УДК 621.391.01

РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ СИГНАЛЬНО-КОДОВОЙ КОНСТРУКЦИИ ДЛЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО КАНАЛА БПЛА-ЗЕМЛЯ

Л. Е. Назаров ¹, Е. В. Игошин ², А. С. Зудилин ²

¹ Институт радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН, г. Фрязино

² ОАО “Российские космические системы”, г. Москва

Получена 2 июля 2013 г.

Аннотация. Приведены результаты по разработке, реализации и полевым испытаниям сигнально-кодовой конструкции, разработанной для высокоскоростного канала «беспилотный летательный аппарат - земная приемная станция».

Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, многолучевость, блоковый турбо-код.

Abstract. This paper presents the results of development and realization of error-correcting coding for unmanned aerial vehicle system high-rate telemetry channel.

Key words: unmanned aerial vehicle system, multipath channel, block turbo code.

 

Введение

Организация высокоскоростного канала «беспилотный летательный аппарат (БПЛА) - земная приемная станция (ЗС)», обеспечивающего передачу информации с требуемыми вероятностными характеристиками, возможна с использованием соответствующих сигнально-кодовых конструкций (СКК) [1]. Особенностью данной линии связи является многолучевость распространения радиоволн и, соответственно, замирание сигналов [2]. Это определяет необходимость использования СКК с вероятностно-энергетическими характеристиками, близкими к предельным характеристикам, обеспечивающим надежную передачу по рассматриваемой нестационарной линии с вариациями отношения сигнал/помеха.

Вместе с тем, устройства формирования и приема этих СКК должны обеспечивать высокоскоростную передачу в реальном времени, что предполагает приемлемую сложность технической реализации процедур формирования и приема с использованием “мягких” решений с выхода демодулятора сигналов средствами цифровой вычислительной техники.

В данной работе приведены результаты по разработке, реализации и апробации СКК, основу которой составляет блоковый турбо-код [3]. Эта СКК имеет удовлетворительные технические и вероятностные характеристики относительно сформулированных критериев качества. Определены также основные направления совершенствования рассматриваемой СКК, уменьшающие эффективность влияния многолучевости на вероятностные характеристики передачи информации.

1. Постановка задачи

Суть рассматриваемой задачи - разработка, программно-аппаратная реализация и апробация на реальной линии СКК, обеспечивающей высокоскоростную (до 50 - 100 Мбит/сек) передачу информации по каналу БПЛА - наземный приемный пункт, особенностью которого является наличие суммы  копий сигналов , ;  с различными временными задержками , произвольными начальными фазами  и амплитудами  на входе приемного устройства за счет многопутевости распространения.

2. Модель канала БПЛА - земля

Рассматриваемая модель канала включает двухлучевое распространение сигналов () - прямой луч и луч, отраженный от земной поверхности. Из-за многолучевости возникают замирания радиосигналов (мультипликативные помехи) [2], характер которых (частотно-селективные, частотно-неселективные (дружные), размах вариаций мощности сигнальной составляющей, время стационарности замираний) определяются многими параметрами - углом скольжения зеркального луча , электрическими свойствами земной поверхности, скоростью и высотой БПЛА, длиной волны, статистическими свойствами неровностей земной поверхности.

При вертикальной поляризации коэффициент отражения  для гладкой земной поверхности задается соотношением [2]

.                                       (1)

Здесь ,  - электрическая проницаемость поверхности,  - удельная электрическая проводимость поверхности,  - угол потери фазы сигнала при отражении,  - длина волны.

При условии  для конечных значений ,  справедливо соотношение .

В общем случае при анализе второго луча нужно учитывать его две компоненты – зеркальную и диффузную составляющие.

Из теории рассеяния на статистически неровной поверхности известно, что модуль коэффициента отражения  для поверхности с нормальным распределением высот неровностей в направлении зеркального отражения определяется соотношением [4]

.                             (2)

Здесь  - длина волны;  - дисперсия неровностей. Данное выражение получено путем применения метода Кирхгофа (известного также как метод касательной плоскости), используемого для решения задач дифракции на плоских экранах [4].

