ТОП 10:

Исследование адекватности модели канала связи





Необходимым условием возможности использования модели канала является ее адекватность реальному каналу связи.

Наиболее пол­ной характеристикой качества дискретного канала является статистика ошибок, возникающих при передаче информации. Поэтому доказатель­ством адекватности может служить получение на модели потоков оши­бок, близких по характеристикам к потокам ошибок реальной трассы, при входных данных модели, соответствующих (или не противореча­щих) реальным характеристикам трассы.

В условиях, когда нет полной информации о всех используемых в модели параметрах канала связи, должна быть произведена идентифи­кация параметров, т. е. подбор значений параметров, при которых ста­тистические характеристики потоков ошибок модели и трассы близки.

В работе [108] проведена идентификация параметров модели дискретного канала связи, представленной в работе [90] и таким образом показана возможность получения модели канала адекватной реальной трассе.

Всю совокупность входных данных модели можно условно раз­делить на три группы:

- параметры радиосистемы;

- начальные случайные числа, для датчиков случайных чисел модели;

- параметры радиоканала.

К последним относятся следующие параметры:

Iср - среднее количество радиолучей;

Δtmax - максимально возможная разность хода радиолучей;

- математическое ожидание коэффициента передачи радиолучей;

- среднеквадратическое отклонение распределения коэф­фициента передачи радиолучей;

τср - среднее значение интервала корреляции замираний в дискрет­ных лучах;

r - коэффициент взаимной корреляции квадратурных компонентов двухмерного марковского нормального процесса;

- спектральная плотность мощности атмосферного шума;

Рсп - вероятность попадания станционной помехи в фильтр основной селекции;

Мсп - математическое ожидание распределения уровней станционных помех;

Σсп - СКО распределения уровней станционных помех. Iср и Δtmax

Оценки большинства из этих параметров приводились в литерату­ре для KB радиоканалов, соответствующих различным трассам и усло­виям связи. Так, параметры Iср и Δtmax могут быть получены как из не­посредственных измерений на трассе, так и из програм­м расчета ионосферного распространения радиоволн. Оценки по τср для KB канала могут быть по­лучены из гистограмм числа пересечений медианного уровня сигнала при замираниях отдельных лучей и могут составлять [46]в зависимости от времени года и вида трассы 3,0—10,0 с.

Выбор значения параметра r определяется условиями распростра­нения. Для нормальных условий, считая замирания релеевскими, либо райсовскими, выби­раем r=0. Для высокоширотных трасс с тяжелыми условиями распрост­ранения необходимо выбирать значение r близкое к 1.

Параметры и определяют ослабление сигнала при его прохож­дении по трассе и глубину замираний сигнала. Они могут быть полу­чены путем статистической обработки прямых измерений уровней сиг­нала на приемном устройстве. В случае отсутствия измерений и их оценки могут быть произведены по характеру гистограмм потоков ошибок, полученных на трассе, при установленных значениях осталь­ных параметров.

Для определения зависимости гистограмм потока ошибок от пара­метров канала и было проведено моделирование прохождения теле­грамм из 100 квантов, передаваемых в режиме ППРЧпри отсутствии станционных помех. Длина кванта принималась равной 150двоичным символам. Результаты моделирования представлены в виде распреде­ления квантов всех телеграмм по количеству ошибок (рис. 3.1а и 3.2а) и распределения телеграмм по группам качества (рис. 3.1б и 3.2б). Такое двухуровневое описание дискретного канала [57] целесообразно в связи с использованием в большинстве современных систем передачи дискрет­ной информации блочных кодов для помехоустойчивого кодирования. Разбиение количества телеграмм на семь однородных по качеству групп проводилось в зависимости от числа принятых без ошибок квантов в телеграмме, причем телеграммы с минимальным количеством безоши­бочных квантов относили к первой группе, а с максимальным количест­вом - в седьмую группу. Гистограммы 1, 2 и 3 (рис. 3.1) получены при неизменном , соответственно для , при котором средний уро­вень

сигнала меньше уровня атмосферного шума; , при котором средний уровень сигнала больше уровня атмосферного шума; при котором средний уровень сигнала много больше уровня атмосфер­ного шума. Кривые 1 и 2 (рис. 3.2) получены при неизменном соответ­ственно для = 0 дБ и = 20 дБ.

