СПОСОБ АДАПТАЦИИ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В СИСТЕМЕ СВЯЗИ С OFDM-МОДУЛЯЦИЕЙ Российский патент 2025 года по МПК H04N21/462 

Изобретение относится к области цифровой связи и может использоваться при организации беспроводной передачи данных, а также при передаче видеопотока от беспилотных летательных аппаратов (БЛА).

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ адаптации скорости передачи данных в системе OFDM при наличии помех, представленный в [RU 2344546 МПК Н04В 7/02, опубл. 20.01.2009].

Способ адаптации скорости передачи данных в системе OFDM при наличии помех заключается в адаптивном изменении используемых поднесущих и скорости передачи данных на этих поднесущих в OFDM-системе связи за счет применения кадровой структуры сигнала и одной из Р возможных скоростей передачи данных в условиях помех в полосе сигнала при заданном целевом уровне вероятности битовой ошибки, за счет группирования на передающей стороне исходных информационных бит каждого кадра в блоки, кодировании их, передачи первого кадра на минимальной скорости, разделении поднесущих OFDM на группы, данные пораженных групп на поднесущих не передают, на приемной стороне определяют поднесущие OFDM-сигнала, которые поражены помехами, анализируют частоту блоковой ошибки (BLER) текущего и предыдущего кадров, вероятность блоковой ошибки текущего кадра сравнивают с первым порогом, по результату сравнения с порогом принимают решение о необходимости повторной передачи, вычисляют среднюю битовую ошибку BER для различных скоростей передачи текущего кадра, сравнивают среднюю вероятность битовой ошибки со вторым и третьим порогами и выбирают скорость передачи для очередного кадра, непораженные группы поднесущих, скорость передачи данных очередного кадра, а также необходимость повтора данных текущего кадра передают в служебном сообщении по каналу обратной связи от приемной стороны к передающей стороне.

Недостатком известного способа является низкая пропускная способность канала, обусловленная ограниченностью количества поднесущих OFDM-сигнала.

Техническим результатом изобретения является повышение пропускной способности канала связи за счет снижения частоты следования кадров передаваемого видеопотока и уменьшения объема передаваемой по каналу связи информации без потери ее информативности.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе адаптивного изменения используемых поднесущих и скорости передачи данных на этих поднесущих в OFDM-системе связи, согласно изобретению, дополнительно производят анализ содержимого видеопотока, и, в зависимости от количества объектов интереса в секторе обзора видеокамеры, осуществляется адаптивное изменение частоты следования кадров видеопотока, что позволяет уменьшить полосу частот, необходимую для передачи заданного объема информации по каналу связи, а освободившийся частотный ресурс используют для увеличения пропускной способности системы связи.

Сущность изобретения заключается в том, что дополнительно определяют количества объектов интереса в секторе обзора камеры, если количество объектов интереса равно заданному значению или превышает его, то передают видеопоток с максимальной скоростью соответствующей максимальной частоте следования, например, 25 кадров в секунду, в противном случае - со скоростью, определяемой количеством объектов интереса в секторе обзора.

Видеопоток с максимальной частотой следования кадров передается при количестве объектов интереса равном заданному значению и более. Это количество объектов определено с учетом физиологических возможностей человека [Люди могут следить за восемью движущимися объектами одновременно [Электронный ресурс]. Режим доступа:

https://newsland.con/post/3799320-liudi-mogut-sledit-za-vosemiu-dvizhushchimisia-obektami-odnovremenno. Дата обращения 25.05.2024 г.]. При этом, если объекты интереса отсутствуют, то можно не передавать всю динамику съемки. Достаточно передачи одного кадра видео в секунду для иллюстрации сцены наблюдения. При увеличении количества объектов интереса соответственно увеличивается текущая частота следования кадров видеопотока вплоть до максимального значения 25 кадров в секунду для исключения потери информации. При этом текущая частота следования кадров будет прямо пропорциональна текущему количеству объектов интереса в секторе обзора видеокамеры и максимальной частоте следования кадров и обратно пропорциональна заданному максимальному количеству объектов интереса, при котором передается видеопоток с максимальной скоростью. А текущая скорость передачи информации по каналу связи будет прямо пропорциональна максимальной скорости и текущему количеству объектов интереса в секторе обзора видеокамеры и обратно пропорциональна заданному количеству объектов интереса, при котором передается видеопоток с максимальной частотой кадров и скоростью.

То есть, чем больше количество объектов интереса в секторе обзора камеры, тем выше частота следования кадров видеопотока, больше объем передаваемой по каналу связи информации в единицу времени и больше скорость, необходимая для передачи информации. И наоборот.

