СПОСОБ ДВУМЕРНОГО ПОМЕХОУСТОЙЧИВОГО КОДИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ В ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ РАДИОКАНАЛАХ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ Российский патент 2021 года по МПК H03M13/51 H04L27/34 H04B1/713 

Изобретение относится к области помехоустойчивого кодирования и может быть использовано для кодирования и передачи информации в системах связи робототехнических комплексов.

Уровень техники

Проблема повышения помехоустойчивости и пропускной находит всю большую актуальность в условиях экспоненциального роста объема данных в робототехнических комплексах, необходимых для передачи в условиях ограниченной пропускной способности радиоканалов. Одним из направлений решения проблемы повышения помехоустойчивости и пропускной способности является использование технологии MIMO (Multiple input - multiple output) - системы связи с многими входами на передаче и многими выходами на приеме. При реализации данной технологии предполагается использование нескольких антенн на передаче, на входы которых поступают сигналы, необходимые передачи каждому абоненту, и несколько разнесенных в физическом пространстве приемных антенн, что позволяет говорить о параллельных каналах не только по частоте и времени, но и в пространстве. Недостатками данной технологии является то, что увеличение пропускной способности обусловлено увеличением количества передающих и приемных антенн. Операции предварительного помехоустойчивого кодирования в технологии не учитываются. Это делает ее одновременно и универсальной и малоэффективной.

Другой технологией повышения помехоустойчивости и пропускной способности, является технология расширения спектра [Борисов В.И. Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты. М.: Радио и связь, 2000. 384 с.], один из вариантов которой заключается в формировании поднесущих частот в заданном частотном диапазоне и их модуляции сигналами данных. В западной терминологии эта технология называется OFDM (orthogonal frequency division multiplexing). Недостаток OFDM относительно помехоустойчивости устраняется применением метода псевдослучайной перестройки рабочей частоты (ППРЧ). Однако ГДТРЧ, как и OFDM подразумевает параллельную передачу в частотной области всей последовательности данных без ее разделения на группы данных, что не позволяет обеспечить достаточный уровень помехоустойчивости и пропускной способности одновременно.

Возникает задача, состоящая в том, чтобы разрабатывать способы предварительного помехоустойчивого кодирования в пространственно-частотной области, а также научно-технические решения по повышению помехоустойчивости и пропускной способности систем передачи данных в робототехнических комплексах в условиях ограниченного ресурса и возрастающего объема данных для передачи. На повышение пропускной способности и помехоустойчивости систем передачи данных в робототехнических комплексах направлено предлагаемое изобретение.

Описание аналогов способа

Известен способ для кодирования/декодирования пространственно-временного блочного кода в системе мобильной связи, использующей схему с многими входами и многими выходами [Патент РФ №2341021, 2008 г.] Технический результат данного изобретения направлен на обеспечение с помощью матрицы предварительного кодирования возможности полного разнесения и полной скорости вычислений при минимизации сложности и объема вычислений.

Недостатком данного изобретения является увеличение количества операций в блоке пространственно-временного кодирования для обработки матрицы предварительного кодирования. При этом в некоторых вариантах предложенного способа часть антенн при передаче сигнала не используется, что увеличивает вероятность возникновения замираний на приемной стороне, снижающих помехоустойчивость и пропускную способность системы связи.

Известен способ «Способ и устройство передачи и приема данных с использованием антенной решетки в системе мобильной связи». [Патент РФ №2242087 от 10.12.2004 г.]. Техническим результатом является создание устройства передачи/приема данных, содержащего антенную решетку, и соответствующего способа для повышения общих характеристик системы мобильной связи. В данном изобретении указан способ передачи данных с передатчика, имеющего совокупность первых антенн, в приемник, имеющий совокупность вторых антенн, по многочисленным радиоканалам в системе мобильной связи. В способе определяют состояния радиоканалов, группируют передаваемые данные в группы данных в соответствии с уровнем приоритета и передают высокоприоритетные данные через первые антенны, имеющие сравнительно хорошие состояния каналов, а низкоприоритетные данные через первые антенны, имеющие сравнительно плохие состояния каналов, радиоканалы являются каналами нисходящей линии связи.