Различный характер влияния параметров и на вид гистограмм позволяет ориентировочно оценить их величины при остальных известных параметрах модели.

Аналогичным образом определялось влияние параметров станцион­ных помех Рсп, Мсп, Σсп на характер гистограмм распределений кван­тов и телеграмм. Увеличение Мсп приводит к увеличению на гистограмме количества квантов в области количества ошибок N/2, причем тем в большей степени, чем выше Рсп. Влияние Σсп на вид гистограмм сход­но с влиянием Мсп, но при небольших Рсп выражено слабее.

Были также проведены идентификация параметров и моделирова­ние коротковолнового канала связи для меридиональной трассы средней длины с целью получения на модели потоков ошибок, близких по параметрам к потокам ошибок, зарегистрированных при испытаниях на реальной трассе. На рис. 3.3 показаны гистограммы распределений телеграмм, полученные на трассе и на модели, при различных началь­ных случайных числах KR. Объем выборки телеграмм в модели и экс­перименте был выбран одинаковым.

 

Рис. 3.3

 

Проверка близости гистограмм мо­дели и эксперимента осуществлялась по критерию Пирсона. При этом, для получения теоретического распределения использовалась гисто­грамма, наработанная на модели на большом количестве телеграмм, достаточном для появления статистически устойчивых результатов. По­лученное значение X2 для уровня значимости Q = 60% не превышает критическое значение, т. о. гипотеза о соответствии законов распреде­лений телеграмм, полученных на модели и трассе, не противоречит опытным данным. Это подтверждается и проверкой по критерию Кол­могорова.

Распределения квантов по количеству ошибок, полученные по ре­зультатам трассовых испытаний и наработанные на модели для раз­личных пар начальных случайных чисел, представлены на рис. 3.4.

Рис. 3.4

Оче­видно, что требования к близости гистограмм модели и трассы долж­ны быть выше на начальном участке и снижаться в области повышен­ных значений частоты ошибок, приводящих к полному стиранию ин­формации, передаваемой на кванте. Для количественного выражения требований к близости гистограмм при применении блочных кодов мо­жет быть использована зависимость вероятности правильного приема кодового слова Рпр от количества ошибок на кванте. Оценка Рпр может быть произведена из формулы

где п — размер кодового слова; j — количество ошибок на длине п;

N — длина кванта в посылках; i — количество ошибок на кванте;

i0 — максимальное количество ошибок в блоке, не приводящее к стиранию.

На рис. 3.5 приведены графики зависимостей Рпр от количества оши­бок на кванте для кода с проверкой на четность вида (9, 8, 2) и кода Боуза-Чоудхури-Хоквингема вида (31, 16, 7) с исправлением двух ошибок при длине кванта N=150. Очевидно, что все кванты, имеющие более 60 ошибок, для обоих кодов приводят к стиранию кодового слова, а следовательно, могут быть объединены в один разряд при оценке бли­зости гистограмм.

 
 
Рис. 3.5. Графики зависимостей Рпр от количества оши­бок на кванте


Гистограммы квантов для модели трассы были сгруппированы по разрядам таким образом, чтобы максимальная разность вероятности правильного приема кодового слова ΔРпр для квантов, попавших в один разряд, не превысила величину 0,05. Группировка проводилась в соот­ветствии с кривой 1 (код КПЧ вида (9, 8, 2), обеспечивающий более жесткие требования к близости гистограмм).

Использование критериев близости для оценки гистограмм квантов не может дать правильных результатов в связи с тем, что гистограмма квантов включает кванты всех телеграмм, однако характер распреде­ления ошибок на квантах внутри одной телеграммы определяется релеевскими замираниями, а от телеграммы к телеграмме - логнормальными.

Рис. 3.6 Гистограммы распределения квантов мо­дели и трассы, а также границы доверительных интервалов.

