К вопросу выбора метода расширения спектра несущей при построении помехозащищенной линии связи в беспилотных авиационных комплексах с использованием сложных сигналов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

К ВОПРОСУ ВЫБОРА МЕТОДА РАСШИРЕНИЯ СПЕКТРА НЕСУЩЕЙ ПРИ ПОСТРОЕНИИ ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ В БЕСПИЛОТНЫХ АВИАЦИОННЫХ КОМПЛЕКСАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СЛОЖНЫХ СИГНАЛОВ

SELECTION OF THE METHOD OF CARRIER SPECTRUM EXPANSION AT CONSTRUCTION THE INTERFERENCE PROTECTED LINE OF COMMUNICATION IN UNMANNED AERIAL SYSTEMS USING THE COMPLEX SIGNALS

Мельник А.В., Репинский В.Н.

Московский технический университет связи и информатики

Аннотация

В статье рассмотрена проблема обеспечения помехозащищенности каналов связи в бесплотных авиационных комплексах разведки и мониторинга. Проведён анализ системы связи комплекса, исследованы основные направления обеспечения помехозащищенности. Проведено исследование о выборе метода расширения спектра несущей для получения низкоэнергетической системы связи с использованием сложных шумоподобных сигналов.

Актуальные вопросы построения системы связи в беспилотных авиационных комплексах

Стремительное развитие систем беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) в России и за рубежом, развитие радиоэлектроники требует постоянного исследования задач построении каналов связи в беспилотных авиационных комплексах (БАК). К системам связи в БАК в настоящее время предъявляются множество требований, основными из которых являются требования по надежности передачи полезной и командно-телеметрической информации в режиме реального времени с низкой вероятностью символьной ошибки, требования по увеличению дальности работы системы связи и по уменьшению объема размеров приемо-передатчика [1].

Для решения указанных задач используется множество подходов. Значительную роль по удовлетворению требований по пропускной способности канала связи имеет выбор метода модуляции. Значительную долю международного рынка занимают традиционные системы передачи данных с проверенными методами модуляции. Например, известно, что канал радиосвязи взаимодействия БПЛА в БАК относится к авиационному каналу, который описывается многолучевой моделью с явлениями переотражения, рассеивания и дифракции [2]. Для борьбы с многолучевостью сигналов используется технология мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM) [3], которая уже много лет эффективно применяется в современных беспроводных сетях Wifi и WiMax. Как правило, чем больше число поднесущих используется в данной технологии, тем лучше устраняется межсимвольная интерференция, и тем меньше влияние замираний в канале, обусловленных многолучевым распространением. Однако использование технологии OFDM приводит к усложнению аппаратуры, а из-за подверженности технологии проблеме доплеровского сдвига - и к некоторому ухудшению качества связи. Следовательно, использование данной технологии для передачи данных с БПЛА требует серьезной оптимизации.

Другой важной задачей в БАК является обеспечение эксплуатационной и информационной безопасности. Угрозы, такие как перехват управления БПЛА, являются очень популярными в современной мировой обстановке. Так, в декабре 2012 г. средства радиоэлектронной борьбы Ирана посадили американский беспилотник RQ 170 Sentinel [4]. Иранские спецслужбы использовали явление обнаружения сигнала за счет постоянного обмена информацией с наземной станцией управления (НС) и обращения БПЛА к спутниковой системе навигации. Также известны случаи перехвата трафика у БПЛА, использующие нешифрованные каналы связи. Исходя из вышеуказанного, следует, что в БАК мониторинга и разведки особое внимание следует уделять обеспечению помехозащищенности системы связи СС.

Описание канала связи в БАК

Циркулирующий в БАК трафик состоит из командно-телеметрической информации и данных полезной нагрузки. Особенность организации трафика в БАК мониторинга и разведки предполагает, что основную долю трафика будет занимать передача разведывательных изображений в режиме реального времени, однако командная радиолиния обладает хоть и меньшими требованиями к пропускной способности, однако требует гарантированную доставку сообщений. Ограничения по габаритам и массе приемопередающего оборудования предполагают использование единого радиоканала связи для передачи обоих типов данных [5]. Минимальные значения требуемой скорости передачи данных полезной нагрузки с БПЛА на НС - от 1 до 8 Мбит/с с вероятностью битовой ошибки не более 10-⁴, а для передачи командно-телеметрических данных примерно 56 Кбит/с при вероятности 10-⁶. Максимальные значения полосы частот для радиосистемы, как указывает автор в [6], зависят от рабочих диапазонов частот и типов работы (лицензионная, безлицензионная) и ограничиваются требованиями государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ). В качестве примера приводится диапазон частот 2,4 ГГц, полоса занимаемых частот которого по уровню -3 дБ не превышает 15 МГц, а по нулю спектра - не более 22 МГц.

