Цифровая телеметрическая система с временным множественным доступом Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

ЦИФРОВАЯ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С ВРЕМЕННЫМ МНОЖЕСТВЕННЫМ ДОСТУПОМ

Деев

Владимир Викторович

д.т.н., профессор, старший преподаватель кафедры технологий и средств комплексной обработки и передачи информации в автоматизированных системах управления (войсками) Военно-космической академии имени А.Ф.Можайского, г. СанктПетербург, Россия, deev_vladimir@mail.ru

Сирота

Сергей Васильевич

к.т.н., заместитель начальника кафедры телеметрических систем и комплексной обработки информации Военно-космической академии имени А.Ф.Можайского, г. Санкт-Петербург, Россия, bogs_s@mail.ru

?

О л л С

Ключевые слова:

передача информации, датчик, кодирование, цифровая телеметрическая система, временной множественный доступ.

Целью функционирования космической системы является надёжная и достоверная доставка информации от удалённых бортовых источников потребителям, находящимся в космосе или на Земле. Источниками данных обычно являются научные, инженерные и вспомогательные датчики или подсистемы космического аппарата.

Развитие микропроцессорной техники привело к созданию систем обработки и передачи данных, в том числе бортовых, с большой пропускной способностью и с комплексированием решения различных задач обработки. Современные информационные технологии позволяют создать более эффективные и гибкие телеметрические системы, обладающие большими возможностями при меньших затратах ресурсов: меньшим энергопотреблением, меньшей занимаемой полосой частот, меньшей вероятностью ошибок передачи. В качестве примера рассмотрен вариант цифровой телеметрической системы. В основу организации передачи информации положен метод множественного доступа с временным разделением, в соответствии с которым каждому датчику предоставляются определённые временные окна. С целью предоставления возможности осуществлять передачу информации в широком диапазоне скоростей в системе принято несколько временных разметок. Самая редкая из них определяется длительностью сверхцикла, равному 7,2 с. Каждый сверхцикл состоит из 64 циклов по 0,1125 с. каждый. Цикл разбивается на 256 временных интервалов длительностью 439,453 мкс. Таким образом, в одном сверхцикле содержится 16384 временных интервалов. Выделяя различное число временных интервалов, можно получить разные скорости передачи и количество используемых датчиков. Изменяя длительность сверхцикла, цикла и временных интервалов, можно получить различные значения скоростей передачи данных от датчиков и количество применяемых датчиков.

Приведены различные методы помехоустойчивого кодирования. В современных отечественных радиоэлектронных системах космических комплексов наиболее широкое применение получили лишь несложные способы кодирования, такие как проверка на четность, коды Хемминга, простейшие циклические коды и т. п.

Для передачи информации ССБОБ рекомендует использовать три вида кодирования: свёрточные коды, коды Рида-Соломона и турбо-коды. Указанные коды могут быть использованы как отдельно, так и в различных комбинациях в зависимости от требований, предъявляемых к конкретному каналу передачи информации.

Принципы формирования и передачи

телеметрической информации

рекомендуемые международными стандартами

Быстрое развитие космических систем и систем обеспечения космических полётов, начавшееся в развитых странах в 80-х годах, в значительной степени сказалось на требованиях, предъявляемых к станциям слежения, связи, космическим системам передачи данных.

В настоящее время в качестве международных приняты стандарты консультативного комитета по космическим системам передачи данных CCSDS (Consultative Committee of Space Data Systems) [1].

Целью функционирования космической системы является надежная и достоверная передача информации от удалённых бортовых источников потребителям, находящимся в космосе или на Земле. Источниками данных обычно являются научные, инженерные и вспомогательные датчики или подсистемы космического аппарата.

Развитие микропроцессорной техники привело к созданию систем обработки и передачи данных, в том числе бортовых, с большой пропускной способностью и с комплексированием решения различных задач обработки.

Рекомендации CCSDS распространяются на две функциональные части космической системы: пакетную передачу данных (например, пакетную телеметрию) и помехоустойчивое кодирование в канале [1].