 

 

Для оценки близости гистограмм были рассчитаны доверительные интервалы, соответствующие доверительной вероятности Pпр=0,9 для каждого разряда гистограммы. Для оценки математического ожидания каждого разряда была использована полученная на модели гистограм­ма для большого количества телеграмм, обеспечивающего устойчивую статистику. Для оценки СКО использовались гистограммы, получен­ные на модели при том же объеме телеграмм, что и полученные на трассе. На рис. 3.6 показаны сгруппированные гистограммы квантов мо­дели и трассы, а также границы доверительных интервалов.

По результатам проведенной идентификации параметров канала на моделях двух радиосистем были определены характеристики надеж­ности связи [91, 92]. Получено хорошее приближение с характеристиками на­дежности, построенными по экспериментальным данным реальной трассы.

3.4 Методика имитационного моделирования систем передачи информации

Задачи сравнительной оценки характеристик альтернативных вариантов построения систем передачи информации (СПДИ), оптимального комплексирования средств помехозащиты, оптимизации алгоритмов и режимов работы системы связи и ее отдельных блоков, возникающие на различных ста­диях проектирования СПДИ, могут эффективно решаться средствами автома­тизированного проектирования (соответствующими АРМ).

Существующие системы моделирования (СМ), пакеты и комплексы про­грамм моделирования средств и систем связи, могут быть клас­сифицированы по выбранному объекту моделирования в иерархии уровней пред­ставления сети связи:

• сеть связи;

• система связи;

• устройства обработки сигналов.

Выбранный уровень определяет характер используемых моделей и иссле­дуемые характеристики. Наиболее развитые СМ ориентированы на решение задач моделирования нескольких уровней иерархии, при этом каждый из ни­жестоящих уровней обеспечивает необходимой исходной информацией модели последующего верхнего уровня.

Среди методов моделирования систем связи и оценки их характеристик, реализованных в СМ, могут быть выделены:

- имитационно-статистический, основанный на получении последователь­ности выборок формируемой смеси сигнал+помеха во временной, либо в частот­ной области и на их обработке подробными моделями аппаратных компонентов системы связи, получивший особенное развитие в связи с широким внедрением цифровой обработки сигнала. Алгоритм моделей в этом случае может полно­стью совпадать с алгоритмами функционирования реальных устройств обра­ботки сигнала. Применение такого метода к моделированию систем связи при­водит к громоздкости программной реализации моделей, неоправданно большим вычислительным затратам и большой длительности имитационного экспери­мента, особенно для систем со сложными сигналами, применением различного рода средств помехозащиты, систем с обратной связью и адаптацией;

- аналитико-вычислительный. Базируется на аналитических моделях си­стемы связи с учетом параметров канала связи и аппаратурных средств [65]. Получение таких моделей возможно далеко не во всех случаях. Изменение структуры или алгоритма работы системы связи приводит к необходимости коррекции такой модели, что является сложной научно-технической задачей и не может быть сделано оперативно;

- натурно-модельный. Основан на использовании предварительно полученных в процессе натурных испытаний потоков решений демодуляторов для различных режимов работы системы связи, измерений уровней помех и дру­гих характеристик канала связи [57]. Полученный статистический материал ис­пользуется далее в качестве входных данных для моделей устройств обработки сигналов. Такой подход, характеризующийся отказом от модели канала, имеет известные ограничения: недостаточная статистика, необходимость проводить дополнительные испытания в случае отсутствия необходимого режима и т. д. Характеристики СМ систем связи в значительной мере определяются вы­бором в качестве базовой модели канала связи. Математическая модель канала связи [90] позволяет реализовать при моделировании систем связи аналитико-имитационный принцип, основанный на приближенном моделировании канала связи и аппаратурных средств системы связи. Модель учитывает наиболее важ­ные свойства ионосферного радиоканала, такие как аддитивные помехи, зами­рания сигнала и помех, многолучевость сигнала, энергетические потери из-за неоптимального построения аппаратуры, обеспечивает формирование харак­терных для многолучевого радиоканала вставок и выпадений элементов сигнала, обусловленных сменой лучей, имеющих наибольший коэффициент пере­дачи. В основу модели заложено представление процессов замираний сигнала и помех в виде последовательности состояний, в течение которых уровни сиг­нала и помех приближенно могут считаться неизменными. Длительность ин­тервала постоянных параметров (ИПП) определяется из формулы

(3.36)
Типп = Тк/к,

где Тк — наименьший из заданных в параметрах модели интервалов корреля­ции сигнала и помех; к >> 1. (В программной реализации модели канала было принято к = 10.)

