CC BY
37
13. Kuliev E.V., Kravchenko Yu.A., Loginov O.A., Zaporozhets D.Yu. Metod intellektual'nogo prinyatiya effektivnykh resheniy na osnove bioinspirirovannogo podkhoda [Method of intellectual decision-making based on bio-inspired approach], Izvestiya Kabardino-Balkarskogo nauchnogo tsentra RAN [Proceedings of the Kabardino-Balkar scientific center of RAS], 2017, No. 62 (80), pp. 162-169.
14. Bova V.V., Kuliev E.V., Leshchanov D.V. Kontseptual'nye osnovy avtomatizirovannoy ob-rabotki nestrukturirovannoy informatsii v sistemakh upravleniya problemno-orientirovannymi znaniyami [Conceptual foundations of automated processing of unstructured information in problem-oriented knowledge management systems], V sb. "IS&IT17" [In the collection "IS&IT '17"], 2017, pp. 341-350.
15. Zaporozhets D.Yu., Kureychik V.V. Gibridnyy algoritm resheniya zadach transportnogo tipa [Hybrid algorithm for solving transport-type problems], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2013, No. 7 (144), pp. 80-85.
16. Kureychik V.V., Kureychik V.M., Rodzin S.I. Teoriya evolyutsionnykh vychisleniy [Theory of evolutionary computation]. Moscow: Fizmatlit, 2012, 260 p.
17. Gladkov L.A., Sheglov S.N., Gladkova N. V. The application of bioinspired methods for solving vehicle routing problems, Procedia Computer Science, 120 (2017): 9th International Conference on Theory and Application of Soft Computing, Computing with Words and Perception, ICSCCW2017, pp. 39-46.
18. Kuliev E.V., Sheglov S.N., Pantelyuk E.A., Loginov O.A. Adaptivnyy algoritm stai se-rykh volkov dlya resheniya zadach proektirovaniya [Adaptive wolf pack algorithm for solving design problems], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2017, No. 7 (192), pp. 28-38.
19. Loginov O.A., Lezhebokov A.A., Bova V.V., Shcheglov S.N. Intellektual'nyy analiz dannykh na osnove bioinspirirovannogo podkhoda [Data mining based on bioinspired approach], Informatizatsiya i svyaz' [Informatization and communication], 2018, No. 4, pp. 66-72.
20. Kravchenko Yu.A., Kovalenko M.S. Razrabotka instrumental'noy sredy obrabotki dannykh [Development of instrumental data processing environment], Kongress po intellektual'nym sistemam i informatsionnym tekhnologiyam IS-IT'17: Tr. Kongressa [Congress on intelligent systems and information technology IS-IT' 17: Proceedings of the Congress], 2017, Vol. 3, pp. 211-218.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор Ю.А. Гатчин.
Щеглов Сергей Николаевич - Южный федеральный университет; e-mail: [email protected];
347928, г. Таганрог, Некрасовский, 44; тел.: 88634371651; доцент.
Scheglov Sergey Nikolaevich - Southern Federal University; e-mail: [email protected];
44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia; phone: +78634371651; associate professor.
УДК 681.51 DOI 10.23683/2311-3103-2019-4-126-140
А.И. Рыбаков
ВАРИАНТ РЕАЛИЗАЦИИ ДЕЙСТВУЮЩЕГО ПРОТОКОЛА ПЕРЕДАЧИ
ДАННЫХ ДЛЯ РАЗРАБАТЫВАЕМОЙ АРХИТЕКТУРЫ РАДИОПЕРЕДАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
КОМПЛЕКСА СВЯЗИ
В представленных материалах дано общее описание алгоритмов кодирования и декодирования, использованных при разработке сигнально-кодовых конструкций, реализованных в макете радиостанций с оборудованием программно-определяемой радиосистемы (Software-Defined Radio - SDR). Рассмотрены форматы кадров широковещательного и полудуплексного протоколов; модуляции/демодуляции и последующей цифровой обработки сигналов, которые применяются в существующих и перспективных системах радиосвязи. Авторами статьи сделана ставка на использование OFDM-модуляции совместно с абсо-
лютной фазовой манипуляцией (2PSK и 4PSK) в подканалах. Цель работы. Исследование существующих методов модуляции/демодуляции и последующей цифровой обработки сигналов, а также накладываемых ими требований на аппаратуру станций сети и алгоритмы работы системы. Проведенные исследования позволят определить наиболее целесообразный и энергоэффективный путь разработки, в том числе создания программного обеспечения, позволяющих создать технику, способную удовлетворить максимальному числу возможных назначений каналов радиодоступа. Для обоснования достоверности и работоспособности предложенного алгоритма и протокола передачи было разработано соответствующее программное обеспечение (ПО). Оно может быть использовано для приема и передачи информации посредством использования ионосферных отражений. Кроме того, приняты во внимание существующие стандарты, любительские системы типа WinLink и морские информационные системы (цифровые и аналоговые), в части касающейся «физического» и «канального» уровней. Результаты. Приведена структура и функциональное описание разработанного ПО программно-конфигурируемого радиоканала. Показаны результаты экспериментальной апробации технических решений. ПО может задействовать аппаратные и программные средства для управления приемо-передающего модуля, включающего трансивер SunSDR2, поддерживающий работу аппаратной части в полном дуплексном режиме, и антенный усилитель. В результате рассмотрения структуры и функционального описания разработанного ПО сделан вывод о том, что обоснования достоверности и работоспособности предложенного алгоритма и протокола передачи актуальны в задачах разработки цифровых приемников для систем связи различного назначения. Представленные данные экспериментальных исследований по верификации предлагаемого алгоритма показали приемлемое соответствие принятых решений по качественному использованию канального ресурса с достаточным уровнем правдоподобия и надежности в передачи информации, заключенной в использовании описанной кодовой конструкции.