Существуют закономерности, которые справедливы для любых способов передачи данных [7]:

• увеличение скорости передачи данных приводит к ухудшению отношения сигнал/шум, и соответственно к увеличению шанса возникновения битовой ошибки;

• уменьшение длительности простого сигнала приводит к расширению спектра занимаемых частот и позволяет увеличить скорость передачи данных;

На обеспечение связи в БАК значительное влияние оказывает и вид сигналов, применяемых в радиосети. Известно, что использование в радиосистемах широкополосных (ШППС) и шумоподобных сигналов (ШПС) позволяет повысить помехозащищенность канала связи. Современная помеховая обстановка, условия высокой плотности загрузки диапазона частот делают вопрос обеспечения помехозащищенности СС БАК мониторинга и разведки основным.

Помехозащищенность системы связи

помехозащищенность связь бесплотный авиационный

Перед тем, как создать мощную результативную помеху, злоумышленнику для начала требуется обнаружить канал связи и выяснить основные его параметры. Поэтому понятие помехозащищенности рассматривается в двух аспектах и определяется скрытностью и помехоустойчивостью.

Помехоустойчивость дискретного радиоканала зависит от большого числа факторов - структуры и вида сигнала-переносчика и помех, их интенсивности, структуры приемника радиоканала, типа антенн, применяемых способов борьбы с помехами и т.д. Для увеличения помехоустойчивости радиоканала рекомендуется использовать остронаправленные антенны в вертикальной плоскости (всенаправленные в горизонтальной плоскости) с малым уровнем боковых лепестков, работать с минимально допустимым требованием качества передаваемых сообщений, допускать потери энергии при распространении и использовать сигналы-переносчики с большой базой.

Способность радиоканала не влиять на электромагнитную обстановку в регионе характеризуется его энергетической скрытностью или вероятностью сокрытия факта работы радиоканала, которое подразумевает вероятность скрытия структуры сигнала и смысла передаваемой информации. Для увеличения энергетической скрытности радиоканала (уменьшения отношения сигнал-шум на выходе линейной части стороннего приемника), необходимо, помимо вышеуказанных рекомендаций обеспечения помехоустойчивости, использовать сигнал-переносчик с наибольшим значением базы сигнала В_с, т.е. использовать сложные шумоподобные сигналы.

В_с = F_cT_c >> 1;

Сложные ШПС получаются в результате дополнительной модуляции несущей колебания по псевдослучайному закону, таким образом, что амплитудно-частотный и энергетический спектры сигнала расширяются [8]. В основе этих методов лежит расширение спектра сигнала путем перемножения сигнала на псевдослучайную последовательность (ПСП) с большим периодом.

Выбор метода расширения спектра несущей сигнала для получения сложного ШПС

В качестве сигнала-переносчика сообщений целесообразно выбрать сложный аналого-цифровой сигнал, для расширения спектра гармонической несущей которого необходимо манипулировать расширяющей функцией фазу или частоту этой несущей, либо оба параметра одновременно. В качестве расширяющей функции g(t) в [10] предлагается использовать цифровую детерминированную периодическую функцию. В зависимости от вида манипулированного параметра несущей получаются сложные фазоманипулированные или же сложные частотно-манипулированные сигналы. Другие типы сложных сигналов, согласно множеству источников [11, 14, 15] не нашли применения в системах связи, поскольку либо обладают худшими свойствами, либо не технологичны в применении.

Фазоманипулированные сложные сигналы (ФМС) представляют собой последовательность радиоимпульсов, у которых отношение периода следования импульсов к длительности импульса равно единице, и начальные фазы которых изменяются дискретно по закону g(t). Существенное преимущество ФМС сигналов состоит в том, что последовательность таких импульсов имеет идеальный пикфактор, равный единице. Другим преимуществом является простота схем модуляции и демодуляции. Эффективность ФМС также актуальна и в условиях существенных доплеровских сдвигов, что является немаловажным фактором для БАК.

Высокоскоростные, а значит и высокоэнергетические СС, предполагают использование дискрета произвольного значения, составляющего даже единицы градусов. Однако, для создания низкоэнергетических систем связи, где используется бинарная манипуляция, дискрет фазы ц может принимать только два значения: ц = gр/2, где g = {+1,-1}.

В этом случае получаются противоположные элементарные символы, символы сообщения, и именно такие символы обеспечивают максимальную помехоустойчивость, поскольку противоположные сигналы реализуют максимально возможное расстояние в пространстве сигналов [12].

