CC BY
9
Системы управления,связи и безопасности №4. 2023
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
УДК 621.391
Методика оценки пропускной способности спутникового канала
связи с замираниями
Пашинцев В. П., Диптан П. А., Гринев Е. М., Киселев Н. В.
Постановка задачи. Известно, что замирания сигнала приводят к снижению помехоустойчивости и пропускной способности канала связи. Существующие методики оценки пропускной способности канала спутниковой связи не учитывают влияние возмущений ионосферы, сопровождаемых образованием мелкомасштабных неоднородностей, на появление замираний принимаемых сигналов. Целью работы: является разработка методики оценки влияния мелкомасштабных флуктуаций полного электронного содержания (ПЭС) ионосферы и выбора несущей частоты на пропускную способность канала спутниковой связи. Результат: получена совокупность аналитических выражений для оценки зависимости нормированной пропускной способности трансионосферного канала связи от отношения сигнал/шум на входе приемника, среднеквадратического отклонения (СКО) мелкомасштабных флуктуаций ПЭС ионосферы и несущей частоты сигнала. Новизна разработанной методики состоит в применении моделей изменения по высоте электронной концентрации в мелкомасштабном ионосферном образовании и процесса возникновения ионосферных замираний при распространении радиоволн в системах спутниковой связи (ССС) в качестве основы для получения зависимости пропускной способности спутникового канала связи с замираниями от СКО мелкомасштабных флуктуаций ПЭС ионосферы. Практическая значимость: полученные результаты разработки методики позволяют выявить основные закономерности влияния несущей частоты ССС, отношения сигнал/шум на входе приемника и мелкомасштабных флуктуаций ПЭС ионосферы при ее естественных и искусственных возмущениях на изменение пропускной способности канала спутниковой связи.
Ключевые слова: пропускная способность, вероятность ошибки, спутниковый канал связи, замирания, ионосфера, полное электронное содержание, мелкомасштабные неоднородности.
Введение
Известно [1], что системы спутниковой связи (ССС) могут функционировать в условиях возмущений ионосферы, сопровождаемых образованием мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации. В этом случае распространение радиоволн (РРВ) в ССС сопровождается рассеянием на мелкомасштабных неоднородностях ионосферы, появлением многолучевости и замираний (сцинтилляций, мерцаний) принимамых сигналов. Последние могут существенно снижать помехоустойчивость приема сигналов и пропускную способность каналов спутниковой связи.
Проведенный анализ работ в области оценки пропускной способности каналов радиосвязи c замираниями показал, что по данному направлению вели и ведут работу большое число ученых: Д.Д. Кловский [2], В.А. Сойфер [2],
Библиографическая ссылка на статью:
Пашинцев В. П., Диптан П. А., Гринев Е. М., Киселев Н. В. Методика оценки пропускной способности спутникового канала связи с замираниями // Системы управления, связи и безопасности. 2023. № 4. С. 243-266. DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-243-266 Reference for citation:
Pashintsev V. P., Diptan P. A., Grinev E. M., Kiselev N. V. Methodology for estimating the bandwidth of a satellite communication channel with fading. Systems of Control, Communication and Security, 2023, no. 4, pp. 243-266 (in Russian). DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-243-266
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-243-266
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
Л.М. Финк [3], В.В. Дубровский [4]. Однако в этих работах не учитывается влияние на пропускную способность спутниковых радиоканалов параметров неоднородной ионосферы.
Известно [1], что влияние флуктуаций электронной концентрации (АЫ) в мелкомасштабных (10...1000 м) неоднородностях ионосферы по всей ее толщине на РРВ от космического аппарата (КА) ССС до наземного приемника интегрально описывается мелкомасштабными флуктуациями ПЭС ионосферы АЫТ ~ АЫ. Последние характеризуются среднеквадратическим отклонением
I-2\1/2
(СКО) мелкомасштабных флуктуаций ПЭС ат = IАЫТI , которые
определяют параметры глубины замираний принимаемого сигнала с несущей частотой /0, например, параметр распределения Райса: у2 = , /). При
мелкомасштабных возмущениях ионосферы (увеличении на 1.3 порядка) параметр Райса у2 = , /) в трансионосферном канале связи может
измененяться в широких пределах: от у2 ^ ю (что соответствует отсутствию замираний) до у2 = 0 (что соответствует наиболее глубоким замираниям релеевского типа).
Известно [3], что изменение параметра Райса в диапазоне возможных значений ю>у2 > 0 существенно ухудшает помехоустойчивость приема сигналов, которая характеризуется функциональной зависимостью Рош = к2,у21
вероятности ошибки от среднего отношения сигнал/шум (С/Ш) на входе приемника к2 и величины у2. При неизменном отношении С/Ш на входе приемника к2 =10.20 дБ изменение параметра Райса в диапазоне ю> у2 > 0 приводит к увеличению вероятности ошибочного приема сигналов Рш на 1.5 порядков.
В свою очередь, вероятность ошибочного приема сигналов Р существенно влияет на пропускную способность канала связи С = у(Рош, Р) с полосой пропускания F и ее нормированное значение С/Е = У(РШ) • Отсюда следует, что нормированная пропускная способность трансионосферного канала
связи через функциональные зависимости у2 = ,/), Рош = к2,у21 и
СР = ¥(Рш) должна зависеть от СКО мелкомасштабных флуктуаций ПЭС ионосферы и выбора несущей частоты ССС: С/ Р = у(Н2,аШт, /0).
Целью статьи является разработка методики оценки влияния мелкомасштабных флуктуаций ПЭС ионосферы и выбора несущей частоты на пропускную способность канала спутниковой связи. Требуемым научным результатом разработки методики является получение аналитической зависимости СР = у(к,/) нормированной пропускной способности С/Г трансионосферного канала связи от отношения С/Ш на входе приемника к2, СКО мелко-
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-243-266
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
масштабных флуктуаций ПЭС ионосферы <гш и несущей частоты / волны (сигнала) ССС.
Качественный анализ влияния мелкомасштабных флуктуаций ПЭС ионосферы на пропускную способность трансионосферных каналов связи
Известно [1, 5], что причиной возникновения замираний в трансионосферных каналах связи являются возмущения ионосферы, связанные с образованием локальных областей с интенсивными мелкомасштабными неоднородно-стями электронной концентрации (ЭК).
В таких мелкомасштабных ионосферных образованиях распределение ЭК в слоях (D, E, ^ ионосферы описывается совокупностью (рис. 1а) изменения по
высоте h среднего (фонового) значения N(к) и пространственных (р = x, у)
флуктуаций ДN (р, И) в неоднородностях ионосферы [1, 5]
N (р, к) = N (к) + AN (р, к), [ м 3 ]. (1)
В слое F на высоте h = ктах максимума ионизации (см. рис. 1а) достигаются наибольшие значения средней ЭК N (к^) > N (к) ионосферы и ее пространственных флуктуаций AN(р,ктах) >AN (р,к).
Связь между распределением ЭК ионосферы (1) N (р, К) и ее ПЭС N (м ) при РРВ от КА ССС с высотой орбиты hКA>500 км через ионосферу толщиной hИ определяется как сумма регулярной N1 и флуктуационной составляющей А^Т (р):
N (р) = £ N(р, к)с1к = £ (N(h) + АЫ(р, к) ^к =
= N1 + АМТ (р), [ м_2 ]. (2)
На рис. 1 показаны модели: а) изменения по высоте ЭК в мелкомасштабном ионосферном образовании (МИО); б) процесса РРВ с несущей частотой / от КА ССС до приемника ССС через МИО и возникновения замираний.
Анализ влияния мелкомасштабных флуктуаций ПЭС ионосферы на глубину замираний принимаемых сигналов в ССС (рис. 1б) показывает следующее. Плоский фазовый фронт падающей волны на выходе из ионосферы будет искаженным. Флуктуации фазового фронта выходной волны прямо пропорциональны мелкомасштабным флуктуациям ПЭС [1, 5]
Ар(р) = _А0геМт(р)« _80,8яМт(р) / /, [рад], (3)
где А0 = с/ /0 - длина волны (м); с - скорость света (м/с); /0 - несущая частота, выраженная в (Гц); ге - классический радиус электрона; 80,8 - коэффициент, имеющий размерность (м3/с2).
