Обратный канал в адаптивных коротковолновых радиосистемах передачи информации Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Системы телекоммуникации, устройства передачи,

приема и обработки сигналов

УДК 621.396.24

В. В. Егоров, А. Е. Тимофеев ОАО "Российский институт мощного радиостроения" (Санкт-Петербург)

Обратный канал

в адаптивных коротковолновых радиосистемах передачи информации

Рассмотрены варианты построения обратного канала в адаптивных коротковолновых радиолиниях. Предложен подход, состоящий в передаче только подлежащих изменению управляющих параметров команды, реализация которого основана на использовании помехозащищенного кода с переменной избыточностью. Получены аналитические выражения для вероятностно-временных характеристик передачи команд управления в рэлеевском канале связи.

Адаптация, система передачи данных, коротковолновый радиоканал, обратный канал связи, команда управления, сигнально-кодовая конструкция

Использование декаметрового диапазона позволяет осуществлять передачу данных на расстояния до 10.. .12 тыс. км без промежуточных станций при относительно невысокой мощности радиопередающих устройств. КВ-канал характеризуется быстрыми и медленными замираниями информационного сигнала и помех, многолуче-востью, наличием помех от сторонних станций, использующих тот же частотный диапазон. В этих условиях достоверная передача сообщений с высокой скоростью представляет достаточно сложную задачу, успешное решение которой в связи со все возрастающими требованиями к системам связи и увеличением загрузки радиоканала на сегодняшний день требует применения методов адаптации.

Сущность адаптации сводится к целенаправленному изменению параметров системы передачи данных в зависимости от условий распространения радиоволн и помеховой обстановки в точке приема. На сегодняшний день известны системы, в которых адаптивно изменяются вид информационного сигнала (его структура и параметры), рабочая частота, вид и параметры помехоустойчивого кода и др. Адаптивная система передачи данных (АСПД) строится на использовании частотной, алгоритмической, параметрической, структурной и аппаратной избыточности, и адаптивное управление сводится к целенаправленному переходу системы из одного состояния в другое [1].

Одной из ключевых проблем, возникающих в процессе функционирования АСПД КВ-диапазона, является необходимость доведения на передающую сторону значений оптимальных параметров, вида алгоритмов работы и структуры системы, определяемых на приемной стороне в процессе приема и обработки сообщений. Несмотря на очевидную значимость проблемы, количество публикаций по этой теме невелико. Ошибочный прием команды управления, связанной с изменением параметров, приводит к рассогласованию характеристик передающей и приемной сторон. Снижение влияния ошибочного приема или неприема команды может быть достигнуто как усложнением алгоритма работы приемной стороны, использующего все имеющиеся ресурсы по избыточности, так и повышением достоверности передачи команд управления. Так, на сегодняшний день достаточно широкое распространение получили системы с адаптивным управлением сигнально-кодовой конструкцией (СКК), обычно сводящимся к выбору из конечного набора заранее назначенных СКК [1]. В этом случае осуществляется постоянный контроль состояния канала связи и на длительности каждого кодового блока либо группы блоков, обычно называемых канальным блоком, выбирается СКК, обеспечивающая, как правило, максимальную скорость передачи сообщения при гарантированной достоверности.

© Егоров В. В., Тимофеев А. Е., 2013

Ошибки при передаче команд о номере новой СКК приводят к рассогласованию передающей и приемной сторон. Однако такая ситуация не является критической, поскольку введением функциональной избыточности на приемной стороне, заключающейся в обработке принимаемой СКК алгоритмами, соответствующими как новой, так и предыдущей СКК, удается в подавляющем большинстве случаев выяснить факт приема команды передающей стороной по ее исполнению.

Для реализации описанного подхода необходимо, чтобы СКК содержала каскад обнаружения ошибок. Очевидно, что в случае неприема команды возникает необходимость ее повторения. Описанный способ борьбы с ошибками при передаче команд управления без обрыва процесса передачи сообщения позволяет также продолжить процесс передачи сообщений при неприеме команды о смене рабочей частоты. В этом случае для обеспечения безобрывной передачи не удается ограничиться алгоритмическими и программными решениями, а требуется использование дополнительного приемного устройства, т. е. введение аппаратной избыточности.

