Содержание к диссертации
Введение
1. Физическая модель канала передачи сообщений при малых углах места
2. Помехоустойчивость передачи дискретных сообщений по стохастическому многолучевому каналу
3. Моделирование системы передачи дискретных сообщений от КА на НП при малых углах места
4. Выбор параметров системы передачи цифровой информации от КА на НП при малых углах места
Заключение
Список литературы
Приложение
- Физическая модель канала передачи сообщений при малых углах места
- Помехоустойчивость передачи дискретных сообщений по стохастическому многолучевому каналу
- Моделирование системы передачи дискретных сообщений от КА на НП при малых углах места
- Выбор параметров системы передачи цифровой информации от КА на НП при малых углах места
Физическая модель канала передачи сообщений при малых углах места
Как известно [51, 110, 111], на распространение радиоволн сантиметрового диапазона при малых углах места оказывают влияние ионосфера, тропосфера и участок земной поверхности, находящийся вдоль трассы распространения сигнала на пути КА - НП. Влияние ионосферы и тропосферы выражается в эффектах рефракции, деполяризации и поглощения радиоволн. Отклонение направления прихода радиоволны, вызванное рефракцией, не превышает 15 угловых минут, подлежит прогнозированию и компенсируется автоматическим наведением приемной антенны по максимуму приходящего сигнала [83, 111,81]. Задержка радиоволн из-за рефракции может достигать 330...500 не [81] и для рассматриваемого диапазона волн в используемой полосе частот порядка 200 МГц может считаться одинаковой для всех спектральных составляющих. Относительная величина рассеяния радиосигналов по частоте составляет порядка 10"12 [81], что не превышает величину относительной нестабильности частоты задающих генераторов при передаче информации. Как правило, при передаче информации с КА ДЗЗ используются радиоволны с круговой поляризацией, для которых на частотах свыше 5 ГГц эффект деполяризации приводит к несущественным энергетическим потерям [81 и 99]. Поглощение радиоволн при углах места, ч близких к 0, в среднем больше, чем при угле места 5, на величину порядка 2...2,5 дБ [51, 111]. Таким образом, влияние ионосферы и тропосферы на прием информации при малых углах места в сантиметровом диапазоне радиоволн не приводит к заметному рассеянию сигналов по частоте и времени и эквивалентно дополнительным энергетическим потерям, которые могут быть учтены при проектировании систем передачи информации. Существенное влияние на прием сигналов при малых углах места оказывает многолучевость, обусловленная рассеянием радиоволн земной поверхностью.
Так, согласно экспериментальным данным [18, 111], взаимодействие прямого и рассеянных земной поверхностью лучей при одиночном приеме (без разнесения) может приводить к колебаниям уровня сигнала при приеме на величину от 6 дБ до (10...15) дБ. Сигналы прямого и рассеянных земной поверхностью лучей отличаются амплитудами, задержками и доплеровскими сдвигами частоты, т. е. имеет место многолучевой канал. Близкие углы прихода прямого и рассеянных поверхностью Земли вторичных лучей не позволяют осуществить пространственную селекцию сигналов. Движение КА в процессе сеанса связи приводит к постоянному изменению параметров рассеяния сигналов в канале. Для обеспечения качественного приема информации необходимо построение системы с применением специально разработанных методов, работоспособных в условиях изменяющейся многолучевости [60, 94]. Важнейшим условием для разработки таких методов является знание численных значений параметров рассеяния (искажений) радиосигналов в многолучевых каналах. Полагая, что параметры прямого луча при приеме известны точно, в качестве параметров рассеяния будем рассматривать величины отклонений интенсивностей, задержек и доплеровских сдвигов частоты вторичных лучей относительно прямого луча. При создании систем передачи информации большое значение имеет знание предельных величин параметров рассеяния.