Различные участки р фазового фронта (3) Аф(р1) = Аф(р) в пределах диаметра зоны Френеля (21 Р) формируют множество лучей (/ = 1.. .М), которые приходят в точку приема с соответствующими фазовыми сдвигами [1]:
А^ = Ау(рг) = Ау(р) = _808жА^т(р) / с/ . (4)
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-243-266
Системы управления,связи и безопасности №4. 2023
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
В результате интерференции множества приходящих лучей амплитуда сигнала на входе приемника ССС будет подвержена замираниям, которые описываются райсовским (обобщенным релеевским) законом распределения. Поэтому средняя мощность принимаемого сигнала будет иметь регулярную и
флуктуационную составляющую Рг = Рр + Рфл, значения которых зависят от А^. . Их отношение характеризует параметр распределения Райса, который обратно пропорционально зависит от А^.:
у2 =Рр /Рфл ~1/ А^ ~/о / Щ (р). (5)
Рис. 1. Модели изменения по высоте электронной концентрации в мелкомасштабном ионосферном образовании (а) и процесса возникновения ионосферных замираний при распространении радиоволн в
ССС (б)
Согласно зависимости (5) при заданной несущей частоте /о ССС по мере возрастания мелкомасштабных флуктуаций ПЭС ионосферы А^т (р) параметр
Райса у2 будет уменьшаться (т.е. глубина замираний принимаемых сигналов в ССС возрастает). При неизменной величине среднего отношения С/Ш на входе
приемника к2 (равной отношению С/Ш в каналах связи без замираний к2 = к2) возрастание глубины замираний приводит к увеличению вероятности ошибочного приема сигналов Рош [2, 3], что обуславливает снижение нормированной
пропускной способности С/Р = у | Рош ^ к 2,у2 ^ канала связи.
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-243-266
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
Методика оценки влияния мелкомасштабных флуктуаций ПЭС ионосферы и выбора несущей частоты на пропускную способность канала спутниковой связи
Методика оценки влияния мелкомасштабных флуктуаций ПЭС ионосферы и выбора несущей частоты на пропускную способность канала спутниковой связи включает следующие этапы.
1. Задаются исходные данные: к2, f0, F, .
2. Определяется СКО флуктуаций фазового фронта выходной волны (3) как [1]:
i- \1/2
^ = (А^2(р)) = 80,8<7 / of,, [рад], (6)
где <7^[т=(ш2(р)) - СКО мелкомасштабных флуктуаций ПЭС ионосферы (м-2).
3. Определяется параметр распределения Райса через величину СКО флуктуаций фазового фронта выходной волны (6), который характеризует глубину замираний сигнала на входе приемника ССС [1]:
У2 = P, /Рфл = (exp(<;) -1)"1 = (exp(80,8^7Шт / f,)2 -1)"1. (7)
Анализ (5) - (7) показывает, что в условиях нормальной (невозмущенной) среднеширотной ионосферы, когда мелкомасштабные флуктуации ПЭС ионосферы практически отсутствуют 7Ш «0, величина < « 0 и параметр Райса
У2 = Р / рл ~ (что обеспечивается, если флуктуации сигнала почти отсутствуют Рфл «0). При сильных возмущениях ионосферы или применении в ССС пониженных несущих частот, когда выполняется условия 80,87гсгш » е/0 и сг »1, параметр Райса ;/2 = Рр / Р(]и ~ 0 (что обеспечивается, если регулярная составляющая замираний сигнала почти отсутствует Рр «0), что указывает на
появление наиболее глубоких в ССС замираний релеевского типа.
Заметим, что в частном случае 7 «1 с учетом разложения exp(х)«1 + х
при х <<1 выражение (7) сводится к виду
У2 ~ 17,2 = (of, / 80,8^ 7тт )2, (7а)
который соответствует качественной зависимости (5).
4. Определяется вероятность ошибочного приема сигналов, которая
существенно зависит от глубины их замираний Рош = у(h2 ,у2). Например,
вероятность ошибки при оптимальном некогерентном приеме сигналов с бинарной ортогональной частотной манипуляцией BFSK (binary frequency shift keying) в канале связи с райсовскими замираниями (да < у2 < 0) определяется согласно выражению [3, 6, 7]
Рош = Рош (h2y) = - С+2' n exp . (8)
V ) U2 I h2 + 2(у2 +1) J
f
h2 + 2(r2 +1)
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-243-266
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
В частных случаях замираний релеевского типа (когда у2 = 0) и отсутствия замираний (когда у2 = да) выражение (8), c учетом равенства h2 = h2 среднего значения отношения C/Ш в каналах с замираниями отношению C/Ш при отсутствии замираний h2, сводится к известным [3, 8] видам:
Рош = Рош (h2, у2 = о) = Рош (h) = (2 + h; (9)
Рош = Рош (hV = = РоШ (h2) = 0,5exp(-h2 / 2). (10)
Анализ функциональных зависимостей (8) - (10) показывает, что изменение параметра Райса в радиолиниях ССС в пределах да < у2 < 0 при неизменном
отношении С/Ш (обычно h2 = h2 = 10...15 дБ) обуславливает возрастание вероятности ошибочного прима сигналов (Рош) на 1.. .5 порядков.
5. Определяется пропускная способность симметричного бинарного канала связи с полосой частот F, зависящая от вероятности ошибочного приема сигналов Рош [2-4, 6]
С = F (1 + Р0ш\о%2Р0ш + (1 - Р0ш )log2 (1 - Рош)), (11)
и ее нормированное (к полосе F) значение
СF = (1 + Рош10§2Рош + (1 - Рош )l0g2 (1 - Рош )) . (12)
На основе (12) и (8), (10) определяются нормированные значения пропускной способности канала связи с замираниями райсовского типа
Су = С(да < у2 < 0)/F = 1 + Рош (h, у2) log2Рош (h, у2) +
+ (1-Рош (^ у2)) log 2 (1-Рош (h2, у2)) (13)
и канала связи без замираний
Сда = С (у2 = да)/ F = 1 + Рош (h) log 2 Рош (h2) +
+(1 - Рош (h2 ))log2 (1 - Рош (h2)), (14)
где параметр Райса согласно (7) у2 = щ(аШт, /) зависит от СКО мелкомасштабных флуктуаций ПЭС ионосферы ат и от выбора несущей
частоты f0 сигналов ССС.
6. Определяется уменьшение пропускной способности канала связи с райсовскими замираниями (13) относительно канала связи без замираний (14):
Сфл = СГ1 Сда = (С(да < у2 < 0)1 F)/(С(у2 = да)/Р) =
1 + РоШ ( h2,/2 ) log2 Рош ( h2,г2 ) + (1 - Рош ( h2,/2 )) log2 (l - Рош ( h2,72 ))
ош ( h2 ) log 2 Рош ( h2 ) + (1 - Рош ( h2 )) log 2 (1-
. (15)
1 + Рош (h2 ) log2Рош (h2 ) + (1 - Рош (h2 )) log2 (1 - Рош (h2 )) Анализ (15) показывает, что при отсутствии замираий (у2 = да), когда
согласно (8), (10) Рош (^,у2) = Рош (к2), значение Сфл =1, а при у2 = 0
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-243-266
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
(релеевских замираниях) уменьшение пропускной способности канала связи (значения С относительно 1 ) будет наибольшим.
Таким образом, разработана 6-этапная методика, позволяющая на основе аналитических выражений (7) у2 = ,/) и (13) Су = у(Рош(к2,у2)) полу-
чить требуемую зависимость Су = у(h2,ami,/0) нормированной пропускной
способности спутникового канала связи от среднего отношения C/Ш на входе приемника h2, СКО мелкомасштабных флуктуаций ПЭС ионосферы ат и
выбора несущей частоты f0 сигналов ССС.
В соответствии с представленной методикой разработан алгоритм оценки пропускной способности спутникового канала связи с замираниями [9].
Пример расчета пропускной способности канала спутниковой связи
при различных несущих частотах и мелкомасштабных флуктуациях ПЭС ионосферы
Рассмотрим конкретный пример применения разработанной методики для случая передачи в ССС сигналов с частотной манипуляцией (BFSK) при различных значениях несущих частот и параметрах неоднородной ионосферы.
