CC BY
11Всероссийская открытая научная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн» - Муром 2022
УДК 621.396.946 DOI: 10.24412/2304-0297-2022-1-503-511
Метод диагностики предельной полосы частот изменчивого трансионосферного радиоканала связи
Д.В. Иванов, В.А. Иванов, Н.В. Рябова, А.А. Кислицын
Поволжский государственный технологический университет
424000, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3.
E-mail: KislitsinAA@volgatech.net
Рассмотрен метод диагностики предельной полосы частот для изменчивого трансионосферного радиоканала. Метод основан на экспериментальных оценках текущих значений полос когерентности, в которых учитываются вариации дисперсии. Представленные результаты свидетельствуют о том, что учёт вариаций дисперсии при её диагностике позволяет получить увеличение полосы частот до 2,5 раз от минимально возможного значения. Ключевые слова: трансионосферный радиоканал, предельная полоса частот, полное электронное содержание, полоса когерентности
Method fordiagnosing the ultimate bandwidth of variable transionospheric radio communication channel
D.V. Ivanov, V.A. Ivanov, N.V. Ryabova, A.A. Kislitsin
Volga State University of Technology
Method for diagnosing the ultimate bandwidth of variable transionospheric radio communication channelThere is presented a method for diagnosing the ultimate bandwidth of a variable transionospheric radio channel. The method is based on experimental estimates of the current values of the coherence bandwidths, within which dispersion variations are taken into account. Research findings indicate that taking into account dispersion variations allows one to increase the affordable bandwidth up to 2.5 times.
Keywords: transionospheric radio channel, ultimate bandwidth, total electron content, coherence bandwidth
Введение
В настоящее время наблюдается значительный интерес к совершенствованию систем спутниковой связи путём изучения системных и информационно-технических характеристик (предельная полоса частот, пропускная способность, помехоустойчивость и др.) трансионосферного радиоканала на основе данных глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) [1, 2]. Для Российской Федерации развитие технологий спутниковой связи имеет особое значение. Оно обусловлено не только новыми возможностями в услугах связи, но и обеспечение инфокоммуникационными технологиями труднодоступных регионов (горы, северные территории, тайга) с недостаточно развитой инфраструктурой наземных телекоммуникационных систем. Этап технической модернизации систем спутниковой связи связан с переходом к широкополосным системам (Wideband Global Satcom), позволяющим получить дополнительные интернет услуги. Однако нестабильность состояния широкополосных трансионосферных каналов из-за различной степени возмущения среды распространения приводит к искажениям принимаемого сигнала, что отражается на энергетических потерях и ухудшении информационно-технических
характеристик систем связи [3,4]. Для принятия адекватных решений и составления рекомендаций по адаптации информационно-технических характеристик систем спутниковой связи, работающих через трансионосферный канал, развивается подход, связанный с анализом и обработкой большого объёма данных (Big Data) от навигационных приёмников сети ГНСС. Кроме того, для достижения эффективных показателей существует необходимость в расширении полосы частот систем спутниковой связи сверх полосы когерентности (предельно допустимой полосы канала) при влиянии фактора частотной внутри модовой дисперсии ионосферной плазмы.
Цель работы - создание методов и программно-конфигурируемых средств диагностики предельной полосы частот систем спутниковой связи на основе анализа и обработки большого объёма данных сети референсных станций ГНСС.
Метод, используемый для диагностики предельной полосы частот
При исследовании дисперсии в качестве моделей трансионосферного распространения радиоволн применяются физические, канальные и гибридные модели, обладающие достоинствами и недостатками. В силу того, что параметры трансионосферного радиоканала изменяются во времени, разработанный метод основывается на использовании гибридной модели (физическая + канальная), которая позволяет установить связи параметров системных характеристик полного электронного содержания (ПЭС) ионосферы.
В рамках канальной модели задача распространения описывается в терминах частотной характеристики (ЧХ) эквивалентной среде радиоканала [5]. При этом, ЧХ канала имеет динамический характер, учитывается медленное время, а амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики получаются экспериментально с помощью физической модели на основе волнового уравнения. Решение задачи показывает, что каждое гармоническое колебание при распространении испытывает ослабление амплитуды и сдвиг фазы <ра>, t). При этом набег фазы зависит от частоты колебания. Данный эффект назвали частотной дисперсией фазы. Поскольку сигнал представляет собой группу колебаний на частотах из его полосы, то фазовая дисперсия приводит к искажению формы сигнальной группы и, как следствие к ошибкам связи.
