УСТРОЙСТВО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЦЕЛОСТНОСТИ ПОТОКА ПЕРЕДАВАЕМЫХ ДАННЫХ ПО РАДИОЛИНИИ МЕТЕОРНОЙ СВЯЗИ Российский патент 2025 года по МПК H04B7/22 

Изобретение относится к техническим средствам метеорной связи и может быть использовано при построении сети сбора данных от удаленных терминалов или при обмене формализованной информацией по каналам метеорной радиосвязи для обеспечения целостности передачи потока информационных данных между ЭВМ по каналу передачи данных, прерываемому случайным образом процессами фрагментации-дефрагментации этого потока в результате стохастического появления и исчезновения следов от сгорающих в ионосфере метеоров, которые используются в качестве пассивных ретрансляторов радиосигналов УКВ, осуществляющих энергетический контакт между корреспондентами сети ЭВМ.

Заявленное техническое решение расширяет арсенал технических средств, предназначенных для автоматизации процессов передачи данных по прерывистому каналу радиолинии метеорной связи (РМС).

Сеть метеорной связи имеет значительные преимущества, поскольку вспышки поглощения и ионосферные магнитные бури происходят в верхних слоях атмосферы, находящихся выше слоя, где возможны метеорные отражения (70-120 км). Кроме того метеорный канал связи статистически устойчив в течение суток, в течение года.

Использование метеорной связи для целей мониторинга средств системы безопасности дает следующие преимущества:

- повышенная устойчивость при ионосферных возмущениях естественного и искусственного происхождения;

- скрытность и помехозащищенность;

- простота построения сети передачи данных от удаленных необслуживаемых объектов [1].

Эти и другие достоинства метеорной связи, такие как компактность антенных полей и аппаратуры системы метеорной связи, возможность организация связи с подвижными и стационарными объектами, экономичность, отсутствие «мертвых зон», высокая электромагнитная совместимость позволяют говорить о перспективности применения метеорных каналов связи для целей управления специализированным, сложным пространственно разнесенным техническим комплексом.

Главной особенностью радиолиний метеорной связи (РМС) является прерывистый характер радиосвязи, который определяется случайным появлением метеоров и случайной длительностью существования метеорного следа способного отражать электромагнитные поля диапазона УКВ.

Известно изобретение «Стартстопная система связи» (патент РФ № 2396722, опубликован 10.08.2010), которая направлена на повышение пропускной способности стартстопной системы связи без увеличения энергетических затрат. Недостатком этой системы является низкое значение вероятности правильного приема сообщения.

Известно изобретение «Способ передачи данных в пакетной сети метеорной связи» (патент РФ на изобретение № 2211533, опубликован 27.08.2003), недостатком которого является большая зависимость сложности декодерующего устройства от конструктивной длины кода, то есть требуемое для декодирования одного информационного бита количество операций является случайной величиной и быстро растет с ухудшением радиоканала. Из-за этого возникает необходимость в наличии большого количества буферной памяти, предназначенной для хранения поступившей, но еще не обработанной кодовой последовательности. Причем, возможно ее переполнение, что может привести к стиранию потерянных символов. Это ведет не только к усложнению аппаратуры, но и к нерациональному использованию пропускной способности РМС, то есть к снижению эффективности использования самой высокоэффективной части ограниченного телекоммуникационного ресурса РМС.

Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству (прототипом) является изобретение «Способ увеличения скорости передачи данных в пакетной сети метеорной связи» (патент РФ на изобретение № 2461125, опубликован 10.09.2012), в котором предложен способ увеличения скорости передачи данных в пакетной сети метеорной связи без снижения пропускной способности сети путем помехоустойчивого кодирования и оценки качества принятых информационных символов по заданному соотношению сигнал/шум при обеспечении заданного качества информации. Недостатком ближайшего аналога является низкое качество связи вследствие высокой вероятности ложного формирования сигнала для идентификации канала передачи данных по радиолинии метеорной связи (РМС).

Перед заявленном изобретении поставлена задача реализовать алгоритм прерывистой передачи непрерывного потока данных по прерывистой РМС без искажений и потерь передаваемых данных и без включения в непрерывный поток данных лишних знаков с наиболее рациональным использованием ограниченного телекоммуникационного ресурса РМС.

