CC BY
110
МОДЕЛЬ МНОГОМЕРНОЙ ЧАСТОТНО-ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННОЙ СИГНАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ ПОМЕХОЗАЩИЩЕННЫХ ЛИНИЙ
РАДИОСВЯЗИ
В качестве предмета исследования выбраны модели сигнальных конструкций помехозащищенных цифровых линий радиосвязи. Цель работы - повышение устойчивости функционирования сетей радиосвязи с подвижными объектами. В работе показаны недостаточные свойства устойчивости к воздействию преднамеренных помех известных многопозиционных сигнальных конструкций. На основе требований, предъявляемым к современным линиям радиосвязи, обоснована актуальность решения задач синтеза многопозиционных сигналов. Для решения формализованных задач применены методы тории сигналов, систем, статистической радиотехники, помехозащиты радиолиний. В целях обеспечения структурной скрытности формируемой сигнальной конструкции предложено использование частотно-временных матриц. Показаны недостатки формируемых таким образом сигналов. Разработаны технические решения по снижению требований к параметрам радиоканала. Отличительной особенность разработанных сигнальных конструкций является кодирование элементами импульсной битовой последовательности рабочими частотами радиолинии. На основе аналитических моделей доказаны свойства повышенной структурной скрытности формируемых сигналов. С использованием методов параллельного использования частотного ресурса разработаны предложения по повышению свойств помехоустойчивости многочастотной сигнальной конструкции. На основе методов имитационного моделирования проведена оценка ее эффективности. Показаны высокие потенциальные свойства помехоустойчивости многочастотных параллельных сигналов. Обоснованы ограничения их практического применения. С позиций системы преднамеренного деструктивного противодействия показана модель радиолинии как радиосистемы со случайным изменением девиации частоты многопозиционного сигнала. Для устранения структурного признака формируемого сигнала предложена модуляция рабочих частот. В качестве модуляционного формата обосновано применение помехоустойчивой двукратной фазовой манипуляции. Особенностью формирования сигнала является внесение случайного значения изменения фазы в процессе модуляции, кратной значению разности фаз в многофазной сигнальной конструкции. Формализован процесс формирования разработанной сигнальной конструкции. Показано, что для системы преднамеренного деструктивного противодействия разработанная модель эквивалентна многопозиционному сигналу фазовой манипуляции с программной перестройкой рабочей частоты. Обоснована модель деструктивного преднамеренного воздействия на ресурсы такой радиолинии. На основе данной модели проведен эксперимент по передачи информации в радиолинии, определены показатели ее эффективности. Сделан вывод о расширении спектра формируемой сигнальной конструкции. Показаны ограничения практической реализации разработанной многопозиционной частотно-фазоманипулированной сигнальной конструкции. Определены направления дальнейших исследований.
Информация об авторе:
Пшеничников Александр Викторович, Военная академия связи им. маршала Советского Союза СМ. Буденного, докторант кафедры радиосвязи, к.т.н., доцент, Санкт-Петербург, Россия
Для цитирования:
Пшеничников А.В. Модель многомерной частотно-фазоманипулированной сигнальной конструкции помехозащищенных линий радиосвязи // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2017. Том 11. №10. С. 16-20.
For citation:
Pshenichnikov A.V. (2017). The model of multidimensional frequency phase manipulated signal structure of noise immunity radio links. T-Comm, vol. 11, no.10, рр. 16-20. (in Russian)
Пшеничников Александр Викторович,
Военная академия связи им. маршала Советского Союза СМ. Буденного, Санкт-Петербург, Россия, siracooz77@mail.ru
Ключевые слова: модель сигнальной конструкции, преднамеренное воздействие, частотно-временные матрицы.
Введение
Проблема обеспечения устойчивого функционирования сетей радиосвязи с подвижными объектами, расположенными на транспортной базе, была и остается достаточно актуальной. Учитывая целевое предназначение таких сетей, важным критерием на этапе их проектирования является учет деструктивного преднамеренного воздействия на их ресурсы.