1 этап. Обоснование и конкретизация исходных данных (h2, fo, F, <уШт ),
необходимых для дальнейших рассчетов:
1.1) обоснование энергетического отношения С/Ш (h2) на входе приемника ССС. Обычно [6, 7] в ССС реализуются энергетические отношения С/Ш на входе приемника в диапазоне h2 = 5.20 дБ. Кроме того, в ССС предусматривается энергетический запас на 3.10 дБ [7, 8]. Поэтому дальнейшие рассчеты целесообразно проводить для расширенного диапазона h2 = 1.1000 (т.е. h2 = 0...30 дБ);
1.2) выбор несущих частот f0) в ССС. Анализ влияния мелкомасштабных флуктуаций ПЭС ионосферы на глубину замираний принимаемых сигналов в ССС (рис. 1б) показывает, что они могут проявляться на несущих частотах f0 < 7 ГГц [5]. В качестве примера будем рассматривать следующие реальные значения несущих частот ССС:
f0 = 300 МГц (в P - диапазоне) - входит в частотный ССС MUOS (унаследованные каналы CCC Flitsatcom) [10] и ССС Гонец [1, 11, 12];
f0 = 406 МГц (в P - диапазоне) - частота излучения аварийных радиомаяков международной спутниковой поисково-спасательной системы Коспас-Сарсат (Cospas-Sarsat) [13, 14];
f0 = 1620 МГц (в L - диапазоне) - входит в диапазон рабочих частот абонентской линий связи ССС Iridium [15];
f0 = 2200 МГц (в S - диапазоне) - входит в диапазон рабочих частот абонентской линий связи ССС Гонец [11, 12];
f0 = 6700 МГц (в С - диапазоне) - входит в диапазон рабочих частот фидерной линии связи ССС Гонец [11, 12];
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-243-266
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
1.3) выбор полосы спектра частот F сигналов ССС. В реальных ССС используется полоса частот от единиц кГц до десятков МГц. При проведении исследования для выявления качественных зависимостей была взята полоса частот F = 31,5 кГц (ширина полосы частот канала в абонентской линии ССС Iridium [15]) и F = 5 МГц (ширина полосы частот отдельной абонентской линии связи ССС MUOS для «нового» оборудования [10]);
1.4) обоснование СКО мелкомасштабных флуктуаций ПЭС ионосферы 7М. Общепринятой единицей измерения ПЭС является TECU (Total Electron
Content Unit), равная 1016 (м-2) [16]. Для расчета СКО мелкомасштабных флук-туаций ПЭС используем ее зависимость от ряда физических параметров ионосферы [1]
7шт =(я121Л(Nmax£)2)1/2 =(пШ1<)1/2, [м-2 ], (16)
где Иэ - эквивалентная толщина ионосферы (м); ls - характерный (средний) размер мелкомасштабных неоднородностей ионосферы); Nmax = N(hmax) - максимальное среднее значение ЭК на высоте h максимума ионизации (см.
рис. 1а); Р =7ДN(h) / N(h) =7ДN(hmax) / N(hmJ = 7Дn / N^ = const(h) - интенсивность неоднородностей ЭК (величина постоянная для всех высот h ионосферы, включая высоту максимума hmax ионизации); 7дN = 7дN (h^«) = Р N^) - СКО
мелкомасштабных флуктуаций ЭК ионосферы на высоте h максимума ионизации (см. рис. 1а).
Анализ [1] физических параметров ионосферы (Nmax, Р) указывает на сильную зависимость от сезона, времени суток и солнечной активности. Усредненная по всем сезонам величина Nmax для дня и ночи при максимуме солнечной активности (при различных состояниях ионосферы) представлена в таблице 1.
Заметим, что естественные возмущения ионосферы (ЕВИ) могут возникать из-за изменений солнечной активности в результате [1, 5]: вспышек на Солнце, солнечного терминатора, высыпания частиц и т.д. Кроме того, ЕВИ в слое F могут возникать под действием других естественных факторов: землетрясений, извержений вулканов, образования ураганов, молний. Искусственные возмущения ионосферы (ИВИ) в слое F, сопровождаемые образованием интенсивных (Р>10-2) мелкомасштабных (ls~10... 103 м) неоднородностей ЭК, возникают при осуществлении на высотах слоя F различного рода взрывов, инжекции химических легкоионизирующихся реагентов (бария, цезия), радионагрева мощным излучением и т.д.
Значения СКО мелкомасштабных флуктуаций ЭК ионосферы на высоте максимума ионизации, приведенные в таблице 1, рассчитаны в [1] по формуле 7Ш = <N (hmax) = Р Nmax. На основе рассчитываем СКО мелкомасштабных
флуктуаций ПЭС ионосферы по формуле (16) =7m(nV2ls\)12 при
конкретных значениях h, = 5-105 м, ls = 400 м. Параметры неоднородной ионосферы при 5 ее состояниях приведены в таблице 1.
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-243-266
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
Таблица 1 - Состояния и параметры неоднородной ионосферы в слое Р
Состояния и параметры неоднородной ионосферы Nmax [М-3] ß ^АN = ßNma* [м-3] &ANT [м-2]
1. Нормальная (невозмущенная) ионосфера (НИ), ночь 2,4-1011 10 2 2,4-109 5 • 1013
2. Нормальная (невозмущенная) ионосфера (НИ), день 1,4 -1012 3 -10 3 4,2-109 8 • 1013
3. Естественные возмущения ионосферы (ЕВИ) 1,4 -1012 3,6 -10 ~2 5-1010 1015
4. Слабые искусственные возмущения ионосферы (ИВИ) 1013 5 -10 1 5 -1012 1017
5. Сильные искусственные возмущения ионосферы (ИВИ) 5 -1013 1 5-1013 1018
Фактические значения <гт могут быть получены комплексом
прогнозирования помехоустойчивости систем спутниковой связи на основе ОРБ-зондирования ионосферы [17, 18].
2 этап. В диапазоне возможных значений СКО мелкомасштабных флук-туаций ПЭС ионосферы (таблица 1) ~ 5-1013...1018 (м-2) для пяти значений
несущей частоты ССС / ( 300 МГц; 406 МГц; 1620 МГц; 2200 МГц;
6700 МГц) по формуле (6) < = 80,8^^^ / с/0 определяется СКО флуктуаций
фазового фронта выходной волны (рис. 2).
Оф, рад
НИ
ЕВИ
ИВИ
0,22
6-10
1013 5-1013 8-1013 1015 1016 10 Рис. 2. Зависимость СКО флуктуации фазового фронта выходной волны < от СКО мелкомасштабных флуктуаций ПЭС ионосферы
аш при 5 значениях несущей частоты /: 1) 300 МГц; 2) 406 МГц;
3) 1620 МГц; 4) 2200 МГц; 5) 6700 МГц
ч15
16
ч17
1 л18 -2
10 g^nt, м
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-243-266
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
Анализ зависимостей (рис. 2) показывает, что при увеличении СКО мелкомасштабных флуктуаций ПЭС ионосферы в диапазоне аш ~ 5-1013...1018
(м 2) и уменьшении несущей частоты в интервале /0 = 6700.300 МГц СКО флуктуации фазового фронта возрастают в интервале а ~ 6-10-3 ...3-103.
3 этап. В диапазоне возможных значений СКО флуктуаций фазового фронта выходной волны (рис. 2) а ~ 6-10-3...3-103 рад определяется (рис. 3а)
параметр распределения Райса (у2) в соответствии с зависимостью (7)
Y
= P / Рфл =(-1)"1.
