СПОСОБ АДАПТАЦИИ РЕЖИМОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПО СПУТНИКОВЫМ КАНАЛАМ СВЯЗИ В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ АТМОСФЕРНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ И УСТРОЙСТВО ЕГО РЕАЛИЗУЮЩЕЕ Российский патент 2017 года по МПК H04B7/185 

Изобретения объединены единым изобретательским замыслом, относятся к технике радиосвязи, а именно к способам и устройствам адаптации режимов передачи информации по спутниковым каналам связи в условиях воздействия атмосферных возмущений, и могут быть использованы для организации связи более высокого качества в условиях воздействия атмосферных возмущений.

В качестве альтернативы магистральным транспортным сетям и сетям доступа, обеспечивающим объединение большого числа интерактивных приложений в рамках единой сетевой платформы IP/MPLS (услуги качественной цифровой телефонии, видеоконференц-связи, файлового обмена данными, доступа в Internet) выступают мультисервисные сети спутниковой связи. Данные сети позволяют резервировать крупномасштабные телекоммуникационные сети государственных структур и предоставлять услуги независимо от местоположения пользователей и состояния наземных каналов связи.

Современные мультисервисные спутниковые сети функционируют через транспондеры C-, Ku-, Ха-диапазонов в рамках стека протоколов TCP/IP и технологий множественного доступа, определенных международными стандартами DVB-S(S2), DVB-RCS и внутрифирменными рекомендациями. Ввиду высокой частотной загрузки транспондеров C-диапазона (4/6 ГГц) построение спутниковых сетей осуществляется с помощью частотной емкости транспондеров диапазонов Ku (11-12/14 ГГц) и Ka (20/30 ГГц). Однако для данных диапазонов свойственно повышенное влияние атмосферных возмущений (дождя, снега, облаков, тропосферных сцинтилляций) на ослабление энергии ретранслируемых радиосигналов, вследствие чего в ряде спутниковых технологий реализуются способы адаптации каналов к изменению условий распространения радиоволн на основе изменения вида модуляции и помехоустойчивого кодирования, а также уровня передачи по мощности (излучения). При любых используемых способах адаптации, компенсирующих ослабления, предусмотрена энергетическая избыточность, которая определяется рекомендациями по расчету ослаблений на долгосрочный период (Рекомендация МСЭ-R Р.618-10 (10/2009) «Данные о распространении радиоволн и методы прогнозирования, необходимые для проектирования систем связи Земля-космос») и гарантирующая требуемую достоверность приема информации в наихудших условиях атмосферного воздействия.

Известен способ многопараметрической адаптивной системы радиосвязи для передачи дискретной информации (А.с. №1585902 (SU). Многопараметрическая адаптивная система радиосвязи для передачи дискретной информации / А.Г. Саликов и др. // БИ. 15.08.1990), в котором с целью повышения достоверности приема информации в системах радиосвязи KB и УКВ диапазонов по результатам оценки качества приема и в зависимости от помеховой обстановки в канале связи перестраивают следующие параметры: несущая частота радиостанции, мощности излучения, скорости передачи информационных символов, а также вид модуляции и способ кодирования.

Недостатком данного способа являются отсутствие адаптивной системы оценивания состояния канала и пороговый характер перестройки параметров канала, не учитывающих статистические характеристики помеховых воздействий и время, затрачиваемое на адаптацию. В условиях неопределенности относительно характера помехового воздействия необходима энергетическая избыточность и, как следствие, снижение потенциальной пропускной способности канала связи.

Известен способ адаптации модуляции с расширением спектра и кодирования (Патент № ЕР 2360855 (US). Adaptive spreading, modulation, and coding / Gilat Satellite Networks, Ltd. // DP. 24.08.2011), при котором сигналы от передающей станции к приемной представлены потоком блоков данных, передаваемые с определенным значением коэффициента расширения, видом модуляции и скоростью кодирования. Кроме того, соседние блоки передаваемой по тому же каналу информации могут отличаться между собой указанными параметрами в зависимости от величины отношения сигнал-шум, тем самым повышая пропускную способность канала связи.

Недостатком способа является отсутствие системы адаптивной оценки качества канала связи и, как следствие, ограниченная пропускная способность, обусловленная вводимой информационной избыточностью на обеспечение заданной достоверности приема информации (запросов повторной передачи ошибочно принятых блоков).

Наиболее близок к заявляемому техническому решению способ организации адаптивной спутниковой связи (Патент №2373647 (RU). Способ организации адаптивной спутниковой связи / Л.В. Когновицкий и др. // БИ. 20.11.2009), при котором сигналы от рабочих станций на базовую станцию и от базовой станции к рабочим станциям передают после осуществления на базовой станции анализа состояния каждого радиоканала и параметров передаваемой по нему информации, по результатам которого проводят многопараметрическую последовательную адаптацию вида разделения каналов, способа кодирования, вида модуляции, скорости передачи, значения несущей частоты, мощности передачи и положения рабочей точки усилителя мощности к состоянию радиоканала и параметрам передаваемой информации.

Недостатком способа-прототипа является отсутствие системы адаптивной оценки состояния канала связи в период квазистационарности канала и прогнозирования на интервале адаптации. Также способ-прототип не предполагает коррекцию принятого решения по результатам оценки ошибки прогнозирования состояния канала связи. Отсутствие данной системы не позволяет эффективно реализовать потенциальную пропускную способность канала связи, не осуществляя оценки канала связи в динамике и не уменьшая энергетическую и информационную избыточность при заданной достоверности приема информации.

Известны адаптивные комплексы передачи информации, реализующие известные способы адаптации:

1) Частотно-адаптивная радиолиния, описанная в статье «Адаптивная радиосвязь в системах связи специального назначения» авторов Антонюк Л.Я., Семисошенко М.А. в журнале «Электросвязь» №5, 2007;

2) Автоматизированный комплекс технических средств для адаптивных радиолиний декаметрового диапазона волн авторов Бузова А.Л., Елисеева С.Н., Кольчугина Ю.И. и др., описанный в Вестнике СОНИИР, №1 (11), 2006, стр. 27-32.

