Синтез, анализ и обработка синхронизирующих последовательностей в информационных технологиях широкополосного доступа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Подольцев Виктор Владимирович

• Подольцев Виктор Владимирович
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Подольцев Виктор Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ, АЛГОРИТМОВ И СТРУКТУРЫ ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫХ КОМПЛЕКСОВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В СЕТЯХ ШИРОКОПОЛОСНОГО ДОСТУПА К ДАННЫМ И ВЫЯВЛЕНИЕ СПЕЦИФИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРОЦЕССА СИНХРОНИЗАЦИИ ПСП ДЛЯ НАДЕЖНОГО ДЕКОДИРОВАНИЯ ПЕРЕДАВАЕМОГО СИГНАЛА

1.1 Методы обеспечения синфазной обработки информации в ПСП-ориентированных МАС протоколах множественного доступа

1.2 Основные требования и критерии оценки методов синхронной обработки информации в ПСП-ориентированных МАС протоколах множественного доступа

1.3 Анализ известных методов синхронизации ПСП

1.4 Метод мажоритарной обработки информации при синхронизации ПСП

1.5 Обоснование целей и актуальных задач диссертационного

исследования

ВЫВОДЫ

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ И КРИТЕРИЕВ ДЛЯ АНАЛИЗА ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДОВ ФОРМИРОВАНИЯ И ОБРАБОТКИ СИНХРОНИЗИРУЮЩЕЙ ИНФОРМАЦИИ, УЧИТЫВАЮЩИХ СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ДАННОГО ПРОЦЕССА

2.1 Оценка временных характеристик мажоритарной обработки синхронизирующей информации в ПСП-ориентированных МАС протоколах множественного доступа

2.2 Анализ временных характеристик мажоритарной обработки синхронизирующей информации в МАС протоколах множественного доступа

2.3 Принцип мажоритарной обработки синхронизирующей информации в МАС протоколах множественного доступа

2.4 Оценка вероятностных характеристик мажоритарного метода обработки коротких сегментов ПСП

2.5 Системный анализ вероятностных характеристик мажоритарного метода обработки коротких сегментов ПСП

2.6 Модификация мажоритарной обработки синхронизирующей информации

в МАС протоколах множественного доступа

2.7 Методики выбора минимальной длины синхропоследовательности

ВЫВОДЫ

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ ИМИТАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ РАСЧЕТА ЧИСЛЕННЫХ ЗНАЧЕНИЙ, ПРЕДЛОЖЕННЫХ В П.2 КРИТЕРИЕВ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ ФОРМИРОВАНИЯ И ОБРАБОТКИ СИНХРОНИЗИРУЮЩЕЙ ИНФОРМАЦИИ. ВЕРИФИКАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МОДЕЛЕЙ

3.1 Разработка имитационной модели для исследования вероятностных характеристик мажоритарного метода обработки синхронизирующей информации в МАС протоколах множественного доступа

3.2 Разработка имитационной модели для исследования метода последовательной оценки Уорда

3.3 Верификация разработанных имитационных моделей для исследования вероятностных характеристик

3.4 Разработка имитационной модели для исследования временных характеристик мажоритарного метода обработки синхронизирующей информации

3.5 Разработка имитационной модели для исследования временных характеристик метода последовательной оценки Уорда при обработке синхронизирующей информации

3.6 Верификация разработанных имитационных моделей для исследования

временных характеристик

ВЫВОДЫ

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЕРОЯТНОСТНЫХ И ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРЕДЛОЖЕННОГО МЕТОДА И ПРОВЕДЕНИЕ СРАВНИТЕЛЬНОГО АНАЛИЗА С СУЩЕСТВУЮЩИМИ ПОДХОДАМИ К

ФОРМИРОВАНИЮ СИНХРОНИЗИРУЮЩИХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ

4.1 Исследование вероятностных характеристик

4.1.1 Методика исследования

4.1.2 Проведение исследования

4.2 Исследование временных характеристик

4.2.1 Методика исследования

4.2.2 Проведение исследования

4.3 Результаты апробации и внедрения в практику предложенных

решений

ВЫВОДЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Синтез, анализ и обработка синхронизирующих последовательностей в информационных технологиях широкополосного доступа»

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время неотъемлемую роль в развитии государства играют информационные технологии, представляющие собой большой класс активных сложных технических систем передачи и обработки информации, эффективность функционирования которых зависит от их устойчивости к внешним злонамеренным воздействиям и точности обработки, циркулирующей в ней информации. Внедрение информационных технологий наряду с неоспоримыми преимуществами неизбежно влечет и негативные явления, такие как прогрессирующая информатизация криминала и террористических группировок, существенно обострившая проблему противоборства в сфере информационных ресурсов [22].

Первоочередными объектами противоправных действий террористических и криминальных сообществ являются информационные ресурсы, так называемых критических объектов, ущерб от нарушения информационной безопасности которых может привести к техногенным катастрофам с человеческими жертвами [22]. Как указано в работе [47], такой ущерб наносится в результате специально организованных кибератак, под которыми понимается - предумышленно организованная совокупность действий с участием программно-технических средств, направленная на нанесение экономического, технического или информационного ущерба.

К критически важным объектам, наряду с системами передачи и обработки информации в области финансов, энергетики, транспорта, водоснабжения и чрезвычайных служб, относятся органы государственного управления, в том числе ПСП-ориентированные МАС протоколы информационных систем обработки информации силовых структур, элементы которых являются критически важными сегментами информационной сферы государства [47].

Использование ПСП-ориентированных МАС протоколов

в информационных системах обработки информации является актуальным и наиболее перспективным направлением развития информационных технологий в условиях широкой информатизации страны при переходе к цифровой экономике.

За последние несколько десятилетий внедрение информационных технологий шагнуло далеко вперед. Повсеместное внедрение широкополосного доступа (ШПД) [1,2,3] в Интернет стало обыденным и уже не кажется чем-то далеким и недоступным рядовому пользователю. На смену только недавно развернутым сетям четвертого поколения (40) [1,2,3,4,5] скоро придут сети пятого поколения (50). Данный факт говорит о том, что потребность в высокоскоростных технологиях ШПД с каждым годом только увеличивается, и обычному пользователю уже недостаточно той пропускной способности, которой обладали сети третьего и четвертого поколений. Таким образом, уже сейчас требуется повышение надежности и пропускной способности сетей ШПД для обработки растущих потоков информации.

Это подталкивает исследователей и разработчиков увеличивать производительность сети за счет применения продвинутых технологий множественного доступа к среде передачи и обработки информации на основе использования псевдослучайных последовательностей (ПСП), так называемых МАС-протоколов множественного доступа.

Некоторые из высокопроизводительных МАС-протоколов базируются на идее применения числовых последовательностей для защиты и контроля доступа к среде передачи и обработки информации. В таких протоколах используются как случайные числовые последовательности, так и псевдослучайные на основе генераторов т-последовательностей. Так на настоящий момент уже существуют МАС-протоколы, производительность которых приближается к 100 % [19,20,21].

Известно, что при использовании в системах передачи и обработки информации псевдослучайных последовательностей возникает потребность

в обеспечении их надежной синхронизации. К настоящему времени синхронизации ПСП посвящено множество работ [22,23,24,25,26,27,28,29,30,31]. Так исследованием синхронизации ПСП в России и за рубежом занимались и занимаются по настоящий день такие известные исследователи как Килгус С.С., Уорд В.Р., Ханцо Л., Янг Л. Л., Чунг С., Прозоров Д.Е., Лосев В.В., Номоконов В.Н. и др. Уже разработано множество различных способов синхронизации ПСП. К сожалению, исследованию с учетом специфики функционирования ПСП-ориентированных протоколов множественного доступа, было найдено малое число работ [32]. Как правило, разработанные методы ориентированы на синхронизацию ПСП на физическом уровне, в то время как их реализация на подуровне доступа к среде обработки информации нецелесообразна или невозможна из-за повышения вычислительной сложности и использования специфических методов обработки информации, характерных для физического уровня. Среда обработки информации при передаче оперирует дискретной бинарной последовательностью, называемой кадром (frame). Для синхронизации в ПСП-ориентированных МАС протоколах могут применяться традиционные методы, например, метод последовательной оценки Уорда, но, несмотря на простоту реализации, данный метод может быть недостаточно эффективен при синхронизации, например, апериодических ПСП (АПСП).

