Оценка влияния помех от радиоэлектронных систем на беспроводные устройства малого радиуса действия с блоковым кодированием

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621. 316. 722
Оценка влияния помех от радиоэлектронных систем на беспроводные устройства малого радиуса действия с блоковым кодированием
Владимир Михайлович Артюшенко, д.т.н., профессор, e-mail: artuschenko@ mail. ru
Василий Аркадьевич Корчагин, аспирант, e-mail: vkorchagin@mail. ru
ФГОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», Москва
Рассмотрены и проанализированы проблемы, связанные с влиянием электромагнитных помех радиоэлектронных средств на работу беспроводных устройств малого радиуса действия- показано, что применение простых двоичных блоковых кодов, а также кодирования с исправлением ошибок в условиях воздействия наихудших шумовых и гармонических помех приводит к повышению помехоустойчивости двоичных SRD с FHSS и случайной ЧМ.
The authors review and analyze the problems associated with the influence of electromagnetic interference of radio resources for the work of wireless short-range devices. The article shows that the use of simple binary block codes as well as a coding error correction in the worst impacts of noise and harmonic noise increases the noise immunity of binary SRD with FHSS and random FM.
Ключевые слова: устройства малого радиуса действия, помехоустойчивость, вероятность ошибки.
Keywords: short-range devices, noise immunity, probability of error.
Постановка задачи
В последнее время в развитых странах мира ведется интенсивная работа по созданию новых высокотехнологичных радиоустройств малого радиуса действия SRD (Short Range Devices), нашедших широкое применение в различных устройствах передачи данных, в системах обнаружения, охраны и безопасности, системах сбора телеметрической информации, а также большом числе других устройств различного назначения [1 — 3].
Беспроводные SRD работают в нелицензируе-мом диапазоне частот 2,4 ГГц, в котором уже функционируют различные радиотехнические устройства в промышленности, науке и медицине. Постоянное увеличение плотности размещения радиоэлектронных средств (РЭС) в ограниченном частотном диапазоне приводит к резкому увеличению уровня вызываемых ими помех. Очень остро проблема помех проявляется там, где РЭС должны размещаться на ограниченной территории. Как правило, их число может достигать несколько десятков, а расстояние между ними составлять от несколько метров до нескольких сантиметров.
Для достижения высокой помехоустойчивости в такой сложной помеховой обстановке в технологии SRD предприняты различные меры, например скачкообразная перестройка частот, осуществляемая с большой скоростью (1 600 переключений в секунду). Кроме того, передаваемые пакеты могут быть защищены с помощью помехоустойчивого кодирования, а также различными средствами, при использовании которых передача утерянных пакетов автоматически повторяется [4].
С учетом вышеизложенного оценим влияние помех от РЭС на работоспособность SRD в диапазоне частот 2,45 ГГц.
Оценка влияния помех РЭС на беспроводные устройства SRD
Произведем оценку помехоустойчивости SRD со скачкообразной перестройкой частоты FHSS (Frequency Hop Spread Spectrum) и двоичной частотной манипуляцией (ЧМ) и блоковым кодированием при воздействии различных типов помех.
Как было показано в [5], воздействие помех от РЭС на SRD с FHSS значительно снижает их
сигнал ШПФ
(пс,/)
lit)
>
ГПСК •
-'- >
ПФ
«единица» -*¦ ДО
(fuFb)
Z,
ПФ
«нуль»
(fuFb)
До
сч
РУ
ДИО
Выходные
символы
i=a+1
л
+n
i = d+1
Рис. 1. Структурная схема типового некогерентного (по огибающей) обнаружителя максимального правдоподобия
помехоустойчивость. Особенно сильно это сказывается, когда отношение сигнал/помеха (ОСП) близко к единице. В этом случае экспоненциальный характер зависимости средней вероятности ошибки в приеме бита информации вырождается в линейный, значительно снижая помехоустойчивость SRD. Улучшить характеристики SRD с FHSS в таких условиях можно с помощью кодов, исправляющих ошибки.
