CC BY
1
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ КАНАЛА ДАЛЬНЕЙ КВ-РАДИОСВЯЗИ НА РАДИОТРАССЕ САНКТ-ПЕТЕРБУРГ-
ИРКУТСК
А.И. Рыбаков, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, [email protected].
УДК 654.164_
Аннотация. В статье представлены результаты по исследованию эффективности применения эквалайзеров в условиях ионосферного канала радиосвязи. Актуальность проведенной работы обусловлена необходимостью исследования методов повышения помехоустойчивости цифровой системы радиосвязи. В ходе исследования проводилось моделирование распространения радиоволн в ионосферном канале радиосвязи, направленное на анализ производительности различных типов эквалайзеров в условиях фазовых искажений и затухания сигналов.
Ключевые слова: коротковолновая связь; ионосферный канал; модуляция; помехоустойчивость; канальный эквалайзер; алгоритм; модель; имитационная среда.
RECOMMENDATIONS FOR IMPROVING THE EFFICIENCY OF THE LONG-RANGE HF RADIO COMMUNICATION CHANNEL ON THE ST.
PETERSBURG-IRKUTSK RADIO ROUTE
A.I. Rybakov, St. Petersburg State University of Telecommunications named after Prof. M. A. Bonch-Bruevich.
Annotation. The article presents the results of a study of the effectiveness of the use of equalizers in the conditions of an ionospheric radio communication channel. The relevance of the work carried out is due to the need to study methods to increase the noise immunity of a digital radio communication system. In the course of the study, a simulation of the propagation of radio waves in the ionospheric radio channel was carried out, aimed at analyzing the performance of various types of equalizers in conditions of phase distortion and signal attenuation.
Keywords: shortwave communication; ionospheric channel; modulation; noise immunity; channel equalizer; algorithm; model; simulation environment._
Введение
Коротковолновая связь с помощью ионосферного канала широко используется в течение многих лет и обладает целым рядом несомненных достоинств. Но есть у нее и серьезные недостатки, такие как низкая скорость и помехоустойчивость передачи информации, вследствие проявления физических свойств канала связи - анизотропии ионосферы. Именно структура ионосферы Земли и сложность распространения в ней пока не позволяют найти определенные технические и научные решения, обеспечивающие достижение больших возможностей в скорости и помехоустойчивости передачи информации по ионосферному каналу связи [1, 2, 3].
В статье представлены результаты анализа производительности различных типов эквалайзеров в условиях фазовых искажений и затухания сигналов. В ходе исследования проводилось моделирование распространения радиоволн в
ионосферном канале радиосвязи. Говоря о полученных результатах, следует отметить, что использование канальных эквалайзеров значительно улучшает помехоустойчивость, снижая требуемое отношение сигнал/шум для заданного уровня битовых ошибок (ВЕК) 10-3. Кроме того, были выявлены оптимальные параметры настройки эквалайзеров, рекомендации по применению различных длин преамбул для различных сценариев работы в ионосферном канале. Исследование подчеркивает значимость адаптивных технологий для обеспечения стабильной и надежной связи в условиях переменной и неоднородной среды.
Повышение пропускной способности, помехоустойчивости и скорости передачи информации по коротковолновым (КВ) каналам радиосвязи может быть достигнуто при различных рассматриваемых вариантах [4, 5, 6]:
• параллельные каналы передачи информации;
• пространственно-временной и частотный разнос радиосигналов;
• широкополосные сигналы;
• современные виды модуляции радиоволн при передаче информации.
Все перечисленные направления не обеспечивают принципиально нового решения задачи создания ионосферных линий радиосвязи, поэтому поиск радикальных и совершенных решений в настоящее время целесообразен. Для каждого из этих вариантов критически важным является влияние доплеровского сдвига, и в статье предлагается способ снижения влияния доплеровского сдвига путем применения канального эквалайзера.
Эквалайзер - это цифровой фильтр с конечной импульсной характеристикой (КИХ), коэффициенты которого настраиваются на основе субоптимального алгоритма с целью компенсации фазовых искажений принимаемого радиосигнала [7]. Передаточная функция КИХ-фильтра:
Жг)=2Г=оМ-' (1)
Канальный эквалайзер представляет собой цифровой фильтр, весовые коэффициенты которого меняются в соответствии с определенным алгоритмом. Структура эквалайзера может быть линейной и нелинейной.