Недостатком данных комплексов является то, что в них предполагается введение информационной избыточности в структуру цикла передачи для постоянного зондирования (оценки канала) на рабочих частотах с целью получения сведений о состоянии канала и, как следствие, не реализована потенциальная пропускная способность канала связи.

Наиболее близким к изобретению является устройство адаптации каналов радиосвязи с использованием искусственного интеллекта (Патент №2405265 (RU) «Способ адаптации каналов радиосвязи с использованием искусственного интеллекта и устройство для его осуществления» / С.И. Беда, А.А. Катанович и др. // 27.11.2010), в котором осуществляется периодическое измерение качества канала связи, сравнение его с допустимым уровнем, обмене с корреспондентом данными о новых параметрах адаптации, а именно смене рабочей частоты, вида модуляции и кодирования, используя при этом систему искусственного интеллекта для накопления опыта успешной работы канала связи. Устройство состоит из последовательно соединенных управляющей электронно-вычислительной машины со специальным программным обеспечением режима адаптации, устройства преобразования сигналов, возбудителя, усилителя мощности, антенного согласующего устройства и передающей антенны, а также последовательно соединенных приемной антенны, антенного коммутатора и приемника, выход которого соединен с аналоговым входом устройства преобразования сигналов. Выход устройства преобразования сигналов в свою очередь соединен со входом коммутатора оконечной аппаратуры. При этом управляющие выходы управляющей электронно-вычислительной машины соединены с управляющими входами приемника, возбудителя, усилителя мощности, антенного согласующего устройства и коммутатора оконечной аппаратуры. Также в устройство входит блок контроля электромагнитной обстановки, вход которого соединен с одним из выходов антенного коммутатора, и система искусственного интеллекта в составе управляющей электронно-вычислительной машины. Данная система состоит из базы данных внешней обстановки, базы данных параметров адаптации, матрицы приоритетов и специального программного обеспечения по самообучению и определению новых параметров адаптации. При этом цифровой выход блока контроля электромагнитной обстановки соединен с первым входом базы данных внешней обстановки, на второй и третий входы которого подаются данные от системы единого времени и общеобъектовой системы обмена информацией. Выход базы данных внешней обстановки соединен с первым входом матрицы приоритетов, а вход базы данных параметров адаптации соединен с выходом специального программного обеспечения по адаптации, причем выход базы данных параметров адаптации соединен со вторым входом матрицы приоритетов.

Недостатком данного устройства адаптации является низкая реализуемая пропускная способность канала спутниковой связи, которая может быть достигнута за счет минимизации энергетической и информационной избыточности спутникового канала. Данный недостаток является следствием отсутствия системы адаптивной динамической оценки канала связи, системы прогнозирования состояния канала связи на интервале инерционности цикла управления процессом адаптации, а также системы коррекции принимаемых решений при установке параметров приемопередачи модемного оборудования по результатам анализа ошибки прогноза состояния каналов спутниковой связи.

Задачей патентуемой группы изобретений являются способ адаптации режимов передачи информации по спутниковым каналам связи в условиях воздействия атмосферных возмущений и устройство его реализующее, позволяющие повысить пропускную способность канала (сети) спутниковой связи для передачи пользовательской информации за счет минимизации энергетической избыточности, вводимой для компенсации кратковременных ослаблений радиосигнала при воздействии атмосферных возмущений, а также минимизации информационной избыточности, вводимой для достоверной оценки и прогнозирования состояния спутникового канала, обеспечивая требуемый уровень достоверности приема информации и готовности канала связи.

Поставленная задача решается тем, что в известный способ организации адаптивной спутниковой связи, при котором сигналы многостанционного доступа принимают на спутниковом интерактивном терминале (СИТ) (рабочей станции), усиленные ретранслятором спутниковой связи, от центральной земной станции (ЦЗС) (базовой станции) и от ЦЗС, усиленные ретранслятором спутниковой связи, к СИТ после осуществления на спутниковых интерактивных терминалах сети анализа состояния каждого радиоканала и параметров передаваемой по нему информации, по результатам которого проводят многопараметрическую последовательную адаптацию способа кодирования, вида модуляции, скорости передачи и положения рабочей точки усилителя мощности (РТ УМ) в зависимости от состояния радиоканала и параметров передаваемой информации. В способ также введена система адаптивной оценки канала связи (с использованием или без использования тестирующих сигналов). Данная система предназначена для снижения объема служебной информации (информационной избыточности) о состоянии канала связи, повышая тем самым пропускную способность канала связи. Дополнительно введена система прогнозирования состояния канала связи с учетом инерционности цикла управления, а также система коррекции решения по конфигурации модемного оборудования для повышения пропускной способности канала (сети) связи за счет анализа ошибки прогноза состояния канала по истечении времени инерционности цикла управления. Принятый радиосигнал на СИТ анализируют (оценивают методом без тестирующей или с тестирующей последовательностью) и накапливают данные для реализации прогнозирования отношения сигнал-шум. Далее на центральную земную станцию передают информацию о состоянии канала связи. На ЦЗС анализируют данную информацию и принимают решение по назначению режимов работы терминалов сети, а именно по виду модуляции и кодированию, и перераспределяют мощности передачи (изменяют положение РТ УМ) между несущими частотами ЦЗС для различных радионаправлений (СИТ) в зависимости от соотношения сигнал-шум в каждом из радионаправлений с целью повышения пропускной способности как каналов (сети) связи. На СИТ после получения служебной информации по режиму работы терминала корректируют режим работы, установленный на предыдущем шаге адаптации. Затем вычисляют ошибку прогнозирования как разницу между текущим значением отношения сигнал-шум и предсказанным. По величине ошибки прогнозирования определяют метод оценки канала для повышения точности прогнозирования, параметры прогнозирования, формируют и передают запросы от СИТ на ЦЗС для коррекции режимов работы оборудования сети.