Недостатком данного способа является то, что условием назначения приоритета являются тип данных, тип услуги и тип канально-кодированных битов. Это увеличивает сложность определения приоритета, ограничивает пропускную способность системы из-за разделения приоритетных данных на информационные биты и биты четности, независимые ошибки в которых ведут к снижению помехоустойчивости.

Известен «Способ передачи-приема данных в системе радиосвязи MIMO-OFDM» [Патент РФ №2351068, 2009 г.]. Достигаемый технический результат - увеличение пропускной способности системы радиосвязи и снижение энергопотребления. Способ характеризуется тем, что формируют поток кодированных данных, перемежают их, разделяют на подпотока данных, формируют последовательностей информационных квадратурномодулированных символов с пилотными и защитными символами, осуществляют обратные дискретные преобразования Фурье с каждой из упомянутых последовательностей, осуществляют квадратурную модуляцию, формируют первую и вторую последовательности шагов квантования, преобразуют в аналоговые сигналы, осуществляют пакетную и посимвольную синхронизацию, осуществляют временное мультиплексирование, совокупности радиосигналов передают по независимым каналам.

Недостатком данного способа является недостаточный уровень помехоустойчивости системы радиосвязи из-за невозможности регулировать индекс квадратурной модуляции и оценивать качество независимых каналов.

Известен «Способ передачи дискретной информации в радиолинии с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты» [Патент РФ №2205510, 2003 г.]. Достигаемый технический результат заключается в повышении помехозащищенности связи. Сущность изобретения заключается в делении входного сигнала на блоки длиною n бит в соответствии с числом используемых частотных каналов p=2ⁿ, формировании двух двоичных векторов псевдослучайной последовательности, перестройке передатчика на несущие частоты в соответствии с кодами, формируемыми в виде двоичных векторов псевдослучайной последовательности, модуляции несущей частоты, излучении, приеме сигнала, демодуляции и декодировании.

Недостатком указанного способа является снижение пропускной способности, так как при большом числе частотных каналов увеличится время обработки сигнала при демодуляции из-за попарного сложения по модулю двоичных векторов между всеми поднесущими частотами.

Описание ближайшего аналога способа (прототипа)

Наиболее близким к предлагаемому изобретению (изобретением-прототипом) является «Способ параллельной многочастотной передачи цифровой информации по параллельным разнесенным радиоканалам с использованием гибридной модуляции данных» [Патент РФ №2562431, 2015 г.]. Достигаемый технический результат - увеличение пропускной способности системы с пакетной передачей данных по параллельным каналам и комбинированием в процессе некогерентной демодуляции квадратов отсчетов поднесущих OFDM сигналов, принятых в каждом из параллельных каналов. Для передачи в пакетном режиме используются статистически взаимно независимые параллельные радиоканалы, по которым информационные сообщения передаются при помощи гибридной двухэтапной модуляции сигналов поднесущих в системе OFDM, на первом этапе данные пакетов базовых сообщений методом многочастотной модуляции модулируют поднесущие OFDM во всех параллельных каналах, а на втором - данные индивидуальных сообщений по закону относительной фазовой модуляции модулируют поднесущие, активизированные на первом этапе, только в своем индивидуальном канале.

Недостатком данного способа является высокая сложность схемы гибридной двухэтапной модуляции сигналов, приводящая к увеличению времени передачи сигналов. Увеличение этапов модуляции при большом количестве поднесущих увеличивает количество ошибок из-за символьной интерференции, что снижает помехоустойчивость системы с пакетной передачей данных. При этом по каждому из параллельных каналов передаются индивидуальные сообщения целиком, что вносит избыточность во временной ресурс системы передачи данных. Тогда как перераспределение групп данных между параллельными каналами с учетом соотнесения каждой группы данных с отдельной поднесущей каждого канала позволит сэкономить пространственный и частотный ресурс системы передачи данных.

Раскрытие изобретения

а) Технический результат, на достижение которого направлено изобретение

Технический результат предлагаемого изобретения направлен на повышение помехоустойчивости передаваемых данных и пропускной способности в пространственных параллельных радиоканалах робототехнических комплексов.