Единого подхода к решению формализованного таким образом задач не существует. Это обусловлено сложностью четкой формализации системы деструктивного противодействия (СГЩП) [1]. Анализ современных подходов проектирования современных комплексов радиосвязи показывает, что приоритет в данной области отдается методам, обеспечивающим повышением информационной скорости передачи информации в цифровых линиях радиосвязи ЦЛРС [2]. Основой технических решений проектирования таких ра-диосиетем, как правило, является применение многопозиционных сигнальных конструкций (СК). Теоретические аспекты синтеза моделей многопозиционных СК с повышенной помехоустойчивостью, а также методы их формирования отражены в работах [3-6], Вместе с тем, ограничением практической реализации разработанных решений является деструктивное влияние преднамеренных помех на 'эффективность функционирования ЦЛРС [7]. В первую очередь, это обуславливается известной структурой формируемых СК.
В результате открываются предпосылки к обоснованию способа преднамеренного деструктивного воздействия, основанного на использовании имитационных помех, близких по своей структуре к СК, что существенно снижает устойчивость функционирования радиокомплексов. В условиях информационного противоборства применение такого рода помех СПДП видится очевидным. Поэтому решение задач формирования многопозиционных структурно-скрытых СК является весьма важным при проектирований сложных систем радиосвязи.
Модель многомерной частотной конструкции
Искомые решения могут быть получены на основе совместного применения методов теории сигналов, теории систем, методологических основ построения помехозащи-щенных комплексов [8-11]. За основу методов помехозащи-ты IЦ1РС выберем алгоритмы технической реализации частотно-временных матриц (ЧВМ) [9, 11]. Отметим, что применение ЧВМ предъявляют повышенные требования к модели капала радиосвязи, в частности, к параметрам широкополосное™ антенн [12]. Для уменьшения предъявляемых требований в качестве модуляционного формата при формировании сигнальной конструкции выберем многопозиционную частотную манипуляцию.
Агрегирование выбранных методов представим в виде следующей совокупности формализованных способов;
1. Информационная битовая последовательность (ИБП) разбивается на блоки из ¿бит.
2. За каждой комбинацией битов информационного блока в текущий момент времени но случайному закону закрепляется рабочая частота ЦРЛС.
3. Осуществляется излучение рабочей частоты в соответствии с сформированной согласно п. 2 ЧВМ.
4. После передачи информационного блока комбинации частот, соответствующие битам информационных блоков изменяются.
Фрагмент ЧВМ такого радиосигнала представлен в табл. 1.
Таблица I
Фрагмент ЧВМ мноючастотною сигнала
ИБПХ^ t] ¡2 T
fit f, fr
0...1 fr fr fiS
1...1 L fm-Л h
Из анализа фрагмента ЧВМ, представленного в табл. I, следует, что функциональная модель ЦЛРС, использующей разработанный вид сигнала, наиболее близка к радиолинии с медленной Г1Г1РЧ с MKSK (Multiple Frequency Shift Keying), у которой за время работы на одной частоте передается /г элементов ИБП. При условии
/»ДГ. (О
где fj— рабочая частота радиолинии, i — 1,2,..,,т\ ДF - сдвиг частот MFSK; значением ДF можно пренебречь. Тогда вероятность передачи комбинации из к элементов ИБП на любой из т частот радиолинии в текущий момент времени (Рц) может быть вычислена как
Pt=L (2)
т
Для разработанной модели СКК значение Рк представим исходя из определения вероятности совместных событий
Р ы—.—i Р)
* м с;
где М — 2 - позиционность СКК; С" - количество ком-
т
бинаций из М по т.
Зависимость значения вероятности Рк от количества рабочих частот радиолинии приведена на рис. 1. Критерий выбора рабочих частот приведен в [13].
Рк
0,1] 1*10""' ыо"* мен ьиГ*!
