Возможные подходы к оцениванию радиообстановки при проведении когнитивного широкополосного радиомониторинга



В статье рассмотрены схема формирования радиообстановки в контролируемой зоне и возможные подходы к разработке аналитико-математических моделей радиообстановки на объекте при проведении когнитивного широкополосного мониторинга.

Ключевые слова: радиомониторинг, радиообстановка, аддитивная помеха, мультипликативная помеха, двухкомпонентная модель, многокомпонентная модель.

Современный уровень развития связи и телекоммуникаций характеризуется большой насыщенностью зон, подлежащих радиомониторингу, радиоэлектронными средствами различного назначения, имеющими высокую плотность размещения, что значительно усложняет радиоэлектронную обстановку в районе контролируемого объекта и на его границах. Под радиоэлектронным средством (РЭС) в этом случае понимается техническое средство, состоящее из одного или нескольких радиопередающих или радиоприемных устройств или их комбинации и вспомогательного оборудования, предназначенных для передачи и приема радиоволн [1].

Кроме этого, прогресс в различных областях общественной жизни сопровождается резким увеличением потоков передаваемой и принимаемой информации. Наиболее ярко это проявляется во время проведения различных массовых мероприятий (Олимпиада-2014, ЧМ-2018 и т. п.), действиях подразделений МЧС при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, в районах стихийных бедствий и т. д. Основную роль в этом вопросе играют системы радиосвязи, телевидения, радиолокации, радионавигации и др. [2].

Несмотря на различия, обусловленные целевым назначением рассматриваемых систем, с точки зрения влияния на электромагнитную обстановку, они могут быть представлены в виде обобщенной схемы, характеризуемой общими чертами и позволяющей рассматривать их в системе радиомониторинга на основании единого методологического подхода. Поэтому при проектировании систем и комплексов радиомониторинга (РМ) необходимо учитывать условия их эксплуатации, включая радиообстановку, в которой им предстоит работать.

В соответствии с [3] под электромагнитной обстановкой понимается совокупность электромагнитных явлений, существующих в данном месте (точке или районе). Электромагнитная обстановка в полосе радиочастот называется радиообстановкой [3].

Обобщённая схема формирования радиообстановки в районе проведения радиомониторинга представлена на рис. 1.

Рис.1. Схема формирования радиообстановки

Анализ представленной схемы (рис.1) показывает, что радиообстановка включает в себя совокупность электромагнитных полей, создаваемых в данной области пространства работающим радиопередатчиком. Помимо этого при определении характеристик радиообстановки на контролируемой территории должны быть учтены параметры различных излучений искусственного и естественного происхождения, условия распространения радиоволн в заданном районе в определенное время, состояния радиолокационной, тепловой и оптической контрастности местности и объектов, состояния атмосферы, гидрологию и многие другие факторы.

В процессе исследований, связанных с разработкой комплексов когнитивного радиомониторинга (КРМ), для нахождения его характеристик с помощью натурных испытаний требуются большие затраты времени и средств. Кроме того, не всегда удается создать необходимые условия для проведения натурного эксперимента. Поэтому для решения поставленных перед исследователем задач используется моделирование, т. е. метод изучения системы путем исследования замещающей ее модели с переносом полученной информации на изучаемый объект. Моделирование связано с математическим описанием сущности явлений, процессов, протекающих в реальной системе, которое позволяет прогнозировать поведение системы и оценивать ее характеристики при изменении входных воздействий и параметров. При этом требования к модели определяются решаемой задачей и имеющимися средствами. Существует ряд общих требований к моделям [4]:

1) адекватность — достаточно точное отображение свойств объекта;

2) полнота — предоставление получателю всей необходимой информации об объекте;

3) гибкость — возможность воспроизведения различных ситуаций во всем диапазоне изменения условий и параметров;

4) трудоемкость разработки должна быть приемлемой для имеющегося времени и программных средств.

Использование моделей позволяет существенно ускорить и в значительной степени улучшить качество и достоверность конечного результата при анализе сложной радиообстановки на объекте контроля, сделать вывод о потенциальной работоспособности КРМ, оценить их качественные характеристики, установить зависимость от различных внешних условий, определить оптимальные значения параметров и т. д.

