CC BY
69
УДК 621.396
СИНТЕЗ ПРЕРЫВИСТОЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ С РАЗНЕСЕННЫМ ПРИЕМОМ СИГНАЛОВ В СТАЦИОНАРНОМ КАНАЛЕ С ЛОГНОРМАЛЬНЫМИ ЗАМИРАНИЯМИ
Б.И. ШАХТАРИН, М.Н. АНДРИАНОВ, И.Г. КИСЕЛЕВ, И.М. АНДРИАНОВ
В статье представлен метод приема сигналов в канале с логнормальными замираниями комплексированием (синтезом) прерывистой передачи сигналов с разнесенным приемом при объединении ветвей разнесения по алгоритму автовыбора. Показан выигрыш представленного алгоритма в сравнении с разнесенным приемом без прерывания.
Ключевые слова: прерывистая передача данных, разнесенный прием сигналов, логнормальные замирания сигналов.
Целью настоящей работы является повышение эффективности СПРС комплексированием прерывистой связи с разнесенным приемом, при объединении ветвей разнесения по алгоритму автовыбора, в канале с логнормальными замираниями.
Рассмотрим радиолинию миллиметрового диапазона волн в атмосферном канале. Флуктуация диэлектрической проницаемости e (квадрата показателя преломления волны и2), возникающая вследствие турбулентности атмосферы, является причиной замирания огибающей радиосигнала по логнормальному закону.
Определим возможность повышения достоверности связи в миллиметровом диапазоне радиоволн методами разнесения. Рассмотрим корреляционную функцию уровня от расстояний:
вдоль распространения волны (z) и двумерного вектора p=(x, e), перпендикулярного z
¥
Ус(р, z) = 0,0165p2C^k76z116 J J0 (pVkt / z )(l - sin t2/12 ) 83dt, (1)
0
где Ce - структурная постоянная, к = 2p /1.
На рис. 1 представлен вид двумерной корреляционной функции, из которого видно, что уровень флуктуаций и ширина корреляционной функции вдоль р (перпендикулярно z) возрастают от z.
Y(p,z)
Рис. 1. Корреляционная функция уровня от ъ и р
Корреляционная функция уровня имеет максимальное значение при радиусе первой зоны
Френеля л/1" , большем относительно внутреннего масштаба турбулентности 10. Кроме того, указанный радиус должен быть меньшим или соизмеримым с внешним масштабом турбулент-
ности и Внутренний масштаб турбулентности составляет порядка 1 мм [2], а внешний - 10 м вблизи поверхности земли, при этом он возрастает с увеличением высоты. При размерах радиуса первой зоны Френеля больших относительно внешнего масштаба турбулентности значение корреляционной функции уровня невелико, вследствие уменьшения значения углового спектра Фе [4]. Длина трассы при радиусе первой зоны Френеля меньшим или соизмеримым с Ь0 может составлять десятки километров.
Средний квадрат флуктуаций уровня от г равен [1; 2] (%2^ = У^(0,7) = 0,077 С\к1.
Нормированная корреляционная функция показана на рис. 2.
Р
-JAz
Из рис. 2 видно, что на расстоянии 30 и более километров и длине волны 7,5 мм (/=40 ГГц) ширина корреляционной функции составит 24 и более метров. В этом случае пространственное разнесение, используемое при рэлеевских замираниях, достаточно сложно осуществить, особенно у мобильных, быстро движущихся абонентов. Однако можно осуществить разнесение по углу. Сигналы при этом попадают на вход приемника, пройдя через разные слои турбулентной атмосферы, практически некоррелированными.
При вычислении вероятностей ошибок приема сигналов ограничимся некогерентным приемом сигнала ОФМ-2.
Плотность вероятности ОСШ определится следующим выражением
Wm (g) =
М
2^2paСg
1 1 ^
—I-----erf
22
(
V2 W g / g о +
о
Oc
M-1
• exp
(W g / g 0 +o c)2
2о С
а коэффициент использования радиолинии при пороговом значении уг - формулой
hM (g о )= \ Wm (g)dg =
gt
1 + 1 ef 1 (w gt / go +ос2)
2 2 V2 оС
M
При у{ = у0 коэффициент использования радиолинии зависит только от числа ветвей разне-
- М
[1 + erf (ос / V2)
сения hм = 1 - 2 1 +
Графики, иллюстрирующие зависимости плотности вероятности и коэффициента использования радиолинии, представлены соответственно на рис. 3, 4.