(3.37)
Другим допущением модели является представление помех на длительно­сти ИПП гауссовским шумом со спектральной плотностью, равной сумме спек­тральных плотностей всех действующих в канале шумов и помех. При этом вероятность ошибок Рош определяется для каждого ИПП как функция рассчи­тываемого отношения сигнал/помеха А2 в соответствии с формулой для канала с постоянными параметрами

Pош = 0.5exp(-h2/M)1001Ki,

где М — коэффициент, учитывающий вид модуляции сигнала;

Кi — коэффициент потерь для i-го режима работы.

Путем равномерного разыгрывания получаемых значений Рош формируется поток ошибок, накладываемый далее на переданный сигнал. Выход модели соответствует выходу демодулятора с идеальным регенератором.

Принятые допущения позволяют значительно повысить скорость моделирования по сравнению с имитационными моделями. Использование в качестве базовой модели дискретного канала связи [88], быстрых моделей аппаратурных компонентов СПДИ позволяет на основе современного персонального компьютера создать АРМ, обеспечивающий скорость модельного эксперимента, соиз­меримую со скоростями работы реальной системы связи. В этом случае может быть обеспечена также и возможность сопряжения отдельных сечений модели S системы связи с соответствующими реальными блоками радиолинии.

 

В работе [110] автором был предложен АРМ, позволяющий проводить сборку модели СПДИ практически любого тре­буемого типа. Структура моделируемой СПДИ определяется как головной про­граммой, обеспечивающей выбор, последовательность выполнения и связи ис­пользуемых функциональных модулей (ФМ), так и значениями отдельных параметров в подготовленных файлах параметров. Получение универсальной модели с определением произ­вольной структуры и алгоритма СПДИ только через файлы параметров затруд­нено обилием различных их вариантов. В АРМ эта проблема решается путем разработки ряда существенно различных базовых моделей СПДИ, каждая из ко­торых позволяет получать путем выбора параметров семейство близких по структуре моделей. Тем не менее, АРМ является открытой системой для пользователя как в части пополнения набора готовых ФМ, так и в части сборки оригинальных моделей СПДИ.

Структура АРМ, включающая три связанные подсистемы, изображена на рис. 3.8.

           
   
Подсистема ионосферных моделей
 
База готовых моделей СПДИ
 
База ФМ сервисного обеспечения
                 
   
База ФМ канала и УОС  
     
 
 
   
База готовых моделей СПДИ
 
База ФМ готовых моделей СПДИ
       
 
 
Подсистема аналитико-имитационных моделей
 

 

 


Рис. 3.7..Структурная схема ПО АРМ

Подсистема аналитико-имитационных моделей включает базу собран­ных моделей СПДИ, базу подготовленных файлов параметров, базу ФМ моделей канала связи и аппаратных средств СПДИ, базу ФМ статистической обработки, формирования случайных чисел и процессов, базу ФМ сервисного обеспечения. Подсистема инструментальных средств программирования обеспечивает редак­тирование, сборку, отладку и трансляцию моделей. Подсистема ионосферных моделей обеспечивает оценку частотно-энергетических характеристик на трас­сах произвольной дальности и ориентации и обеспечивает данными параметры ФМ канала связи.

Макет АРМ был реализован на IBM PC, язык реализации и сборки моделей СПДИ — ФОРТРАН. ФМ графического вывода заимствованы из состава СИАМ, разработанной в ИИТПМ г. Омск.








Последнее изменение этой страницы: 2017-02-17; Нарушение авторского права страницы

infopedia.su не принадлежат авторские права, размещенных материалов. Все права принадлежать их авторам. Обратная связь - 54.196.110.222 (0.02 с.)