме панорамного радиоприемника, а на нижней части — приведены параллельные записи, сделанные в режиме временной развертки сигналов во всей частотной полосе анализа спектрограммы. Программно изменяя скорость временной развертки сигналов, можно визуально наблюдать не только излучения в режиме телеграфирования со скоростью У= 50^100 бит/с (фрагмент А на рис. 6), но также и импульсные сигналы длительностью менее 10 мс, передаваемые в режиме ППРЧ (фрагмент А на рис. 7). На рис. 6 (фрагмент Б) также можно наблюдать характер отображения на спектрограмме линейно-частотно модулированного (ЛЧМ) сигнала, используемого для зондирования ионосферы.
На фрагменте А рис. 8 отображен пилообразный ЛЧМ сигнал под сосредоточенной помехой, а на фрагменте Б — сложный пилообразный ЛЧМ сигнал под шумовой помехой, выделить который с помощью классического энергетического обнаружителя [19], работающего в авто-
матическом режиме, не представляется возможным. На фрагментах рис. 8 продемонстрированы возможности повышения эффективности визуального восприятия сигналов с низкой энергетикой за счет изменения цветопередачи на экране монитора.
Таким образом, МРПУ как в визуальном, так и в автоматическом режимах может обеспечить реализацию мониторинга радиоэлектронной обстановки в заданном частотном диапазоне, а также получение первичных данных для функционирования системы когнитивной ДКМ радиосвязи, обобщенная структура которой представлена на рис. 9.
На первом этапе создания единой системы радиомониторинга целесообразно реализовать и оценить эффективность функционирования ведомственной системы когнитивной связи (СКС), структура построения которой фактически соответствует территориально-распределен-ной системе, аналогичной представленной на рис. 9. В состав данной системы должны входить автоматизированный центр сбора и обработки данных (АЦСОД), сопряженный с территори-ально-разнесенными программно-аппаратными комплексами радиомониторинга (ПАК РМ) ведомства в каждом регионе: ПАК «РМ-Центр», ПАК «РМ-Запад», ПАК «РМ-Восток», ПАК «РМ-Юг», и ПАК «РМ-Север».
Внедрение системы когнитивной связи позволит [20]:
— обеспечить полный охват непрерывным радиоконтролем действующих радиолиний
Рис. 6. Масштабированная спектрограмма действующих радиолиний диапазона ДКМВ, полученная с помощью МРПУ [17]: фрагмент А — прием сигналов в режиме АТ; фрагмент Б — отображение ЛЧМ сигнала, используемого для зондирования ионосферы
Рис. 7. Запись спектрограммы, сделанная в режиме временной развертки сигналов. Фрагмент А — сигнал, передаваемый в режиме ППРЧ
Рис. 8. Спектрограмма широкополосного сигнала под помехой: фрагмент А — пилообразный ЛЧМ сигнал под сосредоточенной помехой; фрагмент Б — сложный пилообразный ЛЧМ сигнал под шумовой помехой;
* — спектрограмма в градациях синего
Рис. 9. Система мониторинга радиоэлектронной обстановки в интересах радио-частотного обеспечения функционирования сети когнитивной декаметровой радиосвязи
(радиосетей и радионаправлений) ВС РФ за счет использования многоканального широкополосного радиоприемного устройства;
— автоматизировать процесс выявления нарушений безопасности связи и сократить количество обученного контролирующего персонала;
— обеспечить возможность определения технического состояния радиоцентров (готовности пунктов управления всех звеньев ВС РФ) и отдельных радиосредств в режиме on-line без больших аппаратных затрат;
— повысить уровень безопасности связи и дисциплину радиообмена в радиолиниях (радионаправлениях, радиосетях) ВС РФ за счет своевременного выявления нарушений установленного режима работы радиосредств по основным элементам потенциала радиолинии (энергетическому, временному, пространственному и частотному), выявления нарушений норм технической эксплуатации радиопередающих устройств по демаскирующим оперативно-тактическим (опознавательным и демаскирующим) и техническим (групповым и индивидуальным) признакам радиообмена, а также оперативного принятия мер по пресечению нарушений безопасности связи;