б) Совокупность существенных признаков

Для достижения заявленного технического результата в известном способе пакетной передачи цифровой информации, заключающемся в том, что по М параллельным радиоканалам передается М>3 потоков данных, из которых М потоков предназначено для приема М получателями этой информации, при этом в каждом из М каналов передаваемые данные последовательности пакетов отображаются в виде символов.

Дополнительно определяют состояния радиоканалов, передают информацию о состоянии радиоканалов в приемник системы передачи данных робототехнического комплекса, определяют один или несколько радиоканалов с наилучшими состояниями качества относительно других каналов, объявляют их контрольными, а остальные радиоканалы - базовыми, задают временной интервал, равный длине кодового слова, группируют передаваемые данные в группы данных путем того, что разделяют исходные данные на фрагменты по количеству базовых радиоканалов, ранжируют длины фрагментов на основе данных о состоянии радиоканала. На основе данных о состоянии радиоканалов ранжируют длины фрагментов исходных данных по разрядам, как остатки от деления по базовым основаниям системы в остаточных классах, при этом система остаточных классов задается либо в целочисленного алгебраическом кольце главных идеалов, либо полиномами расширенного поля Галуа, определяют базовые основания системы остаточных классов для каждого базового радиоканала. Затем определяют контрольные основания для одного или нескольких контрольных радиоканалов, получают остатки по контрольным основаниям, формируют пространственный вектор данных. Добавляют к фрагментам биты номеров радиоканалов. Формируют в каждый интервал времени существования остатка на основе псевдослучайной последовательности несущие частоты для каждого радиоканала, модулируют фрагментами несущие частоты для каждого радиоканала квадратурной или фазовой модуляцией, индекс которой изменяют в зависимости от числа разрядов представления остатка, получают пространственно-частотную матрицу модулированных сигналов. Далее подают пространственно-частотную матрицу модулированных сигналов на входы диаграммообразующей схемы совокупности антенн в виде многолучевой адаптивной антенной решетки, в которой формируют лучи для базовых и контрольных радиоканалов, управляют параметрами лучей адаптивным процессором. Распределяют элементы пространственно-частотной матрицы по совокупности антенн в соответствии с приоритетом данных, определяемым состоянием всех радиоканалов и длиной остатка, передают модулированные сигналы по лучам на приемники.

в) Причинно-следственная связь между признаками способа и техническим результатом

Благодаря новой совокупности существенных признаков в способе реализована возможность повышения помехоустойчивости передаваемых данных и пропускной способности системы передачи данных робототехнических комплексов по параллельным радиоканалам.

Повышение пропускной способности достигается за счет уменьшения времени передачи исходных данных путем разбиения их на фрагменты различной длительности, что сокращает разрядность данных, и распределении фрагментов по радиоканалам различного состояния на основании приоритетов групп данных и их частотного разнесения. В отличие от способа-прототипа каждый фрагмент модулирует отдельную несущую частоту, выбираемую для каждого параллельного пространственного канала за один этап модуляции, причем фрагмент большей длительности передается по каналу с более хорошим состоянием с более высоким индексом модуляции, определяемым модулятором. Соответственно, скорость передачи в данном канале повышается, и как следствие повышается пропускная способность системы связи.

Помехоустойчивость достигается тем, что, в отличие от способа-прототипа, в предлагаемом способе фрагменты различной длительности в диаграммообразующей схеме распределяются так, что каждый фрагмент передается в каждом широкополосном радиоканале, сформированным несколькими антеннами лучом передающей многолучевой адаптивной антенной решетки, на частоте, формируемой для каждого интервала времени передачи фрагмента по псевдослучайному закону. Это снижает степень влияния узкополосных помех на передаваемый сигнал, что в совокупности повышает помехоустойчивость передачи.