Схемы кодирования; канал передачи; частотное разделение каналов; частотные фильтры; сигнально-кодовые конструкции; широковещательный протокол; полудуплексный протокол.
A.I. Rybakov
IMPLEMENTATION OF THE EXISTING DATA TRANSFER PROTOCOL FOR THE DEVELOPED ARCHITECTURE OF THE RADIO TRANSMISSION SYSTEM FOR THE AUTOMATED COMMUNICATION COMPLEX
The presented materials give a General description of the coding and decoding algorithms used in the development of signal-code structures implemented in the layout of radio stations with the equipment of software-defined radio system (Software-Defined Radio - SDR). Frame formats of broadcast and half-duplex protocols; modulation/demodulation and subsequent digital signal processing, which are used in existing and future radio communication systems. The authors bet on the use of OFDM modulation together with absolute phase manipulation (2PSK and 4PSK) in subchannels. Purpose of work. Investigation of existing methods of modulation / demodulation and subsequent digital signal processing, as well as the requirements imposed by them on the equipment of network stations and algorithms of the system. The conducted researches will allow to define the most expedient and energy-efficient way of development, including creation of the software allowing to create the equipment capable to satisfy to the maximum number of possible assignments of channels of radio access. To justify the reliability and performance of the proposed algorithm and transmission Protocol was developed appropriate software (software). It can be used to receive and transmit information through the use of ionospheric reflections. In addition, existing standards, Amateur systems such as WinLink and marine information systems (digital and analog) are taken into account in terms of the "physical" and "channel" levels. Results. The structure and functional description of the software-defined radio channel is given. The results of experimental testing of technical solutions are shown. The software can use hardware and software to control the transceiver module, including the sunsdr2 transceiver, which supports the operation of the hardware in full duplex mode, and the antenna amplifier. Result of consideration of the structure and functional description of the developed software, it is concluded that the validity and
performance of the proposed algorithm and transmission Protocol are relevant in the development of digital receivers for communication systems for various purposes. Presents experimental data for verification of the proposed algorithm showed acceptable compliance with the decisions taken on quality using a channel resource with a sufficient level of credibility and reliability in the transmission of information contained in the above code construction.
Coding schemes; meteorological communication system; transmission channel; frequency division multiplexing; frequency filters, signal-code constructions; broadcast protocol; half-duplex protocol.
Введение. В данной статье рассматриваются методы модуляции/демодуляции и последующей цифровой обработки сигналов, которые применяются в существующих и перспективных системах метеорной радиосвязи. Авторами статьи сделана ставка на использование OFDM-модуляции совместно с абсолютной фазовой манипуляцией (2PSK и 4PSK) в подканалах. Помимо [1] на выбор такого способа модуляции повлияло изучение работы популярного стандарта цифровой сетевой связи IEEE 802.11a, входящего в состав коммерческого стандарта «Wi-Fi». Несмотря на различающиеся на несколько порядков диапазоны при соответствующем масштабировании выясняется, что условия работы обеих систем очень похожи. Кроме того, были приняты во внимание уже существующие стандарты (например, [2]), любительские системы типа WinLink и морские информационные системы ЦИС (цифровые) и АИС (аналоговые) в части касающейся «физического» и «канального» уровней. Кроме того, были использованы и другие научно-технические публикации, например, [3]. Перейдем к рассмотрению описываемого варианта построения программно-конфигурируемого радиоканала, начав с представления об используемой схеме модуляции.
Целью исследовательской работы, результаты которой представлены в настоящей статье, явилось исследование существующих методов модуляции/демодуляции и последующей цифровой обработки сигналов, накладывающих требования на аппаратуру станций сети и алгоритмы работы системы, с тем, чтобы определить наиболее целесообразный и энергоэффективный путь разработки технических средств (в том числе создания программного обеспечения), способных удовлетворить максимальному числу возможных применений каналов радиодоступа.
Схема модуляции. Для передачи информации по радиоканалу используются частотно-манипулированные FSK сигналы [17]. Решим задачу по выбору схемы модуляции, удовлетворяющую следующим техническим требованиям:
♦ значение пик-фактора равно 1, что позволяет максимально использовать усилители сигналов;
♦ помехоустойчивость приёма является приемлемой для предполагаемых значений сигнал-шум;
♦ реализация имеет не высокую сложность.
В предложенной к решению задачи схеме скорость передачи информации может изменяться от 102 до 104 бит/с [16]. При этом полоса занимаемых частот численно равна удвоенному этого же параметра.
Иллюстрации схем предложенного демодулятора FSK [8] сигналов представлена на рис. 1. Представлена общая схема демодулятора и ей упрощенный вид.
Поток квадратурных составляющих x(n) и q(n), где n - порядковый номер дискрета времени, поступает на блоки сложения, задержки и перемножения. На завершающем этапе результат передается на блок решающего устройства (Scaling) [2].