В качестве демодулятора ЧМ-сигналов рассмотрим типовой некогерентный обнаружитель максимального правдоподобия, структурная схема которого представлена на рис. 1 [6], где: СЧ — синтезатор частот- ГПСК — генератор псевдослучайного кода- ПФ — полосовой фильтр- ДО — детектор огибающей- ДИО — декодер с исправлением ошибок- ШПФ — широкополосный фильтр- РУ — решающее устройство.
Как известно, основными параметрами блоковых кодов являются [7]: k — число информационных бит- n — полное число бит в кодовом слове (длина кода) — Ук = k/n — относительная скорость кода- d — минимальное кодовое расстояние, равное наименьшему значению расстояния Хэмминга, т. е. число позиций, в которых кодовые комбинации отличаются друг от друга- а — максимальное число исправляемых ошибок на длине кодового слова, а = [(d — 1)/2], где [.] - целая часть числа-? — избыточность кода, под которым понимается параметр, определяющий долю избыточно передаваемых символов? = r/n = 1 — Ук, где r = n — k.
При помехоустойчивом кодировании наборы из k информационных символов отображаются в кодовые последовательности (кодовые слова), со-
стоящие из n символов (n & gt- k), при этом k позиций заполняются символами 1 и 0 по правилам первичного кодирования элементов (букв) алфавита источника сообщения. Оставшиеся позиции r = n — k также заполняются символами 1 и 0, но уже по соответствующим правилам кодирования.
Как правило, при помехоустойчивом кодировании используется псевдослучайное перемежение, при котором за счет случайных перестановок изменяется порядок передаваемых символов. На приемной стороне после деперемежения символов поступающие в декодер ошибки будут представляться случайными, что значительно облегчает их устранение с его помощью.
При статистической независимости ошибок в приеме различных символов SRD с FHSS и ЧМ двоичным блоковым кодированием в случае применения демодулятора с «жестким» решением средняя вероятность ошибки в приеме бита информации может быть описана выражением [б, S]
m (f)
Рбk * dn-1 ?fnVі(2)[1 -Pb (2)J
1? i|. P'(2)[1 -P,(2)f
(1)
где Рь (2) — вероятность ошибки на бит кодового слова (на канальный символ) на выходе демодулятора (на входе декодера).
В [5] было показано, что средняя вероятность ошибки на один информационный бит РБ может быть найдена исходя из следующих выражений:
• при воздействии шумовой помехи на основной канал —
(2 + $-1ехр{- [20ш /Ее + Рп/Рс] -1}- (2)
Б. осн
• при воздействии гармонической помехи на основной канал —
РБ. осн = 2 ехр {-0,5Рш (1 + (рша/л-1). (3)
Воспользовавшись этими соотношениями и учитывая, что энергия канального символа Ек = = (к/п) Ес = Ук Ес, где Ес — энергия сигнала на длительность бита информации, получим выражения
Оценка влияния помех от радиоэлектронных систем на беспроводные устройства малого радиуса.
для определения средней вероятности ошибки Ръ оси при воздействии на основной канал демодулятора шумовых и гармонических помех:
• при воздействии шумовых помех —
Ръ осн = 0,5(1 + О^РнРп1)-1 Х
X ехр {-у (2р1П1 +р-1)-1}- (4)
• при воздействии гармонических помех —
Ръ осн = 0,5 ехР {-Ук 05Рш (1 + Рс-1))Х
XI0 [УкРш (Рс-1)0,5 ]. (5)
В формулах (2) — (5) Ес — энергия сигнала на бит- Gш — спектральная плотность мощности собственных шумов приемного устройства- в = Ес Рп/ Рс- Рс ,
Рп -мощность сигнала и помехи соответственно- рш = Ec/Gш и рп = Рс/Рп отношение сигнал/шум (ОСШ) и отношение сигнал/помеха (ОСП) соответственно.
Из выражений (4) и (5) следует, что применение кодирования приводит к увеличению вероятности ошибки на канальный символ по сравнению с его отсутствием, когда Ук = 1.