Поэтому тема диссертационной работы, посвященная методам, моделям и алгоритмам формирования, анализа и обработки синхронизирующих последовательностей в системах широкополосного доступа к данным, является актуальной научной задачей.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности обработки информации в сетях широкополосного доступа к данным путем разработки математического и программно-алгоритмического обеспечения процесса формирования, анализа и оценки качества синхронизирующих последовательностей.

Научная задача исследования: разработка методики выбора минимальной длины синхропоследовательности, обеспечивающей минимизацию времени вхождения системы в синхронизм при большом количестве ошибок.

Для этого поставлены и решены следующие научные задачи исследования:

1. Анализ существующих методов, алгоритмов и структуры программно-аппаратных комплексов обработки информации в сетях широкополосного доступа к данным и выявление специфических особенностей процесса синхронизации ПСП для надежного декодирования передаваемого сигнала.

2. Теоретическое обоснование требований и критериев для анализа эффективности методов формирования и обработки синхронизирующей информации, учитывающих специфические особенности данного процесса.

3. Разработка структуры имитационных моделей для расчета численных значений, предложенных в п.2 критериев для различных методов формирования и обработки синхронизирующей информации. Верификация разработанных моделей.

4. Разработка методики выбора минимальной длины синхропоследовательности, и основанного на данной методике способа, позволяющего снизить время синхронизации при большом количестве ошибок; разработка соответствующего алгоритмического и программного обеспечения, а также схемы устройства, реализующего предложенный метод обработки синхронизирующей информации.

5. Исследование вероятностных и временных характеристик предложенного метода и проведение сравнительного анализа с существующими подходами к формированию синхронизирующих последовательностей.

Объектом исследования является: процесс синтеза, анализа и обработки синхронизирующей информации в системах широкополосной передачи данных.

Предметом исследования являются: методы, модели и алгоритмы формирования, анализа и обработки синхронизирующих последовательностей в ПСП-ориентированных МАС протоколах множественного доступа к данным.

Научная новизна работы состоит в:

1. Разработке методики выбора минимальной длины синхропоследовательности при мажоритарной обработке сегмента псевдослучайной последовательности, позволяющей снизить время синхронизации в условиях возрастания ошибок синхронизации.

2. Разработке основанного на мажоритарной обработке данных метода синхронизации с использованием ПСП для МАС протоколов множественного доступа, отличающегося использованием в процессе синхронизации предопределенных оптимальных длин обрабатываемого сегмента ПСП, что позволяет уменьшить время синхронизации при заданной вероятности ошибок.

3. Разработке модифицированного алгоритма реализации метода синхронизации на основе мажоритарных проверок, отличающегося наличием дополнительных блоков: обращения к специально разработанной базе данных с оптимальными длинами обрабатываемого сегмента, блока подсчета принятых из канала связи бит и блока анализа пороговых значений среднего времени поиска ПСП для каждой длины обрабатываемого сегмента. Применение данного алгоритма позволяет снизить аппаратную сложность реализации предложенного метода.

4. Разработке методики вычисления критериев для анализа эффективности методов синхронизации ПСП, отличающейся совокупным использованием временных и вероятностных характеристик, что позволяет с помощью специально разработанных в среде Simulink имитационных моделей проводить обоснованное сравнение и выбор методов формирования и обработки синхронизирующей информации.

По результатам исследования на защиту выносятся:

1. Методика выбора минимальной длины синхропоследовательности при мажоритарной обработке сегмента ПСП.

2. Метод синхронизации в МАС протоколах множественного доступа с использованием ПСП.

3. Модифицированный алгоритм реализации метода синхронизации ПСП на основе мажоритарных проверок.

4. Методика анализа эффективности методов формирования и обработки синхронизирующей информации.

Обоснованность и достоверность полученных результатов, представленных в диссертационной работе, определяется корректным применением общепринятых методов исследований и математического аппарата; сопоставлением результатов имитационного моделирования с известными данными и результатами, полученными с помощью экспериментального макета устройства синхронизации ПСП, разработанного совместно с ООО «ОнЛинк»; успешным внедрением результатов работы, что отражено в соответствующих актах.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость заключается в развитии информационных технологий беспроводного широкополосного доступа в части формирования, оценки и обработки синхронизирующей информации с целью повышения эффективности функционирования (снижения ошибок и увеличения скорости передачи информации) систем ШПД, а именно:

1. Предложены требования и критерии для анализа эффективности формирования и обработки синхронизирующей информации.

2. Разработаны алгоритмы и соответствующее программное обеспечение для реализации модифицированного метода синхронизации ПСП в МАС протоколах множественного доступа к информации, уменьшающие время синхронизации ПСП.

3. Разработаны метод, модели и алгоритмы, позволяющие решить класс задач в области повышения эффективности формирования и обработки синхронизирующей информации.

Практическая значимость работы заключается в повышении эффективности функционирования сетей ШПД на основе предложенных моделей, алгоритмов и методик формирования и обработки синхронизирующей ПСП в МАС

протоколах множественного доступа. Разработано и запатентовано «Устройство синхронизации псевдослучайной последовательности на основе мажоритарного декодирования для широкополосных систем связи», зарегистрирован в «Реестре программ для ЭВМ» программный продукт, реализующий предложенные методики и алгоритмы. Данные устройство и программный продукт использованы в практической деятельности организаций различного профиля. Результаты диссертации используются в Астраханском государственном техническом университете при подготовке инженерных и научных кадров.

Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 16 печатных работах, из них: 1 статья в издании, входящем в международную реферативную базу данных и систему цитирования Scopus; 6 статей в научных журналах, рекомендованных ВАК при Минобрнауки РФ для публикации основных результатов диссертационных исследований, 9 - в научных журналах, материалах и трудах конференций. Получены патент на изобретение и свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Результаты научных исследований по теме диссертации были доложены и получили положительную оценку на международных и всероссийских конференциях: III международной научно-практической конференции «Специальная связь и безопасность информации» (ССБИ-2019) (Краснодар, 2019 г.); XXVI Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (RLNC-2020) (Воронеж, 2020 г.); International Russian Automation Conference (RusAutoCon) (Сочи, 2020 г.) и др.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами по каждой главе, заключения, списка литературы, включающего 107 наименования, и 14 приложений. Основная часть работы изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 13 таблиц и 56 рисунков.

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе на основе анализа известных методов синхронизации ПСП обоснована необходимость повышения эффективности обработки синхронизирующей информации в ПСП-ориентированных МАС протоколах систем передачи и обработки информации, использующих на подуровне доступа псевдослучайные последовательности.

Во второй главе приведено описание модифицированного метода поиска ПСП на основе мажоритарной обработки синхронизирующей информации с целью повышения его эффективности, рассмотрена структура соответствующего программного обеспечения, реализующего предложенный метод мажоритарной обработки, а также разработана методика выбора минимальной длины синхропоследовательности, позволяющая снизить время синхронизации при большом количестве ошибок.

В третьей главе приводится описание структуры разработанных в среде Simulink имитационных моделей для исследования вероятностных и временных характеристик, а также для расчета численных значений, предложенных в первой главе критериев для различных методов формирования и обработки синхронизирующей информации: метода синхронизации ПСП на основе мажоритарной обработки синхронизирующей информации и на основе метода последовательной оценки Уорда. Проведен сравнительный анализ указанных методов. Проведена верификация разработанных моделей.

В четвертой главе исследованы вероятностные и временные характеристики предложенного метода синхронизации и проведен сравнительный анализ с существующими подходами. Приведены результаты апробации и внедрения в практику предложенных решений.

В заключении приведены основные результаты работы. На основе проведенных исследований дана оценка эффективности полученных результатов. Приведены рекомендации по применению полученных результатов и намечены перспективы дальнейшей разработки темы.

В приложении приведены некоторые промежуточные результаты и другие материалы, необходимые для уточнения содержания диссертационной работы,

в том числе исходный код разработанных программ и моделей и схема разработанного устройства синхронизации ПСП.