Пакетная система - это стандартизованный и высокоавтоматизированный способ передачи данных, упрощающий процесс доставки потребителям информации от источников. Способ предусматривает формирование в реальном масштабе времени из первичного сигнала каждого источника сообщения автономного «пакета информации», пакета данных. Мультиплексирование независимых пакетов, данных от различных источников в общий цифровой поток, который передаётся на приёмную аппаратуру по радиоканалу с помехами [2]. Демультиплексирование общего цифрового потока и доставку пользователю пакетов данных от источников сообщений, которые его интересуют.

Пакетную передачу данных можно рассматривать как два процесса:

- «сквозную» передачу наборов, данных о прикладных процессах, протекающих в космосе к пользовательским распределенным прикладным процессам, протекающим в космосе или на Земле;

- промежуточную передачу этих наборов, данных в отдельных системах: например, бортовых системах передачи данных, радиолиниях, станциях слежения, центрах управления.

Кодирование в космическом канале - это способ передачи данных по зашумленному радиоканалу, позволяющий безошибочно восстанавливать их на приемной стороне. Дешифровка кодированных данных на приемной стороне позволяет восстанавливать их с низкой вероятностью ошибки и, тем самым, улучшает характеристики канала.

Совместно пакетная передача данных и кодирование в космическом канале обеспечивают надежную и достоверную передачу информации.

Технологии канального уровня в современных телеметрических системах

В космических системах данные от большого количества источников передаются по общему каналу связи. Канал связи используется в режиме множественного доступа. Канальный (второй) уровень ЭМВОС должен обеспечить верхние уровни виртуальными каналами, а физический уровень предоставить битовый тракт передачи. Появляется необходимость в промежуточном уровне для управления каналами с множественным доступом. Этот уровень называется уровнем управления доступом МАС (Media Access control). Обычно его считают первым подуровнем, т.е. уровнем 2.1. Традиционный канальный уровень в этом случае превращается в уровень управления логическим (виртуальным) каналом LLC (Link Logic Control) и является подуровнем 2.2.

При организации множественного доступа нужно учитывать разные скорости поступления данных от датчиков. Это различие вызвано отличающимися частотами опроса первичных сигналов источников. По теореме Котельникова частота опроса должна удовлетворять условию F0 > 2F^ Функциональные параметры различаются по значению F^ Скорости выдачи данных могут колебаться от десятков бит в секунду до десятков килобит в секунду. В данной ситуации целесообразно применять асинхронный режим доставки, известный как ATM (Asynchronous Transfer Mode).

В АТМ в кадрах используются пакеты (ячейки) фиксированной длины, а в других технологиях применяются пакеты переменной длины. Применение пакетов фиксированной длины позволяет значительно сократить заголовок пакета. Небольшая длина ячеек позволяет уменьшить затраты на их передачу и тем самым обеспечить малые временные задержки, что необходимо для передачи в реальном времени. Принцип АТМ иллюстрирует рис.1.

Ячейка

Заголовок h бит Информация |

J I О I 0 I I I 1 I О I0 l|0|0|l|l|0|l|0|l|0|0|0|ljOJI _

1 1 <

Соединение 1

Соединение к

Рис. 1. Принцип асинхронной доставки данных.

Потоки ячеек от различных источников сообщений асинхронно мультиплексируются в единый цифровой поток. Подлежащие передаче данные делятся на части

WWW.H-ES.RU

H&ES RESEARCH

45

фиксированной длины по l бит, которые совместно с заголовком в h бит образуют ячейку. Термин «асинхронный» означает, что ячейки, принадлежащие одному соединению, поступают в канал связи нерегулярно, поскольку временные интервалы предоставляются источнику данных в соответствии с его реальными потребностями (статистическое мультиплексирование). При этом следует иметь в виду, что общий канал реализует синхронный режим работы, т. е. символьная синхронизация поддерживается в канале независимо от того, передаются данные пользователя или нет [3].

Размер ячейки определяется интерфейсом с нижним подуровнем-подуровнем кодирования. Рекомендацией ITU-T предложен формат ячейки, содержащий 5 октетов и поле данных 48 октетов, т. е. всего 53 октета.

Основной функцией заголовка является идентификация виртуального соединения и обеспечение гарантии правильной маршрутизации. Заголовок дает возможность мультиплексирования различных виртуальных соединений в одном цифровом тракте. Ошибка в заголовке может привести к неправильной доставке данных. Для защиты предусмотрено поле контроля ошибок 8 бит. Эти биты формируются с применением циклического кода Боуза-Чоудхури-Хоквингема (БЧХ), задаваемого образующим полиномом

g (x) = x8 + x2 + x +1 (1)

Важной функцией канального уровня является фрагментация блоков данных на части фиксированной длины. При этом в качестве блоков данных, подлежащих делению, могут использоваться как кадры канального уровня, так и блоки более высоких уровней эталонной модели. В системе, использующей кадры фиксированной длины, передача данных от источников осуществляется асинхронным временным разделением ресурса общего канала, при котором множество виртуальных каналов могут иметь различные скорости поступления данных. С увеличением скорости возрастает частота следования кадров.

Другой важной функцией канального уровня является обеспечение безошибочной передачи данных от источника до получателя. Это достигается использованием помехоустойчивых кодов и контроля передаваемых данных. Самый первый протокол канального уровня X.25 был предназначен для работы по каналам с большой вероятностью искажений. Совершенствование среды передачи, связанное с уменьшением количества ошибок, позволило сократить функцию проверки кадра на безошибочность приема. В технологии FR (FrameRelay) проверяется только целостность кадра. Но в телеметрических системах, работающих с низкой энергетикой, помехоустойчивое кодирование рекомендуется. Размер ячейки определяется используемыми методами кодирования и декодирования. Поэтому рассмотрим рекомендуемые методы помехоустойчивого кодирования.

В качестве примера рассмотрим вариант цифровой телеметрической системы [4]. В основу организации

передачи информации положен метод множественного доступа (МД) с временным разделением (ТДМА), в соответствии с которым каждому датчику предоставляются определенные временные окна. С целью предоставления возможности осуществлять передачу информации в широком диапазоне скоростей в системе принято несколько временных разметок. Самая редкая из них определяется длительностью сверхцикла 7,2 сек. Каждый сверхцикл состоит из 64 циклов по 0,1125сек. Цикл разбивается на 256 временных интервалов (ТС) длительностью 439,453мкс. Таким образом, в одном сверхцикле содержится 16384 ТС. Границы ТС фиксируются СЕВ. В ТС передаётся 225 бит данных.

Рис. 2. Структура метода множественного доступа с временным разделением.

Групповая скорость передачи телеметрической информации 225/439,453мкс = 512кбит/сек. При самой низкой скорости передачи датчику выделяется один ТС в сверхцикле передачи. В этом случае данные передаются со скоростью 225бит/7.2сек.=31,25 бит/сек. При использовании кодовых комбинаций из10 бит частота опроса датчика равна 3,125Гц. Максимальное число подключаемых датчиков 16384.

При выделении 32 ТС скорость передачи 31,25*32 = 1000 бит/сек. Можно подключить датчик с частотой опроса 100 Гц. В случае выделения 1024 ТС организуется передача от 32 датчиков с частотой опроса 100Гц. При выделении 8192 ТС осуществляется передача данных от 256 датчиков с частотой опроса 100 Гц.

Датчику можно выделить 8192 ТС. В этом случае организуется работа двух датчиков со скоростью передачи от каждого 32 кбит/сек. Частота опроса датчика равна 3,2 кГц. Возможно организовать передачу быстрой телеметрии. При использовании 4096 ТС можно использовать четыре датчика с частотой опроса 1,6кГц.

Выделяя различное число ТС, можно получить разные скорости передачи и количество используемых датчиков. Изменяя длительности сверхцикла, цикла, интервалов ТС и количество бит в ТС, можно получить другие значения скоростей передачи данных от датчиков и количество применяемых датчиков. Увеличением количества бит в ТС можно применить помехоустойчивое кодирование. Например, использовать код Рида-Соломона (31,15) с основанием т=32.

Канальное кодирование

в телеметрических системах

В современных отечественных радиоэлектронных системах космических комплексов наиболее широкое

применение получили лишь несложные способы кодирования, такие как проверка на четность, коды Хем-минга, простейшие циклические коды и т. п.

Для передачи информации CCSDS рекомендует использовать три вида кодирования: свёрточные коды, коды Рида-Соломона и турбо-коды. Указанные коды могут быть использованы как отдельно, так и в различных комбинациях в зависимости от требований, предъявляемых к конкретному каналу передачи информации.

Для передачи информации CCSDS рекомендует применять код Рида-Соломона, построенный с использованием элементов поля Галуа GF(28). Элементы поля, полученные по неприводимому многочлену,

f(x) = 1 + x2 + x3 + x4 + x8 (2)

приведены в [5].

Рекомендуется использовать код Рида-Соломона (255,239) с кодовым расстоянием d = 17, исправляющий t = 8 ошибок.

Порождающий многочлен кода

g (x) = (x8 + a109 x + а36) (x8 + а117 x + а100) = = а136 + а29 x + а226x2 + а106 x8 + a121x9 + x16.

(3)

Используя порождающий многочлен, можно построить порождающую матрицу. При большом значении длины блока применять матрицу для кодирования сложно. Удобнее использовать кодирующее устройство с делением на порождающий многочлен.

Структурная схема кодирующего устройства с делением на порождающий многочлен

f (x) = а136 + а29 x + а226 x2 + а106 xe + a12V + x показана на рис. 3.

.29.

. 226 2

.106 .8

.121 9

16

(4)

Рис. 3. Кодирование с помощью 16-разрядного регистра сдвига

С выхода кодирующего устройства последовательность У(х) поступает на модулятор. В модуляторе с помощью ФМ кодовые комбинации преобразуются в сигналы. В наземной приемно-регистрирующей станции (НПРС) после усиления сигнала демодулятор преобразует сигнал ФМ в двоичные символы, при этом происходят ошибки с вероятностью Р.

Отсутствие ошибки в принятии байта определяется по формуле:

Qs = q8 = (1 - p))8,

(5)

где q0 - вероятность правильного приёма двоичного символа.

Вероятность ошибочного приёма байта вычисляется по следующей формуле:

Рз = 1 - & = 1 - (1 - Ро)8 = 1 - (1 - 8Ро) = 8Р)- (6)

В результате обработки в декодере кода Рида-Соломона исправляются байты ошибок кратностью до Ь = 8. Для декодирования может использоваться алгоритм Берлекэмпа-Мэсси, принцип работы которого рассмотрен в [5]. Вероятность ошибки приема каждого байта из 239 вычисляется по формуле:

Pk =ï— c'ps (1 - Ps ),

i=t+1 n

255 !

где СП = C275 = , 255! ч = 3,1 -10-1.

(7)

17!(255 -17)! '

При Р0 = 0,1 Рк = — • 3,1 • 10-1 • 8 • 10-9 = 1,7 • 10-10 0 к 255

вероятность ошибочного приема бита информации вычисляется по формуле:

1

р,-

-1

(8)

где К - количество информационных символов в элементе поля GF(28). Тогда

27

Р6 =

2-1

■1,7 -Ю-10 = 0,9 - Ю-10

(9)

По каналу с низкой энергетикой (Р0 = 0,1) обеспечивается качество передачи информации, определяемое только шумами квантования.

Таким образом, использование кодирования позволяет достичь предельной энергетической эффективности передачи информации.

Итеративно декодируемые коды.

Принцип турбо-кодирования

В современных системах космической связи наблюдается внедрение новой структуры кодирования с итеративным декодированием, которая получила название турбо-кодирование. Турбо-коды - это параллельные каскадные коды [5]. На практике турбо-кодер состоит из М компонентных кодеров (КК) и М - 1 перемежителей, где М - размерность кода, соединенных по схеме, показанной на рис. 4. Каждый из кодеров вычисляет только проверочные символы, информационные символы подаются на выход непосредственно. Таким образом, турбо-код представляет систематический код, в котором проверочная группа образуется мультиплексером (М) из проверочных символов, генерируемых компонентными кодерами. Информационная последовательность подается на первый кодер непосредственно, а на другие через перемежители Ш, I = 1, ..., М - 1. Чаще всего используются конструкции из двух кодов, которые могут быть сверточными или блочными.

