Распространение радиоволн: повышение надежности передачи данных

11. Радиофизика, 11.1. Распространение радиоволн; 11.4. Статистическая радиофизика
"Повышение достоверности передачи данных на линии связи «космический
аппарат–наземная станция слежения»: режим прерывистого излучения".
М. Н. Андрианов
117997, Астрокосмический центр Физического института им. П.Н. Лебедева РАН,
Россия, 117997, г. Москва, ул. Профсоюзная, д. 84/32.
М. Н. Андрианов электронный адрес: mihail-andrian@asc.rssi.ru; mihail-andrian@mail.ru
Аннотация. Рассмотрен метод повышения достоверности
передачи данных в условиях логнормальных амплитудных
флуктуаций миллиметровых радиоволн на линии “космический
аппарат – наземная станция слежения” c использованием
режимов прерывистого излучения при когерентном приеме
сигналов. В работе показано, что коэффициент использования
радиолинии фиксирован при постоянном соотношении уровня
порога к среднему отношению сигнал/шум.
Ключевые
слова:
тропосферный
дисперсия,
дифракция
канал,
Фраунгофера,
миллиметровые
логнормальные
волны,
амплитудные
флуктуации, прерывистая связь, коэффициент использования радиолинии.
Известно, что применение миллиметрового (мм) диапазона
существенно повышает спектральную эффективность беспроводной
передачи данных наземно-космической радио интерферометрии на линии
“космический аппарат – наземная станция слежения” (КА – НСС) [1,2] до
скоростей, соизмеримых со скоростью записи цифровых
1
широкополосных данных в бортовую память КА, обеспечивая
бесперебойную работу наземно-космического интерферометра.
Однако, при распространении в турбулентной атмосфере
электромагнитные волны мм диапазона испытывают логнормальные
флуктуации амплитуды [3] и плотности вероятности отношения
сигнал/шум (ОШС) () также, как и амплитуды сигналов мм диапазона,
описываются логнормальным законом [4].
В свою очередь дисперсия логнормального процесса при передаче
данных, например, из точки Лагранжа (L2) когда радиус первой зоны
Френеля существенно больше внешнего масштаба турбулентности [2],
будет определятся фраунгоферовой дифракцией и линейно возрастать c
длиной пути электромагнитной волны по тропосферному каналу.
Дисперсия тропосферного канала миллиметрового диапазона волн с
учётом среднего коэффициента профиля [5] составит (1):
.
5
5
2
 2  σ 2χ   2  π   0.714  C 0   L03  k 2  z   2  π   0.51  C ε20  L03  k 2  z , (1)
16 
16 


где C 0 - структурная постоянная диэлектрической проницаемости в
приземном слое, составляет примерно 0.510-6 м-1/3; L0 - внешний масштаб
турбулентности, соответствует примерно 10 м; k – волновое число (2/),
где длина волны; z – длина пути электромагнитной волны по каналу с
логнормальными флуктуациями (по тропосферному каналу).
Целесообразно передавать данные в моменты отсутствия замираний
сигналов. Использование указанного алгоритма целесообразно, поскольку
огибающие дуплексных сигналов на линии связи от КА к НСС и обратно
2
коррелированы, при этом T   , где T – время распространения сигнала
по линии связи,  интервал корреляции огибающей сигнала во времени.
Измеритель уровня сигнала на входе приемника КА позволяет
принимать решение о включении/включении передатчика, если этот
уровень становится выше/ниже определенного порогового значения.
Поскольку данные в канале передаются только в определённые
моменты времени, целесообразно ввести коэффициент использования
радиолинии, равный отношению длительности конкретного интервала
передачи данных к общей длине сеанса связи. Тогда (t), определится из
выражения (2)
2
 




2 

  ln     

 ln t   2


 

0
0

   1  exp   
  d 0.5  erfc 
 . (2)
 ( t )   0.5
2
2
2  

2

2





2



  t









В (2)  соответствует мгновенному значению ОСШ. Из уравнения
следует, что коэффициент использования радиолинии не зависит от
среднего значения ОСШ только в случаях, когда порог ОСШ (t)
нормирован к среднему значению (  0 ).
Параметр нормировки (k), соответственно, равен
k
t
0 .
Зависимость коэффициента использования радиолинии от параметра
нормировки k при фиксированных   , в E-диапазоне (71-76; 81-86 ГГц),
2
описывается выражением (3), рис. 1.
 ln
 ( k )  0.5  erfc 

3
k   2


2 2  .
(3)
Рис. 1. Зависимости коэффициента использования радиолинии от
параметра нормировки k при различных фиксированных значениях
дисперсии (   ).
2
Усредняя вероятности ошибок сигналов ФМ-2/ФМ-4 в гауссовом
шуме по статистике логнормальных замираний в тропосферном канале
при значениях ОСШ выше порогового уровня можно получить
зависимость вероятности ошибок когерентного (4) приема от  0 .