Необходимо отметить, что если при кодировании длительность кодового слова или скорость передачи информации остается неизменной, то уменьшается длительность передаваемого канального символа. Это приводит к тому, что полоса пропускания каждого канала должна быть увеличена. Таким образом, при заданном диапазоне перестройки частот 8КО с РИ88 число каналов М, которое можно было иметь без кодирования, уменьшается до Мк = (М к/п), а мощность шумов в каналах приемника 8КО, наоборот, увеличивается до а2ш к = (ст2ш п/к), что, в свою очередь, приводит к уменьшению помехоустойчивости.
Это полностью соответствует тому факту, что если вводятся избыточные символы, а скорость передачи информации и мощность сигнала при этом остаются неизменными, то вероятность ошибки увеличивается (поскольку энергия, приходящаяся на один канальный символ, уменьшается) [6, 7].
Следовательно, использование в 8КО с РИ88 кодирования может быть эффективным лишь в том случае, если уменьшение вероятности ошибки (при его применении) будет достаточным для компенсации потерь, связанных с введением избыточности.
Определим максимальное значение средней вероятности ошибки на канальный символ при воздействии наихудших помех от РЭС на основной канал 8КО с и ЧМ двоичных блоковых кодов.
Решая уравнение йРъ /йрп = 0 применительно к (4) и (5) соответственно, получим:
• при воздействии шумовой помехи —
Ръ. max осн * рш Vk е, Рп (Vk — 2рш) *Vk
при Vk & gt->- 2рш-1- (6)
• при воздействии гармонической помехи —
Pb. max осн * 0,5[(2П) р1 V*& quot-1]0,5, Рп * 1. (7)
Анализ полученных выражений показывает,
что максимальное значение средней вероятности ошибки на канальный символ на выходе декодера в условиях наихудших помех (рп * 1), воздействующих от РЭС на основной канал SRD с FHSS и ЧМ двоичных блоковых кодов, в Vk-1 раз больше при шумовой помехе и в (Vk-1)0,5 больше при гармонической, по сравнению с воздействием таких же помех на SRD с FHSS без кодирования (см. соответственно первое выражение (8) и (21) в [5]).
Подставляя (6) и (7) в (1), получим выражения для определения максимальной средней вероятности ошибки в приеме бита информации РБ fcmax осн при применении в SRD с FHSS блокового кодирования в условиях воздействия наихудших шумовых и гармонических помех.
На рис. 2 а, б представлены зависимости максимальной средней вероятности ошибки в приеме бита информации от ОСШ при воздействии наихудшей шумовой и гармонической помех.
Следует отметить, что графики, представленные на рис. 2 а, б, построены для кодов, параметры которых [(n, k), d, а] имеют следующие значения: код Хэмминга — [(7,4), 1, 3]- код Голея -[(23,12), 3, 7]- код БЧХ (Боуза-Чоудхури-
Хоквингема) — [(15,7), 2, 5]. При этом относительная скорость всех кодов Vk = ½, а доля избыточно передаваемых символов s = 50%.
Анализ представленных на рис. 2 а, б зависимостей показывает, что применение простых двоичных блоковых кодов приводит к повышению помехоустойчивости двоичных SRD с FHSS и случайной ЧМ. Например, применение кода Хэмминга (7,4) в условиях воздействия наихудшей шумовой помехи позволяет повысить ОСШ примерно на 8 дБ при средней вероятности ошибки в приеме бита информации Рб k max осн = 10−3 и на 12 дБ при Рб k max осн = 10−4. Используя более помехоустойчивые коды, можно еще больше повысить ОСШ.
В условиях воздействия наихудших гармонических помех применение кодирования с исправлением ошибок также позволяет значительно повысить помехоустойчивость SRD с FHSS и случайной ЧМ. Например, применение кода Голея (23,12) при средней вероятности ошибки в приеме бита информации РE& gt-.k. max. ocH = 10−3 обеспечивает выигрыш приблизи-
S ifi О ю S —
5 1
Т ° §? со С о о
0 =
^ 5
1 §.
1 s
о & gt-s и: о
10−1
1& lt-Н
10-
10-
я х 10-
О
с_
° 10& lt-
5 10 15 20 25

х & quot-s.
V nN

V
10 15 20 25
а) ОСШ, дБ
s
Ъй О Ю S —
§ 1 т °
§? СО С
о о
0 X
^ 5
1 §.