1x10" 11 1*10"" моЧ
1»10" 1,1 1*10" 2'i
0 50 100 IM»
т
Рис. 1. Зависимость вероятности Ркот количества рабочих частот
Из анализа результатов, представленных на рис. 1, следует, что с ростом позиционности СКК значение вероятности передачи комбинации элементов ИБП на рабочей частоте
ЦЛРС значительно уменьшается, в то время как известная модель радиолинии ППРЧ с MFSK инвариантна значению к. Данное свойство разработанной СКК определяет повышенные свойств скрытности передаваемой таким видом сигнала ИБП.
Существенным ограничением предлагаемого подхода формирования помехозащищенной модели CK является ухудшение ее помехоустойчивости с ростом позиционности (М). Действительно, модель разработанного сигнала на приемной стороне после свертки сигнала в частотной области с достаточной точностью может быть представлена моделью MFSK, свойством которой является увеличение вероятности символьной ошибки с ростом М [9].
Однако, при неудовлетворительной помехоустойчивости CK в разработанной модели может быть применена модель быстрой ППРЧ. При этом передача одной комбинации ИБП осуществляется последовательно на п частотах за период времени иг, в текущий момент времени излучается одна частота. Поэтому с позиций скрытности структуры сигнальной конструкции (ZJctp) модель CK не изменяется.
При условии, что элемент ЧВМ, используемый для кодирования комбинации ИБП, может быть восстановлен по одной из и частот, элемент ИБП будет принят неправильно с вероятностью р — Р", где /'-вероятность ошибочного
приема элемента сигнала MFSK , Воспользуемся значением верхнего предела величины Р [9]
(4)
п М-1 . E.(log, М) Р <-ехр(- AV j—-)'
2Л^
г•
где - отношение энергии бита к спектральной мощности шума.
Учтем, что при такой модели СК для сохранения информационной скорости длина комбинации ИБП, передаваемая элементом ЧВМ должна быть увеличена в п раз, т.е. М = 2к". Таким образом
Л, < (
2-1
ехр(-
£,(1оёг2*")
2 N
(5)
о
Для одного элемента ИБП приема элемента сигнала Рскк
вероятность ошибочного
Рсш < М
2-1
ехр(-
Еь{\о%Х)у
(6)
2 N.
[5 таблице 2 представлены результаты математического моделирования с использованием выражения (6), отражающие помехоустойчивые свойства разработанной СКК. 1 [ри р
этом полагалось, что ь _ 3 ¿ = 4.
N
Таблица 2
Зависимость вероятности ошибки элемента СКК от значения и
п 1 2 3
РСКК 5,49 10"! 1,5 10J 2,39 101
Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что разработанная модель СК обладает высокой потен-
циальной помехоустойчивостью. Так, при единичном увеличении длины ЧВМ происходит существенное увеличение помехоустойчивости разработанной модели СК (см. табл. 2),
Модель многомерной чаетотно-
фазоманипулированной сигнальной конструкции
Разработанная модель СК с позиций анализа СПДП по своей структуре может быть идентифицирована как сигнал со случайным изменением девиации рабочей частоты. Устранение данного структурного признака радиосигнала возможно методом дополнительной модуляции рабочих частот. С учетом свойств помехоустойчивости известных модуляционных форматов наиболее целесообразным в этих целях видится выбор сигналов двухпозициоииой фазовой манипуляции (ФМ-2) [9].
В этом случае для увеличения свойств структурной скрытности формируемой СК воспользуемся имитацией сигнала многофазной модуляции ФМ-М(М-позиционность сигнала) формирующем модуляционным форматом ФМ-2. Окончательно формирование модели разработанной СК определим в виде следующих технологических операций:
1. Информационная битовая последовательность (ИБП) разбивается на блоки из к+1 бит.
2. За каждой комбинацией из к битов информационного блока в текущий момент времени по случайному закону закрепляется рабочая частота I (РЛС.
3. На основе значения к+1 бита осуществляется двукратная фазовая манипуляция закрепленной рабочей частоты, причем в процессе манипуляции по случайному закону осуществляется дополнительное изменение фазы формируемого сигнала ФМ-2 на величину кратную шагу изменения фазы многопозиционного сигнала ФМ-М
4. После излучения сформированного сигнала и. 1-3 повторяются.
