Обработка сигналов в системах телекоммуникаций

Reference

1. Шувалов В.П., Круг Б.И., Попантонопуло В.Н. Телекоммуникационные системы и сети. Т.1. Изд.2. – Новосибирск. «Наука» РАН, 1998. – 536с.

2. Гольдштейн Б.С. Сигнализация в сетях связи. Том1. – М .: Радио и связь, 1998. – 423с.

3. Самуйлов К.Е. Методы анализа и расчета сетей ОКС 7. М.: Изд-во РУДН. 2002. – 292с.

4. Shuvalov.V.P., Ibragimov.B.G. Multifunctional documentary terminals on basis of DSP-Technologies // Proceeding the 6-th International Conference and exhibition on Digital Signal Processing and its Applications. Proc-1. Moscow. Russian. 2004. – pp.182-183.

5. Битнер.В.И. Управление и тестирования ОКС №7. Новосибирск. Изд-во СибГУТИ. 2002. - 60с.

6.Гайдамака Ю.В., Першаков Н.В., Чукарин А.В. Модель протокола SCTP и ее применение к анализу характеристик сигнального трафика в сетях сотовой подвижной связи // Электросвязь. 2008. № 8.- С. 4 – 7.



Потенциальные характеристики беспроводной передачи цифровой информации на основе непрерывных хаотических сигналов

Калинин В.И., Чапурский В.В.

Институт радиотехники и электроники Российской Академии наук (Фрязинская часть)

В беспроводных системах передачи данных с широкополосным доступом используются корреляционные [1-2] и спектральные [3-4] методы обработки непрерывных шумовых или хаотических сигналов. Среди систем с импульсной модуляцией и некогерентной обработкой сигналов выгодно отличаются прямо-хаотические системы передачи бинарной информации [5] вследствие простой схемы приемопередатчиков и возможности эффективного управления спектром излучаемых сигналов. Другим методом модуляции хаотических сигналов информационными символами является сложение опорного сигнала с его задержанной копией, модулированной последовательностью бинарных символов. Подобный метод для дискретных по времени хаотических сигналов рассматривался в работах [2,6] применительно к системам, получившим название CDSK (Correlation Delay Shift Keying)   корреляция с манипуляцией задержанных колебаний. Особенностью подхода к анализу CDSK систем в работах [2,6] является предположение о статистической независимости хаотических отсчетов, что ограничивает применимость полученных оценок вероятностей ошибки на бит передаваемой информации (BER).

Целью данных исследований является сравнительная количественная оценка потенциальных характеристик вероятностей ошибок, скрытности и скорости передачи данных для беспроводных систем с корреляционной обработкой непрерывных сверхширокополосных (СШП) шумовых сигналов в частотном диапазоне 3.0 – 10.0 ГГц.

1. Система связи с корреляционной обработкой непрерывных шумовых сигналов. Структурная схема системы связи представлена на рис.1 с учетом неидентичности задержек в передатчике (а) и приемнике (б), где - длительность одного бита. Принцип работы системы не имеет особых различий по сравнению с дискретным аналогом CDSK [2,6].

Рис.1а	Рис.1б

Пусть генератор шума формирует хаотический сигнал, который может быть аппроксимирован нормальным случайным процессом с равномерным спектром в полосе и средней частотой . Автокорреляционная функция (АКФ) такого процесса имеет вид: , при (1), где   дисперсия шума, а - его коэффициент корреляции. При времени интегрирования полезный средний эффект на выходе интегратора равен . Видно, что зависимость носит колебательный характер, определяемый АКФ вида (1). Для верхней части диапазона 3.0 – 10ГГц при ширине спектра шума 1.0ГГц и средней частоте 9.5ГГц требование к идентичности задержек получим, исходя из величины четверти периода колебания АКФ, т.е. . Если 9.5ГГц отличие задержек в приемнике и передатчике не должно превышать 26 пс. При этом условии сохраняется однозначность восстановления информации в приемнике, однако требуется точная и технически сложная настройка линий задержки.

