CC BY
1
ARCHITECTURE OF AN INTEGRATED MULTISERVICE NETWORK MONITORING AND
MANAGEMENT SYSTEM SPECIAL PURPOSE
A.V. Bogovik, A.A. Shlyapnikov, O.A. Gubskaya, A.A. Burlakov
The article discusses current problems and trends in the architecture of an integrated monitoring and management system for multiservice networks of special purpose.
Key words: multiservice network, architecture, monitoring system, management, service.
Bogovik Alexander Vladimirovich, candidate of military sciences, professor, [email protected], Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny,
Shlyapnikov Alexander Alexandrovich, platoon commander, [email protected], Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny,
Gubskaya Oksana Alexandrovna, candidate of technical sciences, lecturer, gubskaya. oa@yandex. ru, Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny,
Burlakov Andrey Anatolyevich, candidate of military sciences, docent, [email protected], Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny
УДК 654.022
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-1-134-135
ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ С ОРТОГОНАЛЬНЫМ ЧАСТОТНЫМ МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕМ
Р.И. Кочубей, М.М. Бычковский, Н.Н. Зайкин, Е.В. Фатьянова, А.В. Свидло, О.В. Чуприков
В статье представлен принцип формирования OFDM-сигнала. Приведено сравнение одноканальных и многоканальных систем. Рассмотрены возможности увеличения скорости передачи сигналов в данных системах.
Ключевые слова: ортогональное мультиплексирование, система передачи информации по радиоканалу.
Основной задачей, решаемой при построении систем передачи информации по радиоканалам (далее - СПИР), является задача выбора методов формирования и приема сигналов. Одним из перспективных методов формирования сигналов является метод ортогонального частотного мультиплексирования. Данный метод способен сформировать сигнал, пригодный для высокоскоростной передачи данных. Скорость модуляции таких сигналов может достигать порядка нескольких Мегабод, что обеспечивается применением современных алгоритмов цифровой обработки сигналов и производительных высокоскоростных процессоров.
Помехоустойчивая передача информации по каналам ТЗМ-диапазона, функци-нирующих в городских условиях, связана с решением задачи разнесения символов на передаче (приеме) с целью их безошибочного восстановления. Применение различных видов разнесения связано разными условиями работы, которые и определяют способы реализации система передачи информации по радиоканалу. Широкое применение нашли как классические виды разнесения: частотное, временное, пространственное, поляризационное, так и комбинированные: частотно-временное, пространственно-временное., Корректирующие коды увеличивают расстояние между кодовыми словами с целью уменьшения коэффициента ошибок, поэтому помехоустойчивое кодирование можно отнести особому виду разнесения.
При проектировании СПИР на практике выделяются два основных направления: с частотным разнесением - это многочастотные (параллельные) СПИР, и с временным разнесением, - это последовательные СПИР. В обоих случаях широко применяются методы кодового разделения сигналов.
Обычно, сравнение данных типов СПИР производится при определенных граничных условиях, таких как модель канала, методы формирования группового сигнала, скорости передачи информации, способы приема, мощности передатчиков и сложность реализации (вычислительная сложность). Справедливости ради необходимо сказать, что при изменении этих граничных условий в ту или иную сторону, акценты также изменяются пропорционально.
Сравнение эффективности различных нелинейных алгоритмов функционирования одноканальных и многоканальных СПИР производится в предположении одинаковой средней скорости передачи сообщений, которая для многоканальных СПИР (при двоичных сигналах) определяется как [1]:
N
У = Т~ (1)
'Бут
где N - число поднесущих, а Тяуш - длительность посылки.
Такой подход предопределяет различие сравниваемых СПИР по ширине занимаемой полосы частот, так как удельная скорость передачи в многоканальных системах обычно выше, чем в одноканальных. Более правильным представляется сравнивать СПИР при одинаковых занимаемых частотных полосах и производительностях источников информации, подключаемых к модуляторам. Образующийся при этом в многоканальных СПИР избыток в скорости передачи можно использовать для повышения помехоустойчивости, что необходимо учитывать в сравнительных расчетах.
Таким образом, как показывает практика:
1. Одноканальная система последовательного действия намного проще, чем многоканальная;
2. Реальные передающие устройства с нелинейной модуляционной характеристикой создают переходные помехи между каналами параллельной системы;
3. Низкое значение пикфактора одноканальной системы по сравнению с многоканальной позволяет использовать передатчики с пониженными требованиями к линейности выходного тракта;
4. Малое время задержки сигнала при модуляции и демодуляции способствует передаче речевых сообщений в реальном масштабе времени;
5. Работа короткими посылками в одноканальной СПИР обеспечивает предельный случай частотного разнесения, когда во всей отведенной полосе частот передается одна и та же информация.
