Висше военноморско училище “Н. Й. Вапцаров” факултет „навигационен”

ВИСШЕ ВОЕННОМОРСКО УЧИЛИЩЕ “Н. Й. ВАПЦАРОВ”

ГРОЗДЮ ХРИСТОВ ГРОЗЕВ

Професионално направление, специалност

02.07.20 „Комуникационни мрежи и системи”

АВТОРЕФЕРАТ

на

За придобиване на образователна и научна степен

„ДОКТОР”

Научен ръководител:

Доц. д-р Цвятко Тодоров Цанев

Варна

Основен текст – 113 страници

Брой на литературните източници – 109

Брой на фигурите – 51

Брой на таблиците – 30

Брой на приложенията – 8

Брой на публикациите по дисертацията – 6

Защитата на дисертационния труд ще се състои на ..............от 14.00 часа в зала № 4 на ВВМУ „Н. Й. Вапцаров”

Адрес: г. Варна, ул. „Васил Друмев” № 73

ВИСШЕ ВОЕННОМОРСКО УЧИЛИЩЕ “Н. Й. ВАПЦАРОВ”

ГРОЗДЮ ХРИСТОВ ГРОЗЕВ

Професионално направление, специалност

02.07.20 „Комуникационни мрежи и системи”


АВТОРЕФЕРАТ

на

За придобиване на образователна и научна степен

„ДОКТОР”

Научен ръководител:

Доц. д-р Цвятко Тодоров Цанев

Варна

Дисертантът работи в катедра „Електроника” на ВВМУ „Н. Й. Вапцаров” и е на самостоятелна форма на обучение в катедра „Електроника” във факултет „Навигационен” на ВВМУ „Н. Й. Вапцаров”.

Автор: Гроздю Христов Грозев

на системата за Цифрово избирателно повикване в Световната морска система за бедствие и безопасност

Интензивното развитие на морското корабоплаване и дейностите по усвояване на природните богатства в Световния океан рязко повишават ролята и значението на свръзката с корабите плаващи в отдалечени райони. Производителността на труда на корабните екипажи и безопасността на човешкия живот на море зависят от възможносттите и ефективността на свръзката в различните ситуации.

По-важните причини за това се дължат на нарастването на броя на съобщенията и на техния обем поради увеличения товарооборот и на постоянното разширяване на корабния парк. Всичко това води увеличаване на интензивността на трафика по световните морски пътища и до повишаване на опасността от инциденти. Задачите на свръзките допълнително се усложняват и от факта, че корабите и морските платформи са потенциални мишени за терористични атаки и са обекти на пиратски нападения.
ПРЕДМЕТ

Предмет на дисертационния труд е изследване на системата за Цифрово избирателно повокване (ЦИП), методите и апаратно-програмните средства, осигуряващи качеството на цифровите комуникационни системи.

Целта на дисертационния труд е да бъдат намерени, теоретично обосновани и практически реализирани начини и средства за повишаване на шумоустойчивостта на системата за Цифрово избирателно повикване.

За реализиране на формулираната цел са поставени и решени следните обобщени задачи:

1. Да се определят факторите, оказващи влияние върху условията на разпространение на ултракъсите вълни използвани в морските мобилни радиокомуникации.

2. Да се извърши експериментално изследване на разпространението на ултракъсите вълни използвани в системата за ЦИП и се определят статистическите характеристики на получените експериментални данни.

3. Да се определи минимално необходимата напрегнатост на електромагнитното поле в точката на приемане в зависимост от вида на комуникационния радиоканал

4. Да се синтезира математически модел на радиокомуникационен канал на системата за ЦИП и се предложат възможности за повишаване на нейната шумоустойчивост.
НАУЧНОИЗСЛЕДОВАТЕЛСКИ МЕТОДИ

В извършените изследвания са използвани методите за статистически анализ на експериментални данни, моделен анализ, корелационен и регресионен анализ.

Инструментариумът с който се решават поставените в дисертацията задачи е от областите на теорията на разпространението на радиовълните, теорията на сигналите и системите, цифровата обработка на сигналите, теорията на математическите модели, теорията на шумоустойчивото кодиране, компютърните програмни продукти и езици, експерименталните изследвания.
НАУЧНА ЗНАЧИМОСТ И НОВОСТ

Повишаването на шумоустойчивостта на цифровите комуникационни радиосистеми използвани в морските крайбрежни райони е проблем, който придобива голямо значение в съвременните телекомуникации. В този смисъл условията на разпространение на ултракъсите вълни в тези райони е сравнително неизследвана област в България. Това предполага моделиране и предлагане на решения с цел понижаване на вероятностите за грешки.