Известно, что одной из основных задач применения СШП шумовых сигналов в беспроводных системах является улучшение электромагнитной совместимости (ЭМС), повышение информационной и энергетической скрытности связи. Для оценки энергетической скрытности используют отношение средней мощности полезного шумового сигнала в канале связи к средней мощности помехи . При равных полосах шумового сигнала и помехи это отношение может быть представлено как отношение спектральных плотностей шумового сигнала и помехи . Отношение сигнал/шум в канале q₀ связано с отношением сигнал/шум на бит q зависимостью q=q₀B, где   база сигнала, а   скорость передачи данных. Информационная скрытность шумовой системы связи определяется, как один из факторов, изменением дисперсии в канале связи при модуляции бинарной информационной последовательностью . Величина этой дисперсии для системы CDSK при равна: . (2)

Видно, что при малых значениях изменение дисперсии шумового сигнала в канале мало. Однако при уменьшении задержек по соображениям технической реализуемости, а также вследствие повышения скорости передачи данных, значение может увеличиваться до значимых величин, и модуляция в канале связи может быть обнаружена. В этом случае потребуются специальные приемы выравнивания дисперсии в канале связи, приводящие к появлению и анализу иных схем передачи данных, некоторые из которых рассматриваются далее.

2. Система со стабилизацией дисперсии хаотического сигнала. В качестве первого варианта модернизации принципа CDSK рассмотрим схему, удовлетворяющую требованию отсутствия модуляции дисперсии хаотического сигнала в канале связи в такт с потоком битов. Блок-схема передатчика представлена на рис.2, а структура приемника по-прежнему соответствует рис. 1б.



Рис. 2.

Модулятор работает в формате . Сигнал в канале записывается в виде . Для стабилизации дисперсии суммарного сигнала служит параллельная ветвь с коэффициентом ослабления и модуляцией противоположными символами . Величина определяется из равенства дисперсий , что дает выражение . При . В данной схеме достигается практически абсолютная информационная скрытность в понимании неизменности дисперсии хаотического сигнала в канале в процессе передачи бинарной информации.

3. Беспроводная система передачи данных на основе манипуляции задержки является еще одним вариантом достижения скрытности связи. В этом случае ветвь модулятора с прямым усилением хаотического сигнала на рис. 2 заменяется ветвью с другой линией задержки Т₁ и модуляцией противоположными символами. Таким образом, в передатчике имеются две ветви модуляции с различными значениями задержек Т₁ ≠ Т₀, значения которых отвечают в суммарном передаваемом сигнале s(t) передаче соответственно единичного и нулевого битов.

Принцип работы системы следует из блок-схемы на рис. 3а,б и в пояснениях не нуждается. Отметим, что изменение дисперсии хаотического сигнала в канале при определяется формулами: , (3)

Сравнение выражений (2) и (3) показывает, что потенциально достижимый уровень изменения дисперсии хаотического сигнала в канале при манипуляции задержки может быть уменьшен по сравнению с исходным вариантом системы CDSK.

Рис.3а	Рис.3б

4. Анализ достоверности передачи данных проводился в предположении наличия в принимаемом сигнале аддитивного гауссова шума с дисперсией и корреляционной функцией, совпадавшей по форме с корреляционной функцией хаотического сигнала: . Количественные расчеты потенциальных вероятностей ошибки на бит (BER) в зависимости от отношения средней энергии бита к спектральной плотности шумовой помехи и от отношения сигнал/шум в канале связи проводились в случае полной идентичности линий задержки в приемнике и передатчике притом, что времена задержки равнялись десяткам наносекунд. Переменным параметром являлась база шумового сигнала B=WT_b, которая изменялась в широких пределах от В=25 до В=1000. Средняя частота непрерывного шумового сигнала составляла f₀= 6.5 ГГц.