Учет недостатков одноканальных систем столь же важен, как и учет их достоинств. Главный недостаток одноканальной системы в том, для увеличения скорости передачи необходимо уменьшить длительность элементарного сигнала, что ведет к расширению спектра сигнала за пределы выделенной полосы частот, и росту межсимволь-
ных искажений помехи. Следовательно, так как применяемые сигналы являются перекрываемыми по спектру, то повышение скорости в таких системах ограничивается ростом межсимвольных искажений. Помимо этого, для одноканальных систем эффективным методом борьбы с замираниями рабочего сигнала является использование сложных методов адаптивной фильтрации, особенностью которых является высокая сходимость алгоритмов адаптации, необходимая для эффективной работы фильтра в условиях нестационарности.
При разработке высокоскоростных СПИР эту трудность обычно обходят применением многоканальных (многочастотных) методов передачи, основанных на использовании многих поднесущих частот, модулируемых сигналами, длительность которых существенно превышает интервал временного рассеяния канала. Многоканальные системы, в сравнении с одноканальными без сложной адаптивной обработки, более устойчивы к замираниям в условиях многолучевости вследствие наличия защитного интервала (То!) и более длительного символьного интервала (Тут).
Так многоканальные системы по сравнению с одноканальными обладают рядом преимуществ.
Во-первых, многоканальные системы менее чувствительны, при соответствующем выборе параметров сигнала даже инвариантны к межсимвольным искажениям, вызванным интерференцией лучей при многолучевом распространении радиоволн или переходными процессами в частотно-ограниченных каналах. Это объясняется тем, что при одинаковой скорости передачи информации скорость модуляции в N -подканальной системе в N раз меньше, а длительность посылки в N раз больше, чем в одноканальной и, как следствие - более высокая помехоустойчивость. Если длительность посылки значительно больше максимального запаздывания между лучами в многолучевом канале связи или длительности переходного процесса, то межсимвольная помеха поражает лишь малую часть посылки.
Эта помеха может быть практически полностью ликвидирована, если в начале каждой посылки предусмотреть защитный интервал Т01, в течение которого обработка сигнала в демодуляторе вообще не производится.
Во-вторых, многоканальные системы менее чувствительны к неравномерности групповому времени запаздывания (ГВЗ) и изменениям его фазово-частотных характеристик (ФЧХ). Это объясняется тем, что поскольку спектр каждого канального сигнала сосредоточен в более узкой полосе, чем спектр сигнала одночастотной системы (при одинаковой суммарной скорости передачи информации), то неравномерность ГВЗ и изменения ФЧХ естественно оказываются меньшими в этой узкой полосе, чем в полосе всего группового сигнала. В многочастотных системах при той же скорости передачи корректоры ФЧХ либо вообще не требуются, либо являются очень простыми. В результате с учетом сложности корректора одночастотные системы в ряде случаев оказываются более сложными, чем многочастотные.
Рассмотрим возможности обеих систем передачи на предмет увеличения скорости передачи, под которой понимается количество двоичных символов, передаваемых за одну секунду. Она определяется выражением [2]:
С = (2)
где М - позиционность сигнального созвездия, Тяуш - длительность элементарной посылки, N - число каналов одновременной передачи информации.
Уменьшение Tsym в канале без принятия специальных мер (применение различных видов разнесения, предсказание реакции канала на передаваемые сигналы и зондирование канала с помощью испытательного импульса связано с серьезными трудностями. Таким образом, длительность посылки не может быть выбрана меньше 3 мкс, что в одноканальной двоичной системе ограничивает максимальную скорость передачи си-
стемы порядком 300000 дв. ед./с. Увеличение позиционности сигнала - M при ЧМ приводит к значительному (пропорциональному) расширению полосы частот. При ФМ (ОФМ), КАМ увеличение M не приводит к заметному расширению спектра, но помехоустойчивость значительно уменьшается. Следовательно, путем увеличения M или уменьшения Tsym в канале радиосвязи трудно обеспечить скорость передачи выше 11000000 дв. д./с. Выход из данной ситуации можно найти в увеличении числа подканалов N, т. е. строить систему, как многоканальную.
В современных многоканальных системах с частотным уплотнением используется два типа сигналов и способов их разделения: системы с ортогональными сигналами (ОС) (OFDM - сигналы) и многоканальные системы с не перекрывающимися по спектру сигналами (НСС).
В системах с OFDM используются отрезки гармонических колебаний, ортогональных на интервале, меньшем длительности посылки Tsym > Tgi.
Спектры сигналов в этом случае перекрываются, а их разделение осуществляется с помощью активной фильтрации (преобразования Фурье).
Канальные сигналы в таких модемах отстоят друг от друга 1
на Д/ =-Гц, где Tgi - защитный временной интервал.
