Noise immunity improvement of radio channels of telecommunication control and communication systems
Noise immunity improvement of radio channels of telecommunication control and communication systems
Abstract
The article examines the specifics and approaches to improving the noise immunity of radio channels of telecommunication control and communication systems. It is noted that so far methods of synthesis of large ensembles of weakly correlated discrete signals have not been developed, which allows to pay attention to improving the theoretical basis for the synthesis of complex discrete signals with given correlation, ensemble and structural properties. In the process of research it is found that the solution of this problem depends to some extent on the ensemble, structural and correlation properties of the complex signals used. The work proposes an algorithm for the formation of PRRF signals, which allows to synthesise nonlinear PRRF signals with improved correlation and structural properties, which makes it possible to improve the noise immunity of the control and communication TCS radio network.
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.