— обеспечить лицо, принимающее решение информацией по управлению способами контроля или достаточности скважности контроля;
— существенно уменьшить расходы на эксплуатацию и контроль (мониторинг) базовых радиолиний ВС РФ за счет использования многоканального устройства контрольного приема и обработки сообщений;
— существенно снизить площади антенных полей и объемы антенно-фидерных устройств за счет использования унифицированной малогабаритной широкодиапазонной антенной системы;
— осуществлять оперативное управление радиолиниями и маневр частотным ресурсом в сложной помеховой обстановке;
— осуществлять контроль всех доступных диапазонов радиоволн в интересах радиоэлектронного противодействия (РЭП) и борьбы (РЭБ);
— существенно снизить энергопотребление пунктов (центра) контроля безопасности связи (ПКБС, ЦКБС) объединений, родов, видов войск (сил) в оперативном (ОЗУ) и стратегическом (СЗУ), а также узлов комплексного технического контроля (УКТК) соединений в тактическом (ТЗУ) звеньях управления ВС РФ без снижения охвата контролируемых диапазонов за счет ис-
пользования многоканального устройства контрольного приема и малогабаритной антенной системы;
— автоматизировать разработку рабочей карты начальника ПКБС (УКТК), схемы связи, а также справочных документов, содержащих сведения (данные) для подготовки и принятия решений на организацию связи и организацию контроля в виде таблиц, графиков, схем, справок и т. п.
В результате построения ведомственной СКС должна быть разработана промышленная технология создания аппаратно-программных комплексов контроля безопасности связи (АПК-КБС) и комплексного технического контроля (АПК КТК) радиолиний ВС РФ, обеспечивающая:
— повышение безопасности связи при ведении радиообмена на радиолиниях (радиосетях, в радионаправлениях) ВС РФ;
— увеличение объема проводимого непрерывного и полного радиоконтроля, повышение его объективности и действенности;
— реализацию алгоритма радиоконтроля и мониторинга градиента изменения суммарного уровня сигналов и преднамеренных помех в КВ и СДВ диапазонах волн в интересах узлов связи и радиоцентров ВС РФ;
— поддержку принятия решения для различных вариантов применения АПК-КБС и АПК-КТК;
— определение факта функционирования радиоцентров и отдельных радиосредств ВС РФ по контрольному приему сообщений, передаваемых в соответствие с действующим частотно-временным расписанием;
— поиск функционирующих пунктов управления ВС РФ (и входящих в их состав узлов связи, стационарных и мобильных радиоцентров);
— сбор и доведение данных мониторинга технического состояния от отдельных радиосредств и радиоцентров войск (сил) до главко-матов видов (родов войск) ВС РФ и ГШ ВС РФ (объекта размещения АПК-ЦПКБС на АРМ руководителя центрального пункта контроля безопасности связи (ЦПКБС) и узла контроля безопасности связи (УКБС) ВС РФ).
Оценка эффективности функционирования радиолинии при использовании данных радиомониторинга
Рассмотрим эффективность функционирования одночастотных (узкополосных) радиолиний при различной скорости передачи и мощности излучения.
При передаче двоичной информации в режиме частотной манипуляции в канале с реле-евскими замираниями вероятность ошибки приема одного бита, как следует из [21], может быть рассчитана по формуле
Рэл =
1
Ь1 + 2 '
(1)
где Ь1 определяется отношением энергии элемента сигнала Ес к спектральной плотности помехи V1
1 = е = рт
V1 V1
(
р
V п у
FT =
и1 у
FT , (1)
Ь1 =-
111ехр
3,8 -10
-1
X
0,1
Я
ехр (-0,4п)
Ц^Я1 (0,0011 + sin 9°
РТ, (3)
где Ризл — мощность излучения сигнала (кВт), с учетом коэффициента направленного действия
антенны; Я — дальность трассы (тыс. км); X — длина излучаемой волны (м); 90 — угловое расстояние между пунктами приема и передачи; п — число отражений волны от ионосферы на трассе, иЛ — напряженность поля помехи в точке приема.