Д0 (п)
Х(п|
д д ♦
"-ДгД#
ДО(п)
Рис. 1. Схема демодулятора: а - общая; б - упрощенная
Схема кодирования. Кодовая конструкция. В работе [3] было показано, что симметричный по выходу канал без памяти с двоичным входом, характеризующийся условной плотностью распределения W(y|c) принятого сигнала у при переданном символе c, в сочетании с преобразованием, задаваемым матрицей GN, задаёт семейство из N виртуальных битовых подканалов, характеризующихся условными распределениями:
1 N
г(У0-1,О,Е П^К1^)>°^' <N.
2 и;е{°,1} ¿=° *
и.]< N
В таких преобразованиях, для упрощения восприятия решений авторов, обратимся к представлению кодовой конструкции с использованием полярных кодов, т.е. с порождающей матрицей, состоящей из составляющих строк ^ = ВМГвт. где N = 2т [10], Б^г - составляющая строка перестановки обращения бит.
(1)
^ =
Кодовое слово такого кода имеет вид с^1 = иО1 ^^ где ^ 1 = (и0,...,иы_^) -
называется входным вектором поляризующего преобразования. При этом к элементов вектора полагаются равными информационным битам, предназначенным для передачи, а оставшиеся элементы вычисляются в соответствии с процедурой, приводимой далее. С ростом т эти подканалы поляризуются, т.е. их параметры
Бхаттачарьи1 [2] Zi сходятся к 0 и 1. Будем передавать полезные данные без кодирования по виртуальным подканалам W(yoN"1, и01-11 иО с Zi ~ 0, в то время как по подканалам с Zi ~ 1 будем передавать некоторые предопределенные значения. Подканалы W(y0N"1, и01-1| и1) с 21 ~ 1, называются замороженными (как и соответствующие символы и1), и в классических полярных кодах по ним передаются нули. Таким образом, порождающая матрица классического полярного кода получается вычеркиванием из матрицы GN строк, соответствующих замороженным подканалам. Отметим также, что если параметр Бхаттачарьи Z исходного канала передачи информации достаточно мал, то справедлива оценка 2. = О { |, где М(1) - число ненулевых битов в двоичном представлении числа i.
Таким образом, для надежной передачи данных по каналу можно модифицировать кодовую конструкцию следующим образом. Предлагается использование полярных кодов с динамически замороженными символами (ПКДЗС) [2], т.е. вместо нулей по замороженным подканалам передаются линейные комбинации предыдущих символов. Такие коды имеют большее минимальное расстояние по сравнению с классическими. Выражения для линейных комбинаций называются ограничениями динамической заморозки (2), [11],
< —1 ОиИта = п1 —1Г = 0, (2)
где Н - некоторая / х п проверочная матрица расширенного примитивного, в теории кодирования, циклического кода Боуза-Чоудхури-Ходвингема (БЧХ) [19]; / < п — к, п и k - длина и размерность кода соответственно; Q - обратимая матрица, такая, что i-я строка матрицы V оканчивается в столбце ' , все 'г различны и = 1. Таким образом, символ и, может быть вычислен как линейная комбинация символов с меньшими
'г
номерами, и потому называется динамически замороженным символом.
Известно [9], что всякий расширенный примитивный код БЧХ в узком смысле является подкодом некоторого кода Рида-Маллера длины п = 2т и порядка г < т. Последний вариант условия в свою очередь может рассматриваться как полярный код, множество индексов замороженных символов которого состоит из
всех чисел г \ лу' {г) < т — г . Таким образом, замороженными оказываются все
подканалы: параметр Бхаттачарьи которых убывает достаточно медленно с уменьшением параметра 2 - исходного канала передачи информации. Этого, однако, недостаточно для обеспечения приемлемой вероятности ошибки декодирования. В связи с этим оставшиеся п — к — / битовых подканалов с наибольшей
вероятностью ошибки Р замораживаются статически, т.е. на них налагаются ограничения вида и =0.
Исходя из приведенного выше, мы добавляем условие: пусть Е - множество статически и динамически замороженных символов, тогда полученный код является подкодом расширенного кода БЧХ [20].
Описанные полярные коды имеют длину 2т, что не всегда удовлетворяет практическим требованиям. Поэтому для дальнейшего представления алгоритма (с последующей реализацией в виде программного кода) - мы договариваемся, что
будем использовать коды длины п < 2т. Это есть необходимое условие унифика-
1 Параметр Бхаттачарьи канала с двоичным входом является оценкой сверху для удвоенной вероятности ошибки на бит при передаче по этому каналу без кодирования.
ции, а именно укорочение кода - операция понижения размерности и длины кода путём введения дополнительных ограничений вида с = 0 на некоторые символы
кодового слова исходника. Кодовые слова укороченного кода получаются путем исключения таких («неактивных») символов из кодовых слов исходника.
Рассмотрим предлагаемый вариант описания соответствующих кодов. Он представляет собой текстовый файл следующего формата.
В первой строке указаны через пробел параметры т, к, й, п, где т - логарифм по основанию 2 длины неукороченного полярного кода с динамически замороженными символами, й - его минимальное расстояние, к - размерность кода, п - длина укороченного кода.
Если п = 2т , то следующая строка опускается. В противном случае в ней перечислены номера «активных» (т.е. потенциально ненулевых) символов кодового слова.
В последующих строках приведены ограничения динамической заморозки, задающие код. В начале каждой строки указано количество символов w, входящих в ограничение. Далее следует список индексов /0,,...,/ _1 символов, участвующих в ограничении:
Символ с наибольшим номером /. считается (динамически) замороженным.