При невозможности продолжения работы в случае неприема команды за счет использования алгоритмической и программной избыточности возникает проблема оценки влияния ошибок при передаче команд управления на эффективность работы системы и выбора оптимальной структуры команды, при которой показатели эффективности системы с реальным обратным каналом связи достигают экстремальных значений. Поскольку команды управления передаются по КВ-радиоканалу, все перечисленные ранее негативные факторы влияют на достоверность приема команд.

Передача команд управления в АСПД может осуществляться либо в фиксированные моменты времени, либо в случайные моменты времени по мере необходимости передачи команд. При передаче команд в фиксированные моменты времени длина команды будет меньше, чем при передаче в случайные моменты времени, поскольку в последнем случае необходимо посылать разделительную кодовую комбинацию, после приема которой включается декодер кодовой комбинации. Разделительная кодовая комбинация обычно представляет собой псевдослучайную последовательность достаточно большой длины [2].

Рассмотрим определение вероятностно-временных характеристик, описывающих канал об-

ратной связи при передаче команд в фиксированные равноотстоящие моменты времени.

Процесс передачи команд по обратному каналу можно характеризовать следующими количественными показателями:

- средним числом повторений команды

т

= Ё mQm, где Qm - вероятность правильно-

т=1

го декодирования команды при т-м повторении, тдоп - допустимое число повторений команды;

- вероятностью правильной передачи команды управления при заданном допустимом числе

т

дои

повторений тдоп : ртдоп = Ё ^.

т=1

Средние временные затраты АСПД на одну смену режима работы в информационном канале в случае, если неприем команды приводит к обрыву связи, т. е. к пребыванию АСПД в состоянии, когда полезная информация не передается, определяются выражением [2]:

т —1 ( т___ Л

хпр Тком +

Ё т^+1Тп + 1 — Ё ^ т=1 V т =1

"У

где хком - длительность команды; тп - интервал повторения между командами; Ту - среднее время установления связи при обрыве канала связи.

Определение вероятностно-временных характеристик времени установления связи при обрыве канала связи выходит за рамки настоящей статьи.

Средняя информационная скорость в прямом канале связи для АСПД с реальным обратным каналом: Уинф = УтехнКк (1 — %р/Тп), где Утехн -техническая скорость в информационном канале; Лк = к/п - скорость используемого помехоза-щищенного кода с параметрами (п, к,

Таким образом, одна из задач повышения эффективности АСПД состоит в оптимизации параметров командного канала, при которых средняя информационная скорость передачи данных максимальна и сводится при заданных параметрах системы к выбору оптимального кода.

Вероятность правильного декодирования команды при т-м повторении:

(1)

^ = Рп.д| (т —1)о.д Р(т—1)о

где Рп

условная вероятность правиль-

Рп.д| (т—1)о. д

ного декодирования команды при условиях, что

т

до этого было т -1 ошибок декодирования; Р(т-1) - вероятность т -1 ошибочного декодирования команды подряд. Использовав соотношение

Рто.д = Ро.д|(т-Оо.дР(т-1)о.д ,

Переходные плотности вероятностей w(^ | ^ 1)

определяются статистическим описанием }, а плотность вероятностей w ) зависит как от

априорного описания }, так и от алгоритма функционирования АСПД. где Ро д(т-1) - условная вероятность ошибки Для вычисления вероятности Рт необхо-

О.Д|\Ш "о.д од

декодирования команды при условии, что до этого было т -1 ошибок декодирования, получим:

Рп.д|(т- 1)о.д = 1- Рто.д/Р(т -1)о.д . Тогда выражение (1) примет вид: От = Р(т-1)о д -Рто д .

Пусть в обратном канале используется групповой блочный код вида (п, к, $). Будем считать, что на длительности 1-го кодового блока отношение "сигнал/помеха" (ОСП) в обратном канале неизменно. Тогда вероятность неприема команды при т повторениях можно представить в виде:

т п

Р^о.д = |ЪШ X ^ } )х

I=1 Ч =г +1

ХР- Р )] W (\ — К — ^т , (2)

где О - область интегрирования, вид которой будет определен далее; г = [(^ -0/2] - кратность исправляемых кодом ошибок; р - вероятность ошибки на символ; } - ОСП; w(( ...} ) -

совместная плотность распределения значений ОСП по напряжению в момент передачи кодовых комбинаций.