Поставленная задача в заявленном изобретении достигается за счет того, что в нем предлагается комплексно использовать составной сложный сигнал сканирования ионосферы для одновременного совместного решения трёх взаимосвязанных задач: тактовой синхронизации цифровых устройств корреспондентов, их цикловой синхронизации при обмене цифровыми паролями и правильной идентификации корреспондентов. Кроме того, повторная передача двух последних информационных знаков предыдущего фрагмента потока передаваемых данных осуществляется в наилучших условиях связи, что улучшает защиту от ошибок в передаваемых информационных данных.

Заявленное изобретение отличается от прототипа (патент РФ на изобретение № 2461125) тем, что для исключения потерь отдельных знаков и добавления лишних знаков в непрерывный поток передаваемых информационных данных в процессе фрагментации-дефрагментации этого потока данных после перерывов связи вследствие пропадания спорадических метеорных следов в устройство введены блок формирования структуры потока передаваемых информационных данных 1, счетчик переданных знаков 2, блок формирования структуры сигналов сшивки на передаче 3, блок защиты от ошибок на приеме 14, счетчик принятых знаков 12, блок формирования структуры сшивки на приеме 13 и блок формирования структуры потока принятых информационных данных 11.

Заявленное изобретение отличается от прототипа тем, что для обеспечения автоматической идентификации корреспондентов в сети метеорной связи в устройство введены блок формирования структуры сигналов идентификации корреспондентов на передаче 5 и блок распознавания сигналов идентификации корреспондентов на приеме 15.

Указанные отличия позволили получить технический результат, а именно, сохранить целостность потока передаваемых данных по РМС и при этом обеспечить конфиденциальность за счет рационального использования телекоммуникационного ресурса сети метеорной связи.

На фиг. 1 представлена схема устройства для обеспечения целостности потока передаваемых данных по радиолинии метеорной связи.

Устройство обеспечения целостности потока передаваемых данных по радиолинии метеорной связи состоит из специализированной ЭВМ 8, осуществляющей передачу, прием и обработку данных, управляющего устройства 9, осуществляющего координацию работы всех блоков, входящих в устройство, передающей УКВ радиостанции с направленной антенной 7, приемной УКВ радиостанции с направленной антенной 10, сканирующей метеорные следы, которые отражают радиосигналы УКВ, посылаемые корреспондентом, блока оценки качества принимаемых радиосигналов УКВ 17, блока формирования структуры сигналов сканирования ионосферы на передаче 6, блока декодирования структуры сигналов сканирования ионосферы на приеме 16, блока формирования структуры потока передаваемых информационных данных 1, счетчика переданных знаков 2, блока формирования структуры сшивки на передаче 3, блока защиты от ошибок на передаче 4, блока защиты от ошибок на приеме 14, счетчика принятых знаков 12, блока формирования структуры сшивки на приеме 13, блока формирования структуры потока принятых информационных данных 11, блока формирования структуры сигналов идентификации корреспондентов на передаче 5 и блока распознавания сигналов идентификации корреспондентов на приеме 15.

Устройство для обеспечения целостности потока передаваемых данных по радиолинии метеорной связи работает следующим образом. Предлагаемое устройство является элементом автоматизированной системы управления (АСУ). Автоматизация процесса обмена данными с корреспондентом производится с использованием специализированной ЭВМ (блок 8). Формат кадров при обмене формализованной информацией определяет пользователь АСУ. Неформализованная информация вводится оператором АСУ с рабочего места, подключённого к ЭВМ 8. Формализованная и неформализованная информация для передачи по каналу передачи данных по радиолинии метеорной связи (РМС) накапливается в памяти ЭВМ 8 в виде отдельных сообщений. ЭВМ 8 подключена к блоку 1, в котором осуществляется формирование структуры передаваемых данных по РМС в виде потока информационных данных. В эту структуру вводятся служебные признаки начала и конца потока информационных данных. Эти служебные признаки необходимы корреспондентам для принятия решения об окончании целостной передачи всего информационного сообщения и вручения его получателю.