Биты, предназначенные для передачи, распределяются по входному вектору поляризующего преобразования u0N-1. На позициях, соответствующих динамически замороженным символам, вычисляются заданные линейные комбинации входных
символов щ . Производится перестановка обращения битов, т.е. умножение на
матрицу . Полученный вектор умножается на матрицу F . Из полученного
вектора исключаются неактивные символы [18]. Рис. 2 иллюстрирует корректирующую способность ПКДЗС (256, 180, 14), построенного в соответствии с методом, описанным в [3], и кода с малой плотностью проверок на четность [4], для случая аддитивного гауссовского канала с двоичной фазовой модуляцией.
w-1
(3)
j=0
(256.180.14) polar —■— (273,192) LDPC -------
•g «г I
О
10"
10"
f*
10
3
dB
Рис. 2. Сравнение полярных и LDPC кодов
Видно, что полярный код (диаграмма справа) обеспечивает энергетический выигрыш около 1 дБ. Это достигается за счет большего минимального расстояния ПКДЗС.
Разберем теперь вариант реализации радиоканала и рассмотрим алгоритм декодирования на приемной стороне.
Алгоритм кодирования. Для начала зададимся условием на приемной стороне: пусть принят вектор у^ 1 (характеризующий собой информационное сообщение). Необходимо пояснить, что в предлагаемом программном коде используется последовательный алгоритм декодирования. Он состоит из следующих шагов:
Шаг 1. В приоритетную очередь добавляется путь нулевой длины и вероятности 0(0); функция 0.(1) называется эвристической функцией и будет определена ниже.
Шаг 2. Из приоритетной очереди выбирается путь в кодовом дереве Щ 1 с наибольшей оценкой вероятности Т (и'0 1 \yN 1).
Если длина этого пути N , то соответствующее кодовое слово возвращается и декодер завершает работу.
Если символ и является (динамически) замороженным, вычисляется его значение с учетом (1). В противном случае далее отдельно рассматриваются случаи и = °,и = 1. Вычисляются оценки вероятности наиболее правдоподобного кодового слова иБтОы полярного кода, задаваемого вектором u с префиксом Щ (4).
Т (иП ) = Р (ио\) ^ (0, О (г) ~ П (!-Р), (4)
где р - вероятность неправильного принятия решения относительно символа Щ
при известных значениях принятых символов, а также символов Щ 1. Эти значения вычисляются с помощью метода гауссовской аппроксимации, описанного в [1,13]. Пути Щ помещаются в приоритетную очередь.
Шаг 3. Если количество путей Щ 1 длины ^ когда-либо извлеченных декодером, превышает заданный порог Ь, из приоритетной очереди удаляются все пути длины I и менее. Если количество путей в приоритетной очереди превышает некоторый параметр 0, пути с наименьшими метриками Т (и^ 1У 1) удаляются -
происходит возврат на Шаг 2.
Отметим, что увеличивая параметры Ь и 0, можно добиться уменьшения вероятности ошибки за счет увеличения сложности декодирования. При достаточно больших значениях этих параметров реализуется декодирование почти по максимуму правдоподобия.
В некоторых случаях возвращаемое алгоритмом кодовое слово не является наиболее правдоподобным. Как правило, это происходит вследствие отбрасывания правильного пути на Шаге 3, что может сопровождаться резким увеличением числа итераций, выполняемых декодером. Это можно использовать для обнаружения ошибки декодирования. То есть, декодер возвращает флаг ошибки, если число итераций ранее приведенного алгоритма превышает некоторое пороговое значение, зависящее от кода.
Таким образом, что нам удалось воспроизвести принципы, по которым строился окончательный алгоритм принятия решений по качественному использованию канального ресурса с достаточным уровнем правдоподобия и надежности в передачи информации, заключенной в использовании описанной кодовой конструкции. Также частично было рассмотрено программного обеспечения (ПО), реализующее данный алгоритм. Опишем действующие протоколы передачи, необходимые для корректной работы проектируемой радиосистемы и программно -конфигурируемого радиоканала (с использованием метеорной связи) [17].
Протоколы передачи. В проектируемой радиосистеме предусмотрено два протокола передачи - вещательный и полудуплексный, описание который с точки зрения применения в программном обеспечении радиосистемы приводится далее.
Вещательный протокол. Данный протокол предназначен для осуществления односторонней связи и осуществления гарантированной доставки сообщений, что реализуется с помощью многократного повторения сообщения передатчиком. Вещательный протокол обмена информацией характеризуется периодами приема и передачи информации. К тому же, применительно к разрабатываемому радиоканалу в каждом сообщении используется кодирование. В зависимости от объема сообщения применяется соответствующая спецификация кодирования (табл. 1).
Таблица1
Структура кадра данных
Заголовок Кодовое слово
Преамбула 6 байт ГО кода 2 байта CRC 2 байта ГО пакета 1 байта Поле данных (переменная длина)
Возможные спецификации кодирования и размер поля данных приведены в табл. 2.