Поставленная задача решается тем, что в известное устройство, содержащее: управляющую электронно-вычислительную машину (ЭВМ) СИТ и входящее в нее постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) с программным обеспечением по управлению режимами адаптации, выход которого соединен со входом ПЗУ с программным обеспечением по установке новых параметров адаптации и со входом ПЗУ с базой данных параметров адаптации; последовательно соединенные устройство преобразования сигналов и устройство контроля качества; антенный пост спутникового интерактивного терминала; спутниковый маршрутизатор с функциями коммутатора оконечной аппаратуры, при этом управляющий выход управляющей ЭВМ СИТ соединен с управляющими входами спутникового маршрутизатора и устройства контроля качества, отличающееся тем, что в него дополнительно введены тракт приема и входящие в него последовательно соединенные демодулятор, декодер и дешифратор, причем вход тракта приема соединен с выходом антенного поста СИТ, первый выход тракта приема соединен со входом устройства преобразования сигналов, а второй выход соединен со входом спутникового маршрутизатора; тракт передачи и входящие в него последовательно соединенные модулятор, кодер и шифратор, причем вход тракта передачи соединен с выходом спутникового маршрутизатора, а выход тракта передачи соединен со входом антенного поста СИТ; последовательно соединенные с устройством контроля качества блок прогнозирования, оперативное запоминающее устройство программируемой логической интегральной схемы и блок определения ошибки прогноза; причем выход блока определения ошибки прогноза соединен с первым входом управляющей ЭВМ СИТ, выход устройства контроля качества соединен со вторым входом блока определения ошибки прогноза, выход блока прогнозирования соединен со вторым входом управляющей ЭВМ СИТ; в составе управляющей ЭВМ СИТ постоянное запоминающее устройство с программным обеспечением интерфейса пользователя, выход которого соединен со вторым входом ПЗУ с программным обеспечением по управлению параметрами адаптации и постоянное запоминающее устройство с программным обеспечением по управлению оценкой канала связи и прогнозированием, выход которого соединен с первым входом ПЗУ с программным обеспечением по управлению режимами адаптации; при этом управляющий выход управляющей ЭВМ СИТ соединен с управляющими входами тракта приема, тракта передачи, блока прогнозирования и оперативного запоминающего устройства программируемой логической интегральной схемы; центральная земная станция для принятия решения и коррекции режимов работы спутниковых интерактивных терминалов сети и связанный с ней антенный пост ЦЗС, а также ходящие с состав ЦЗС управляющая ЭВМ ЦЗС с постоянным запоминающем устройством с программным обеспечением по установке новых параметров адаптации и связанное с ним ПЗУ с базой данных параметров адаптации.

Согласно патентуемой группы изобретений, на ЦЗС формируют радиосигналы многостанционного доступа, усиливают их и ретранслируют на терминалы сети, причем в каждом активном СИТ производят текущую оценку канала связи методом с использованием тестирующей последовательности или без тестирующей последовательности. Выбор режима оценки канала связи зависит от точности прогноза и анализа ошибки прогнозирования по истечении времени инерционности цикла управления. Затем передают по обратному каналу управления информацию о состоянии каналов спутниковой связи от всех активных спутниковых терминалов. На ЦЗС анализируют данную информацию и принимают решение по установке режимов работы терминалов, а именно по виду модуляции и кодированию, и перераспределяют мощность передачи (изменяют положение РТ УМ) между несущими частотами ЦЗС для различныхрадионаправлений (СИТ) в зависимости от соотношения сигнал-шум в каждом из радионаправлений. На СИТ после получения служебной информации по режиму работы терминала корректируют режим работы, установленный на предыдущем шаге цикла адаптации.

Благодаря новой совокупности существенных признаков в способе и устройстве, его реализующем, обеспечивается повышение пропускной способности спутниковых каналов (сети) связи за счет минимизации энергетической избыточности, вводимой для компенсации кратковременных ослаблений радиосигнала при воздействии атмосферных возмущений, а также информационной избыточности, вводимой для достоверной оценки и прогнозирования состояния спутникового канала, обеспечивая требуемый уровень достоверности приема информации и готовности канала связи. Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа и устройства, его реализующего, условию патентоспособности "новизна".

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного способа, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Из уровня техники также не выявлена известность отличительных существенных признаков, обусловливающих тот же технический результат, на который направлено решение задачи, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Возможность реализации заявленного способа на современных вычислительных процессорах, например, с помощью программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) позволяют утверждать о его «промышленной применимости».

Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показано:

фиг. 1 - структура мультимедийной сети спутниковой связи;

фиг. 2 - обобщенная последовательность действий по адаптации режимов передачи информации в спутниковых каналах связи;

фиг. 3 - последовательность действий по адаптивной оценки канала связи;

фиг. 4 - последовательность действий по коррекции оценки и прогнозирования состояния канала связи;

фиг. 5 - последовательность действий по коррекции режимов передачи информации;

фиг. 6 - зависимость текущего и предсказанного значения отношения сигнал-шум относительно времени;

На фиг. 7 показано устройство адаптации режимов передачи информации по спутниковым каналам связи в условия воздействия атмосферных возмущений.