10
3404" 10
10
6910
10
1
10
10
10
340 4 10
105
69 ---100
10
10"3
,10-
10"1
0,12
10
10-10"1 10"1 10": 1010"; 10"; 10"' 10"'
ад
10-
10
102
10,
'о9, рад
а)
б)
Рис. 3. Зависимость параметра Райса (у2) от СКО флуктуации фазового фронта в диапазонах а =6-10-3... 102 рад (а) и аф =0,1.103 рад (б)
Анализ рис. 3а показывает, что в диапазоне возможных значений СКО флуктуаций фазового фронта выходной волны (рис. 2) а = 6-10-3...2,7 рад
параметр Райса уменьшается на 8 порядков: с у2 «3 -104 (что практически соответствует случаю отсутствия замираний у2 = Рр / Рфл «да) до у2 « 3 • 10~4 (что практически соответствует случаю релеевских замираний у2 = Р / рл « 0). Согласно рис. 3б. при а >10 рад параметр Райса у2 = р / рл ^ 0.
Анализ рис. 2 и рис. 3 показывает, что в условиях ЕВИ (ат « 1015 м-2) в
диапазоне частот /0 = 6700.300 МГц увеличение СКО флуктуаций фазового фронта выходной волны до величины а =0,12.2,7 рад приводит к уменьшению параметра Райса на несущей частоте /0 = 6700 МГц до у2 «69 (что соответствует случаю очень слабых замираний), а на частоте /0 = 300 МГц - до у2 « 3 • 10"4 ( что соответствует случаю глубоких замираний релеевского типа).
340-
2
1
1
2,7
2,7
6-10
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-243-266
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
При этом в условиях невозмущенной дневной ионсферы ~ (5...8)-1013 м-2) флуктуации фазового фронта выходной волны в диапа-
зоне частот / = 6700. 300 МГц очень малы а =6 • 10"3 .0,22 рад, что обуславливает отсутствие или очень малую глубину замираний, соответствующих значениям параметра Райса у2 « 3 • 104 на несущей частоте / = 6700 МГц и у2 «19 на частоте / = 300 МГц.
Аналогично по рис. 2 и 3 можно проанализировать влияние увеличения СКО мелкомасштабных флуктуаций ПЭС ионосферы в диапазоне ат ~
~5-1013.1018 (м-2) вплоть до сильных ИВИ и уменьшения несущей частоты в диапазоне /0 = 6700.300 МГц на увеличение глубины замираний принимаемых в ССС сигналов (изменение параметра Райса в диапазоне у2 « 3•10"4...3• 104 (таблица 2).
4 этап. Определяется зависимость (8) Рош = у | к2 ,у21 вероятности
ошибочного приема сигналов ВББК от среднего отношения С/Ш на входе приемника ССС к2 = к2 = 1...103 при различных значениях параметра Райса в диапазоне у2 = 3 104...3 • 10"4 (рис. 4): 1) у2 = 3 -104; 2) у2 = 69; 3) у2 = 36; 4) у2 = 20; 5) у2 = 10; 6) у2 = 7; 7) у2 = 3,6; 8) у2 = 3-10-4.
-4
0,14 4,1- 10-2 3- 10-2
10-2 10-3
10
10-:
10-1
109,3- 10"
10 10-
-8
10° 5 101 31 102 103 к Рис. 4. Зависимость вероятности ошибочного приема сигналов ВББК от среднего отношения С/Ш на входе приемника при параметре Райса: 1) у2 = 3 • 104; 2) у2 = 69; 3) у2 = 36; 4) у2 = 20; 5) у2 = 10; 6) у2 = 7;
7) у2= 3,6; 8) у2= 340-4
Анализ зависимостей, приведенных на рис. 4 и табл. 2 показывает, что в диапазоне значений у2 = 3 • 104...3 • 10"4 при реализации на входе приемника ССС отношения С/Ш И2=5 (т.е. 7 дБ) вероятность ошибочного приема сигналов ВББК увеличивается с Рош ~ 4-10-2 до Рош ~ 0,14 (т.е. в 3,5 раза), а при реализа-
ош
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-243-266
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
ции Н2=31 (т.е. 15 дБ) вероятность ошибочного приема сигналов ВББК увеличивается с Рош~ 10-7 до Рош ~ 3• 10-2 (т.е. в 3-105 раз).
5 этап. Определяется зависимость (12) С/Т = у(Рош) нормированной пропускной способности симметричного бинарного канала связи от вероятности ошибочного приема сигналов ВББК с райсовскими замираниями Рош = у | к2 ,у21
в соответствии с выражениями (13) и (8).
На рис. 5 представлены зависимости нормированной (к полосе частот Р ) пропускной способности канала спутниковой связи С/Р = С(да<у2 < 0)/Р
((бит/с)/Гц)) от среднего отношения С/Ш на входе приемника к2 = к2 = 0,1...102 при рассмотренных выше (рис. 4) значениях параметра Райса: 1) у2 = 3-104; 2) у2= 69; 3) у2 = 36; 4) у2 = 20; 5) у2 = 10; 6) у2 = 7; 7) у2 = 3,6; 8) у2 = 3-10-4.
С/F
0,8 0,74
0,6
0,4
0,2
0 0,1 1 5 1 0 31 102 к
Рис. 5. Зависимость нормированной пропускной способности канала
связи от отношения С/Ш при параметре Райса: 1) у2 = 3 • 104;
2) у2 = 69; 3) у2 = 36; 4) у2 = 20; 5) у2 = 10; 6) у2 = 7; 7) у2 = 3,6;
8) у2 = 340-4
1
Анализ зависимостей (рис. 5) показывает, что в диапазоне значений у2 = 3 -104...3 • 10"4 при реализации отношения С/Ш на входе приемника h2=5 (т.е. 7 дБ) нормированная пропускная способность симметричного бинарного канала связи уменьшается с C/F « 0,74 до C/F « 0,4 (т.е. на 46%), а при реализации h2=31 (т.е. 15 дБ) она уменьшается с C/F «1 до C/F « 0,8 (т.е. на 20%).
6 этап. Определяется уменьшение пропускной способности канала связи с замираниями райсовского типа С = С (да <у2 < 0)/ F = y(h2,у2) относительно
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-243-266
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
канала связи без замираний Сю = С (у2 =«)/Р = у(й2) согласно выражению (15)
Сфл = С/Ся и рис. 5.
На рис. 6 представлены зависимости Сфл = С/С = У(к2,у2) уменьшения
относительной пропускной способности симметричного бинарного канала спутниковой связи от среднего отношения С/Ш на входе приемника
к2 = к2 = 0,1...102 при рассмотренных выше (рис. 5) значениях параметра Райса:
1) у2 = 3 • 104; 2) у2 = 69; 3) у2 = 36; 4) у2 = 20; 5) у2 = 10; 6) у2 = 7; 7) у2 = 3,6; 8) у2 = 3-10-4.
сфл - С/с»
1
0,9 0,8 0,7
0,6
0,54 0,5
0,1
10
31
102 к2
Рис. 6. Зависимость уменьшения пропускной способности Сфл = Су/Сш канала связи от отношения С/Ш при параметре Райса: 1) у2 = 3 • 104;
2) у2 = 69; 3) у2 = 36; 4) у2 = 20; 5) у2 = 10; 6) у2 = 7; 7) у2 = 3,6;
8) у2 = 3-10"4
Анализ зависимостей (рис. 6) показывает, что в диапазоне значений у2 = 3 • 104...3 • 10~4 при реализации отношения С/Ш на входе приемника И2=5 (т.е. 7 дБ) уменьшение относительной пропускной способности симметричного бинарного канала спутниковой связи достигает 46% (Сфл ~ 0,54), а при реализации И2=31 (т.е. 15 дБ) - 20% (Сфл ~ 0,8).
В таблице 2 приведены оценки влияния СКО мелкомасштабных флуктуа-ций ПЭС (ат , м-2) при 5 состояниях ионосферы их таблицы 1 (НИ ночь -
5-10 м-2; НИ день - 81013 м-2; ЕВИ - 1013 м-2; слабые ИВИ - 1017 м-2; сильные ИВИ - 1018 м-2) и 5 значениях несущей частоты (/0) сигналов ССС (300 МГц; 406 МГц; 1620 МГц; 2200 МГц; 6700 МГц) на величину СКО флуктуаций фазового фронта выходной волны (ст ), параметра Райса у2, вероятность ошибки Рош при приеме сигналов ББЗК, а также на нормированную (к полосе частот Р) пропускную способность канала спутниковой связи С/Е ((бит/с)/Гц))
1
5
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-243-266
Системы управления,связи и безопасности №4. 2023
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
и уменьшение пропускной способности Сфл при отношении С/Ш на входе приемника И2=5 и И2=31.