Так, рассеяние во времени характеризуется величиной относительной памяти канала б=[дт/7] - то есть ближайшим целым числом сверху от деления интервала рассеяния лучей в канале на длительность тактового интервала передачи T=\IV, где V - канальная скорость передачи. Рассеяние по частоте характеризуется максимальным отклонением доплеровских сдвигов частоты рассеянных лучей относительно доплеровского сдвига прямого луча, который прогнозируется и компенсируется при приеме. Целью моделирования является определение как предельных параметров рассеяния канала на заданном интервале сеанса связи, так и параметров рассеяния каждого из приходящих лучей, образующих суммарный сигнал при приеме в каждый момент времени. Рассматриваемая математическая модель в дальнейшем используется для статистического моделирования на ЭВМ канала передачи информации. При разработке математической модели предполагалось, что орбиты КА - круговые, а Земля имеет сферическую форму. Как правило, КС ДЗЗ используют круговые орбиты [25, 82], кроме того, введение в рассмотрение эллиптических орбит привело бы только к уменьшению предельных величин доплеровских сдвигов частоты и не повлияло бы на общий ход рассуждений. Модель предполагает возможность отклонения формы земной поверхности от сферической в конкретной местности. Для приема информации на НП используются узконаправленные антенны, поэтому при моделировании рассматривался рассеивающий участок земной поверхности, находящийся в пределах прямой видимости антенны в направлении на КА. Рассеянные радиосигналы, приходящие с направления задней полусферы антенны, пренебрежимо малы и в модели не учитывались. 1.2. Основные принципы моделирования рассеяния радиоволн.
В настоящее время существует довольно большое количество теорий рассеяния радиоволн земной поверхностью [13, 45, 29, 11, 18, 87, 97, 49]. В подавляющем большинстве случаев авторами исследуется рассеяние радиоволн при углах места, превышающих рассматриваемые в настоящей работе, а также при совпадении направления излучения радиоволны и приема рассеянного сигнала ("радиолокационные случаи"). Большое разнообразие условий рассеяния сигналов земной поверхностью, определяемое различными типами почв, водоемов, растительности в разное время года, а также различными геометрическими характеристиками рассеивающего слоя земной поверхности, не позволило создать до настоящего времени единую достаточно адекватную модель рассеяния. Тем не менее различные модели рассеяния с достаточной степенью точности могут быть применены в отдельных конкретных случаях [13,87,97]. Основные результаты статистической теории распространения радиоволн над неровными поверхностями при малых углах места [11, 13, 45, 87] можно сформулировать следующим образом: 1). Вторичное (рассеянное) поле при отражении плоской волны от
Помехоустойчивость передачи дискретных сообщений по стохастическому многолучевому каналу
Рассеяние по частоте в рассматриваемом канале в основном определяется доплеровскими сдвигами частоты прямого и рассеянных поверхностью Земли лучей. Доплеровскии сдвиг прямого луча прогнозируется и компенсируется на приемной стороне с высокой точностью, доплеровские сдвиги других лучей компенсируются лишь частично. Наличие нескомпенсированных сдвигов частоты приводит к дополнительным искажениям при приеме информации [78]. При рассмотрении возможных путей распространения сигналов предполагалось, что рассеянные поверхностью Земли сигналы содержат как зеркальную, так и диффузную составляющие. Это допускает возможность прихода лучей в направлении приемной антенны от любой видимой точки земной поверхности ее передней полусферы. Уровень сигналов лучей задней полусферы с учетом направленных свойств антенны пренебрежимо мал. Пути распространения лучей при передаче информации от КА на Землю с учетом вышеизложенного показаны на рисунке 1.1. Величина доплеровского сдвига частоты для прямого луча определяется выражением:
Величина доплеровского сдвига частоты для луча, приходящего с направления точки А поверхности Земли /дд также определяется выражениями (2.1) и (2.2) с заменой величины У на у t, равную где h - высота антенны. Полагая, что доплеровский сдвиг /д50 компенсируется полностью, получим для нескомпенсированной величины доплеровского сдвига: Определим также величины доплеровских сдвигов частоты для точек, лежащих на дуге АЕ земной поверхности уд,2 В этом случае угол рв выражении (1.1) следует заменить на Максимальная величина нескомпенсированного доплеровского сдвига определяется как Расчеты проводились для следующих значений параметров: На рисунках 1.2, 1.3 приведены зависимости величин угла места а и 4/д, шах от времени. являются четными, а 4/д,тах( ) - нечетной функцией относительно прямой t — t3 где t3 - момент прохождения КА в зените (а = 90), 1.4. Расчет предельной величины памяти канала в системе передачи информации с КА на НП при малых углах места. В рассматриваемой системе передачи информации память канала определяется разностью хода прямого и рассеянных земной поверхностью лучей (см. рис. 1.5). Задержка между временем прихода прямого луча и произвольного рассеянного земной поверхностью луча в фиксированный момент времени t сеанса связи может быть определена по формуле: где Rx - путь луча от точки рассеяния земной поверхностью до приемной антенны НП, R2 - путь луча от передающей антенны КА до точки рассеяния земной поверхностью, R - путь прямого луча, (1.13) (1.14) с - скорость света. Пути распространения лучей в формуле (1.12) определяются выражениями: канальная скорость передачи. Величина Ат при этом выбирается максимальной из множества значений т, определяемых по формуле (1.12) для множества видимых приемной антенной точек земной поверхности. На рис. 1.6 приведена Q, с 1.5-10"6 1 I зависимость предельной величины 1-Ю"6 5-Ю" памяти канала от времени для высот орбит 200 и 800 км, рассчитанная по формулам (3.1) - (3.4). При высоте орбиты КА Я=200 км угол места 5 достигается на 63 секунде от появления КА над горизонтом, при /f=800 км - на 69 секунде. При канальной скорости передачи информации, лежащей в пределах от 64 Мбит/с до 128 Мбит/с, максимальная величина относительной памяти канала лежит в пределах от 23 до 46.