Из формул (1) и (3) следует, что если длительность излучения элементарной посылки (бита информации) при высокоскоростной передаче Твс будет уменьшена в k раз и передача сообщений будет вестись с медленной скоростью с сохранением мощности излучения Ризл, то
2 Т 2 V
Ьмс = Т Ьс = V Ьвс =
где Рс, Рп — мощности сигнала и помехи соответственно, р — полоса частот, занимаемая сигналом, Т — длительность элемента сигнала, ис и ип — напряженности поля сигнала и помехи в точке приема соответственно.
С учетом эмпирических формул для вычисления значения напряженности поля при ионосферном распространении ДКМ радиоволн [11—14] выражение (1) можно представить в виде
вс • (4)
вс ' нс
Для примера на рис. 10 приведены результаты численных расчетов по формулам (1)^(4) для узкополосных радиолиний при длине волны X = 10 м на широтной радиотрассе.
Представленная на рис. в графическом виде зависимость дальности связи с заданной надежностью (вероятность приема бита не хуже требуемой Рпр = 0,98) от мощности излучения Ризл рассчитана для спектральной плотности помех
V,
и V
(1), соответствующих напряженности
поля и1 = 1 мкВ/м и ип = 10 мкВ/м при
т1 =
п(1)500 ' п(1)500
скорости передачи сообщения 500 бит/с.
Из анализа графика следует, что при малой
1
спектральной плотности помех V(1) даже при скорости 500 бит/с при мощности излучения
кВт 10
ю1
10'5
ю-
У<2)
м>
/ / ✓ А / ✓ '500бит/с * * * * * 100 бит/с бит/с 500 бит/с ^^ 1 бит/с _
ё * * * / * / * * У / -х / ✓ / ' У ^ " ** *100 бит/с ЗДбит/с^
* * * ✓ ✓ / У / ^ / у / х / / / / / > / у' * 10 бит/с
/ / / / / / / / ' / ✓ / ^ / у / / / у' 1 бит/с
у г / / / х / / ' ? / ОД бит/с
о) ,2
(1>
(1)
С)
(1)
— I! = 1 мкЪ/гл,
I.
. - V: = 20 мкВ/м
12 тыс, км
Рис. 10 — Зависимость дальности связи с заданной надежностью от мощности излучения и спектральной плотности помех для различных скоростей передачи сообщения
1 кВт достигается дальность связи до 9 тыс. км с вероятностью доведения одного бита не ниже заданной. При снижении скорости до 10 бит/с указанная дальность связи достигается мощностью излучения равной 20 Вт. Однако, при уве-
2
личении спектральной плотности помех до V(2), с заданной вероятностью для скорости 500 бит/с обеспечивается существенно меньшая дальность связи (менее 2 тыс. км). Для скорости передачи 10 бит/с при спектральной плотности помех v22), даже дальность связи 3 тыс. км достигается только при мощности излучения 100 Вт. Аналогичный характер зависимости дальности связи от мощности передачи и спектральной плотности помех естественно наблюдается и для скорости передачи 1 бит/с.
Отсюда следует, что для обеспечения устойчивого обмена данными при заданной мощности излучения целесообразно использовать систему когнитивной связи, позволяющей осуществлять работу на частотах со спектральной плотностью 2
помех до V,-]', и ниже.