Получените резултати при изследването на шумоустойчивостта на УКВ радиоканали дават възможност да се оценят характеристиките на предаване на реални цифрови сигнали и да се търсят възможности за усъвършенстване на системите за Цифрово избирателно повикване, чрез методи за разнесено примане и шумоустойчиво кодиране.

Постигнатите в дисертационния труд резултати са представени в шест публикации. Те са докладвани и обсъждани на научни конференции на ВВМУ „Н. Й. Вапцаров” – 4 доклада и на Шуменски университет “Епископ Константин Преславски” – 2 доклада.

Дисертацията включва увод, четири глави, заключение, приложения и използвана литература. Основният текст съдържа 113 страници, 51 фигури и 30 таблици. Литературата включва 109 източника, от които 77 на кирилица и 32 на латиница.

Разгледани са основните проблеми на морските системи за Цифрово избирателно повикване. Направена е техническа характеристика на системата за ЦИП.

Определено е мястото на системата за Цифрово избирателно повикване в мобилното пространство.

Системата за ЦИП може да се представи в обобщен вид като функционална последователност на преобразувания на сигналите при предаване на дискретни съобщения от източника на информация към нейния получател.

В разпространените на практика системи за предаване и обработка на сигнали системите за връзка обикновено се представят чрез обобщен модел.

Радиоканалът характерен за системата за ЦИП е определен като УКВ с пространствено разпространение на радиовълните. Антените за този обхват са с относително малки размери и могат да бъдат поставени върху мачти на височина само няколко вълнови дължини.

Разпространението на радиовълните в свободното пространство се характеризира с отражения от повърхността на морето, на земята, от природни или изкуствени прегради. Влияние оказват също дифракцията от върхове, възвишения и сгради и рефракцията от долните слоеве на атмосферата.

Сигналът, пренасян по УКВ радиоканала, е подложен на два основни вида затихване:

Затихване вследствие на дълготрайни замирания, дължащи се на загуби при разпространение и засенчване.

Затихване вследствие на краткотрайни замирания, дължащи се на многолъчево разпространение на сигналите и на доплерово разширение на сигнала.

В мобилните радиокомуникации замирания в радиоканалите отразяват средното отслабване на мощността на сигнала или загубите в тракта вследствие разпространение на големи разстояния. Статистиката на дълготрайните замирания позволява приблизителното изчисляване на загубите в тракта като функция на разстоянието. Това обикновено се описва чрез средните загуби в тракта като степенен закон от n-ти порядък и логаритмично нормално разпределение на отклонението от средната стойност на амплитудата на напрегнатостта на електромагнитното поле. Краткотрайните замирания представляват значителни изменения на амплитудата и фазата на сигнала в резултат на неголеми изменения на разстоянието между предавателя и приемника от порядъка на половин дължина на вълната. Краткотрайните замирания оказват влияние като предизвикват разширение на сигнала по време (или дисперсия на сигнала) и нестационарно поведение на канала. В мобилните комуникации параметрите на канала се изменят във времето тъй като движението на предавателя и/или приемника като резултат довеждат до изменение на пътя на разпространение. Скоростта на изменение на тези условия на разпространение определя скоростта на замиранията (скорост на изменение на влошаването на характеристиките вследствие замиранията). Краткотрайното затихване е прието да се нарича релеевско, ако има голям брой отразени сигнали и няма компонента на сигнала пристигаща в приемника директно. Обвиващата на такъв сигнал статистически се описва с помощта на релеевска функция на плътността на вероятността. Ако съществува незамиращ директен компонент на сигнала, обвиващата на дребномащабното замиране се описва с функция на плътността на вероятността на Райс. Очевидно, статистиката на краткотрайните замирания винаги е разпределена по Релей, ако прекият лъч е блокиран. В противен случай се получава разпределение на Райс. Мобилният радиоприемник, който се премества по големи пространства, трябва да има възможност да обработва сигнали, подложени на двата вида замирания. Дълготрайните замирания се разглеждат като пространствено осредняване на краткотрайните флуктуации на сигнала. Прието е осредняването да се извършва в интервал превишаващ 10-30 пъти дължината на вълната 61, с цел отделянето на краткотрайните флуктуации от дълготрайните флуктуации, обикновено разпределени по логаритмично-нормален закон.

В § 1.3.1 са определени загубите при разпространение по метода на моделния анализ като е необходимо да се отчитат в съвкупност следните различни фактори оказващи влияние на разпространението на УКВ:

- разстояние на пряка видимост;

- тропосферно отражение;

- осредняване на сигнала;

- влияние на подвижността на кореспондентите;

- височина на разполагане на корабните антени;

- ефект на възникване на земни вълни;

Дефинирани са условията и параметрите на разпространение на радиовълните над гладка повърхност при плоско и сферично радиотрасе. Избран е метод за определяне на степента на неравност на морската повърхност.