Учитывая, что максимальная память канала определяется лучами, приходящими от наиболее удаленных рассеивающих точек земной поверхности, и поэтому наименее интенсивными, реальная память канала всегда будет меньше рассчитанной в этом разделе. В основу модели положен расчет интенсивностей, доплеровских сдвигов частоты и задержек лучей, приходящих на приемную антенну после рассеяния земной поверхностью при разбиении всего рассеивающего сегмента этой поверхности на элементарные участки. Каждый элементарный участок характеризуется положением относительно передающей и приемной антенн, наклоном, высотой неровностей, среднеквадратическим значением наклона неровностей поверхности и диэлектрической проницаемостью. Пути распространения прямого и одного произвольно взятого вторичного луча в фиксированный момент t сеанса связи показаны на рисунке 1.7. На рисунке приняты обозначения:
Моделирование системы передачи дискретных сообщений от КА на НП при малых углах места
Как следует из рассмотренной в предыдущей главе математической модели тракта передачи информации, основной причиной многолучевого распространения радиоволн в канале КА - НП при малых углах места является рассеяние радиоволн земной поверхностью. При этом одновременно существуют зеркальная и диффузная составляющие рассеянного поля, совместное воздействие которых приводит к наличию одновременно дискретной и непрерывной составляющей многолучевости при приеме. Кроме рассеяния во времени также имеет место рассеяние по частоте.
Для каналов с МСИ при последовательной передаче дискретных сообщений находит применение для поэлементного оптимального (субоптимального) приема алгоритм Кловского-Николаева (АКН) [2, 64, 76, 121] в адаптивной системе с периодическим зондированием канала СИИП (система с испытательным импульсом и предсказанием). Помехоустойчивость систем передачи с этим алгоритмом анализировалась, главным образом, в предположении, что сдвиги частоты сигналов в отдельных лучах оценены и скорректированы без погрешностей. Для многолучевого канала, однако, это весьма проблематично. Обычно технически реализуется оценка с последующей компенсацией среднего (или максимального) сдвига частоты по всем лучам. В частности, в системах передачи информации с КА на НП прогнозируется и компенсируется допле-ровский сдвиг прямого луча. В этом случае остаются нескомпенсированными дополнительные частотные сдвиги рассеянных лучей. Именно для этой ситуации и целесообразно оценить помехоустойчивость алгоритмов приема. В условиях нескомпенсированных сдвигов частоты по отдельным лучам следует учесть, что последовательно передаваемые кодовые посылки информационного пакета (следующие между периодически передаваемыми по каналу зондирующими сигналами) находятся не в одинаковых условиях. Поскольку в сис темах с периодическим зондированием канала фазирование в месте приема (когерентность приема) можно обеспечить относительно реакции канала на испытательные (зондирующие) сигналы [94], то набег фазы (обусловленный отличием частотных сдвигов от нуля) оказывается максимальным (при отсутствии процедуры интерполяции [94]) для тактовых импульсов, расположенных в конце рабочего пакета. Если период следования зондирующих сигналов в системе СИИП Т3=МТ, где Т- тактовый интервал передачи, аМ- целое число, то наибольший набег фазы равен Аю-М-Г.Задачей настоящего исследования является оценка помехоустойчивости поэлементного приема по АКН в многолучевых радиоканалах со сдвигами частоты в отдельных лучах при невозможности их точного оценивания и компенсации. При анализе будем предполагать, что амплитуды сигналов отдельных лучей оценены точно.