Краткое описание чертежей

Существо изобретения поясняется чертежом, где на фигуре 1 представлен вариант построения системы, реализующей способ двумерного помехоустойчивого кодирования информации в пространственных параллельных радиоканалах робототехнических комплексов, включающая:

1 - блок определения состояний радиоканалов;

2 - блок разделения кодового слова на фрагменты;

3 - средство для группирования группы данных в соответствии с уровнем приоритета;

4 - передатчик информации состояний передачи для передачи информации о состояниях каналов в приемник;

5 - блок вычисления базовых оснований;

6 - блок вычисления контрольных оснований;

7 - блок вычисления контрольных остатков ранжирования фрагментов;

8 - пространственный кодер;

9 - модуляторы;

10 - генератор псевдослучайного кода;

11 - синтезатор частот;

12 - адаптивный процессор;

13 - диаграммообразующую схему;

14 - совокупность антенн (многолучевая адаптивная антенная решетка).

На фигуре 2 представлен принцип разбиения последовательности данных на фрагменты по количеству радиоканалов.

На фигуре 3 представлена процедура формирования пространственного вектора в блоке 8 фигуры 1.

На фигуре 4 представлена передача фрагментов данных по пространственным параллельным радиоканалам робототехнического комплекса на основе синтеза многолучевой антенной решетки.

На фигуре 5 представлено пространственно-частотное кодирование в виде формирования двумерной пространственно-частотной матрицы остатков в каждом интервале времени.

На фигуре 6 представлена схема передачи информации на основе реализации способа двумерного помехоустойчивого кодирования в пространственных параллельных радиоканалах робототехнического комплекса. Схема отражает соединение блока 8 (пространственного кодера), блока 9 (модуляторов), блоков 10, 11, 12 (диаграммообразующей схемы), 13 (адаптивного процессора) фигуры 1.

Осуществление изобретения

Для достижения заявленного технического результата определяют временной интервал Т одной последовательности данных

В блоке 1 фигуры 1 определяют состояние множества радиоканалов, количество которых равно М, , в которых определяют один или несколько радиоканалов H, с наилучшим состоянием, называют их контрольными, остальные радиоканалы называют базовыми D, так, что D=M - Н.

С первого выхода блока 1 фигуры 1 подают сигналы о состоянии радиоканалов на второй вход блока 2 фигуры 1.

Со второго выхода блока 1 фигуры 1 подают сигналы о состоянии радиоканалов на второй вход блока 6 фигуры 1 и на вход блока 12 фигуры 1.

С третьего выхода блока 1 фигуры 1 подают сигналы о состоянии радиоканалов на вход передатчика информации состояний передачи для передачи информации о состояниях каналов в приемник (блок 4 фигуры 1), который передает информацию о состоянии радиоканалов в приемник.

Исходные данные, поступающие на первый вход блока разделения кодового слова на фрагменты (блок 2 фигура 1) в течение временного интервала Т, разделяют на фрагментов по числу базовых радиоканалов путем операции деконкатенации (фигура 2) и подают на вход блока 3 фигуры 1

В блоке 3 фигуры 1 определяют количество разрядов , на основании данных о состоянии базовых радиоканалов d и объявляют фрагменты исходных данных q_d остатками γ_d в системе счисления остаточных классов.

Остатки в системе счисления остаточных классов γ_d с выхода блока 3 фигуры 1 подают на вход блока 5 фигуры 1. В блоке 5 фигуры 1 полученные остатки γ_d представляют в форме чисел или полиномов, наивысшая степень которых определяется разрядностью γ_d. Размер базового основания p_d определяют из условия, чтобы базовые основания были попарно взаимно простыми и превышали остатки:

где ;

- наибольший общий делитель.

Таким образом, в блоке 5 фигуры 1 реализуют процедуру однозначного представления исходного кодового слова в виде остатков, отличающуюся от известных тем, не базовые остатки определяют по базовым основаниям, а базовые основания определяют по базовые остаткам при выполнении условия (1). Число или полином S может быть однозначно представлено в системе оснований p_i:

Остатки γ_d и базовые основания p_d с выхода блока 5 фигуры 1 поступают на первый вход блока 6 фигуры 1, на второй вход которого поступает информация о состоянии радиоканалов с выхода блока 1 фигуры 1.