Формализованная и неформализованная информация в ЭВМ 8 накапливается и формируется при помощи семиэлементного кода ASC II. В виде такого кода она поступает в блок 1 для передачи получателю по РМС. Прерывистый канал РМС, как правило, не позволяет в течение одного энергетического контакта (существования метеорного канала) между корреспондентами передать все сообщение адресату полностью. Поэтому при пропадании метеорного канала передача сообщения приостанавливается до появления нового метеорного следа, который обеспечит энергетический контакт между корреспондентами необходимый для продолжения передачи данных. При восстановлении энергетического контакта передача потока данных возобновляется. В результате прерывистого режима передачи весь поток информационных данных делится на фрагменты, величина которых определяется случайным потоком метеоров, оставляющих следы, необходимые для ретрансляции сигналов УКВ. В моменты разрывов потока передачи данных возможны искажения и потери отдельных знаков (семиэлементных кодовых блоков) информационных данных. Для исключения искажений и потерь отдельных знаков в потоке передаваемых данных в предлагаемое устройство введены блок формирования структуры сшивки на передаче 3 и счетчик переданных знаков на передаче 2, а на приеме введены блок формирования структуры сшивки на приеме 13 и счётчик принимаемых знаков на приеме 12.

Весь поток передаваемых через устройство сшивки информационных знаков номеруется как на передаче, так и на приеме. В блоке 2 весь поток передаваемых информационных знаков номеруется номерами от 1 до 127, а затем номера передаваемых знаков повторяются снова от 1 до 127. Такая нумерация потока передаваемых знаков введена для того, чтобы при перерывах связи на передаче можно было при возобновлении связи передать на приём одним кодовым блоком номер последнего переданного знака на предыдущем фрагменте связи. Максимальная цифра 127 определяется информационным семиэлементным кодом: 2⁷ = 127. При этом любой номер от 1 до 127 передается одним кодовым блоком. Сокращение количества служебных знаков необходимо потому, что они отбирают значительную часть и без того низкого телекоммуникационного ресурса РМС. Для исключения потерь и несанкционированных вставок лишних информационных знаков счетчики 2 на передаче и 12 на приеме должны работать синхронно. Поскольку они срабатывают стартстопно на каждый переданный знак на передаче (счетчик 2) и на приеме (счетчик 12), то по номеру последнего переданного знака можно уточнить правильность номеров переданных информационных кодовых блоков.

Поскольку блок оценки качества принимаемых аналоговых радиосигналов УКВ по уровню принимаемого сигнала 17 обладает некоторой инерционностью, то исказиться может не только последний, но и предпоследний переданный информационный знак. Поэтому в блоке 3 на передаче и в блоке 13 на приеме введены накопители на два информационных знака для того, чтобы в случае пропадания энергетического контакта РМС на УКВ можно было при его возобновлении повторить передачу этих знаков, правильно восстановить их на приеме и учесть в счетчике 12. При этом учитывается особенность метеорной связи состоящая в том, что в начале энергетического контакта РМС создаются наилучшие условия для безошибочной передачи кодовых блоков данных, при которых вероятность возникновения ошибок самая низкая, а перед прерыванием метеорного канала связи создаются самые худшие условия для безошибочной передачи данных, и вероятность возникновения ошибок в принимаемых кодовых комбинациях самая высокая.

Функционально предложенный алгоритм реализуется следующим образом. При появлении нового метеорного следа восстанавливается энергетический контакт между корреспондентами. Появляется возможность продолжить передачу следующего фрагмента данных. Перед началом передачи нового фрагмента данных передается номер последнего переданного знака данных предыдущего фрагмента, а затем производится повторная передача предпоследнего и последнего знака информационных данных переданных в конце предыдущего фрагмента. После этого продолжается передача потока информационных данных. Повторно переданные знаки сравниваются с уже переданными, и преимущество в выборе регистрации принятого знака дается повторной передаче. Так осуществляется сшивка потока предаваемых информационных данных.