Отражение радиоволн от неровной поверхности можно рассматривать в приближении касательной плоскости при выполнении условия , то есть, чтобы локальные радиусы кривизны поверхности в точке отражения  превышали длину волны .

В типичном случае кинематических характеристик БПЛА более точным является модель распространения радиоволн над поверхностью с малыми пологими неровностями, для которых выполняется условие Релея [4] . В этом случае, разлагая (2) в ряд, имеем

 .

Это совпадает с соответствующим выражением относительно , полученным с использовании метода теории возмущений при  и  для достаточно гладких поверхностей. Здесь  - радиус корреляции [4].

При анализе экспериментальных измерений авторами использовалась двухлучевая модель с коэффициентом отражения  (2) с уточнением распространения радиоволн за счет влияния тропосферы. Влияние тропосферы учитывалось стандартным путем увеличения дальности прямого луча БПЛА-земля и отраженного луча за счет их криволинейного распространения по отношению к прямолинейному распространению лучей в предположении нормальной тропосферы () [2].

На рис.1 приведена схема, иллюстрирующая распространение прямого (1) и отраженного (2) от земной поверхности лучей. Результирующий множитель ослабления  мультипликативной помехи для данной схемы имеет вид

.                        (3)

 

Здесь  - разность хода прямого и отраженного лучей.

 

Рис.1. Схема распространения прямого (1) и отраженного (2) лучей.

 

При малых углах скольжения  разность хода прямого и отраженного лучей на входе приемной антенны земной станции без учета влияния тропосферы определяется соотношением

.                                       (4)

Соответствующая относительная временная задержка прямого и отраженного лучей  определяется соотношением [2]

.                                             (5)

Здесь  - скорость света;  - высота БПЛА;  - высота приемной антенны земной станции;  - расстояние БПЛА-ЗС, приведенное на рис.1 для схемы распространения прямого и отраженного лучей.

Для значений  м,  м,  м и для полосы частот  МГц имеем  мксек, разность хода путей распространения лучей 0.4 м и . Это определяет при этих условиях наличие частотно-неселективных замираний сигналов на входе приемной антенны ЗС. Соотношение (3) относительно множителя  получено при предположении о равенстве амплитуд прямого и отраженного лучей, что справедливо для рассмотренного случая малого различия их хода распространения.

Множитель  мультипликативной помехи для рассматриваемого случая малого угла скольжения  задается как [2]

.                                       (6)

Рис.2. Зависимость множителя ослабления  мультипликативной помехи от расстояния  (длина волны  м,  м, м (кривая 1),  м (кривая 2)).

 

На рис.2 приведена зависимость множителя ослабления  от расстояния  м. Расчеты произведены с использованием соотношений (1) - (5) для длины волны  м, м (кривая 1),  м (кривая 2),  м. Кривые соответствуют влажной почве с электрическими характеристиками  и , параметр неровностей  м.

Видны интерференционные минимумы значений , достигающие -8.5 дБ по отношению к амплитуде прямого сигнала, - для кривой 1 минимум существует на расстоянии 26400 м, для кривой 2 минимум существует на расстоянии 39600 м. Значения множителя ослабления  не учитывают затухания сигналов за счет удаления от передатчика, которые необходимо включать при вычислении бюджета радиолинии.

Длительность интерференционных замираний  определяется рядом параметров: рабочей длиной волны радиосигналов , дальностью , высотами  и , скоростью БПЛА. С использованием кривой 2 длительность интерференционных замираний для последнего интерференционного минимума (область А-Б на рис.2) можно оценить значением  сек при скорости БПЛА 200 м/с и при уменьшении амплитуды результирующего сигнала в 2 раза по отношению к амплитуде прямого сигнала.

Кроме высоких вероятностных характеристик СКК также должны иметь сравнительно низкую сложность реализации алгоритмов их формирования и приема с использованием “мягких” решений с выхода демодулятора сигналов. Реализация данных алгоритмов средствами цифровой вычислительной техники должна обеспечить высокоскоростную передачи информации БПЛА - ЗС.

3. Сигнально-кодовая конструкция, ее характеристики

Основу используемой СКК, используемой в линии БПЛА-ЗС, составляет блоковый турбо-код в сочетании с манипуляцией ФМ4.