Возможность реализации заявленного способа поясняется следующим образом. На фиг. 1 представлены мультимедийные сети спутниковой связи интерактивного доступа, где: 101 - ЦЗС, 102 - ретранслятор связи, размещенный на борту космического аппарата на геостационарной орбите, 103 - СИТ, 106 - вариант атмосферных возмущений в направлении ретранслятор связи - СИТ N. В прямом спутниковом канале 104 от ЦЗС 101 через ретранслятор связи 102 потоки данных для всех спутниковых интерактивных терминалов сети 103 (СИТ 1, СИТ 2, …, СИТ V) передаются в едином мультиплексированном высокоскоростном цифровом потоке на нескольких несущих. В соответствии с обобщенной блок-схемой последовательности действий по адаптации, представленном на фиг. 2, перед началом сеанса спутниковой связи производят ввод данных для приемопередающего оборудования на СИТ, а именно: частоты приема и передачи, режим модуляции, кодирования и положения РТ УМ (уровень мощности передачи) в соответствии с расчетными данными ослаблений радиосигнала на долгосрочный период, коэффициент готовности канала связи K_г (например, от 0,95 до 0,9999) и минимальное значение ошибки прогноза ε_min.

Время инерционности определяют посредством формирования тестирующей последовательности. После прохождения последовательности по каналу связи на ЦЗС, ее возвращением на СИТ, а также с учетом обработки сигналов в оборудовании СИТ и ЦЗС, фиксируют данное время инерционности и в виде сигнала двоичного кода передают в систему управления адаптацией, где данное значение хранят в ячейках оперативной памяти на период сеанса связи.

На ЦЗС формируют радиосигналы многостанционного доступа, усиливают их и ретранслируют на каждый СИТ сети, где впоследствии принимают эти радиосигналы и по результатам оценки анализируют состояние радиоканала.

Процедура оценки канала связи 203 поясняется более подробно на фиг. 3.

Состояние помехоустойчивости спутникового канала оценивают отношением энергии сигнала на символ к спектральной плотности мощности шума , где k=1, 2, …, ∞, Т_е - период оценки (период накопления выборочных значений для получения оценки). На СИТ осуществляется демодуляция M-позиционного радиосигнала фазовой или амплитудно-фазовой манипуляции (MPSK, APK) в приемной части модемного оборудования. Процесс оценки канала по методу максимального правдоподобия связан с обработкой поступающих из приемного тракта (синфазной и квадратурной ветви демодулятора) комплексных коэффициентов , n=1, 2, ..., N и опорной последовательности N пилот-символов (Wang Kun+, Research on SNR Estimation of Signals in Galileo SAR System, Wu Si-liang and Zhu Sheng-yu, Radar Technology Institute, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, P.R. China).

В предположении, что условия приема характеризуются воздействием на полезный сигнал m_k аддитивного белого гауссовского шума z_k с нулевым математическим ожиданием и единичной дисперсией, сигнал на выходе демодулятора может быть представлен суммой:

где , - синфазная и квадратурная составляющие принятой суммы сигнала и шума,

P_S - мощность сигнала,

P_N - мощность шума.

Процедура оценки канала связи (фиг. 3) предполагает синхронизацию и накопление в ячейках оперативной памяти комплексных коэффициентов 301 и опорной последовательность N пилот-символов 303, полученных путем стробирования (аналого-цифрового преобразования) демодулированных сигналов с синфазной и квадратурной ветвей демодулятора. Проверку на наличие команды управления по выбору метода оценки осуществляют в 302 (по умолчанию определен метод без использования тестирующей последовательности). Количество получаемых значений комплексных коэффициентов и определяют частотой дискретизации сигнала . Причем значение частоты дискретизации фиксировано и получено на основе многочисленных экспериментальных данных по анализу характера интенсивности ослаблений радиосигнала в Ku-, Ka-диапазоне «ясного неба» (под влиянием тропосферных сцинтилляций) и воздействия осадков (дождя) (Илюхин А.А., Вдовин А.В. «Математическое моделирование динамики ослабления радиосигнала в спутниковом канале Ku-диапазона с заданными статистическими свойствами», Издательство «Радиотехника», «Электромагнитные волны и электронные системы» №3 2015 г. стр. 4-10).

После подачи управляющей команды на считывание значений из ячеек памяти в микропроцессорном устройстве определяют оценочные показатели отношения сигнал-шум по методу максимального правдоподобия без тестирующих сигналов 304. С помощью системы автоматической регулировки усиления приемного тракта осуществляют нормирование значений смеси сигнала с аддитивным шумом по мощности и получают оценку соотношения сигнал-шум каждого N отчета относительно нормированного значения, тем самым повышают пропускную способность канала связи за счет сокращения символов служебной информации (снижают информационную избыточность) и увеличивают информационную часть цикла передачи информации (кадра):

В условиях воздействия атмосферных возмущений, в случае ухудшения оценочных показателей спутникового канала связи, приводящих к увеличению ошибки прогноза состояния канала, предусмотрены формирование запроса на ЦЗС по обратному каналу связи на смену режима оценки состояния - режим работы по пилот-сигналам (эталонные сигналы, известные на стороне приема, в виде немодулированной несущей на фиксированных временных позициях цикла передачи). Данные значения, помимо записываемых , также записываются в ячейки оперативной памяти. После подачи управляющей команды на считывание значений из ячеек памяти в микропроцессорном устройстве определяют оценочные показатели отношения сигнал-шум по методу максимального правдоподобия с применением тестирующих сигналов 305 (A. Aroumont. A study on SNR estimation algorithms for channel state estimation in Communication Satellite Systems employing Fade Mitigation Techniques. Space Communications 22 (2009), 31-40):

где - действительная часть произведения значения комплексно-сопряженного г_n и значений пилот-символов m_n.

По окончании процесса оценки канала связи осуществляют процедуру прогнозирования отношения сигнал-шум 204 с горизонтом прогноза равным времени инерционности цикла управления режимами передачи. Прогнозирование осуществляют методом экспоненциального скользящего среднего (Л.А. Сафонова, Г.Н. Смоловик. Методы и инструменты принятия решений. / Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики // 2012 г. стр. 14-17). От параметра сглаживания α зависит количество считываемых из ячеек оперативной памяти значений оценочных показателей отношения сигнал-шум, полученных на предыдущем шаге 203. По умолчанию значение данного коэффициента задано как α_min, причем шаг изменения Δ_α определяют в системе управления адаптации:

где α - параметр сглаживания;

Y(kT_e) - фактическое значение отношения сигнал-шум измеряемого процесса за период, предшествующего прогнозируемому;

- экспоненциально взвешенная средняя для периода, предшествующего прогнозируемому.