В работе автор стремился максимально использовать терминологию и обозначения, установившиеся в научно-технической литературе. В ряде случаев это привело к использованию одинаковых обозначений для разных целей. Однако наличие описаний в каждом конкретном случае, и единая символика в пределах каждой главы, а также единое обозначение основных, определяющих понятий в пределах всей диссертации облегчают понимание излагаемого материала.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ, АЛГОРИТМОВ И СТРУКТУРЫ ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫХ КОМПЛЕКСОВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В СЕТЯХ ШИРОКОПОЛОСНОГО ДОСТУПА К ДАННЫМ И ВЫЯВЛЕНИЕ СПЕЦИФИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРОЦЕССА СИНХРОНИЗАЦИИ ПСП ДЛЯ НАДЕЖНОГО ДЕКОДИРОВАНИЯ ПЕРЕДАВАЕМОГО СИГНАЛА

Целью данной главы является обоснование необходимости повышения эффективности обработки синхронизирующей информации в ПСП-ориентированных МАС протоколах систем управления и обработки информации, использующих на подуровне доступа псевдослучайные последовательности. Для этого вначале рассматриваются основные области применения ПСП, формулируются базовые требования к системам синхронизации и проводится аналитический обзор существующих методов синхронизации ПСП, далее приводится описание метода синхронизации ПСП, использующего мажоритарные проверки для исправления ошибок в синхропоследовательности (СП), и обосновывается актуальность применения подобных методов на подуровне МАС (media access control) протоколов.

1.1 Методы обеспечения синфазной обработки информации в ПСП-ориентированных МАС протоколах множественного доступа

Проблема синхронизации ПСП неотъемлемо связана с развитием технологий распределенного спектра (spread spectrum) [33, 34]. Не углубляясь

в историю развития теории, отметим, что «возраст» научных изысканий в этой области составляет уже более шестидесяти лет [35]. Несмотря на достаточно солидный срок, проблема синхронизации ПСП до сих пор остается актуальной. Во-первых, это связано с широкой коммерциализацией технологий распределенного спектра, начатой еще в конце 70-х годов [35] с внедрения систем мобильной телефонной связи, и продолжающимся их развитием с целью повышения эффективности [36]. Во-вторых, актуальность проблемы можно связать с появлением передовых методов множественного доступа, значительно повышающих производительность MAC-протоколов за счет применения псевдослучайных последовательностей.

Базовыми методами расширения спектра являются метод расширения прямой последовательностью DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) и метод расширения скачкообразной перестройкой частоты FHSS (Frequency Hop Spread Spectrum) [2, 10, 35]. Помимо DSSS и FHSS есть и менее распространенные методы: метод расширения спектра с переключением временных интервалов THSS (Time Hop Spread Spectrum) и смешанные методы [10]. В системах расширенного спектра для успешного приема сигнала приемник должен обладать синхронизированной копией расширяющего или кодового сигнала [10]. Обычно процесс синхронизации ПСП реализуется в виде двух последовательных этапов [35]: поиском кода (acquisition) и слежением (tracking). На первом этапе производится грубое измерение необходимых параметров и обеспечивается предварительная оценка. На втором этапе выполняются точные частотно-временные оценки, которые в дальнейшем используются местным опорным генератором для согласования сжимающего сигнала с принятым расширяющим кодом.

Как говорилось ранее, проблема синхронизации актуальна для некоторых ПСП-ориентированных МАС-протоколов. Например, протоколы SYN-MAC [20] и MFMAC [5] используются числовые последовательности для обеспечения механизма контроля доступа к среде обработки информации.

Основой протокола SYN-MAC [20] является так называемый «бинарный обратный отсчет», когда доступ к среде обработки или высший приоритет получает та станция, которая имеет наибольшее присвоенное ей (например, менеджером сети) двоичное число. Такой подход обеспечивает значительное повышение производительности МАС (более 90%).

Протокол MFMAC [5] использует апериодическую m-последовательность для контроля доступа к среде обработки, распределение фаз которой обеспечивает требуемые показатели QoS (quality of service). Механизм доступа, в отличие от протокола SYN-MAC, реализуется за счет рекуррентных свойств m-последовательности, когда доступ получает та станция, MAC-адрес (фаза m-последовательности, выделенная станции) которой совпадает с текущей фазой локального генератора ПСП, синхронизированного с другими станциями сети (маркерное широковещательное резервирование [5, 21]). Данный протокол ориентирован на применение в перспективных ATM-подобных (asynchronous transfer mode) [37, 38], гибридных, мультисервисных сетях [39, 40] с полностью распределенной архитектурой [37, 38], предназначенных для труднодоступных, удаленных и малонаселенных территорий.

На рисунке 1.1 изображено концептуальное представление сети с полностью распределенной архитектурой.

В ее состав входят:

- транспарентный (прозрачный) ретранслятор, устанавливаемый или на спутник или на воздушную платформу HAP [41, 42, 43];

- мост-маршрутизаторы (броутеры - SBR) с функцией селекции данных;

- шлюз (gateway);

- серверы управления (network manager).

Сеть одновременно выполняет функции сети доступа и транспортной сети. Такая архитектура предусматривает объединение различного рода беспроводных и проводных сетей на базе единого протокола доступа к среде МАС. Очевидно, что для того чтобы такая сеть могла эффективно работать, требуется надежная синхронизация локальных генераторов m-последовательности.

Рисунок 1.1 - Концептуальное представление сети с распределенной

архитектурой [3]

Отметим, что не зря был сделан акцент на технологии построения сетей с распределенной архитектурой, так как потенциально такие сети могут стать дешевой альтернативой четвертому (4G) и пятому (5G) поколениям беспроводных сетей на малонаселенных и труднодоступных территориях [37]. Но для этого требуется исследование и решение некоторых актуальных задач, в частности повышения точности синхронизации.

Существуют различные методы поиска (синхронизации) ПСП и каждый метод имеет свои особенности:

- сложность реализации;

- помехозащищенность;

- время вхождения в синхронизм.

Все особенности зависят от области применения метода и условий его работы. Так, любая синхронизация ПСП подвергается воздействию различного рода деструктивных помех, ухудшающих точность обработки синхронизирующей информации. В результате при начальном вхождении

системы в синхронизм на приемной стороне в синхросигнале возникают ошибки, которые, как правило, повышают время синхронизации. К тому же, зачастую в системах управления используются апериодические m-последовательности, синхронизация которых чувствительна к воздействию помех из-за большой длины линейного рекуррентного регистра (ЛРР) [9].

Таким образом, область применения системы обработки информации и управления определяет требования к устройствам синхронизации, которые должны формулироваться исходя из наихудшего случая [30]. Рассмотрим основные критерии оценки методов синхронизации и требования, предъявляемые к синхронизации ПСП.

1.2 Основные требования и критерии оценки методов синхронной обработки информации в ПСП-ориентированных МАС протоколах множественного доступа

Базовыми критериями оценки методов синхронизации ПСП являются [35, 45, 46, 47]:

- среднее время поиска;

- вероятность правильной синхронизации;

- аппаратная или вычислительная сложность;

- вероятность ложной синхронизации.

Основным требованием [48], предъявляемым к системам синхронизации, в частности к системам, использующим длинные псевдослучайные последовательности, является требование быстрого вхождения в синхронизм. Время вхождения системы в синхронизм обычно оценивается через среднее время поиска ТСр [10, 49, 50]. Данный параметр зависит от самого алгоритма

синхронизации, а также от вероятности правильного приема и обработки синхросигнала.

Для систем обработки информации с последовательным поиском, особенности которого будут рассмотрены чуть позже, и расширением спектра прямой последовательностью среднее время поиска согласно [10] можно рассчитать по формуле:

(2 - РД )(1 + КРЛС) Т_ = --^-ЛС- (МСЯТС),

ср

Р

Д

(1.1)

где: ХТс Р]

Д М,

интервал поиска;

вероятность правильного детектирования; с - количество элементарных сигналов; Рлс - вероятность ложной синхронизации, К >> 1.

Для систем обработки информации с синхронизацией по методу Уорда [31] среднее время поиска можно оценить через среднее время возвращения серии успехов [22, 51]:

к

Т =

ср

1 - д Рq пи

(1.2)

где: к

и

Р

- число успехов (длина «зачетного отрезка»);

- скорость передачи;

- вероятность деструктивной ошибки;

д =1 - Р - вероятность правильного приема одного чипа. Мы еще вернемся к формуле (1.2), а пока перейдем к следующему критерию.

Важным требованием, предъявляемым к системе синхронизации, является ее помехоустойчивость. Критерием оценки помехоустойчивости системы

синхронизации является вероятность правильного приема Рпп или вероятность правильной синхронизации. Чем выше эта вероятность, тем выше производительность системы, тем быстрее она войдет в синхронизм в условиях повышения вероятности деструктивных ошибок из-за воздействия помех естественной или организованной структуры. Вероятность правильной синхронизации Рпр, как правило, зависит от применяемых сигналов и метода

приема [52]. Не углубляясь в описание методов приема, отметим, что в некоторых системах синхронизации ПСП помимо традиционных схем, используются схемы с «мягким» принятием решений (RSSE - Recursive Soft Sequential Estimation) [53] и прием с нелинейной фильтрацией псевдослучайного сигнала [44], позволяющие значительно повысить вероятность правильного приема ПСП.