В блоке 6 фигуры 1 реализуют следующую последовательность действий:

1. Получают число или полином S по выбранной на основании (1) системе оснований согласно выражению:

где β_d - базисы системы оснований;

v_d - вес базиса, представляет целое положительное число (полином);

Р - рабочий диапазон системы оснований.

Для чего:

а) определяют рабочий диапазон согласно выражению:

б) на основании (3) определяют вес базиса согласно выражению:

в) на основании (4) определяют базисы системы базовых оснований:

2. Подставляют результаты (2)-(5) и производят проверку числа или полинома S по условию:

3. Определяют одно или несколько контрольных оснований для одного или нескольких радиоканалов с наилучшим состоянием h из условия:

Значение S, значения остатков γ_d, базовых оснований p_d и одно или несколько контрольных оснований p_h передаются в блок 7 фигуры 1

В блоке 7 фигуры 1 из условия (7) определяют расширенный диапазон:

При выполнении (8) определяют один или несколько контрольных остатков γ_h на основании выражения, аналогичного (2):

и производят ранжирование всех остатков в соответствии с состояниями М, радиоканалов по возрастанию так, чтобы радиоканалу с наихудшим состоянием соответствовал остаток в виде наименьшего числа или полинома меньшей степени, а остатки γ_h, определенные (9) по одному или нескольким контрольным основаниям соответствовали одному или нескольким контрольным радиоканалам в порядке возрастания разрядности. То есть наилучшему по состоянию контрольному радиоканалу наибольший по количеству разрядов контрольный остаток.

С выхода блока 7 фигуры 1 все остатки подают на вход пространственного кодера (блок 8 фигуры 1)

В блоке 8 фигуры 1 осуществляют соотнесение всех остатков с пространственными радиоканалами, добавляют к остаткам биты, обозначающие номер радиоканала. Формируют пространственный вектор (фигура 3) и передают на первый вход блока модуляторов, который содержит М, модуляторов (блок 9 фигуры 1).

Генератор псевдослучайного кода (блок 10 фигуры 1) в каждый интервал времени Δt_γ формирует псевдослучайную последовательность размером G, из общего числа M^G возможных сочетаний. G определяет количество несущих частот в каждом из М пространственных радиоканалов. Значения псевдослучайной последовательности для каждого интервала Δt_γ указывают номер несущей для каждого пространственного канала, которая будет модулироваться остатком γ_d или γ_h для базового и контрольного канала соответственно. Псевдослучайная последовательность подается на вход синтезатора частот (блок 11 фигуры 1).

В синтезаторе частот (блок 11 фигуры 1) определяют диапазоны частот для каждого радиоканала и формируют несущие колебания амплитуды А на частотах согласно псевдослучайной последовательности:

На второй вход блока модуляторов (блок 9 фигуры 1) с выхода блока 11 фигуры 1 подают сформированные несущие колебания на частотах согласно псевдослучайной последовательности и формируют модулированные остатками сигналы для каждого пространственного радиоканала.

где - функционал, определяемый видом модуляции.

В каждом модуляторе блока 9 фигуры 1 в зависимости от длины каждого остатка назначают каждому остатку свой индекс модуляции, что позволяет уменьшить время передачи данных по сравнению с аналогами, а также синхронизировать сигналы по времени. В результате в каждый интервал времени Δt_γ формируют двумерную пространственно-частотную матрицу (фигура 5).

Данные с выхода блока 9 фигуры 1 подают на первый вход блока 13 фигуры 1. На второй вход блока 13 фигуры 1 подают управляющие сигналы адаптивного процессора (блок 12 фигуры 1), который на основании состояний радиоканалов от блока 1 фигуры 1 определяет количество лучей многолучевой адаптивной антенной решетки (фигура 4) в пространственных углах сферической системы координат θ и ϕ, а также характер работы диаграммообразующей схемы (блок 13 фигуры 1). Далее распределяют сигналы по совокупности антенн (блок 14 фигуры 1), которые во взаимосвязи с диаграммообразующей схемой (блок 13 фигуры 1) и адаптивным процессором (блок 12 фигуры 1) образуют многолучевую адаптивную антенную решетку, с выходов которой передают сигналы М приемникам.

