Обеспечение безопасности информации технологических процессов с использованием оборудования с ЧПУ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Динамика систем, механизмов и машин, № 4, 2014

УДК 621.391.037.3

В.Л. Хазан, V.L. Hazan, e-mail: vlhazan@yandex.ru И.В. Дулькейт, I.V. Dulkeyt, e-mail: dulkeytiv@yandex.ru И.С.Землянов, I.S. Zemlyanov, e-mail: 79236746790@ya.ru Е.А. Чащин, E.A. ChasMne, e-mail: chashin.evg@gmail.com 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 CREASEIN SHORTWAVECOMMUNICATION SYSTEM

В статье рассматривается влияние параметров OFDM сигнала с фазовой манипуляцией вдоль оси частот и методов синхронизации радиолинии на эффективность КВ радиосвязи. Приводятся зависимости 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 КВ радиолиниях.

The article considers influence of both the characteristics of OFDM signal with phase-shift keying (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 gives recommendations on applications of PSK along an axis of frequencies ofdm signal in the short-wave wireless links.

Ключевые слова: коэффициент исправного действия, сигнально-кодовая конструкция, межсимвольная интерференция, поднесущие, коротковолновая связь

Key words: reliability coefficient (или correct action coefficient), signal-code sequence, symbol-to-symbol interference, subcarriers, short-wave communication

Реализация современной высокоэффективной и конкурентоспособной системы хозяйствования в Арктике невозможна без надлежащей организации системы обеспечения безопасности мореплавания в акватории СМП, 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 СМП, 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 поднятия антенн, и для охвата обширных территорий требуют развитой сети береговых УКВ радиостанций.

В этих условиях, коротковолновая (КВ) 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.

59

Динамика систем, механизмов и машин, № 4, 2014

Между тем, существующие судовые КВ-радиоустановки обеспечивают связь лишь в режиме однополосной аналоговой телефонии и телеграфную связь со скоростью передачи данных 100 бит/с в режимах УБПЧ (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 КВ 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 КВ диапазоне, связаны с большой его загруженностью, многолучевостью распространения радиоволн и нестационарностью каналов ионосферного распространения, как по времени, так и по частоте. Поэтому переход к цифровым системам связи и повышение скорости передачи информации в КВ радиоканале 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 использования частотного спектра и позволяют использовать эффективные способы модуляции и демодуляции. При этом большинство систем связи, используют относительную фазовую манипуляцию 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 сигналов, что снижает влияние характеристик многолучевого канала 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 позиций при фазовой манипуляции может быть принято равным 16 (рис. 1).

О

2D 3D 40 SO 60 О SO

Рис. 1. Параллельный модем с 16 позиционным ОФМ сигналом на поднесущих частотах

60

Динамика систем, механизмов и машин, № 4, 2014

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.

4 * 4 * 775= 12400

бита

посылок

поднесущих бит/с

Рис. 2. Предельная скорость передачи дискретных сообщений

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 10-2начинает эффективно работать помехоустойчивое кодирование.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 10~2.

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 сигнально-кодовых конструкций были расставлены таким образом, чтобы ближайшие символы отличались только в одном разряде.

61

Динамика систем, механизмов и машин, № 4, 2014

На рисунке 5 приведены результаты моделирования работы модема соответственно для хорошего а), среднего б) и плохого в), согласно рекомендации ITU-R F.1487[4], каналов и для различных типов сигнальных созвездий.