В системах обработки информации и управления с шумоподобными сигналами очень часто используются длинные m-последовательности. Эти же последовательности используются в некоторых МАС-протоколах. Длинные m-последовательности оказываются наиболее чувствительны к деструктивным ошибкам, что естественно, так как с увеличением длины принимаемой последовательности повышается вероятность появления или возникновения ошибки с течением времени. При вхождении же в синхронизм, например, по методу Уорда [31] требуется принять к символов ПСП, где к - длина линейного рекуррентного регистра [30]. Соответственно, при одной и той же вероятности деструктивной ошибки, увеличение длины ЛРР повышает вероятность неприема ПСП в сравнении с системой синхронизации, где длина ЛРР меньше.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Подольцев Виктор Владимирович, 2022 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Вишневский В.М., Портной С.Л., Шахнович И.В. Энциклопедия WiMAX. Путь к 4G: Учебное пособие. - М.: Техносфера, 2009. - 471 с.

2. Кааранен Х., Ахтиайнен А., Лаитинен Л., Найян С., Ниеми В. Сети UMTS. Архитектура, мобильность, сервисы. - М.: Техносфера, 2007. - 464 с.

3. Золотуев А.Д. Широкополосный доступ через высотные ретрансляторы для малонаселенных и труднодоступных территорий Сибири, Урала и Дальнего Востока, Инфосфера, № 56, 2012. - С. 19-20.

4. Золотуев А.Д. Применение высотных платформ HAP для построения беспроводных мультисервисных сетей 4G на удаленных и труднодоступных территориях, Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 2011. - C. 259-261.

5. Markhasin A. Ubiquitous and Multifunctional Mobile Satellite all-IP over DVB-S Networking Technology 4G with Radically Distributed Architecture for RRD Regions / A. Markhasin // International Workshop on Satellite and Space Communications - IWSSC'07, Salzburg, Austria, 13-15 September, 2007. - P. 99-103.

6. Подольцев В.В. Оценка эффективности синхронизации псевдослучайных последовательностей на основе мажоритарного алгоритма при возрастании деструктивных ошибок / В.В. Подольцев, И.М. Ажмухамедов // Автоматизация процессов управления. - Ульяновск, 2020. - № 1 (59). -Электротехника и электронные устройства. - С. 121-126. DOI: 10.35752/19912927-2020-1-5-121-126.

7. Подольцев В.В. Оценка временных характеристик мажоритарной обработки синхронизирующей информации в ПСП-ориентированных MAC-протоколах множественного доступа / В.В. Подольцев // Радиопромышленность. -Москва, 2019. - Т. 29. - № 4. - С. 26-34. DOI: 10.21778/2413-9599-2019-29-4-26-34.

8. Подольцев В.В. Оценка среднего времени синхронизации ПСП в системах связи MC-CDMA / В.В. Подольцев, Ф.Г. Хисамов // Информатика и безопасность современного общества. - Краснодар, 2018. - № 3(5). - С. 8-12.

9. Подольцев В.В. Системный анализ временных характеристик мажоритарной обработки синхронизирующей информации в МАС протоколах множественного доступа / В.В. Подольцев // Специальная связь и безопасность информации (ССБИ-2019): материалы III Междунар. науч.-практ. конф. 18 фев. 2019 г. - Краснодар.: Краснодарский ЦНТИ - филиал ФГБУ «РЭА» Минэнерго России, 2019. - С. 62-69.

10. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение / Б. Скляр. - Изд. 2-е, испр. - Москва: Издательский дом «Вильямс»,

2003. - 1104 с.

11. Ansari N., Zhang J. Media access control and resource allocation for next generation passive optical networks: Springer Briefs in Applied Sciences. - Springer, 2013. - 111 c.

12. Rom R., Sidi M. Multiple access protocols. Performance and analysis. -Springer-Verlag, 1990. - 172 p.

13. Gummalla A-C-V., Limb J. Wireless medium access control protocols // IEEE Communications Surveys. - 2000. V. 3, Issue 2. - P. 1-15.

14. Kwok Y-K., Lau V. A performance study of multiple access control protocols for wireless multimedia services // Network Protocols, 2000. Proceedings. 2000 International Conference on, Japan, Osaka, Nov., 2000. - P. 283-292.

15. Liu B-H., Bulusu N., Pham H., Jha S. CSMAC: A Novel DS-CDMA Based MAC Protocol for Wireless Sensor Networks // Global Telecommunications Conference Workshops, 2004. GlobeCom Workshops 2004. IEEE, 29 Nov.-3 Dec.

2004. - P. 33-38.

16. Cho Y-S., Kim J., Yang W-Y., Kang C-G. MIMO-OFDM wireless communications with Matlab. - John Wiley & Sons (Asia), 2010. - 439 c.

17. Godara L-C., Smart antennas. - CRC Press, London, 2004. - 458 c.

18. 4G Americas MIMO and Smart Antennas for mobile broadband systems: [Электронный ресурс]. 4G Americas.org. - Режим доступа: http:// http ://www.4gamericas.org/files/2114/0759/4301/MIMO_and_Smart_Antennas_for_ Mobile_Broadband_Systems_Oct_2012x.pdf.

19. Гурьянов И.О. Когнитивное радио: новые подходы к обеспечению радиочастотным ресурсом перспективных радиотехнологий, Электросвязь, № 8, 2012.

20. Wu H. SYN-MAC: A distributed medium access control protocol for synchronized wireless networks / H. Wu, A. Utgikar, N-F. Tzeng // Mobile networks and applications. - 2005. - Vol. 10. - P. 627-637.

21. Markhasin A. QoS-oriented medium access control fundamentals for future all-MPLS/ATM satellite multimedia personal communications 4G // The IEEE International Communication Conference - ICC'2004, Paris, France, June 2004, P. 3963-3968.

22. Хисамов Д.Ф. Теоретическая оценка синхронизации апериодической псевдослучайной последовательности за допустимое время. - Наука и технологии. - Краткие сообщения XXIX Российской школы, посвященной 85-летию со дня рождения академика В.П.Макеева. - Екатеринбург: УроО РАН, 2009. - C. 210-213.

23. Schafer P., Nakagawa M. Direct-Sequence Multi-Carrier CDMA Parallel Acquisition in a Multipath Fading Channel // 1996 IEEE International Conference on Communications. - 1996. - C. 1503-1507.

24. Yang L-L., Hanzo L. Serial acquisition performance of single-carrier and multi-carrier DS-CDMA over Nakagami-m fading channels // IEEE Transactions on wireless communications. - V. 1, № 4. - 2002. - С. 692-702.

25. Moon J., Lee Y-H. Parallel acquisition of PN sequences in Rayleigh fading channel and the application to the multi-carrier CDMA systems // 12th IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications. -2001, № 2. - C. 6-10.

26. Лосев В.В. Методы синхронизации по задержке (обзор). -Радиоэлектроника, 1979, т. XXII, № 1.

27. Kilgus С. Pseudonoise code acquisition majority logic decoding / С. Kilgus // IEEE Trans. on Communication. COM-21. - 1973. - № 6. - P. 772-774.

28. Waseem W.S., Al-Zubiady J., Al-Zubiady H.M. Search strategies for the acquisition of DS spread spectrum signals // Int. J. Electronics. - V. 84, № 2. -1998. - С. 83-104.

29. Григорьев А.А. Некоторые мажоритарные алгоритмы определения фазы псевдослучайных последовательностей // Радиотехника, 1979, т. XXII, № 4. - С. 43-61.

30. Прозоров Д.Е. Разработка алгоритмов и устройств поиска нескольких шумоподобных сигналов в системах передачи информации: дис. ... канд. техн. наук / Д.Е. Прозоров. - Киров: Вятский государственный университет, 2001. -168 с.

31. Уорд Р. Различение псевдослучайных сигналов методом последовательной оценки / Р. Уорд // Зарубежная радиоэлектроника. - 1966. -№ 8. - С. 20-37.

32. Лошкарев А.В. Применение М-последовательностей для обеспечения помехоустойчивости и синхронизации в беспроводных сетях // Сб. тр. Рос. науч.-техн. конф. «Современные проблемы телекоммуникаций». - Новосибирск, 2014. - С. 61-62.

33. Fazel K. Multi-carrier and spread spectrum systems: from OFDM and MC-CDMA to LTE and WiMAX / K. Fazel, S. Kaiser. - 2nd ed. - Wiley, 2008. -360 p.