Определим разработанную модель сигнала как многомерную частотао-фазоманипулированную сигнальную конструкцию. Фрагмент временного представления разработанной СК показан на рис. 2.
Щ
Vfl
Uß.
Рис. 2. Фрагмент многомерной частотно-фазоман и пул и ро пан ной СК
Необходимо отметить, что практическое применение разработанной помехозащищенной модели сигнала эффективно в условиях динамически изменяющегося когнитивного воздействия при применении СПДП имитирующих структуру сигнала помех [1]. Данный способ преднамеренного деструктивного воздействия согласно [!] обеспечивает высокое значение энергетической эффективности СПДП.
Поскольку случайное изменение фазы разработанной сигнальной конструкции имитирует функционирование ЦРЛС, использующей сигнаты с меньшей помехоустойчивостью, то исходя из критерия минимизации мощности радиоизлучения СПДП формируется излучение уровнем, достаточным для Снижения качества передачи информации в ЦЛРС с многофазным сигналом ФМ-Л-/, но недостаточным при применении сигналов ФМ-2. С позиций СПДП случайное изменение рабочей частоты, кодирующей ИБП, эквивалентно функционированию радиолинии с ППРЧ, а не ЦЯРС со случайным многочастотным сигналом, что Наделяет разработанную модель СК свойствами структурной скрытности.
Аналитически полученные значения эффективности применения разработанной СК могут быть определены из помехоустойчивости многопозиционного сигнала ФМ-Л-/ как отношение вероятности ошибки имитируемого сигнала и сигнала ФМ-2 [9]:
р
О - функция ошибок, - отношение энергии бита к спек-
А^о
тральной мощности шума; М =1К - позиционность СК; к - количество одновременно передаваемых элементов сигнала.
Для оценки свойств разработанной СК на основе модели Ма1ЬЛВ проведен эксперимент но имитации передаче информации в ЦЛРС в условиях воздействия аддитивного белого гауссовского шума. При проведении эксперимента полагалось, что СПДП модель ЦЛРС идентифицирована как радиолиния с ППРЧ с многофазной манипуляцией. На рисунке 3 представлены результаты имитационного моделирования, отражающие свойства помехоустойчивости ЦЛРС.
Рис 3, Помехоустойчивость сигналов фазовой манипуляции
Из анализа полученных результатов следует, что введение в радиосигнал избыточного фазового показателя приводит к расширению его спектра в к раз. Так, при имитации излучения ФМ-8 радиосигналом ФМ-2 спектр сигнала увеличивается в три раза, ФМ-16 - в четыре раза и т.д.
В свою очередь, данный факт определяет уменьшение отношения в ЦЛРС, что эквивалентно сдвигу кривой
помехоустойчивости радиосигнала ФМ-2 вправо на величи-
ну I01g£ (см. рис. 3). В частности, при фиксированной величине вероятности ошибки и ЛРС 10" требуемое отношение _L. сформированного разработанным методом сигнала
К
составит значение около 13 дБ, что больше, чем у сигнала ФМ-8 на I дБ (см. рис. 3), поэтому имитация радиоизлучения ФМ-8 и ФМ-4 не является целесообразной.
Выигрыш по помехоустойчивости может быть получен при имитации радиосигналов большей, чем ФМ-8 позиционности. Действительно, для ФМ -16 - 2 дБ, ФМ*-32 - 6 дБ, ФМ-64 - 9 дБ и т.д. (см. рис. 3).
Заключение
Таким образом, модель разработанной СК обладает свойствами многопозиционных СК с повышенными свойствами помехоустойчивости и скрытности структуры радиосигнала. Данное обстоятельство определяет область ее применения в помехозащищенных линиях радиосвязи. Вместе с тем, ограничением применения разработанной модели СК являются свойства радиоканалов, определяющие потенциальную возможность применения сигналов сложной структуры. Исследования свойств разработанной СК в различных моделях радиоканалов выведено автором в область дополнительных исследований.