Кодовые слова блоковых турбо-кодов формируются на основе двух двоичных блоковых кодов  () и  () и эквивалентны двумерной матрице размером . Строки матрицы – кодовые слова кода , столбцы матрицы - кодовые слова кода  [3]. Здесь ,  - длительность кодовых слов и размерность блокового кода. Длительность кодовых слов турбо-кода равна , информационный объем , кодовая скорость .

Основу алгоритмов приема блоковых турбо-кодов составляет итеративная обработка входных реализаций, соответствующих составляющим блоковым кодам , . Детальное описание этих алгоритмов итеративного приема, согласованных с форматом чисел с плавающей точкой float, используемым в цифровых сигнальных процессоров, и с целочисленным форматом integer, используемым в программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС), приведены в работах авторов [5,6].

Параметры используемого блокового турбо-кода: составляющие блоковые коды  и  - коды Хэмминга с дополнительной проверкой на четность с параметрами (128,120), длина кодовых слов - 16384 битов, объем информационного блока - 14400, кодовая скорость - 0.88.

В работе [6] приведена схемотехническая реализация устройств формирования и приема рассматриваемого блокового турбо-кода средствами ПЛИС XC4VLX40 с использованием формата integer. Данная схемотехническая реализация формирования и приема СКК использована в радиолинии БПЛА-ЗС. По отношению к алгоритму приема с использованием формата чисел float алгоритм приема с использованием формата integer характеризуется меньшей эффективностью - энергетические потери достигают 0.4 дБ при наличии в канале аддитивного белого гауссовского шума (АБГШ) [5,6]. Вместе с тем, устройства формирования и приема на основе ПЛИС обеспечивают существенно большие информационные скорости передачи. Схемотехническая реализация данного турбо-кода обеспечивает передачу с информационной скоростью до 120 Мбит/сек [6]. Предельное шенноновское значение  для кодовой скорости  и дискретно-непрерывного канала равно 3.2 дБ [7].

На рис.3 приведены зависимости вероятности ошибки на информационный бит  от отношения сигнал/помеха для рассматриваемой СКК, полученные путем моделирования алгоритма приема с использованием формата float (кривая 1) и алгоритма приема с использованием формата integer (кривая 2) при наличии АБГШ. Видно, что вероятность ошибки  при использовании алгоритма приема с использованием целочисленного формата integer (кривая 2) достигается при отношении  дБ, это значение лишь на 0.8 дБ отличается от предельного значения при условии идеальной синхронизации и отсутствии энергетических потерь аппаратной реализации. Суммарные энергетические потери за счет синхронизации (частотной, тактовой, фазовой) и аппаратной реализации (коэффициент фильтрации roll-off=0.3) по отношению к идеальному приему СКК не превышают 0.7 дБ.

 

Рис.3. Вероятностные кривые для СКК на основе блокового турбо-кода (16384,14400) (8 итераций): 1 - алгоритм приема с использованием формата чисел float; 2 - алгоритм приема с использованием формата чисел integer.

 

4.Экспериментальные измерения

Полевые испытания рассматриваемой СКК произведены в период март-апрель 2013 г. Параметры БПЛА: скорость ≈200 км/ч, высота до 1000 м. Параметры СКК: информационная скорость 50 Мбит/с, коэффициент roll-off=0.3, частотная полоса 50 МГц.

 Движение БПЛА поясняется прямой А-Б-В-Г на рис.4: интервал А-Б (около 28 км) соответствует движению в прямом направлении от ЗС; интервал Б-В соответствует обратному движению к ЗС; интервал В-Г соответствует движению в прямом направлении от ЗС. Длина анализируемого интервала А-Г около 35 км.

На рис.4 приведена также нормированная кривая 1, отображающая оценки мощности  полезного сигнала на входе приемного устройства в зависимости от времени, вычисленные на основе отсчетов сигнального демодулятора. Кривая 2 на рис.4 соответствует значениям нормированного коэффициента ослабления  мультипликативной помехи, вычисленным с использованием соотношения (6) для высоты антенны ЗС  м с учетом пространственного затухания амплитуды сигналов за счет расстояния БПЛА-ЗС. Прямая АГ определяет также нижний уровень амплитуды полезного сигнала, соответствующего отношению сигнал/помеха  дБ, что соответствует вероятности ошибки . По оси абсцисс отложены значения времени (сек), по оси ординат отложены оценки мощности полезного сигнала  (дБм).