1 s
и := * 1) ?3 X
^ 3
с.
1
10 1 101 10-? 10'-4 10−5 10'-6
0 •*5* 5 10 15 20 25
' Ч
Ч
V

V
10 15 20 25
6) OCI11, дБ
Код Хемминга (7,4) — Код Голея (23,12)
-Р.
so
Код БЧХ (15,7)
Рис. 2. Зависимости максимальной средней вероятности ошибки в приеме бита информации РБ 4тах осн от ОСШ при воздействии наихудшей помехи: а — шумовая помеха (р = V-1) — б — гармоническая помеха (р = 1)
тельно 10 дБ. Полученные результаты имеют несколько меньшее значение, чем результаты, приведенные в [9, 10].
Необходимо отметить, что повысить помехоустойчивость 8КО с РИ88 в условиях воздействия различного рода помех можно с помощью так называемых кодов с повторениями (дублирующих кодов). Использование таких кодов в 8КО с быстрой или медленной перестройкой частоты с пере-межением по битам очень часто является эффективным способом улучшения помехоустойчивости [6, 8, 11].
Таким образом, произведена оценка влияния помех от РЭС на системы 8ЯБ с FHSS, двоичной ЧМ и блоковым кодированием. Показано, что применение
простых двоичных блоковых кодов приводит к повышению помехоустойчивости двоичных SRD с FHSS и случайной ЧМ. Так, применение кода Хэмминга (7,4) в условиях воздействия наихудшей шумовой помехи позволяет повысить ОСШ примерно на 8 дБ при средней вероятности ошибки в приеме бита информации РБ к тах осн = 103 и на 12 дБ при РБ к тах осн = 10Л Используя более помехоустойчивые коды, можно еще больше повысить ОСШ.
Применение кодирования с исправлением ошибок в условиях воздействия наихудших гармонических помех также позволяет значительно повысить помехоустойчивость SRD с FHSS и случайной ЧМ. Так, применение кода Голея (23,12) при средней вероятности ошибки в приеме бита информации РБ к тах осн= =10−3 обеспечивает выигрыш приблизительно 10 дБ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вишневский В. М., Ляхов А. И., Портной С. Л., Шахно-вич И. В. Широкополосные беспроводные сети передачи информации. М.: Техносфера. 2005.
2. Баскаков С., Оганов В. Беспроводные сенсорные сети на базе платформы Meshlogic TM // Электронные компоненты. 2006. № 8. С. 65 — 69.
3. Майская В. Беспроводные сенсорные сети // Электроника: НТБ. 2005. № 2. С. 18 — 22.
4. Корчагин В. А. Электромагнитная совместимость беспроводных устройств малого радиуса действия // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2010. Т 6. № 1. С. 12 — 18.
5. Артюшенко В. М. Корчагин В. А. Оценка влияния электромагнитных помех радиоэлектронных средств на беспроводные устройства малого радиуса действия // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2010. Т. 6. № 2. С. 14 — 20.
6. Torrieri, D. J., Principles of Secure Communication Systems. Dedham, MA.: Artech House, Inc., 1985.
7. Кларк Дж., Кейн Дж. Кодирование с исправлением ошибок в системах цифровой связи: Пер. с англ. / Под ред. Б. С. Цыбакова. М.: Радио и связь. 1987.
8. Torrieri, D. J. The Information — Bit Error for Block Codes // IEEE Trans, 1984. V. COM-32. No. 4. P. 474 — 476.
9. Blanchard, J. E., A Slow Frequency-Hopping Technique That is Robust to Repeat Jamming // IEEE Mil-com'-82,Conf. Boston, 1982. V. 1. P. 14.1 — 14. 19.
10. Борисов В. И., Зинчук В. М., Лимарев А. Е. Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты / Под ред. В. И. Борисова. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: РадиоСофт. 2008.
11. Портной С. А., Тузков А. Е., Щаев О. И. Корректирующие коды в системах связи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты // Зарубежная радиоэлектроника. 1988. № 1. С. 26 — 43.
Поступила 20. 04. 2010 г.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой