CC BY
191
У
Метод определения помехоустойчивости сложных сигнально-кодовых конструкций на основе семейства широкополосных ортогональных сигналов и недвоичного LDPC-кода в условиях ионосферного канала
Предлагается метод определения помехоустойчивости сигнально-кодовых конструкций на основе семейства широкополосных ортогональных сигналов и недвоичного LDPC-кода в условиях ионосферного канала. Предлагается также упрощенный вариант модели Вотерсона расширенный на широкополосный случай с целью определения помехоустойчивости широкополосный сигнально-кодовых конструкций и уменьшения вычислительных затрат на имитационное моделирование. Показано, что в первом приближении можно пренебречь рядом факторов, таких как, взаимное влияние многолучевых компонент, дисперсионные искажения, погрешности систем синхронизации устройства приема и обработки сигналов, и т.д. Приведены оценки помехоустойчивости для различных профилей многолучевости и алгоритмов сложения лучей, полученные с помощью предложенного метода. Показано, что отличие полученного результата от реальной помехоустойчивости при использовании программной модели приемного устройства и модели Вотерсона составляет порядка 1,5 дБ, что обуславливается упрощением модели.
Ключевые слова: ионосферная связь, сигнапьно-кодовые конструкции, широкополосные сигналы, [.йРС-код, модель Вотерсона.
Лобов Е.М.,
к.т.н, с.н.с. НИЧ МТУСИ, lobov@srd.mtuci.ru
Косилов И.С.,
аспирант кафедры РТС МТУСИ, м.н.с. НИЧ МТУСИ, kosilovis@mail.iv
Кандауров Н.А.,
аспирант кафедры РТС МТУСИ, м.н.с. НИЧ МТУСИ, kandaurov@srd.mtuci.ru
Елсуков Б.А.,
аспирант кафедры РТС МТУСИ
Современные методы определения помехоустойчивости сигнально-кодовых конструкций (СКК) и устройств их обработки предполагают проведение имитационного моделирования с использованием модели ионосферного канала Вотерсона [1-3]. Указанная модель предполагает обработку комплексной огибающей принимаемого группового сигнала соответствующим устройством обработки. Недостатком такого метода при определении помехоустойчивости широкополосных СКК с большой базой является необходимость обработки большого количества отсчетов комплексной огибающей сигнала для получения решения о передаваемом символе (в зависимости от базы сигнала). Например, для обработки СКК на основе фазоманипулированных шумоподобных сигналов, формируемых с помощью псевдослучайных последовательностей длиной 104 символов, требуется обработать не менее 104 отсчетов комплексной огибающей принимаемого сигнала, чтобы принять решение о передаваемом символе.
В условиях многолучевого распространения указанное количество отсчетов надо обработать для приема каждой многолучевой компоненты (что становится возможным при приеме широкополосных СКК [4]). Для обработки комплексной огибающей СКК, поступающей с выхода имитационной модели ионосферного канала, необходимо разработать модель устройства их обработки, включающую модули обнаружения и синхронизации. Неидеальность разработанной модели устройства обработки СКК вносит погрешность в результаты оценки помехоустойчивости, полученные путем моделирования. Величина погрешности зависит от многих факторов и оценка ее значения является нетривиальной задачей. С другой стороны при определении помехоустойчивости сложных широкополосных СКК хотелось бы получить их потенциальные возможности, чему препятствует наличие указанной неизвестной погрешности.
Предлагается метод определения помехоустойчивости сложных широкополосных СКК, построенных на основе семейства широкополосных фазоманипулированных сигналов и недвоичных кодов (в работе рассмотрен недвоичный ЬБРС код [5, 6]), в условиях ионосферного канала, позволяющий избежать рассмотренной выше погрешности оценки и существенно сократить вычислительные затраты, связанные с обработкой большого количества отсчетов комплексной огибающей принимаемого сигнала при известном подходе.
С целью организации низкоэнергетической ионосферной связи представляет интерес рассмотреть СКК на основе семейства широкополосных фазоманипулированных сигналов с базой 2048 и помехоустойчивым ЬБРС кодом в поле Галуа ОБ(16). При этом каждому 4-х битному кодовому символу (из 16) однозначно ставится в соответствие один широкополосный фазоманипулированный сигнал (всего 16 штук).