В известном способе, адаптация скорости передачи данных производится в зависимости от измеренных помех в полосе сигнала. Такой подход позволяет повысить надежность системы передачи данных, а также гарантировать передачу информации. Однако, известный способ не учитывает возможность адаптации в зависимости от объема передаваемой информации, который определяется количеством объектов интереса в секторе обзора видеокамеры и соответствующей этому количеству частотой следования кадров видеоинформации, что ограничивает область его применения.

Предложенный способ, в свою очередь, может быть применен при передаче видеоинформации, например, от БЛА к оператору наземного пункта управления, и основан на анализе объема передаваемой видеоинформации.

Как известно из [Гришин С.В., Симонян К.А., Ватолин Д.С. Алгоритм вычисления параметров наложений для задачи преобразования частоты кадров цифровых видеосигналов // Новые информационные технологии в автоматизированных системах: матер. 12 науч.-практич. сем. М: Московский гос. ин-т электроники и матем. 2009. С. 19-29.], минимальной скоростью изменения кадров для нормального восприятия видео является 24 кадра в секунду. Однако, при отсутствии в поле зрения оператора объектов интереса, количество передаваемых кадров можно снизить, что позволит существенно снизить объем передаваемой по каналу связи информации. Такой подход позволит повысить электромагнитную совместимость, получить дополнительный частотный ресурс для передачи информации, а также повысить пропускную способность системы связи.

Обнаружение объектов интереса может быть выполнено с использованием известных алгоритмов на основе энергетического функционала (ЭФ) [Прикладные задачи навигации, связи и управления. Методы анализа и синтеза [Текст]: монография / Е.А. Богословский и [др.]. М.: Радиотехника, 2015. 160 с.]. Важнейшим их достоинством, помимо возможности оценки качества предварительной обработки информации (ПОИ), является то, что они устанавливает взаимосвязь между характеристиками входных и выходных сигналов системы обработки с параметрами фильтра. При этом становится возможным синтезировать дискретные фильтры, обеспечивающие заданное значение ЭФ или, другими словами, реализовывать адаптивную ПОИ, результатом которой является выделение объектов интереса на изображении.

Количество передаваемых кадров видеопотока изменяется пропорционально количеству объектов интереса. При обнаружении восьми и более объектов передается видеопоток с частотой 25 кадров в секунду, а, если объекты интереса отсутствуют, то скорость снижается до одного кадра в секунду для иллюстрации сцены наблюдения.

Использование для передачи информации OFDM-сигналов, представляющих собой совокупность ортогональных поднесущих, позволит перераспределить данные по этим поднесущим в зависимости текущей частоты следования кадров и предоставить высвобождаемый частотный ресурс.

Появление свободных поднесущих определяется кадровой структурой формирования OFDM-сигнала [Ложкин К.Ю. Помехоустойчивость приема OFDM-сигнала с однократной фазовой манипуляцией и корректирующим кодированием на фоне полигармонической помехи // Радиотехника XXI век: международный научно-технический журнал. 2018. №11. С. 58-63.].

Свободные поднесущие могут быть перераспределены между разными абонентами, или БЛА, а также, объединяться в сети воздушной радиосвязи (СВРС) с единым управлением скоростью и объемом передаваемой информации.

Предложенный способ адаптации скорости передачи данных в системе связи с OFDM-модуляцией, в отличие от применяемых в настоящее время, предполагает выполнение анализа содержимого видеопотока, и, в зависимости от количества объектов интереса в поле зрения видеокамеры, адаптивное изменение частоты следования кадров видеопотока, и использовние освободившегося частотного ресурса для увеличения пропускной способности системы связи [Чичканов А.С., Богословский Е.А. Адаптивное изменение частоты следования кадров в системе связи БЛА-НПУ в зависимости от фоноцелевой обстановки // Сборник статей по материалам XIII Международной научно-технической конференции «Научные чтения имени А.С. Попова» (13-15 марта 2024 г.) Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА», 2024, С 559-562].

Учет объема передаваемой информации позволяет повысить пропускную способность канала связи и увеличить скорость передачи информации.

Способ может быть реализован, например, с помощью устройства, структурная схема которого приведена на чертеже, где обозначено: 1 - блок управления; 2 - блок обнаружения и определения количества объектов интереса; 3 - блок расчета частоты следования кадров; 4 - блок расчета количества поднесущих; 5 - блок расчета высвобождаемого частотного ресурса; 6 - блок комплексирования информации; 7 - блок синхронизации информации; 8 - блок накопления информации от других источников передачи данных; 9 - блок добавления проверочных бит CRC; 10 - блок помехоустойчивого кодирования; 11 - блок модуляции; 12 - блок формирования потока модулирующих символов и нормировки; 13 - передатчик OFDM-сигнала; 14 - приемник OFDM сигнала; 15 - блок определения пораженных помехами поднесущих OFDM-сигнала; 16 - блок выкалывания комплексных амплитуд неиспользуемых поднесущих; 17 - блок демодуляции; 18 - блок декодирования; 19 - блок назначения скорости передачи и определения необходимости повтора; 20 - блок выкалывания бит CRC.