Pc _ t ( 0 )  


2
 


2 
ln








0 z

  1  exp  
1
  erfc  d , (4)
2

2  

4  k  2 2  t




Определим нормированный к среднему значению ОСШ (  0 ) порог
 t  k   0 . Отметим, что для передачи полного массива данных скорость
передачи должна возрастать обратно пропорционально коэффициенту
использования радиолинии ((k)). При этом представляют интерес два
случая:
1.
 t  k   0 ; z =1, когда энергия бита (ОСШ) на входе приёмника
не зависит от коэффициента использования радиолинии ((k)) и,
4
соответственно мощность передатчика должна возрастать обратно
пропорционально (k);
 t   k   k   0 ; z   k  , когда мощность передатчика
2.
зафиксирована и ОСШ на входе приёмника зависит от (k).
Кривые вероятностей ошибок (4) для дисперсий   =0,1 и   =0,023
2
2
соответственно представлены графически на рис. 2.
Рис. 2. Вероятности ошибок приёма сигналов в режиме прерывистого излучения в
сравнении с вероятности ошибки в отсутствие прерывистого излучения (красная кривая)
для случаев: фиксированной энергии бита (синяя кривая); фиксированной мощности
передатчика (пунктирная коричневая кривая). Параметр нормировки k=1/2 и   =0,1
2
(левый график) и   =0,023 (правый график).
2
На рис. 2 и d соответственно углы места антенны и наклонные
дальности. При k =1/2, дисперсиях 0,1 и 0,023, коэффициенты
использования радиолиний составят соответственно 0,782 и 0,983, (3),
рис. 1.
Из рис. 2 видно, что выигрыш в режиме прерывистого излучения
возрастает с увеличением дисперсии и среднего значения ОСШ, когда
логнормальные флуктуации амплитуды сигнала в тропосфере значимы.
Кроме того, различия вероятностей ошибок в режимах прерывистого
излучения при фиксированных: энергии бита сигнала и мощности
5
передатчика незначительны, особенно при малом значении дисперсии
(рис. 2, правый график). Поэтому режим прерывистого излучения при
неизменной мощности передатчика предпочтительней, поскольку
фиксация его параметров обеспечивает более надёжное длительное
автономное функционирование передающего устройства.
Следует отметить, что в режиме прерывистого излучения (с
модуляцией сигнала ФМ-4), скорость передачи данных в E-диапазоне (7176; 81-86 ГГц) может составлять до 20 Гбит/с.
Автор заявляет, что у него нет конфликта интересов
Список литературы:
[1] Андрианов М.Н., Костенко В.И., Лихачев С.Ф. О повышении
спектральной эффективности и пропускной способности в канале
передачи данных на линии космический аппарат – наземная станция
слежения. // М., Космические исследования. 2018. Т. 56. №1. С. 85-92.
DOI: 10.7868/S0023420618010090
[2] Андрианов М.Н., Костенко В.И., Лихачев С.Ф. Влияние тропосферы на
пропускную способность линии связи «космический аппарат –
наземная станция слежения». // М., Космические исследования. 2019.
Т.57. №4. С. 278-282. DOI: 10.1134/S0023420619040010
[3] Рытов С.М., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. Введение в
статистическую радиофизику. Часть II. Случайные поля. – М.: Наука,
1978.
[4] Андрианов М.Н. Разработка субоптимальных алгоритмов повышения
эффективности систем подвижной радиосвязи. Диссертация на
6
соискание уч. ст. к.т.н., Радиотехника в том числе системы и
устройства телевидения. Московский технический университет связи
и информатики, Москва, 2009.
[5] Рыжкина Т.Е., Федорова Л.В. Журнал радиоэлектроники, №2, 2002
[Электронный ресурс] http://jre.cplire.ru/jre/feb01/3/text.html
7