CC BY
172
doi: 10.36724/2409-5419-2020-12-6-26-37
ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС МОДЕЛИРОВАНИЯ ПАКЕТНЫХ РАДИОСЕТЕЙ КВ-ДИАПАЗОНА
ДОРОГОВ
Александр Юрьевич1 ЯШИН
Александр Иванович2
Сведения об авторах:
1д.т.н., доцент, главный научный сотрудник ПАО «Информационные телекоммуникационные технологии («Интелтех»)», г. Санкт-Петербург, Россия, [email protected]
2д.т.н., профессор, Зам. Ген. Директора ПАО «Информационные телекоммуникационные технологии («Интелтех»)», г. Санкт-Петербург, Россия, [email protected]
АННОТАЦИЯ
В работе отмечено, что сложность и постоянная изменчивость структуры ионосферы, наличие множества факторов оказывающих влияние на распространения радиоволн в такой среде, а также сложная топология сетей связи приводят к необходимости компьютерного моделирования передачи данных в сетях КВ-диапазона. Описаны существующие модели представления ионосферных процессов и цифровых радиоканалов. Показано, что для решения задач проектирования радиосети передачи данных необходимо комплексное моделирования с учётом топологии сети, потерь распространения сигнала в радиоканале, уровня шума, вида цифровой модуляции, радиопрогноза условий связи. В работе рассмотрен моделирующий комплекс для пакетных радиосетей передачи данных КВ-диапазона с изменяющимися условиями связи. Комплекс состоит из совокупности взаимодействующих моделей реализованных в программной среде Matlab. Программная модель Прогнозирования условий связи соответствует рекомендации МСЭ-R P.533-13 Международного Союза Электросвязи (ITU). Приведено описание модели для режимов «Точка-точка» и «Зона» и показаны результаты её применения для расчёта протяжённых радиолиний. Описаны исходные данные и системные параметры модели. Представлена модель цифрового радиоканала КВ-диапазона. Для моделирования использован пакет Communications System Toolbox, входящий в состав программной среды Matlab. Описаны входные и выходные данные модели. Разработана модель Ионосферно-Волновой Частотно-Диспетчерской службы радиосети, предназначенная для построения волнового расписания устойчивой работы КВ-радиолиний сети. Описаны правила построения двухчастотного и многочастотного волнового расписания. Предложена схема моделирования процесса функционирования пакетной радиосети при изменяющихся условиях связи. Комплекс позволяет оценить вероятностно-временные характеристики радиолиний и зонового радио-покрытия в зависимости от географических координат, времени, месяца, солнечной активности и выбранных системных параметров на период до одного года. Приведены примеры использования моделирующего комплекса для расчёта протяжённых радиолиний сети КВ-диапазона. Целью данной работы является постановка задачи имитационного моделирования КВ-радиосетей при изменяющихся условиях связи.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ионосфера; радиолиния; цифровой модем; радиозона; радиосеть; применимые частоты; отношение сигнал/шум; волновое расписание.
Для цитирования: Дорогов А.Ю., ЯшинА.И. Программный комплекс моделирования пакетных радиосетей КВ-диапазона // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2020.Т. 12. № 6. С. 26-37. ¿Ы: 10.36724/2409-5419-2020-12-6-26-37
Введение
Ионосферная радиосвязь в КВ диапазоне (3^30 мГц) является экономически эффективной средой для многих видов телекоммуникационных услуг, требующих передачи данных за пределы прямой видимости. Для Российской Федерации высоконадёжная сеть КВ-диапазона масштаба страны представляется недорогой альтернативой спутниковым системам связи при предоставлении телекоммуникационных услуг службам МЧС, РЖД, силовым ведомствам, а также региональным администрациям и многочисленным хозяйственно-экономическим структурам.
Для КВ-диапазона определяющим фактором распространения радиоволн является наличие околоземной ионосферы. Структура и свойства ионосферы существенно изменяются с высотой. Процессы, протекающие в ионосфере, тесно связаны с волновым и корпускулярным излучением Солнца, с процессами в магнитосфере, вариациями магнитного поля Земли, с движением верхней атмосферы и т.д.1 Этим обусловлена сильная изменчивость свойств ионосферы от времени суток, времени года, циклов солнечной активности, а также в зависимости от высоты и наличия отражающего слоя, географической широты и долготы приёмника и передатчика. Следующие физические явления КВ-диапазона, оказывают существенное влияние на построение системы передачи данных:
- нестационарная помеховая обстановка, вызванная изменяющимися условиями распространения радиоволн и работой сторонних систем радиосвязи;
- неселективные замирания длительностью 4...20 секунд;
- многолучевое распространение сигнала с временем многолучёвости до 5.6 мс., и доплеровским размытием между лучами до 2 Гц;
- сосредоточенные помехи в канале с уровнем до + 60 Дб от уровня сигнала.
Сложность и постоянная изменчивость структуры ионосферы, наличие множества факторов оказывающих влияние на распространения радиоволн в такой среде, а также сложная топология сетей связи приводят к необходимости компьютерного моделирования передачи данных в сетях КВ-диапазона. Длительную историческую традицию имеет подход, основанный на использовании ионосферных моделей, как правило, из класса статистических среди которых наиболее распространённой и обоснованной в настоящее время является модель IRI (International Reference Ionosphere2. IRI — это международный проект, спонсируемый Комитетом по космическим исследованиям (COSPAR)
'Ионосфера и распространение радиоволн // ИЗМИРАН — институт земного магнетизма. URL: https://www.izmiran.ru/ionosphere/ (дата обращения: 23.06.2020).
2Международная справочная модель IRI // The International Reference Ionosphere.