Данное устройство может быть реализовано цифровым способом на базе однокристальной ЭВМ.

Устройство работает следующим образом: на передающей стороне поток исходных бит, предназначенных для передачи, поступает с верхних уровней системы связи на вход блока 1 управления, где он разбивается на кадры, далее данные поступают в блок 2 обнаружения и определения количества объектов интереса, где производится обнаружение и распознавание, определение местоположения и количества неподвижных и движущихся объектов интереса с использованием алгоритмов ПОИ на основе ЭФ, далее блоком 3 расчета частоты следования кадров в постоянном режиме производится анализ количества объектов интереса и в соответствии с этим количеством производится расчет и изменение частоты следования кадров, далее блоком 4 расчета количества поднесущих выполняется расчет количества поднесущих OFDM-сигнала, необходимых для передачи основного сигнала, затем блоком 5 расчета высвобождаемого частотного ресурса производится расчет полосы частот, незадействованной для передачи данных основного сигнала, которую возможно будет задействовать в качестве высвобождаемого частотного ресурса, и количества «свободных» поднесущих, далее эти данные поступают в блок 6 комплексирования информации, где происходит объединение потоков информации с блока 8 накопления, который выполняет операцию организации очередности доступа других абонентов к высвобождаемому частотному ресурсу, и блока 7 синхронизации.

Исходные информационные биты очередного кадра или информационные биты кадра, принятого ранее неверно, поступают на блок 9 добавления проверочных бит CRC, где они группируются в блоки по L штук и кодируются, в результате к каждому блоку добавляются проверочные биты CRC. Кодирование осуществляют, например, кодом БЧХ (Бозе Чоудхури Хоквенгема), пример реализации которого приведен в [J.G. Proakis Digital Communications, NY: McGraw-Hill, 1995.].

С выхода блока 9 исходные и проверочные биты кадра поступают на вход блока 10 помехоустойчивого кодирования (FEC), где производится их перемежение и исправляющее ошибки кодирование, например, сверточное кодирование. Скорость кодирования задается сигналом с блока 1. Причем блок 1 управления для первого передаваемого кадра устанавливает скорость кодирования, соответствующую минимальной скорости передачи. Для последующих кадров выбирается скорость кодирования, соответствующая скорости передачи данных, указанной в служебном сообщении приемника в канале обратной связи от приемной стороны к передающей.

В случае использования в системе связи гибридной ARQ (Automatic Repeat Request - Схемы автоматического перезапроса) блок кодирования для повторной передачи должен запоминать кодированные биты кадра на время, пока в служебном сообщении приемника не поступит информация об отсутствии необходимости повтора этого кадра. Сигнал при необходимости повтора кодированных бит кадра поступает с блока 1 управления.

С выхода блока 11 модуляции комплексные символы кадра поступают на блок 12 формирования потока модулирующих символов и нормировки. При этом в поток входных комплексных символов вставляют нулевые комплексные символы, соответствующие неиспользуемым группам поднесущих OFDM-сигнала. Группа поднесущих состоит из N рядом расположенных поднесущих. Кроме того, комплексные символы умножают на нормировочный коэффициент, равный корню квадратному из отношения общего числа поднесущих OFDM-сигнала к числу используемых поднесущих. Таким образом, мощность неиспользуемых поднесущих распределяют пропорционально между используемыми поднесущими, так что мощность передаваемого сигнала не зависит от числа используемых групп поднесущих. Неиспользуемые группы поднесущих задаются сигналом с блока 1. Причем блок 1 управления для первого кадра задает использование всех групп поднесущих. Для последующих кадров неиспользуемые группы поднесущих выбираются в соответствии с информацией о пораженных группах поднесущих, указанной в служебном сообщении приемника.

С выхода блока 12 комплексные символы поступают на вход передатчика 13 OFDM-сигнала, с выхода которого модулированный высокочастотный сигнал излучается в эфир. Пример реализации передатчика OFDM-сигнала приведен в [Richard van Nee, Ramjee Prasad, OFDM Wireless Multimedia Communication, Artech House, Boston-London, 2000.7].

На приемной стороне входной высокочастотный сигнал поступает на вход приемника 14 OFDM-сигнала, с выхода которого комплексные амплитуды поднесущих поступают на вход блока 15 определения пораженных помехами поднесущих OFDM-сигнала и вход блока 16 выкалывания комплексных амплитуд неиспользуемых поднесущих. Пример реализации приемника OFDM-сигнала приведен в [Richard van Nee, Ramjee Prasad, OFDM Wireless Multimedia Communication, Artech House, Boston-London, 2000.].