Этап конфигурации параметров передачи информации на ЦЗС 205 для спутниковых терминалов сети основан на получении прогнозных значений отношения сигнал-шум для следующего шага управления и данных об ошибках прогноза на текущий момент от всех терминалов сети. Значение режима модуляции и кодирования (MODCOD) и соответствующее ему пороговое значение отношения сигнал-шум выбирается из условия, что оно должно быть меньшим и ближайшим к значению, значение порога которого определенно на этапе прогноза. С учетом данных факторов изменяется режим передачи на ЦЗС и формируется команда управления на изменение параметров приемопередачи для спутниковых терминалов по каналам управления.

Оценка принятого решения осуществляется по истечении времени инерционности с момента получения прогнозной оценки на СИТ по двум параллельным ветвям 207, 209 и 208, 210.

Время инерционности включает время распространения сигнала в канале, спутниковой связи и время на обработку сигналов и команд управления на ЦЗС и в трактах приема и передачи СИТ.

В процессорном устройстве определяют ошибку прогноза 206 как разность между текущим значением отношения сигнал-шум и предсказанным:

где Т_кор=Т_е+Т_ин - время коррекции.

Процедура коррекции принятого решения по режиму оценки канала и параметрам прогнозирования 207 и 209, а именно реализация адаптивной оценки и адаптивного прогнозирования, поясняется более подробно на фиг. 4. Минимальное значение ошибки прогноза соответствует ε_min, заданному на этапе ввода данных. В зависимости от используемого в текущий момент времени метода оценки канала связи и анализа полученной на k-ом шаге ошибки прогноза отношения сигнал-шум, имеют возможность реализовать адаптивную систему оценки канала (методом максимального правдоподобия с пилот-сигналами или без пилот-сигналов), целью которой является - повысить пропускную способность канала связи за счет сокращения символов служебной информации цикла передачи. Для каждого используемого метода оценки канала предусмотрено изменение коэффициента сглаживания α в пределах интервала α_min…α_max. Находя оптимальный коэффициент α, сокращают время на выполнение операции прогнозирования (уменьшают вычислительную сложность процессов), имея возможность получать более оперативный и точный прогноз в условиях ухудшения сигнально-помеховой обстановки, то есть быстрее реагировать на ее изменение, не выходя за пределы периода инерционности цикла управления, и тем самым повысить пропускную способность канала связи.

Коррекция принятого решения по установке режима MODCOD и положения РТ УМ 208, 2.10 поясняется более подробно на фиг. 5, 6. Для реализации данной процедуры коррекции приняты некоторые ограничения:

1) скорость изменения ослаблений радиосигнала не должна превышать заданное значение, то есть по истечении времени инерционности оценка отношения сигнал-шум должна находиться в пределах интервала пороговых значений MODCOD_W±1 относительно установленного MODCOD_W (501, 508, точки b и ν фиг. 6);

2) конфигурация MODCOD выбраны таким образом, чтобы их пороговые значения отличались на равные величины Δ (фиг. 6).

Получение оценки отношения сигнал-шум в момент времени t и возможных вариантов значений оценок в момент времени t+T_ин (точки c, d, e, ƒ, m, h, s фиг. 6), а именно текущей оценки (например, точка d фиг. 6), прогнозной оценки (например, точка с фиг. 6) и разницы между ними (ошибки прогноза) е, позволяют сформировать и передать запросы от терминалов на ЦЗС для коррекции режимов приемопередачи информации. Данные запросы формируют по результатам проверки условий 502, 503, 504, 505, 506, 509, 510 в реализованном программном обеспечении, хранящемся в ячейках памяти постоянного запоминающего устройства, и обменом данных с базой данных о пороговых значениях MODCOD и Δ. В свою очередь, после получения на ЦЗС запросов от всех терминалов сети формируют команды управления по установке режимом работы для всех СИТ сети и перераспределения уровня мощности передачи ЦЗС между несущими частотами: для спутниковых интерактивных терминалов на несущей частоте, функционирующих в условиях «ясного неба», устанавливают уровень передачи меньше на величину суммарной энергетической избыточности данного радионаправления. В тоже время, радионаправления, работающие в условиях атмосферных возмущений, обеспечивают большим (на величину суммарной энергетической избыточности с других радионаправлений) уровнем передачи по мощности, тем самым обеспечивают условия для функционирования более эффективного режима работы (MODCOD) терминалов с точки зрения пропускной способности. Затем в циклах передачи для каждого СИТ формируют, команды управления по режиму работы терминалов сети (модуляция, кодирование и режим оценки канала). Таким образом, перераспределение энергетического потенциала ЦЗС между СИТ и назначение режимов работы для СИТ, функционирующей в рамках одного арендованного частотно-энергетического ресурса спутникового ретранслятора, дает возможность повысить пропускную способность канала (сети) связи.

Эффективность нового способа адаптации подтверждается моделированием сети спутниковой связи в составе центральной земной станций и 60 активных спутниковых терминалов, а также с учетом заданных режимов модуляции и кодирования (ФМ2, ФМ2 с БЧХ, ФМ4, ФМ8 с БЧХ), отношения средней мощности на входе приемника к входной мощности насыщения равной -9 дБ и требований по достоверности приема (вероятность ошибки на символ не менее 10^-5). Моделирование показало, что в результате динамического анализа состояния каналов спутниковой связи подверженных атмосферным возмущениям и без возмущений, а именно адаптивной оценки и адаптивного прогнозирования состояния каналов связи с горизонтом прогноза равным времени инерционности цикла управления, этапа обработки информации на ЦЗС с терминалов о состоянии каждого канала связи и этапов коррекции принятых решений, процесс адаптации фиксировал режим ФМ8 с БЧХ для текущего значения отношения средней мощности на входе приемника к входной мощности насыщения равной -9 дБ в 10% времени смоделированного сеанса спутниковой связи. Таким образом, пропускная способность канала при таком режиме работы повышена на 5-8% за период сеанса.