Кроме того, при моделировании радиообстановки необходимо учитывать тот факт, что при прохождении по радиоканалу полезный сигнал взаимодействует с помехами. Помехой называют любое постороннее воздействие на сигнал, являющееся случайным и препятствующее его правильному приему [5]. Электромагнитная помеха в диапазоне радиочастот называется радиопомехой [6]. Принято считать, что на выходе канала имеется либо сигнал с помехой, либо только помеха. Сигнала, не искаженного помехой, на приеме быть не может.

В общем случае влияние помехи n(t) на полезный сигнал S(t) можно представить в виде оператора

Z(t) = L [S(t), n(t)]. (1)

Анализ выражения (1) показывает, что при моделировании необходимо учитывать различные сочетания полезного сигнала и помехи.

1. Аддитивная помеха: в этом случае оператор L вырождается в линейную сумму сигнальной составляющей S(t) и помехи n(t) , т. е.

Z(t) = S(t) + n(t), (2)

Согласно [6] аддитивной называется радиопомеха, мешающее действие которой определяется суммированием с полезным радиосигналом. Аддитивные помехи воздействуют на приемное устройство независимо от полезного сигнала. По основным свойствам аддитивные помехи делят на импульсные (сосредоточенные по времени), гармонические (сосредоточенные по частоте) и флуктуационные (распределенные по частоте и во времени) [7].

В качестве модели аддитивной помехи (случайного процесса n ( t ), не зависящего от сигнала s(t) , могут использоваться модели шумов (белый, гауссовский, негауссовский), преднамеренные помехи [8], а также широко распространенная в радиосвязи модель аддитивной смеси узкополосных случайных процессов вида (выражение 3) [9]:

(3)

где a _k (t) — случайная амплитуда слагаемых результирующего процесса n ( t ),

φ _k ( t ) — случайная фаза слагаемых результирующего процесса n ( t ).

Обычно в качестве модели аддитивной помехи принимают белый шум, т. е. шумовой сигнал, у которого уровень спектральной плотности мощности N ₀ постоянен во всем диапазоне частот измерений [10]. Примером белого шума может служить гауссовский процесс, т. е. случайный процесс, все n- мерные функции распределения (плотности распределения) вероятностей которого нормальны [11]. Гауссовский процесс является стационарным, если плотность конечномерных распределений не меняется при сдвиге начала отсчета, поэтому для стационарного процесса

. (4)

Стационарный гауссовский случайный процесс имеет нулевое математическое ожидание и равномерный и бесконечно широкий спектр плотности мощности. На этом свойстве основано широкое применение стационарного гауссовского случайного процесса в радиотехнике и связи, в частности, при моделировании активных и пассивных помех, атмосферных и космических шумов, каналов с замиранием, с многолучевым распространением сигналов и т. п. [12].

2. Мультипликативная помеха: оператор L может быть представлен в виде произведения некоторого коэффициента k(t) (где k(t) — случайный процесс) и сигнала s(t).

Z(t) = S(t) k(t), (5)

Мультипликативной называется радиопомеха, мешающее действия которой проявляется в изменении параметров полезного радиосигнала [6]. Мультипликативные помехи непосредственно связаны с процессом прохождения сигнала в среде распространения радиоволн и обычно являются следствием многолучевости при радиосвязи в условиях, когда электрические свойства атмосферы или рельеф поверхности случайным образом изменяются в пространстве и во времени (распространение радиоволн в городе или в неоднородной атмосфере) и поэтому ощущаются только при наличии сигнала в системе связи.

Мультипликативная помеха выражается в изменении характеристик радиоканала. Примером мультипликативной помехи может служить фединг (замирание радиосигнала), заключающийся в случайном изменении амплитуды и фазы сигнала из-за непостоянства условий распространения радиоволн.

Анализ выражений (2) и (5) позволяет сделать вывод о том, что постоянная аддитивная помеха приводит к изменению постоянной составляющей гармонического сигнала, а мультипликативная — к изменению амплитуды сигнала.