URL: http://irimodel.org/ (дата обращения: 23.06.2020).
и Международным союзом радиовещания (URSI). Эти организации создали рабочую группу, которую вошли представители различных стран, в том числе и из России. Модель ионосферы впервые была предложена в конце 60-х на основе всех доступных источников данных. Выпущено несколько версий модели, в настоящее время действует модель IRI-2016. Для данного местоположения, времени и даты IRI предоставляет медианные значения электронной плотности, электронной температуры, температуры ионов, состава ионов в диапазоне ионосферных высот, критические частоты распространения радиоволн КВ-диапазона [1,2,3] и другие данные. Модель поддержана программными средствами открытого доступа, реализованными на языках Fortran, Python, Matlab [3,4]. К сожалению, модель не охватывает полностью спектр задач прогнозного моделирования распространения радиоволн на протяжённых трассах. В частности моделью не поддерживается расчёт уровней потерь на радиотрассах, влияние естественных и индустриальных помех на распространение сигнала, многолучевое распространение радиоволн, селективные замирания сигналов и другие характеристики, необходимые для проектирования КВ-радиосетей. Существует ряд рекомендательных моделей3 разработанных Международным Союзом Электросвязи (ITU) дополняющих модель IRI. Вопросы моделирования радиолиний на основе данных рекомендаций рассматривались в работах [5,6,7,8,9].
В ITU разработана также комплексная математическая модель для прогнозирования рабочих характеристик ВЧ-линий, интегрирующая в себе набор частных моделей. Комплексная модель оформлена в виде рекомендации МСЭ-R P.533-133 и программных средств для ОС Windows на языке Fortran5. Модель позволяет производить расчёт характеристик КВ-радиолиний с протяжённостью до 9000 км (в режиме «Точка-точка») и радиозон покрытия (в режиме «Зона») с учётом уровней потерь на радиотрассах,
РЕКОМЕНДАЦИЯ МСЭ-R P1623-1 Метод прогнозирования динамики замирания сигнала на трассах Земля-космос. URL: https://www.itu.int/pub/R-REC/ru. РЕКОМЕНДАЦИЯ МСЭ-R P.368-9 Кривые распространения земной волны для частот между 10 кГц и 30 МГц. URL: https://www.itu.int/pub/R-REC/ru. РЕКОМЕНДАЦИЯ МСЭ-R P.372-11 Радиошум. URL: https://www.itu.int/pub/R-REC/ru РЕКОМЕНДАЦИЯ МСЭ-R P. 1407-3 Многолучевое распространение и параметризация его характеристик. URL: https://www.itu.int/pub/R-REC/ru. RECOMMENDATION ITU-R F.1487*, TESTING OF HF MODEMS WITH BAND-WIDTHS OF UP TO ABOUT 12 kHz USING IONOSPHERIC CHANNEL SIMULATORS. URL: http://www.itu.int/pub/R-REC/en.
РЕКОМЕНДАЦИЯ МСЭ-R P. 1240-2 Методы прогнозирования основной МПЧ, рабочей МПЧ и траектории луча, разработанные МСЭ-R. URL: https://www.itu.int/ pub/R-REC/ru.
'РЕКОМЕНДАЦИЯ МСЭ-R P.533-13 (07/2015) Метод для прогнозирования рабочих характеристик ВЧ-линий. Серия P. Распространение радиоволн. . URL: https://www.itu. int/pub/R-REC/ru.
5REC533 Propagation Model // Institute for Telecommunication Sciences. URL: https:// www.its.bldrdoc.gov/resources/radio-propagation-software/high-frequency/rec533-propagation-model.aspx (дата обращения: 23.06.2020).
влияние естественных и индустриальных помех на распространение сигнала, многолучевого распространение радиоволн. Программные средства доступны в виде исполняемых программ моделирующего комплекса и исходных кодов отдельных подпрограмм. В состав комплекса входит база данных антенн и редактор для изменения их характеристик. Комплексный характер модели позволяет минимизировать затраты на разработку дополнений.
Следует отметить, что исходные коды комплексной модели написаны на языке Fortran старой версии и поэтому требуют адаптации к современным компиляторам. Для отдельных подпрограмм представлен управляющий интерфейс, реализованный на основе устаревшей библиотеки ClearWin+. Исходные коды представляют собой набор подпрограмм и статических библиотек из программных модулей. Программный интерфейс к модулям не стандартизован. Указанные обстоятельства потребовали модификации исходного программного обеспечения и разработки собственного программного и пользовательского интерфейса для моделирующего комплекса. В новом варианте программный и пользовательский интерфейсы были реализованы средствами программной среды Matlab. Новый моделирующий комплекс использует структуру директо-риев исходного комплекса, и полностью совместим с ним по форматам хранения данных. Представленные модели дополняют разработанный ранее [1] комплекс имитационного моделирования сетевых и транспортных протоколов пакетной радиосети. В статье представлены принципы построения моделирующего комплекса на основе комплексной модели ITU МСЭ-R P. 533-13 и результаты его применения для расчёта радиолиний сети КВ-диапазона. Целью данной работы является постановка задачи имитационного моделирования КВ-радиосетей при изменяющихся условиях связи.
Модель прогнозирования условий связи
в режиме «Точка-точка»
Программная модель ITU Прогнозирования рабочих характеристик ВЧ-линий, доработана с учётом требований расчёта характеристик всех радиолиний сети на временном интервале длительностью один год. В новом варианте программный и пользовательский интерфейсы модели реализованы средствами программной среды Matlab Пользовательский интерфейс имеет развитые средства управления режимами моделирования радиосети, и графического представления результатов моделирования. Результаты прогнозирования условий связи для радиолиний сети сохраняются в форме таблиц доступных из программы Excel и используются для взаимодействия с программой моделирования модемных цифровых каналов. Исходными данными программной модели Прогнозирований условий связи являются:
- координаты размещения приёмника и передатчика;
- характеристики приёмной и передающей антенны;
- мощность передатчика;
- время (1-24 час); месяц (1-12); год;
- расчётные частоты (до 10);
- солнечная активность.
Расчёт прогнозируемых характеристик радиолиний выполняется по всем заданным частотам, месяцам года и для каждого часа суток. Объем расчётов можно ограничить, конкретно указав желаемые частоты, часы и месяцы. Солнечная активность определяется числом солнечных пятен и устанавливается по номеру года из хранимого файла данных. Программа имеет возможность обновить файл данных солнечной активности через сеть Интернет.
Радиоволны в КВ-диапазоне распространяются за счёт отражения от ионизированных слоёв ионосферы. Закон секанса устанавливает связь между частотами радиоволн, отражающихся от ионосферы при вертикально направленном излученииf и частотами радиоволн, отражающихся от той же области ионизации в случае наклонного излучения. Закон описывается выражением:
f = f sec ф„,
J накл J в ~0'
где ф0 — это угол между нормалью к ионосферному слою и направлением падающего на него луча.
Отражающими слоями ионосферы могут быть F1, F2 и E. Слои находятся на разной высоте, наличие слоёв в ионосфере зависит от времени суток и солнечной активности. Отражение возможно от всех слоёв, слой, который обеспечивает максимальный сигнал в точке приёма, называется модой. На рис. 1 показана схема односкачковой
Рис. 1. Схема отражения радиоволны от ионизированного слоя
трассы распространения, дальность односкачковой связи ограничена геометрией Земли (точка С — на рисунке). Предельное значение угла отражения определяется выражением:
Я
где R = средний радиус Земли (R = 6371,0 км), hD — действующая высота отражающего слоя, h — фактическая высота слоя, Ограничение угла ф0 ведёт к ограничению возможного расстояния односкачковых трасс (2000^4000 км). На рис. 2 показаны ожидаемые моды распространения по расчётным частотам на июнь 2018 г. для трассы Улан-Уде — Екатеринбург (расстояние 3036 км).
MODE Ожидаемая мода распространения Месяцев
1=СлоЙЕ 2=Спой И
Время иТ(час) 0 5 Частота (mHz)
Рис. 2. Ожидаемые моды распространения по расчетным частотам
Возможны также много скачковые трассы, позволяющие радиоволне обогнуть земной шар. В программе моделирования есть возможность выбора расчёта для «короткого» или «длинного» пути. На рис. 3 для этой же трассы показаны количество скачков для расчётных мод «короткого» пути.
1.1. Расчётные характеристики радиолиний
Программная модель Прогнозирования условий связи позволяет получить расчётные значения по следующим характеристикам радиолиний распространения радиоволны:
'MODE' — (Most Reliable Mode propagation mode) ожидаемая мода 'MODEh' — (Number of hops) количество скачков при распространении радиоволны.
'ANGL'—(Elevation angle (deg))—угол места для наиболее приемлемой моды на данной частоте (в градусах).
'DBU' — (Field strength — dB(1uV/m)) — медиана напряжённости поля, ожидаемая в месте приема взятая по выборке для всех дней месяца. dBu — децибелы относительно микровольта на метр.
'dBpW' — (Median available signal power at receive location (dBpW)). Медиана мощности сигнала, взятая по выборке для всех дней месяца ожидаемая в месте приёма в децибелах относительно пиковатт (picowatt).
'S/N' — (Monthly median signal-to-noise ratio (dB)) — месячная медиана отношения сигнал/шум (S/N) для ожидаемой моды в полосе частот BandWidth (см. rec533-13 п. 7).
TS/N' — (Calculated reliability) — расчетная надежность. Диапазон [0-0.99].
'SNxx' — (Signal to noise ratio (dB)) — отношение сигнал/шум для требуемой надёжности.
'freq' — (Calculated frequencies (mHz)) — рабочие частоты, используемые при вычислениях.
'LUF' — (Lowest usable high frequency (mHz)) — наименьшая применимая частота рабочей полосы, на которой отношение сигнал/шум достигает значения месячной медианы отношения сигнал/шум (S/N).
'MUFDAY' — оценка надёжности — доля дней в месяце, когда можно ожидать нормальное ионосферное распространение радиоволн для наиболее приемлемой моды обычного луча на данной частоте. Надёжность описывается как вероятность того, что соблюдены указанные критерии рабочих характеристик (т.е. указанное отношение сигнал/шум достигает значения месячной медианы отношения сигнал/шум (S/N)).
'FOT' — (Optimum traffic frequency (mHz)) — оптимальная применимая частота (ОПЧ), наивысшая частота рабочей полосы на которой обеспечивается надёжность радиолинии на уровне 0.90. (MUFDAY = 0.90).
MODEh Количество скачков Г/сснц-6
3 ^^ 10 Время ит(час) О 5 Частота (mHz)
Рис. 3. Количество скачков для расчётных мод
'MUF' — (Maximum usable frequency (mHz)) — максимальная применимая частота (МПЧ) — определяется как частота имеющая значение MUFDAY = 0.50.
'OPMUF' — (Operational MUF (mHz)) — рабочая МПЧ для радиолинии, является наибольшей из рабочих МПЧ для F2-мод и рабочих МПЧ для Е мод (см. rec533-13 п. 3.7). Оценка рабочей МПЧ — наивысшей частоты, на которой возможна приемлемая работа радиослужбы, проводится в два этапа: первый состоит в оценке основной МПЧ исходя из рассмотрения параметров ионосферы, а второй — в определении поправочного коэффициента для учёта механизмов распространения на частотах выше основной МПЧ. OPMUF' определяется как частота имеющая значение MUFDAY = 0.10.
Основные МПЧ различных мод распространения оцениваются через соответствующие критические частоты ионосферного слоя и с помощью коэффициента, характеризующего длину скачка.
'MIR' — (Multimode Interference factor (%)) — коэффициент межмодовой интерференции.
'OACR' — (Overall Circuit Reliability (%)) — полная надёжность радиолинии.
'SACR' — (Equatorial Scattering Overall Circuit Reliability (%)) — полная надёжность радиолинии при экваториальном тропосферном рассеивании (см. rec533 п. 10.3).
Результаты расчётов могут быть представлены в шкале локального времени или универсального времени (UT) отсчитываемого на долготе Гринвичского меридиана. На рис. 4 показана медиана мощности сигнала в точке приёма трассы Улан-Уде — Екатеринбург.
На рис. 5 показано отношение сигнал/шум для этой же радиолинии. По завершении расчётов 2D и 3D-графики характеристик можно отобразить в дополнительных ок-
нах. Результаты расчётов могут быть сохранены в виде таблиц в текстовом формате csv.
Рис. 4. Мощность сигнала в точке приёма по расчётным частотам
Рис. 5. Отношение сигнал/шум
1.2. Системные параметры радиолинии
Системные параметры распространяются на все радиолинии сети и задаются как исходные данные. В состав системных параметров включаются:
Req. Rel.— (Requires Circuit Reliability (%)) — требуемая надёжность радиолинии, оценивается процентом дней в течение месяца, когда сигнал имеет допустимое качество. Диапазон значений [1-99]%, по умолчанию 90%.
Req. SNR — (Required Signal-to-Noise Ratio (dB)) — требуемое отношение медианы почасовой выборки сигнальной мощности к медиане почасовой выборки шума в полосе 1 Hertz, которую необходимо обеспечить для требуемого типа и качества обслуживания. Диапазон значений [-30-99 dB], по умолчанию 73 dB.
Noise — (Manmade Noise (dBW)) — определяет уровень техногенного шума в приёмнике в dBW (децибел на Ватт) в полосе 1 Hertz на частоте 3 MHz, значение по умолчанию — 145 dBW.
Диапазоны по CCIR Report 258 [1,2,3,4,100-200], где:
1 = -140.4 — промышленный шум;
2 = -144.7 — городской шум;
3 = -150.0 — шум в сельской местности;
4 = -163.6 — шум в местности удалённой от населённых и промышленных зон. В этом диапазоне доминирующим является космический шум.
BandWidth — (Reciver bandwidth (Hz)) — расчётная ширина полосы шума на приёмнике.
Min Angle — (Minimum takeoff angle (deg)) — минимальный угол наклона главного лепестка предающей антенны над горизонтом в градусах. Типичное значение по
умолчанию 0.1 град. Диапазон значений [0-40 deg], при значении 0 устанавливается Angle=3 deg.
Дистанция — путь распространения радиоволны, возможные варианты:
• shot—по кратчайшей дуге;
• long — по максимальной дуге вокруг Земного шара.
Параметры цифровой модуляции (см. rec533-13
п. 10.2.1). Задают характеристики, связанные с многолучевым рассеиванием принимаемого сигнала, к ним относятся:
Ампл. отн.— (Amplitude Ratio (dB)) — амплитудный коэффициенте представляет собой отношение почасовых медиан напряжённости доминантной моды к субдоминантной моде, которое затронет рабочие характеристики системы только в том случае, если будет сопровождаться временной задержкой, выходящей за пределы значения Tw либо частотным рассеянием выше значения Fw.
Частотное окно — (Frequency Window (Hertz)) — Fw: Частотный интервал рассеивания принимаемого сигнала, в рамках которого моды сигнала будут способствовать улучшению рабочих характеристик системы, и за пределами которого рабочие характеристики будут ухудшаться.
Врем. окно — (Time Window)(uSec)—Tw: Временной интервал (в микросекундах) рассеивания принимаемого сигнала, в рамках которого моды сигнала будут способствовать улучшению рабочих характеристик системы, и за пределами которого рабочие характеристики будут ухудшаться.
Модель прогнозирования условий связи
в режиме «Зона»
Программная модель предназначена для прогнозирования распространения сигнала в радиозоне. Зона задаётся относительно выбранного центра зоны в градусах или в километрах по направлениям «на Восток», «на Запад», «на Север», «на Юг». Отдельно указывает место размещения передатчика, мощность передатчика и характеристики передающей антенны. Зона покрывается равномерной сеткой, в узлах которой находятся приёмники. Минимальный размер сетки 5*5, максимальный 999*999. Все приёмники имеют совпадающие характеристики антенн. Расчёт производится для 1^9 возможных вариантов. Варианты отличаются по частоте, номеру месяца, часу суток и солнечной активности. Солнечная активность определяется числом солнечных пятен и устанавливается по номеру года. На рис. 6 показан 3D-график изменения отношения сигнал/ шум в зоне размером 1000*1000 км., центром которой является г. Москва.
Передатчик размещён в центре зоны. Зона покрыта сеткой размером 71*71. При отображении характеристик зоны в режиме 2D используется цветовая палитра (рис. 7). В плоскости графика можно интерактивно выбрать точку с желаемой интенсивностью, которая отображается марке-
ром. Координаты выбранной точки и значение характеристики сохраняются в таблице маркеров.
Программа позволяет вычислить в выбранной зоне медианные оценки следующих характеристик:
Ожидаемая мода распространения для каждого узла сетки зоны;
Угол возвышения приёмной антенны в узлах зоны;
ВВи' dB(1uV/m)) — медиана напряжённости поля, ожидаемая в узлах приёма для всех вариантов (в децибелах относительно микровольта на метр);
(йВ) — месячная медиана отношения сигнал/ шум ^/Ы) в узлах сетки для ожидаемой моды в полосе частот BandWidth для всех расчётных вариантов;
Рис. 6. Функция изменения сигнал/шум в радиозоны 3D представлении
Рис. 7. Функция изменения сигнал/шум в 2D-представлении
'FS/N' — расчётная надёжность радиолиний в узлах сетки. Диапазон [0 ^ 0.99]. Вероятность того, что отношение сигнал/шум (SNR) превысит требуемое значение (Req. SNR) для всех расчётных вариантов;
'SNxx' (dB) — отношение сигнал/шум в узлах сетки для требуемой надёжности для всех расчётных вариантов.
Радиозона может быть отображена на географической карте в цветовой палитре по значениям характеристики. Интерактивный маркер позволяет определить координаты желаемой точки на карте (рис. 8).
При расчёте радиозоны используются системные параметры, которые задаются также как для программной модели «Точка-точка».
Моделирование радиоканалов
Программная модель радиоканала предназначена для расчёта битовых ошибок и ошибок передачи пакетов по радиолиниям сети при заданных условиях связи. Программа использует модели модемов из МАТЛАБ пакета Communications System Toolbox. Модемы различаются по типам модуляции, размеру алфавита и типам канала. Возможно также подключение моделей модемов, разработанных пользователем. Поддерживаются два типа каналов: AWGN — канал с Гауссовским белым шумом; и Rayleigh and Rician fading — канал с замираниями. По типам используемой модуляции возможны следующие варианты:
• 'psk' — (phase shift keying) фазовая манипуляция;
• 'oqpsk' — (offset quaternary phase shift keying) квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом (частоты);
• 'dpsk' — (differential phase shift keying) дифференциальная фазовая манипуляция;
• 'pam' — (pulse amplitude modulation) импульсная амплитудная модуляция;.
• 'qam' — (Quadrature amplitude modulation) квадратурная амплитудная модуляция;.
• 'fsk' — (frequency shift keying) частотная манипуляция;.
• 'msk' — (minimum shift keying) фазо-частотная манипуляция со сдвигом;.
• 'cpfsk' — (continuous phase frequency shift keying) непрерывная фазочастотная манипуляция со сдвигом;.
• 'depsk' — differential Encoded Phase Shift Keying дифференциально-кодированная фазовая манипуляция;
Входными данными программы моделирования являются:
• Таблица отношений сигнал/шум для радиолиний развёрнутая по времени суток и месячным датам;
• Размер алфавита для выбранного типа модуляции;
• Размер пакета, выраженный в битах.
Для каждой радиолинии можно задать свой модем или использовать общий модема для всех радиолиний сети. Выходными данными являются две расчётные таблицы. Формат расчётных таблиц соответствует формату входной таблицы. Первая таблица в столбцах рабочих
Рис. 8. Отображение радиозоны на географической карте
частот содержит вероятности битовых ошибок, вторая таблица в столбцах рабочих частот содержит вероятности ошибок при передаче пакета. Размер пакета задаётся в пользовательском интерфейсе.
В цифровых системах передачи, особенно при сравнении различных методов исправления ошибок, принято использовать нормированное отношение средней энергии на бит информации к спектральной плотности мощности шума EJNq. Это отношение, выраженное в децибелах, используется в функциях пакета Communications System Toolbox при расчете битовых ошибок. Отношение удобно тем, что в нем не фигурируют абсолютные значения полосы частот и длительности тактового интервала.
Обозначим через S — среднею мощность сигнала. Мощность шума при передаче сигнала в полое Bs равна N = N0Bs. Спектральная плотность мощности шума N0 имеет размерность энергии. Соответствие между Eb/N0 и S/N выраженное в децибелах имеет вид:
(EJN0) ={S/N)db - 10log10 (Log2L),
где L — размер алфавита (позиционность модуляции). График зависимости битовой ошибки от значения Eb/N0 при работе с модуляцией 'gam' и алфавитом k=4 в канале AWGN показан на рис. 9. Значения уровня шума S/N для данного модема больше значения Eb/N0 на величину 3.0103 dB.
На рис. 10 показано значение битовых ошибок в 3D-представлении для модема с модуляцией 'gam 4', в канале AWGN на максимально применимой частоте (MUF). Пики графика в координатах месяц-час соответствуют отсутствию прохождения радиосигнала между абонентами радиолинии Хабаровск-Екатеринбург.
Программная модель службы ИВ-ЧДС
При работе в сетевом окружении необходимой составляющей организации системы связи является Ионосферно-Волновая Частотно-Диспетчерская служба (ИВ-ЧДС). Служба предназначена для построения волнового расписания всех радиолиний радиосети КВ -диапазона по данным радиопрогноза условий связи. Программная модель позволяет выполнить построение двух типов волнового расписания: многочастотного и двухчастотного.
Многочастотное расписание — изменение рабочей частоты происходит каждый час. Частота выбирается из списка рабочих частот, передача данных на которых не превышает допустимый уровень ошибки. Выбор осуществляется по минимальному значению ошибки пакета. В случае равенства ошибок выбирается наибольшая частота. Если для всех рабочих частот текущего часа уровень ошибки меньше порогового, то значение частоты принимается равным нулю (это является индикатором нарушения допустимых условий связи), а уровень ошибки устанавливается по минимальному по всем частотам значению ошибки пакета.
Двухчастотное расписание — используются две рабочих частоты: дневная и ночная. Смена частот происходит на границе между днём и ночью. На временных интервалах дня и ночи выбирается частота, на которой уровень ошибки не превышает допустимый. Приоритет имеют частоты с наибольшим числом часов работы при допустимой ошибке. При равенстве приоритетов выбирается частота, имеющая наибольшее значение. Если для выбранной частоты на некотором часовом интервале уровень ошибки превышает допустимый, то для этого интервала значение частоты принимается равным нулю, а уровень ошибки устанавливается по фактическому значению для данного часа.
Рис. 9. Битовые ошибки для модема с модуляцией 'gam' и алфавитом к=4 в канале AWGN
Рис. 10. Ошибки BER для трассы Хабаровск-Екатеринбург
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
На рис. 11 показано волновое двухчастотное расписание для трассы Хабаровск-Екатеринбург на октябрь 2018 г.
Рис. 11. Двухчастотное волновое расписание для трассы Хабаровск-Екатеринбург
При отображении, размер маркеров на графике указывают допустимые рабочие частоты на приёмной стороне радиолинии. Чем больше размер маркера, тем выше качества канала (тем меньше уровень ошибки пакета). На рис. 12 показано многочастотное волновое расписание для той же трассы.
Модель позволяет также оценить суточную связанность для радиолинии сети по пороговому уровню ошиб-
ки на пакет. На рис. 13 показана диаграмма суточной связанности радиолиний для 7 месяца 2018 г. при пороговом уровне вероятности пакетной ошибки 0.001.
По горизонтальной оси отложено универсальное время, отсчитываемое на долготе Гринвичского меридиана. В пустых позициях диаграммы «зонах молчания» уровень пакетных ошибок выше допустимого, что можно считать отсутствием связи требуемого качества. Точки на диаграмме соответствуют достаточному уровню качества на приёмной стороне (Екатеринбурге). На рис. 14 показано многочастотное волновое расписание для линии Хабаровск-Екатеринбург (13 радиолиния) на 7 месяц 2018 г.
Сдвиг «зоны молчания» на последнем рисунке по отношению к «зоне молчания» 13 радиолинии на рис. 13
Рис. 13. Диаграмма суточной связанности радиолиний сет
Рис. 12. Многочастотное волновое расписание для трассы Хабаровск-Екатеринбург
Рис. 14. Многочастотное волновое расписание Хабаровск-Екатеринбург на 7 месяц 2018 г
обусловлен сдвигом на 4.2 часа локального времени места размещения приёмника по отношению к универсальному времени. Интерфейс модели позволяет установить календарную дату, выбрать границу сумерек, установить размер пакета, установить пороговое значение ошибки на пакет, показать географические координаты преемника и передатчика, время восхода, заката и часовой пояс, загрузить таблицу радиолиний сети и таблицу битовых ошибок. Построенное волновое расписание можно сохранить в текстовом файле в виде таблицы.
Схема моделирования процесса работы
пакетной радиосети
Схема моделирования процесса работы пакетной сети показана на рис. 15. Цель моделирования заключается в оценке основных вероятностно-временных характеристик КВ-радиосети по передаче сообщений и эффективности выбранных протоколов взаимодействия при работе радиолиний в пакетном режиме в условиях изменяющихся условий связи. Взаимодействие моделей осуществляется через общую память или файловую систему.
Гео-модель местности Тотюпогтесяэя модель радиооети
Модель ИВ-ЧДС Модель
радиоканала
Имитационная модель пакетной радиосети
Рис. 15. Схема моделирования процесса работы радиосети
Исходные данные по району размещения сети представлены в геомодели местности. На геомодель наложена топологическая модель радиосети, определяющая связи между сетевыми узлами. Модель Прогнозирования условий связи производит почасовой расчёт прогноза отношения сигнал/шум по рабочим частотам (а также максимально-применимой частоте МОТ) для всех радиолиний сети на период от 1 до 12 месяцев года. Модель радиоканала использует эти данные для расчёта битовых ошибок и ошибок на пакет по радиолиниям сети во временном пространстве час-месяц. Программная модель ИВ-ЧДС использует таблицу битовых ошибок для расчёта волнового расписания по радиолиниям. Волновое расписание работы радиолиний, топология сети и гео-данные
района размещения сети загружаются в имитационную модель пакетной радиосети. Эта модель выполняет имитационное моделирование пакетной сети радиосвязи в расчётном временном интервале с модельной длительностью до одного года. По выбранной нагрузке на сеть устанавливаются интенсивность генерации пакетов данных на узлах сети. Результатом моделирования являются вероятностно-временные характеристики (ВВХ) работы сети на расчётном временном интервале. В состав ВВХ включаются характеристики надёжности, достоверности и своевременности доставки пакетов и сообщений через сеть.
Заключение
Имитационное моделирование является базовым средством разработки телекоммуникационных сетей, позволяющим оценить характеристики и выбрать настроечные параметры протоколов передачи данных для беспроводных мобильных сетей. Для задач проектирования радиосети необходимо иметь оценки ВВХ при изменяющихся условиях связи за достаточно длительный временной интервал. Для КВ-диапазона это особенно актуально, поскольку период стационарности ионосферы редко превышает 20 мин. Рассмотренный моделирующий комплекс включает модели всех базовых составляющих КВ-радиосети передачи данных, что позволяет получить статистические характеристики сети близкие к реальным.
Результаты моделирования дают возможность рациональным образом выбрать параметрическую область решений, удовлетворяющую нормативным требованиям.
Литература
1. Крашенинников И.В., Павлова Н.М., Ситнов Ю. С. Модель IRI: Анализ среднемесячных параметров в задаче прогнозирования ионосферного прохождения радиоволн в условиях высокой солнечной активности // Гелиогеофизические исследования: Специальный выпуск. 2016. No. 14. C. 82-91.