Линейный эквалайзер - это КИХ-фильтр в роли линии задержки с отводами, который хранит в себе отсчеты принятого сигнала, поступающие с каждым новым тактом работы системы. С каждым тактом эквалайзер выводит взвешенную сумму значений линии задержки и обновляет значения к следующему такту.
Линейный эквалайзер способен снижать межсимвольную интерференцию, но только при ненулевом значении импульсной характеристики канала радиосвязи. При нулевом значении эквалайзер будет усиливать шум.
Нелинейный эквалайзер с обратной связью представляет собой такую же линию задержки, как в случае линейного эквалайзера, при этом добавляется линия задержки для обратной связи. За счет обратной связи он способен эффективно снижать уровень межсимвольной интерференции в частотно-селективных каналах радиосвязи, при нулевой импульсной характеристике радиоканала шум не усиливается.
На рис. 1 представлен эквалайзер с обратной связью.
Рисунок 1
Методы исследования и алгоритмы работы эквалайзера
Для линейной и нелинейной структур эквалайзеров применимы разные алгоритмы, в соответствии с которыми производится установка весовых коэффициентов.
Устанавливаемые весовые коэффициенты зависят от:
• значения весовых коэффициентов на предыдущем периоде;
• сигнала на входе;
• сигнала на выходе;
• эталонного сигнала.
Наиболее эффективным, с точки зрения применения в каналах ионосферной радиосвязи, является алгоритм RLS DFE (рекурсивный алгоритм наименьших квадратов с обратной связью), он же будет использован в дальнейшем исследовании. Более подробная информация о критериях оценки эффективности использования будет представлена ниже.
Исследование производительности эквалайзера производилось на базе программной среды моделирования Matlab Simulink. Численными показателями производительности эквалайзера является уровень битовых ошибок (далее - BER).
Переменными значениями, которыми устанавливаются параметры эквалайзера, являются:
1) Длина линии задержки в прямом направлении (Forward Taps).
2) Длина линии задержки в обратной связи (Feedback Taps).
3) Количество отводов линии задержки (Reference Taps).
4) Коэффициент обновления взвешенной суммы значений линии задержки (Forgetting Factor).
Исследование эквалайзера производились на основе цифровой системы связи в составе:
а) сверточного кодирования (1/2);
б) блочного кодирования (31, 23);
в) перемежителя (20х20).
83
Исследование оптимальных настроек эквалайзера производится для информационной скорости 600 бит/с с модуляцией BPSK для релеевского двухлучевого радиоканала с разницей хода лучей 5*10-4 с. Длины преамбулы - 50, 70 и 100 бит.
Значение длины линии задержки в обратной связи (Feedback Taps) влияет только на компенсацию явления межсимвольной интерференции, и для первичного исследования производится поиск оптимальной длины линии задержки в прямом направлении (Forward Taps), поскольку именно Forward Taps определяет возможность компенсации фазовых искажений. Значение Feedback Taps устанавливается равным 1.
Результат расчета (табл. 1) показывает, что наименьшее количество ошибок для всех длин преамбулы находится при значении Forward Taps, равного 10. Изменение значения Feedback Taps на значение более 10 не несет изменений на значении 11, при значении 12 и более эквалайзер перестает корректно восстанавливать сигнал (декодирование невозможно).
Таблица 1.
№ Forward Taps BER (преамб. 100 бит) BER (преамб. 70 бит) BER (преамб. 50 бит)
10 1,78*10-3 1,83*10-3 3,41*10-3
11 3,86*10-3 1,94*10-3 3,51*10-3
12 2,29*10-3 2,06*10-3 3,42*10-3
13 2,44*10-3 2,32*10-3 4,43*10-3
14 2,36*10-3 2,27*10-3 4,28*10-3
15 2,47*10-3 2,33*10-3 4,63*10-3
16 2,52*10-3 2,59*10-3 4,78*10-3
17 2,84*10-3 3,3*10-3 4,83*10-3
18 2,87*10-3 3,28*10-3 5,8*10-3
19 2,95*10-3 3,12*10-3 5,59*10-3
20 2,87*10-3 3,02*10-3 5,67*10-3
21 3,15*10-3 3,07*10-3 5,9*10-3
22 2,98*10-3 3,2*10-3 5,81*10-3
23 3,38*10-3 3,57*10-3 6,06*10-3
24 3,48*10-3 3,89*10-3 6,05*10-3
25 3,38*10-3 3,66*10-3 6,54*10-3
26 3,08*10-3 4,18*10-3 6,7*10-3
27 3,23*10-3 4,16*10-3 6,83*10-3
Результаты проведенных ранее исследований по теме [8, 9] привели к необходимости апробации результатов на практическом эксперименте - трассовых испытаниях дальней радиотрассы.
Эксперимент проводился 28 ноября 2023 г. и включал в себя две стационарные позиции в городах Санкт-Петербург и Иркутск.
Протяженность ионосферной линии связи между городами составляет 4450 км, имеет две точки отражения радиоволны от ионосферы. На рис. 2 представлено теоретическое отображение точек отражения радиоволны от ионосферы и поверхности Земли.
Рисунок 2
В трассовых испытаниях использовался следующий комплект оборудования:
1. Трансивер 1сот /С-7300.
2. Антенна магнитная 8р1ёвгЬоор А100.
3. Вспомогательное оборудование в виде источника питания и фидерных линий 50 Ом.
На рис. 3 представлено оборудование абонентов канала связи, используемое в проведении трассовых испытаний.
Рисунок 3
Для проведения эксперимента был выбран сигнал с квадратурной фазовой манипуляцией (QPSK) со скоростью 800 бит/с, в среде Matlab Simulink - при помощи функции «pskmod». Длительность сигнала - 5 с, частота дискретизации -8000 Гц. В результате был сформирован вектор данных, содержащий 40000 отсчетов. Полученный вектор вставлялся в заранее созданный «чистый» файл -формата «WAV».
Передача файла производилась с SDR трансивера Icom IC-7300 при помощи стандартной функции воспроизведения WAV-файлов. На рис. 4 представлен спектр сформированного QPSK сигнала.
—ш—— —
Ф %'J1 4 III Ihm Щ\МUli -
Шшш
Рисунок 4
Прием файла - запись сигнала на приемной стороне производилась встроенными средствами трансивера Icom IC-7300 и содержала демодулированную запись радиоэфира в полосе звуковых частот с параметрами цифрового полосового фильтра 0,3 ... 3,1 кГц.
Записанный файл представлен в формате « WA V» с теми же параметрами, что и передаваемый файл. Представляется возможность анализа двух сигналов в векторной форме при помощи Matlab Simulink. Для обнаружения сигнала в ранее записанном файле, применяется функция «Xcorr». «Xcorr» - это функция в Matlab Simulink, которая возвращает взаимную корреляцию двух векторов. На рис. 5 показан результат работы коррелятора.
Рисунок 5
По сформированной договоренности абонентов запись радиоэфира начиналась заранее, т.е. шумом радиоприемника является около половины
86
длительности принятого сигнала и только с середины файла происходит обнаружение сигнала. Неполная магнитуда работы коррелятора связана с наличием битовых ошибок в принятом файле, поскольку сигнал распространялся в нестационарном ионосферном канале радиосвязи.
После обнаружения сигнала в векторной форме производится наложение спектров сигналов для однозначной идентификации, результат представлен на рис. 6.
Рисунок 6
На рис. 6 видно, что спектры переданного и принятого сигналов совпадают, т.е. сигнал идентифицирован верно. При проведении анализа спектральных составляющих обнаружено несовпадение частот. Это связано с доплеровским сдвигом частоты. На рис. 7 представлен фрагмент спектров переданного и принятого сигналов с демонстрацией доплеровского сдвига частоты.
Рисунок 7
Для повышения помехоустойчивости в исследуемом ионосферном канале радиосвязи применяется канальный эквалайзер с алгоритмом работы RLS - выбран путем борьбы за эффективность с доплеровским сдвигом. В зависимости от длины преамбулы будет меняться эффективность работы эквалайзера, в свою очередь, зависимость эффективности работы эквалайзера, выраженная в количестве битовых ошибок (BER), будет меняться от длины преамбулы [11].
Рис. 8 показывает нам зависимость количества битовых ошибок от длин преамбул. По полученным данным анализа зависимостей кривых BER от
87
отношения сигнал/шум, формулируются рекомендации для повышения эффективности работы эквалайзера: так при длине преамбулы 40 символов и более (в составе общего пакета данных 800 бит) достигается допустимый уровень битовых ошибок 10-3, начиная со значения отношения сигнал/шум равного 20 дБ, так и для преамбулы 100 символов (в составе общего пакета данных того же объема данных) приемлемое количество битовых ошибок достигается при отношении сигнал/шум, равным 20 дБ. Дальнейшее увеличение длины преамбулы более 100 бит не приводит к существенному повышению помехоустойчивости. Без применения канального эквалайзера (кривая синего цвета) количество битовых ошибок составляет 0,5.
SNR (dB)
Рисунок 8
Рекомендации
На примере ионосферного канала радиосвязи протяженностью 4450 км применение канального эквалайзера позволяет существенно снизить уровень битовых ошибок - количество битовых ошибок снижается с 0,5 до 10-3. Оптимальная длина преамбулы - от 40 до 100 бит в пакете.
Кроме применения канальных эквалайзеров, помехоустойчивое кодирование способно дополнительно снизить требование к уровню сигнала на 46 дБ, при этом понизив скорость передачи полезной информации.
Проведем моделирование работы цифровой системы связи с оптимальными настройками эквалайзера. Выберем следующие параметры эквалайзера для сигнала с модуляцией BPSK:
1. Forward Taps = 10. Feedback Taps = 1. Reference Taps = 10. Информационная скорость: 600 бит/с.
2.
3.
4.
5.
6.
Разница хода лучей Релеевского двухлучевого радиоканала - 5*10-4 с.
Модуляция - БР8К. Спектр сформированного сигнала с преамбулой 50 бит, модуляцией БР8К, информационной скоростью 600 бит/с и технической скоростью 1800 бит/с представлен на рис. 9.
Рисунок 9
На рис. 10 показана зависимость БЕЯ от отношения сигнал/шум при длине преамбулы от 10 до 100 бит.
Зависимость ВЕН от 5ЫИ. ОГЕ 10-1-10. РР=0.98.
Рисунок 10
На рис. 10 видно, что при использовании преамбулы длиной от 10 бит уровень БЕЯ хуже значения 10-3 и не удовлетворяет минимальным требованиям качества цифровой связи. Начиная с длины преамбулы 20 бит, качество связи начинает быть приемлемым, но уже только с отношением сигнал/шум, равным 19 дБ. В диапазоне длины преамбулы от 50 до 100 бит достижение уровня 10-3 происходит в диапазоне отношения сигнал/шум от 13,5 до 15 дБ.
Из чего можно сделать вывод: для заданных условий распространения радиосигнала и скорости передачи данных наиболее оптимальная длина преамбулы равна 50 бит. Повышение длины линии задержки в обратной связи постепенно
ухудшает производительность эквалайзера (повышается количество ошибок), отсюда следует принять то, что оптимальная длина линии задержки в обратной связи целесообразно определять в условиях реального радиоканала.
Моделирование с модуляцией QPSK производилось для таких же настроек эквалайзера и параметров цифровой системы связи, что и для БPSK.
На рис. 11 представлена зависимость БЕЯ от отношения сигнал/шум при длине преамбулы от 10 до 100 бит.
Рисунок 11
На рис. 11 видно, что для наиболее эффективной работы эквалайзера (удовлетворяющей уровню BER не хуже 10-3) требуется длина преамбулы 120 бит, дальнейшее увеличение длины преамбулы до 150 бит не несет значительного повышения производительности. При такой длине преамбулы уровень BER, равный 10-3, достигается при отношении сигнал/шум, равной 18,5 дБ.
Заключение
В результате проведенного моделирования и апробации модели на трассовых испытаниях сделаны следующие выводы:
1. Предложенный метод построения программного эквалайзера способен эффективнее адаптироваться к изменениям в реальном канале по среднеквадратическому отклонению с ошибкой меньше, чем при использовании LMS-эквалайзеров в возмущенном канале. Так, при скорости 9,6 кбит/с алгоритм с применением вариативной длины преамбулы позволяет снизить вероятность битовых ошибок с 0,1 до 10-5.
2. На частотах стабильной работы адаптивного эквалайзера, которые ниже частоты доплеровского сдвига, линейный эквалайзер на основе алгоритма RLS выдает больший коэффициент ошибки (с 0,7 до 0,5), чем линейный эквалайзер на основе алгоритма LMS (~10-3).
3. Поскольку частотный сдвиг может изменить форму фильтра канала, и в результате эквалайзер не сумеет правильно скомпенсировать искажения в сигнале, может быть использована предварительная обработка сигнала, такая как синхронизация по частоте. Адаптивный эквалайзер с обратной связью на основе алгоритма RLS стабильнее работает на чуть больших частотах доплеровского
сдвига и имеет меньшую пиковую ошибку, чем линейный эквалайзер на основе алгоритма LMS с ростом разницы в частоте.
4. При длине преамбулы 40 символов и более (в составе пакета 800 бит) достигается приемлемый уровень битовых ошибок 10-3, начиная с отношения сигнал/шум равным 20 дБ, такой же уровень соответствует длине преамбулы 100 символов.
5. Организовать радиоканал с декодированием в реальном времени на дальности более двух скачков невозможно - величина доплеровского смещения будет максимальной (в пределах 40 Гц). В представленных результатах радиотрасса на три скачка с предиктивным декодированием и доработанным автором протоколом передачи.
Получены рекомендации по повышению эффективности канала дальней КВ-радиосвязи на радиотрассе протяженностью 4450 км:
Применение канального адаптивного эквалайзера позволяет существенно снизить уровень битовых ошибок - количество битовых ошибок снижается с 0,5 до 10-3.
Для заданных условий распространения радиосигнала и скорости передачи данных наиболее оптимальная длина преамбулы равна 50 бит для модуляции BPSK и 150 бит для модуляции QPSK. Оптимальная длина преамбулы - от 40 до 100 бит в пакете данных.
Оптимальную длину линии задержки в обратной связи целесообразно определять для реального радиоканала, с учетом того, что повышение длины линии задержки в обратной связи постепенно ухудшает производительность эквалайзера (повышается количество ошибок).
Литература
1. Shi S., Yang G., Jiang C., Zhang Y., Zhao, Z. Wuhan Ionospheric Oblique Backscattering Sounding System and Its Applications-A Review // Sensors, 2017. - № 17. - P. 1430.
2. Головин О.В., Простов С.П. Системы и устройства коротковолновой радиосвязи. Москва: Горячая линия-Телеком, 2006. - 598 с.
3. Головин О.В. Декаметровая радиосвязь. - М.: Радио и связь. 1990. - 240 с.
4. Кротов Р.Е., Рыбаков А.И. Исследование и анализ основных качественных характеристик модели радиоканала с вариативной преамбулой. Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании (АПИНО 2022) // Сборник научных трудов XI Международной научно-технической и научно-методической конференции. В 4-х томах. Под. редакцией А.В. Шестакова, сост. В С. Елагин, Е.А. Аникевич. Санкт-Петербург, 2022. - С. 245-249.
5. Вопросы прогнозирования состояния ионосферы и распространения радиоволн // Труды ИЗМИРАН, 1961. - № 19 (29). - 151 с.
6. Кротов Р.Е., Рыбаков А.И. Методика расчета уровня сигнала от КВ-передатчика в точке приёма // Информатизация и связь, 2019. - № 2. - С. 97-102.
7. Воробьев О.В., Кротов Р.Е., Рыбаков А.И. Моделирование двунаправленной структуры адаптивного эквалайзера на основе алгоритма Калмана. Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании (АПИНО 2023) // Сборник научных статей XII Международной научно-технической и научно-методической конференции: в 4-х томах. Санкт-Петербург, 2023. - С. 147-151.
8. Воробьев О.В., Рыбаков А.И. Формирование мобильной системы информационного обеспечения с использованием программно-конфигурируемого радиоканала для распространения циркулярных данных и ретрансляции данных между абонентами // В сборнике: Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в
науке и образовании (АПИНО-2019). Сборник научных трудов VIII Международной научно-технической и научно-методической конференции. В 4-х томах. 2019. - С. 89-94.
9. Воробьев О.В., Рыбаков А.И. Выбор и использование программной архитектуры действующего протокола передачи данных программно-конфигурируемого радиоканала. Известия высших учебных заведений России. - Радиоэлектроника, 2019. - Т. 22. - № 4. - С. 18-30.
10. Воробьев О.В., Кротов Р.Е., Рыбаков А.И. Моделирование двунаправленной структуры адаптивного эквалайзера на основе алгоритма Калмана // В сборнике: Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании (АПИНО-2023). Сборник научных трудов XII Международной научно-технической и научно-методической конференции. В 4-х томах. 2023. - С. 147-154.
11. Сергиенко А.Б., Цифровая обработка сигналов, изд. 3. с. 592 - 593.
12. Е.В. Пустовалов. Итеративный эквалайзер в частотной области с адаптивной оценкой канала. // Журнал информационно-управляющие системы, СПб ГУАП, Санкт-Петербург, 2012, №2.
13. Farhan M.M., Hameed A., Combination of LMS and RLS Adaptive Equalizer for Selective Fading Channel // Nakkash.European Journal of Scientific Research ISSN 1450-216X, 2010. - Vol. 43. - № 1. - pp. 127-137.
14. Вертоградов Г.Г., Урядов В.П., Вертоградов В.Г., Вертоградова Е.Г., Кубатко С.В., Валов В.А. Многофункциональный комплекс для наклонного зондирования на базе ионозонда - радиопеленгатора // Журнал радиоэлектроники, 2010. - № 12.
- С. 1-18.
15. Woodward R.I. Dispersion engineering of mode-locked fibre lasers // Journal of Optics. vol. 20, 033002, 2018.
16. Ovchinnikov V.V., Ryabova N.V., Elsukov A.A. Adaptive HF Signal Detection Algorithm CFAR and Its Verification by Means of SDR Based Digital Ionosonde with USRP Platform // Proc. 2018 Systems of Signal Synchronization, Generating and Processing in Telecommunications (SYNCHROINFO), Minsk, 2018. - P. 1-5.
17. Ovchinnikov V.V., Ivanov D.V., Ivanov V.A., Ryabova N.V., Ryabova M.I., Laschevsky A.R. Modeling and studying ionograms of oblique sounding of HF radio channels for radio links of various length using a digital ionosonde with USRP platform // Proc. 2017 Systems of Signal Synchronization, Generating and Processing in Telecommunications (SINKHROINFO), Kazan, 2017. - P. 1-5.
18. Sobaihi K., Hammoudeh A., Scammell D. Automatic Gain Control on FPGA for Software-Defined Radios, 2012. - с. 1-4.
19. Sergeeva M.A., Gonzalez-Esparza J.A., Blagoveshchensky D.V., Maltseva O.A., Chernov A.G., Corona-Romero P., De la Luz V., Mejia-Ambriz J.C., Gonzalez L.X., Romero-Hernandez E., Rodriguez-Martinez M., Aguilar-Rodriguez E., Andrade E., Villanueva P., Gatica-Acevedo V.J. First observations of oblique ionospheric sounding chirp signal in Mexico // Results in Physics, 2019. - V. 12. - P. 1002-1003.
20. Salous S., Shearman E.D.R. Wideband measurements of coherence over an HF skywave link and implication for spreadspectrum communication // Radio Science. 21(3).
- P. 463-472.
21. Shi S., Yang G., Jiang C Backscattering Sounding System and Its Applications-A Review // Sensors, 2016. - № 7. - P. 1420.
22. Shi S., Yang G., Jiang C., Zhang Y., Zhao Z. Wuhan Ionospheric Oblique Backscattering Sounding System and Its Applications-A Review // Sensors (Basel, Switzerland), 2016. - № 17 (6). - P. 1430.
