CC BY
87
УДК 621.391.037.3
В.Л, Хазан, V.L. Hazan, e-mail: vlhazan@yandeK.nt И.З. Дулькешп, I.V. Dulkeyt, e-mail; dulkeytiv((iyandex.nt И С.Земшшов, I.S. Zemlyanoy, e-mail: 79236746790@ya.ru ЕЛ. Чащин, Е.А. Chas chine, e-mail: chashm, evp(a)ffriail. corn Омский государственный технический университет, г. Омск. Россия Omsk State Technical University, Omsk, Russia
МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В СИСТЕМАХ КОРОТКОВОЛНОВОЙ РАДИОСВЯЗИ
METHOD SOFT DATA SPEED IN CREASEIX SHОRTWA VEOOMMUNICATIOX SYSTEM
В статье рассматривается влияние параметров OFDM сигнала с фаговой манипуляцией вдоль оси частот и методов синхронизации рядно линии на эффективность KB радиосвязи. Приводятся ;авнснмостн энергетической эффективности радиолиний от скорости передачи данных при различных методах ее повышения. Даются рекомендации по практическому применению OFDM сигнала с фазовой манипуляцией вдоль оси частот в КБ радиолиниях.
The article considers, influence of both the characteristics of OFDM signal with phase-shift кеуше (PSK) along an axis of frequencies and the synchronization methods of a wireless link on short-wave communication efficiency. There are presented the dependences of the wireless link energy efficiency on data speed in case of various data speed increase methods. It Rites recommendations on applications of PSK alone an axis of frequencies ofdin signal in the short-wave wireless links.
Ключевые слова: коэффициент исправного действия, сигналъно-кодовая конструкция, межсимваяьная интерференция, поднесущие, коротковолновая связь
Key words: reliability coefficient (или correct action coefficient), sign a'-code sequence, symbol-to-symbol interference, sub carriers, short-wave communication
Реализация современной высокоэффективной и конкурентоспособной системы хозяйствования в Арктике невозможна без надлежащей организации системы обеспечения безопасности мореплавания в акватории С МП, основой которой является информационное обеспечение хозяйствующих субъектов, причем сделать это придется в условиях практически полного отсутствия информационной инфраструктуры [1]
Начиная с 2000 года Российская Федерация осуществляет передачи информации по безопасности мореплавания через подспутниковые зоны ИНМАРСАТ в Индийском и Тихом океанах, но они не обеспечивают полное покрытие акватории С МП, кроме того имеется разрыв рабочей зоны в восточной Арктике, примерно от 100 до 140 град. в.д. УКВ системы передачи данных работают в пределах прямой видимости с зоной охвата от нескольких километров до нескольких десятков километров, в зависимости от высоты поднятая антенн, и для охвата обширных территорий требуют развитой сети береговых УКВ радиостанпий.
В этих условиях, коротковолновая (KB) радиосвязьявляется одним из основных телекоммуникационных ресурсов, используемых для связи с подвижными объектами. К ее преимуществам относятся:
- оперативность и простота организации радиосвязи с подвижными объектами на большие расстояния:
- восстанавливаемость радиосвязи в случае ее нарушения (в результате воздействия как случайных, так и преднамеренных помех);
- сравнительно низкая стоимость одного канала на километр дальности связи.
Между тем, существующие судовые КБ-радиоустановки обеспечивают связь лишь в режиме однополосной аналоговой телефонии и телеграфную связь со скоростью передачи данных 100 бит/с в режимах УБГТЧ (узкополосноебуквопечатание) и ЦИВ (цифровой избирательный вызов). В тоже время, современные модемы позволяют реализовать скорость передачи данных в полосе телефонного канала (3,1 кГц) до 9600 бит/с [2].
В связи с этим, предполагается дальнейшее развитие Глобальной морской системы связи при бедствии и для обеспечения безопасности (ГМССБ), которое будет идти в направлении внедрения новых цифровых технологий связи и передачи данных в УКВ и КБ диапазонах. что было отражено в отчете межсессионной корреспондентской группы по пересмотру и модернизации ГМССБ. представленном на 17 сессии COMSAR. в январе 2013 года [1].
Основные проблемы организации радиосвязи в КБ диапазоне, связаны с большой его загруженностью, многалучевостью распространения радиоволн и нестационарное тъю каналов ионосферного распространения, как по времени, так и по частоте. Поэтому' переход к цифровым системам связи и повышение скорости передачи информации в KB радиоканате требует применения специальных алгоритмов обработки сигнала, учитывающих явление межсимвольной интерференции (МСИ) возникающей из-за явления многолучёвости распространения радиоволн.