Другой вид сложных сигналов - частотно-манипулированные сигналы (ЧМС), или сигналы с дискретной частотной модуляцией (ДЧМ сигналы), образуются путем скачкообразного изменения частоты несущей. ДЧМ сигналы также имеют идеальный пикфактор, а их частота меняется дискретно по закону расширяющей функции g(t).

Для осуществления когерентной обработки ДЧМ сигнала, при его формировании необходимо использовать сетку частот, сформированную от одной и той же опорной частоты. Таким образом, техническое решение схем модуляции и демодуляции по сравнению с сигналами ФМС отличается большой сложностью. Другим недостатком ДЧМ сигналов является меньшая помехоустойчивость, поскольку символы этих сигналов ортогональны, то есть при равных условиях передачи расстояние между сигналами в пространстве сигналов будет в раз меньше. Однако, при использовании одной и той же расширяющей функции с базой B_c=L_g², где L_g = T_g / ф_g - число символов расширяющей последовательности (ПСП) (временная база сигнала), ДЧМ сигналы имеют преимущество по сравнению с ФМС по размеру ансамбля и величине базы. При этом технически реализовать ДЧМ сигнал с L_g >> 1 весьма сложно, гораздо проще реализовать ФМС сигнал, удовлетворяющий неравенству L_{g ФМС} > L²_{g ДЧМ.}

Важным частным случаем ДЧМ сигналов является сигнал с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ). Хороших результатов в этом направлении достигли разработчики беспилотного летательного аппарата «0рлан-10», они утверждают, что их наземный пункт управления позволяет одновременно сопровождать в полете и получать по специально разработанному каналу связи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты бортовую информацию от одновременно 4 беспилотных летательных аппаратов [13].

Следует учитывать, что принципиальным отличием сигнала с ППРЧ от ДЧМ сигнала является разрыв фазы при скачках частоты, что позволяет существенно упростить синтезатор сигнала, и делает СС с ППРЧ более реализуемыми.

Системы с ППРЧ подразделяются две основные категории: системы с медленной и быстрой скоростью перестройки рабочей частоты. Аппаратурная реализация радиоканала с медленной ППРЧ гораздо проще, чем с быстрой ППРЧ. Быстрая ППРЧ в свою очередь обладает лучшей помехоустойчивостью, так как она более походит на классический вид ДЧМ сигналов, а значит, и имеет их преимущества.

Особого внимания также заслуживает частотно-фазовая манипуляция (ЧФМ). ЧФМ сигнал является производным сигналом, огибающая которого является результатом перемножения исходного ДЧМ сигнала и ПСП. Таким образом, на периоде несущей база такого сигнала будет B_c=L_{g ФМ} * L^?_g ЧМ дискретов, где L - число соответствующих частотных или фазовых дискретов.

Полоса частот ЧФМ сигнала, как и ДЧМ сигнала будет определяться величиной

Fc=LgЧМ? f;

где ? f - дискрет частоты при ДЧМ, причем ? f ф_g?1, так как при значении большем единице будет плохое использование частот радиоканала, а при меньшем единицы - будет плохое использование интервала времени, соответствующего символу сообщения.

Таким образом, базу ЧФМ сигнала легко увеличивать как за счет уменьшения ф_g, так и за счет увеличения L_gЧМ. Это означает, что для получения большой базы сигнала можно ослабить технические трудности, возникающие при формировании ФМС или ДЧМ с такой базой. К тому же, ЧФМ сигналы обладают лучшими корреляционными свойствами за счет раздельного выбора законов модуляции фазы и частоты.

Поскольку сигнал с ППРЧ является частным случаем ДЧМ сигнала, то можно построить фазоманипулированный сигнал с ППРЧ. Естественно, наибольший интерес вызывает медленная ППРЧ с ФМ, либо с ЧМ и минимальным сдвигом, обеспечивающим непрерывность фазы несущей при смене символов. Однако для низкоэнергетических систем связи предпочтительнее ППРЧ ФМ из-за более широкого распределения энергии сигнала по диапазону радиоканала.

Исходя из проведенного анализа, и требований к наименьшему физическому объему приемо-передающего устройства, следует, что приемлемыми методами расширения несущей сигнала являются фазовая манипуляция (ФМС), псевдослучайная перестройка рабочей частоты с фазовой манипуляцией частотных позиций (ППРЧ-ФМ) и простая ППРЧ.

