СПОСОБ АДАПТАЦИИ РАДИОСИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ЗА СЧЕТ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОГО СИНТЕЗА СИГНАЛОВ Российский патент 2022 года по МПК H04B1/66 

Настоящее изобретение относится к области радиотехники, а именно к способам адаптации радиосистем передачи информации (РСПИ) к внешней обстановке (в том числе и помеховой) за счет многокритериального синтеза радиосигналов как с известными видами модуляции, в частности такими, как частотная (FSK), квадратурная (QAM), амплитудно-фазовая (APSK) и фазовая (PSK) манипуляции, так и с неизвестными видами модуляции (по меньшей мере, в виде промежуточных классов между стандартными видами модуляции). Такие РСПИ широко применяются при организации различных радиолиний управления и связи.

В настоящее время радиолинии передачи информации испытывают острый недостаток частотных ресурсов. Вследствие этого в радиоканале действует большое количество взаимных помех, возникающих в результате работы других радиолиний, также варьируется амплитудно-частотная характеристика радиоканала; при этом спектральный состав сигнально-помеховой обстановки изменяется с течением времени. Следовательно, целесообразна реализация эффективных подходов для адаптации радиосистем передачи информации к изменениям помеховой обстановки. При этом объектом адаптации являются радиосигналы, так как, во-первых, варьирование их параметров возможно производить без изменения состава аппаратных средств приемо-передающих устройств, т.е. программно; во-вторых, параметры сигналов оказывают определяющее влияние на качественные характеристики систем связи (помехоустойчивость, энергоэффективность и др.) [1, 2].

В работах [3, 4] в качестве решения подобной задачи предлагается технология когнитивного радио (Cognitive Radio), использующая на вторичной основе участки спектра, не занятые в текущий момент службами, за которыми закреплены эти частоты. Однако существующие системы когнитивного радио обычно производят адаптацию сигналов изменением несущей частоты, мощности радиопередатчика и способа модуляции [4]. Недостатком таких устройств является использование класса стандартных видов модуляции, которые могут быть распознаны системами радиомониторинга с целью перехвата передаваемой информации или генерации эффективных сигналоподобных помех. Кроме того, системы когнитивного радио могут посчитать диапазон частот непригодным для передачи информации при наличии помех, что в свою очередь в целом уменьшает эффективность использования свободных участков спектра.

Среди мешающих факторов для РСПИ широкое распространение получили помехи с сосредоточенной по спектру энергией - узкополосные помехи. Это связано с простотой генерации (или высокой вероятностью непреднамеренного возникновения) и достаточно эффективным влиянием на подавляемую радиолинию.

Другой известный вариант построения РСПИ, адаптивной к сосредоточенным по спектру помехам - это режекция пораженных участков спектра на приемной стороне [5, 6]. Однако при этом наблюдается ухудшение отношения сигнал-шум и увеличение боковых лепестков корреляционной функции на выходе согласованного фильтра при детектировании радиосигналов [7].

Предлагаемый способ позволяет устранить указанные недостатки, и в условиях ограниченного частотного ресурса без ухудшения отношения сигнал-шум производить синтез радиосигналов для адаптации систем передачи информации к радиообстановке, т.е. использовать в том числе и класс нестандартных видов модуляции. При оптимизации сигнала по одному показателю качества возможно неконтролируемое ухудшение других показателей [8…10]. Поэтому целесообразно производить многокритериальный синтез сигналов, который также позволяет более эффективно использовать ресурсы радиоканала при соответствующих критериях качества [10].

Техническим результатом изобретения является способность РСПИ адаптироваться к внешней обстановке (в том числе и к действию сосредоточенных по спектру помех) за счет многокритериального синтеза радиосигналов с такими видами модуляции как: FSK, QAM, APSK, PSK, а также и с неизвестными видами модуляции.

Технический результат достигается за счет того, что математическая модель сигналов охватывает как существующие, так и неизвестные виды модуляции. Проведенный анализ сигналов существующих РСПИ (спутниковых, систем персональной связи и др., см. таблицу) показал, что сигналы с различными видами модуляции возможно представить в виде:

где s_r(i) - элемент канального алфавита, r(i) - процедура манипуляционного кодирования, N_S - количество информационных символов, T_s - символьный интервал.