Физическая модель дает следующие выражения для набега фазы и задержки группы частот:
а.
p(,t)=1 J[a-n(a,t, z)dzж J—-——J Ne (z,t )dz=(J — (1)
с f сs sc f
(2)
(f ,t)=dP(f ,t)=J-
l {dz al(tУ
r
где п(а>,г,х) - показатель преломления, а1(г)=8,43-10 7Nе(г,z)dz , (г)=|N -
ТЕС ионосферы (при больших значениях z).
Из формул (1) и (2) следует, что при трансионосферном распространении набег фазы в среде и задержка группы частот характеризуется двумя факторами /, а(г): системным - /=ю/2ж - частота колебания и геофизическим - а1, связанным с изменяющимся в геофизическом г времени ТЕС = (г) .
Пусть группа частот компактно расположена вокруг частоты а . В этом случае набег фазы и задержку группы можно разложить в ряд Тейлора по разностным частотам 0. = а-Ш:
р(Ш + П,г)=((Ш,г) + (Ш (а,г) -О+(ш (Ш)-О2 +.... (3)
(Ш + О, г) = ((Ш + О, г)! (Ш, г) + ( (Ш, г) О +..., (4)
где (Ш (Ш, г) = ОББ - дисперсия групповой задержки.
При мониторинге системных характеристик наблюдаются существенные вариации параметра дисперсии второго порядка, что приводит к ограничению максимальной применимой полосы частот ССС и, соответственно, к корректировке предельной скорости передачи данных. В работах [3, 6] показано, что огибающая группы начинает испытывать искажения, если ее полоса частот превысит некоторую предельную полосу частот, называемую полосой когерентного распространения В^ . Поэтому для волнового
пакета максимально допустимой является полоса частот В^, равная В •
В общем случае на полосе когерентности набег нелинейной составляющей фазы на граничной частоте, отличается от набега фазы на средней частоте на 1 рад. Из формулы (3) следует, что для дисперсии второго порядка данное условие имеет вид:
-Л /
<p'àip, t ) 2
2 ^тлтл \2
пк г GDD
2 I 2
f I = (5)
Отсюда в циклических частотах для трансионосферного распространения получим выражение полосы когерентности через геофизические характеристики среды в виде:
-1,5 л,5
_! = fr—
2ИGDD V4~ ^ / v.....^ ^
Вк =V (с • f 3)/(^kNt ) = 4= = Ц= f1,5 = Bkr • f1,5 . (6)
где f=fIfr - относительная частота; fr - опорная частота; В^ - полоса когерентности
для группы на опорной частоте.
Обратим внимание на то, что полоса когерентности уменьшается с ростом TEC. Изменяющиеся суточные вариации параметра дисперсии второго порядка говорят о максимальном ограничении на применимую полосу частот в дневное время и минимальном в ночное. В остальное время для трассы спутник-Земля применимая
полоса будет лежать в диапазоне (BLmin,BLmax) . Поэтому для максимально возможного
увеличения полосы частот волновых пакетов в изменчивой ионосфере необходимо применять методы адаптации по результатам экспериментального определения TEC.
Отметим, что полоса когерентности, также зависит от средней частоты волнового пакета. Поэтому нами используется опорная частота и пересчет результатов вычисления для нее на любые другие частоты (см. формулу (6)). Нами в качестве опорной выбрана частота равная 1 ГГц.
На рис. 1 представлен пример суточного хода полосы когерентности для волнового пакета на опорной частоте.
Видно, что в течение суток максимально возможную полосу частот волнового пакета можно увеличить почти в 2 раза.
V
Отношение этих граничных частот можно назвать выигрышем по полосе частот при использовании метода адаптации системы спутниковой связи (ССС) по этой изменчивой величине:
Ль ~ Bgmax /Bgmin _ VNtmin /Ntmax . (7)
Следует отметить, что выигрыш уже не зависит от средней частоты пакета и определяется только геофизическим фактором - ПЭС.
Рис. 1. Пример суточного хода полосы когерентности для волнового пакета на опорной
частоте
Экспериментальная техника, условия и исследования предельно достижимой полосы частот спутниковой связи
Для проведения экспериментальных исследований, согласно структурной схеме, изображённой на рисунке 2, было разработано программное обеспечение, позволяющее в автоматизированном режиме получать параметры абсолютного ПЭС ионосферы, коэффициента дисперсии трансионосферного радиоканала и предельной полосы частот на основе анализа и обработки большого объёма данных сети SmartNet. Программный модуль состоит из двух блоков: Absoltec_wrap - позволяет генерировать абсолютные значения ПЭС согласно данным кодовых и фазовых измерений [7]; Absoltec_graph - на основе статистических параметров абсолютных значений ПЭС осуществляет визуализацию полученных данных графически.