Получение аналитического выражения для вычисления вероятности Рт на основании (2)

затруднено сложностью вычисления многомерных интегралов для плотности распределения вероятностей w(( —} ) [3]. В частном случае,

если процесс изменения ОСП } в информационном канале марковский, выражение для совместной плотности вероятностей имеет вид [4]:

т

w ( — ) = П w (К-) }), (3)

г =2

где w((|1) - переходная плотность вероятностей; w }) - одномерная плотность распределения вероятностей значений ОСП в рабочем канале в момент первой передачи команды.

димо конкретизировать вид области О, который определяется алгоритмом функционирования АСПД. При отсутствии запаздывания в исполнении команд значение ОСП в рабочем канале в момент Х1 первой передачи команды выше порогового уровня, поскольку адаптация по частоте осуществляется в обоих направлениях, а во второй и в последующих передачах команды может принимать любые значения. С целью получения удобной вычислительной схемы преобразуем подынтегральное выражение (2) биномиальным

разложением [1- р (} )]п Ч и суммированием ко -эффициентов при одинаковых степенях рЧ (}) [5]:

X СЧпрЧ (})[1-Р(})] = X а^ (}),

Ч=г +1

Ч=г +1

Ч-г

п-ч + ] +1

где ач =(- 1)п-г X СП+СЦ;:] (-1) ] =1

Перемножив многочлены в (2) и поменяв местами операции интегрирования и суммирования получим:

п п п

Рто д = Х Х "' Х , (4)

Ч1= г+1 Ч2 =;+1 Чт =г +1

где У Ч1"Чт =а Ч1 —аЧт ;

ОЧ1"Чт=1" I рЧ1} У2 (\)-рЧт (т

хw( ... } )) — ^

V Г1 1т ) Ч1 чт

- обобщенный момент вектора ( —} ), индуцированный функцией рЧ1 }) —. рЧт (} ).

Таким образом, основная задача при определении вероятностей Рт состоит в вычислении

обобщенных моментов . Учитывая (3), вы-

ражение для Оц ...у можно представить в виде

преобразуем (9) к виду

( 1 ЛЧп Кт—1 (т—1 ) = (-2)

Qth"'tim = 1 - (Ч )Р91 (\ )К1 (Ы (5)

0

да да т

1

где

к (\ н-щ—, ) к, при-

0 0 I=2

чем, как следует из (5), справедливо рекуррентное соотношение

х exp

9т Р

9т$2 (1 — Р2 ) + 1 .2

-К

9т^ (1 — Р2 ) +1 Тогда выражение (6) записывается в виде рекуррентного соотношения:

К, ( ) = 0 р®+1 ((+! ) +1 ((+! ) -(+1 | \ ) , (6) ^ ^ ) = ^^+1

1

где I = 1, (т — 1); Ят (й?т )= 1.

Конкретизируем полученные соотношения для случая рэлеевского канала с экспоненциальной корреляционной функцией квадратурных составляющих и марковским процессом К [6] и передачей с использованием ОФМ-сигналов, когда вероятность ошибки на символ р (й) и плотность

распределения ОСП — (й) определяются выражениями [5]:

р (й) = (1/2 )ехр (—й2);

—(( \ 1 )

2К

(1—Р2)

exp

,2 2,2 К +Р й

I—1

й2 (1—Р2)

х/л

—!

й02 (1 — Р2)

где ho - среднеквадратическое значение ОСП по напряжению; р = ехр(——тп|/тк); /0 (•) - модифицированная функция Бесселя нулевого порядка [4], причем тп - интервал между повторениями команды; тк - интервал корреляции замираний.

Подставив (8) в (6), получим:

да( 1 У™ / 2\ 2И, Кт—1 (\—1 )= 1(2 J ехр(—99тйт ) 72(1

<ехр

й2 +Р2й2

1т_1т—1

" й02 (1—Р2 )

2рйы й?

1т 1т—1

(1—Р2)

С учетом табличного интеграла [7] вида

да 1

]7 ехр (—р2?2 )/0 (с?) Л = —

2р

-ехр

( с2 ^

4р2

х ехр

А,+1й0 (1 — Р2 ) + Г

2

А1+1Р

А, +1й02 (1 — р2 ) + 1

А1+2Р

2

где I =1, т — 2 ; А,+1 = 9,+1 +- , . ,

А,+2Т) (1 — р2 ) + 1

причем Ат = 1 2 (1 + й() )].

При этом выражение для обобщенного момента принимает вид

(1/2 )

—(й ) = (2^й2 )ехр (—й2/^ ); (7)

Q9l •• -9т

т—1

п

(8)

I=0 А, ^й2 (1 — р2 ) + 1_

да

х| ехр (—АГ\ ) — (\ Ж (11)

01

Если случайные процессы, описывающие состояние канала на различных частотах, независимы и однородны, а запаздывание в исполнении команд отсутствует, известна аппроксимация одномерной плотности распределения ОСП на рабочей частоте в рабочем канале [8]:

—р(й)=

—(й)[1 + (N - -1) Р (йдоп ^—2 (й)]

1— (йдоп )

й ^ йдоп;

0 й ^ йдоп,

(12)

й2 (1—Р2 )

СНт . (9)

(10)

где N - количество выделенных для обратного канала частот; Р(й) - интегральная плотность распределения ОСП на случайно выбранной частоте; йдоп - задаваемое пороговое (допустимое)

значение ОСП.

С учетом запаздывания в исполнении команд управления плотность распределения ОСП в момент первой передачи команды определяется соотношением

да

WР)= I WР(\)((\\) (13) }

"дои

Подставив (7) в (12) и (8) в (13), а затем (13) в (11), получим следующее выражение для обобщенного момента:

Q

_/ =1 Al +iho2 (l-p2) + 1_

да

J exp (-^ )>

0

да

2ht1

X h^, ^ (i -P2)

exp

"дои

,2 2,2 h +Plh

ll lo

ho (l-P2)

x Zo

2Phtl \ ho2 (l-P2)

2hto

h02

exp

l0 h02

l + (N-1)8

l - exP (-h2/ h2 )

l-8

N

dhf dhf (l4)

где 8 = 1 -ехР (оп/}э); Р1 = ехр хк), причем хз - интервал запаздывания в исполнении команд.

Поменяв в (14) порядок интегрирования и проинтегрировав по }, учитывая (10), выполнив би-

Г / ,9 *-2

номиальное разложение

l - exp(-h2 V lc

и

проинтегрировав по } о, получим окончательное выражение для обобщенного момента:

ОЧ1-Чт =

" (12 )+1

«-1 (l/2 )q+l /=l Ai +lho2 (l-P2) + l

l - exp (-AoO

l-8

N

-(l -8)

Alh? (l-P2 ) + l l +(N - l)x

A ho +l

N-2 Cl (l -8)1 (-l)1

x Ъ CN-2-2--:—

l=o Ao ho2 (l +1) +1_

(l5)

где

Ao =(Aip2)/[Alho2 (l-P2)

+1

Выражение (15) совместно с (4) позволяет определить численное значение вероятности правильного декодирования команды при заданном числе повторений в зависимости от среднего значения ОСП в рэлеевском канале связи. Эти оценки являются нижними граничными оценками достоверности и для других законов замираний, при этом вероятность доведения команд будет выше.

Несмотря на громоздкость полученного выражения, оно конструктивно, не требует большого объема вычислений и позволяет решить задачу выбора оптимальной кодовой конструкции. Для случая, когда характер изменения параметра h отличается от марковского, для получения численных значений вероятности Pm можно воспользоваться достаточно эффективным в вычислительном отношении аналитико-статистическим методом определения функции кратности ошибок в каналах с переменными параметрами, разработанным одним из авторов настоящей статьи и представленным в [9].

Традиционно в АСПД структура передаваемой по обратному каналу связи команды управления в течение сеанса связи неизменна. При этом некоторые параметры команды передаются повторно без изменений. Для уменьшения информационной избыточности обратного канала предлагается использовать команды управления переменной длины, передавая в них только изменяемые параметры системы. В этом случае количество информационных бит в команде будет переменным, а время для передачи команды останется фиксированным. Тогда вся избыточность будет использована для повышения помехоустойчивости при передаче команды управления.

Для передачи команд по обратному каналу может использоваться разработанный авторами настоящей статьи код с переменной избыточностью [Ю], использующий набор кодовых конструкций с различной кодовой скоростью для передачи блоков данных различной длины по КВ-каналу с фиксированной технической скоростью. Сущность метода заключается в том, что к подлежащей передаче команде управления, размер кото -рой может принимать одно из N заранее определенных несовпадающих значений, добавляется циклическая контрольная сумма (CRC), после чего в зависимости от размера полученного блока данных используется один из N помехозащищенных кодов. При этом набор из N кодов подбирается таким образом, чтобы размер блока данных на выходе кодера (на передачу в радиоканал) был одинаков для каждого из N вариантов размера данных на входе кодера. На приемной стороне после демодуляции кодовый блок проходит операцию декодирования и проверки по CRC для всех используемых вариантов кодовых конструкций. Результат декодирования, для которого CRC совпала, передается получателю информации.

х

Предложенное решение защищено патентом [11] и используется в разработанном в ОАО "РИМР" коротковолновом адаптивном автоматизированном комплексе технических средств "Пирс", в котором реализуется адаптивное изменение частоты, вида сигналов, вида помехозащищенного кода. Использование многопараметрической адаптации и предложенных подходов в организации обратного канала связи в АА КТС "Пирс" позволяет передавать сообщения объемом до нескольких мегабайт

с информационной скоростью в полосе телефонного канала до 6 Кбит/с при допустимой вероятности ошибки на бит в принимаемом сообщении

порядка 10 11, что позволяет отказаться от взгляда на КВ-радиосвязь как на уникальный вид резервной связи, предназначенный для передачи небольших объемов информации в отсутствие иных видов связи.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Егоров В. В., Тимофеев А. Е. Адаптация в системах передачи дискретной информации по нестационарным радиоканалам // Управление и информационные технологии: материалы Всерос. науч. конф., Санкт-Петербург, 3-4 апр. 2003 г. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2003. Т. 2. С. 44-47.

2. Егоров В. В. Оптимизация параметров частотно-адаптивных радиолиний // Техника средств связи. Сер. Техника радиосвязи. 1984. № 5. С. 94-101.

3. Светлов В. Г. О некоторых представлениях многомерной плотности вероятности огибающей нормального случайного процесса с нулевым средним // Радиотехника и электроника. 1966. № 12. С. 2119-2127.

4. Тихонов В. И. Статистическая радиотехника. 2-е изд. М.: Сов. радио, 1982. 624 с.

5. Коржик В. И., Финк Л. М. Помехоустойчивое кодирование дискретных сообщений в каналах со случайной структурой. М.: Связь, 1975. 272 с.

6. Тихонов В. И. Марковский характер огибающей квазигармонических колебаний // Радиотехника и электроника. 1961. № 7. С. 1082-1091.

7. Градштейн И. С., Рыжик И. М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М.: Физматгиз, 1963. 1100 с.

8. Каган Б. Д., Ковров С. С., Петров А. Д. О помехоустойчивости приема в коротковолновых каналах с частотной адаптацией // Радиотехника. 1978. № 4. С. 45-47.

9. Егоров В. В. Определение функции кратности ошибок в каналах со случайными параметрами // Электросвязь. 2010. № 3. С. 50-53.

10. Егоров В. В., Тимофеев А. Е. Передача сообщений по КВ-радиоканалу при случайном характере моментов поступления данных // Электросвязь. 2011. № 11. С. 30-31.

11. Пат. Ри 2426249 МПК Н04И2/56 (2006.01). Способ передачи данных по каналу связи с фиксированной технической скоростью при поступлении сообщений от источника в случайные моменты времени / В. В. Егоров, А. А. Катанович, С. А. Лобов и др. Опубл. 10.08.2011. Бюл. № 22.

V. V. Egorov, A. E. Timofeev JSC "Russian institute for power radiobuilding" (Saint-Petersburg)

Return channel in adaptive short-wave radio systems for information transmition

Options of creation of the return channel in adaptive short-wave radio lines are considered. The approach consisting in transfer only changing command operating parameters realization of which is based on use interference protected code with variable redundancy is offered. Analytical expressions for probabilistic and time characteristics of management commands transferring in a Rayleigh communication channel are accepted.

Adaptation, data transmission system, short-wave radio channel, return communication channel, management command, alarm and code construction

Статья поступила в редакцию 29 ноября 2013 г.