Таблица 2 - Влияние состояния ионосферы (ат ~ 5-1013...1018, м 2) и выбора несущей частоты (/0) на параметры спутникового канала связи (а , у2, Рош, Сфл)
Несущая Параметры канала Состояния ионосферы (TKN [м 2]
частота [МГц] НИ-ночь 5-1013 НИ-день 8-1013 ЕВИ 1015 Слаб. ИВИ 1017 Сильн. ИВИ 1018
<?9 [РаД] 0,14 0,22 2,7 2,8-102 2,8 103
у2 50 19 3-10-4 0 0
Рош ПРИ h2=5 4,6-10-2 5,4-10-2 1,4-10-1 1,4-10-1 1,4-10-1
fo = 300 Рош ПРИ h2=31 3,4^10-6 6,8-10-5 3-10-2 3-10-2 3-10-2
С/F при h2=5 0,73 0,7 0,4 0,4 0,4
С/F при h2=31 1 1 0,8 0,8 0,8
Сфл при h2=5 0,97 0,93 0,54 0,54 0,54
Сфл при h2=31 1 1 0,8 0,8 0,8
(у9 [рад] 0,1 0,17 2 2-102 2-103
у2 91 36 1,3-10-2 0 0
Рош при h2=5 4,4-10-2 4,8-10-2 1,4-10-1 1,4-10-1 1,4-10-1
fo = 406 Рош при h2=31 8,5- 10-7 8,9- 10-6 3-10-2 3-10-2 3-10-2
С/F при h2=5 0,74 0,72 0,4 0,4 0,4
С/F при h2=31 1 1 0,8 0,8 0,8
Сфл при h2=5 0,98 0,96 0,54 0,54 0,54
Сфл при h2=31 1 1 0,8 0,8 0,8
[рад] 2,6-10-2 4-10-2 0,5 5-102 5-103
у2 1,5 103 5,7-102 3,2 0 0
Рош при h2=5 4,1 •Ю-2 4,1 -10-2 9,5-10-2 0,14 0,14
fo = 1620 Рош при h2=31 1- 10-7 1,4- 10-7 8,6- 10-3 3-10-2 3-10-2
С/F при h2=5 0,75 0,75 0,55 0,4 0,4
С/F при h2=31 1 1 0,93 0,8 0,8
Сфл при h2=5 0,99 0,99 0,73 0,54 0,54
Сфл при h2=31 1 1 0,93 0,8 0,8
(У9 [рад] 1, 9-10-2 3,1-10-2 0,39 38 3,8-102
у2 2,7-103 1-103 6,3 0 0
Рош при h2=5 4,1-10-2 4,1 -10-2 7,5-10-2 0,14 0,14
fo = 2200 Рош при h2=31 1- 10-7 1,6- 10-7 2,2- 10-3 3-10-2 3-10-2
С/F при h2=5 0,75 0,75 0,62 0,4 0,4
С/F при h2=31 1 1 0,98 0,8 0,8
Сфл при h2=5 1 1 0,82 0,54 0,54
Сфл при h2=31 1 1 0,98 0,8 0,8
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-243-266
Системы управления,связи и безопасности №4. 2023
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
Продолжение таблицы 2
Несущая Параметры канала Состояния ионосферы (TKN [м 2]
частота [МГц] НИ"НОчь 5-1013 НИ"День 8-1013 ЕВИ 1015 Слаб. ИВИ 1011 Сильн. ИВИ 1018
<?9 [рад] 6,3 •ю-3 10-2 0,12 13 1,3-102
у2 3-104 9,8^103 69 0 0
Рош при ^=5 4,1 •Ю-2 4,1 •Ю-2 4,5-10-2 0,14 0,14
f0 = 6100 Рош при ^=31 9,3 • 10-8 9,5- 10-8 2-10-6 3-10-2 3-10-2
СЕ при И2=5 0,15 0,15 0,13 0,4 0,4
СЕ при Л2=31 1 1 1 0,8 0,8
Сфл при И2=5 1 1 0,98 0,54 0,54
Сфл при И2=Ъ1 1 1 1 0,8 0,8
На основе полученных результатов таблицы 2 на рис. 7-8 приведены
графики зависимости Рош = У(ад^, /0, к) и Сфл = уОд^, /0,к ) в ССС при
5 состояниях ионосферы (аАМ согласно таблицы 1) для 5 значений несущей частоты (/0 = 300. 6700 МГц) при отношении С/Ш И2=5 (7 дБ) и И2=31 (15 дБ).
ош 1
НИ
ЕВИ
ИВИ
НИ
ЕВИ
ИВИ
1,410"
10'
4-10"
10'
-2
10"' 3-10"2
10"2
10"3
-4
10'
10"'
10"6
10"
10
13
10
14
10
15
10
16
1011GanT, м 2
10"'
10
13
10
14
10
1'
10
16
Ю^Одлт, м'
а)
б)
Рис. 7. Изменение помехоустойчивости ССС в зависимости от состояния ионосферы и выбора несущей частоты сигнала при: а) И2=5 (7 дБ);
б) Н2=31 (15 дБ)
Анализ зависимостей (рис. 7а) показывает, что при малом отношении С/Ш на входе приемника И2=5 (7 дБ) при низкой несущей частоте ССС (/0 = 300 МГц) с увеличением СКО флуктуации ПЭС с 1013 м-2 до значения
= 1015 м-2, (соответствующего ЕВИ) происходит увеличение вероятности
ош
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-243-266
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
ошибки с Рош = 4-10 2 до 1,4-10 1 (т.е. в 3,5 раза). При увеличении несущей частоты до /0 = 6700 МГц в диапазоне ~ 1013...1015 м-2 вероятность битовой
ошибки практически не возрастает (Рош ~ 4-10-2).
Анализ зависимостей (рис. 7б) показывает, что при отношении С/Ш Н2=31 (15 дБ), на низкой несущей частоте ССС (/0 = 300 МГц) с увеличением СКО флуктуации ПЭС на 1 порядок ~ 5-1013...5-1014 м-2 происходит увеличение
вероятности битовой ошибки примерно на 4 порядка (с Рош =2-10-6 до 3-10-2). При увеличении несущей частоты до /0 = 6700 МГц в диапазоне 34014...34015 м-2 вероятность битовой ошибки увеличивается примерно
а
A NT
на 5 порядков (с Рош=10"7 до 3-10 2).
V 2 л
Сфл = Crl Ст НИ
ЕВИ
0,8
0,6
0,54
0,4
ИВИ
1013 1014 10" ю1
«ДЛУ, м 10 10 10
а) б)
Рис. 8. Изменение пропускной способности канала спутниковой связи с замираниями относительно канала связи без замираний в зависимости от состояния ионосферы и несущей частоты при: а) И2=5 (7 дБ); б) Н2=31 (15 дБ)
1-/0=3
00 МГц
2 -/0=406 МГц
3 /=1620 МГц
4 -/0=2200 МГц
5 -/0=б700 МГц
СфЛ = CJ СЛИ 1
0,9
ЕВИ
ИВИ
0,8
0,7
л 14
U5
,16
1017 -2 10 Оддг, M
10
13
10
14
10
15
10
16
2 -/,=4)6 МГц 520 МГц
4 -/0=2200 МГц
5 -/0=6700 МГц 1017Одуг, м-
Анализ зависимостей (рис. 8а) показывает, что при малых отношениях С/Ш к2=5 (7 дБ) и низкой несущей частоте ССС (/0 = 300 МГц) с увеличением СКО флуктуаций ПЭС на 1 порядок ~ 1013...5-1014 м-2 происходит уменьшение битовой пропускной способности канала спутниковой связи с замираниями райсовского типа относительно канала связи без замираний Сфл = Су/Ст
на 46% (с 1 до 0,54). При дальнейшем возрастании аш >54014 м-2 пропускная способность не изменяется Сфл = С7/ Сх = 0,54 (что согласно рис. 6 характерно
для замираний релеевского типа). При увеличении несущей частоты до /0 = 6700 МГц в диапазоне~ 54013...54014 м-2 относительная пропускная способность канала спутниковой связи с замираниями практически не изменяется по сравнению с каналом без замираний Сфл = Су/С =1. При возникновении
ЕВИ и увеличении СКО флуктуации ПЭС в диапазоне <гш ~ 54014...1016 м-2
происходит уменьшение относительной пропускной способности канала спутниковой связи с замираниями райсовского типа на 46% (с Сфл = 1 до 0,54).