# <©> i <6> рбс 5/
Internet
программный модуль AbsTecStat_graph
I AbsTec_wrap ^ | AbsTec_graph |
Г~
Гексагон сервер
ПГТУ сервер
Блок вторичной обработки данных
Рис. 2. Структурная схема для диагностики информационно-технических характеристик; КА 1 - КА N - космический аппарат систем ГЛОНАСС/СР8; РБС 1 - РБС N - референсные базовые станции сети SmartNet
кл 1
рбс n
На рисунке 3 изображён интерфейс программного обеспечения для автоматизированной обработки большого объёма навигационных данных. В блоке 1 выбирается дата исследования и станция, по данным которой существует необходимость оценки параметров. В блоке 2 осуществляется статистическая обработка данных для оценки за длительный временной интервал (месяц, сезон и т.д.) абсолютных значений и вариаций полного электронного содержания с построением соответствующих зависимостей и доверительных интервалов относительно среднего значения. Блоки 2 и 3 служат для сохранения результатов в графическом и численном виде. Референсные станции для исследования задаются в блоке 5. По данным каждой из станций рассчитывается абсолютное полное электронное содержание ионосферы и в блоке 6 оценивается среднее его значение по всем станциям. Результаты отображаются графически и численно при помощи блоков 7 и 8 соответственно.
Рис. 3. Интерфейс программного обеспечения для вычисления суточных ходов ПЭС и его
статистической погрешности измерения
Для анализа большого объёма данных с сети навигационных приёмников и машинного обучения осуществлялось зондирование радиоканала на серии трасс. Для проведения эксперимента были использованы данные одновременных наблюдений трёх станций, входящих в сеть референсных базовых станций SmartNet компании «ГЕКСАГОН ГЕОСИСТЕМС РУС», разнесённых по месторасположению и имеющие различные особенности трансионосферного распространения. Это позволяет решить задачу по выявлению особенностей частотной дисперсии в зависимости от широты расположения приемников ГНСС и определению для различных регионов предельной полосы частот системы спутниковой связи. Разница по широтному разнесению составляет примерно 10°, что пропорционально расстоянию между станциями порядка 1200 -1500 км. Координаты станций и приёмная аппаратура представлены в таблице 1.
Массив экспериментальных данных включал измерения ПЭС в течение четырёх сезонов 2018-2019 годов в условиях невозмущённой ионосферы. Геомагнитную обстановку в рассматриваемые дни можно оценить, как спокойную: Кр-индекс был меньше 3, солнечные вспышки отсутствовали. В экспериментах регистрировались суточные изменения полосы когерентности канала (допустимой полосы частот системы
связи) на опорной частоте. В качестве опорной принималась частота 1 ГГц, при этом максимальная полоса, исходя из критериев широкополосности, не превышала 500 МГц. Выборками служили данные для декады месяцев с зимним - летним солнцестоянием и весенним/осенним равноденствием.
Таблица 1. Местоположение референсных GNSS-станций
Станция Широта Долгота Высота, м Приёмник/Антенна
Мурманск 68°59'32.50711'' 33°5'59.57398'' 135,3261 LeicaGR10/Leica
(MUSK) с.ш. в.д. AS10
Йошкар-Ола 56°37'49.55106'' 47°53'31.40226'' 118,3016 Leica GR10/Leica
(YOSH) с.ш. в.д. AS10
Ростов-на- 47°14'26.38620'' 39°35'36.81223'' 104,2668 Leica GR10/Leica
Дону (ROST) с.ш. в.д. AS10
Результаты оценки максимальной и минимальной предельной ширины полосы частот для выбранных станций в различные сезоны для частоты 1 ГГц представлены на рис.4 - 6 и в таблице 2.
Станция MUSK, июнь - 2018 Станция MUSK, сентябрь - 2018
Время, UT Время, UT
Станция MUSK, декабрь - 2018 Станция ЮТЖ, март - 2019
Рис. 4. Экспериментальные значения предельной полосы частот B^ :(станция MUSK)
Из рис. 6-8 видно, что из-за влияния геофизических факторов полоса когерентности меняется. Наибольших значений она достигает в ночное время суток, а наименьших - днём. Получено, что в декабре полоса когерентности ночью достигала значений 182...235 МГц; днем - 119.. .136 МГц; в марте - 169...205 МГц и 113.. .125 МГц; июне - 130.142 МГц и 90.95 МГц; в сентябре - 162.186 МГц и 104.115, соответственно. Таким образом, полоса когерентности в проведенных экспериментах принимала значения от 90 МГц до 235 МГц.
