Повышение помехоустойчивости радиоканалов телекоммуникационных систем управления и связи
Повышение помехоустойчивости радиоканалов телекоммуникационных систем управления и связи
Аннотация
В статье рассмотрены особенности и подходы к повышению помехоустойчивости радиоканалов телекоммуникационных систем управления и связи. Отмечено, что до настоящего времени не разработаны методы синтеза больших ансамблей слабо коррелированных дискретных сигналов, что позволяет уделить внимание усовершенствованию теоретических основ синтеза сложных дискретных сигналов с заданными корреляционными, ансамблевыми и структурными свойствами. В процессе исследования установлено, что решение этой проблемы в определенной степени зависит от ансамблевых, структурных и корреляционных свойств используемых сложных сигналов. В статье предложен алгоритм формирования ППРЧ-сигналов, который позволяет синтезировать нелинейные ППРЧ-сигналы, обладающие улучшенными корреляционными и структурными свойствами, что позволяет повысить помехоустойчивость радиосети ТС управления и связи.
1. Введение
Телекоммуникации представляют собой фундаментальное и в то же время прогрессивное средство для достижения различных целей. Значение телекоммуникаций в современном мире неоценимо: они служат для распространения информации среди поставщиков, потребителей, исследователей, аналитиков, законодателей, регуляторов и т.д. В то же время, учитывая стремительный рост популярности мобильных устройств и технологий интернета вещей, в основе работы которых лежит беспроводная передача данных, особую актуальность приобретают вопросы защищенности информации, которая направляется по радиоканалу и энергетической эффективности устройств для увеличения времени их автономной работы
.Чаще всего задачи создания упомянутых систем решаются путем построения традиционных каналов обмена данными, в которых применяются простые сигналы-носители с малой базой, самыми распространенными из которых являются сигналы непосредственно низкочастотного представления дискретных сообщений (CANbus, EIA/TIA-485-A, Ethernet, и др.) и гармонические сигналы, модулированные или манипулированные в соответствии с выходным сообщением (коммутируемые и выделенные линии, радиоканалы и др.)
, . Однако не всегда такой подход удовлетворяет современным требованиям, в частности, по таким показателям как надежность, простота аппаратной реализации, стабильность характеристик, возможность обмена данными при малых соотношениях сигнал/помеха и т.д. .Решение проблемы обеспечения необходимого качества передачи информации в телекоммуникационных системах управления и связи заключается в использовании сигналов, обладающих необходимыми корреляционными, ансамблевыми и структурными свойствами. Среди известных систем сигналов, которые уже нашли свое применение и вызывают значительный интерес, представляют сигналы с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ)
. Однако ряд вопросов, связанных с построением телекоммуникационных систем связи и управления с ППРЧ-сигналами, которые обладают улучшенными корреляционными и ансамблевыми характеристиками, требуют дальнейшего изучения, что и обуславливает выбор темы данной статьи.Вопросам синтеза сложных сигналов, которые обладают необходимыми свойствами, посвящен ряд работ таких авторов как: Зеленевский В.В., Попов А.В., Наконечный А.Б., Amiri-Doomari, Soodeh; Mirjalily, Ghasem; Abouei, Jamshid.
Исследование помехоустойчивости способа передачи и приема информации на основе широкополосных сигналов с переменной энтропией для дискретных сообщений проводят Дворников С.В., Марков Е.В., Маноши Э.А., Звонарев В.В., Пименов В.Ф., Stephan, Thompson; Joseph, K. Suresh.
Возможности повышения энергоэффективности и защищенности в системах передачи информации, использующих технологию ортогонального частотного мультиплексирования нашли свое отражение в трудах Кокина Д.С., Пономарева О.Г., Бродского М.С., Звонарева В.В., Han, Z.; Tan, H.; Wang, Y.
В то же время, несмотря на имеющиеся достижения и научные публикации, ряд вопросов в данной предметной плоскости остается открытым. В частности, отдельного внимания заслуживает обоснование единого подхода к оценке помехоустойчивости телекоммуникационных систем связи и разработка рекомендаций по выбору показателей надежности работы радиолинии на предмет возникновения преднамеренных помех. Кроме того, в отдельной проработке нуждаются алгоритмы построения оптимальных и квазиоптимальных систем ППРЧ-сигналов.
Таким образом, цель статьи заключается в рассмотрении возможностей повышения помехоустойчивости радиоканалов телекоммуникационных систем (ТС) управления и связи с использованием ППРЧ-сигналов.
