Оценка помехоустойчивости системы передачи информации в условиях многолучевых замираний в канале

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

УДК 681.3.                                         

В условиях плотной городской застройки процесс передачи данных между различными электронными устройствами осложняется значительными препятствиями, вызванными электромагнитного взаимодействия множества устройств. Ключевыми проблемами ухудшающие качество обмена информацией и повышающие вероятность ошибочного декодирования информации становятся:

• 1.    Сосредоточение помех в определенных спектральных диапазонах из-за активности разнообразного оборудования – от промышленных генераторов и медицинских аппаратов до микроволновых передатчиков и т.д.

• 2.    Увеличение вероятности ошибок при декодировании информации, обусловленное с многолучевым распространением сигналов, отраженных от различных объектов. Дополнительный негативный фактор представляет многолучевое распространение сигналов. Эти искажения происходят из-за множественных отражений и преломлений сигнала в городской среде с ее разнообразными архитектурными объектами, что существенно снижает

качество передачи данных.

Возрастающая потребность людей в быстром и качественном информационном обмене привела к активному развитию методов и технологий, которые обеспечивают передачу, хранение и обработку данных. Часто источник информации и её потребитель находятся на значительном расстоянии друг от друга. Важно отметить, что в процессе передачи информации на большие расстояния она может подвергаться как незначительным изменениям, так и серьезным искажениям, вызванным помехами как техногенного, так и природного происхождения.

Ухудшение надежности информационного обмена обусловлено различными помехами. Наиболее значительное влияние на передаваемую информацию оказывают узкополосные и флуктуационные помехи, а также многолучевые замирания в каналах связи. Также было установлено, что для повышения устойчивости информационных коммуникаций к воздействию спектрально сосредоточенных помех необходимо применять сигнальнокодовые конструкции с минимальной корреляцией с этими помехами, а именно сигналы, основанные на собственных векторах субполосной матрицы с малыми собственными значениями. Однако из-за недостатка исследований по устойчивости данного типа сигналов к многолучевым искажениям невозможно оценить целесообразность применения этого метода формирования сигналов в городской среде.

В связи с этим целью работы явилась оценка влияния многолучевых искажений на сигналы, основанные на собственных векторах субполосной матрицы с применением компьютерной модели.

Во время передачи данных через физические каналы, различные виды электромагнитных помех могут искажать передаваемую информацию.

При передаче информации через физические каналы, различные виды помех могут искажать передаваемую информацию. Электромагнитная помеха (ЭП) – нежелательное воздействие электромагнитного, электрического и магнитного полей, а также тока и напряжения любого источника, которое может ухудшить качество функционирования системы, обеспечивающее информационный обмен за счет искажения информативных параметров полезного сигнала [1].

Рисунок 1. Классификация помех и их источников

Сигналы, передаваемые между передающей и приемной антеннами, подвержены флуктуациям мощности сигнала. Эти флуктуации сигнала визуализируется результате использования антенны, где будут суммироваться несколько лучей. Лучи попадают в антенну по разным путям, и при этом испытывают отражения и дифракции из-за окружающих препятствий. Принятый сигнал будет испытывать случайные флуктуации, как по амплитуде, так и по фазе. Случайные флуктуации амплитуды можно наблюдать путем записи огибающей сигнала, по мере того, как антенна физически перемещается как функция расстояния. Эти записи, как было показано, демонстрируют распределение Рэллея [2]. При условии, что r обозначает огибающую принятого сигнала или амплитуду, случайное явление описывается следующим образом:

гдет (J ²– средняя мощность сигнала.

Явление многолучевого замирания Райса.т Здесь преобладают стационарные сигналы, или луч, которые усиливают мощность принимаемого сигнала, в частности как лучи, распространяющиеся в направлении прямой видимости. Распределение Райса выражается следующим уравнением:

(0^^), (0

Возникает вопрос, насколько доминирующим или важным должен быть сигнальный луч. Ответ дает вычисление коэффициента К:

X = 10* log

Г a1 1

2o2

(ДБ).

Этот коэффициент представляет соотношение между мощностью преобладающего сигнала и мощностью многолучевого сигнала. Например, если доминирующего сигнала нет, в этом случае А=0; К=∞, и данное распределение теперь принимает вид Рэлея. С другой стороны, примем, что многолучевой сигнал отсутствует, в этом случае a²=0 и К=∞, здесь распределение приближается к виду импульса (или дельта-функции Дикара).