Станция YOSH, июнь - 2018
Станция YOSH, сентябрь - 2018
SP 90 С
0 2 4 6 8
10 12 14 16 18 20 22 Время, UT
0 2 4 6 8
10 12 14 16 18 20 22 Время, UT
Станция YOSH, декабрь - 2018
Станция YOSH, март - 2019
240
230
U 220
210
02 200
ё 190
180
8 170
5 160
в 150
Я 140
5 130
120
с 110
100
<
£ г
£ >—• •V
-\Л
, у h—
£ 170 в-
S 160
S 150 с
5 140
I 130
t 120 а
с 110
100
0 2 4 6 8
10 12 14 16 18 20 22 Время, UT
0 2 4
8 10 12 14 16 18 20 22 Время, UT
Рис. 5. Экспериментальные значения предельной полосы частот (станция У08И)
Станция ROST, июнь - 2018
Станция ROST, сентябрь - 2018
220
я и
S 200
3
ч ✓
210
Й 200
, 190
. ™ 180
В 170
" 160
ö 150
S 140
X 130 -о
I 120 £ 110
—у
z/-
у С\-
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Время, UT
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Время, UT
Станция ROST, декабрь - 2018
Станция ROST, март - 2019
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Время, UT
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Время, UT
Рис. 6. Экспериментальные значения предельной полосы частот Bch :(станция ROST)
6
80
Таблица 2. Экспериментальные результаты максимальной и минимальной
предельной ширины полосы частот В^ (МГц) для различных сеансов связи
Станция MUSK Станция YOSH Станция ROST
Месяц BCh nin , BCh max , BCh min , bl chmax , BCh min , BL ch max ,
МГц МГц МГц МГц МГц МГц
NS DS NS DS NS DS NS DS NS DS NS DS
июнь 125 105 145 118 130 90 142 95 150 92 209 112
сентябрь 162 104 186 115 162 104 186 115 154 104 201 114
декабрь 215 148 372 184 182 119 235 136 169 117 218 136
март 187 120 251 140 169 113 205 125 160 113 200 119
Представленные результаты свидетельствуют о том, что учет вариаций дисперсии при её диагностике позволяет получить увеличение полосы частот до 2,5 раз от минимально возможного значения.
Выводы
Для трансионосферного радиоканала связи предложен метод диагностики предельной полосы частот. В методе используются экспериментальные оценки текущих значений полосы когерентности трансионосферного канала. Верификация метода показала, что при диагностике обеспечивается возможность увеличения используемой полосы частот (выигрыш) сверх минимального значения до 2,5 раза.
Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда: проект № 22-29-00622.
Литература
1. Zhukov A., Sidorov D., Mylnikova A., Yasyukevich Y. Machine learning methodology for ionosphere total electron content nowcasting International Journal of Artificial Intelligence, V. 16, N 1, P. 144-157.
2. Ясюкевич Ю.В., Жуков A.B., Ясюкевич A.C., Веснин A.M., Сидоров Д.Н. Машинное обучение для задач моделирования регулярной и нерегулярной динамики ионосферы // Солнечно-земные связи и физика предвестников землетрясений: XI международная конференция, с. Паратунка, Камчатский край, 22 - 25 сентября 2020 г.: сб. тез. докл. Петропавловск-Камчатский: ИКИРДВОРАН, 2020.
3. Armand N.A. Propagation of broadband signals in dispersive media // Journal of Communications Technology and Electronics. 2003. Vol. 48. № 9. P. 1045-1057.
4. Кислицын А. А. Комплексный подход к адаптивной компенсации дисперсионных искажений системных характеристик широкополосных трансионосферных радиоканалов // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Сер.: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. 2019. № 3 (43). С. 6-21. DOI: 10.25686/2306-2819.2019.3.6
5. Иванов Д.В., Иванов В.А., Рябова Н.В., Кислицын А.А. Исследование вариаций периодичности зондирования трансионосферного радиоканала для повышения эффективности коррекции его дисперсионных искажений // В сборнике: Всероссийские открытые Армандовские чтения. Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн. материалы Всероссийской открытой научной конференции. Научный совет ОФН РАН по распространению радиоволн; Муромский институт (филиал) ФГБОУ ВО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых». Муром, 2020. С. 22-28.
6. Анализ математических приближений для оценки частотной фазовой дисперсии широкополосных трансионосферных каналов связи. Картографирование полосы когерентности / Д.В. Иванов, В.А. Иванов, Н.В. Рябова и др. // VII Всероссийские Армандовские чтения: Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн / Материалы Всероссийской научной конференции. Муром: Изд.-полиграфический центр МИ ВлГУ, 2017. C. 315322.
7. Ясюкевич Ю.В., Мыльникова А.А., Демьянов В.В. и др. Суточная динамика вертикального полного электронного содержания над городами Иркутск и Йошкар-Ола по данным GPS/ГЛОНАСС и модели IRI-2012 // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Сер.: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. 2013. № 3(19). С. 18-29.