2. Основные результаты
В общетеоретическом аспекте помехоустойчивость ТС управления и связи можно охарактеризовать вероятностью битовой ошибки (BER) pBER. Она зависит не только от вероятности pm ошибки информационного канала, но и от вероятности pt неудержания тактовой синхронизации в определенной полосе, от вероятности срыва pc цикловой и pcv сверхцикловой синхронизации, а также от вероятности pz отказа систем передачи
, . Тогда:Поскольку вероятность каждого события pi срыва правильного решения на порядок меньше, чем единица, то с точностью до двух порядков малости вышеприведенное выражение можно представить в виде:
Синтез n-х сигналов во временной области по апериодической функции автокорреляции реализуется на основе решения следующей системы уравнений:
где S – дискретное значение фазы элемента сигнала;
* – символ комплексной сопряженности, которая определяет компоненту апериодической функции автокорреляции сигнала .
Синтез дискретных сигналов с заданными авто- и взаимокорреляционными свойствами следует из решения совокупности систем нелинейных неравенств вида:
Обозначенные системы определяют компоненты функций авто- и взаимокорреляции.
и
– минимально и максимально допустимые уровни боковых лепестков функции автокорреляции i-го сигнала при сдвиге на k элементов;
и
- минимально и максимально допустимые уровни боковых лепестков функции взаимной корреляции i-го и j-го сигналов, при сдвиге j-го сигнала относительно i-го на k элементов, полученных в результате решения системы неравенств.
Описанные процедуры синтеза дискретных сигналов позволяют, в отличие от других методов, синтезировать не отдельные сигналы, а ансамбли сигналов, которые имеют необходимые авто- и взаимокорреляционные свойства. Однако для этих методы синтеза сигналов характерен ряд недостатков:
- не все сигналы, синтезированные в результате решения системы неравенств (4), удовлетворяют решению системы (5), что приводит к большим временным затратам синтеза ансамбля сигналов;
- решение систем неравенств (4) и (5) получено лишь для случая p = 2;
- не представляется возможным заранее (до окончания решения задачи синтеза сигналов) определить объем ансамбля сигналов.
В свете вышеизложенного, можно констатировать тот факт, что до настоящего времени не разработаны методы синтеза больших ансамблей слабо коррелированных дискретных сигналов. В связи с этим уделим внимание усовершенствованию теоретических основ синтеза сложных дискретных сигналов с заданными корреляционными, ансамблевыми и структурными свойствами.
Как известно, построение оптимальных и квазиоптимальных систем ППРЧ-сигналов базируются на теории полей Галуа. Выбор аппарата полей Галуа обусловлен тем, что элементы поля GF(pa) принимают все значения от 1 до p - 1, причем
:где p – размерность поля Галуа GF(pa); n – степень расширения поля Галуа.
Следовательно, они могут быть использованы как элементы ППРЧ-сигнала. Однако ППРЧ-сигналы, построенные на основе полей Галуа, не обеспечивают устойчивости по критериям восстановления закона формирования сигнала. Для достижения необходимых структурных свойств ППРЧ-сигналов необходимо преобразовать поле Галуа. С этой целью используется метод, основанный на нелинейных переходах состояния поля Галуа и его индексов. Выбор индекса поля, являющегося адресом частотного элемента, осуществляется с использованием линейных и нелинейных рекуррентных последовательностей
.С учетом сказанного, правило построения ППРЧ сигналов для динамических радиоканалов может быть записано в виде:
,
k – элемент q-ой линейной или псевдослучайной последовательности.
Для ППРЧ-сигналов функции корреляции зависят от числа совпадений элементов сигнала в дискретных точках. Значение уровня функции корреляции m-го и n-го сигналов определяется выражением:
При n = m вычисляют периодическую функцию автокорреляции, а при n¹mескую функцию автокорреляции, а при n неравно m – периодическую функцию взаимной корреляции. Величина Zi(I)=1 при условии, что:
Преобразуем выражение (9) к виду:
Пусть
тогда
Выражение (12) равно нулю только в случае выполнения равенства:
Следовательно, корреляционные свойства нелинейного ППРЧ-сигнала будут определяться числом разрешенных частотных элементов М и числом элементов в сигнале.