 

 

Рис.4. 1 - нормированная кривая оценки мощности полезных сигналов на входе приемной антенны ЗС;
2 - нормированный коэффициент ослабления  мультипликативной помехи с учетом пространственного затухания сигналов.

 

Кривые 1 и 2 показывают достаточно близкое соответствие модели двухлучевого распространения сигналов реальному поведению мощности сигнала, их расхождение объясняется вариациями углов скольжения  за счет земного рельефа.

Наличие ошибок наблюдалось в окрестности точки Б при развороте БПЛА в обратное направление. Наличие ошибок наблюдалось также в окрестности точки Г (дальность БПЛА-ЗС ~ 35 км), где для отношения сигнал/помеха выполнялось условие . При дальнейшем движении БПЛА отношение сигнал/помеха превышало требуемое значение 4.8 дБ и безошибочная связь восстановилась.

Приведем основные направления совершенствования СКК и методов обработки, снижающие эффективность влияния многолучевости:

- наиболее перспективным представляется метод пространственного разнесения в сочетании с технологией MIMO (multiple input-multiple out) [3];

- применение эффективных помехоустойчивых кодов с большей избыточностью по отношению к рассмотренному турбо-коду с кодовой скоростью 7/8. Примером является класс низкоплотностных кодов либо турбо-подобных кодов с пониженной сложностью алгоритмов декодирования с кодовой скоростью 1/2. При их использовании требуется  дБ для обеспечения  [3], что обусловливает энергетический выигрыш до 2 дБ и более по отношению к рассмотренной СКК и приводит к снижению уровня А-Г на рис.4, определяющего достижение требуемых значений вероятности ошибки ;

- применение антенн с согласованной круговой поляризацией на передающей и приемной сторонах;

- применение метода временного перемежения кодовых символов, а также метода квитирования для рассматриваемой высокоскоростной линии передачи представляется дискуссионным, вследствие приведенных выше оценочных значений требуемых временных задержек.

Заключение

Приведено описание СКК, разработанной для высокоскоростной передачи (50 Мбит/с) БПЛА-ЗС, ее основу составляет блоковый турбо-код в сочетании с ФМ4. Результаты испытаний СКК на реальной радиолинии показали устойчивую безошибочную работу системы передачи информации с дальностью до 35 км на высоте БПЛА не выше 1000 м. Показано также, что одним из основных факторов, ограничивающим рабочую дальность канала БПЛА-ЗС, является двухпутевое распространение радиоволн, обусловливающее гладкие замирания сигналов. Определены основные направления совершенствования СКК и методов обработки, уменьшающих эффективность влияния данной многолучевости на вероятностные характеристики передачи информации, - одно из наиболее перспективных направлений связано с технологией MIMO (multiple input-multiple out).

 

Литература

1. Слюсар В. Радиолинии связи с БПЛА, примеры реализации. //Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2010. №5. Стр.56-60.

2. Долуханов М.П. Распространение радиоволн. М.: Гос. Издательство по вопросам связи и радио. 1960.

3. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. М.: Издательский дом «Вильямс». 2003.

4. Басс Ф.Г., Фукс И.М. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. М.: Наука. 1972.

5. Назаров Л.Е., Головкин И.В. Реализация алгоритмов итеративного приема блоковых турбо-кодов. // Цифровая обработка сигналов. 2009. №2. С.2-6

6. Головкин И.В., Назаров Л.Е. Разработка и реализация алгоритмов итеративного декодирования блоковых турбо-кодов. //Цифровая обработка сигналов. 2010. №4. С.37-40.

7. Зюко А.Г., Фалько А.И., Панфилов И.П., Банкет В.Л., Иващенко П.В. Помехоустойчивость и эффективность систем передачи информации. М.:Радио и связь. 1985.