ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ

Для цитирования: Паршуткин А. В., Святкин С. А., Бучинский Д. И. Оценка влияния непреднамеренных нестационарных помех на функционирование системы спутниковой связи с частотно-временным разделением каналов // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 7–8. С. 28–33. DOI 10.21778/2218-5453-2020-7-8-28-33 УДК 621.396

А. В. Паршуткин 1 , С. А. Святкин 1 , Д. И. Бучинский 1

1 Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ НЕПРЕДНАМЕРЕННЫХ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПОМЕХ НА ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ С ЧАСТОТНОВРЕМЕННЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ

В статье рассматривается воздействие нестационарных непреднамеренных помех на наземную станцию системы спутниковой связи с частотно-временным разделением каналов. Проведено сравнение влияния нестационарных помех и белого гауссовского шума на канал приема наземной станции с помощью имитационного моделирования. Имитационная модель учитывает влияние непреднамеренных помех на подсистему синхронизации и выделение границ передаваемого пакета приемника наземной станции системы спутниковой связи. Критерием качества функционирования канала спутниковой связи была выбрана вероятность битовой ошибки. В статье приведена зависимость защитного отношения от отношения длины преамбулы к длине пакета в условиях воздействия импульсных помех. Полученная зависимость может быть использована для оценки помехозащищенности наземной станции системы спутниковой связи в условиях воздействия импульсных помех.

Ключевые слова: помехоустойчивость, частотно-временное разделение MF-TDMA, протокол DVB-RCS2, наземная станция, импульсные помехи

Введение

Важным направлением развития современных систем спутниковой связи является использование спектрально эффективных сигналов, адаптивных протоколов и современных технологий разделения доступа. Одной из самых эффективных технологий разделения имеющейся полосы частот является частотно-временное разделение MF-TDMA (Multi-Frequency Time-Division Multiple Access). Эта схема доступа подразумевает, что каждый абонент передает данные согласно динамически меняющемуся частотно-временному плану. Учитывая, что абоненты имеют трассы распространения различной длины, а значит, и различное время распространения сигнала, необходимо обеспечить общую синхронизацию системы спутниковой связи (ССС) и возможность корректного выделения информационной части посылки [1, 2]. Однако в связи с ростом загруженности электромагнитного спектра в крупных промышленных центрах возникают ситуации воздействия помех от наземных станций других ССС, станций наземной связи, сухопутных или воздушных станций радиолокационной, радионавигационной служб. Поскольку большое количество ССС и систем передачи информации используют пакетную передачу, то возможна ситуация, когда воздействие мешающего сигнала будет полностью или частично совпадать со временем приема синхропоследовательности посылки.

Поэтому оценка помехоустойчивости ССС к воздействию импульсных помех на подсистему синхронизации и выделения информационной части посылки является актуальной задачей.

Модель воздействия непреднамеренных нестационарных помех на ССС с частотно-временным разделением

Рассмотрим основные источники непреднамеренных нестационарных помех на наземную станцию ССС. На такую станцию ССС могут воздействовать помехи со стороны наземных станций других ССС, наземных станций передачи информации, сухопутных или воздушных станций радиолокационной, радионавигационной служб, как показано на рис. 1 [3]. При этом помехи могут возникать не только в случаях, когда совпадают частоты приема рецептора помех и частота излучения мешающих средств, но и при создании помех по нежелательным каналам приема, либо при воздействии

Рисунок 1. Возможные источники непреднамеренных нестационарных помех наземной станции системы спутниковой связи

нежелательных излучений от источника помех. Поскольку станции радионавигационной и радиолокационной службы используют периодические импульсные сигналы, а современные системы передачи информации – пакетные режимы передачи, то помеховое воздействие с их стороны будет носить нестационарный характер.

В современных ССС выбор излучаемой передатчиком мощности осуществляется, исходя из измерения среднего отношения сигнал-шум в канале. Поэтому для нестационарной помехи существует возможность недооценки ее опасности. Современные корректирующие коды обладают высокой эффективностью и позволяют работать даже в условиях, когда средняя мощность шума выше средней мощности полезного сигнала. Однако если помеха представляет собой в первом приближении случайную последовательность помеховых импульсов с той же средней мощностью и воздействует во время приема служебной части кадра, в частности синхропоследовательности, то в работе ССС могут возникать ситуации ошибочного приема или полной потери части информации.