34. Yin H. Spread spectrum techniques, Helsinki University of Technology, Feb. 1, 2005.

35. Ipatov V. Spread Spectrum and CDMA Principles and Applications / V. Ipatov. - University of Turku and Saint-Petersburg Electrotechnical University «LETI», John Wiley& Son, 2005. - 400 p.

36. Попов В.И. Основы сотовой связи стандарта GSM. - М.: Экотрендз, -2005. - 296 с.

37. Markhasin A. Satellite-Based Fully Distributed Mesh Hybrid Networking Technology DVB-S2/RCS-WiMAX for RRD Areas / A. Markhasin // ASMS/SPSC 2010: 2010 5th Advanced Satellite Multimedia Systems Conference and the 11th Signal processing for space Communications Workshop. Cagliari, Italy, September 13-15, 2010. - P. 294-300.

38. Markhasin А. Advanced Cost-Effective Long-Delay Broadband ATM Medium Access Control Technology and Multifunctional Architecture // ICC'2001, Helsinki, Finland, 11-14 June, 2001. Vol. 6. - P. 1914-1918.

39. Гольдштейн А.Б., Гольдштейн Б.С. Технология и протоколы MPLS. -СПб.: БХВ - Санкт-Петербург, 2005. - 304 с.

40. Крук Б.И. Телекоммуникационные системы и сети: учебное пособие для студентов вузов связи и колледжей: в 3 т. / Б.И. Крук, В.Н. Попантонопуло, В.П. Шувалов; под ред. В.П. Шувалова. - 4-е изд., испр. и доп. - Москва: Горячая линия - Телеком, 2013. - 620 с.

41. Aragon-Zavala A. High-Altitude Platforms for Wireless Communications / A. Aragon-Zavala, J.L. Cuevas-Ruiz, J.A. Delgado-Penin. - England: John Wiley and Sons Ltd, Wiley-Blackwell, 2008.

42. El-Jabu B., Stelle R. Cellular Communications Using Aerial Platforms // IEEE Transactions on vehicular technology, May 2001.Vol. 50, No. 3, - P. 686-700.

43. Gawande V.N., Desai U.B., Raina A., Pant R.S. Low Cost Wireless Internet Access for Rural Areas using Tethered Aerostats // IEEE Region 10 Colloquium and Third International Conference on Industrial and Information Systems, Kharagpur, India, December 8-10. - 2008. - P. 1-5.

44. Прозоров Д.Е., Медведева Е.В. Метод кодовой синхронизации в цифровых системах связи с многостанционным доступом // АВТЭКС Санкт-Петербург научно-технический центр по электронным компонентам и современным технологиям [Электронный ресурс]. - Санкт-Петербург. - Режим доступа: http://www.autex.spb.su/download/dsp/dspa/dspa2003/tom1_75.pdf.

45. Regazzoni C. Course acquisition and tracking in DS/SS systems [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.isip40.it/resources/ Dispense/Radio/05_PN_ACQUISITION.pdf.

46. Лосев В.В., Бродская Е.Б., Коржик В.И. Поиск и декодирование сложных дискретных сигналов / Под ред. В.И. Коржика. - М.: Радио и связь, 1988. - 224 с.

47. Хисамов Д.Ф. Моделирование процесса синхронизации датчиков псевдослучайных последовательностей в подавляемых системах радиосвязи: дис. ... канд. техн. наук / Д.Ф. Хисамов. - Воронеж: Воронежский институт МВД России, 2005. - 154 с.

48. Chugg K.M. A new approach to rapid PN code acquisition using iterative message passing techniques / K.M. Chugg, M. Zhu // IEEE Journal on Selected Areas in Communications. - 2005. - Vol. 23, issue 5. - P. 884-897.

49. Шахтарин Б.И. Анализ среднего времени поиска шумоподобных сигналов для систем с одним поглощающим состоянием / Б.И. Шахтарин, А.В. Черныш // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия «Приборостроение». - 2009. - № 3. -С. 114-123.

50. Holmes J.K., Chen C.C. Acquisition time performance of PN spread-spectrum systems // IEEE Transactions on Communications. - 1977. - V. COM-25, № 8. - P. 778-784.

51. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения: в 2 т. / В. Феллер. - Москва: Мир, 1984.

52. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами / Л.Е. Варакин. - Москва: Радио и связь, 1985. - 384 с.

53. Yang L-L. Acquisition of m-sequences using recursive soft sequential estimation / L-L. Yang, L. Hanzo // Wireless Communications and Networking. -2003. - Vol. 1. - P. 683-687.

54. Waseem W.S., Al-Zubiady J., Al-Zubiady H.M. Search strategies for the acquisition of DS spread spectrum signals // Int. J. Electronics. - V. 84, № 2. - 1998. -

P. 83-104.

55. Katz M. Code acquisition in advanced CDMA networks: PHD dissertation / M. Katz. - Finland, Oulu: University of Oulu, 2002. - 85 p.

56. Pickholtz R., Schilling D., Milstein L. Theory of Spread-Spectrum Communications - A Tutorial, IEEE Transactions on Communications, V. C0M-30, № 5, May. 1982. - P. 855-884.

57. Подольцев В.В. Системный анализ методов синхронной обработки информации в МАС протоколах множественного доступа с использованием псевдослучайных последовательностей / В.В. Подольцев // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. - Астрахань, 2019. - № 4 (48). -С. 25-34.

58. Podoltsev V.V. Modification of Majority Processing of Synchronizing Information in MAC Multiple Access Protocols / V.V. Podoltsev, 1М. Azhmuhamedov // International Russian Automation Conference (RusAutoCon-2020), Sochi, Russia, 2020. - P. 762-766, DOI: 10.1109/RusAutoCon49822.2020.9208211.

59. Подольцев В.В. Особенности синхронизации генераторов апериодических псевдослучайных последовательностей в широкополосных и CDMA-системах связи / В.В. Подольцев, И.М. Ажмухамедов, Е.В. Мельников // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. - Астрахань, 2019. -№ 4 (48). - С. 35-42.

60. Подольцев В.В. Повышение точности синхронизации при обработке коротких сегментов ПСП в системах MC-CDMA / В.В. Подольцев, Ф.Г. Хисамов // Информатика и безопасность современного общества. - Краснодар, 2018. -№ 3(5). - С. 29-35.

61. Подольцев В.В. Разработка имитационных моделей для исследования вероятностных характеристик методов синхронизации ПСП: мажоритарного метода обработки синхронизирующей информации в МАС протоколах множественного доступа и метода последовательной оценки Уорда / В.В. Подольцев, И.М. Ажмухамедов // Специальная связь и безопасность информации (ССБИ-2019): материалы III Междунар. науч.-практ. конф. 18 фев.

2019 г. - Краснодар.: Краснодарский ЦНТИ - филиал ФГБУ «РЭА» Минэнерго России, 2019. - С. 70-77.

62. Khisamov F., Zolotuev A., Sobachkin D., Milovanov M., MC-DS-CDMA Pseudo-Noise Acquisition Algorithm Research Using Computer Model, 23-rd Telecommunications Forum Telfor, Serbia. - 2015. - P. 329-332.

63. Tan X-H. Performance of acquisition in a digital matched-filter for DSSS / X-H. Tan // 2005 IEEE International Symposium on Microwave, Antenna, Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications Proceedings. - 2005. -P. 927-931.

64. Chung S. A new serial search acquisition approach with automatic decision threshold control / S. Chung // IEEE 45thVehicular Technology Conference. - 1995. -July. - P. 530-536.

65. Stiffler J.J. Theory of Synchronous Communications, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1971.

66. Lining W., Guangxin Y. Effect of MAI on MC-CDMA's Acquisition Performance, International Conference on Communications Technology ICCT' 98, Beijing, China, Oct. 22-24, 1998.

67. Собачкин Д.М. Исследование ложной синхронизации ПСП по зачетному отрезку в специальных системах связи, Перспективы развития информационных технологий: сборник материалов XXV Международной научно-практической конференции / Под общ. ред. С.С. Чернова. - Новосибирск: Издательство ЦРНС, 2015. - С. 72-79.

68. Устройство синхронизации псевдослучайной последовательности на основе мажоритарного декодирования для широкополосных систем связи / В.В. Подольцев, Ф.Г. Хисамов, Д.Ф. Хисамов, Д.М. Собачкин, А.Д. Золотуев, М.В. Бобылев. - Краснодар, 2015. - Патент на изобретение № 2656838; заявка № 2015151664 от 01.12.2015; зарегистр. в Гос. Реестре изобретений РФ 06.06.2018.

69. Прозоров Д.Е. Метод последовательной оценки псевдослучайных сигналов на основе модели многосвязной цепи Маркова, Журнал

радиоэлектроники, № 10, 2013. - С. 1-18.

70. S. Yoon, I. Song, S. Yong Kim. Seed accumulating sequential estimation for PN sequence acquisition at low signal-to-noise ratio // Signal Processing, Nov. 2002. - Vol. 82, № 11. - P. 1795-1799.

71. Чердынцев В. А. Проектирование радиотехнических систем со сложными сигналами. - Минск: Вышейшая школа, 1979. - 192 с.

72. Wang J. A Rapid Code Acquisition Scheme for DS/SS Systems / J. Wang, X. Hu, Y. Zhang, Q. Dai // Wireless Personal Communications. - June, 2006. - Vol. 39, № 4. - P. 503-514.

73. Тепляков И.М., Рощин Б.В., Фомин А.И., Вейцель В.А. Радиосистемы передачи информации. - М.: Радио и связь. - 1982. - 264 с.

74. Новиков И.А. К вопросу о мажоритарном декодировании М-последовательностей / И.А. Новиков, В.Н. Номоконов, А.А. Шебанов и др. // Вопросы радиоэлектроники. Сер. ОТ. - 1976. - Вып. 5. - С. 50-55.

75. Подольцев В.В. Модификация мажоритарной обработки синхронизирующей информации в МАС протоколах множественного доступа / В.В. Подольцев, И.М. Ажмухамедов // Международная научно-техническая конференция «Автоматизация» (RusAutoCon-2020). Научный семинар «Фундаментальные проблемы управления производственными процессами в условиях перехода к Индустрии 4.0». - Сочи. 2020. - С. 62-67.

76. Месси Д. Пороговое декодирование. - М.: Мир. - 1966.

77. Helleseth T., Kumar P.V. Pseudonoise Sequences: [Электронный ресурс] Mobile Communications Handbook Ed. Suthan S. Suthersan Boca Raton: CRC Press LLC, 1999. - Режим доступа: http://citeseerx.ist.psu.edu/.

78. Журавлев В.И., Леонтьев М.А. О статистических показателях системы поиска псевдослучайных сигналов с мажоритарной оценкой символов. -VII Всесоюз. конф. по теории кодирования и передаче информации: Тез. докл. -Москва - Вильнюс. - 1978.

79. Журавлев В.И. Поиск и синхронизация в широкополосных системах связи. - М.: Радио и связь. - 1986. - 240 с.

80. Сухинин Б.М. Высокоскоростные генераторы псевдослучайных последовательностей на основе клеточных автоматов. Прикладная дискретная математика, № 2 (8). - 2010. - C. 34-41.

81. Литвин М.В. Обработка сигналов при Гауссовской аппроксимации амплитуды // Радиотехника, 2001, № 9. - C. 21-25.

82. Колесник В.Д. Вероятностное декодирование мажоритарных кодов, Проблемы передачи информации, 1971, № 7 (3). - C. 3-12.

83. Вентцель Е.С. Теория вероятностей: Учебник для студ. Вузов / Е.С. Вентцель. - 9-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия». - 2003. -576 с.

84. Андронов И.С., Финк Л.М. Передача дискретных сообщений по параллельным каналам. - М.: Советское радио. - 1971. - 408 с.

85. Liu H., Li K. A decorrelating RAKE receiver for CDMA communications over frequency-selective fading channel // IEEE Transactions on Communications. -V. 47, Issue 7. - 1999. - P. 1036-1045.

86. Strigilis S., Kaul A., Yang N., Woerner B.D. A multistage RAKE receiver for improved capacity of CDMA-systems // Vehicular Technology Conference, 1994 IEEE 44th. - 1994. - P. 789-793.

87. Cozzo C., Bottomley G.E., Khayrallah A.S. RAKE receiver finger placement for realistic channels // Wireless Communications and Networking Conference, 2004. WCNC. 2004 IEEE. - 2004. - P. 316-321.

88. Batariere M., Baum K., Krauss T.P. Cyclic prefix length analysis for 4G OFDM systems // Vehicular Technology Conference, 2004. VTC2004-Fall. 2004 IEEE 60th. - 2004. - P. 543-547.

89. Vinkatesan S., Valenzuela R.A. OFDM for 5G: Cyclic prefix versus zero postfix and filtering versus windowing // Communications (ICC), 2016 IEEE International Conference on. - 2016. - P. 1-5.

90. Ma C-Y., Wu C-Y., Huang C-C. A simple ICI suppression method utilizing cyclic prefix for OFDM systems in the presence of phase noise // IEEE Transactions on Communications. - V. 61, Issue 11. - 2013. - P. 4539-4550.

91. Подольцев В.В. Исследование временных характеристик мажоритарного метода обработки синхронизирующей информации в МАС протоколах множественного доступа и метода последовательной оценки Уорда / В.В. Подольцев // Современные научные исследования: актуальные вопросы, достижения и инновации (МК-936): сборник научных трудов по материалам XV Междунар. науч.-практ. конф. 25 нояб. 2020 г. - Пенза.: Издательство МЦНС «Наука и Просвещение», 2020. - С. 49-53.

92. Программа симулятор декодера псевдослучайной последовательности для систем синхронизации MC-DS-CDMA [Электронный ресурс] /

B.В. Подольцев, Ф.Г. Хисамов, А.Д. Золотуев, М.В. Милованов, Д.Ф. Хисамов. -Электрон. прогр. - Краснодар, 2015. - Свидетельство о ГР прогр. для ЭВМ № 2015662303; заявка № 2015619184 от 23.09.2015; зарегистр. в Реестре программ для ЭВМ 19.11.2015.

93. Ширяев А.Н. Вероятность. - М.: Наука, 1980. - 574 с.

94. Дьяконов В.П. MATLAB. Полный самоучитель. - М.: ДМК Пресс, 2012. - 768 с.

95. Солонина А.И. Цифровая обработка сигналов. Моделирование в Simulink: Учебное пособие. - СПб.: БХВ-Петербург, 2012. - 432 с.

96. Патент 1432791 СССР. Анализатор качества канала / О.Б. Юминов,

C.В. Дзюин, М.М. Марков, И.З. Климов // Бюл. - 1988. - № 39. - 96 с.

97. Karris S.T. Introduction to Simulink with Engineering Applications: [Электронный ресурс]: Orchard Publications, 2006. - Режим доступа: http://staff.on.br/.

98. Proakis J.G., Salehi M. Digital communications. - Boston. Fifth édition: McGraw-Hill Higher Education, 2008. - 1150 p.

99. Акопов А.С. Имитационное моделирование: учебник и практикум для академического бакалавриата / М.: Издательство Юрайт, 2014. - 389 с.

100. Аристов С.А. Имитационное моделирование экономических систем: Учеб. пособие. - Екатеринбург: Изд-во Урал. гос. экон. ун-та. 2004. - 121 с.

101. Cheng H.T., Jiang H., Zhuang W. Distributed medium access control

for wireless mesh networks // Wireless communications and mobile computing. - 2006, V. 6. - P. 845-864.

102. WiMedia alliance, Distributed medium access control (MAC) for wireless networks - Release 1.5, Dec. 1, 2009. - 195 p.

103. Подольцев В.В. Исследование вероятностных характеристик методов синхронизации ПСП: мажоритарного метода обработки синхронизирующей информации в МАС протоколах множественного доступа и метода последовательной оценки Уорда / В.В. Подольцев, И.М. Ажмухамедов // Моделирование, оптимизация и информационные технологии. - Воронеж, 2020. -№ 8 (3). - 12 с. DOI: 10.26102/2310-6018/2020.30.3.006.

104. Подольцев В.В. Оценка вероятностных характеристик мажоритарного метода обработки коротких сегментов псевдослучайной последовательности / В.В. Подольцев // Радиопромышленность. - Москва, 2020. - Т. 30. - № 1. С. 8-15. DOI: 10.21778/2413-9599-2020-30-1-8-15.

105. Подольцев В.В. Верификация разработанных имитационных моделей для исследования временных характеристик методов синхронизации ПСП: мажоритарного метода обработки синхронизирующей информации в МАС протоколах множественного доступа и метода последовательной оценки Уорда / В.В. Подольцев, И.М. Ажмухамедов // Информатика и безопасность современного общества. - Краснодар, 2019. - № 1(7). - С. 17-23.