www.h-es.ru

H&ES RESEARCH

47

Б —► РССК

П РССК

W

ПУ м

Рис. 4. Структура турбо-кодера

В процессе декодирования происходит передача вычисленных сведений об апостериорной вероятности информационных символов с выхода первого декодера, использующего проверочные символы первого кодера, на вход второго декодера. Во втором декодере используются проверочные символы второго кодера. После уточнения сведения подаются на вход первого декодера для следующей итерации. Операция обмена сведениями повторяется до тех пор, пока накопившихся сведений не будет достаточно для принятия надежных решений.

В качестве составляющих компонентов для турбо-кода рекомендуется использовать рекурсивный систематический свёрточный код (РССК). Схема турбо-кодера представлена на рис.5. На первый из компонентных кодеров информационный поток поступает в явном виде через буфер (Б), на второй через перемежитель (П) псевдослучайного типа. В систематическом кодере входные информационные символы по одному пути прямо, без каких-либо преобразований передаются на выход кодера.

V k = ak ® ak-2

н =

Рис. 5. Турбо-кодер с двумя рекурсивными кодерами

По другому пути информационные символы преобразуются в избыточные символы. При этом устанавливаются определённые связи между кодируемыми символами. Формирование избыточных символов осуществляется с помощью регистра и сумматоров по mod 2. В рекурсивных кодах кодируемые биты с некоторых ячеек регистра подаются обратно на вход кодера. В схеме перед мультиплексором М стоит перфорирующее устройство ПУ, которое выполняет систематическое удаление из кода некоторых символов. При выполнении этой операции структура решетки кода не изменяется, количество передаваемы информационных символов сохраняется. Перфорируемые свёрточные коды используются для снижения относительной скорости кода R и полосы частот, занимаемой сигналом в радиоканале.

Рис. 6. Рекурсивный систематический кодер

На рис. 6 показан пример рекурсивного систематического кодера с протяжённостью кодового ограничения к = 3.

В этом кодере прямая связь задается образующим полиномом £(х) = 1+х2 , по которому определяется соотношение для формирования избыточных символов:

(10)

Обратная связь описывается проверочным полиномом Н(х) = 1+х+х2. По этому полиному строится проверочная матрица.

1110 0 0 1110 0 0 111

Строки проверочной матрицы определяют уравнения: ак © ак-1 © ак-2 = 0, к = 3,4, (11)

Из данных уравнений имеем соотношение

ак = ак-1 © ак-2 . (12)

С учётом входного символа йк и (12) получаем соотношение

ак = йк © ак-1 © ак-2 (13)

В качестве другого примера рассмотрим характеристики турбо-кода, который используется в системе спутниковой связи Инмарсат-4м. Компонентный кодер представляет собой рекурсивный свёрточный код с относительной скоростью Я = 1/2 и длиной кодового ограничения к( = 5. Число состояний кодера 16. Работа кодера описывается образующим полиномом

g(x) = 1+ х +х2 +Х4 (14)

и проверочным полиномом

Н(х) = 1+х+х2+х4 (15)

Кодируется блок из 2608 двоичных символов.

Заключение

Переход на цифровые методы передачи, внедрение пакетной передачи и коммуникации, использование сетевых технологий, применение методов сжатия теле-метрическихданных и помехоустойчивого кодирования повышают достоверность и оперативность сбора и обработки информации. В статье рассмотрена идея построения более совершенных информационно-телеметри-

48

наукоемкие технологии в космических исследованиях земли

ческих систем, построенных на основе множественного доступа с временным разделением, приведены виды кодирования, которые позволяют достичь предельной энергетической эффективности передачи информации.

Литература

1. ECSSE-ST-50-12C Space Wire - Links, nodes, routers and networks. - European Cooperation for Space Standardization (ECSS). 2008. 129 с.

2. Патент 83886 РФ. Мультисенсорная радиосистема передачи данных / Сирота С.В. // Заявл. 04.06.2007. опубл. 02.06.2008. Бюл. № 21. 4 с.