гк
Будем рассматривать указанные СКК в канале с полосой 50-100 кГц. При этом будем предполагать, что в указанной полосе дисперсионные искажения широкополосных СКК не существенно влияют па качество передачи информации и этим влиянием можно пренебречь (влияние дисперсионных искажений может быть учтено дополнительно, см. [7-9]). Использование в СКК широкополосных фазоманипу.тированных сигналов, построенных на базе псевдослучайных последовательностей с хорошими взаимно- и автокорреляционными свойствами (например, на базе кодов Голда [10]) позволяет разделять многолучевые компоненты принимаемого группового сигнала (включая магнитоионные с малой разницей задержек их прихода в точку приема - порядка 10 мкс). Разделенные многолучевые компоненты претерпевают независимые плоские рэлеевекие замирания [1-3, 11], так как отражаются от различных слоев ионосферы. В связи с этим, для помехоустойчивого приема широкополосных СКК возможно использование методов разнесенного приема разделенных многолучевых компонент. Будем предполагать, что взаимным влиянием многолучевых компонент можно пренебречь, а используемые псевдослучайные последовательности (ПСП) являются ортогональными (взаимное влияние 1 ICI I может быть учтено отдельно, см., например, [12J; задача синтеза ПСП с заданными свойствами является отдельной актуальной научной задачей). Также предположим, что коэффициент передачи канала для каждой многолучевой компоненты можно считать неизменным на интервале длительности одного передаваемого символа (что можно считать справедливым для ионосферного канала). С целью определения потенциальной помехоустойчивости, предположим, что замирания смежных символов СКК полностью не корре-лированы, что на практике может быть достигнуто использованием перемежителя [13, 14].
С учетом изложенного, задача определения помехоустойчивости сигнальпо-кодовых конструкций па основе семейства широкополосных ортогональных сигналов и недвоичного LDPC-кода в условиях ионосферного канала упрощается и сводится к определению помехоустойчивости недвоичного LDPC-кода в недвоичном канале с замираниями и разнесенным приемом, что позволяет определить потенциальные возможности СКК. Другие факторы, такие как, влияние многолучевых компонент друг на друга, дисперсионные искажения многолучевых компонент, влияние неортогональности используемых сигналов, коррелированные замирания смежных символов СКК, влияние узкополосных станционных помех могут быть учтены дополнительно.
Выход корреляционного приемника „тля каждой обрабатываемой многолучевой компоненты, с учетом возможности их разделения без влияния друг на друга, можно записать в виде вектора статистик:
где х к ~ статистика с выхода /-го коррелятора, обрабатывающего j-ю многолучевую компоненту во время приема к-го символа, д - коэффициент передачи канала для /-ой
многолучевой компоненты для А>го символа, ск - передаваемый в данный момент времени к-й символ, SA - символ Кронекера, щ , ( - шумовая составляющая статистики. В зависимости от наличия априорной информации о состоянии
Kaiia.ua могут быть предприняты различные стратегии комбинирования лучей с последующим решением о принятом символе. Если коэффициенты передачи канала Ь. известны
или могут быть оценены приемником, то можно сформировать статистику па основе оптимального когерентного сложения лучей [11]:
N
К*=ХлуА =Z[X*fcA
у=| >1 1
где N - количество принимаемых многолучевых компонент. Другим крайним случаем является отсутствие какой-либо априорной информации о коэффициентах передачи капала ¡1. к и СКО шумовых компонент (которые далее используются для формирования статистик на вход декодера). Тогда наилучшей стратегией в смысле максимизации отношения сигнал/шум является квадратичное сложение статистик лучей:
■V 2
м
Для случая оптимального когерентного сложения статистик лучей апостериорная вероятность того, что в момент времени к был передан символ сп, если на самом деле был передан символ с;, может быть определена по формуле:
Л NA< П Л
I
/=и»у
№
где /г(х,т,ег) - значение функции плотности вероятности
для распределения Гаусса с математическим ожиданием т и среднеквадратичным отклонением (СКО) <т в точке х,
Е = ^ ~~ среднее значение энергии кодового сим-
вола после сложения лучей (предполагаем /, стационарной случайной последовательностью), &ш - СКО вещественных и мнимых частей шумовых компонент й Л/= 16 - количество корреляторов (которое совпадает с ансамблем используемых сигналов и размером используемого алфавита).