На практике, для обеспечения необходимой помехозащищенности, величина отношения L/М не превышает значения 0,25
. В ходе исследований был проведен анализ функций корреляции нелинейных ППРЧ-сигналов при различных значениях L, М и периода задающей последовательности (см. табл. 1).Таблица 1 - Результаты исследований корреляционных свойств нелинейных ППРЧ сигналов
M = 1 024 | |||||
L | 8 | 16 | 32 | 64 | 128 |
mr | 0,78×10–3 | 1,6×10–2 | 4,1×10–2 | 6,2×10–2 | 1,2×10–1 |
Dr | 1,3×10–2 | 1,2×10–2 | 2,2×10–2 | 3,5×10–2 | 1,1×10–2 |
M = 4 096 | |||||
L | 8 | 16 | 32 | 64 | 128 |
mr | 1,9×10–3 | 2,7×10–3 | 7,8×10–3 | 1,2×10–2 | 2,9×10–2 |
Dr | 1,2×10–1 | 3,4×10–2 | 2,9×10–2 | 2×10–2 | 1,6×10–2 |
M =16 384 | |||||
L | 8 | 16 | 32 | 64 | 128 |
mr | 4,6×10–4 | 8,3×10–4 | 2,1×10–3 | 3,1×10–3 | 6,7×10–3 |
Dr | 3,3×10–2 | 8,6×10–3 | 6,5×10–3 | 2,1×10–3 | 1,3×10–3 |
Анализ корреляционных свойств нелинейных ППРЧ-сигналов показывает, что применение предлагаемых систем сигналов позволяет повысить помехозащищенность и скрытность радиосети управления. Последнее достигается за счет неопределенности использования частотных элементов.
Алгоритм формирования нелинейных сигналов с ППРЧ должен базироваться на нелинейных переходах ind и элементах поля Галуа. Данный принцип построения ППРЧ-сигналов представлен выражением
:где rk – элемент ППРЧ-сигнала; Q1, Q2 – первоначальные элементы поля Галуа; p, q - модули преобразования.
Итак, с использованием полученных результатов, автором был разработан алгоритм построения нелинейных ППРЧ-сигналов, который реализует правило (14).
Суть алгоритма формирования ППРЧ-сигнала заключается в следующем.
1. Формирование полей Галуа GF(pa) и GF(pa1).
2. Генерирование линейной управляющей последовательности (УП).
3. Преобразование поля GF(pa) по модулю q.
4. Преобразование нелинейной УП в q-ю последовательность.
5. Преобразование поля Галуа GF(pa1).
5.1. Для изменения линейной зависимости между индексами и элементами поля делаем сдвиг по правилу:
5.2. Операция вычисления индексов поля Галуа согласно выражению:
5.3. Преобразование массива индексов по модулю q.
6. Осуществление выбора индекса из массива индексов по значению нелинейной управляющей последовательности.
7. Определение значения элемента rk ППРЧ-сигнала.
8. Объединение элементов ППРЧ-сигнала.
Данный алгоритм позволяет при выборе элементов полей GF(pa) и GF(pa1) осуществить сдвиг с шагом n. При этом осуществляется формирование ППРЧ-сигнала необходимого периода и необходимое количество таких сигналов.
3. Заключение
Таким образом, подводя итоги проведенного исследования, можно сделать следующие выводы.
В статье предложен алгоритм формирования ППРЧ-сигналов, который позволяет синтезировать нелинейные ППРЧ-сигналы, обладающие улучшенными корреляционными и структурными свойствами, что позволяет повысить помехоустойчивость радиосети ТС управления и связи.
Опыт эксплуатации систем управления и связи показал, что их качество в значительной степени определяется решением проблемы помехозащищенности и устойчивости систем. Преодоление обозначенных проблем, в свою очередь, зависит от ансамблевых, структурных и корреляционных свойств используемых сложных сигналов.
Новизной проведенного исследования является разработанный автором алгоритм формирования ППРЧ-сигналов, который позволяет синтезировать нелинейные ППРЧ-сигналы, обладающие улучшенными корреляционными и структурными свойствами, что дает возможность повысить помехоустойчивость радиосети ТС управления и связи. В статье приведены результаты синтеза, анализа и оценки свойств нелинейных ППРЧ сигналов. Обосновано достижение лучших свойств и преимущества использования в системе управления и связи нелинейных ППРЧ сигналов. В отличие от уже имеющихся научных публикаций и наработок, установлено, что использование нелинейных ППРЧ сигналов позволяет на сигнальном уровне решить проблему помехозащищенности, имитоустойчивости и скрытности системы управления и связи. Также обозначено, что важное значение имеет распределение частотных элементов по всем разделенным частотным диапазонам.
Приведенные в статье результаты свидетельствуют, что предлагаемые нелинейные ППРЧ сигналы имеют улучшенные структурные свойства и обеспечивают необходимую базу сигнала.