На фиг. 7 показано устройство адаптации режимов передачи информации по спутниковым каналам связи в условия воздействия атмосферных возмущений. Оно состоит из следующих элементов:

701 - управляющая ЭВМ СИТ;

702 - устройство преобразования сигналов (УПС);

703 - тракт передачи радиосигнала;

704 - тракт приема радиосигнала;

705 - спутниковый маршрутизатор с функциями коммутатора оконечной аппаратуры;

706 - устройство контроля качества (УКК);

707 - блок прогнозирования (БП);

708 - оперативное запоминающее устройство ПЛИС (ОЗУ ПЛИС);

709 - блок определения ошибки прогноза (БООП);

710 - антенный пост СИТ в составе антенны, малошумящего усилителя и усилителя мощности;

711 - антенный пост ЦЗС в составе антенны, малошумящего усилителя и усилителя мощности;

712 - ЦЗС;

713 - управляющая ЭВМ ЦЗС;

714 - ПЗУ с программным обеспечением (ПО) по управлению режимами адаптации (СИТ, ЦЗС);

715 - ПЗУ с базой данных параметров адаптации (ПЗУ БДПА);

716 - демодулятор;

717 - декодер;

718 - дешифратор;

719 - шифратор;

720 - кодер;

721 - модулятор;

722 - ПЗУ с ПО интерфейса пользователя;

723 - ПЗУ с ПО по установке новых параметров адаптации СИТ;

724 - ПЗУ с ПО управления оценкой канала связи и прогнозированием на СИТ;

725 - канал спутниковой связи;

726 - системная шина.

Управляющие ЭВМ 701, 713 управляют в автоматическом режиме всеми техническими средствами, входящими в устройство адаптации, при помощи программного обеспечения по управлению режимами адаптации 714, которое хранится в ячейках ПЗУ (вариант реализации ПЗУ: Е.П. Угрюмов Цифровая схемотехника. 3-е издание. / СПб: БВХ-Петербург // 2010, стр. 307-316). Приемный тракт СИТ 704 состоит, по меньшей мере, из последовательно соединенных демодулятора 716, декодера 717 и дешифратора 718. Передающий тракт СИТ 703 состоит, по меньшей мере, из последовательно соединенных шифратора 719, кодера 720 и модулятора 721 (В.Б. Стешенко ПЛИС фирмы ALTERA: элементная база, система проектирования и языки описания аппаратуры / М: ИД «Додека - XXI» // 2007, стр. 485-500). Первый выход приемного тракта СИТ 704 последовательно соединен с УПС 702, УКК 706, БП 707 и БООП 709. При этом УКК 706, БП 707 и БООП 709 могут быть реализованы на ПЛИС (К. Максфилд. Проектирование на ПЛИС. Архитектура, средства и методы. / Перевод с англ., М: ИД «Додека - XXI» // 2007, стр. 120-153).

Для реализации процесса адаптации приемный и передающий тракты используются для формирования и приема служебной информации, а также для получения оценочных показателей канала связи.

Перед установлением сеанса связи на СИТ через ПО интерфейса пользователя 722, хранящегося в ячейках ПЗУ управляющей ЭВМ 701, производят ввод данных: частоты приема и передачи, режим модуляции, кодирования и мощность передачи (положение РТ УМ) в соответствии с расчетными данными ослаблений радиосигнала на долгосрочный период, коэффициент готовности канала связи К_г, минимальное значение ошибки прогноза ε_min. Данная информация записывается в ячейки ОЗУ ЭВМ 701.

Время инерционности определяют посредством формирования команды управления в ПО 714 управляющей ЭВМ 701 на передачу и прием тестирующей последовательности. После прохождения тестирующей последовательности по каналу связи на ЦЗС, ее возвращением на СИТ, а также с учетом обработки сигналов в оборудовании СИТ и ЦЗС, фиксируют данное время инерционности и в виде сигнала двоичного кода по системной шине 726 передают в БП 707 и ОЗУ управляющей ЭВМ 701, где данное значение хранят в ячейках оперативной памяти на период сеанса связи.

На ЦЗС формируют радиосигналы многостанционного доступа, усиливают их и ретранслируют на каждый СИТ сети, где впоследствии принимают эти радиосигналы и по результатам оценки анализируют состояние радиоканала.