Здесь p(t) - вещественный сигнальный импульс, C_i, ϕ_i - амплитуда и фаза, C_il, C_Qi - амплитуды в синфазном и квадратурном каналах, Δω_i - отклонение частоты, соответствующее i-му символу.

Также в [2, 11] показано, что в виде (1) могут быть представлены перспективные типы модуляции, такие как FQPSK (Feher-patented quadrature phase-shift keying), EFQPSK (Enhanced FQPSK), CEFQPSK (Constant envelope FQPSK).

Таким образом, представление сигналов в виде (1) является общим для класса сигналов как с современными, перспективными, так и с нестандартными видами модуляции. Кроме того, за счет общности выражения (1) возможно представление и неизвестных радиосигналов, по меньшей мере, как промежуточных классов между стандартными видами модуляции. Представление достаточно широкого множества радиосигналов необходимо для эффективной адаптации РСПИ к внешним условиям, в том числе и к действию узкополосных помех (УП).

Для рационального использования ресурсов радиоканала целесообразно применять комбинированный критерий качества, в состав которого входят частные критерии, отвечающие за пропускную способность и отстройку от действующих помех, помехоустойчивость к шумам, а также спектральную энергетическую эффективности формируемого сигнала.

Критерий максимума пропускной способности за счет ослабления действия помех. В [12] показано, что для максимизации пропускной способности канала при наличии «небелого» гауссовского шума необходимо выполнение следующего условия:

, λ=const, λ<0,

где P(f) - полная мощность передатчика, распределенная по спектру; N(f) - спектральная плотность мощности (СПМ) «небелого» гауссовского шума. Т.е. на частотах, на которых мощность шума мала, мощность сигнала должна быть велика и наоборот. Таким образом, для измеренной СПМ помехи N(f) требуется вычислить «эталонную» СПМ сигнала:

где [F_i, F_h] - нормированная полоса частот, отведенная для сигнала. При ограниченной энергии синтезируемого сигнала необходимо максимум G_opt (f) и максимум энергии канального алфавита нормировать к единице.

Следовательно, для отстройки от действующих помех целесообразно СПМ синтезируемого сигнала G_S устремить к G_opt(f), т.е. решить задачу:

где d₂(⋅) - расстояние в евклидовой метрике, Θ - класс функций, в пределах которого происходит вычисление оптимального канального алфавита S. Выражение (3) определяет критерий максимизации пропускной способности радиоканала передачи информации в условиях действия помех.

Критерий максимума помехоустойчивости к собственным шумам приемника. В [1] показано, что в условиях аддитивного «белого» гауссовского шума (АБГШ) наибольшей помехоустойчивостью обладают сигналы, для которых расстояние между элементами канального алфавита максимально в смысле метрики d₂. Следовательно, при синтезе сигнала для снижения вероятности битовой ошибки из-за действия собственных шумов приемника требуется решить задачу:

т.е. необходимо максимизировать среднеарифметическое из всех возможных попарных расстояний между элементами канального алфавита (s_k, s_l), измеренных в евклидовой метрике (здесь<⋅> - оператор усреднения по ансамблю, L - количество элементов в канальном алфавите). Целесообразно применять именно среднеарифметическое расстояние, т.к. при использовании минимального расстояния в выражении (4) присутствует чебышевская метрика, из-за которой в задачах оптимизации возникает проблема определения глобального оптимума [10].

Критерий минимума внеполосного излучения. Для минимизации внеполосного излучения и уровня взаимных помех радиолиний передачи информации целесообразно применение спектрально-эффективных радиосигналов с заданной шириной полосы занимаемых частот. Тогда данный показатель качества можно задать в виде:

где h(⋅) - «штрафная» функция, резко возрастающая при нарушении ограничения; G_{t log}(f) - «маска» СПМ в логарифмическом масштабе, устанавливающая ограничения на внеполосное излучение.