Анализ вероятностей ошибки на бит передаваемой информации при различном отношении сигнал/помеха q показывает наличие оптимальных значений базы сигнала B=WT_b для всех схем беспроводной передачи данных. Сопоставление полученных результатов для беспроводных корреляционных систем на основе непрерывных СШП шумовых сигналов с известными результатами [2,6] для CDSK систем на основе дискретных независимых хаотических последовательностей показывает, что для беспроводных систем непрерывного типа достигаются меньшие почти на порядок вероятности ошибок при одном и том же отношении сигнал/помеха q. При этом имеет место значительное увеличение оптимальных значений базы B=WT_b непрерывных сигналов в сравнении с оптимальным количеством независимых хаотических отсчетов для CDSK систем [2,6]. В таблице 1 представлены оптимальные значения базы непрерывного сигнала по минимуму вероятности ошибки и соответствующие минимальные значения ошибок в зависимости от отношения сигнал/шум на бит. Из данных таблицы 1 следует, что наименьшими значениями Р_ош обладает беспроводная система с манипуляцией задержек. Она незначительно превосходит базовую систему типа CDSK, но имеет примерно в 2.5 раза большее оптимальное значение базы сигнала. Это означает, что при одинаковой скорости передачи необходимо занимать в такое же число раз большую частотную полосу. Так, для 20 в системе CDSK с полосой частот 3 ГГц скорость передачи данных может составлять 15 Мбит/с, а для достижения такой же скорости передачи в системе с манипуляцией задержек потребуется занятие полной полосы 7 ГГц в отведенном диапазоне 3 – 10 ГГц. Вероятности ошибки при этом составляют практически одинаковые величины Р_ош =(1.5 – 2.0)·10 ⁶ .

Таблица 1. Оптимальные значения базы шумового сигнала и вероятности ошибки беспроводных систем связи в функции отношения сигнал/шум на бит.
	Базовая система типа CDSK		Система со стабилизацией дисперсии в канале		Система с манипуляцией задержек
, дБ	WTb=W/C		WTb=W/C		WTb=W/C
10	25	0.07			50	0.07
13	55	0.02			100	0.02
15	90	0.005	75	0.09	150	4·10 3
20	200	2·10 6	250	0.009	500	1.5·10-6
23			500	2·10 4
25			750	10 5

Параметры скрытности для системы с манипуляцией задержек приведены в таблице 2 в зависимости от вероятности ошибки Р_ош и значений базы сигнала WT_b. Беспроводная система с манипуляцией задержек лучше базовой CDSK системы по параметру энергетической скрытности q₀ примерно на 0.5 – 1.0 дБ при уровне ошибки 10 ⁵ и значениях базы сигнала 500 – 1000. Соответствующие этим базам показатели скрытности составляют -8дБ и -10 дБ, а скорости передачи в полосе 3 ГГц равны соответственно 6 Мбит/с и 3 Мбит/с. Удвоение скорости передачи данных возможно при занятии полной полосы 7 ГГц в отведенном диапазоне 3 – 10 ГГц. Альтернативой увеличения скорости передачи является применение многомерных сигналов.

Таблица 2. Параметр скрытности q0 беспроводной системы связи с манипуляцией задержек
Рош\ WTb	50	100	200	500	1000
10 2	-0.5	-6	-8.5	-12	-13.5
10 3		-2	-8.5	-10	-12
10 4		6	-4.5	-8.5	-11
10 5			-2.5	-8	-10

Для скрытных беспроводных СШП систем связи оценивалась дальность действия при вероятности ошибки 10 ⁵, базе B=WT_b=500, и скорости передачи данных 6 Мбит/с. Параметры системы составляли: средняя мощность излучения 1.0 мВт, усиление антенны G=2.5, полоса спектра W=3.0 ГГц, средняя частота f₀ =4.5ГГц, коэффициент шума приемника α_n=10, параметр скрытности q₀ =-10дБ. Полученное при расчете значение дальности связи составило R₀=121 метр.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований: проект № 07-02-00351а.