УПС 702 (вариант реализации: система, состоящая из модулей АМВРЕХ8, ADMDPC5016 и IS-RL-101A) обеспечивает аналого-цифровое преобразование сигналов синфазной и квадратурной ветвей демодулятора с частотой дискретизации F_∂ и синхронизацию процедуры оценки. Полученные в результате преобразований комплексные коэффициенты и поступают на вход УКК 706, где определяют оценочные показатели отношения сигнал-шум (3, 4). Каждую оценку формируют после накопления в ячейках оперативной памяти ПЛИС N отчетов (3) или N отчетов и (4). На второй вход УКК 706 поступает управляющая команда на выбор режима работы адаптивной оценки канала связи (без тестирующих или с тестирующими сигналами). В случае оценки канала без тестирующих сигналов в ПО 714 формируют управляющую команду, которая поступает в приемный тракт и активизирует работу системы автоматической регулировки усиления смеси сигнала и шума для получения их нормированного значения. В случае ухудшения сигнально-помеховой обстановки в ПО 714 формируется запрос на ЦЗС для перехода на оценку канала по пилот-символам и команда управления для смены режима оценки оборудования СИТ по истечении времени инерционности. Поступающие тестсигналы также записываются в ячейки оперативной памяти. С выхода УКК 706 значения оценок отношения сигнал-шум в виде двоичного кода поступают на вход БП 707. В соответствии с начальным значением коэффициента сглаживания α_min в ячейках оперативной памяти ПЛИС накапливают значения оценок отношения сигнал-шум. Далее в БП 707 методом экспоненциального скользящего среднего (5) определяют прогнозное значение отношения сигнал-шум с горизонтом прогноза равным времени инерционности. С выхода БП 707 прогнозная оценка в виде сигнала двоичного кода поступает на вход ОЗУ ПЛИС 708 (вариант реализации: Е.П. Угрюмов Цифровая схемотехника. 3-е издание. / СПб: БВХ-Петербург // 2010, стр. 346-352), а также на второй вход управляющей ЭВМ 701. В управляющей ЭВМ 701 формируют запрос на ЦЗС с информацией о прогнозном значении оценки отношения сигнал-шум, передают ее по системной шине 726 в спутниковый маршрутизатор 705, где служебную информацию инкапсулируют в цикл передачи (кадр) обратного канала. На ЦЗС в управляющей ЭВМ 713 после обработки информации со всех СИТ сети в ПО 714 и обмена данными с ПЗУ БДПА 715 формируют команду управления (принимают решение) по режиму работы ЦЗС и режимам работы СИТ сети, а именно перераспределение мощности передачи между несущими частотами в соответствии с условиями распространения сигналов в каналах связи 725 в направлении терминалов сети и установку режимов модуляции, кодирования и оценки канала связи для каждого СИТ. Информация о смене режимов работы СИТ поступает с ЦЗС в слотах служебной информации цикла передачи прямого канала 114.

В тракте приема 704 команду управления дешифруют и далее передают по системной шине 726 на третий управляющий вход управляющей ЭВМ 701. В ПЗУ со ПО 714, 723, 724 и после обмена данными с ПЗУ БДПА 715 формируют команду управления на смену режима работы оборудования СИТ: по системной шине передают в тракт приема 704 и передачи 703. На первом этапе адаптации снижают энергетическую избыточность, которая была введена при установке режимов работы оборудования в соответствии с расчетными данными ослаблений радиосигнала на долгосрочный период (этап ввода данных).

Таким образом, время одного цикла управления равно времени инерционности: время распространения сигнала в канале спутниковой связи и время на обработку сигналов и команд управления на ЦЗС и в трактах приема и передачи СИТ.

Прогнозная оценка в виде сигнала двоичного кода с выхода ОЗУ ПЛИС 708, задержанная на время инерционности, поступает на первый вход БООП 709. На второй вход БООП 709 поступает текущее значение оценки с выхода УКК 706. В БООП 709 определяют ошибку прогноза ⎜ε⎜ как разность между текущим значением оценки и

предсказанным. На втором и последующем этапах адаптации в зависимости от значения ⎜ε⎜ в ПЗУ со ПО 714, 723, 724 и обмена данными с ПЗУ БДПА 715 реализуют адаптивную оценку канала связи, адаптивное прогнозирование и коррекцию принятого решения по положению РТ УМ, модуляции и кодированию, повышая тем самым эффективность работы устройства адаптации и как результат - пропускную способность канала (сети) спутниковой связи.

В случае превышения ⎜ε⎜ минимально допустимого значения ошибки прогноза ε_min в ПЗУ со ПО 714 предусматривают следующие пошаговые действия: повышают точность оценки путем использования тестирующей последовательности , повышают точность прогноза за счет увеличения коэффициента сглаживания от α_min до α_max с шагом Δ_α. Эти действия позволяют отслеживать состояние канала связи в динамике, принимать решения и корректировать установленные параметры оборудования с интервалом инерционности цикла управления. Если значение ⎜ε⎜ на очередной итерации не превышает ε_min, ПО 714, хранящееся в ПЗУ, формирует команду управления для минимизации информационной избыточности, переходя на оценку канала связи без тестирующей последовательности. При этом также уменьшают коэффициент сглаживания для процесса прогнозирования с целью сокращения времени на обработку полученных оценок отношения сигнал-шум в БП 707 и как следствие повышения эффективности работы блока.

Если ошибка прогноза превышает ε_min и текущее значение отношения сигнал-шум не выходит за границы интервала пороговых значений MODCOD_W±1 относительно MODCOD_W предыдущего шага адаптации (то есть скорость изменения ослаблений в канале связи находится в пределах ограничений), то в направление ЦЗС формируют запросы либо о снижении энергетической избыточности, либо о повышении энергетики радиолинии для перехода на более эффективный режим модуляции и кодирования с точки зрения пропускной способности. После получения на ЦЗС запросов от всех терминалов сети формируют команды управления по установке режимом работы для всех СИТ сети и перераспределению уровня мощности передачи ЦЗС между несущими частотами. На ЦЗС осуществляют перераспределение мощности передачи: для спутниковых интерактивных терминалов на несущей частоте, функционирующих в условиях «ясного неба», устанавливают уровень передачи меньше на величину суммарной энергетической избыточности для этого радионаправления. В тоже время, радионаправления, работающие в условиях атмосферных возмущений, обеспечивают большим (на величину суммарной энергетической избыточности с других радионаправлений) уровнем передачи по мощности, тем самым обеспечивают условия для функционирования более эффективного режима работы терминалов с точки зрения пропускной. Таким образом, эффективность функционирования сети спутниковой связи в рамках одного арендованного частотно-энергетического ресурса повышается.