3. При моделировании реальной радиообстановки необходимо учитывать комплексные, то есть как аддитивные, так и мультипликативные, помехи. Поэтому реальный входной сигнал будет иметь вид:

Z(t) = S(t) k(t) + n(t). (6)

С учетом выше изложенного, рассмотрим возможные варианты моделей радиообстановки в месте проведения радиомониторинга. Как показывает практика, всё многообразие исходных условий, возникающих при функционировании РЭС, может быть учтено при использовании двухкомпонентной и многокомпонентной моделей радиообстановки [13, 14].

I вариант.

Для наиболее простых ситуаций, соответствующих случаям отсутствия мультипликативных помех в зоне действия РЭС, модель радиообстановки можно представить с помощью аддитивного двухкомпонентного процесса Z ₂ (t) (выражение 7):

Z ₂ (t) = S(t) + n(t) при t ₀ ≤ t ≤ t ₀ + T _с , (7)

где Z ₂ (t) — аддитивная смесь «сигнал-шум» S ( t ) и n ( t );

S(t) — сигнальная составляющая на входе приемника комплекса КРМ;

n(t) — гауссова стационарная помеха, образованная атмосферными помехами и внутренним шумом комплекса КРМ;

t ₀ — момент начала работы комплекса КРМ;

T _c — длительность сеанса радиомониторинга.

Такая модель радиообстановки может быть использована при одновременном проведении пространственной и частотной селекции, за счет чего обеспечивается разрежение потока сигналов и помех при проведении радиомониторинга.

Пространственной селекцией позволяет проводить разделение полезного сигнала и помехи по различию пространственного положения источников, т. е. в случае, когда источник полезного сигнала не совмещен с источником помехи.

Частотная селекция позволяет выделить полезный сигнал из его смеси с помехой на основе различия их частотных характеристик.

В случае наличия в зоне радиоконтроля нескольких источников радиоизлучения, модель радиообстановки может быть представлена выражением (8):

(8)

где Z ₂ (t) — аддитивная смесь «сигнал-шум», формируемая в зоне работы комплекса радиомониторинга при одновременном приеме K радиосигналов;

n(t) — аддитивная помеха;

t ₀ — момент начала работы комплекса радиомониторинга;

T _c — длительность сеанса радиомониторинга.

II вариант.

Для ситуаций, когда в зоне контроля комплекса КРМ в эфире присутствуют, кроме полезного сигнала, разнообразные непреднамеренные и/или организованные помехи, в том числе коррелированные, целесообразно использовать многокомпонентную модель радиообстановки:

при t ₀ ≤ t ≤ t ₀ + T _с , (9)

где Z _n (t) — аддитивная смесь на входе приемника комплекса КРМ;

P _j (t) — j-я коррелированная помеха;

n _p — количество коррелированных помех.

Под коррелированной помехой Р _j (t) будем понимать гармонические, частотно-модулированные, фазоманипулированные и т. п. процессы с шириной спектра, не превышающей ширину спектра искомого сигнала Δf _s . К коррелированным относятся помехи, замирание которых взаимосвязано с замиранием полезного сигнала, т. е. отношение мощности полезного сигнала к мощности коррелированной помехи (P _c /P _кп ) постоянно во времени. Источниками коррелированных помех могут являться сигналы других ИРИ, работающие в контролируемом пространстве.

Многокомпонентная модель радиообстановки (выражение 9) может быть рассмотрена с двух позиций: когда в комплексе РМ применяется слабонаправленная антенна (модель Z _{n 1} ), и когда в комплексе РМ применяется направленная антенна (модель Z _{n 2} ), т. е. поиск и приём несанкционированного сигнала S _i (t) приходится осуществлять с учетом присутствия радиосигналов от всех ИРИ, находящихся в зоне радиоконтроля.