РР!: 10.24412/2410-9916-2023-4-243-266_
1
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
Анализ зависимостей (рис. 8б) показывает, что при отношении С/Ш Н2=31 (15 дБ) и низкой несущей частоте ССС (/0 = 300 МГц) с увеличением СКО флуктуации ПЭС до значения <уки ~ 5-1013...5-1014 м-2 происходит уменьшение
относительной пропускной способности канала спутниковой связи с замираниями райсовского типа на 20% (с Сфл = Су/ Ст = 1 до 0,8). При дальнейшем возрастании аШт пропускная способность не изменяется Сфл = Су /С ~ 0,8 (замирания релеевского типа). При увеличении несущей частоты до /0 = 6700 МГц в диапазоне~ 5-1013...2-1015 м-2 пропускная способность канала связи с замираниями практически не изменяется по сравнению с каналом без замираний Сфл = С/С =1. При возникновении ИВИ, увеличении СКО флуктуации ПЭС в
диапазоне ~ 24015...24016 м-2 происходит уменьшение относительной пропускной способности канала связи с замираниями райсовского типа на 20% (с Сфл = Сг/С =1 до 0,8).
Таким образом, анализ графиков на рис. 7 и 8 указывает на наличие следующих закономерностей влияния мелкомасштабных флуктуаций ПЭС ионосферы и выбора несущей частоты на помехоустойчивость и пропускную способность канала спутниковой связи.
1. При ЕВИ, сопровождаемых увеличением СКО мелкомасштабных флук-туаций ПЭС на 1.2 порядка (до ~ 1015 м-2), вероятность ошибки при
некогерентном приеме в ССС сигналов БББК с пониженными несущими частотами Р-диапазона (/0 = 300.406 МГц) при невысоком отношении С/Ш на входе приемника И2=7 дБ возрастает (см. кривые 1 и 2 на рис. 7а) всего в 3,5 раза (с Рош ~ 4-10-2 до Рош ~ 1,4-10-2), но относительная пропускная способность канала спутниковой связи уменьшается (рис. 8а) на 46 % (с Сфл = Су/ С =1 до 0,54).
2. Повышение отношения С/Ш на входе приемника ССС до традиционных значений И2=15 дБ при ЕВИ и пониженных несущих частотах (/0 = 300.406 МГц) приводит (кривые 1 и 2 на рис. 7б и 8б) к увеличению вероятности ошибочки на 5 порядков ( с Рош ~ 10-7 до Рош ~ 340-2 и уменьшению пропускной способности на 20 % (с Сфл = 1 до 0,8).
3. Повышение несущей частоты до традиционных значений в Ь и Б - диапазонах /0 = 1620 МГц и 2200 МГц (линии 3-4 на рис. 7б и 8б) обеспечивает в условиях ЕВИ при И2=15 дБ уменьшение вероятности ошибки до Рош ~ 8-10-3 ...2-10-3 (т.е. в 4.15 раз меньше, чем на пониженных частотах /0 = 300.406 МГц) и существенное повышение пропускной способности (до Сфл = 0,93.0,98).
4. Повышение несущей частоты до С-диапазона /0 = 6700 МГц (линии 5 на рис. 7б и 8б) обеспечивает при ЕВИ и И2=15 дБ уменьшение вероятности ошибки в ССС до Рош ~ 10-6 (т.е. на 4 порядка меньше, чем на пониженных частотах /0 = 300.406 МГц) и повышение пропускной способности до Сфл =1.
5. В условиях ИВИ, сопровождаемых увеличением СКО мелкомасштабных флуктуаций ПЭС на 4.5 порядка (до аАЫ ~ 1017 .1018 м-2), повышение
несущей частоты до С - диапазона /0 = 6700 МГц (линии 5 на рис. 7б и 8б) и ре-
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-243-266
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
ализация традиционного отношения С/Ш на входе приемника h2=15 дБ не обеспечивает уменьшение вероятности ошибки в ССС ниже Рош ~ 3-10-2 и повышение относительной пропускной способности выше Сфл = Су/ Сда = 0,8.
На основе указанных тенденций можно дать несколько рекомендаций по повышению помехоустойчивости и пропускной способности канала спутниковой связи в условиях мелкомасштабных возмущений ионосферы.
1. В условиях ЕВИ возможно обеспечить незначительное уменьшение вероятности ошибки при некогерентном приеме в ССС сигналов BFSK за счет увеличения входного отношения С/Ш (согласно рис 7а и 7б при f0 = 300.406 МГц и h2=7 дБ обеспечивается Рош ~ 1,440-1, тогда как при h2=15 дБ обеспечивается Рош ~ 3-10-2). При этом возрастает (см. рис. 8а и 8б) пропускная способность канала с Сфл = Су/ Сда = 0,54 до 0,8.
2. Более эффективным является путь увеличения несущей частоты ССС. Согласно рис. 7б в условиях ЕВИ можно обеспечить уменьшение вероятности ошибки при h2=15 дБ на 5 порядков (с Рош ~ 3-10-2 до Рош ~ 10-6 ) за счет увеличения несущей частоты с f = 300.406 МГц до f = 6700 МГц. При этом возрастает (см. рис. 8б) пропускная способность канала с Сфл = СУ1 Сда = 0,8 до
Сфл - 0,95.
Выводы
Разработана методика оценки влияния мелкомасштабных флуктуаций ПЭС ионосферы и выбора несущей частоты на пропускную способность канала спутниковой связи (на примере некогерентного приема сигналов BFSK).
Основными этапами данной методики являются:
1) задание исходных данных для среднего отношения сигнал/шум на входе приемника к2 = к1, несущей частоты f и ширины F спектра сигнала, СКО мелкомасштабных флуктуаций ПЭС ионосферы ;
2) определение СКО флуктуации фазового фронта волны на выходе ионосферы (6) ~ aANr / /0;
3) определение параметра распределения Райса, характеризующего глубину замираний сигнала на входе приемника ССС (7)у2 ~ l/сг2 ~ (/0/сгШт) ;
4) определение вероятности ошибочного приема сигналов с райсовскими замираниями (8) Рош = у ( к2 ,у2 j;
5) определение нормированной пропускной способности симметричного бинарного канала связи с райсовскими замираниями (12, 13) С/F =
= С (да < у2 < 0)/F = у (к2 ,у2 j;
6) определение величины (15) Сфл = С/С = У(к2,у2 j уменьшения пропускной способности канала связи с замираниями райсовского типа С = С(да < у2 < 0)/F относительно канала связи без замираний С = С (у2 = да)/F.
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-243-266
Systems of Control, Communication and Security
ISSN 2410-9916
Новизна разработанной методики состоит в применении моделей изменения по высоте электронной концентрации в мелкомасштабном ионосферном образовании и процесса возникновения ионосферных замираний при распространении радиоволн в ССС (рис. 1) в качестве основы для получения зависимости пропускной способности спутникового канала связи с замираниями от СКО мелкомасштабных флуктуаций ПЭС ионосферы (ст ), величина которой
может быть измерена разработанным в [17, 18] комплексом GPS- мониторинга ионосферы.
На основе разработанной методики получены графики зависимостей (рис. 7-8) вероятности ошибочного приема бинарных сигналов
= у ja^, /, к2 j в ССС и относительной пропускной способности
Сфл = > / > к2) канала спутниковой связи от изменения СКО мелкомас-
штабных флуктуаций ПЭС (aKN = 1013...1018 м"2) в ионосфере, выбора несущей частоты (/0 =300.6700 МГц) и среднего отношения сигнал/шум на входе приемника (к2 = к2).
Анализ указанных графиков позволил выявить следующие основные закономерности.