Подводя итог всего вышесказанного, следует отметить, что именно случайные помехи оказывают наибольшее влияние на передаваемые данные по информационным коммуникациям. Поэтому в техногенных условиях современных промышленных городов, особое внимание при случайных внешних воздействиях на информационные сигналы, следует уделять помехам сосредоточенных в полосах частот, наряду с флуктуационными помехами. Наибольшее влияние полосе частот в крупных городах имеют данный тип помех, которые служат для обеспечения информационного обмена между различными элементами информационных коммуникаций [6]. В связи с этим, для обеспечения заданного уровня качества передачи данных при информационном обмене в воздействии узкополосных помех, необходимо ограничить влияние помех на каналы передачи информации (экранирование каналов или компенсация помех), или закодировать передаваемую информацию таким образом, чтобы обеспечить максимальную устойчивость к данному виду помех.

Помимо различных видов помех, существенное влияние на помехоустойчивость систем передачи информации оказывает явление многолучевых замираний. Явление многолучевых замираний связано с многократными переотражениями принимаемых сигналов от различных объектов в городских условиях и последующей суперпозицией их на приемной антенне передатчика.

Были моделированы сигналы для исследования помехоустойчивости системы связи при передаче сигналов по каналу Рэлея. В зависимости от частоты возникновения замираний и от отношения сигнал шума менялось вероятность ошибки. В процессе моделирование изменялись такие исходные параметры, как размер алфавита, используемого для модуляции, и ширина частотного интервала с минимальной энергией сигнала. Результаты моделирования представлены ниже в Таблицах.

Таблица 1

ВЕРОЯТНОСТЬ ОШИБКИ СИСТЕМЫ СВЯЗИ ПРИ ПЕРЕДАЧЕ СИГНАЛОВ

ПО КАНАЛУ РЭЛЕЯ с M=2 и df=2E+6

По результатом полученных данных построен график (Рисунок 1).

-------Profile length 256

----Profile length 512

......Profile length 1024

---Profile length 2048

Рисунок 1. Вероятность ошибки системы связи при передаче сигналов по Рэлеевскиим каналам с M=4 и df=8E+6

Как видно из приведенных экспериментальных результатов отношение энергии сигнала к односторонней спектральной плотности белого шума влияет на вероятность ошибки в меньшей степени чем длительность многолучевых замираний. Следует отметить, что увеличение длительности замираний (этот параметр напрямую влияет на частоту замираний) уменьшает вероятность ошибки.

Были проведены эксперименты по исследованию помехоустойчивости системы связи при передаче сигналов по каналу Райса. Вероятность ошибки изменялась в зависимости от значений отношений прямого и отраженного электромагнитных лучей и от отношения сигнал/шум [4, 5].

В процессе моделирования изменялись исходные параметры, как размер алфавита, используемого для модуляции, и ширина частотного интервала в которой энергия сигнала минимальна. Результаты моделирования представлены в Таблице 3. Для результатов иллюстрации результатов построен график вероятностей ошибок системы связи при передачи по каналу Райса.

ВЕРОЯТНОСТЬ ОШИБКИ СИСТЕМЫ СВЯЗИ ПРИ ПЕРЕДАЧЕ СИГНАЛОВ ПО КАНАЛУ РАЙСА с M=2 и df=2E+6

Рисунок 2. Вероятность ошибки системы связи при передаче сигналов по каналу Рэлея с M=2 и df=2E+6

ВЕРОЯТНОСТЬ ОШИБКИ СИСТЕМЫ СВЯЗИ ПРИ ПЕРЕДАЧЕ СИГНАЛОВ

ПО КАНАЛУ РАЙСА с M=4 и df=8E+6

Таблица 4

Таблица 3

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 11. №4 2025

о ю'5

-10     -5

Рисунок 3. Вероятность ошибки системы связи при передаче сигналов по каналу Рэлея с M=4 и df=8E+6.

Rician parametr K(dB) О

Rician parametr K(dB) 10

----Rician parametr K(dB) 30

Заключение

Исследование показало возможность эффективной работы информационных сигналов за счет повышения помехоустойчивости канала связи.

Анализ результатов эксперимента показал следующее. Величина отношения энергии прямого луча к энергии отраженного луча сигнала оказывает существенное влияние на вероятность ошибочного приема информации.

Следует отметить то, что когда при малых параметрах отношения, а именно меньших 0 дБ кривая вероятности ошибки для сигналов претерпевших искажения в канале Райса практически полностью совпадает с кривой, полученной для канала Рэлея. В свою очередь большие отношения энергии прямого луча к энергии боковых, а именно больших 30 дБ приводит к совпадению кривой помехоустойчивости, полученной для канала Райса с кривой, полученной для сигналов, не претерпевших каких-либо искажений, за исключением добавления аддитивного белого шума.

Кроме того, следует отметить, что изменения ширины частотного интервала с минимальной энергией сигнала не оказывает существенного влияния на вероятность ошибки при декодировании информационных сигналов, даже при наличии искажений в каналах с многолучевыми замираниями.