Tsym~Td
В многоканальной системе с OFDM каждый канальный сигнал передается и принимается во всей полосе частот, отведенной для группового сигнала (ГС), так как разделительные полосовые фильтры отсутствуют. Таким образом канальные сигналы, за исключением нескольких крайних, практически не подвержены частотным искажениям.
В многоканальных системах с НСС канальные сигналы, как правило, распола-
2
гаются на интервалах больших, чем Д/ =-Гц.
Tsym
Таким образом, предельная пропускная способность систем с ОС примерно в 2 раза больше пропускной способности систем с НСС, каждый канал которой представляет собой самостоятельная одноканальная система передачи. По этой причине многоканальные системы с НСС несущественно отличаются от одноканальных. При этом в качестве демодуляторов могут использоваться когерентные, оптимальные некогерентные и автокорреляционные демодуляторы.
Автокорреляционный прием не может быть использован в модемах с ОС, так как при нем не возможно разделить ортогональные сигналы. Реализация когерентного приема в демодуляторах этих систем возможна, однако имеются определенные трудности при формировании N опорных колебаний, когерентных с канальными сигналами.
Требование прямой видимости, при построении СПИР являлись камнем преткновения для многих разработчиков беспроводной связи. Поэтому появление систем, основанных на OFDM, изготовители которых декларируют работу вне прямой видимости, вызвало значительный интерес. Технология OFDM, достаточно подробно освещенная в различных изданиях, сама по себе уже не вызывает вопросов. Однако понимание механизмов, обеспечивающих работу без прямой видимости, зачастую отсутствует. Рассмотрим процессы, происходящие с сигналом, при наличии на пути распространения препятствий различного рода. Возможность препятствия отражать или поглощать электромагнитное излучение зависит от частоты излучения и природы поверхности препятствия. Природа препятствий чрезвычайно разнообразна, но, прежде всего нас будет интересовать, с какими потерями то или иное препятствие отразит определенную часть спектра сигнала. Для стандартных систем существенное ослабление даже незначительной части спектра приводит к полной потере информации (рис. 1).
В первом случае сигнал принимается нормально, однако во втором случае демодулятор не сможет правильно интерпретировать сигнал и возникнет битовая ошибка.
Системы с одной несущей способны работать на отраженном сигнале за счет уменьшения расстояния или значительного увеличения мощности (рис. 2).
Спектр сигнала
Частота
Принятый сигнал без отражения
Рис. 1. Искажение сигнала с одной несущей после отражения от препятствия приводит к полной потере информации
Спектр сигнала
Частота
Принятый сигнал после отражения
Рис. 2. Преодоление порога распознавания путем увеличения мощности
Однако повышение мощности делает оборудование небезопасным для человека и приводит к увеличению потребляемой мощности, что ограничивает срок действия аккумулятора, а уменьшение расстояния ставит под сомнение эффективность применения такой технологии. OFDM делит весь спектр на определенное количество поднесу-щих, при этом каждая поднесущая является низкоскоростным каналом данных, которые в свою очередь путем мультиплексирования образуют канал заявленной пропускной способности. Для исправления неизбежных ошибок передачи обычно используется прямое исправление ошибок, для многих систем это сверточные коды. Таким образом, устойчивость к подавлению части общего спектра будет определяться общим количе-
138
ством поднесущих и количеством избыточных символов, выделенных под ¥ЕС-кодирование (рис. 3). Из практики эксплуатации OFDM-систем известно, что лучи хорошо отражаются от металлических и бетонных поверхностей, а также от различного рода пластмасс и стекла, что обуславливает их хорошее функционирование в городских условиях [3].
Спектр сигнала
Потерянные подносущие
Уровень
Порог распознавания
Частота
Принятый сигнал посла отражения
Рис. 3. Спектр ОГБМ-сигнала после отражения
Однако при каждом отражении, хотя и в разной степени, ослабляются все под-несущие, и в большинстве случаев после второго-третьего отражения теряется критическое их количество, что делает прием сигнала невозможным. Обычно, потери при отражении составляют 15 - 20 дБ на одно отражение.
Так же один немаловажный фактор, который препятствует работе в условиях непрямой видимости - дифракция на препятствиях. С одной стороны, она позволяет попадать лучам в "затененные" области, с другой - возникает эффект многолучевого распространения, и, как следствие, межсимвольная интерференция. Чем меньше скорость передачи данных, тем большее запаздывание различных лучей может быть корректно обработано приемником.
Поскольку общий поток данных разбивается на потоки с меньшей скоростью, каждая поднесущая в отдельности может испытывать временной сдвиг, значительно превышающий предельное значение, допустимое в случае передачи всего потока одной несущей. В мобильных системах также возможен сдвиг символов при переходе на другой луч. Для компенсации сдвига по времени в этом случае OFDM предусматривает расширение каждого символа защитным интервалом, составленный сэмплом той же длины, взятым от начала символа. Расширение происходит на этапе формирования сигнала передатчиком. Отсутствие сигнала в защитном интервале вызывает проблемы с сохранением синхронизации, поэтому он и заполняется эквивалентным участком символа.