Таблица 2
Спецификации кодирования и размеры поля данных
Спецификация Размер кодового слова Размер данных для кодирования Размер поля данных
1024_896_6_4. spec 1024 бита 896 бит 872 бита (109 байт)
1024_768_ 12_5. spec 1024 бита 768 бит 744 бита (93 байта)
1024_512_32_5.spec 1024 бита 512 бит 488 бит (61 байт)
1024_512_28_5. spec 1024 бита 512 бит 488 бит (61 байт)
1024_256_44_2. spec 1024 бита 256 бит 232 бита (29 байт)
256_204_12_4.spec 256 бит 204 бита 180 бит (22 байта)
256_180_14_4.spec 256 бит 180 бит 156 бит (19 байт)
128 90 12 4.spec 128 бит 90 бит 66 бит (8 байт)
64_45_8_4.spec 64 бита 45 бит 21 бит (2 байта)
Следует отметить, что ввод данных для передачи осуществляется оператором на радиоканале в соответствующее поле в символьном виде. Следовательно, размер поля данных в байтовом представлении ещё меньше в перерасчете (значения приведены в табл. 2).
Полудуплексный протокол. Данный протокол также может быть использован в рассматриваемом программно-конфигурируемом радиоканале. Полудуплексный протокол подразумевает поочередный обмен данными между станциями. Рассмотрим возможные передаваемые сигналы:
♦ зонд-сигнал, предназначенный для определения начала метеорного следа и отправляемый базовой станцией метеорной системы связи [14];
♦ сигнал подтверждения об образовании канала (появлении метеорного следа), отправляемый на базовую станцию после принятия зонд-сигнал.
Рассмотрим структуру и данные кадра. Иллюстрация полудуплексного протокола приведена на рис. 3. В начальный момент времени отправляются зонд-сигналы. Длительность зонд-сигналов составляет 0.8 мс. Задержка между последовательными зонд-сигналами составляет 50 мс, что обусловлено минимально возможной скоростью переключения антенных коммутаторов. В случае образования метеорного следа зонд-сигнал поступает на вход периферийной станции, которая также переключает антенный коммутатор с приема на передачу. Затем выполняется передача сигнала подтверждения на базовую станцию (метеорной системы связи), после приема которого считается, что образовался канал передачи и возможно выполнить передачу данных. При получении каждого кадра данных отправляется подтверждение о приеме.
Рис. 3. Иллюстрация полудуплексного протокола
В качестве подтверждения правильного приема передается номер следующего ожидаемого кадра данных. Номер кадра 0 используется при инициализации сеанса двустороннего объема данными. Структура кадра приведена в табл. 3 [15].
Таблица 3
Структура кадра подтверждения (зонд-сигнал - поле преамбулы)
Поле кадра Заголовок кадра
Название Преамбула CRC Флаги ГО пакета
Размер 6 байт 2 байт 1 байт 1 байт
Опишем содержании структуры сигналов более подробно. Для начала определим используемые при передаче кадра значения для поля «Флаги» (в виде битовых полей): 11110000 - данных для передачи нет, 00001111 - за кадром подтверждения будет передан кадр данных.
В данном случае в каждом сообщении также используется кодирование, спецификация которого зависит от объема сообщения.
Предусмотрен режим работы, при котором несколько кодовых слов объединяются. При этом используется только один заголовок (табл. 4, 5.) [5, 6].
Таблица 4
Структура кадра данных
Поле кадра Заголовок кадра Кодовое слово
Название Преамбула ID кода CRC ID пакета Поле данных
Размер 6 байт 2 байта 2 байт 1 байт (переменная длина)
Таблица 5
Структура кадра данных
Поле кадра Заголовок кадра Кодовое слово
Название Преамбула ID кода CRC ID пакета Кодовое слово №1 Кодовое слово №8
Размер 6 байт 2 байта 2 байт 1 байт (переменная длина)
Программное обеспечение приема/передачи. Для обоснования достоверности и работоспособности предложенных алгоритма и протокола передачи было разработано соответствующее ПО; оно может быть использовано для приёма и передачи информации посредством использования метеорных отражений. ПО используется для управления приемо-передающего модуля (МММ), включающим трансивер SunSDR2, поддерживающий работу полным дуплексом аппаратной частью, и антенный усилитель [7].
Для устойчивой работы ПО к аппаратным средствам предъявляются следующие требования:
♦ ЭВМ, имеющая процессор архитектуры х86, оперативную память не менее 2 Гбайт, емкость жесткого магнитного диска не менее 100 Гбайт, монитор с разрешением экрана не ниже 1024*768 пикселей;
♦ антенно-фидерные устройства;
♦ трансивер SunSDR2.
Также, работа ПО осуществляется в ОС Windows 7 (и более новые версии) с разрядностью x32/x64 при наличии необходимых версий распространяемого пакета Microsoft Visual C++ 2010.
Структурная схема разработанного ПО приведена на рис. 4. Все ПО построено на основе клиент-серверной архитектуры. Клиентская часть выполняет функции индикации, настройки и управления комплексом, передачи данных, отображением пересылаемой/принимаемой информации на дисплейном модуле. Результирующие параметры и данные отправляются на серверную часть, которая реализует функции управления трансивером SunSDR2 и передачи данных.
Установочный комплект ПО представляет собой систему файлов и папок; содержание корневого каталога приведено в табл. 6.
