Адаптивная радиолиния передачи дискретной информации
Владельцы патента RU 2425444:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ставропольский государственный университет (RU)
Изобретение относится к электросвязи и может быть использовано для передачи дискретной информации по радиоканалам. Технический результат - повышение скорости передачи дискретной информации в условиях воздействия преднамеренных помех в радиоканале. Для этого в известное устройство, содержащее формирователь информационного сигнала, манипулятор сигнала, два блока управления, блоки приема и передачи обратного канала, демодулятор, формирователь символов информации, блок выделителя манипуляционного кода и вычислитель отношения помеха/сигнал, дополнительно введены блок вычисления оптимальной длины информационного пакета и блок изменения длины пакета. Выбор оптимальной длины информационного пакета осуществляется по критерию минимума вероятности стирания пакета с обнаруженной ошибкой и на основании учета уровня мощности преднамеренной помехи, вычисляемой относительно мощности сигнала. 2 табл., 1 ил.
Изобретение относится к электросвязи и может быть использовано для передачи дискретной информации по радиоканалам.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению относится адаптивная радиолиния передачи дискретной информации, содержащая на передающей стороне формирователь информационного сигнала, манипулятор сигнала, блок управления, блок приема обратного канала, а на приемной стороне - демодулятор информационного сигнала, формирователь символов информации, блок выделителя манипуляционного кода, измеритель отношения сигнал/помеха, измеритель дальности, вычислитель среднего отношения помеха/сигнал, блок рандомизированного выбора информационной скорости, датчик случайных чисел, генератор тактовых импульсов, генератор манипуляционного кода, блок передачи обратного канала, блок управления (см. патент РФ на изобретение №2010430, опубл. 30.03.1994 в бюл. №6). Данное устройство взято в качестве прототипа.
Недостатком указанной радиолинии является низкая скорость передачи дискретной информации в условиях воздействия преднамеренных помех в радиоканале. Это обусловлено тем, что при обнаружении ошибок в приеме сообщений пораженная часть информационной последовательности в виде пакетов (или блоков) стирается, и по обратному каналу делается запрос на их повторную передачу. При этом не учитывается зависимость вероятности стирания пакета (а следовательно, гарантируемой реализованной скорости передачи информации в радиолинии с обратным каналом) от реального энергетического ресурса постановщика помех.
Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение гарантируемой реализуемой скорости передачи информации в радиолинии с обратным каналом.
Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство, содержащее формирователь информационного сигнала, манипулятор сигнала, два блока управления, блоки приема и передачи обратного канала, демодулятор, формирователь символов информации, блок выделителя манипуляционного кода и вычислитель отношения помеха/сигнал, дополнительно введены блок вычисления оптимальной длины информационного пакета и блок изменения длины пакета. Выбор оптимальной длины информационного пакета осуществляется по критерию минимума вероятности стирания пакета с обнаруженной ошибкой и на основании учета уровня мощности преднамеренной помехи, вычисляемой относительно мощности сигнала.
На чертеже изображена структурная электрическая схема предложенного устройства.
Адаптивная радиолиния передачи дискретной информации содержит на передающей стороне радиоканала формирователь 1 информационного сигнала, блок 2 изменения длины пакета, манипулятор 3 информационного сигнала, блок 4 управления, блок 5 приема обратного канала, а на приемной стороне радиоканала - демодулятор 6, формирователь 7 символов информации, блок 8 выделителя манипуляционного кода, вычислитель 9 отношения помеха/сигнал, блок 10 вычисления оптимальной длины информационного пакета, блок 11 управления и блок 12 передачи обратного канала.
Устройство работает следующим образом.
Информационный сигнал с выхода формирователя 1 поступает на вход блока 2 изменения длины пакета, где формируются информационные пакеты длиною в n бит, причем за счет избыточного кодирования (когда n>k, где k - число бит, составляющих информационную часть пакета) на приемной стороне осуществляется обнаружение и исправление ошибок, возникающих при передаче информации в радиоканале. С выхода блока 2 изменения длины пакета сигналы подаются на информационный вход манипулятора 3, с выхода которого высокочастотный сигнал передается в радиоканал.
Выбор длины пакета n осуществляется в соответствии с командой, поступающей на управляющий вход блока 2 с выхода блока 4 управления. Информация об оптимальном значении числа n* поступает на вход блока 4 управления с выхода блока 5 приема обратного канала, второй выход которого подключен к управляющему входу манипулятора 3 информационного сигнала.