Рассмотрим реализацию технологии MF-TDMA на примере широко распространенных в настоящее время протоколов передачи данных спутниковой связи DVB-RCS и DVB-RCS2. Суть используемой технологии разделения доступа заключается в выделении каждому абоненту определенных временных слотов и соответствующих этим временным интервалам частотных полос для передачи пакетов. Пример организации частотно-временного плана в протоколах DVB-RCS и DVB-RCS2 и структуры суперкадра приведен на рис. 2.

Как видно из рис. 2, общий частотно-временной ресурс разделяется на последовательности суперкадров. Каждый суперкадр, в свою очередь, разделен на частотно-временные единицы (ЧВЕ). Одна или несколько соседних во времени ЧВЕ формируют временные слоты, которые в зависимости от приоритета и запрашиваемой полосы пропускания динамически разделяются между абонентами.

Последовательность суперкадров 1

Суперкадр 14 Суперкадр 15 Суперкадр 16 Суперкадр 17

Последовательность суперкадров 2

Суперкадр 234 Суперкадр 235 Суперкадр 236 ЧВЕ у, 1 ЧВЕ у, 2 ЧВЕ у, x

ЧВЕ 2, 1 ЧВЕ 2, 2 ЧВЕ 2, x

ЧВЕ 1, 1 ЧВЕ 1, 2 ЧВЕ 1, x

а) б) Рисунок 2. Пример организации частотно-временного плана (а) и структура суперкадра (б) в протоколах DVB-RCS, DVB-RCS2

При этом пакет не полностью занимает отведенный для ее передачи частотно-временной слот. Началу передачи пакета предшествует период, в который не должно производиться какое-либо излучение. На рис. 3 показан пример излучения пакета и воздействия на него нестационарной помехи длительностью τ п , начало которой смещено относительно начала пакета на время задержки τ з .

При этом отдельный канал связи в ССС представляет собой последовательность пакетов, передаваемых на различных частотах. Для оценки влияния нестационарных помех на такой канал была использована имитационная модель, структурная схема которой показана на рис. 4.

Модель формирует случайную последовательность бит, кодирует ее корректирующими кодами, а к полученному кодовому слову добавляет преамбулу. Полученная последовательность поступает в модулятор, где формируется пакет, к которому добавляется нестационарная помеха и белый гауссовский шум, моделирующий собственные шумы приемника.

Будем полагать, что нестационарная помеха может быть представлена хаотической последовательностью радиоимпульсов без последействия. При этом задержка начала воздействия помехи относительно начала пакета может быть представлена случайной величиной τ з с равномерным распределением [4]: ω(τ з ) = 1 / 0 ⎧ ⎨ ⎪ ⎩ ⎪ T 0 τ ≤ τ з < з 0, ≤ τ T; з >, где ω(τ з ) – плотность распределения вероятности величины τ з , T – длительность пакета.

Полученная реализация поступает в приемник, где осуществляется ее демодуляция и выделение информационной части пакета. Последняя декодируется [5] и поступает в блок вычисления показателя качества функционирования, в котором

Рисунок 3. Передача посылки во временном слоте и пример реализации огибающей нестационарной помехи U

Рисунок 4. Структурная схема имитационной модели воздействия нестационарных помех на канал системы спутниковой связи с частотно-временным разделением

на основании сравнения с передаваемым сообщением вычисляется вероятность битовой ошибки.

С помощью описанной модели моделировалось воздействие помех на канал спутниковой связи с частотно-временным разделением и находилась вероятность битовой ошибки.

Результаты моделирования представлены на рис. 5. Пунктирные кривые показывают зависимость вероятности битовой ошибки P b от отношения мощности сигнала к средней мощности помехи P c P n при воздействии белого гауссовского шума на канал передачи с модуляцией QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) и схемой кодирования с использованием внутреннего кода БЧХ (Боуза – Чоудхури – Хоквингема) и внешнего кода LDPC (Low Density Parity Check Code) для различных скоростей кодирования R. Непрерывными кривыми показаны зависимости P b (P c P n ) при воздействии нестационарной помехи на пакеты с использованием 2-, 3- и 4-сигнально-кодовой конструкции протокола DVB-RCS [6].