Моменты начала и конца фрагментации-дефрагментации (восстановления энергетического контакта и его разрыва) определяет блок 17, в котором непрерывно осуществляется контроль качества аналогового радиоканала УКВ по соотношению уровней сигнала и помех на приёме (U_c / U_п). Поскольку обмен данными осуществляется дуплексно, то при снижении соотношения уровня сигнала на приеме ниже заданного порогового уровня (U_пор=U_c /U_п), энергетический контакт между корреспондентами прерывается путём передачи от принимающего информацию корреспондента к передающему корреспонденту служебного сигнала «СТОП ПЕРЕДАЧА». Совместная работа введенных блоков 1, 2, 3, 4, 14, 13, 12 и 11, координируемая блоком 9, обеспечивает целостность потока данных передаваемых с ЭВМ (блок 8) через блоки 7 и 10 по прерывистому каналу метеорной радиолинии на УКВ.

По окончании передачи всего информационного сообщения передается служебный сигнал «КОНЕЦ СООБЩЕНИЯ». В блоке 11 формируется структура принятого сообщения, и после этого оно выдается получателю в блок 8 (в ЭВМ). В блоке 8 оно регистрируется. Когда передача сообщения завершена, устройство либо приступает к передаче следующего сообщения этому же адресату, либо переходит на связь с другим корреспондентом сети метеорной связи.

Для функционирования устройства защиты от ошибок применяется специальный циклический код (п, к) - (11, 7) [2], рекомендованный международным союзом электросвязи (МСЭ). Этот циклический код позволяет обнаруживать ошибки в принимаемых кодовых комбинациях и автоматически исправлять одиночные ошибки. Если же кодовый блок принят с ошибками, то они исправляются путем автоматического запроса по обратному каналу РМС повторной передачи кодовых блоков принятых с ошибками. Исходный информационный семиэлементный код позволяет одним кодовым блоком передать до 127 цифровых номеров (так как 2⁷ = 127), а 11-элементный помехозащищенный код позволяет одним кодовым блоком передавать до 2047 цифровых номеров (так как 2¹¹ - 1 = 2047). В этом случае цифровые пароли для идентификации корреспондентов в метеорной сети связи могут состоять из одного кодового блока. При этом каждый корреспондент сети метеорной связи имеет свой цифровой номер (пароль). Это особенно важно для более рационального использования ресурса пропускной способности РМС в служебных целях.

При вхождении в связь и в процессе идентификации корреспондентов передаются цифровые пароли вызываемого и вызывающего корреспондента.

Процедура сканирования ионосферы с целью поиска метеорного следа и последующей идентификации абонентов выглядит следующим образом. Вызывающий корреспондент непрерывно передает сигнал сканирования ионосферы. Этот сигнал состоит из трех составляющих: тактовой синхронизации (меандра или «точек»), цифрового пароля вызываемого на связь корреспондента и собственного цифрового пароля (корреспондента вызывающего на связь), поскольку для правильного приема цифрового пароля корреспондент на приеме должен сначала войти в тактовый синхронизм, а затем и в цикловый синхронизм. В предлагаемом устройстве каждая из этих частей состоит из 11 бит. Это позволяет сократить объём служебных сигналов при вхождении в связь и комплексно использовать сигнал сканирования ионосферы для одновременного комплексного решения трёх взаимосвязанных задач: тактовой синхронизации цифровых устройств корреспондентов, их цикловой синхронизации при обмене цифровыми паролями и правильной идентификации корреспондентов. Цифровые пароли корреспондентов вырабатываются в виде скремблеров (Скр) как составных частей псевдослучайной последовательности 2¹¹-1= 2047. Каждый скремблер состоит из 11 двоичных символов. В предлагаемом устройстве для идентификации корреспондентов применены адаптивные скремблеры-дескремблеры. Они обеспечивают имитозащиту канала передачи информационных данных. Количественно она оценивается как вероятность Р_ли ложного формирования сигнала для идентификации канала передачи данных по РМС. В этом случае: , где Р_лТС - вероятность ложного формирования сигнала тактовой синхронизации на приёме, Р_лСкр2 - вероятность ложного формирования отрезка псевдослучайной последовательности Скр2 вызываемой станции корреспондента (цифрового пароля вызываемой станции), Р_лСкр1 - вероятность ложного формирования отрезка псевдослучайной последовательности Скр1 вызывающей станции (цифрового пароля вызывающей станции).

Так как длительности сигналов «Скр1» и «Скр2» равны, то вероятности ложного срабатывания этих сигналов будут равны между собой.

Поскольку для идентификации корреспондентов необходимо процедуру идентификации канала передачи данных повторить в обоих направлениях, то, следовательно, вероятность того, что канал передачи данных по РМС сформирован правильно, есть полная вероятность ложного формирования сигнала для идентификации канала передачи данных примет вид.

Следовательно, вероятность того, что канал передачи данных по РМС сформирован правильно, вычисляется по формуле.

Таким образом, вероятность Р_КПД правильного формирования сигнала для идентификации канала передачи данных по РМС составит.

В прототипе (патент РФ на изобретение № 2461125, опубликован 10.09.2012) также для идентификации корреспондента может происходить дополнительный запрос информации, а предложенный авторами алгоритм передачи информации не снижает информационную скорость передачи данных, но практически избавляет получателя от ошибочно переданных знаков.

Изобретение позволило получить технический результат, а именно, сохранить целостность потока передаваемых данных по РМС и при этом обеспечить конфиденциальность не требуя дополнительных затрат телекоммуникационных ресурсов сети метеорной связи.

Устройство обеспечения целостности потока передаваемых данных по радиолинии метеорной связи предназначается для функционирования в составе системы управления движением судов (СУДС) в качестве средства обмена формализованной информацией при осуществлении автоматизированного мониторинга работоспособности технических средств СУДС (таких как бакены, светящиеся знаки и др.), которые разнесены на большие расстояния от центра управления (1500-2000 км), с целью обеспечения безопасности транспортно-технологического процесса на Северном морском пути.

Литература

1. Метеорная радиосвязь на ультракоротких волнах. Сборник статей под ред. А.Н. Казанцева. М.: Изд-во иностр. лит., 1961. - 287 с.

2. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. - 1104 с.: ил.

Изобретение относится к средствам обеспечения целостности потока передаваемых данных по радиолинии метеорной связи (РМС). Технический результат - сохранение целостности потока передаваемых данных по РМС. Для исключения потерь и возможности включения лишних отдельных знаков в непрерывный поток передаваемых информационных данных в процессе фрагментации-дефрагментации этого потока данных после перерывов связи вследствие пропадания спорадических метеорных следов введены последовательно соединенные счетчик переданных знаков, блок формирования структуры сшивки на передаче, блок защиты информационных данных на передаче, блок защиты информационных данных на приеме, счетчик принятых знаков, блок формирования структуры сшивки на приеме и блок формирования структуры принятых информационных данных. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для обеспечения целостности потока передаваемых данных по радиолинии метеорной связи, содержащее специализированную ЭВМ (8), осуществляющую передачу, прием и обработку данных, соединенную с управляющим устройством (9), производящим координацию работы всех блоков, входящих в устройство, передающую УКВ радиостанцию с направленной антенной (7), соединенную с управляющим устройством, приемную УКВ радиостанцию с направленной антенной, сканирующую метеорные следы, которые отражают радиосигналы УКВ, посылаемые корреспондентом, соединенную с управляющим устройством и блоком оценки качества принимаемых сигналов УКВ (17), который соединен с управляющим устройством и блоком декодирования структуры сигналов сканирования ионосферы на приеме (16), блок формирования структуры сигналов сканирования ионосферы на передаче (6), который соединен с управляющим устройством, отличающееся тем, что для исключения потерь и возможности включения лишних отдельных знаков в непрерывный поток передаваемых информационных данных (1) в процессе фрагментации-дефрагментации этого потока данных после перерывов связи вследствие пропадания спорадических метеорных следов введены последовательно соединенные счетчик переданных знаков (2), блок формирования структуры сшивки на передаче (3), блок защиты информационных данных на передаче (4) с управляющим устройством, блок защиты информационных данных на приеме (14) соединен с управляющим устройством и блоком формирования структуры сшивки на приеме (13), соединенным с управляющим устройством и счетчиком принятых знаков, соединенным с управляющим устройством и блоком формирования структуры принятых информационных данных 11, соединенным с ЭВМ, которая соединена с блоком формирования структуры потока передаваемых информационных данных 5 и блоком распознавания сигналов идентификации корреспондентов на приеме (15).

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что для обеспечения автоматической идентификации корреспондентов в сети метеорной связи в устройство по п. 1 введены блок формирования структуры сигналов идентификации корреспондентов на передаче и блок распознавания сигналов идентификации корреспондентов на приеме.