Эффективность нового способа адаптации подтверждается моделированием сети спутниковой связи в составе центральной земной станций и 60 активных спутниковых терминалов, а также с учетом заданных режимов модуляции и кодирования (ФМ2, ФМ2 с БЧХ, ФМ4, ФМ8 с БЧХ), отношения средней мощности на входе приемника к входной мощности насыщения равной -9 дБ и требований по достоверности приема (вероятность ошибки на символ не менее 10^-5). Моделирование показало, что в результате динамического анализа состояния каналов спутниковой связи подверженных атмосферным возмущениям и без возмущений, а именно адаптивной оценки и адаптивного прогнозирования состояния каналов связи с горизонтом прогноза равным времени инерционности цикла управления, этапа обработки информации на ЦЗС с терминалов о состоянии каждого канала связи и этапов коррекции принятых решений, процесс адаптации фиксировал режим ФМ8 с БЧХ для текущего значения отношения средней мощности на входе приемника к входной мощности насыщения равной -9 дБ в 10% времени смоделированного сеанса спутниковой связи. Таким образом, пропускная способность канала при таком режиме работы повышена на 5-8% за период сеанса.

Изобретение относятся к технике спутниковой радиосвязи и может быть использовано для организации спутниковой связи более высокого качества в условиях воздействия атмосферных возмущений. Технический результат состоит в повышении пропускной способности канала (сети) спутниковой связи. Для этого в способ адаптации режимов передачи информации по спутниковым каналам связи в условиях воздействия атмосферных возмущений и в устройстве его реализующем применяют адаптивную оценку и адаптивное прогнозирование отношения сигнал-шум в спутниковом канале связи, получение ошибки прогнозирования, передачу на центральную земную станцию информации о состоянии и ошибке прогнозирования каждого радиоканала в сети, принятие решения и (или) его коррекцию на центральной земной станции по установке параметров приемопередачи информации для активных терминалов сети спутниковой связи. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ адаптации режимов передачи информации по спутниковым каналам связи, при котором спутниковые интерактивные терминалы принимают сформированные на центральной земной станции и усиленные ретранслятором спутниковой связи сигналы многостанционного доступа, анализируют состояние каждого радиоканала и параметров передаваемой по нему информации, по результатам которого проводят многопараметрическую последовательную адаптацию способа кодирования, вида модуляции, скорости передачи, положения рабочей точки усилителя мощности по критерию пропускной способности при заданной достоверности приема информации, отличающийся тем, что на спутниковом интерактивном терминале осуществляют ввод данных для работы системы адаптации, определяют время инерционности, прогнозируют значения отношения сигнал-шум с учетом времени инерционности, формируют запросы на центральную земную стацию с информацией о прогнозном значении отношения сигнал-шум в канале спутниковой связи, определяют режим оценки канала связи и параметры прогнозирования, определяют ошибку прогноза по истечении времени инерционности и формируют запросы на центральную земную станцию для последующих этапов адаптации с учетом информации об ошибке прогноза.

2. Устройство адаптации режимов передачи информации по спутниковым каналам связи в условиях воздействия атмосферных возмущений для осуществления способа по п. 1, содержащее: управляющую электронно-вычислительную машину спутникового интерактивного терминала и входящее в нее постоянное запоминающее устройство с программным обеспечением по управлению режимами адаптации, выход которого соединен со входом постоянного запоминающего устройства с программным обеспечением по установке новых параметров адаптации и со входом постоянного запоминающего устройства с базой данных параметров адаптации; последовательно соединенные устройство преобразования сигналов и устройство контроля качества; антенный пост спутникового интерактивного терминала; спутниковый маршрутизатор с функциями коммутатора оконечной аппаратуры, при этом управляющий выход управляющей электронно-вычислительной машины спутникового интерактивного терминала соединен с управляющими входами спутникового маршрутизатора с функциями коммутатора оконечного оборудования и устройства контроля качества, отличающееся тем, что в него дополнительно введены тракт приема и входящие в него последовательно соединенные демодулятор, декодер и дешифратор, причем вход тракта приема соединен с выходом антенного поста спутникового интерактивного терминала, первый выход тракта приема соединен со входом устройства преобразования сигналов, а второй выход соединен со входом спутникового маршрутизатора; тракт передачи и входящие в него последовательно соединенные модулятор, кодер и шифратор, причем вход тракта передачи соединен с выходом спутникового маршрутизатора, а выход тракта передачи соединен со входом антенного поста спутникового интерактивного терминала; последовательно соединенные с устройством контроля качества блок прогнозирования, оперативное запоминающее устройство программируемой логической интегральной схемы и блок определения ошибки прогноза; причем выход блока определения ошибки прогноза соединен с первым входом управляющей электронно-вычислительной машины спутникового интерактивного терминала, выход устройства контроля качества соединен со вторым входом блока определения ошибки прогноза, выход блока прогнозирования соединен со вторым входом управляющей электронно-вычислительной машины спутникового интерактивного терминала; в составе управляющей электронно-вычислительной машины спутникового интерактивного терминала постоянное запоминающее устройство с программным обеспечением интерфейса пользователя, выход которого соединен со вторым входом постоянного запоминающего устройства с программным обеспечением по управлению параметрами адаптации и постоянное запоминающее устройство с программным обеспечением по управлению оценкой канала связи и прогнозированием, выход которого соединен с первым входом постоянного запоминающего устройства с программным обеспечением по управлению режимами адаптации; при этом управляющий выход управляющей электронно-вычислительной машины спутникового интерактивного терминала соединен с управляющими входами тракта приема, тракта передачи, блока прогнозирования и оперативного запоминающего устройства программируемой логической интегральной схемы; центральная земная станция для принятия решения и коррекции режимов работы спутниковых интерактивных терминалов сети и связанный с ней антенный пост центральной земной станции, а также входящие в состав центральной земной станции управляющая электронно-вычислительная машина центральной земной станции с постоянным запоминающем устройством с программным обеспечением по установке новых параметров адаптации и связанное с ним постоянное запоминающее устройство с базой данных параметров адаптации.