Из графиков видно, что нестационарная помеха может вызвать существенное снижение качества приема и препятствовать корректному приему информации при высоких отношениях мощности сигнала к средней мощности помехи, т. е. в случае расположения наземной станции в районах со сложной

дБ

Рисунок 5. Зависимости вероятностей битовой ошибки P b от отношения мощности сигнала к средней мощности помехи P c /P n

дБ

Рисунок 6. Зависимости вероятностей битовой ошибки P b от отношения мощности сигнала к средней мощности помехи P c /P n для пакетов с различным отношением преамбулы и информационной части

0,02 0,04 0,06 0,08 0,10

Рисунок 7. Зависимость защитного отношения γ от отношения длины преамбулы n к длине всего пакета m

электромагнитной обстановкой, характеризующейся наличием нестационарных непреднамеренных помех, необходимо корректировать требуемое для нормального функционирования защитное отношение.

С помощью указанной имитационной модели было проведено моделирование воздействия нестационарных помех на пакеты с различным соотношением количества символов преамбулы n и количества символов всего пакета m. Использовались QPSK-модуляция и корректирующие коды со скоростью кодирования 1/3. Результаты представлены на рис. 6.

Полагая необходимой для корректной работы канала спутниковой связи вероятность битовой ошибки менее 10 –7 [7, 8], можно определить защитные отношения из графика, представленного на рис. 6, и построить зависимость защитного отношения γ от отношения длины преамбулы n к длине кадра m. Указанная зависимость показана на рис. 7.

Возрастание защитного отношения для пакетов с меньшей относительной длительностью преамбулы объясняется тем, что для одинаковых значений средней мощности импульсная мощность помехи увеличивается.

Заключение

Проведенные исследования показали, что наибольшую опасность для ССС представляют помехи в случае использования пакетов с малым отношением длины преамбулы к длине кадра и низкой скоростью кодирования. В такой ситуации помехоустойчивость к воздействию белого гауссовского шума будет существенно выше помехоустойчивости к нестационарным помехам.

Полученные зависимости могут быть использованы для оценки помехозащищенности наземных станций систем спутниковой связи с частотно-временным разделением каналов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Предложения по оценке эффективности преднамеренных помех элементам синхронизации сигналов спутниковых систем / С. Н. Агиевич, В. В. Борисов, С. В. Дворников, С. А. Луценко // Вопросы оборонной техники. 2019. № 5–6.

С. 114–120. 2. Маслаков П. А., Паршуткин А. В. Исследование помехоустойчивости современных стандартов спутниковой связи к воздействию нестационарных помех // Труды СПИИРАН. 2017. № 4 (53). С. 159–177. 3. Электромагнитная совместимость систем спутниковой связи /под ред. Л. Я. Кантора и В. В. Ноздрина. М.: НИИР, 2009. 280 с. 4. Тихонов В. И. Статистическая радиотехника. М.: Советское радио, 1966. 680 с. 5. Волков И. Ю., Дряхлов А. А. и др. Декодирование LDPC кодов с помощью методики стирания для алгоритма UMP

APP // Цифровая обработка сигналов. 2016. № 4. С. 31–34. 6. ETSI EN301 545–2 V1.1.1 Digital Video Broadcasting (DVB); Second generation DVB Interactive Satellite System (DVB

RCS2); Part 2: Lower layers for Satellite standard. 2012–01. 7. Модель исследования помехоустойчивости канала радиосвязи с двоичной фазовой манипуляцией при передаче видеоданных / П. А. Маслаков, В. М. Баранов, И. М. Заживихин, С. Г. Ворона // Нелинейный мир. 2018. № 1. С. 26–32. 8. Исследование помехоустойчивости канала радиосвязи с четырехпозиционной фазовой модуляцией при передаче разных типов данных / П. А. Маслаков, А. В. Швецов, А. В. Пилков, М. С. Акимова // Технологии электромагнитной совместимости. 2018. № 1 (64). С. 44–53.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Паршуткин Андрей Викторович, д. т. н., профессор, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского, Российская Федерация, 197198, Санкт-Петербург, ул. Ждановская, д. 13, тел.: 8 (812) 347-95-35. Святкин Сергей Анатольевич, к. т. н., доцент, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского, Российская Федерация, 197198, Санкт-Петербург, ул. Ждановская, д. 13, тел.: 8 (905) 213-16-46. Бучинский Дмитрий Игоревич, адъюнкт, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского, Российская Федерация, 197198, Санкт-Петербург, ул. Ждановская, д. 13, тел.: 8 (926) 015-82-74, e-mail: reys-rd@ya.ru.