Критерий максимума энергоэффективности. Для увеличения коэффициента полезного действия большинство современных усилителей мощности радиопередатчиков работают в нелинейном режиме. Как известно [2], в данном режиме использование сигналов с флуктуациями огибающей энергетически неэффективно. Для количественного измерения показателей энергоэффективности используют пик-фактор П. Следовательно, задача минимизации пик-фактора эквивалентна следующей:

где P_p(t) - мгновенная мощность комплексной огибающей радиосигнала; М[⋅] - оператор математического ожидания (усреднения по временной реализации).

При этом выражение (5) содержит чебышевскую метрику, что нежелательно в задачах оптимизации, как уже упоминалось выше. В [13] предложено использовать для оценки энергоэффективности квадрат коэффициента вариации мгновенной мощности сигнала:

где D[⋅] - оператор вычисления дисперсии.

Таким образом, для повышения энергетической эффективности сигнала необходимо решить задачу:

Как показано в [8..10], эффективным методом решения подобных многокритериальных задач является переход к синтезу сигналов по комбинированному критерию качества с целевой функцией вида:

M_i, c_i>0; M_i, c_i=const; s_k, s_i∈S;

где c_i - параметры, определяющие вес каждого входящего показателя качества; M_i - нормирующие коэффициенты, приводящие отдельные слагаемые к общему динамическому диапазону.

Приведена блок-схема (см. фиг.) процедуры многокритериального синтеза сигналов (в соответствии с критерием (7)) для адаптации РСПИ к изменениям радиообстановки. Таким образом, предложенный способ адаптации радиосистемы передачи информации за счет многокритериального синтеза сигналов заключается в следующем. После получения СПМ помехи вычисляется эталонная СПМ сигнала согласно выражению (2) (блок 2). Далее (блок 3) формируется целевая функция в соответствии с выражением (7).

В блоке 4 инициализируется алгоритм определения области глобального оптимума, при этом вычисляется минимальное значение целевой функции по набору канальных алфавитов, синтезированных заранее для различных моделей помех. В блоке 5 определяется точка оптимума в области глобального, согласно решающему правилу:

Так как синтез сигналов выполняется для адаптации РСПИ, при которой необходимо производить минимизацию целевой функции в реальном масштабе времени, целесообразно использовать методы оптимизации, имеющие наибольшую скорость сходимости. При этом необходимо учитывать, что расчет первых и особенно вторых производных целевой функции (7) затруднен из-за ярко-выраженного нелинейного характера. Анализ работ [14, 15] показал, что при вышеприведенных требованиях целесообразно использование квазиньютоновских методов с конечно-разностной аппроксимацией производных.

В блоке 6 проверяются условия останова: в первую очередь это фактор времени (адаптация не должна длиться дольше определенного промежутка времени), также стандартные критерии останова, такие как [15]: достижение требуемой точности решения; скорость движения к минимуму так упала, что не имеет смысла продолжать оптимизацию; метод начал расходится или зациклился. В блоке 7 производится вывод оптимизированного радиосигнала. Процедура синтеза сигналов для адаптации РСПИ выполняется при каждом поступлении информации об изменении СПМ действующих помех.

Список литературы

1. Ямпольский Э.М. Вариационные принципы согласования сигналов с каналом связи. - М.: Радио и связь, 1987. - 136 с.

2. Simon М.K. Bandwidth-efficient digital modulation with application to deep-space communications. - California Institute of Technology. - 2001. - 228 p.

3. Mitola J. Cognitive radio for flexible mobile communications // Mobile Multimedia Communications, 1999. (MoMuC '99) 1999 IEEE International Workshop. - 1999. - P. 3-10.

4. Haykin S. Cognitive radio: brain-empowered wireless communications // Selected Areas in Communications, IEEE Journal. - 2005. - Vol. 23. - P. 201-202.

5. Уидроу Б., Стириз С.Адаптивная обработка сигналов. - М.: Радио и связь, 1989. - 440 с.

6. Коуэн К.Ф., Грант П.М. Адаптивные фильтры. М.: Мир, 1988. 392 с.

7. Тузов Г.И., Поставной В.И., Мудров О.И. Исследование влияния режекции спектров сложных частотно-фазоманипулированных сигналов на их корреляционные свойства // Радиотехника. - 1988. - №10. - С. 30-33.