106. Подольцев В.В. Верификация разработанных имитационных моделей для исследования вероятностных характеристик методов синхронизации ПСП: мажоритарного метода обработки синхронизирующей информации в МАС протоколах множественного доступа и метода последовательной оценки Уорда / В.В. Подольцев // Научные достижения: теория, методология, практика (НДТ-23): сборник научных трудов по материалам XXIII Междунар. науч.-практ. конф. 28 сент. 2020 г. - Анапа.: Издательство ООО «НИЦ ЭСП», 2020. - С. 35-41.

107. Подольцев В.В. Имитационная модель для системного исследования временных характеристик мажоритарного метода обработки синхронизирующей информации в МАС протоколах множественного доступа / В.В. Подольцев,

И.М. Ажмухамедов // «Радиолокация, навигация, связь» (RLNC-2020): сборник трудов XXVI Междунар. науч.-техн. конф. 29 сент. - 1 окт. 2020 г. - Воронеж.: Издательский дом ВГУ, 2020. - Том. 1. - С. 111-121.

Устройство синхронизации псевдослучайной последовательности для систем

связи с многочастотными сигналами

На рисунке П.1.1 представлена структурная схема устройства синхронизации псевдослучайной последовательности для систем связи с многочастотными сигналами.

Рисунок П.1.1 - Структурная схема устройства синхронизации псевдослучайной последовательности для систем связи с многочастотными сигналами

Используемые в фигуре обозначения:

К1...КN - идентификатор подканала или номер поднесущей в диапазоне

1...К;

КИ - канал индикации качества канала связи;

КУ - канал управления;

ПСП - псевдослучайная последовательность.

Принцип работы устройства поясняется рисунком П.1.1.

Предложенное устройство содержит последовательно соединенные первый ключ 1, регистр 2 с обратной связью, блок 3 сравнения, а также второй ключ 4, выход и вход которого соединены соответственно со входом и выходом регистра 2, другой выход которого подключен ко входу дешифратора 5, при этом на вход первого ключа 1 и другой вход блока 3 сравнения подан сигнал с выхода блока 11 решающего устройства, на параллельные входы которого подается ПСП из подканалов, а также счетчик 6 ошибок и счетчик 7 импульсов, выход которого подключен ко вторым входам первого и второго ключей 1 и 4. Устройство содержит также блок 8 сложения и последовательно соединенные блок 10 управления, к входам которого подключены детекторы 12, 13, 14 качества подканалов, и элемент 9 запрета, выход которого подключен к третьему входу первого ключа 1, причем выход КУ блока 10 управления подключен к входу КУ блока решающего устройства и выход КИ подключен к входу блока 8 сложения, выход которого соответственно через счетчик 6 подключен к другому входу элемента 9 запрета, при этом выход блока 3 сравнения подключен к другому входу блока 8 сложения.

Устройство работает следующим образом. Формирование местной ПСП на основе принятой осуществляется при помощи пропускания ПСП из подканалов через блок решающего устройства 11 и ключ 1 в регистр 2, где формируется местная ПСП, которая затем поступает в блок 3 сравнения. Одновременно на другой вход блока 3 сравнения поступает ПСП из блока решающего устройства.

Блок 11 решающего устройства в зависимости от сигнала управления, передаваемому в КУ от блока 10 управления, по мажоритарному алгоритму принимает решение о значении передаваемой ПСП. Блок 10 управления на основе сигналов от детекторов 12, 13, 14 качества подканала на выход КУ передает блоку 11 решающего устройства данные о подканалах, которые будут учитываться в процессе принятия решения, а на выход КИ передает данные о состояния канала. Таким образом, блок 10 управления и блок 11 решающего устройства повышают помехозащищенность системы за счет выбора наименее зашумленных

подканалов.

В блоке 3 происходит сравнение принимаемой и местной ПСП и при их совпадении выдаются нули на блок 8, где производится операция логического сложения результатов предыдущего сравнения с сигналами выхода КИ от блока 10 управления. Если сигналы КИ блока 10 управления отсутствуют, нули от блока 3 через блок 8 поступают на счетчик 7 и после совпадений в блоке 3 сигнал счетчика 7 сбрасывает счетчик 6 и переводит формирование местной ПСП в автономный режим при помощи ключей 1 и 4, которые соответственно отключают регистр 2 от канала и переключают его в автономный режим работы. Переход в режим автономного формирования местной ПСП влечет за собой выполнение операции выделения сигнала фазового пуска в дешифраторе 5, на который ПСП поступает параллельным кодом из регистра 2 (показано широкой стрелкой). При этом, выделение сигналов фазового пуска на приеме и передаче происходит синхронно.

Таким образом, операция формирования местной ПСП в автономном режиме выполняется в зависимости от сигналов, поступающих как от блока 3, так и от блока 10 управления, тем самым исключается возможность выполнения этой операции при появлении необнаруженных ошибок и местной, и принимаемой ПСП в результате их сравнения, приводящих к ложной синхронизации. При возникновении в сравниваемых битах ПСП идентичных ошибок, которые при сравнении скомпенсировали друг друга, со схемы сравнения идут нули, которые поступают на блок 8. Однако, при этом с блока 10 управления будут идти единицы, свидетельствующие об ухудшении состояния подканалов связи за счет операции логического сложения в блоке 8, сигналы стирания будут сбрасывать счетчик 7 и записываться в счетчик 6. Таким образом, формирование ПСП будет продолжаться в линейном режиме, т.е. на основе принятой ПСП.

В процессе работы предложенного устройства возникают ситуации, когда качество всех подканалов, на которых передается ПСП, ухудшается из-за возрастания организованных помех, и тогда даже при наличии синхронизации из блока 3 будут выделяться ошибки, которые фиксируются в счетчике 6. Однако в

этом случае начнут выделяться и сигналы КИ от блока 10 управления, которые не позволят сигналам от счетчика 6 пройти через элемент запрета 9 и перевести при помощи ключа 1 формирование местной ПСП в канальный режим, т.е. в режим синхронизации. Следовательно, использование сигналов КИ от блока 10 управления предотвращает преждевременный переход системы в канальный режим синхронизации, и дает возможность производить это только при действительном сбое синхронизации ПСП, когда при сравнении местной и принимаемой ПСП возникает поток ошибок, а канал находится в хорошем состоянии, о чем будет свидетельствовать отсутствие сигналов КИ от блока 10 управления.

Изобретение предотвращает вероятность преждевременного перехода устройства в канальный режим синхронизации при возрастании организованных помех в системах связи с многочастотными сигналами, обеспечивает защиту от ложной синхронизации ПСП при ухудшении качества канала связи и позволяет повысить точность определения факта потери синхронизации ПСП.

clc;

clearall; pp=0.1:0.01:0.2; Per_all=0; Per=1; Per1=1; Per2=1; Nc=3; p_c=0;

forhh=round((Nc+1)/2):Nc

p_c=p_c+Combination(Nc,hh).*pp.Ahh.*(1-pp).A(Nc-hh);

end

p_c;

seg=31;

k=10;

J=zeros(1,k); for i=1:k

error=0.5-0.5.*(1-2.*p_c).Ai;

J(i)=round(Combination(k-1,i-1).*seg./((2.Ak)-1)); end

bound=sum(J)/2; fl=mod(sum(J),2); if (fl==0)

Bound=bound+1; else Bound=ceil(bound); end a=J Bound; test=Bound;

c = cell(length(a), 1); for i=1:length(a) b = 0:a(i); c(i,1) = {b}; end

combinations = combvec(cell2mat(c(1,1)), cell2mat(c(2,1))); for i= 3:length(a)

combinations = combvec(combinations, cell2mat(c(i,1))); end

sum = 0;

dl=length(combinations); f = [];

for i = 1:length(combinations) for j = 1:length(combinations(:,i)) sum = sum + combinations(j,i); end

if(test <= sum)

cc=combinations(:,i);%%%%% dlina=length(cc);

Per=1; for m=1:dlina

error=(0.5-0.5.*(1-2.*p_c).Am);

error1=(a(m).*p c).Am.*exp((-1).*a(m).*p c)./factorial(m); Per=Per.*(J(m).*error).Acc(m).*exp((-1).*J(m).*error)./factorial(cc(m));

end

Per_all=Per_all+Per; end

sum = 0; end

Per_all

Per_SER=1-(1-Per_all).Ak semilogy(pp,Per SER); holdon

Per_ZOT=1-(1-p_c).Ak pp=0.1:0.01:0.2; p_c=0;

forhh=round((Nc+1)/2):Nc

p_c=p_c+Combination(Nc,hh).*pp.Ahh.*(1-pp).A(Nc-hh); end

semilogy(pp,Per ZOT,'--g');

xlabel('P')

ylabel('PH')

hleg = legend('Мажоритарный.-теория' ,'Уорд-теория',... 'Location','SouthEast');