Для простоты исследования будем использовать только линейную (многоуровневую) модуляцию (как частный случай, к ней относится двоичная система с противоположными сигналами ФМ-2). На практике за последние годы большое распространение получила система частотной модуляции с непрерывной фазой с минимальным индексом модуляции (ММС). Эта система занимает в канале более узкую полосу частот по сравнению с классической системой ФМ-2 и внедрена, например, в различных космических системах связи и системах мобильной сотовой связи в стандарте GSM. Поскольку это система нелинейной модуляции, анализ ее помехоустойчивости в многолучевых каналах с замираниями затруднен. Вместе с тем, как показывают исследования Ю. В. Алышева [2], помехоустойчивость систем ММС в таких каналах практически не отличается от помехоустойчивости ФМ-2. Это понятно, если учесть, что сигнал ММС можно интерпретировать как квадратурную модуляцию на удвоенном тактовом интервале 2Т последовательностью четных и нечетных информационных элементов исходного цифрового потока. Вместе с тем на ин тервале 2Т сигналы в квадратурных ветвях при двоичном потоке имеют характер противоположных сигналов [46,130].
Передаваемый сигнал при линейной (многоуровневой) модуляции, отображающий кодовый блок, запишем так:где Ьк - к - й во времени символ, определяющий к - й элемент сигнала u(t). Каждый элемент Ък принимает одно из m значений. Текущий номер і этих значении і є 0,m -1 называется номером позиции канального сигнала. u(t) - сигнал несущей, определенный на интервале [о,т], Т- тактовый интервал передачи; п - число передаваемых символов кодового блока. Отклик канала на u(t) в v - й ветви разнесения представим в виде где grv (t) - элемент отклика канала в v - й ветви разнесения на финитную несущую u(t). Будем в дальнейшем для простоты называть r-й элемент grv(t), определенный на тактовом интервале (r-l) t rT r-м лучем, a Q+\=L -числом лучей в канале. Общая длительность этого отклика канала на u(t) равна относительная память канала, х - время рассеяния в канале. Под grv (t) мы понимаем суммарный г -й, (г = 0, Q) отклик канала в v й ветви разнесения, содержащий в общем случае компоненты непрерывной и дискретной многолучевости; h(t) - срезающая функция, x/ v - задержка по огибающей для / - го луча в v - й ветви разнесения. В общем случае задержки х, v могут принимать любые значения в некоторой области допустимых значений, однако наиболее простая ситуация для анализа имеет место, если Выражение (2.5) совпадает с (2.4) при условии, что L -1 = Q и форма Разумеется, для случайной непрерывной многолучевости выполнение условия (2.7) является весьма частным случаем. При условии (2.7) образование суммарных компонент очевидно.
Выбор параметров системы передачи цифровой информации от КА на НП при малых углах места
Полученные в предыдущих главах результаты моделирования канала передачи информации, а также аналитические исследования помехоустойчивости передачи дискретных сообщений по многолучевым стохастическим каналам позволяют сделать вывод о принципиальной возможности передачи информации с КА на Землю при малых углах места. Тем не менее представляется весьма актуальной проверка этих результатов на практике либо на достаточно адекватной компьютерной модели системы передачи дискретных сообщений. Настоящая глава посвящена моделированию системы передачи информации с КА на Землю при малых углах места с использованием рассмотренной в первой главе модели канала передачи информации. Компьютерное моделирование позволяет подтвердить аналитические исследования, а также получить уточненные результаты для каналов с различными импульсными характеристиками, которые могут иметь место на разных участках сеанса передачи информации.
3.2.1. В первой главе было показано, что особенностями каналов передачи информации с КА на НП при малых углах места вследствие рассеяния радиоволн земной поверхностью [11, 13, 18, 29, 45, 49, 51, 83, 87, ПО, 111] является наличие многолучевости со специфически изменяющейся во времени импульсной характеристикой канала при различных доплеровских сдвигах частоты в отдельных лучах, которые не могут быть скомпенсированы при приеме. Из результатов второй главы следует, что при наличии частотных сдвигов в отдельных лучах и передаче информации с использованием АКН большое влияние на помехоустойчивость канала оказывает величина периода зондирования канала испытательной посылкой. Для создания систем передачи информации, работоспособных в этих условиях, необходимо применение наиболее эффек тивных методов последовательной передачи дискретных сообщений по многолучевым стохастическим каналам [52, 60, 94]. В [64, 94] было показано, что из существующих методов демодуляции при последовательной передаче информации по многолучевым каналам наибольшей помехоустойчивостью обладают алгоритм Витерби (оптимальный по критерию минимума средней вероятности ошибки при приеме в целом [133]) и алгоритм Кловского-Николаева (АКН) (оптимальный по критерию обобщенного максимального правдоподобия при поэлементном приеме [71]). При этом АКН обладает меньшей реализационной сложностью. Применение оптимальных алгоритмов в скоростных каналах с большой величиной памяти и работающих в реальном масштабе времени требует высокого быстродействия аппаратных средств демодулятора. Вычислительная сложность алгоритма демодуляции при заданных параметрах системы связи, работающей в реальном масштабе времени, может стать препятствием на пути ее создания. Существуют различные субоптимальные методы демодуляции, которые можно рассматривать как модификации АКН [94]. Эти алгоритмы обладают разной вычислительной и реализационной сложностью и помехоустойчивостью, что позволяет выбрать для конкретного канала наиболее подходящий реализуемый алгоритм.