8. S.N. Kirillov and A.A. Lisnichuk, "Analysis of Narrow-Band Interference Effect on Cognitive Radio Systems Based on Synthesized Four-Position Radio Signals," 2018 XIV International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE), Novosibirsk, 2018, pp. 50-54. doi: 10.1109/APEIE.2018.8545965

9. A.A. Lisnichuk, "Multi-criteria synthesis procedure of DSSS signals for cognitive radio systems adaptation to complex interference environment," Vestnik RGRTU, (in Russian), no. 66-1, pp. 9-15, 2018. doi: 10.21667/1995-4565-2018-66-4-1-9-15

10. Гуткин Л.С. Оптимизация радиоэлектронных устройств по совокупности показателей качества. - М.: Сов. радио, 1975. - 368 с.

11. Bin Т., Yujing S. A constant envelope FQPSK modulation for deep space communications //China communications. December 2006. - P. 50-56.

12. Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетике. - М.: Издательство иностранной литературы, 1963. - 832 с.

13. Pokrovskij P.S., Lisnichuk A.A. Radio signal synthesis algorithm to adapt data communication intelligence system to interference effect. Vestnik Rjazanskogo gosudarstvennogo radiotehnicheskogo universiteta. 2014. no 48. pp. 20-26. (In Russian).

14. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование: пер. с англ. - М.: Мир, 1975. - 536 с.

15. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация. - М.: Мир, 1985. - 510 с.

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к способам адаптации радиосистем передачи информации (РСПИ) к внешней обстановке (в том числе и помеховой) за счет многокритериального синтеза радиосигналов как с известными (FSK, QAM, APSK, PSK), так и с неизвестными видами. Техническим результатом является способность РСПИ адаптироваться к внешней обстановке (в том числе и к действию сосредоточенных по спектру помех) за счет многокритериального синтеза радиосигналов. Способ адаптации радиосистемы передачи информации за счет многокритериального синтеза сигналов заключается в выполнении адаптации РСПИ к действию сосредоточенных по спектру помех за счет синтеза многопозиционных радиосигналов, использующего комбинированный критерий качества, в состав которого входят частные критерии, отвечающие за пропускную способность и ослабление действия помех (путем формирования провала в СПМ на частотах их действия), внеполосное излучение, помехоустойчивость при АБГШ, а также энергоэффективность формируемого радиосигнала. 1 ил., 1 табл.

Способ адаптации радиосистемы передачи информации за счет многокритериального синтеза сигналов, осуществляющийся при каждом поступлении информации об изменении спектра действующих помех и заключающийся в выполнении следующих действий:

- после получения спектральной плотности мощности (СПМ) помехи N(f) вычисляется эталонная СПМ сигнала G_opt(f) согласно следующему выражению: ,

где [F_l, F_h] - нормированная полоса частот, отведенная для сигнала;

- формируется целевая функция в соответствии с выражением

M_i, c_i>0; M_i, c_i=const; s_k, s_l∈S;

где c_i - параметры, определяющие вес каждого входящего показателя качества; M_i - нормирующие коэффициенты, приводящие отдельные слагаемые к общему динамическому диапазону; d₂(⋅) - расстояние в евклидовой метрике; G_S(f) - СПМ синтезируемого сигнала; h(⋅) - «штрафная» функция, резко возрастающая при нарушении ограничения; G_{t log}(f) - «маска» СПМ в логарифмическом масштабе, устанавливающая ограничения на внеполосное излучение;<⋅> - оператор усреднения по ансамблю, s_k, s_l - элементы канального алфавита S; D[⋅] - оператор вычисления дисперсии; М[⋅] - оператор математического ожидания (усреднения по временной реализации); P_p(S) - мгновенная мощность комплексной огибающей радиосигнала; L - количество элементов в канальном алфавите;

- при помощи квазиньютоновского метода с конечно-разностной аппроксимацией производных определяется точка оптимума согласно следующему решающему правилу: ;

- при помощи полученного канального алфавита S формируется синтезируемый радиосигнал в соответствии с выражением

где s_r(i) - элемент канального алфавита, r(i) - процедура манипуляционного кодирования при помощи кода Грея, N_S - количество информационных символов, T_S - символьный интервал.