Литература
\. Пшеничников A.B. Интегральная модель радиолинии в конфликтной ситуации И Информация и космос. 2016. № 4. С. 3945.
2. Умбитапиев A.A., Пятков ВВ.. Цыцулин А,К.. Левко Г.В. Статистический анализ и синтез прикладных телевизионных систем II Вопросы радиоэлектроники. Серия: Техника телевидения. 2015. №6 (23). С. 4-14.
3.Дворников СВ., Пшеничников A.B., Манаенко С.С. Помехоустойчивая модель сигнала KAM -16 с трансформированным созвездием // Информационные технологии, 2015. Т. 21. № 9. С. 685-689.
4.Дворников СВ.. Пшеничников A.B., Манаенко С.С.. БурыктД.А., Кузнецов ДА. Теоретические положения повышения номехоуетой-чипости сигнал ыю-кодовых конструкций квадратурных сигналов И Информация и космос, 2015. № 3. С. 13-16.
5. Дворников С В.. Кузнецов Д.А., Кожевников Д.А., Пшеничников A.B.. Манаенко С.С. Теоретическое обоснование синтеза ансамбля биортогональных сигналов с повышенной помехоустойчивостью. И Вопросы радиоэлектроники. Серия; Техника телевидения. 2015. № 5(22). С. 16-20.
6. Дворников СВ.. Пшеничников A.B. Формирование спектрально-эффективных сигнальных конструкций в радиоканалах передачи данных контрольно-измерительных комплексов // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2017. Т.60. № 3, С. 221-228.
I.ApxwmuH В.Я.. Мешковский КА. Сравнительная помехоустойчивость систем связи с широкополосными и узкополосными сигналами // Информация и космос, СПб.: Связь, 2006. С. 23-27.
В. Anderson HS, Fixed Broadband Wireless System Design. Wiley, 2003.510 p.
9. J. Proakis. Digital comiminieations. 5th. McGraw-Hill, 2008.
10, L. Franks, Signal theory. N. J. 1969.
II. Борисов В.И , Зиичук Ö.M., Лимарев A.E. и др. Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигнала методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты; Под ред. В.И.Борисова. М.: Радио и связь, 2000, 384 с.
12. Бородулин Р.Ю.. Перфиюв О.Ю. Методика энергетической оценки широкополосных антенн. //Антенны. 2017. №4 (236). С. 14-24.
13. Пшеничников A B. Оценка статистических параметров рабочих частот для модели радиолинии в конфликтной ситуации // T-Comm; Телекоммуникации и транспорт, 2017. № 1. Т.11, С. 4-9.
7ТХ
COMMUNICATUIONS
THE MODEL OF MULTIDIMENSIONAL FREQUENCY PHASE MANIPULATED SIGNAL STRUCTURE OF NOISE IMMUNITY RADIO LINKS
Aleksander V. Pshenichnikov, the Military Academy of Telecommunications, St Petersburg, Russia, siracooz77@mail.ru
Abstract
As a subject of research, models of signal structures of noise immunity digital radio communication lines are chosen. The aim of the work is to increase the stability of the functioning of radio communication networks with mobile objects. The paper shows insufficient properties of resistance to the deliberate interference of known multiposition signal structures. Based on the requirements for modern radio communication lines, the urgency of solving the problems of synthesizing multi-position signals is justified. For the solution of formalized problems, methods of the thorium of signals, systems, statistical radio engineering, noise protection of radio links are applied. In order to ensure the structural concealment of the signal structure being constructed, the use of time-frequency matrices is proposed. The shortcomings of the signals thus formed are shown. Technical solutions have been developed to reduce the requirements for the parameters of the radio channel. A distinctive feature of the developed signal structures is the encoding by elements of the pulse bit sequence by operating frequencies of the radio link. On the basis of analytical models, the properties of increased structural stealth of the generated signals are proved. Using the methods of parallel use of the frequency resource, proposals have been developed to improve the noise immunity properties of the multi-frequency signal structure. Based on the methods of simulation, an assessment of its effectiveness was carried out. High potential properties of noise immunity of multifrequency parallel signals are shown. The