CC BY
6
СЕТИ СВЯЗИ
ПОМЕХОУСТОЙЧИВАЯ СИГНАЛЬНО-КОДОВАЯ КОНСТРУКЦИЯ НА БАЗЕ ЧАСТОТНОЙ МАНИПУЛЯЦИИ В ИОНОСФЕРНОМ КАНАЛЕ
РАДИОСВЯЗИ
А.И. Рыбаков, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, lexeus.r11@gmail.com.
УДК 621.396.949_
Аннотация. Целью исследовательской работы является представление помехоустойчивой сигнально-кодовой конструкции для использования в коротковолновых каналах радиосвязи.
Предложен метод, сокращающий длину информационного сообщения. Применена упреждающая коррекция ошибок (FEC), код Рида-Соломона и код Грея, за счет которых получится восстановить искаженное сообщение и повысить устойчивость к частотным нестабильностям. Рассмотрены вопросы приема и декодирования полученного сигнала. Отдельно рассмотрены декодер Рида-Соломона и декодер глубокого поиска, обеспечивающего повышенную чувствительность при сохранении приемлемого уровня символьных ошибок.
Ключевые слова: JT65; FEC; SNR; код Грея; код Рида-Соломона; модель радиоканала; декодер.
NOISE-RESISTANT SIGNAL-CODE DESIGN BASED ON FREQUENCY MANIPULATION IN THE IONOSPHERIC RADIO CHANNEL
A.I. Rybakov, St. Petersburg State University of Telecommunications named after Prof. M.A. Bonch-Bruevich.
Annotation. The purpose of the research work is to present a noise-resistant signal-code design for use in short-wave radio communication channels. A method that reduces the length of an information message is proposed. Proactive error correction (FEC), Reed-Solomon code and Gray code have been applied, due to which it will be possible to restore the distorted message and increase resistance to frequency instabilities. The issues of reception and decoding of the received signal are considered. The ReedSolomon decoder and the deep search decoder, which provides increased sensitivity while maintaining an acceptable level of symbolic errors, are considered separately.
Keywords: JT65; FEC; SNR; Gray code; Reed-Solomon code; radio channel model; decoder.
Введение
Современные цифровые системы связи основаны на математике теории информации. Достижение низкой частоты ошибок при очень низком SNR требует математического кодирования пользовательской информации в компактную форму, но включающую тщательно структурированную избыточность. JT65 - это цифровой протокол, предназначенный для любительской радиосвязи чрезвычайно слабыми сигналами [1, 2].
В данной работе обобщены технические характеристики JT65 и представлена справочная информация о причинах его возникновения и философии
конструкции, а также измерения результирующей чувствительности и частоты ошибок.
На рис. 1 представлена блок-схема цифровой системы связи. Для достижения максимальной эффективности при низком 8МЯ пользовательское сообщение кодируется источником в компактной форме с минимальной избыточностью. Затем он дополняется избыточностью, которая может обеспечить восстановление сообщения, даже если часть сообщения будет повреждена при передаче. Этот процесс известен как «прямое исправление ошибок» или ¥ЕС. На рис. 1 представлена блок-схема информационного потока в цифровой системе связи [3, 4].
Исходное сообщение Кодирование исходного сообщения \ / ЕЕС кодирование \ / Модуляция - Канал ' передачи
Исходное сообщение / \ Некодировоние исходного сообщения / \ ЕЕС декодирование^ Демодуляция / \
Рисунок 1
Исходный кодер знает правила, по которым строятся стандартные позывные сигналы опознавания, и использует эту информацию для минимизации необходимого количества информационных битов. К примеру, любительский позывной сигнал опознавания состоит из одно- или двух- символьного префикса, по крайней мере один из которых должен быть буквой, за которой следует цифра и суффикс от одной до трех букв. В рамках этих правил количество возможных позывных равно 37*36x10*27x27x27, или чуть больше 262 млн (числа 27 и 37 возникают потому, что в первых и последних трех позициях может отсутствовать символ - буква или, возможно, цифра). Поскольку 228 - это более 268 млн, 28 бит достаточно, чтобы кодировать любой стандартный позывной. Аналогично, число 4-разрядного сеточного локатора Мейденхеда составляет 180*180 = 32400, что меньше, чем 215 = 32 768; таким образом, сеточный локатор требует 15 бит в сообщении.