Принимаемый из радиоканала сигнал поступает на информационные входы демодулятора 6, где осуществляется его преобразование в область низких частот, и блока 8 выделителя манипуляционного кода. С выхода демодулятора 6 низкочастотный сигнал поступает на информационный вход формирователя 7 символов информации, выполняющего также функции декодера, и на первый вход вычислителя 9 отношения помеха/сигнал. Выходной сигнал блока 8 подается на управляющие входы демодулятора 6 и формирователя 7, а также на второй вход вычислителя 9 отношения помеха/сигнал.
В вычислителе 9 осуществляется определение отношения δ мощности сигнала к мощности помехи с учетом базы сигнала. Результат вычисления δ поступает в блок 10 вычисления оптимальной длины информационного пакета, где определяется число n* бит в информационном пакете, при котором обеспечивается максимальная гарантированная скорость СГ передачи информации с учетом повторной передачи отдельных пакетов, содержащих ошибочно принятые символы информации. Сведения об ошибочно принятых символах поступают с выхода формирователя 8 символов информации на второй вход блока 10 вычисления оптимальной длины информационного пакета.
Информация о вычисленном значении числа n* с выхода блока 10 подается на вход блока 11 управления, в котором вырабатывается команда на установление оптимальной длины пакета. Данная команда с первого выхода блока 11 поступает через блок 12 передачи обратного канала в передающую часть устройства (на вход блока 5 приема обратного канала). Со второго выхода блока 11 управления информация об оптимальной длине информационного пакета подается на управляющий вход блока 8 выделителя манипуляционного кода.
Предлагаемое устройство позволяет повысить скорость передачи дискретной информации в условиях преднамеренных помех с ограниченной средней мощностью и наличия канала обратной связи (обратного канала).
Энергетические ограничения постановщика помех с относительной средней мощностью δ (нормированной к мощности сигнала на длительности одного разряда информации) соответствуют ограничению энергии на длительности пакета из n двоичных разрядов. Оптимизированная помеха при обобщенном показателе в виде , где 
- вероятность стирания (т.е. вероятность обнаружения при приеме пакета хотя бы одной неисправимой ошибки) должна действовать непрерывно на каждый очередной пакет с максимальной имеющейся мощностью δ. Это, кстати, отражает физический смысл необходимости подавления всех повторяющихся пакетов при использовании протоколов с информационной или решающей обратной связью, так как достаточно успешной передачи одного из пакетов (за допустимое время), чтобы требования по своевременности были выполнены.
В то же время непрерывность оптимизированных помех между пакетами не исключает прерывистости помех на длительности пакетов. При этом оптимизируемыми параметрами помехи являются количество подавляемых блоков Nδ пакета и количество подавляемых разрядов mδ в блоке из m разрядов.
При равномерном распределении энергии помех на длительности Nδ разрядов вероятность стирания, как вероятность хотя бы одной ошибки, может быть вычислена по формуле [1]:
где 
(·) - вероятность ошибочного приема элемента информации.
Так как зависимость вероятности ошибки при приеме отдельных разрядов пакета от относительной мощности помех 
(δ) является выпукло-вогнутой с параметром δq, то оптимальная помеха с относительной средней мощностью на разряд δ, максимизирующая вероятность стирания пакета длиной n разрядов, имеет вид помехи, сосредоточенной на Nδ разрядах (с точностью до одного разряда), где Nδ≈n·δ/δq.
Исследования структуры оптимизированных помех (относительно структуры подавляемых пакетов) показали, что с ростом средней мощности помех уровень мощности на каждом из подавляемых блоков (в среднем на один разряд) при 1<Nδ<n примерно остается постоянным и с ростом Nδ быстро сходится к величине δq, равной параметру выпуклого замыкания графика зависимости вероятности ошибочного приема блока от мощности помех [2]. В частном случае в роли внутренних блоков могут выступать отдельные биты, вероятность ошибочного приема которых определяется алгоритмом формирования и обработки сигналов на физическом уровне. Тогда при использовании типовых режимов фазовой (ФМ), относительно фазовой (ОФМ) и частотной (ЧМ) манипуляций величина δq определяется по таблице 1, полученной на основании [3] (где h2 - отношение энергии сигнала к спектральной плотности шума).
| Таблица 1 | ||||||
| Помеха | Режим | |||||
| ФТ | ОФТ | ЧТ | ||||
| h2=10 | h2=100 | h2=10 | h2=100 | h2=10 | h2=100 | |
| Когерентная | 1,37 | 1,23 | 0,69 | 0,62 | 0,72 | 1,07 |
| Некогерентная | 1,75 | 1,62 | 0,88 | 0,81 | 1,1 | 1,28 |
| Шумовая | 1,2 | 1,39 | 0,59 | 0,69 | 0,28 | 0,48 |
Оптимальной стратегией постановщика помех при подавлении пакетов с обнаружением ошибок является концентрация энергии помех на части разрядов каждого пакета. При этом гарантированная реализованная скорость СГ зависит от длины пакетов и относительной средней мощности помех следующим образом:
где С0 - скорость передачи информации на физическом уровне, (n,δ) - вероятность стирания, определяемая из выражения (1).
