Метод одновременного многочастотного тестирования ионосферных КВ-радиоканалов при дистанционном управлении обработкой и анализом данных

Проблема и актуальность

Шумоподобные составные сигналы с одновременным формированием радиоимпульсов на сетке поднесущих (FDM, а при ортогональных поднесущих — OFDM) повышают качество связи, локации и зондирования. В КВ-связи парциальный канал занимает около 3 кГц, и кратное число таких каналов даёт кратный рост производительности модема. Для когнитивной КВ-связи нужно знать состояние всего множества каналов сразу, а действующие ионозонды излучают зондирующие частоты по очереди. Кроме того, параметры обработки приходится менять под задачу, а дистанционное управление экспериментом — в том числе с мобильных устройств — авторы называют практически не разработанным.

Цель и гипотеза

Цель — развить метод одновременного многочастотного тестирования ионосферных КВ-радиоканалов на квазизенитных (NVIS) линиях связи при дистанционном управлении обработкой и анализом данных. Гипотеза как проверяемое утверждение не сформулирована.

Материалы и методы

Сигнал. Длинный многочастотный импульс состоит из N ортогональных парциалов, каждый — из M чипов длительностью T_ch с фазами по псевдослучайной последовательности. Чипы двух поднесущих ортогональны, если поднесущие отстоят на 1/T_ch. Спектр описывается кусочно-постоянной моделью: соседние спектры пересекаются на уровне 2/π ≈ 0,64, и эффективная полоса чипа равна 1/T_ch. Многочастотный чип задаётся N комплексными отсчётами и синтезируется дискретным преобразованием Фурье.

Канал. Принятый спектр равен излучённому, умноженному на частотную характеристику канала; согласованная фильтрация даёт взаимно корреляционную функцию, пропорциональную импульсной характеристике парциального канала. Частотная характеристика записана суммой по модам распространения, фаза каждой моды разложена в ряд Тейлора по медленному времени и частоте — так в модель входят доплеровское смещение и групповая задержка. Квадрат модуля импульсной характеристики даёт мгновенный профиль задержки мощности, его среднее по медленному времени — профиль задержки мощности, спектр по медленному времени — функцию рассеяния. Когерентное накопление N_a отсчётов через БПФ даёт выигрыш 10 lg N_a дБ.

Система. Зонд — программно-конфигурируемое устройство на USRP N210 под управлением ПК. Серверное приложение отвечает за авторизацию, обмен с клиентами по настраиваемому протоколу, обработку запросов, смену расписания ионозонда и передачу результатов. Сервер обработки хранит в PostgreSQL рассчитанные по ионограммам минимальную, максимальную применимую и оптимальную рабочую частоты; настройки зонда лежат в таблице-конфигураторе, которую клиент меняет запросами, а результаты вторичной обработки кэшируются. Клиент тонкий: интерфейс авторизации и управления, ионограмма и графики. Библиотека сетевого взаимодействия написана на Java, работает на Android, Windows, Linux и macOS, обменивается сообщениями асинхронно и шифрует канал по AES, DES и RSA.

Параметры зонда. Сигнал MCPSK, диапазон 2–16 МГц, восемь поднесущих в полосе 200 кГц, код Баркера M = 13, длительность чипа 40 мкс и бита 520 мкс, разрешение по высоте 1 км и по модам 6 км, когерентное накопление до 16 384 импульсов, высоты 80–800 км, мощность 10 Вт. Параметры согласованы между собой: 13 чипов по 40 мкс дают 520 мкс, шаг поднесущих 1/T_ch = 25 кГц укладывает восемь поднесущих в 200 кГц, а 40 мкс соответствуют 6 км разрешения по дальности.

Две кривые на оси частот от −2B_b до 2B_b. Пунктир — главный лепесток одного чипа с максимумом 1. Сплошная — спектр бита с пиком 5 в нуле и пульсациями около 3–3,6 в пределах ±B_b/2, где нарисован прямоугольник высотой 3,6 — Спектральная плотность амплитуды бита из 13 чипов и одного чипа. Пересчитано по формулам статьи вместо рис. 3: пик в нуле равен сумме кода Баркера, 5, а уровень прямоугольной модели — √13 ≈ 3,6.