2. Гуляева Т. Л. Модификация индексов солнечной активности в международных справочных моделях ионосферы IRI и IRI-Plus в связи с пересмотром ряда солнечных пятен // Солнечно-земная физика. 2016. Т. 2. № 3. C. 59-68.
3. Анишин М.М., Радио Л. П. Опыт применения ионосферной модели IRI-2012 для прогнозирования МПЧ на ВЧ-трассах // Гелиогеофизические исследования. 2015. No. 11 C. 13-18.
4. Дорогов А.Ю. МАТЛАБ интерфейс к программной модели ионосферы IRI-2016 // Материалы V межрегиональной научно-практической конф. «Перспективные направления развития отечественных информационных технологий» (Севастополь, 24-28 сентября 2019 г.). Севастополь: СевГУ, 2019. С. 238-240.
5. Кизима С.В., Ладанов М.В. Ионосферное обеспечение радиосвязи и радиомониторинга в декаметровом диапазоне частот (1.5 1,5-30 мГц) // Электросвязь. 2013. № 7. C. 1-4.
6. Завадский С.В., Путилин А. Н., Сиротинин И. В. Многочастотный имитатор КВ канала для адаптивной системы КВ радиосвязи с псевдослучайной перестройкой рабочей часто-
ты // Сборник XX Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация и связь». 2014. С. 937-942.
7. Ладанов М.В., Ведищев А.М., Кизима С. В., Лавров Г.В. Планирование радиосвязи на коротких волнах для магистральных радиотрасс // Электросвязь. 2012. № 9. С. 3-8.
8. Стругов Ю.Ф., Семенов А.М., Добровольский С.М., Батырев И. А. Стохастическое моделирование каналов с аддитивными и мультипликативными помехами. Схема реализации //
Математические структуры и моделирование 2015. № 2(34). С. 48-63.
9. Анишин М. М., Радио Л. П. Программный комплекс для прогнозирования характеристик КВ-радиолиний «Трасса-2019» (часть 1) // Техника радиосвязи. 2019. Вып. 4 (43). С. 14-26. 10. Дорогое А.Ю., Потапов И. А., Тутене А. С. Модели-рование протоколов беспроводных сетей в среде Матлаб // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2019. № 3. С. 32-45.
SOFTWARE PACKAGE FOR MODELING HF-BAND PACKET RADIO NETWORKS
ALEKSANDER YU. DOROGOV
Saint Petersburg, Russia, [email protected]
ALEKSANDR I. YASHIN
Saint Petersburg, Russia, [email protected]
KEYWORDS: ionosphere; radio line; digital modem; radio zone; radio network; applicable frequencies; signal-to-noise ratio; wave schedule.
ABSTRACT
It is noted that the complexity and constant variability of the ionosphere structure, the presence of many factors affecting the propagation of radio waves in such an environment, as well as the complex topology of communication networks lead to the need the computer modeling of data transmission in HF-band networks. The existing models of representation of ionospheric processes and digital radio channels are described. It is shown that to solve the problems of designing a radio data transmission network, complex modeling is necessary, taking into account the network topology, signal propagation losses in the radio channel, noise level, type of digital modulation, and radio forecast of communication conditions. In this paper, we consider a modeling complex for packet radio networks of HF-band data transmission with changing communication conditions. The complex consists of a set of interacting models implemented in the Matlab software environment. The software model for predicting communication conditions complies with ITU-R recommendation P. 533-13 of the International Telecommunication Union (ITU). The description of the model for the "Point-to-point" and "Area" modes is given and the results of its application for calculating extended radio lines are shown. The initial data and system parameters of the model are described. A model of the HF-band digital radio channel is presented. The communications System Toolbox package, which is part of the Matlab software environment, is used for this modeling. The model's input and output data are described. A model of Ionospheric Wave Frequency Dispatcher service of the radio network has been developed. This model is intended for building a wave schedule for stable operation of HF radio lines in the network. The rules for building a two-frequen-
cy and multi-frequency wave schedule are described. A scheme for modeling the operation of a packet radio network under changing communication conditions is proposed. The complex allows you to evaluate the probabilistic and temporal characteristics of radio lines and zonal radio coverage depending on geographical coordinates, time, month, solar activity and selected system parameters for a period of up to one year. Examples of using the modeling complex are given. The purpose of this work is to formulate the problem of simulation of HF radio networks under changing communication conditions.
REFERENCES
1. Krasheninnikov I. V., Pavlova N. M., Sitnov Yu. S. Model IRI: analysis of month mean parameters in the problem of point-to-point ionospheric radio waves propapagation in the high solar activity conditions. Heliogeophysical research. 2016. No. 14. Pp. 82-91. (In Rus)
2. Gulyaeva T. L. Modification of the solar activity indices in the international reference ionosphere iri and iri-plas models due to recent revision of sunspot number time series. Solnechno-zemnaya fizika. 2016. Vol. 2. No. 3. Pp. 59-68. (In Rus)
3. Anishin M. M., Radio L. P. The international reference ionosphere IRI-2012 using experience for MUF prediction on HF communication channel. Heliogeophysical research. 2015. No. 11. Pp. 13-18. (In Rus)
4. Dorogov A. Yu. MATLAB interface to software model of the ionosphere IRI-2016. Advanced national information systems and technologies Materials of V interregional scientific-practical conference (Sevastopol, September 24-Kizima S.V., Ladanov M. V. Ionospheric provision of radio communications and radio monitoring in the de-
cameter frequency range (1.5 1,5-30 mGc). Elektrosvyaz' [Telecommunication]. 2013. No. 7. Pp. 1-4. (In Rus)
5. Zavadskiy S. V., Putilin A. N., Sirotinin I.V Multifrequency HF channel simulator for adaptive HF radio with a pseudorandom restructuring operating frequency. Sbornik trudov Radiolokacija, navigacija i svjaz' XX Mezhdunarodnaja nauchno-tehnicheskaja konferencija [Proc. of the Radar, navigation and communication XX international scientific and technical conference]. 2014. Pp. 937-942. (In Rus)
6. Ladanov M.V., Vedishhev A. M., Kizima S.V., Lavrov G. V. Planning of short-wave radio communications for trunk radio routes. Elek-trosvyaz' [Telecommunication]. 2012. No. 9. Pp. 3-8. (In Rus)
7. Strugov Ju.F., Semenov A. M., Dobrovol'skij S.M., Batyrev I. A. Stochastic simulation of the radio channel with additive and multiplicative line noises. implementation scheme. Matematicheskie struktu-ry i modelirovanie [Mathematical structures and modeling]. 2015.