Рассмотрим случай оптимизированного воздействия когерентной помехи на псевдослучайную последовательность фазоманипулированных сигналов с базой В=13, энергетическим параметром h2=10 при допустимой вероятности ошибки на бит 
. Известно [2], что при достаточно большой базе сигнала (В>10) для указанных в таблице 1 видов помех в расчетные формулы вместо δq необходимо подставлять значения относительной мощности помех, уменьшенной в базу раз, т.е. δq/B. Для данного случая в таблице 2 приведены значения коэффициента СГ/C0 снижения гарантированной средней реализованной скорости пакетной передачи информации (по отношению к скорости передачи информации на физическом уровне) при различных значениях длины пакетов n и относительной средней мощности помех δ, полученные в соответствии с выражением:
| Таблица 2 | |||||||
| n | δ | ||||||
| 0 | 0,05 | 0,1 | 0,3 | 0,5 | 0,7 | 1 | |
| 128 | 0,90 | 0,84 | 0,79 | 0,61 | 0,47 | 0,36 | 0,25 |
| 64 | 0,83 | 0,80 | 0,78 | 0,68 | 0,60 | 0,53 | 0,44 |
| 32 | 0,72 | 0,71 | 0,70 | 0,65 | 0,61 | 0,57 | 0,52 |
| 24 | 0,67 | 0,66 | 0,65 | 0,62 | 0,59 | 0,56 | 0,53 |
Как видно из таблицы 2, где жирным шрифтом выделены максимальные значения СГ/C0 для определенных δ, при изменении уровня помех передача пакетов с постоянной длиной является неэффективной. Таким образом, чтобы гарантировать максимальную реализованную скорость СГ(δ) пакетной передачи информации в различной помеховой обстановке необходимо иметь возможность изменять длину пакета в достаточно широких пределах.
Источники информации:
1. Крук Е.А., Семенов С. В. Уменьшение задержки сообщения в пакетных радиосетях с помощью кодирования на транспортном уровне// Электросвязь. - 1994. - №9. - С.25-27.
2. Чуднов A.M. Помехозащищенность системы передачи информации с псевдослучайным переключением частот в условиях наихудших помех// Известия вузов. Радиоэлектроника. - 1984. - №9. - С.3-8.
3. Мальцев А.Д., Одоевский С.М. Сравнительный анализ помехозащищенности систем передачи информации в условиях наихудших помех// Известия вузов. Радиоэлектроника. - 1990. - №4. - С.79.
Адаптивная радиолиния передачи дискретной информации, содержащая на передающей стороне формирователь информационного сигнала, последовательно соединенные блок приема обратного канала и блок управления, манипулятор информационного сигнала, управляющий вход которого подключен к второму выходу блока приема обратного канала, а на приемной стороне радиоканала - последовательно соединенные демодулятор и формирователь символов информации, блок выделителя манипуляционного кода, информационный вход которого вместе с входом демодулятора являются входом приемной стороны, выход блока выделителя манипуляционного кода подключен к управляющим входам демодулятора и формирователя символов информации, вычислитель отношения помеха/сигнал и последовательно соединенные блок управления и блок передачи обратного канала, второй выход блока управления подключен к управляющему входу блока выделителя манипуляционного кода, отличающаяся тем, что дополнительно введены на передающей стороне блок изменения длины пакета, выход которого подключен к информационному входу манипулятора информационного сигнала, а входы блока изменения длины пакета соединены соответственно: информационный вход - с выходом формирователя информационного сигнала, а управляющий вход - с выходом блока управления, а на приемной стороне - блок вычисления оптимальной длины информационного пакета, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом вычислителя помеха/сигнал и выходом формирователя импульсов информации, а выход блока вычисления оптимальной длины информационного пакета подключен к входу блока управления, первый вход вычислителя отношения помеха/сигнал соединен с выходом демодулятора, а второй вход - с выходом блока выделителя манипуляционного кода.