3. Фомин А.И. Синхронизация цифровых радиосистем передачи информации. М.: Сайнс-Пресс. 2008. 80 с.

4. Патент 86828 РФ. Телеметрическая система /Сирота С.В. // Заявл. 11.01.09. Опубл. 10.09.09. Бюл. № 25.

5. Деев В.В. Методы модуляции и кодирования в системах связи с общим каналом. СПб.: ВАС. 2014. 77 с.

Для цитирования:

Деев В.В., Сирота С.В. Цифровая телеметрическая система с временным множественным доступом // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2015. Т. 7. № 6. С. 44-49.

DIGITAL TELEMETRIC SYSTEM WITH TEMPORARY MULTIPLE ACCESS

Deev Vladimir Viktorovich,

St. Petersburg, Russian, deev_vladimir@mail.ru

Sirota Sergei Vasilevich,

St. Petersburg, Russian, bogs_s@mail.ru

Abstrart

The purpose of the operation of a space system is safe and reliable delivery of information from remote onboard sources to the consumers who are in space or on Earth. The data sources are usually scientific, engineering and auxiliary sensors or subsystems of the spacecraft.

The development of microprocessor technology led to the creation of data processing and data transmission, including on-board, high capacity and aggregation in solution of various processing tasks. Modern information technologies allow a more efficient and flexible telemetry system has a great potential with less resources: lower power consumption, less occupied bandwidth, less probability of transmission errors. As an example the embodiment of the digital telemetry system.The basis of the organization transmission of information on the method of multiple access time division, according to which each sensor provided certain time windows. In order to enable the transmission of data over a wide speed range the system adopted some temporary markings. The rarest of them are determined by the length of the super frame, equal to 7.2 second. Each super frame consists of 64 cycles with 0.1125 se ond each. The cycle is divided into 256-time slots 439.453-microsecond duration. Thus, in one super frame contains 16384 times lots49. Allocating different number of slots available different transmission rate and the number of sensors used. By varying the length of the super frame, cycles and time intervals, you can get a variety of data rates from the sensors and the number of sensors used. The article describes various methods of error-correcting coding. In modern domestic radio-electronic

systems, space systems most widely used simple methods of coding, such as parity, Hamming codes, simple cyclic codes, and so on. F. To transfer information CCSDS recommends the use of three types of coding: convolutional codes, ReedSolomon codes, and turbo codes defined codes can be used separately. These codes can be used both individually and in various combinations or depending on the requirements of a particular transmission channel information. Keywords: Transmission of information, end organ, codification, digital telemetering system, time division multiple access.

References

1. ECSSE-ST-50-12C Space Wire - Links, nodes, routers and networks. - European Cooperation for Space Standardization (ECSS), 2008. 129 p.

2. Patent 83886 RF. Мультисенсорная радиосистема передачи данных [Multitouch radio system of data transmission]. Sirota S.V. Declared 04.06.07. Published 02.06.08. Bulletin No. 21. 4 p. (In Russian).

3. Fomin I.A. Synchronizaciya cifrovyh radiosistem peredachi informacii [Synchronization of digital radio systems of information transfer]. Moscow: Sains-Press. 2008. 80 p. (In Russian).

4. Patent 86828 RF. Телеметрическая система [Telemetric system]. Sirota S.V. Declared 11.01.09. Published 10.09.09. Bulletin No. 25. 3 p. (In Russian).

5. Deev V.V. Metody modulyatsii i kodirovaniya v sistemah svy-azi s obshchim kanalom [Modulation and coding techniques in communication systems with a common channel]. SPb.: Military Academy of Telecommunications. 2014. 77 p. (In Russian).

Information about authors:

Deev V.V., Ph.D., professor, senior lecturer in technology and means of complex information processing and transmission in automatic control systems (troops), Military Aerospace Academy;

Sirota S.V., Ph.D., deputy head of the department of telemetry systems and complex information processing, Military Aerospace Academy.

For citation:

Deev V.V., Sirota S.V. Digital telemetric system with temporary multiple access. H&ES Research. 2015. Vol. 7. No. 6. Pp. 44-49. (in Russian).

WWW.H-ES.RU

H&ES RESEARCH

49