Для случая квадратичного сложения статистик лучей апостериорные вероятности принятых символов могут быть определены по формуле:
f,{xm^,xaN) П L{xalJt^A2N)
N) П Л(*„и<С0,2ЛГ) t-tjlj
X,.
sOJJf-DJ
¿aj.l
у
AMfl.i ,
где /(х,Л,к) — функция плотности вероятности случайной величины с нецентрированным хи-квадрат распределением, X=а'^Е - параметр не центральности, к - 2 N - число степеней свободы, / [(х) - модифицированная функция Бесселя
56
T-Comm #8-2014
rk
У
гк
На рисунке 3 приведены кривые битовой ошибки, полученной в результате моделирования по предложенному методу и известным методом с использованием модели модема. Из рисунка видно, что различие в результатах стабильно и составляет порядка 1,5 дБ. Указанное различие объясняется множеством неучтенных эффектов: взаимного влияния многолучевых компонент и неортогональности используемого алфавита СКК (из-за неидеальности корреляционных свойств используемых ПСП), нестационарности канала в пределах одной СКК и неидеальности разработанной модели модема. Все указанные неучтенные эффекты, за исключением нестационарности канала в пределах одной СКК, вносят погрешность в определение потенциальных значений помехоустойчивости широкополосных СКК. Поэтому полученная разница может рассматриваться как оценка величины проигрыша в помехоустойчивости по сравнению с потенциальными возможностями исследуемых СКК,
Код Ш-ЬЦРС (440, 220) ОЕ(16) доплер. разброс 1.0 Гц, 2 луча
—□— моделирование с использованием модели Вотерсона и моделей устройств формирования и обработки СКК —э—моделирование но предложенному методу
Рис. 3. Кривые битовой ошибки
Выводы
Предложенный в работе метод оценки помехоустойчивости широкополосных сигнально-кодовых конструкций на основе семейства широкополосных ортогональных сигналов и недвоичного кода NB-LDPC позволяет существенно сократить вычислительные затраты и необходимость разрабатывать программные модели устройств обработки СКК для получения упомянутых оценок. Предложенный метод не ограничивается СКК только с применением кода ^-ЬЭРС и легко может быть применен для декодера любого недвоичного кода, использующего в качестве входных данных апостериорные вероятности принятых символов.
Литература
1. Watterson С., Juroshek J., Bensema W. Experimental Confirmation of an HF Channel Model//IEEE Transactions on Communication Technology. - 1970. - Vol. 18, №6, - Pp. 792-803.
2. 1TU-R F.1487, Testing of HF modems with bandwidths of up to about 12 kHz using ionospheric channel simulators, 13 p.
3. Interoperability and performance standards for data modems (MIL-STD-188-110C) // http://files.radioscanner.ru/files/download/ file 13718/mil-std-188_110c.pdf.
4. Варакин U.E. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985, 384 с.
5. Воробьев К.А. Методы построения и декодирования недвоичных и из ко п лот н ост н ы х кодов. Оценка эффективности недвоичных низкоплотностных кодов. // Теория и практика системного анализа: Труды I Всероссийской научной конференции молодых, ученых, - Т.П. — Рыбинск: РГАТА имени П,А. Соловьева, 2010. -С. 96-102.
6. Воробьев К.А. Сравнение и анализ характеристик блочных и сверточных турбокодов // 4-я ОНТК «Технологии информационного общества». - М., И/1 Медиа Паблишер, 2010,
7. Иванов Д.В. Методы и математические модели исследования распространения в ионосфере сложных декамстровых сигналов и коррекции их дисперсионных искажений. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2006. - 266 с.
8. Лобов Е.М. Оценка помехоустойчивости радиолинии с частотной дисперсией // Труды РНТОРЭС им. A.C. 11опова, серия: «Научная сессия, посвященная Дню Радио». - М.: Инсвязьиздат, 2010.-вып. 65.-С. 404-406.
9. Косшов И.С., Лобов Е.М. Расчет помехоустойчивости широкополосных ионосферных радиолиний с применением шумо-подобных сигналов на основе данных прогнозирования // T-Comm - Телекоммуникации и транспорт, 2011. - №11. - С.68-70,
10. Варакин Л.Е. Теория систем сигналов. — М.: Сов. радио, 1978.-304 с.
11. Хмельницкий Е.А. Оценка реальной помехозащищенности приема сигналов в KB диапазоне - М.: Связь, 1975 . - 232 с.
12. Борисов В.И., Зинчук В.М., Лимарев А.Е., Мухин Н,П., На-хмансон F.C. Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью. - М.: Радио и связь, 2003. - 640 с.
13. Прокис Дж. Цифровая связь, пер. с англ. / под ,ред. Д,Д. Кловского - М.: Радио и связь, 2000. - 800 с.
14. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. - М.: Советское радио - 1970. - 731 с,
15. Воробьев К.А.. Косилов И.С. Лобов Е.М. Широкополосные многочастотные сигнально-кодовые конструкции с применением турбо-кодирован и я и частотно-временного перемежения для ионосферного радиоканала // Сборник докладов международного научно-технического семинара «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов в инфокоммуникациях» (СинхроИнфо-2012),-Йошкар-Ола: Брис-М, 2012.-С 46-48.
58
T-Comm #8-2014
rk
The performance estimation method of the signal-code structures based on wideband orthogonal signals family
and non-binary LDPC-code in the ionosphere CHANNEL
Lobov Evgeny, PhD, senior researcher at SRD MTUCI, lobov@srd.mluci.ru Kosilov Ilya, postgraduate student MTUCI, minor researcher at SRD MTUCI, kosilovis@mail.ru Kandaurov Nikolay, postgraduate student MTUCI, minor researcher at SRD MTUCI, kandaurov@srd.mluci.ru Elsukov B.A., postgraduate student MTUCI, minor researcher at SRD MTUCI
Abstract
This paper proposes a method for determining the performance of signal-code structures based on family wideband orthogonal signals and non-binary LDPC-code in a ionospheric channel. Simplified Watterson model extended lor wideband case is proposed for determining the performance of signal-code structures with reduction of calculation efforts for simulation. It is shown, that in approximation it is possible to ignore some factors as multiray interference, dispersion distortion, synchronization errors etc. Estimates of immunity to different profiles and multipath algorithms addition rays are presented. It is shown, that difference between results of the proposed method and "true" simulation with program model of the receiver and Watterson model is 1,5 dB due to simplification of proposed method.
Keywords: Ionosphere communication, signal-code structures, wideband signals, LDPC code, Watterson modeI Refernces
1. Watterson C, Juroshek J, Bensema W. Experimental Confirmation of an HF Channel Model / IEEE Transactions on Communication Technology. 1970. Vol. 18, No6. Pp. 792-803.
2. ITU-R F1487. Testing of HF modems with bandwidths of up to about 12 kHz using ionospheric channel simulators, 13 p.
3. Interoperability and performance standards for data modems (MIL-STD-188-110C) // http://files.radioscanner.ru/files/download/file13718/mil-std-188_110c.pdf (07.07.2014).
4. Varakin L.E. Communication systems with noise-like signals. Moscow, 1985, 384 p.
5. Vorobiev KA The method of construction and decoding of non-binary low parity density check codes / Theory and practice of the system analyze: I Proceedings of the National Scientific Conference of Young Scientists. Vol. II. Rybinsk: RSATU n.a. PA. Soloviev, 2010, Pp. 96-102.
6. Vorobiev KA. The compare and analyze of the block and convolution turbo codes / VI-th Industry Scientific and Technical Conference " Information Society Technologies ", Moscow, Media Publisher, 2010, Pp. 114.
7. Ivanov D.V Researching methods and mathematical models of complex signal ionosphere propagation and correction the dispersion distortion. Yoshkar-Ola, 2006, 266 p.
8. Lobov E.M. Performance estimation of the radiolink with frequency dispersion distortion / Russian Scientific and Technical Society of Radio Engineering, Electronics and Communication n.a. A.S. Popov Proceedings, series: " Scientific session devoted to Radio Day ", Moscow, Insvyazizdat, No65, 2010., Pp. 404-406.
9. Kosibv I.S., Lobov E.M. Wideband ionosphere radiolink with use of noise-like signals performance calculation based on prognosis / T-comm. No11, 2011, Pp. 68-70.
10. Varakin LE. Theory of signal systems. Moscow, 1978, 304 p.
11. Hmelnickiy E.A Real noise immunity of receiving HF signals estimation. Moscow, 1975, 232 p.
12. Borisov VI, Zinchuk V.M., LimarevA.E., Muhin N.P, Nahmanson G.S. Noise immunity of direct sequence spread-spectrum systems. Moscow, 2003, 640 p.
13. Proakis J.G. Digital Communications. Moscow, 2000, 800 p.
14. Fink L.M. Theory of discrete messaging. Moscow, 1970, 731 p.
15. Vorobiev KA, Kosilov I.S. Lobov E.M. Wideband multi-carrier signal-code constructions with use of turbo-coding and time-frequency interleaving for ionosphere radiolink // Proceeding of International Science-Technical Workshop "Synchronization, forming and processing systems in the infocommunications" (SynchroInfo-2012).