For citation: Parshutkin A. V., Svyatkin S. A., Buchinsky D. I. Evaluation of influence of unintentional non-stationary interference on functioning of satellite communication system with multi-frequency time-division multiple access. Issues of radio electronics, 2020, no. 7–8, pp. 28–33. DOI 10.21778/2218-5453-2020-7-8-28-33

A. V. Parshutkin, S. A. Svyatkin, D. I. Buchinsky EVALUATION OF INFLUENCE OF UNINTENTIONAL NON-STATIONARY INTERFERENCE ON FUNCTIONING OF SATELLITE COMMUNICATION SYSTEM WITH MULTIFREQUENCY TIME-DIVISION MULTIPLE ACCESS

The article considers the effect of non-Stationary unintentional interference on the earth station of a satellite communications system with Multi-Frequency Time-Division Multiple Access. The influence of non-stationary interference and white Gaussian noise on the earth station reception channel is compared using simulation modeling. The simulation model takes into account the effect of unintentional interference on the synchronization subsystem and the allocation of the boundaries of the transmitted packet of the receiver of the earth station of the satellite communication system. The probability of a bit error was used as a criterion for the quality of the satellite channel operation. The article shows the dependence of the protective ratio on the ratio of the preamble length to the packet length under the influence of pulsed interference. The obtained dependence can be used to assess the noise immunity of an earth station in a satellite communications system under the influence of pulsed interference.

Keywords: interference immunity, MF-TDMA, DVB-RCS2, earth station, impulse disturbance

REFERENCES

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8. Agievich S. N., Borisov V. V., Dvornikov S. V., Lucenko S. A. Proposals for assessing the effectiveness of deliberate interference to synchronization elements of signals from satellite systems. Voprosi oboronnoi tehniki, 2019, no. 5–6, pp. 114–120. (In Russian). Maslakov P. A., Parshutkin A. V. Study of noise immunity of modern satellite communication standards to the effect of nonstationary interference. Trudi SPIIRAN, 2017, no. 4 (53), pp. 159–177. (In Russian). Kantor L. Ya., Nozdrin V. V., editors. Elektromagnitnaya sovmestimost sistem sputnikovoi svyazi [Electromagnetic compatibility of satellite communication systems]. Moscow, NIIR Publ., 2009, 280 p. (In Russian). Tihonov V. I. Statisticheskaya radiotehnika [Statistical radio engineering]. Moscow, Sovetskoe radio Publ., 1966, 680 p. (In Russian). Volkov I. Yu., Dryahlov A. A., et al. Decoding LDPC codes using the erasure technique for the UMP-APP algorithm. Cifrovaya obrabotka signalov, 2016, no. 4, pp. 31–34. (In Russian). ETSI EN301 545–2 V1.1.1 Digital Video Broadcasting (DVB); Second generation DVB Interactive Satellite System (DVBRCS2); Part 2: Lower layers for Satellite standard. 2012–01. Maslakov P. A., Baranov V. M., Zajivihin I. M., Vorona S. G. Model of research of noise immunity of a radio communication channel with binary phase shift keying during video data transmission. Nelineinii mir, 2018, no. 1, pp. 26–32. (In Russian). Maslakov P. A., Shvecov A. V., Pilkov A. V., Akimova M. S. Investigation of the noise immunity of a radio communication channel with four-position phase modulation when transmitting different types of data. Tehnologii elektromagnitnoi sovmestimosti, 2018, no. 1 (64), p. 44–53. (In Russian).

AUTHORS

Parshutkin Andrey, D. Sc., professor, Mozhaisky Military Space Academy, 13, Zhdanovskaya St., Saint-Petersburg, 197198, Russian Federation, tel.: +7 (812) 347-95-35. Svyatkin Sergey, Ph. D., associate professor, Mozhaisky Military Space Academy, 13, Zhdanovskaya St., Saint-Petersburg, 197198, Russian Federation, tel.: +7 (905) 213-16-46. Buchinsky Dmitry, adjunct, Mozhaisky Military Space Academy, 13, Zhdanovskaya St., Saint-Petersburg, 197198, Russian Federation, tel.: +7 (926) 015-82-74, e-mail: reys-rd@ya.ru.