Вместе с тем, как показано в [25], наиболее эффективным режимом передачи сообщения в диапазоне частот с высокой плотностью работающих радиостанций в полосе оптимальных рабочих частот (ОРЧ) (см. рис. 11) является режим ППРЧ. Однако, задача поиска необходимого для работы в режиме ППРЧ большого числа частот, свободных от помехи, и их доведение до абонента в реальном масштабе времени в настоящее время решена не в полной мере. При этом абонент может получить данные лишь о частотах стационарно занятых мощными радиосредствами. Поэтому в большинстве случаев прием элемента сообщения будет осуществляться в условиях помеховой обстановки, в среднем соответствующей значениям плотности вероят-22
ности в диапазоне V(i) + V(2)
и выше. Для примера на графике рис. 12 представлена вероятность правильного приема бита сообщения для трассы протяженностью 6 тыс. км и мощности излучения 10 Вт для разных скоростей передачи.
Из анализа графика следует, что наиболее устойчивым в условиях случайных помех
Рис. 11. Общий вид загрузки участка оптимальных рабочих частот (для конкретной радиотрассы) диапазона декаметровых волн в режиме on-line
является передача на низких скоростях (от 10 бит/с и менее).
Вместе с тем, при снижении скорости передачи в режиме ППРЧ общее время передачи сообщения объемом N бит увеличивается в М = Тмс/ Твс раз. Так при переходе от скорости передачи Vвс = 500 бит/с к скорости передачи
= 1 бит/с при числе бит в сообщении N = = 100 общее время передачи увеличится с Твс = = ¿500 = 0,2 с до Тмс = ^ = 100 с. Такое изменение временнь/х характеристик в сторону ухудшения являются весьма критическими, особенно для спецпотребителей.
Для сохранения общего времени передачи при одновременном увеличении длительности излучения одного бита возможно использовать многоканальное передающее устройство, рассмотренное выше. В этом случае значение Тмс определяется простым выражением
Т < Т N
* мс -1 вс^' •
При этом число каналов передачи должно быть равно N. Следовательно, при таком методе передачи мощность излучения одного бита сообщения не превысит значения
Р
р _ изл
N
Отсюда следует, что метод многочастотной параллельной передачи информации позволит уменьшить вероятность деструктивного воздействия на посторонние радиостанции и повысить энергетическую скрытность передачи. Однако, как с очевидностью следует из формул (2)^(4), теоретически использование этого метода по
сравнению с режимом «быстрой» (внутрибито-вой) ППРЧ не улучшают вероятностно-временных показателей по приему сообщений, т. к. в обоих случаях энергия передаваемого сигнала остается одинаковой:
Е _ Р Т •
вс изл вс ' р р
Е _ ' изл Т _ изл Т N _ Е мс N мс N вс вс '
Вместе с тем, как показало моделирование с использованием спектрограмм реального эфира (см. рис. 11), практически переход от скорости передачи 500 бит/с (полоса частот, занимаемая ЧТ сигналом Л/500 ~ 1,2 кГц) к скорости передачи 10 бит/с (полоса частот Л/10 ® 25 Гц) при выборе рабочих частот по псевдослучайному закону вероятность попадания низкоскоростного (узкополосного) сигнала в полосу частот со спектральной плотностью помех меньше заданной величины v22), оказалось выше на Лр = 3^5 %, чем при высокоскоростной передаче, что, как показали расчеты, позволяет снизить вероятность неприема блока сообщения даже при использовании кода Хемминга в 2^3 раза при высоких требованиях к вероятности правильного приема (рпр > 0,98).
При предварительном исключении из списка разрешенных для использования рабочих частот, частотных участков, занимаемых постоянно работающими стационарными мощными широкополосными источниками излучения, типа показанного на фрагменте А на рис. 13 (моделирование наиболее простого варианта использования принципов когнитивного радио), значения Др превысило 5 %.