No. 2(34). Pp. 48-63. (In Rus)
8. Anishin M. M., Radio L. P. Software package for forecast characteristics hf radio link "TRASSA-2019". Tehnika radiosvjazi [Radio communication technology]. 2019. No. 4 (43). Pp. 14-26. DOI 10.33286/2075-8693-2019-43-14-26. (In Rus)
9. Dorogov A. Yu., Potapov I. A., Tutene A. S. Modeling of wireless network protocols in the environment of MATLAB. H&ES Research. 2019. No. 3. Pp. 32-45. DOI: 10.24411/2409-5419-2018-10267 (In Rus)
INFORMATION ABOUT AUTHORS:
Dorogov A.Yu, PhD, Docent, Chief researcher of JSC "Information and telecommunication technologies ("Inteltech")" ; Yashin A.I., PhD, Full Professor, Associate Director of JSC "Information and telecommunication technologies ("Inteltech")"
For citation: Dorogov A.Yu, Yashin A.I. Software package for modeling HF-band packet radio networks. H&ES Research. 2020. Vol. 12. No. 6. Pp. 26-37. doi: 10.36724/2409-5419-2020-12-6-26-37 (In Rus)
СПУТНИКОВЫЕ КОММУНИКАЦИИ ОБЪЕДИНЯЮТ
Объявлена предварительная дата проведения ежегодной конференции по спутниковым коммуникациям #SpaceCom Digital Russia. Мероприятие, организуемое TMT Conference совместно с «Телеспутником» и TelecomDaily, предварительно запланировано на 11 февраля 2021 года.
Подробная информация о мероприятии и регистрация участников доступна по адресу: http://www.tmtconferences.ru/ events/spacecom2021/
«На протяжении многих лет в рамках делового форума выставки CSTB Telecom & Media мы проводили секцию «Мультисер-висные спутниковые сети и VSAT». Она объединяла вместе экспертов рынка спутниковых коммуникаций в России с целью подведения итогов прошедшего года и выстраивания планов на будущее. Мероприятие активно развивалось и переросло в независимую конференцию о спутниковых коммуникациях #SpaceCom Digital Russia, которая в 2020 году проводилась параллельно с выставкой CSTB Telecom & Media и собрала более 120 представителей ключевых игроков индустрии спутниковой связи. В 2021 году выставка CSTB Telecom & Media меняет площадку и сроки проведения. Однако мы не хотим нарушать сложившуюся традицию и планируем организо-
вать ежегодную конференцию #SpaceCom Digital Russia в уже привычный для всех период - в начале года. В случае продления ограничений, обусловленных пандемией COVID-19, наше мероприятие состоится в безопасном онлайн-формате», - сообщил генеральный директор TMT Conference Данила Шеповальников.
Конференция #SpaceCom Digital Russia
2021 будет посвящена обсуждению наиболее острых и злободневных вопросов развития индустрии спутниковых коммуникаций в эпоху цифровой трансформации. В ходе мероприятия участники подведут итоги трудного для всех отраслей экономики периода пандемии коронавируса и обсудят вынесенные из этого испытания выводы. А также наметят перспективы и возможности для развития проектов и бизнеса в различных областях применения спутниковых коммуникаций. В этом году в фокусе обсуждения на #SpaceCom Digital Russia: практика использования спутниковых технологий для устранения цифрового неравенства в России, возможности спутниковой связи для реализации цифровой экономики, конвергенция спутниковых и наземных технологий связи, роль спутниковых сервисов в развитии медиаотрасли, перспективные проекты многоспутниковых группировок связи на негеостационарных орбитах, спут-
ник в экосистеме 5G, морской и речной транспорт как новый драйвер роста рынка VSAT, а также состояние и планы по развитию рынка ШПД-услуг в Ка-диапазоне.
Мероприятие будет организовано в один поток, разделенный на несколько тематических сессий. Откроет конференцию краткий отчет о том, как отрасль спутниковых коммуникаций преодолела пандемию COVID-19. Его продолжит дискуссия о текущем этапе и перспективах развития рынка спутниковых коммуникаций в России, которая постепенно перерастет в кейс-сессию, посвященную практическим аспектам применения технологий спутниковой связи. Интерактивный формат проведения конференции дополнит разнообразные возможности для плодотворного общения и взаимодействия участников. Завершит программу уже ставшая изюминкой этой конференции бизнес-игра #SpaceQuest.
До встречи на
#SpaceCom Digital Russia 2021!
По вопросам участия:
Тел.: +7 (812) 448-11-08 E-mail: [email protected] http://www.tmtconferences.ru/events/ spacecom2021/