В блоке 15 пораженные помехами поднесущие OFDM-сигнала определяют посредством анализа спектральных компонент сигнала, например, как описано в [Darbyshire, Е.Р., "Narrowband interference identification and rejection applied to baseband radio signals", the fifth International Conference on Radio Receivers and Associated System 1989, pp. 217-221, Jul 1990.]. Принцип этого алгоритма состоит в усреднении мгновенного спектра принимаемого сигнала для построения гистограммы канального отклика в частотном домене. Гистограмма сравнивается со спектральным шаблоном полезного сигнала для определения групп поднесущих, которые содержат избыточную мощность. Эти группы поднесущих считаются пораженными помехами. Номера поднесущих OFDM-сигнала, которые поражены помехами, поступают с выхода блока 15 на вход блока 1 управления. В блоке 1 управления группы поднесущих, в которых поражено не менее N1 (например, N1=N/2) поднесущих, считают пораженными помехами. Блок 1 включает номера пораженных помехами групп поднесущих в служебное сообщение для очередного кадра, передаваемое по каналу обратной связи от приемной стороны к передающей. Блок 1 также сохраняет эти номера для приема этого очередного кадра.

В блоке 16 производят выкалывания комплексных амплитуд, соответствующих группам поднесущих, пораженных помехами. Пораженные группы поднесущих задаются сигналом с блока 1 управления.

С выхода блока 16 комплексные амплитуды используемых поднесущих поступают на блок 17 демодуляции, где принимаемым комплексным амплитудам ставятся в соответствии мягкие решения о переданных кодированных битах. В случае использования когерентных видов модуляции для демодуляции также требуется оценка канала, которая может быть выполнена одним из известных методов, например, как в [Richard van Nee, Ramjee Prasad, OFDM Wireless Multimedia Communication, Artech House, Boston-London, 2000.]. Вид модуляции поднесущих задается сигналом с блока 1 управления.

С выхода блока 17 мягкие решения о кодированных битах текущего кадра поступают на блок 18 декодирования, где производят известные операции исправляющего ошибки декодирования. Скорость кодирования задается сигналом с блока 1 управления. В случае использования в системе связи гибридной ARQ блок 18 декодирования для повторного декодирования также должен запоминать мягкие решения о битах кадра, который должен быть повторен. Сигнал запоминания мягких решений в этом случае задается блоком 1 управления.

С выхода блока 18 декодирования декодированные биты кадра поступают на вход блока 19 назначения скорости передачи и определения необходимости повтора и блока 20 выкалывания бит CRC. Блок 20 из входного потока бит выкалывает проверочные биты CRC и полученный поток принятых информационных бит кадра подает на вход блока 1 управления. В случае, если нет необходимости повтора данных текущего кадра, принятые информационные биты этого кадра с выхода блока 1 управления, который является выходом устройства, поступают на более высокие уровни системы связи. В случае если принято решение о необходимости повтора данных текущего кадра, то принятые информационные биты этого кадра далее не используются.

Блок 19 реализует правило назначения скорости передачи для используемых групп поднесущих очередного кадра и необходимость повтора данных текущего кадра, передаваемого на скорости VK. Это правило основано на анализе вероятности блоковой ошибки (BLER) текущего и предыдущих кадров, использует функциональную зависимость между вероятностью блоковой ошибки BLER и вероятностью битовой ошибки BER. Решение о скорости передачи очередного кадра и решение о необходимости повтора с выходов блока 19 поступают на входы блока 1 управления, где они сохраняются как параметры для приема этого очередного кадра. В блоке 1 эти параметры также включаются в служебное сообщение канала обратной связи, которое передается на передающую сторону.

Изобретение относится к способу передачи видеопотока от беспилотных летательных аппаратов. Технический результат - повышение скорости передачи информации в сети воздушной радиосвязи. Анализируется содержимое видеопотока и, в зависимости от количества объектов интереса в поле зрения видеокамеры, осуществляется адаптивное изменение частоты следования кадров видеопотока, а освободившийся частотный ресурс используют для увеличения пропускной способности системы связи. 1 ил.

Способ адаптации скорости передачи данных в системе связи с OFDM-модуляцией, основанный на регистрации фоноцелевой обстановки, разбиении видеопотока на кадры, оценке отношения сигнал/шум на каждой поднесущей, определении используемых поднесущих для передачи данных с учетом отношения сигнал/шум и передаче кадров на этих поднесущих в OFDM-системе связи, отличающийся тем, что дополнительно определяют количество объектов интереса в секторе обзора видеокамеры, сравнивают его с заданным значением, если количество объектов интереса превышает заданное значение, то передают видеопоток с максимальной частотой следования кадров и максимальной скоростью, в противном случае - с частотой кадров и скоростью, определяемой количеством объектов интереса в секторе обзора.