Структурная схема алгоритма блока cheking_sequence представлена на рисунках П.3.1-П.3.4.

decoder_polynom, decoder_start,N,Ms. polynom,check,start condinion, chislo_taktov, schet4ik taktov

dlina=length(decoder_start) schet=0

Нет

> Г

prom back=decoder start

Г

exits_sequence=ones (dlina,1)

prom=prom_back(1)

<D

^Выход^

1 r ©

exits_sequence=zeros (dlina,1)

©

Рисунок П.3.2 - Структурная схема алгоритма блока cheking_sequence

Рисунок П.3.4 - Структурная схема алгоритма блока cheking_sequence

function y = fcn(decoder polynom,decoder start,N,Ms,polynom,check,

start condition,chislo taktov,schet4ik taktov)

%#codegen

dlina=length(decoder start);

schet=0;

forkk=1:dlina

if (check(kk,1)==0)

schet=schet+1;

end

end

if (schet==dlina)

y=decoder start;

else

%%%%%%%%%%

if (N==Ms) % shift_back start for k=1:dlina prom_back=decoder_start;

if (prom back(1)==0) % zeros or ones filling

exits sequence=zeros(dlina,1);

else

exits sequence=ones(dlina,1); end

prom=prom back(1); %fg=0;

%sum=logical(fg);

%sum mas=and(polynom,prom back); exits=and(polynom,exits sequence); sum mas=xor(exits,prom back); for i=1:dlina %sum=xor(sum mas(i),sum); if (i<dlina)

decoder start(i)=summas(i+1);

end

end

decoder start(dlina)=prom; shifted back=decoder start; end

%shift_back end

%%%%%%%%%%%% sbrossostoyaniyadecodera START schet4ik_taktov;

chislo taktov;

if(chislo taktov==schet4ik taktov) decoder start=start condition; sbrosil=decoder start; end

%%%%%%%%%%%%%%% sbrossostoyaniyadecodera END

else%decoder sequence generation start

if (decoder start(dlina)==0) % zeros or ones filling

exits sequence=zeros(dlina,1);

else

exits sequence=ones(dlina,1); end

%sum mas=and(decoder polynom,decoder start); %sum=false;

prom=decoder start(dlina);

exits=and(decoder polynom,exits sequence); sum mas=xor(exits,decoder start); for p=1:dlina %sum=xor(sum mas(p),sum);

if (p<dlina) decoder start(p+1)=sum mas(p);

end

end

decoder start(1)=prom;

decoder start;

end

%%%%%%%%%%%% decoder sequence generation end

y = decoder start;

end

Структурная схема алгоритма блока multiplication представлена на рисунке

П.4.1.

( Вход )

Рисунок П.4.1 - Структурная схема алгоритма блока multiplication

function y = fcn(u,d)

%#codegen

dlina=length(u);

dec=d;

sequence=u;

received sequence=transpose(u); proverka=transpose(d); fi=0;

fi0=logical(fi); for i=1:dlina

df=dec(i)*sequence(dlina-i+1); fi0=xor(fi0,df);

end

if (fi0==true) fi0B00L=1;

else fi0B00L=0;

end

posle peremnojeniya na proverku=fi0B00L; y = fi0B00L;

Структурная схема алгоритма блока 1 and 0 calc представлена на рисунке

П.5.1.

( Вход )

> r

s vikhoda vtorogo registra=u dlina=length(u) sch nuley=0 sch=zeros(dlina,2)

> f

Нет

^Выход^

Рисунок П.5.1 - Структурная схема алгоритма блока 1 and 0 calc

function y = fcn(u) %#codegen

s vikhoda vtorogo registra=u;

dlina=length(u);

sch nuley=0;

sch=zeros(dlina,2);

for i=1:dlina

if (u(i,1)==0)

sch(i,1)=sch(i,1)+1;

sch nuley=sch nuley+1;

else sch(i,2)=sch(i,2)+1;

end

end

sch;

if (sch nuley==dlina)

%sch=zeros(dlina,2); %sbrasivaemschetchikeslivsenuli v posledovatel'nosti -budetrabotat' esliposledovat' prinytabezowibok for i=1:dlina

sch(i,1)=sch(i,1)-1; %otnimaetvsenulieslinulevayaposledovatel'nost'

end

end

y = sch;

Структурная схема алгоритма блока summator представлена на рисунке П.6.1.

8ишша=и1

>

У=8и шша

^ Выход^

Рисунок П.6.1 - Структурная схема алгоритма блока summator

function y = fcn(u1,u2,itter)

%#codegen

d=size(u1);

summa=zeros(d(1),d(2));

schet=0;

for i=1:d(2)

schet=u2(1,i)+schet;

end

if (schet==itter)

summa=u1;

else

for i=1:d(1) for j=1:d(2)

summa(i,j)=u1(i,j)+u2(i,j);

end

end

end

y = summa;

Субмодель блока Лек^_Ш;егайоп представлена на рисунке П.7.1.

Рисунок П.7.1 - Субмодель блока сИек^^Иегайоп

Субмодель блока If Action Subsystem 1 представлена на рисунке П.7.2.

else{}

Œ>

In1

CD

TRX

Action Port

Memory2

—► u TRX Â у sehet ^ V sumBER г™ У sum_SER y2

r —► —► w

decision

Memoryl

schetchikl

Memory

else{}

•CD

Out2

CD

Outl

Action Port

Рисунок П.7.2 - Субмодель блока If Action Subsystem 1

Структурная схема алгоритма блока decision подсистемы cheking_itteration представлена на рисунках П.7.3 и П.7.4.

Рисунок П.7.3 - Структурная схема алгоритма блока decision подсистемы

cheking_itteration

Рисунок П.7.4 - Структурная схема алгоритма блока decision подсистемы

cheking_itteration

function [y,y1,y2] = fcn(u,TRX,schet,sum BER,sum SER) %#codegen nakoplennnoe=u; d=size(u); f=zeros(d(1),1); for i=1:d(1) if (u(i,1)>u(i,2)) f(i,1)=0;

else if (u(i,1)<u(i,2)) f(i,1)=1; else f(i,1)=0; end end

BER_seq=xor(TRX,f);

razmer=length(f);

err=0;

for i=1:razmer

if (BER_seq(i)==1)

err=err+1;

end

end

%%%%%BER CALCULATION start

peredano=transpose(TRX);

reshenie=transpose(f);

BER=err/razmer;

schet

sum_BER=sum_BER+BER

Medium_BER=sum_BER/schet

%%%%%%%%%%%%BER CALCULATION end

%%%%%SER CALCULATION start

if (err>0)

sum_SER=sum_SER+1

end

Medium_SER=sum_SER/schet %%%%%%%%%%%%SER CALCULATION end y1=sum_BER; y2=sum SER; y = f;

станции»

Структурная схема алгоритма блока «Генератор ПСП» блока «Абонентской станции» представлена на рисунках П.8.1-П.8.4.

^ Выход^

аНпа=1еп§1Ь(т); 1гап$ро$е(т); 1;гап$ро$е(ёе£еп$е); ёеГепэе сЬеск=хог(т,ае£еп$е); эиш ёе£=0

>

кк= 1:а1гпа ^-

Нет

т= =т

>

*

1гап$ро$е(т)

=т

т_ргош=т

Рисунок П.8.1 - Структурная схема алгоритма блока «Генератор ПСП»

блока «Абонентской станции»

Рисунок П.8.2 - Структурная схема алгоритма блока «Генератор ПСП»

блока «Абонентской станции»

0

ргош=и ех^=апа(ро1упош,и) suш=1ogica1(0)

>

©

©

- Нет ф Да > г

suш=0 suш=1

>

<

Рисунок П.8.3 - Структурная схема алгоритма блока «Генератор ПСП»

блока «Абонентской станции»

©

т=1гашро8е(т)

У= =и

уу=1гап8ро8е(и)

00= =00

>

^Выход

Рисунок П.8.4 - Структурная схема алгоритма блока «Генератор ПСП»

блока «Абонентской станции»

function [y,yy,cc,dd] = fcn(in,podgon,ccc,defense)

dlina=length(in);