Далее следует выбрать тот метод, который обеспечивает наибольшую энергетическую скрытность системы связи БАК при прочих равных условиях. Поскольку отношение сигнал/шум на входе СС с ППРЧ больше единицы (при удовлетворительном качестве оно примерно равно 10), постольку сигнал с ППРЧ достаточно легко будет обнаружен сторонним приемником. В соответствии с рисунком 1 вероятность обнаружения при ложной тревоге Р_лт=10^-2 составляет величину порядка 0.6.

Рисунок 1. Зависимость Р_обн=f(q_p), характеризующая возможности стороннего приемника по обнаружению факта работы радиоканала

Следовательно, остаются сигналы ФМС и ППРЧ-ФМ. Если при их сравнении считать, что используется одна и та же радиолиния, в частности полоса радиоканала из условий распространения одинакова, то база ФМС будет существенно больше базы ППРЧФМ, а значит и скрытность ФМС сигнала будет выше. Так, если полоса радиоканала допускает для ФМС сигнала B_c=10⁴, то ППРЧ-ФМ с десятью частотными позициями, равномерно распределенными в полосе, допускает B_c=10³. Тогда на основании зависимостей рисунка 1 для Р_лт=10^-2 и q_p=10² находим: вероятность обнаружения сигнала ППРЧ-ФМ составляет величину порядка 0.2, а ФМС сигнала около нуля (по аналитическим зависимостям около 7*10^-4).

Вывод

На основании проведенного анализа следует вывод о том, что для построения низкоэнергетической системы связи для БАК целесообразно применять расширение спектра несущей путем фазовой манипуляции на ±р/2, то есть использовать ФМС сигнал.

Список литературы

1. Боев Н.М. Анализ командно-телеметрической радиолинии связи с беспилотными летательными аппаратами // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им.акад. М.Ф. Решетнева. Выпуск 2 (42) / гл. ред. д.т.н. И.В. Ковалев. -- Красноярск: СибГАУ. -- 2012. -- C. 86-91.

2. А.В. Полынкин. Исследование характеристик радиоканала связи с беспилотными летательными аппаратами, - Известия ТулГУ. Технические науки. - 2013. Вып.7., Ч.2 - 10с.

3. Richard V.N., Prasad R. OFDM wireless multimedia communication. Artech House Boston London. - 2000. - 59с.

4. Сашников Т.К., К вопросу обеспечения информационной безопасности беспилотных авиационных систем с летательными аппаратами малого и лёгкого класса в специализированных АСУ. - T-Comm - Телекоммуникации и Транспорт. - 201г. - С. 71 - 72.

5. Боев Н.М. Анализ радиолиний связи с беспилотными летательными аппаратами. - Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М.Ф. Решетнева - Красноярск - 2012. - С. 86-91.

6. Боев Н.М. Адаптивное изменение параметров цифровых систем связи комплексов беспилотных летательных аппаратов. - 22-я Международная Крымская конференция "СВЧ- техника и телекоммуникационные технологии", -2012 г., Материалы конф.: в 2 т. - Т. 1.

7. Гармонов А.В. Основы теории мобильной и беспроводной связи. Учебное пособие, - Воронеж: Изд-во ВГТУ, - 2010, - 183 с.

8. https://studme.org/171344/tehnika/shumopodobnye_signaly.

9. Сашников Т.К., «К вопросу обеспечения информационной безопасности беспилотных авиационных систем с летательными аппаратами малого и лёгкого класса в специализированных асу», - 2013г., - С. 71-72.

10. Урядников Ю.Ф., Аджемов С.С. Сверхширокополосная связь. Теория и применение. - М.: Солон-Пресс, 2009. -- 368 с.

11. Варакин Л.Е. "Системы связи с шумоподобными сигналами. -М.: Радио и связь, 1985. -364 с."

12. Калинин А.И. "Распространение радиоволн на трассах наземных и космических радиолиний. - М.: Связь, 1979. -- 296 с.

13. Тутубалин П.И. Кирпичников А.П. «Обеспечение информационной безопасности функционирования комплексов беспилотной разведки», - Вестник Казанского технологического университета. - 2017г. - С 86-91ю

14. Ю. П. Гришин, В. П. Ипатов, Ю. М. Казаринов и др, Под ред. Ю. М. Казаринова. - Радиотехнические системы: Учеб. для вузов по спец. «Радиотехника»/-- М.: Высш. шк., 1990. -- 496 с.

15. А. Г. Рындык. «Формирование и обработка фазоманипулированных сигналов Лабораторный практикум». - Часть учебного комплекса по дисциплине «Радиолокационные системы и комплексы». НГТУ им Р.Е.Алексеева». Нижний Новгород, 2011г. - 23с.

Размещено на Allbest.ru