Современные высокоскоростные модемы реализуются, как правило, на основе применения метода уплотнения с ортогонально-частотным разделением (OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing), так как эти сигналы обеспечивают наибольшую эффективность исполь зования частотного спектра и позволяют использовать эффективные способы модуляции и демодуляции. При эгом большинство систем связи, используют относительную фазовую манипулянию вдоль оси времени.
В настоящей статье рассматривается относительная фазовая манипуляция вдоль оси частот. Близкое расположение частот соседних поднесущих обеспечивает высокий коэффициент взаимной корреляции передаваемых по ним сигналив, что снижает влияние характеристик многолучевого каната связи на параметры сигнала и позволяет добиться более высокой помехоустойчивости при передаче сообщений.
Расстояние между подканалами вдоль оси частот выбрано равным, например, 4 Гц -775 поднесущих в полосе 3100 Гц. Максимальное количество позипий при фазовой манипуляции может быть принято равным 16 (рис. 1).
О
Рис.1. Параллельный модем с 16 позиционным ОФМ сигналом на поднесущих частотах
В итоге результирующая техническая скорость передачи дискретных сообщений в полосе однополосного телефонного канала связи может достигать 12400 бит/с (рисунок 2).
Рассмотрим влияние параметров OFDM сигнала с фазовой манипуляцией вдоль оси частот на эффективность радиосвязи, в качестве критерия которой рассматриваются энергетические характеристики радиолинии, необходимые для обеспечения заданного качества приема сигнала.
-1 * 4 * 775= 12400
бита посылок поднееущнх бпт/с
Рнс. 2. Предельная скорость передачи дискретных сообщения
На рис. 3 приведена зависимость вероятности ошибок от отношения сигнал шум без помехоустойчивого кодирования и с использованием турбокода с избыточностью 4/5. Из него следует, что при вероятности ошибки менее 1Оначинает эффективно работать помехоустойчивое кодировали е.Поскольку в настоящей статье методы помехоустойчивого кодирования не рассматриваются, оценку эффективности радиолиний с высокоскоростной передачей данных, будем производить по энергетически показателям - отношению сигнал/шум на бит [3]. необходимое для обеспечения заданной вероятности ошибок 1(Г
Рис. 3. Зависимость вероятности ошибок от отношения сигнал шум
Эффективность систем с OFDM зависит от типа используемого сигнального созвездия, рассмотрим некоторые из них (рис. 4). Точки соответствующие представленным на графике 4 типам снгаально-кодовых конструкций были расставлены таким образом, чтобы ближайшие символы отличались только в одном разряде.
На рисунке 5 приведены результаты моделирования работы модема соответственно для: хорошего а); среднего 6) и плохого в), согласно рекомендации ГШ-Л Р.1487[4], каналов и для различных типов сигнальных созвездий.
РЭК-16 4-ОР5КАР5К-16
10Р5И
РЕЮ1Б Б1ш
ОЧЛ1Б
РЗК-16
аш ОЛМ-1Б
ЗгЛдБ
Расстояние между поднесущями 4 Гц. Информационная скорость! 1780 бит/с
ЭМИ дБ
Расстояние между псднесущимн 8 Гц. Информационная скорость! 1146 бкг/с
Расстояние между поднесущньш 16 Гц. Информационная скорость 10240 бит/с
рак 16
ОАИ-1Е
в) Плохой канал
■ ■ I
I
I
..-■ 16 ■■■I ■ I
. I ■
РЗНМб
■ , - 5 .. ;. ■.
Расстояние между поднесущнмн 4 Гц. Информационная скорость 11780 бнт/с
Расстояние между поднесущнмн 8 Гц. Информационная скорость 11146 бнт/с
Расстояние между поднесущимн 16 Гц. Информационная скорость 10240 бнт/с
л I | 6
-=ЛУ
□ Дк1.1Б
Е5к.16 -1---.■ ■ - .. I
. :■-!
I-■ ■■ ■ 16 и ■ I
N д .
Расстояние между поднесущнмн 8 Гц. Информационная скорость 11146 бит/с
Рас стояние между поднесущнмн 4 Гц. Информационная скорость 11780 бнг/с
Расстояние между поднесущнмн 16 Гц. Информационная скорость 10240 бит/с
а) Хороший канал
Рис. 5. Результаты моделирования работы модема для хорошего, среднего н плохого каналов в для различных пшов сигнальных созвегднн.