limitations of their practical application are justified. From the positions of the system of deliberate destructive counteraction, the model of a radio link as a radio system with a random change in the deviation of the frequency of a multiposition signal is shown. To eliminate the structural sign of the generated signal, modulation of operating frequencies is proposed. The use of noise-proof double phase shift keying is justified as the modulation format. The peculiarity of signal formation is the introduction of a random value of the phase change during the modulation process, which is a multiple of the phase difference in the multiphase signal structure. Formation of the developed signal structure is formalized. It is shown that for the system of deliberate destructive counteraction the developed model is equivalent to a multi-position signal of phase manipulation with programmable adjustment of the working frequency. The model of the destructive deliberate impact on the resources of such a radio link is substantiated. Based on this model, an experiment was conducted to transfer information in a radio link, and indicators of its effectiveness were determined. The conclusion is made about the expansion of the spectrum of the signal structure being formed. The limitations of practical realization of the developed multi-position frequency-phase-manipulated signal structure are shown. Directions for further research have been determined.
Keywords: model of signal structure, intentional influence, frequency-time matrices. References
1. Pshenichnikov A.V. (2016). Integral model of a radio link in a conflict situation. Information and Cosmos. No. 4. Pp. 39-45.
2. Umbitaliev A.A. Pyatkov V.V., Tsytsulin A.K., Levko G.V. (2015). Statistical analysis and synthesis of applied television systems. Questions of radio electronics. Series: Technique of television. No. 6 (23). Pp. 4-14.
3. Dvornikov D.V. Pshenichnikov A.V., Mananaenko S.S. (2015). The interference-resistant model of the KAM-16 signal with a transformed constellation. Information Technologies. Vol. 21. No. 9. Pp. 685-689.
4. Dvornikov S.V., Pshenichnikov A.V. Manaenko S.S., Burykin D.A., Kuznetsov D.A. (2015). Theoretical provisions for increasing the noise immunity of signal-code constructions of quadrature signals. Information and Cosmos. No. 3. Pp. 13-16.
5. Dvornikov S.V., Kuznetsov D.A., Kozhevnikov D.A. Pshenichnikov A.V., Manaenko S.S. (2015). Theoretical substantiation of the synthesis of an ensemble of biorthogonal signals with increased noise immunity. Questions of radio electronics. Series: Technique of television. No. 5 (22). Pp. 16-20.
6. Dvornikov S.V., Pshenichnikov A.V. (2017). Formation of Spectrally Effective Signal Constructions in Radio Channels for Data Transmission of Control and Measuring Systems. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Instrument making. Vol. 60, No. 3. Pp. 221-228.
7. Arkhipkin V.Y., Meshkovsky K.A. (2006). Comparative noise immunity of communication systems with broadband and narrowband signals. Information and Cosmos. Pp. 23-27.
8. Anderson H.S. (2003). Fixed Broadband Wireless System Design. Wiley. 510 p.
9. Proakis J. (2008). Digital communications. 5th. McGraw-Hill.
10. Franks L (1969). Signal theory.
11. Borisov V.I., Zinchuk V.M., Limarev A.E. (2000). Noise immunity of radio communication systems with spreading of the signal spectrum by the method of pseudo-random adjustment of the operating frequency. 384 p.
12. Borodulin R.U., Perfilov O.U. (2017). Method for the energy evaluation of broadband antennas. Antennas. No. 4 (236). Pp. 14-24.
13. Pshenichnikov A.V. (2017). Estimation of statistical parameters of operating frequencies for a radio link model in a conflict situation. T-Comm. No. 1. Vol. 11. Pp. 4-9.
Information about author:
Aleksander V. Pshenichnikov, the Military Academy of Telecommunications, doctoral radio chair, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, St. Petersburg, Russia