В дальнейшем при моделировании будем рассматривать метод "направленный поиск, покоординатный перебор" и различные модификации метода "направленный поиск, погрупповой перебор" [94]. Так как выбранные для моделирования алгоритмы являются упрощенными модификациями АКН, уступающими ему по помехоустойчивости, представляется целесообразным в дальнейшем в качестве эталона использовать этот алгоритм. Как известно, количество перебираемых альтернатив на каждом такте обработки при АКН (с полным перебором) составляет mQ+l. Количество перебираемых альтернатив на каждом такте обработки при /-проходном покоординатном переборе определяется выражением: Количество перебираемых альтернатив на каждом такте обработки при погрупповом переборе с длиной группы к определяется выражением: где _xj -целое от X . Для всех рассматриваемых методов задержка в принятии решения составляет (Q+1)- Т. Рассмотрим поведение импульсной характеристики канала КА -Земля при малых углах места, полученной в 1 главе для высоты //=200 км. Будем рассматривать только начальный участок сеанса связи, т.к. заключительный участок отличается от начального только знаком доплеровских сдвигов частоты, что не нарушает общности рассуждений. Анализ импульсной характеристики канала показывает, что на интервале малых углов места (а 5) происходит плавное изменение характеризующих ее величин: интенсивности вторичных лучей, относительной памяти канала и дополнительных доплеровских сдвигов частоты отдельных лучей. При этом представляется возможным условно разбить интервал малых углов места по времени на три характерных участка, имеющих качественные отличия. Первый характерный участок лежит на интервале с 0 по 19 с по времени или с 0 по 1,39 по углу места. При этом интенсивность рассеянных лучей существенно превышает интенсивность прямого луча, величина относительной памяти канала изменяется с 2 до 3.
Дополнительные доплеровские сдвиги частоты вторичных лучей имеют одинаковый знак относительно доплеровского сдвига прямого луча и не превышают 5,4 Гц. Второй характерный участок (с 19 по 44 с по времени или с 1,39 по 3,3 по углу места) отличается существенно меньшей интенсивностью вторичных лучей (отличаются не более чем на порядок относительно прямого луча), воз росшей величиной относительной памяти канала (с 3 до 6 ) и большей величиной относительных доплеровских сдвигов (до 14 Гц). На третьем характерном участке (с 44 по 63 с по времени или с 3,3 по 5 по углу места) величина относительной памяти канала наибольшая и достигает величины 13, доплеровские сдвиги частоты вторичных лучей также достигают своих наибольших значений - до 22 Гц. При этом интенсивность вторичных лучей меньше интенсивности прямого луча на несколько порядков и этот участок сеанса связи фактически можно рассматривать как участок без многолуче-вости. Однако модель тракта передачи информации, рассмотренная в первой главе, допускает вероятность наличия в районе дальней границы рассеивающего участка земной поверхности (у горизонта) зеркально отражающей в направлении приемной антенны площадки, формирующей мощный вторичный "луч". Этот случай представляет интерес, как наиболее сложный с точки зрения реализации приема. Модель канала передачи информации предполагает большое число вариантов рассеяния радиоволн земной поверхностью и, как следствие, большое разнообразие импульсных характеристик канала. Тем не менее они подчинены общим закономерностям, изложенным выше, что позволяет использовать для изучения свойств исследуемого канала некоторые обобщенные типовые импульсные характеристики, специфические для каждого характерного участка сеанса связи при малых углах места. В таблицах 3.1, 3.2 и 3.3 приведены параметры импульсных характеристик канала, для которых было проведено моделирование системы передачи информации с КА на НП при малых углах места. При этом приняты следующие обозначения: номер луча - результат округления до целого в меньшую сторону относительной величины запаздывания вторичного луча Ат/Тот прямого; относительная интенсивность луча - отношение интенсивности данного луча к интенсивности прямого луча у2 /у2;