Рис. 12 — Вероятность правильного приема бита сообщения для трассы протяженностью 6 тыс. км (п = 2), мощности излучения Ризл = 10 Вт при разных скоростях передачи V
Рис. 13. Спектрограмма реального участка диапазона с примером постоянно действующего широкополосного источника излучения на фрагменте А (А /~ 100 кГц)
Исходя из изложенного, представляется практически важным и актуальным выбор метода эффективного кодирования для различных вариантов многочастотной передачи с учетом применения системы когнитивной связи в части автоматического использования данных от ПАК РМ.
Из приведенных материалов следует, что для повышения эффективности радиосвязи необходимо реализовать резкое уменьшение скорости передачи до 0,1^0,01 бит/с, с соответствующим увеличением числа каналов передачи/ приема информации. Действительно, как следует из анализа графика на рис. 10 для доведения информации до абонента при скорости передачи V = 0,1 бит/с даже при V2 = v22) необходимо обеспечить мощность излучения сиг-
нала Ризл > 40 Вт для трассы протяженностью 9 тыс. км, в то время как при скорости передачи 500 бит/с для достижения той же дальности потребуется мощность излучения более 100 кВт.
Вместе с тем, при работе сверхузкополосны-ми сигналами (полоса сигнала менее 1 Гц для ДКМ диапазона волн) следует обратить внимание на необходимость использования высокостабильных опорных генераторов для РПУ и РПДУ [26], а также учесть влияние эффекта Доплера в ДКМ канале, поскольку вследствие быстрого перемещения отражающих радиосигналы слоев ионосферы изменение рабочей частоты в точке приема относительно частоты передачи может составлять в среднем от ± 0,5 до ±0,75 Гц, а в сумеречное время достигает от ±3 до ±5 Гц [27].
Очевидно, что в этом случае использование стандартных методов для приема сверхузкопо-лосных сигналов с полосой А/< 1 Гц становится проблематичным и требует дополнительной проработки. При этом требуется разработка нетрадиционных методов приема и обработки таких сигналов.
Заключение
На сегодня практически весь радиочастотный диапазон распределен и лицензирован, однако используется достаточно неэффективно. Внедрение когнитивной связи для радиочастотного спектра, а также новых принципов построения декаметровых радиолиний с использованием SDR-технологий, позволит существенно повысить характеристики связи в части устойчивости и безопасности в условиях воздействия случайных и преднамеренных помех.
ЛИТЕРАТУРА
1. Авдонин Д.В., Рындык А.Г. Интеллектуальные радиосистемы: когнитивное радио // Информационные технологии. Системы, средства связи и управления: Информационно-аналитический сборник. / Под ред. С.В. Ионова; ОАО «Концерн «Созвездие». — Воронеж: №1, 2012. — С. 115-117.
2. Mitola J. III. Cognitive Radio for Flexible Mobile Multimedia Communications. // Mobile Multimedia Communications (MoMuC'99), IEEE International Workhop, San Diego, CA, USA, Nov. 1999. - P. 3-10.
3. Кизима С.В., Митченков С.Г., Емельянни-ков Б.Б. Когнитивные радиотехнологии. Аспекты практической реализации. // Электросвязь. №9, 2014. — С. 43-47.
4. Бутенко В.В., Пастух С.Ю. Итоги Всемирной конференции радиосвязи 2012 года. // Электросвязь. №3, 2012. — С. 5-11.
5. Михалевский Л.В. Когнитивное радио — передовая технология на пути к более рациональному использованию радиочастотного спектра. / Материалы НТС МСЭ (Армения, 28-30 апреля 2008 г.).
6. Панорамный цифровой приемник «ST-093»: Руководство по эксплуатации СКФТ.467149.008РЭ.
7. Евин И.А. Синергетика мозга. — М.: Регулярная и хаотическая динамика, 2005. — 108 с.
8. Анализатор спектра в реальном масштабе времени R&S FSVR, R&S FPS [электронный ресурс] / www.rohde-schwarz.com.
9. Fundamentals of Real-Time Spectrum Analysis. Tektronix. P. 52. [электронный ресурс] / www.Tektro-nix.com/rsa.
10. Дьяконов В.П. Современные цифровые анализаторы спектра. // Компоненты и технологии. №5, 2010.