Статус подключения к серверу
Режим работы усилителей
Скорость передачи
Частоты приёма и передачи
Тип кодирования
Режим работы $
усилителен
Скорость 88
передачи
Частоты приёма Л и
и передачи
Тип кодирования Л
Протокол о о к
передачи
Ввод данных для передачи
/
Отображение принятых данных
Настройка
Внешний Сервер Транснвер
усилитель Данные SunSDR2
Рис. 4. Структурная схема ПО приема/передачи
Таблица 6
Содержание корневого каталога ПО приема/передачи
Имя папки (файла) Описание
Logs Хранение файлов протоколирования.
modems Модуль обеспечения протокола передачи данных
и модуляции/демодуляции
platforms Модуль обеспечения корректной работы
с операционной системой
64 45 8 4.spec Спецификации кодирования
128 90 12 4.spec
256 180 14 4.spec
256 204 44 2.spec
1024 256 44 2.spec
1024 512 28 5.spec
1024 512 32 5.spec
1024 768 12 5.spec
1024 896 6 4.spec
Client.exe Модуль клиентской части ПО
Meteor.exe Модуль серверной части ПО
icudt52.dll Вспомогательные модули для работы
icuin52.dll
icuuc52.dll
Qt5Cored.dll
Qt5Guid.dll
Qt5Networkd.dll
Qt5PrintSupportd.dll
Qt5WebKit.dll
Qt5Widgetsd.dll
PolarStackDll.dll Модуль реализации процесса кодирования и декодирования
Для наглядности на рис. 5 и 6 представлен вид интерфейса ПО при запуске серверной части и главного окна клиентской части с настройками адресной и протокольной информации комплекта базовой станции (метеорной системы связи) [6].
Рис. 5. Окно запуска серверная часть ПО
Port 40001
Рис. 6. Главное окно клиентской части ПО
Входные данные имеют буквенно-цифровой формат и вводятся в диалоговом режиме.
Выходными данными являются:
1. Сообщения, выводимые на графическом интерфейсе.
2. Протокол работы.
Выходные данные имеют буквенно-цифровой или цифровой вид; они выводятся на экран монитора или сохраняются в файлы.
Заключение. В настоящей статье приведена структура и функциональное описание разработанного программно-конфигурируемого радиоканала и исследована имитационная модель радиоинтерфейса. В результате рассмотрения структуры и функционального описания разработанного ПО можно сделать вывод, что разработанное для исследования достоверности и работоспособности предложенного алгоритма и протокола передачи ПО может быть использовано для приема и передачи информации посредством использования ионосферных отражений в КВ-диапазоне. Согласно проведенным расчетам и достаточно точно представленной теоретической модели обоснованно можно утверждать, что предложенный вариант реализации схемы кодирования и действующего протокола передачи данных программно-конфигурируемого радиоканала (с применением метеорной связи) может быть
использован для установки каналов связи между носимыми станциями метеорной связи. В дальнейшем планируется провести обзор и анализ архитектуры SDR-радио в программной среде LabView [16], оценить устойчивость работы при передаче информации в условиях многолучевости. Указанная технология (SDR) позволяет заменить разнообразные существующие и разрабатываемые радиоприемники и трансиверы, как серийные, так и, прежде всего, любительские, построенные по сложной супергетеродинной схеме, на ограниченное число доступных аппаратных блоков, работающих под управлением разработанного ПО. Это приведет к упрощению и удешевлению конструкций, существенному улучшению характеристик, поддержке любых видов модуляции, появлению большого количества сервисных функций, а также ускорит разработку, поскольку ПО может совершенствоваться одновременно всем сообществом[11]. Такое стало возможно с появлением доступных быстрых ЦАП и АЦП и удешевлением ПЭВМ и DSP-процессоров. По сравнению с существующими аналогами реализация может иметь высокую актуальность по причине прогнозируемой энергоэффективности и помехозащищенности сиг-нально-кодовой конструкцией. В дальнейшем планируется также провести исследования прохождения сигналов OFDM через многолучевые каналы связи с замираниями Релея и Райса. Полученная модель позволит оценить помехоустойчивость при различной длине циклического префикса OFDM-символа, мощности основного луча в модели Райса и наблюдать за поведением сигнального созвездия при воздействии различных нестабильностей.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Горелкин Г.А., Горшков А.В., Тулемисов У.М. Модель проектирования информационных систем в условиях потока новых информационных технологий // Системы высокой доступности. - 2011. - № 1. - С. 62-64.
2. Arikan E. Channel Polarization: a Method for Constructing Capacity-Achieving Codes for Symmetric Binary-Input Memoryless Channels // IEEE Trans. on Information Theory. - 2009.
- Vol. IT-55, iss. 7. - P. 3051-3073. - Doi: 10.1109/TIT.2009.2021379.
3. Воробьев О.В., Рыбаков А.И. Вариант реализации двунаправленной связи в СМС (системе метеорной связи). Описание программно-аппаратного комплекса СМС // Матер. VII Междунар. науч.-техн. и науч.-метод. конф. «Актуальные проблемы инфокоммуни-каций в науке и образовании»; 1-2 марта 2017, Санкт-Петербург. - СПб.: СПбГУТ. 2017. - Т. 1. - С. 128-133.
4. Trifonov P. Efficient Design and Decoding of Polar Codes // IEEE Trans. on Communications.
- 2012. - Vol. 60, iss. Com-11. - P. 3221-3227. - Doi: 10.1109/TC0MM.2012.081512.110872.
5. Воробьев О.В., Рыбаков А.И. Разработка мобильной системы информационного обеспечения с использованием каналов метеорной связи // Матер. VI Междунар. науч.-техн. и науч.-метод. конф. «Актуальные проблемы инфокоммуникаций в науке и образовании!; 1-2 марта 2017, Санкт-Петербург. - СПб.: СПбГУТ, 2017.