Результаты

Метод опробован на зонде, встроенном в сеть удалённого управления. Ионограмма одновременного многочастотного вертикального зондирования в Йошкар-Оле получена маломощным MCPSK-сигналом с полосой 200 кГц. На квазизенитной трассе тактической связи Яльчик — Йошкар-Ола длиной 80 км по удалённому запросу получены суточные ходы МПЧ и ОРЧ с шагом 15 минут и 1 час; укрупнение шага сглаживает суточный ход и позволяет оценить время перехода между ночной и дневной частотой.

Ионограмма: частота 2–8 МГц, действующая высота 100–650 км, цветом — амплитуда до 18 дБ. Видны две отражённые трассы, поднимающиеся от высоты около 230 км к 400 км у частот около 6 и 7 МГц — Ионограмма одновременного многочастотного зондирования в Йошкар-Оле сигналом MCPSK с полосой 200 кГц — рис. 7 статьи.

Рекомендованные рабочие частоты для трассы — 3,877 МГц ночью и 5 МГц днём; время перехода составило 21:07, 05:22 и 21:52. Достоверность результата авторы подтверждают расчётами по международной модели ионосферы.

Выводы авторов

Разработан метод одновременного многочастотного зондирования ионосферы и тестирования множества КВ-радиоканалов при дистанционном управлении обработкой и анализом данных — как часть подхода к интеллектуальной системе диагностики КВ-радиоканала и машинного обучения системы КВ-связи. Разработаны методики и алгоритмы удалённого управления зондом при смене решаемых задач, протокол сетевого взаимодействия и архитектура программных средств. Практическая значимость — в когнитивной КВ-связи: более равномерное использование парциальных каналов, помехоустойчивость, производительность модемов и снижение излучаемой мощности.

Ограничения

Фраза о том, что максимальные амплитуды спектров бита и чипа «отличаются в 3,6 = √M раза», неточна: пик спектра бита из 13 чипов Баркера равен сумме кода, то есть 5, что видно и на рис. 3 самой статьи, а √13 ≈ 3,6 — это уровень равновеликого прямоугольника, то есть среднеквадратичное значение в полосе. Для энергетики вывод об отношении M = 13 верен в среднем по полосе, а не в пике.

Одновременность относится к восьми поднесущим в полосе 200 кГц; как покрывается весь диапазон 2–16 МГц и сколько времени занимает полная ионограмма, не описано. Ионограмма относится к вертикальному зондированию в Йошкар-Оле, а суточные ходы — к наклонной трассе 80 км; даты и сезон наблюдений не приведены, как и числа сравнения с международной моделью ионосферы. Часть о дистанционном управлении описывает архитектуру, но не содержит измерений задержек, надёжности или нагрузки. Среди алгоритмов шифрования названа DES, которая сегодня считается устаревшей; клиентская библиотека PostgreSQL названа «libqt», по-видимому вместо libpq.

Новизна

Заявлены развиваемый подход к клиент-серверному удалённому управлению системой зондирования и обработкой данных, а также метод одновременного многочастотного тестирования КВ-радиоканалов сигналом с ортогональными поднесущими и кодированием фаз чипов.

Эвристики

[явно] Если парциалы многочастотного сигнала не должны мешать друг другу — то выдерживать шаг поднесущих строго равным 1/T_ch: ортогональность определяется только этим соотношением.
[явно] Если нужна импульсная характеристика канала — то получать её согласованной фильтрацией: взаимно корреляционная функция принятого и излучённого парциалов пропорциональна ей.
[явно] Если сигнал слабый — то накапливать N_a отсчётов когерентно: выигрыш составляет 10 lg N_a дБ, для 16 384 импульсов — около 42 дБ.
[реконструкция] Если параметры зонда приводятся списком — то проверять их на согласованность: здесь 13 × 40 мкс = 520 мкс, 1/40 мкс = 25 кГц × 8 = 200 кГц, а 40 мкс дают 6 км по дальности.
[реконструкция] Если результат обработки дорог и запрашивается повторно — то кэшировать его на сервере и отдавать тонкому клиенту готовым.

Одной фразой: Восемь ортогональных поднесущих с кодом Баркера на USRP N210 позволяют тестировать множество КВ-каналов одновременно, а сервер с PostgreSQL и тонким клиентом выносит управление зондом и обработку за пределы лаборатории; на трассе 80 км это дало суточные ходы МПЧ и ОРЧ и рабочие частоты 3,877 и 5 МГц.