Многие разработчики вносят различные усовершенствования в описанные методы преодоления проблем, связанных с работой вне прямой видимости, однако они не ведут к кардинальному изменению характеристик систем. В основном возможности определяются качеством исполнения устройств, поскольку сама схема OFDM очень чувствительна к различным искажениям, связанным с качеством реализации различных ее компонентов, количеством поднесущих и общими параметрами систем радиодоступа, такими как мощность, частота и т.д.
Таким образом, на основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что наиболее предпочтительными для высокоскоростной (порядка 30 МБод) передачи
139
дискретной информации в радиоканалах каналах являются системы с ортогональным частотным мультиплексированием OFDM.
Список литературы
1. Зюко А.Г, Кловский Д.Д., Коржик В.И., Назаров М.В. Теория электрической связи. Учебник для вузов. / Под. ред. Кловского Д. Д. - М.: Радио и связь, 1999. - 432 с.
2. Зюко А. Г., Кловский Д. Д., Назаров Л. М., Финк Л. М. Теория передачи сигналов. Учебник для вузов. М.: Связь, 1986. - 304 с.
3. Бакулин М.Г., Крейнделин В.Б., Шлома А.М., Шумов А.П. Технология OFDM: Учебное пособие для вузов. М.: Горячая линия-Телеком, 2017. 352 с.
Кочубей Руслан Иванович, преподаватель, kochuhey rig mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного,
Бычковский Михаил Михайлович, преподаватель, hichkovskiy.mmamail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С. М. Буденного,
Зайкин Николай Николаевич, преподаватель, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного,
Фатьянова Елена Валентиновна, преподаватель, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного,
Свидло Александр Владимирович, преподаватель, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного,
Чуприков Олег Валерьевич, преподаватель, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного
PRINCIPLES OF SIGNAL FORMATION WITH ORTHOGONAL FREQUENCY
MULTIPLEXING
R.I. Kochuhey, M.M. Bychkovsky, N.N. Zaykin, E.V. Fatyanova, A.V. Svidlo, O.V. Chuprikov
The article presents the principle of OFDM signal generation. A comparison of single-channel and multi-channel systems is provided. The possibilities of increasing the speed of signal transmission in these systems are considered.
Key words: orthogonal multiplexing, system for transmitting information over a radio channel.
Kochuhey Ruslan Ivanovich, lecturer, [email protected], Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyon-ny,
Bychkovsky Mikhail Mikhailovich, lecturer, bichkovskiy. mm@mail. ru, Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny,
Zaikin Nikolay Nikolaevich, lecturer, [email protected], Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyon-ny,
Fatyanova Elena Valentinovna, lecturer, [email protected], Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyon-ny,
Svidlo Alexander Vladimirovich, lecturer, [email protected], Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny,
Chuprikov Oleg Valerievich, lecturer, [email protected], Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny
УДК 004.942
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-1-141-142
ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ 3D-МОДЕЛИ СТРЕЛЬЧАТОЙ ЛАПЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Ю.А. Захаренко, А.П. Морозова, Д.С. Чуваева, С.А. Войнаш, А.А. Ореховская, Р.Р. Загидуллин
В проведенном исследовании приведены результаты диагностики состояния стрельчатых лап, изготовленных из материалов стали и стеклопластика. При проведении исследований использовалась трехмерная модель стрельчатой лапы. Рассматриваемые стрельчатые лапы применяются в агрегатах различных производителей. Построение 3D-модели осуществлялось при помощи современных программных пакетов Autodesk Inventor и Solid Works. Расчет модели проводился при действии рассредоточенной силы величиной 650 Н, соответствующей тяговому сопротивлению детали при эксплуатации на скорости до 1,93 м/с. Нагрузка прикладывалась как к носку, так и к крыльям стрельчатой лапы. Результаты исследований показали, что деформации в стрельчатой лапе из стеклопластика толщиной 5 мм примерно в два раза меньше по сравнению с аналогичной лапой из стали. Также был определен коэффициент прочности для обеих версий лапы (стальной и стеклопластиковой), значение которого составило 20. Однако следует отметить, что распределение прочности по поверхности детали неравномерно, что приводит к увеличению долговечности стрельчатой лапы из стеклопластика.
Ключевые слова: диагностика, стрельчатые лапы, 3D-модель, стеклопластик,
износ.
В настоящее время преобладающим типом рабочих органов в большинстве сеялок, почвообрабатывающих инструментов и посевных почвообрабатывающих комплексов, используемых в современных системах земледелия с применением минимальной и нулевой обработки почвы, работающих по технологии прямого высева, наряду с
141