По результатам моделирования дли различных каналов связи были построены аисивсш необходимого для обеспечения заданной вероятности ошибки отношения сигнал/шум от скорости передачи ДЛННЫХ. рис 6.
40
35 30 25 20 15 10 5 0
»ДБГШ
•Хороший по IITJ-R канал
Средний по ITU-R канал
'Плохой по ITU-R канал
2000 4000 6000 S000 Скорость бит/с
10000
Рис. 6. Зависимость отношения сшгшш;'шум. необходимого для обеспечения вероятности ошибок не более 10". от скорости передачи данных
Выводы
Как видно из графиков, приведенных на рисунке 5 во всех каналах наиболее эффективно прныенеHHeOFDMQAM 16. при атом в хорошем канале а) расстояние между поднесущими 4 Гц. в среднем канале о) с расстоянием между7 поднесущкмн S Гц, а в плохом канале в) с расстоянием между поднесущнмн 16 Гц. Т.е. с ухудшением качества канала целесообразно введение адаптации по величине разнесения поднесущих. Полученные результаты согласуются с приведенным в[5] рекомендованным интервалом частотного разноса поднесущих для OFDM сигнала
<Л< 0,003—^—. (1)
,majt<-< 0,003
) Dmax
где Ттах - максимальная задержка между лучами в многолучевом канале, а 1цтах~ максимальная частота Доплеровского рассеяния.
Для хорошего, среднего н плохого каналов соответственно имеем Г
ШОЛ1
0,5; 1 н 2 мс. а
/г>тах~ 0.1: 0,5 и 1 Гц, подставив эти значения в (1) получим рекомендованный интервал частотного разнесения поднесущих:
- хороший канал — 3 Гц А/ <500 Гц;
- средний канал - 16 Гц < А/ < 250 Гц;
- плохой канал — 32 Гц < А/ <125 Гц.
Из рнс. 6 следует, что увеличение скорости передачи в два раза (с 3100 до 6200 бнт/с) не требует значительного увеличения энергетики радиолинии для каналов АБП11 хорошего н среднего каналов по ТГО-БТ. 1487. Дальнейшее увеличение скорости передачи данных до 9300 бнт/с требует двукратного увеличения энергетики радиолншш для каналов с АБГШ и хорошего канала. Для работы в среднем канале. требуемое увеличение энергетики радиолинии составляет до 10 раз. Работа в плохом канале требует значительного увеличения энергии сигнала, уже при скорости 6200 бит/с почти на порядок по отношению к среднему каналу.
Таким образом, использование ОЬТ)М сигнала с фазовой манипуляцией вдоль оси частот, позволяет достичь электрической скорости передачи данных до 6200 бит/с при вероятности ошибки не более 10". что соответствует информационной скорости 4800 бнт/с прн вероятности ошибки 10"4 -10"'. при использовании турбокода с избыточностью 4/5. При необходимости работы с более высокой скоростью и при возможности попадания в плохой канал нужно использовать адаптивные радиолинии.
Библиографический список
1. Дулькент. И. В Принципы построения системы обеспечения безопасности мореплавания в арктических морях Российской Федерации / И. В. Дулькейт. В. М. Свнрскнй, А. Р. Шигдбутдниов // Радиотехника, электроника н связь (РЭиС-2013) : сб. докл. П Междунар. научи.-техн. коиф. 1-4 окт. 2013. - Омск. 2013 - С. 31 Е- 28.
2. MEL-STD-188-1 ЮС // IoIeroperah^tymdperfcmrkmcestaiidMba for data modem.?. 23 September 2011 [Экпршннйресурс] : - Режим доступа httpfflr'i_radio5caimrr_rii',illr5.Mo\viiload;file 13 71 fi.'mil-std-188_l 10c.pdf
3. Финк, Л. M. Теория передачи дискретных сообшений / Л . М. Финк ; изд. 2-е пере-раб и доп.. - М. : Советское радио, 1970. - 727 с.
4. Testing of HF modems with bandwidth* of up to about 12 kHz using ionospheric channel simulators [Электронный ресурс] : Recommendation ETU-R F.T4E7. — 2000. — № 05. - Режим доступа : http ^/wwwjftuntrec/R REC F 1487-0-200005-Ifen
5. Rohling, H. OFDM : Concepts for Future Communication Systems / H Rolilitig U Signals and Communication Technology, DOI: 10.1007/973-3-642-17496-4-1, Spnnger-Verlag. -Berlin Heidelberg, 2011.