6. Trifonov P., Miloslavskaya V. Polar Codes with Dynamic Frozen Symbols and their Decoding by Directed Search // Proc. of IEEE Information Theory Workshop. 9-13 Sept. 2013. Sevilla, Spain. - Doi: 10.1109/ITW.2013.6691213.
7. Трусов В.А., Горячев Н.В., Баннов В.Я. Программно-определяемые приемопередатчики и их применение // Молодой ученый. - 2014. - № 21. - С. 234-236.
8. Галкин В.А. Основы программно-конфигурируемого радио. - М.: Горячая линия-Телеком, 2013. - 372 с.
9. Василевский В.В., Панюшкин В.А., Пузырев П.И. Оптимизация схемы тактовой синхронизации программно-конфигурируемого цифрового приемника на процессоре TMS320VC55XX // Ползуновский вестник. - 2010. - № 2. - С. 196-199.
10. Мэй Х., Го Я. Повсеместные операционные системы // Открытые системы. СУБД.
- 2018. - № 1. - URL: https://www.osp.ru/os/2018/01/13053933/ (дата обращения 19.06.19).
11. Смелянский Р. Технологии реализации программно конфигурируемых сетей: overlay vs openflow // Журнал сетевых решений LAN. - 2014. - № 4. - С. 53-55.
12. Петров С.А., Нефедьев А.И. Микроконтроллеры измерительных систем. - Волгоград: ВолгГТУ, 2015. - 112 с.
13. Горячев Н.В., Танатов М.К., Юрков Н.К. Исследование и разработка средств и методик анализа и автоматизированного выбора систем охлаждения радиоэлектронной аппаратуры // Надежность и качество сложных систем. - 2013. - № 3. - С. 70-75.
14. Солонина А.И., Клиоский Д.М. Цифровая обработка сигналов и Matlab. - СПб.: БХВ-Петербург, 2013. - 512 с.
15. Программное обеспечение с многокритериальными алгоритмами обработки информации: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ РФ № 20018610247, 09.01.2018. - 3 с.
16. Использование ПО Matlab. Архив Статей. - URL: https://www.mathworks.com/help/.
17. Ralston W.T. and Weitzen J.A. Spread Spectrum Multiple Access for Mobile Meteor Burst Communications // IEEE Transactions on vehicular technology. - 1995. - Vol. 44, No. 2. - P. 280-290.
18. Ryan W.E. Optimal signaling for meteor burst channels // IEEE Trans. Comm. - 1997. - Vol. 45, No. 5. - P. 489-496.
19. Cannon P. and Dickson A. Signalling efficiency modelling and measurement of simplex block encoded MBC systems // IEEE Proceedings-I. - 1991. - Vol. 138, No. 6. - P. 544-548.
20. Djuknic G.M. и Schilling D.L. Performance analysis of an ARQ transmission scheme for meteor burst communications // IEEE Trans. Comm. - 1994. - Vol. 42, No. 2/3/4. - P. 268-271.
REFERENCES
1. Gorelkin G.A., Gorshkov A.V., Tulemisov U.M. Model' proektirovaniya informatsionnykh sistem v usloviyakh potoka novykh informatsionnykh tekhnologiy [Design model of information systems in the flow of new information technologies], Sistemy vysokoy dostupnosti [High availability systems], 2011, No. 1, pp. 62-64.
2. Arikan E. Channel Polarization: a Method for Constructing Capacity-Achieving Codes for Symmetric Binary-Input Memoryless Channels, IEEE Trans. on Information Theory, 2009, Vol. IT-55, iss. 7, pp. 3051-3073. Doi: 10.1109/TIT.2009.2021379.
3. Vorob'ev O.V., Rybakov A.I. Variant realizatsii dvunapravlennoy svyazi v SMS (sisteme meteornoy svyazi). Opisanie programmno-apparatnogo kompleksa SMS [Variant of realization of bidirectional communication in SMS (meteor communication system). Description of software and hardware complex SMS], Mater. VIIMezhdunar. nauch.-tekhn. i nauch.-metod. konf. «Aktual'nye problemy infokommunikatsiy v nauke i obrazovanii»; 1-2 marta 2017, Sankt-Peterburg [Materials VII international. scientific.-tekhn. and science.-method. Conf. "Actual problems of Infocommunications in science and education"; 1-2 March 2017, St. Petersburg]. Saint Petersburg: SPbGUT. 2017, Vol. 1, pp. 128-133.
4. TrifonovP. Efficient Design and Decoding of Polar Codes, IEEE Trans. on Communications, 2012, Vol. 60, iss. Com-11, pp. 3221-3227. Doi: 10.1109/TC0MM.2012.081512.110872.
5. Vorob'ev O.V., Rybakov A.I. Razrabotka mobil'noy sistemy informatsionnogo obespecheniya s ispol'zovaniem kanalov meteornoy svyazi [Development of a mobile information support system using meteor communication channels], Mater. VI Mezhdunar. nauch.-tekhn. i nauch.-metod. konf. «Aktual'nye problemy infokommunikatsiy v nauke i obrazovanii!; 1-2 marta 2017, Sankt-Peterburg [Proceedings of the VI international. scientific.-tekhn. and science.-method. Conf. "Actual problems of Infocommunications in science and education!;. 1-2 March 2017, St. Petersburg]. Saint Petersburg: SPbGUT, 2017.
6. Trifonov P., Miloslavskaya V. Polar Codes with Dynamic Frozen Symbols and their Decoding by Directed Search, Proc. of IEEE Information Theory Workshop. 9-13 Sept. 2013. Sevilla, Spain. Doi: 10.1109/ITW.2013.6691213.