Общая схема передачи информации на основе способа двумерного помехоустойчивого кодирования приведена на фигуре 6. Описанная последовательность действий формулами (1)-(11) представляет собой признаки, совокупность которых отличает заявленный способ от способа-прототипа.

Изобретение относится к области помехоустойчивого кодирования и может быть использовано для кодирования и передачи информации в системах связи робототехнических комплексов. Техническим результатом является повышение помехоустойчивости передаваемых данных и пропускной способности в пространственных параллельных радиоканалах. Предложен способ, в котором определяют состояния радиоканалов, передают информацию о состоянии радиоканалов в приемник системы передачи данных робототехнического комплекса, определяют радиоканалы с наилучшими состояниями качества, объявляют их контрольными, а остальные радиоканалы - базовыми, задают временной интервал, равный длине кодового слова, разделяют исходные данные на фрагменты по количеству базовых радиоканалов, ранжируют длины фрагментов на основе данных о состоянии радиоканала, как остатки от деления по базовым основаниям системы в остаточных классах, при этом система остаточных классов задается либо в целочисленном алгебраическом кольце главных идеалов, либо полиномами расширенного поля Галуа, определяют базовые и контрольные основания для каждого радиоканала. Формируют пространственный вектор данных и на основе псевдослучайной последовательности формируют несущие частоты для каждого радиоканала, модулируют фрагментами несущие частоты. Получают и подают пространственно-частотную матрицу модулированных сигналов на входы диаграммообразующей схемы совокупности антенн в виде многолучевой адаптивной антенной решетки, в которой формируют лучи для базовых и контрольных радиоканалов, управляют параметрами лучей адаптивным процессором и передают модулированные сигналы по лучам на приемники. 6 ил.

Способ двумерного помехоустойчивого кодирования информации в пространственных параллельных радиоканалах робототехнических комплексов, заключающийся в том, что по М параллельным радиоканалам передается М>3 потоков данных, из которых М потоков предназначено для приема М получателями этой информации, при этом в каждом из М каналов передаваемые данные последовательности пакетов отображаются в виде символов, отличающийся тем, что определяют состояния радиоканалов, передают информацию о состоянии радиоканалов в приемник системы передачи данных робототехнического комплекса, определяют один или несколько радиоканалов с наилучшими состояниями качества относительно других каналов, объявляют их контрольными, а остальные радиоканалы - базовыми, задают временной интервал, равный длине кодового слова, группируют передаваемые данные в группы данных путем того, что разделяют исходные данные на фрагменты по количеству базовых радиоканалов, ранжируют длины фрагментов на основе данных о состоянии радиоканала, на основе данных о состоянии радиоканалов ранжируют длины фрагментов исходных данных по разрядам, как остатки от деления по базовым основаниям системы в остаточных классах, при этом система остаточных классов задается либо в целочисленном алгебраическом кольце главных идеалов, либо полиномами расширенного поля Галуа, определяют базовые основания системы остаточных классов для каждого базового радиоканала, затем определяют контрольные основания для одного или нескольких контрольных радиоканалов, получают остатки по контрольным основаниям, формируют пространственный вектор данных, добавляют к фрагментам биты номеров радиоканалов, формируют в каждый интервал времени существования остатка на основе псевдослучайной последовательности несущие частоты для каждого радиоканала, модулируют фрагментами несущие частоты для каждого радиоканала квадратурной или фазовой модуляцией, индекс которой изменяют в зависимости от числа разрядов представления остатка, получают пространственно-частотную матрицу модулированных сигналов, далее подают пространственно-частотную матрицу модулированных сигналов на входы диаграммообразующей схемы совокупности антенн в виде многолучевой адаптивной антенной решетки, в которой формируют лучи для базовых и контрольных радиоканалов, управляют параметрами лучей адаптивным процессором, распределяют элементы пространственно-частотной матрицы по совокупности антенн в соответствии с приоритетом данных, определяемым состоянием всех радиоканалов и длиной остатка, передают модулированные сигналы по лучам на приемники.