1. Увеличение СКО мелкомасштабных флуктуаций ПЭС (сг^ ) при естественных и искусственных возмущениях ионосферы приводит к значительному (на 1-5 порядков) возрастанию вероятности ошибочного приема (до Рош~10-1) бинарных сигналов в ССС (рис. 7) и небольшому снижению относительной пропускной способности (до Сфл = CYI Сш =0,54.0,8) канала спутниковой связи (рис. 8).
2. Повышение отношения С/Ш (h2) на входе приемника ССС в условиях мелкомасштабных возмущений ионосферы обеспечивает незначительное уменьшение вероятности ошибочного приема и увеличение относительной пропускной способности канала.
3. Повышение несущей частоты ССС с f = 300 МГц до 6700 МГц в условиях мелкомасштабных возмущений ионосферы обеспечивает значительное уменьшение вероятности ошибки (до 4-5 порядков) и увеличение относительной пропускной способности спутникового канала выше Сфл=0,8.
На основе разработанной методики планируется исследование устойчивости телекоммуникационной сети спутниковой связи к деструктивным воздействиям [19] с целью оценки информационной доступности и вероятности доведения сообщения в системах спутниковой связи при интегральном воздействии активных и пассивных помех.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда в рамках научного проекта № 22-21-00768 (https://rscf.ru/project/22-21-00768) «Методология построения структурно-физических моделей трансионосферных радиоканалов и их применения к анализу спутниковых радиосистем при ионосферных сцинт илляциях ».
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-243-266
Системы управления,связи и безопасности №4. 2023
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
Литература
1. Маслов О. Н., Пашинцев В. П. Модели трансионосферных радиоканалов и помехоустойчивость систем космической связи // Инфокоммуникационные технологии. Приложение к журналу. 2006. № 4. 357 с.
2. Кловский Д. Д., Сойфер В. А. Пропускная способность многолучевых каналов // Проблемы передачи информации. 1972. Т. 8. № 1. С. 16-25.
3. Финк Л. М. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Издательство «Советское радио», 1963. 576 с.
4. Дубровский В. В., Отрох С И., Попова М. С. Оценка пропускной способности канала с аддитивными и мультипликативными помехами для сигнальной конструкции на основе фазовой манипуляции // Проблемы инфокоммуникаций. 2017. № 2 (6). С. 88-94.
5. Yeh K. C., Liu C. H. Radio wave scintillation in the ionosphere // Proceedings of the IEEE. 1982. Vol. 70. No. 4. P. 324-359.
6. Чечин Г. В. Спутниковые системы связи на базе негеостационарных ретрансляторов. М.: Горячая линия - Телеком, 2020. 118 с.
7. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. М.: Издательский дом «Вильямс», 2017. 1100 с.
8. Пенин П. И. Системы передачи цифровой информации. М.: Издательство «Советское радио», 1976. 368 с.
9. Диптан П. А. Алгоритм оценки пропускной способности спутникового канала связи с замираниями // Студенческая наука - для развития информационного общества: сборник научных трудов по материалам XIV Всероссийской научно-технической конференции (Ставрополь, 18 мая 2023 г.). Ставрополь: Северо-Кавказский федеральный университет, 2023. С. 124-127.
10. Макаренко С. И. Описательная модель системы спутниковой связи MUOS // Системы управления, связи и безопасности. 2019. № 3. С. 89-116. DOI: 10.24411/2410-9916-2019-10306
11. Pashintsev V.P., Peskov M.V., Kalmykov I.A., Zhuk A.P., Toiskin V.E. Method for forecasting of interference immunity of low frequency satellite communication systems // Journal of interdisciplinary research. 2020. Vol. 10. No. 1. P. 367-375. DOI: 10.33543/1001
12. Многофункциональная система персональной спутниковой связи «Гонец-Д1М» // Презентация МСПСС «Гонец-Д1М» [Электронный ресурс]. 11.09.2023. - URL: https://gonets.ru/rus/uslugi/sistema-gonets (дата обращения 11.09.2023).
13. Коверзнев Е. А., Сурков Д. М. Анализ надежности связи в системе КОСПАС-САРСАТ // Научный вестник Московского государственного университета гражданской авиации. 2006. № 9 9. С. 111-115.
14. Назаров Л. Е., Антонов Д. В., Батанов В. В., Зудилин А. С., Смирнов М. Т. Модели сцинтилляции сигналов при распространении по ионосферным спутниковым радиолиниям // Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии. 2019. № 11 (1). С. 57-64.
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-243-266
Системы управления,связи и безопасности №4. 2023
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
15. Макаренко С. И. Описательная модель системы спутниковой связи Iridium // Системы управления, связи и безопасности. 2018. № 4. С. 1-34. URL: http://sccs.intelgr.com/archive/2018-04/01-Makarenko.pdf.
16. Афраймович Э. Л., Астафьева Э. И., Воейков С. В., Гаврилюк Н. С., Едемский И. К., Живетьев И. В., Ишин А. Б., Косогоров Е. А., Леонович Л. А., Лесюта О. С., Паламарчук К. С., Перевалова Н. П., Полякова А. С., Смольков Г. Я., Ясюкевич Ю. В. Исследования ионосферных возмущений методами GPS-радиозондирования в ИСЗФ СО РАН // Солнечно-земная физика. 2011. № 18 (131). С. 24-39.
17. Pashintsev V. P., Peskov M. V., Senokosov M. A., Mikhailov D. A., Skorik A. D. A system for measuring the scintillation index based on the results of monitoring of small-scale fluctuations in the total electron content of the ionosphere // GPS Solutions. 2024. Vol. 28. № 1. P. 1-14. DOI: 10.1007/s10291-023-01550-1
18. Chemin Y.H.H. Ionosphere - New Perspectives. IntechOpen, 2023. 178 р. DOI: 10.5772/intechopen. 1001520
19. Диптан П. А. Актуальные вопросы повышения устойчивости телекоммуникационной сети спутниковой связи к деструктивным воздействиям // Наука в современном обществе: закономерности и тенденции развития: сборник статей Международной научно-практической конференции (Оренбург, 27 июня 2021 г.). Уфа, 2021. С. 28-32.
References
1. Maslov O. N., Pashintsev V. P. Modeli transionosfernykh radiokanalov i pomekhoustoichivost' sistem kosmicheskoi sviazi [Transionospheric radio channel models and noise immunity of space communication systems]. Infocommunication Technologies, (magazine supplement), 2006, vol. 4, 357 p. (in Russian).
2. Klovskii D. D., Soifer V. A. Propusknaia sposobnost' mnogoluchevykh kanalov [Capacity of multipath channels]. Problems of information transmission, 1972, vol. 8, no. 1, pp. 16-25 (in Russian).
3. Fink L. M. Teoriya peredachi diskretnyh soobshchenij [Theory of discrete messages transmission]. Moscow, Soviet Radio Publ., 1963. 576 p. (in Russian).
4. Dubrovsky V. V., Otrokh S. I., Popova M. S. The capacity estimation of a channel with additive and multiplicative interference for a phase shift-keying signal. Problems of infocommunication, 2017, vol. 6, no. 2, pp. 88-94 (in Russian).
5. Yeh K. C., Liu C. H. Radio wave scintillation in the ionosphere, Proceedings of the IEEE, 1982, vol. 70, no. 4, pp. 324-359.
6. Chechin G. V. Sputnikovye sistemy sviazi na baze negeostatsionarnykh retransliatorov [Satellite communication systems based on non-geostationary repeaters]. Moskow, Hot line-Telecom Publ., 2020. 118 p. (in Russian).
7. Sklar Bernard. Digital Communication Fundamentails and Application. Prentice Hall Publ., 2017. 1104 p.
8. Penin P. I. Sistemy peredachi tsifrovoi informatsii [Digital information transmission systems]. Moskow, Soviet Radio Publ., 1976. 368 p. (in Russian).
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-243-266
Системы управления,связи и безопасности №4. 2023
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
9. Diptan P. A. Algoritm otsenki propusknoi sposobnosti sputnikovogo kanala sviazi s zamiraniiami [Fading satellite link throughput estimation algorithm]. Studencheskaia nauka - dlia razvitiia informatsionnogo obshchestva: sbornik nauchnykh trudov po materialam XIV Vserossiiskoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii [Student Science for the Development of the Information Society: Collection of Scientific papers based on the Materials of the XIV All-Russian Scientific and Technical Conference]. Stavropol, North-Caucasian Federal University, 2023, pp. 124-127 (in Russian).