1,5

-1,5

1,5

ф. Отэ * п ♦ Ж

1 ▼ и 2 4 ПС ▼ 3 « 2

-УтЬ

-07&

1,5

Е -

-2

»075-

Re

-1 <>■

ЧгАУ

-1,5 pie PSK-16 4-QPSKAPSK-16

-1,5

A n q А

Ж п ♦ ▼ А

2 ▼ ж1 2

Re

♦ ♦ ♦ ♦

♦ ♦ ♦ ♦

1 ♦ ♦ ) ♦ ♦ 1

♦ ♦ ♦ ♦

4 ►

, и, j ж 4 А, ► ♦ ♦

▼ V V t^ ► ♦ 1

4 ♦

Re Re

QAM-16 Star

Рис. 4. Различные типы сигнальных созвездий

Расстояние между поднесущими 4 Гц. Информационная скорость11780 бит/с Расстояние между поднесущими 8 Гц. Информационная скорость11146 бит/с

Расстояние между поднесущими 16 Гц. Информационная скорость 10240 бит/с

в) Плохой канал

Динамика систем, механизмов и машин, № 4, 2014

Расстояние между поднесущими 4 Гц. Информационная скорость 11780 бит/с

Расстояние между поднесущими 4 Гц. Информационная скорость 11780 бит/с

Расстояние между поднесущими 8 Гц. Информационная скорость 11146 бит/с

Расстояние между поднесущими 16 Гц. Информационная скорость 10240 бит/с

б) Средний канал

Расстояние между поднесущими 8 Гц. Инфор- мационная скорость 11146 бит/с

Расстояние между поднесущими 16 Гц. Информационная скорость 10240 бит/с

а) Хороший канал

Рис. 5. Результаты моделирования работы модема для хорошего, среднего и плохого каналов и для различных типов сигнальных созвездий.

63

Динамика систем, механизмов и машин, № 4, 2014

о z

•Q

40 35 30 25 20 15 10

АБГШ

Хороший по ITU-R канал

Средний по ITU-R канал

Плохой по ITU-R канал

2000 4000 6000 8000 10000 Скорость бит/с

По результатам моделирования для различных каналов связи были построены зависимости необходимого для обеспечения заданной вероятности ошибки отношения сигнал/шум от скорости передачи данных, рис. 6.

Рис. 6. Зависимость отношения сигнал/шум, необходимого для обеспечения вероятности ошибок не более 10-2, от скорости передачи данных

Выводы

Как видно из графиков, приведенных на рисунке 5 во всех каналах наиболее эффективно применениеOFDMQAM 16, при этом в хорошем канале а) расстояние между поднесущими 4 Гц, в среднем канале б) с расстоянием между поднесущими 8 Гц, а в плохом канале в) с расстоянием между поднесущими 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

5

0

0

1

1

4

зволяет достичь электрической скорости передачи данных до 6200 бит/с при вероятности ошибки не более 10" , что соответствует информационной скорости 4800 бит/с при вероятности ошибки 10" 10-5, 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.

64

Динамика систем, механизмов и машин, № 4, 2014

Библиографический список

1. Дулькейт, И. В. Принципы построения системы обеспечения безопасности мореплавания в арктических морях Российской Федерации / И. В. Дулькейт, В. М. Свирский, А. Р. Шигабутдинов // Радиотехника, электроника и связь (РЭиС-2013) : сб. докл. II Междунар. научн.-техн. конф. 1-4 окт. 2013. - Омск, 2013. - С. 318- 28.

2. MIL-STD-188-110C // Interoperabilityandperformancestandarsa for data modems, 23 September 2011 [Электронныйресурс] : - Режим доступа :http://files.radioscanner.ru/files/download/file13718/mil-std-188_110c.pdf

3. Финк, Л. М. Теория передачи дискретных сообщений / Л. М. Финк ; изд. 2-е пере-раб. и доп.. - М. : Советское радио, 1970. - 727 с.

4. Testing of HF modems with bandwidths of up to about 12 kHz using ionospheric channel simulators [Электронный ресурс] : Recommendation ITU-R F/1487. - 2000. - № 05. - Режим доступа :http://www.itu.int/rec/R-REC-F.1487-0-200005-I/en

5. Rohling, H. OFDM : Concepts for Future Communication Systems / H. Rohling // Signals and Communication Technology, DOI: 10.1007/978-3-642-17496-4-1, Springer-Verlag. -Berlin Heidelberg, 2011.