Методы моделирования каналов связи

Цифровое моделирование на ЭВМ является эффективным средством исследовании и проектировании систем и средств радиосвязи [12, 14, 54, 64, 65, 109]. Одним из наиболее сложных и важных составляющих модели системы радиосвязи является модель канала связи [42, 43, 59, 88-91, 108].

Как известно, существует два механизма распространения радиоволн средних частот (300÷3000) кГц – поверхностной волной и ионосферной волной, т.е. с отражением от ионосферы. Для ионосферного канала связи характерны многолучевость, замирания сигнала, зависимость характеристик канала от гелио- и геофизических факторов: солнечной активности, времени суток, времени года, координат и т.д. Для СВ канала связи с механизмом распространения поверхностной волной характерны однолучевое распространение, отсутствие замираний сигнала и зависимость ослабления сигнала от электрических свойств подстилающей поверхности. Далее, рассматривая характеристики канала и реализуя программно параметрическую модель канала, будем принимать ионосферный канал как более сложный и более общий. Переход от ионосферного канала связи к каналу связи поверхностного распространения тривиален – это задание только одного луча распространения.

Известны два различных подхода при моделировании каналов связи - структурно-физический и феноменологический. Первый предполагает описание в модели реальных преобразований переданного сигнала в среде распространения с учетом её физических свойств. К моделям этого типа относятся, например, описания пространственно-временных каналов на основе уравнений Максвелла. Известны математические модели и методы расчета радиотрасс на основе физических моделей ионосферы, такие как метод Казанцева-Смита [39] и ряд других. Для моделирования ионосферного радиоканала успешно используется международная реферативная прогностическая мо­дель ионосферы - International Reference Ionosphere (IRI), разработанная большим коллективом ученых разных стран [73, 74, 101, 107, 117]. Данная модель относится к классу эмпирических и базируется на всех имеющихся источниках - мировая сеть ионозондов, радары некогерентного рассеяния, спутники, зондирующие внешнюю ионосферу, система GPS и др.

На базе IRI и ряда других физических моделей ионосферы созданы множество программ прогноза распространения ионосферных волн и расчета трасс - IONOCAP, VOACAP, ASAPS5, PROPWIZ и др. Подобные отечественные программы разработаны специалистами ИЗМИРАН (г. Троицк), РГУ (г. Ростов), ИСЗФ (г. Иркутск). Результатами расчетов являются значения напряженности поля в точке приема в зависимости от координат приемника и передатчика, рабочей частоты, времени суток, месяца, года, индекса солнечной активности, При задании мощности передатчика, вида модуляции, характеристик приемной и передающей антенн могут выдаться временные интервалы в течение суток, на которых обеспечивается заданное превышение сигнал/шум, прогнозируется радиус зоны покрытия, надежность связи и др.

Применение структурно-физических методов для прогнозов условий распространения и оценки качества канала дает весьма высокие результаты. Особенностью этих методов, затрудняющей их использование для исследования и оценки показателей качества систем связи, является то, что получаемые характеристики являются усредненными по времени и идентифицируются только суточные замирания. Отсутствие учёта динамики быстрых и медленных замираний не позволяет достаточно точно оценивать характеристики систем связи.

Поэтому в теории связи используется, главным образом, второй подход - феноменологический, особенностью которого является отображение с требуемой точностью только процессов на выходе канала связи, при этом структура и процессы, происходящие в канале связи, учитываются лишь косвенно, в виде их воздействий на сигнал. Характеристики феноменологической модели канала связи, определяющие связь её входных и выходных сигналов, называют системными функциями. Случайный характер быстрых и медленных замираний сигнала обуславливает статистический характер феноменологических моделей канала.

К статистическим моделям канала связи предъявляются следующие основные требования:

- адекватность модели реальному каналу;

- возможность параметрического управления характеристиками модели;

- максимальное быстродействие.

Под адекватностью здесь понимается способность модели отражать основные свойства реального радиоканала - затухание сигнала на трассе, замирания сигнала, многолучевость, наличие шумов и помех и, как следствие, вставки и пропуски элементов передаваемого сигнала; для дискретных сигналов - телеграфные искажения, межсимвольную интерференцию. Параметрическое управление характеристиками модели необходимо для обеспечения моделирования конкретной трассы, либо конкретной ионосферной или помеховой ситуации возможной на реальной трассе. Требование максимального быстродействия обуславливает разработку быстрых алгоритмов моделирования канала и компонентов системы связи.

Сигнал, подаваемый на вход канала, может быть представлен в виде

(3.1)

.

В общем случае канал связи обеспечивает многолучевое прохождение сигнала, при этом каждый луч характеризуется переменными во времени задержкой распространения и множителем ослабления. Принимаемый на выходе канала сигнал можно выразить в виде

(3.2)

,

где – множитель ослабления принимаемого сигнала по n -му лучу; – задержка распространения для n -го луча.

Подставляя (3.1) в (3.2), получаем

(3.3)

.