7. Trusov V.A., Goryachev N. V., Bannov V.Ya. Programmno-opredelyaemye priemoperedatchiki i ikh primenenie [Software-defined transceivers and their application], Molodoy uchenyy [Young scientist], 2014, No. 21, pp. 234-236.
8. Galkin V.A. Osnovy programmno-konfiguriruemogo radio [Fundamentals of software-configurable radio]. Moscow: Goryachaya liniya-Telekom, 2013, 372 p.
9. Vasilevskiy V.V., Panyushkin V.A., Puzyrev P.I. Optimizatsiya skhemy taktovoy sinkhronizatsii programmno-konfiguriruemogo tsifrovogo priemnika na protsessore TMS320VC55XX [Optimization of synchronization software-configurable digital receiver processor TMS320VC55XX], Polzunovskiy vestnik [Polzunovskii Herald], 2010, No. 2, pp. 196-199.
10. Mey Kh., Go Ya. Povsemestnye operatsionnye sistemy [Ubiquitous operating systems], Otkrytye sistemy. SUBD [Open systems. DBMS], 2018, No. 1. Available at: https://www.osp.ru/ os/2018/01/13053933/ (accessed 19 June 19).
11. Smelyanskiy R. Tekhnologii realizatsii programmno konfiguriruemykh setey: overlay vs openflow [Technologies for implementing software-defined networks: overlay vs openflow], Zhurnal setevykh resheniy LAN [Journal of network solutions LAN], 2014, No. 4, pp. 53-55.
12. Petrov S.A., Nefed'ev A.I. Mikrokontrollery izmeritel'nykh sistem [Microcontrollers in measuring systems]. Volgograd: VolgGTU, 2015, 112 p.
13. Goryachev N.V., Tanatov M.K., Yurkov N.K. Issledovanie i razrabotka sredstv i metodik analiza i avtomatizirovannogo vybora sistem okhlazhdeniya radioelektronnoy apparatury [Research and development of tools and techniques of analysis and automated choice of cooling systems of electronic equipment], Nadezhnost' i kachestvo slozhnykh system [Reliability and quality of complex systems], 2013, No. 3, pp. 70-75.
14. Solonina A.I., Klioskiy D.M. TSifrovaya obrabotka signalov i Matlab [Digital signal processing and Matlab]. Saint Petersburg: BKhV-Peterburg, 2013, 512 p.
15. Programmnoe obespechenie s mnogokriterial'nymi algoritmami obrabotki informatsii: svidetel'stvo o gosudarstvennoy registratsii programmy dlya EVM RF № 20018610247, 09.01.2018 [Software with a multi-criteria algorithms of information processing: the certificate of state registration of computer programs RF No. 20018610247, 09.01.2018], 3 p.
16. Ispol'zovanie PO Matlab. Arkhiv Statey [Using Matlab software. Archive Articles]. Available at: https://www.mathworks.com/help/.
17. Ralston W.T. and Weitzen J.A. Spread Spectrum Multiple Access for Mobile Meteor Burst Communications, IEEE Transactions on vehicular technology, 1995, Vol. 44, No. 2, pp. 280-290.
18. Ryan W.E. Optimal signaling for meteor burst channels, IEEE Trans. Comm, 1997, Vol. 45, No. 5, pp. 489-496.
19. Cannon P. and Dickson A. Signalling efficiency modelling and measurement of simplex block encoded MBC systems, IЕЕE Proceedings-I, 1991, Vol. 138, No. 6, pp. 544-548.
20. Djuknic G.M. и Schilling D.L. Performance analysis of an ARQ transmission scheme for meteor burst communications, IEEE Trans. Comm., 1994, Vol. 42, No. 2/3/4, pp. 268-271.
Статью рекомендовал к опубликованию к.т.н., профессор О.В. Воробьев.
Рыбаков Алексей Игоревич - Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича; e-mail: [email protected]; г. Санкт-Петербург, Рыбацкий проспект, д. 15, корп. 1, кВ. 47; тел. +79117768371; аспирант; ассистент кафедры радиопередающих устройств и средств подвижной связи.
Rybakov Alexey Igorevich - St. Petersburg state University of telecommunications them. prof. M.A. Bonch-Bruevich; e-mail: [email protected]; St. Petersburg, Rybatsky prosp., build. 15, bldg. 1, ap. 47; phone: +79117768371; postgraduate student; assistant of department of radio transmitting devices and means of telecommunication.
УДК 004.89:620.9 DOI 10.23683/2311-3103-2019-4-140-152
Л.В. Массель, А.Г. Массель, Д.В. Пестерев
ТЕХНОЛОГИЯ УПРАВЛЕНИЯ ЗНАНИЯМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОНТОЛОГИЙ, КОГНИТИВНЫХ МОДЕЛЕЙ И ПРОДУКЦИОННЫХ ЭКСПЕРТНЫХ СИСТЕМ
Предлагается технология управления знаниями, основанная на совместном использовании онтологий, когнитивных моделей и продукционных экспертных систем. Ядром предлагаемой технологии являются методика когнитивного моделирования и преобразования когнитивных моделей в продукционные правила экспертной системы, а также инструментальные средства поддержки предлагаемой технологии, разрабатываемые на основе агентного подхода. Применены разработанные в авторском коллективе методики и инструментальные средства семан-