Особенности передачи данных в рэлеевском канале синтезом прерывистой связи с разнесенным приемом для сигналов с ортогональным частотным уплотнением (OFDM) представлены в работе [3].
2
При замираниях сигнала по логнормальному закону коэффициенты использования радиолинии возрастают с увеличением параметра замираний (т) и снижением дисперсии (Ох).
Вероятности ошибок при этих условиях снижаются.
Рис. 3. Плотность вероятности отношения сигнал/шум в зависимости от числа ветвей разнесения (М), равном 0,5 и среднем значении ОСШ (у0) , равном 10 дБ
В настоящее время направлением дальнейших исследований представляется определение вероятности ошибок и коэффициентов использования радиолиний для прерывистой связи и комплексирования прерывистой связи с разнесенным приемом в канале с логнормальными замираниями при постоянной мощности передатчика в зависимости от изменения кратности уровня порога по отношению к среднему значению ОСШ (у{ = ку0). В этом случае возможно определение оптимального значения к по критерию минимизации вероятности ошибочного приема. Аналогичные исследования выполнены для радиосигналов с рэлеевскими замираниями и замираниями по закону Накагами.
Рис.4. Зависимость коэффициента использования радиолинии от числа ветвей разнесения (М) при у( = у0 и дисперсии (о~2=0,5)
Таким образом, применение алгоритма синтеза прерывистой связи с разнесенным приемом при объединении ветвей разнесения по алгоритму автовыбора в канале с логнормальными замираниями снижает вероятность ошибочного приема сигналов. Глубина уменьшения вероятности возрастает с ростом числа ветвей разнесения и среднего значения ОСШ, а коэффициент использования радиолинии увеличивается при возрастании числа ветвей разнесения, что, в свою очередь, повышает спектральную эффективность системы передачи данных.
ЛИТЕРАТУРА
1. Рытов С.М., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. Введение в статистическую радиофизику. Случайные поля. - М.: Наука, 1978. - Ч. II.
2. Татарский В.И. Распространение радиоволн в турбулентной атмосфере. - М.: Наука, 1967.
3. Шахтарин Б.И., Андрианов М.Н., Андрианов И.М. Применение прерывистой связи в каналах со случайными параметрами для передачи узкополосных сигналов и сигналов с ортогональным частотным уплотнением // Радиотехника и электроника. - 2009. - № 10. - Т. 54. - С. 1237-1244.
SYNTHESIS OF INTERMITTENT COMMUNICATION WITH DIVERSITY RECEPTION IN A STATIONARY CHANNEL WITH LOGNORMAL FADING
Shahtarin B.I., Andrianov M.N., Kiselev I.G., Andrianov I.M.
The method reception of signals in the channel with a lognormal fading is offered. This method is worked at complex-ification of intermittent communication and diversite reception, with a combination branches of diversite on algorithm of an auto select. The scoring of the offered algorithm in comparison with the diversite reception without interruption is shown.
Key words: intermittent communication, diversite reception, channel with a lognormal fading.
Сведения об авторах
Шахтарин Борис Ильич, 1933 г.р., окончил Ленинградскую Военно-воздушную инженерную академию им. А.Ф. Можайского (1958) и ЛГУ (1968), заслуженный деятель науки и техники РФ, лауреат государственной премии, доктор технических наук, профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана, автор более 200 научных работ, область научных интересов - анализ и синтез систем обработки сигналов, фазовые системы синхронизации.
Андрианов Михаил Николаевич, 1958 г.р., окончил Рязанский ГРТУ (1980), кандидат технических наук, старший научный сотрудник АКЦ ФИАН РАН, область научных интересов - цифровая обработка сигналов, помехоустойчивость радиоприема сигналов в условиях замираний различных типов, компьютерное моделирование радиотехнических устройств и систем.
Киселев Игорь Георгиевич, 1941 г.р., окончил Военную академию связи им. С.М. Буденного, кандидат технических наук, старший научный сотрудник ЗАО «Сетевые технологии», область научных интересов - помехоустойчивость радиоприема сигналов, статистическая радиотехника.
Андрианов Иван Михайлович, 1985 г.р., окончил МГТУ им. Н.Э. Баумана (2009), кандидат технических наук, ведущий инженер ЦРИИиМП МГТУ им. Н.Э. Баумана, автор 16 научных работ, область научных интересов - системы беспроводной связи, радиоэлектроника, цифровая обработка сигналов.