11. Банников И.М., Березовский В.А., Валеев М.М., Хазан Г.К. Радиоприемные устройства и радиоприемные комплексы перспективных узлов коротковолновой связи. / Международная научно-техническая конференция «Радиотехника, электроника и связь, РЭиС-2011», 2011. — С. 121-125.
12. Николашин Ю.Л., Будко П.А., Жолдасов Е.С., Жуков Г.А. Перспективные методы повышения помехоустойчивости декаметровых радиолиний. // Наукоемкие технологий в космических исследованиях Земли. №1, 2014. — С. 30-37.
13. Каплун Д.И. Нерекурсивные цифровые фильтры без умножения. // Информация и космос — СПБ.: ЗАО «Институт Телекоммуникаций». №1, 2009. — С. 43-51.
14. Каплун Д.И., Клионский Д.М., Олейник А.Л., Вознесенский А.С., Жукова Н.А., Гульванский В.В., Петровский А.А. Применение полифазных банков фильтров в задачах мониторинга широкого частотного диапазона. // Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2013. Вып. 3. — С. 38-43.
15. Клионский Д.М., Каплун Д.И., Вознесенский А.С., Гульванский В.В. Алгоритм взвешенного перекрывающегося сложения для обработки векторных сигналов в задачах радиомониторинга. // Цифровая обработка сигналов. №4, 2014. — С. 2-8.
16. Многоканальный цифровой приемник на ПЛИС. [электронный ресурс] http://www podelise. га/>документы</ дата конвертации 28.08.2012.
17. Николашин Ю.Л., Жолдасов Е.С., Жуков Г.А., Будко П.А. Прием сообщений в декаметровых радиолиниях с использованием многоканального радиоприемного устройства.//Актуальные вопросы развития систем и средств воздушно-космической
обороны. Сборник докладов V НТК М.: ОАО «ГСКБ «Алмаз-Антей», 2014, С. 546-553.
18. Ямпурин Н.П., Станков В.С., Сучкова А.Б., Токарева В.П. Цифровой синтезатор частот. Патент РФ №2030092 от 27.02.1995.
19. Куприянов А.И. Радиоэлектронная борьба. — М.: Вузовская книга, 2013. — 360 с.
20. Жолдасов Е.С., Жуков Г.А., Фатюхин И.Н., Будко Н.П. Аппаратно-программный комплекс технического контроля декаметровых радиолиний. / / Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. №3, 2013. — С. 24-27.
21. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. — М.: Советское радио, 1970. — 728 с.
22. Казанцев А.Н. Поглощение коротких радиоволн в ионосфере и напряженность поля в месте приема. // Известия АН СССР. №9, 1947.
23. Неволин Т.Н., Щепотин В.И. Организация и планирование радиосвязи на морском флоте. Уч. пос. — М.: «Транспорт», 1977. — 262 с.
24. Жуков Г.А. К вопросу о влиянии снижения частоты излучателя на соотношение величин напряженности полей для различных коротковолновых радиотрасс. // Вопросы радиоэлектроники. Сер. Техника проводной связи. Вып. 8, 1974. — С. 76-79.
25. Николашин Ю.Л., Будко П.А., Жолдасов Е.С., Жуков Г.А. Перспективные методы повышения помехоустойчивости декаметровых радиолиний. //Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. №1, 2014, С. 30-36.
26. Зуев Э.В., Рыжков А.В., Пелюшенко А.С., Са-матов В.И., Сахаров Б.А. Первичный эталонный источник VCH-1008C систем тактовой сетевой синхронизации в цифровых сетях связи. // Электросвязь. №2, 2013. — С. 32-33.
27. Поляков В. Доплеровские ионосферные наблюдения. Доклад на слете RU-QRP. / Издательство Российского клуба радиооператоров малой мощности. №43, 2013.