10. Makarenko S. I. Descriptive Model of MUOS satellite communication system. System of Control, Communication and Security, 2019, no. 3, pp. 89-116. DOI: 10.24411/2410-9916-2019-10306 (in Russian).
11. Pashintsev V. P., Peskov M. V., Kalmykov I. A., Zhuk A. P., Toiskin V. E. Method for forecasting of interference immunity of low frequency satellite communication systems. Journal of interdisciplinary research, 2020, vol. 10, no. 1, pp. 367-375. DOI: 10.33543/1001.
12. Multifunctional system of personal satellite communication and data transmition «Gonets-D1M». Presentation, 11.09.2023. Available at: https://gonets.ru/rus/uslugi/sistema-gonets (accessed 11.09.2023).
13. Koverznev E. A., Surkov D. M. Reliability Analysis of the COSPAS-SARSAT channel. Civil Aviation high technologies, 2006, no. 99, pp. 111-115 (in Russian).
14. Nazarov L. E., Antonov D. V., Batanov V. V., Zudilin A. S., Smirnov M. T. The scintillation models for signal propagation through satellite ionospheric channels. Radioelectronic. Nanosystems. Informatsionnyye tekhnologii, 2019, vol. 1, no. 11, pp. 57-64 (in Russian).
15. Makarenko S. I. Descriptive Model of Iridium Satellite Communication System. System of Control, Communication and Security, 2018, no. 4, pp. 1-34. Available at: http://sccs.intelgr.com/archive/2018-04/01-Makarenko.pdf (in Russian).
16. Afraymovich E. L., Astafyeva E. I., Voeikov S. V. Gavrilyuk N. S., Edemsky I. K., Zhivetyev I. V., Ishin A. B., Kosogorov E. A., Leonovich L. A., Lesyuta O. S., Palamarchuk K. S., Perevalova N. P., Polyakova A. S., Smolkov G. Ya., Yasyukevich Yu. V. Issledovanie sredneshirotnykh ionosferno-magnitosfernykh vozmushchenii, vliiaiushchikh na funktsionirovanie sputnikovykh radionavigatsionnykh sistem [Investigation of average latitude ionospheric-magnetospheric disturbances affecting functioning of satellite radio navigation systems. Solar-terrestrial physics, 2011, vol. 131, no. 18, pp. 24-39 (in Russian).
17. Pashintsev V. P., Peskov M. V., Senokosov M. A., Mikhailov D. A., Skorik A. D. A system for measuring the scintillation index based on the results of monitoring of small-scale fluctuations in the total electron content of the ionosphere. GPS Solutions, 2024, vol. 28, no. 1, pp 1-14. DOI: 10.1007/s10291-023-01550-1.
18. Chemin Y.H.H. Ionosphere - New Perspectives. IntechOpen, 2023. 178 p. DOI: 10.5772/intechopen. 1001520
19. Diptan P. A. Aktual'nye voprosy povysheniia ustoichivosti telekommunikatsionnoi seti sputnikovoi sviazi k destruktivnym vozdeistviiam [Actual issues of improving the stability of the telecommunications network of
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-243-266
Системы управления,связи и безопасности №4. 2023
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
satellite communications to destructive influences]. Nauka v sovremennom obshchestve: zakonomernosti i tendentsii razvitiia: sbornik statei Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii. [Science in modern society: patterns and development trends: collection of articles of the International Scientific and Practical Conference]. Orenburg, 2021, pp. 28-32 (in Russian).
Статья поступила 10 ноября 2023 г.
Информация об авторах
Пашинцев Владимир Петрович - доктор технических наук, профессор. Профессор кафедры информационной безопасности автоматизированных систем. Северо-Кавказский Федеральный Университет. Область научных интересов: влияние возмущений ионосферы на показатели качества систем спутниковой связи и навигации. E-mail: pashintsevp@mail.ru
Диптан Павел Анатольевич - аспирант кафедры информационной безопасности автоматизированных систем. Северо-Кавказский Федеральный Университет. Область научных интересов: влияние возмущений ионосферы на показатели качества систем спутниковой связи, телекоммуникационные сети, информационная безопасность. E-mail: pasha_stavarm@rambler.ru
Гринев Евгений Михайлович - аспирант кафедры информационной безопасности автоматизированных систем. Северо-Кавказский Федеральный Университет. Область научных интересов: повышение качества коротковолновой связи в условиях диффузности ионосферы, влияние возмущений ионосферы на показатели качества систем спутниковой связи. E-mail: saru3d@yandex.ru
Киселев Николай Владимирович - соискатель ученой степени кандидата технических наук кафедры информационной безопасности автоматизированных систем. Северо-Кавказский Федеральный Университет. Область научных интересов: влияние возмущений ионосферы на показатели качества систем спутниковой связи. E-mail: vkicelev@rambler.ru
Адрес: 355017, Россия, г. Ставрополь, ул. Пушкина, д. 1.
Methodology for estimating the bandwidth of a satellite communication channel with fading
V. P. Pashintsev, P. A. Diptan, E. M. Grinev, N. V. Kiselev
Problem statement: It is known that signal fading leads to a decrease in interference immunity and bandwidth of the communication channel. Existing methods for estimating the capacity of a satellite communication channel do not take into account the influence of ionospheric perturbations accompanied by the formation of small-scale inhomogeneities on the occurrence of fading of received signals. The purpose of the work: is to develop a methodology for assessing the impact of small-scale fluctuations in the total electron content (TEC) of the ionosphere and the choice of the carrier frequency on the capacity of the satellite communication channel. Result: a set of analytical expressions was obtained to estimate the dependence of the normalized bandwidth of the transionospheric communication channel on the signal-to-noise ratio at the receiver input, the standard deviation of small-scale fluctuations of the ionospheric TPP and the carrier fre-
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-243-266
Системы управления,связи и безопасности №4. 2023
Systems of Control, Communication and Security ISSN 2410-9916
quency of the signal. Novelty: the novelty of the developed methodology lies in the application of models of changes in the height of the electron concentration in small-scale ionospheric formation and the process of ionospheric fading during the propagation of radio waves in satellite communication systems as a basis for obtaining the dependence of the capacity of the satellite communication channel with fading on the standard deviation of small-scale fluctuations of the ionospheric TEC. Practical significance: the results obtained from the development of the methodology allow us to identify the main regularities of the influence of the increase in the carrier frequency of the satellite communication system, the signal-to-noise ratio at the receiver input and small-scale fluctuations of the total electronic content of the ionosphere at its natural and artificial perturbations on the change in the capacity of the satellite communication channel
Key words: capacity, bandwidth, probability of error, satellite link, fading, ionosphere, total electronic content, TEC, small-scale heterogeneities.
Information about Authors
Vladimir Petrovich Pashintsev - Dr. habil. of Engineering Sciences, Full Professor. Professor of at the Department of Information Security of Automated Systems. North Caucasus Federal University. Field of research: the influence of ionospheric perturbations on the quality indicators of satellite communication and navigation systems. E-mail: pashintsevp@mail.ru
Pavel Anatolevich Diptan - graduate student of the Department of Information Security of Automated Systems. North Caucasus Federal University. Field of research: the influence of ionospheric perturbations on the quality indicators of satellite communication systems, telecommunication networks, information security. E -mail: pasha_stavarm@rambler.ru
Evgeny Mikhailovich Grinev - graduate student of the Department of Information Security of Automated Systems. North Caucasus Federal University. Field of research: improving the quality of shortwave communication in diffuse ionospheric conditions, the influence of ionospheric perturbations on the quality indicators of satellite communication systems. E-mail: saru3d@yandex.ru
Nikolaj Vladimirovich Kiselev - doctoral student at the Department of Information Security of Automated Systems. North Caucasus Federal University. Field of research: the influence of ionospheric perturbations on the quality indicators of satellite communication systems. E-mail: vkicelev@rambler.ru Address: 355017, Russia, Stavropol, Pushkin street, 1.
DOI: 10.24412/2410-9916-2023-4-243-266