Если в комплексе РМ используется слабонаправленная антенна, т. е. приём несанкционированного сигнала Si(t) приходится осуществлять в присутствии радиосигналов других источников радиоизлучений (в том числе разрешенных), находящихся в зоне радиовидимости комплекса, то аддитивная модель радиообстановки в этом случае будет выглядеть следующим образом:

при m и t ₀ ≤ t ≤ t ₀ + T _с , (10)

где Z _{n 1} (t) — аддитивная смесь на входе приемника комплекса КРМ со слабонаправленной антенной;

S _i (t) — сигнальная составляющая на входе приемника от i -го контролируемого источника радиоизлучения (ИРИ);

S _m (t) — сигнал m -го ИРИ в зоне контроля, представляющий собой коррелированную помеху P _m (t) ;

n _и — количество ИРИ в зоне контроля.

В случае применения в комплексе КРМ направленной антенны, за счет многолучевого приёма переотраженных сигналов, модель радиообстановки может быть представлена выражением (11):

(11)

при m и t ₀ ≤ t ≤ t ₀ + T _с ,

где Z _{n 2} (t) — аддитивная смесь на входе приемника комплекса КРМ с направленной антенной;

S _i (t) — сигнальная составляющая на входе приемника от i -го контролируемого источника радиоизлучения;

— сигнал с временным сдвигом относительно S _i (t) на представляющий собой коррелированную помеху;

K _m — нормированный уровень сигнала Si ( t — τ m);

M — количество ИРИ в зоне контроля.

Модели радиообстановки, представленные процессами Zn1(t) и Zn2(t) (выражения 10 и 11 соответственно), являются наиболее сложными, поскольку соответствуют проведению РМ в присутствии как внутренних шумов, так и взаимных или сигналоподобных помех [15].

Рассмотренные модели радиообстановки достаточно адекватно и полно отражают набор возможных ситуаций, возникающих при проведении РМ излучений РЭС в контролируемом пространстве.

Литература:

1. «Положение о порядке государственного надзора за использованием радиочастот, радиоэлектронных средств и высокочастотных устройств» Утверждено приказом Главгоссвязьнадзора России от 03.07.98 № 48.

2. Макаров А. В. История развития радиоконтроля и радиомониторинга в России // Научный журнал «Школа науки», № 13 (49), 2021. С. 34–36.

3. ГОСТ 30372–2017 (IEC 60050–161:1990). Совместимость технических средств электромагнитная. Термины и определения. М.: Стандартинформ, 2020. — 60 с.

4. Борисов Ю. П. Математическое моделирование радиосистем: учебное пособие. М.: Советское радио, 1976. — 296 с.

5. Головин О. В., Чистяков Н. И. и др. Радиосвязь. М: Горячая линия — Телеком, 2013. — 284 с.

6. ГОСТ 24375–80. Радиосвязь. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1987. — 58 с.

7. Акулиничев Ю. П. Теория и техника передачи информации. Томск: Эль Контент, 2012. — 210 с.

8. Антипенский Р. В. Разработка моделей преднамеренных помех системам аналоговой связи // Компоненты и технологии. 2007. № 9. С. 177–182.

9. Марек Я. Л., Шляхин В. М., Антипенский Р. В. Статистические свойства аддитивной смеси узкополосных помех // Телекоммуникации. 2002. № 11. С. 7–11.

10. ГОСТ Р 53575–2009 (МЭК 60268–5:2003). Громкоговорители. Методы электроакустических испытаний. М.: Стандартинформ, 2010. — 53 с.

11. ГОСТ 21878–76. Случайные процессы и динамические системы. Термины и определения. М.: Издательство стандартов, 1976. — 33 с.

12. Левин Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1989. — 656 с.

13. Дятлов А. П., Дятлов П. А. Анализ и моделирование обнаружителей и демодуляторов связных сигналов: Учебное пособие. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005. — 176 с.

14. Радиомониторинг: задачи, методы, средства / Под ред. А. М. Рембовского. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Горячая линия — Телеком, 2012. — 640 с.

15. Зюко А. Г., Кловский Д. Д., Назаров М. В., Финк Л. М. Теория передачи сигналов: Учебник для вузов. М.: Радио и связь, 1986. — 304 с.