Любое сообщение может быть закодировано исходным кодом в 28+28+15= 71 бит, плюс еще один для отчета о сигнале. При использовании 43-символьного алфавита максимальная длина обычного текстового сообщения составляет 13
( г. 7Ыод2,
(наибольшее целое число меньше го^43 ).
После сжатия до 72 бит сообщение /Г65 дополняется 306 однозначно определенными битами исправления ошибок. Таким образом, скорость кодирования ¥ЕС [5, 6] составляет г = 72/378 = 0,19; эквивалентно можно сказать, что каждое сообщение передается с «коэффициентом избыточности», измеряемого в обратном делении, равному 5,25.
В Л65 используется код Рида Соломона Я8 (63,12), который кодирует каждое 72-битное пользовательское сообщение в 63 шести-битных «символов канала» для передачи. Каждое кодовое слово в этом коде отличается от любого другого, по крайней мере, в 52 местах. Переупорядоченные символы
преобразуются из двоичного представления в код Грея, что делает JT65 более устойчивым к частотным нестабильностям.
Передача JT65 делится на 126 непрерывных временных интервалов, каждый длиной 0,372 [7]. В пределах каждого интервала сигнал представляет собой синусоиду постоянной амплитуды на одной из 65 предопределенных частот, и изменения частоты между интервалами осуществляются непрерывным по фазе образом. Передача номинально начинается в t = 1 с после начала очередной минуты UTC и заканчивается в t = 47,8 с. Синхронизирующий сигнал имеет частоту 1270,5 Гц. Последовательность обладает желательным математическим свойством, заключающимся в том, что ее нормированная автокорреляционная функция падает от 1 до почти 0 для всех ненулевых лагов. Как следствие, получается отличный синхронизирующий вектор.
Целые сообщения переводятся в уникальные строки по 72 бита, а из них в последовательности по 63 шести-битных символа. Эти символы передаются по радиоканалу; часть из которых может быть не принята. Если достаточное количество символов приняты (в вероятностно определенном смысле), возможно восстановление полного 72-битного сообщения [8]. Декодированные биты затем переводятся обратно в исходное сообщение. Схема кодирования и надежное FEC гарантируют, что сообщения никогда не примутся фрагментарно. Компоненты сообщения не могут быть ошибочно приняты друг за друга, и позывные никогда не отображаются с несколькими отсутствующими или неправильными символами (рис. 2).
Показана псевдослучайная последовательность (рис.2), используемая в JT65 в качестве «синхронизирующего вектора», и графическое представление ее автокорреляционной функции. Центральный корреляционный всплеск служит для синхронизации времени и частоты между передающей и приемной станциями [9].
Цифровой сигнал фильтруется ФНЧ. Спектры мощности вычисляются по дискретным преобразованиям Фурье с 2048 отсчетами и исследуются на наличие псевдослучайной картины синхронизации. Точность синхронизации обычно составляет около 1,5 Гц по частоте и 0,03 с по времени. Как только «синхронизация» установлена, программа повторно измеряет частоту синхротонов по небольшим группам тональных интервалов [10, 11].
Имея точную информацию о синхронизации, программа вычисляет 64-битный спектр для каждого из 63 символов канала [12]. Эти спектры имеют разрешение 2,7 кГц Гц и при очень слабых сигналах они, по существу, шумоподобны. Многие из отдельных тонов данных могут быть не обнаружены над шумом. Используя известные статистические свойства случайного гауссовского шума, возможно вычислить вероятность того, что символ был передан с каждым из возможных значений. Эта вероятностная информация, основанная на измеренных
Рисунок 2
спектрах синхронизированных символов, является основной полученной информацией. После удаления кода Грея и чередования символов вероятности передаются в декодер.
Измеренная чувствительность и частота ошибок:
SNR in 3500 Hz BW (dB)
Рисунок 3
На рис. 3 отображено количество правильно декодированных сообщений в зависимости от SNR для JT65B.
Кривая, обозначенная K-V, относится к алгоритму Кеттера-Варди; DS относится к алгоритму глубокого поиска [13].
В результате моделирования 1000 передач стандартных сообщений был получен график, представленный на рис. 3.
Для алгоритма K-V основной вывод состоит в том, что 96% передач были правильно декодированы при -23 дБ, 41% - при -24 дБ и 3% - при -25 дБ. Для алгоритма глубокого поиска длинная пунктирная кривая показывают, что 92% передач были правильно декодированы при -27 дБ, 58% - при -28 дБ и 17% - при -29 дБ.
Аналогичные измерения были проведены для подрежимов JT65A и JT65C [14, 15]. Результаты качественно аналогичны тем, что показаны для JT65B на рис. 3.
Заключение
В данной работе обобщены технические характеристики JT65 и представлена справочная информация о причинах его возникновения и философии конструкции, а также измерения результирующей чувствительности и частоты ошибок. Показано, как повысить устойчивость к частотным нестабильностям, использование «прямого исправления ошибок» (FEC), кода Рида-Соломона и кода Грея, за счет которых получится восстановить искаженное сообщение. Представлен результат аппробации помехоустойчивой сигнально-кодовой конструкции, для использования в коротковолновых каналах радиосвязи В настоящем протоколе декодер основан на компьютерном коде, лицензированном компанией CodeVector Technologies (декодер Кеттера-Варди K-V). Декодер демонстрирует резкий переход от «полного декодирования» к «сбою декодирования», при SNR примерно с -23 до -25 дБ.
Если декодер Рида-Соломона не даст результата, возможно применение декодера «глубокого поиска». Глубокий поиск начинается со списка вероятных позывных и локаторов сетки. По сути, база данных позывных определяет набор согласованных фильтров. Глубокий поиск не чувствителен к сообщениям с позывными, отсутствующими в базе данных, или произвольному простому тексту. Декодер глубокого поиска обеспечивает примерно на 4 дБ большую чувствительность, сохраняя при этом низкую частоту ошибок.
Литература
1. Шеннон С. A Mathematical Theory of Communicaton // Bell System Tech., 1948.
- С. 379-423, 623-656.
2. The JT65 Communications Protocol // QEX, Сентябрь-Октябрь, 2005.
3. Смаль М.С. Бестестовые способы оценивания состояния коротковолнового радиоканала в адаптивных радиолиниях: дисс. канд. техн. наук: 05.12.13. ... СПб: 2018. - 147 с.
4. Никитин М.Л. Особенности построения широкополосного программно-определяемого радиомодема с использованием аппаратных возможностей ПЛИС // Интеллектуальные системы в производстве, 2015. - № 3 (27). - С. 59-62.
5. Фэлконер Д.Д., Шейх А., Элефтери E., Тобис M. Comparison of DFE and MLSE Receiver Performance on HF Channels // IEEE Transactions on Communications, изд. 33, май 1985. - C. 484-486.
6. Воробьев О.В., Рыбаков А.И. Разработка мобильной системы информационного обеспечения с использованием каналов метеорной связи. Сборник: материалы VI Международную научно-технической и научно-методической конференции «Актуальные проблемы инфокоммуникаций в науке и образовании», 2016. - С. 173-177.
7. Воробьев О.В. Разработка мобильной системы информационного обеспечения с использованием каналов метеорной связи // Сборник: материалы VI Международную научно-технической и научно-методической конференции «Актуальные проблемы инфокоммуникаций в науке и образовании». 2016. - 177 с.
8. Воробьев О.В., Рыбаков А.И. Вариант реализации двунаправленной связи в смс (системе метеорной связи). Описание программно-аппаратного комплекса смс // Сборник: Материалы VII Международную научно-технической и научно-методической конференции «Актуальные проблемы инфокоммуникаций в науке и образовании», 2017. - С. 128-136.
9. Серков В.П. Расчет коротковолновых радиолиний / Серков В.П., Слюсарев П.В.
- Л.: ВАС, 1977. - С. 4.
10. Ступницкий М.М., Лучин Д.В. Потенциал КВ-радиосвязи - для создания цифровой экосистемы России // Электросвязь, 2018. - С. 49-54.
11. Нарышкин Е.М. Волновая служба и антенные устройства. Ч. 1. Теория электромагнитного поля и распространение радиоволн: монография / Нарышкин Е.М., В.П. Серков В.П. - М., Воениздат, 1982. - С. 3-6.
12. Браницкий А.В., Ким В.Ю., Полиматиди В.П., Пучков В.А. Методика измерения доплеровского смещения частоты многолучевого сигнала // Сборник: материалы VI Международную научно-технической и научно-методической конференции «Актуальные проблемы инфокоммуникаций в науке и образовании», 2016. - С. 126-132.
13. Попов Н.А. Расчет территориального распределения уровней сигнала на многоскачковых радиотрассах от КВ передатчика средней мощности с антенной «Ромб». Автоматизация процессов управления, 2009. - № 1 (15).
14. Айзенберг Г.З. Коротковолновые антенны [под.ред. Г.З. Айзенберга]: монография / Айзенберг Г.З., Белоусов С.П., Журбенко Э.М., Клигер Г.А., Кукрашов А.Г. - М.: Радио и связь, 1985. - С. 7.
15. Симон М., Дивсалар Д. Maximum-Likelihood Block Detection of Noncoherent Continuous Phase Modulation // IEEE Transactions on Communications, 1993. - В. 41. - № 1. - С. 90-98.
ОЦЕНКА КАЧЕСТВА РАДИОПОКРЫТИЯ СЕТИ NB-IoT ВНУТРИ ЗДАНИЙ НА ТЕРРИТОРИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА
А.А. Прасолов, к.т.н., доцент, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, prasolov.alex@gmail.com;
Р.С. Рощинский, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, rosh.rs@bk.ru; А.С. Федоров, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, as.fdrv@bk.ru.
УДК 621.396.99_
Аннотация. Целью данной работы являлась оценка качества радиопокрытия сети NB-IoT внутри помещений различного назначения на примере одного из мобильных операторов, действующего на территории Санкт-Петербурга. Кроме того, была проверена работа оконечного измерительного устройства в условиях преднамеренных помех. Качество оценивалось с точки зрения уровня принимаемого сигнала, отношения сигнал-шум, а также наличия перекрытия между БС, возможности их переключения, а также получения служебной информации.
Ключевые слова: интернет вещей; NB-IoT; радиоизмерения; покрытие.
NB-IoT INDOOR RADIO COVERAGE QUALITY ASSESSMENT IN SAINT-PETERSBURG
Alexander Prasolov, Candidate of Technical Science, associate Professor, St. Petersburg state university of telecommunications n/a prof. M.A. Bonch-Bruevich; Roman Roschinsky, St. Petersburg state university of telecommunications n/a prof. M.A. Bonch-Bruevich;
Andrey Fedorov, St. Petersburg state university of telecommunications n/a prof. M.A. Bonch-Bruevich.
Annotation. The purpose of this work was to assess the quality of radio coverage of the NB-IoT network inside premises for various purposes on the example of one of the mobile operators operating in St. Petersburg. In addition, the operation of the terminal measuring device in conditions of deliberate interference was checked. The quality was evaluated in terms of the RSSI, SNR, as well as the presence of overlap between BS, the possibility of switching them, as well as obtaining service information.
Keywords: Internet of Things; NB-IoT; radio measurements; coverage.