На базата на анализа и дефинираните параметри са избрани математически модели на радиоканали на системата за ЦИП.

Прилагането на определен модел за описание на системата за ЦИП се определя в зависимост от конкретните параметри на случайните величини на радиотрасето и способа на обработка на сигналите.

Радиоканалът в § 1.3 е определен като дискретен симетричен канал без памет. Смущенията в него се апроксимират с адитивен гаусов шум с равномерен спектър, а сигналът пристига в точката на приемане с неопределена фаза.

Системата за ЦИП използва двоични ортогонални сигнали. Това дава основание, при определяне на вероятността за грешка в радиоканала да се прилага модела от 1.3.5.1. Другият модел 1.3.5.2. се прилага когато е необходимо да се отчита доплеровото изменение на честотата при движение на мобилния обект.

В раздел 1.4 са анализирани основните методи за повишаване на шумоустойчивостта на радиосистемите:

- оптимална и субоптимална обработка на сигналите;

-пространствена, честотна и временна филтрация;

- шумоустойчиво кодиране;

- разнесено приемане;

- нормализация на смущенията на входа на приемника;

- методи, базиращи се на разширяването на спектъра на сигнала.

В края на глава 1 са направени изводи относно необходимостта и насоките на изследванията и разработките в дисертационната работа с оглед решаване на задачите и постигането на целта.
Резултати и изводи по глава 1:

Тенденцията за нарастване на корабният трафик в крайбрежните райони на корабоплаване и икономическата дейност в тях предизвиква ускоряване на развитието и усъвършенстване на корабните радиокомуникационни системи (РКС) и, в частност, на радиосистемите за ЦИП;

Специфичният терен и метеорологичните особености на крайбрежните радиотрасета оказват определено влияние на разпространението на радиовълните в тази система за оповестяване.

От анализа на техническите характеристики на системата за ЦИП в § 1.2 може да се направи изводът, че тя не осигурява в достатъчна степен шумоустойчивост, тъй като в нея се прилагат технически методи за борба със замиранията в комуникационния радиоканал възможни към 80-те години на ХХ век. За това тя вече не удовлетворява изискванията за пълно радиопокритие на крайбрежната зона и това налага да се търсят възможности за нейното усъвършенстване и за повишаване на нейната шумоустойчивост.

Условията на разпространение на радиовълните определят комуникационния канал като канал с независими параметри – съответно стационарен канал и канал със замирания, при което някои от параметрите на радиотрасетата имат случаен характер. Те зависят от атмосферните и метеорологичните условия и имат сезонен характер.

Случайните изменения на параметрите на радиоканалите предизвикват изменения на напрегнатостта на електромагнитното поле в точката на приемане имащи също случаен характер. От това следва, че и съотношението сигнал/шум на входа на приемника има случаен характер.

Разнообразната природа на шумовете изисква използването на комплексен подход за борба с тях.

Комуникацията за оповестяване се осъществява между подвижни обекти, представляващи плавателни съдове, брегови радиостанции и радиостанции на Морските спасително-координационни центрове. Смесеният характер на радиотрасетата при такива комуникации изисква нов подход при оценяване на модела на разпространение на радиовълните. За оценяване на радиосистемата за ЦИП е необходимо да се дефинират критерии за сравняване на нейната ефективност с другите радиосистеми и с конкретните параметри на тези критерии.

Възможностите за повишаване на шумоустойчивостта на системата за ЦИП могат да се открият чрез изследване на работещи при гореспоменатите условия комуникационни радиоканали.

Приносите на дисертационния труд, намерили отражение в глава 1 се изразяват в:

- разкриване на важното значение на системата за ЦИП и необходимостта от повишаване на нейната шумоустойчивост;

- предложен е обобщен модел на канал за ЦИП;

- дефинирани са способите за определяне на загубите при разпространение на УКВ.
ГЛАВА 2. Изследване на моделите на разпространение на ултракъсите вълни, използвани в морските радиокомуникации.
В глава 2 е решена първа задача на дисертационния труд.
В нея са анализирани детерминираните модели на разпространението на УКВ над морска повърхност за целите на системата ЦИП. Във връзка с това последователно са разгледани затихване на радиовълните над гладка повърхност и над сферична повърхност. За изследваните радиотрасета се получават следните резултати:

- за плоско радиотрасе с дължина 25 km при височина на антените 10 m и 50 m резултатите са показани на фигури 2.1, 2.2, 2.3.

Фиг. 2.1 Графика на зависимостта E = f(r) при h1 = h2 = 10 m.

Фиг. 2.2 Графика на зависимостта E = f(r) при h1 = 10 m. h2 = 50 m.

Фиг. 2.3 Графика на зависимостта E = f(r) при h1 = h2 = 50 m.

- за сферично радиотрасе с дължина над 25 km при височина на антените 10 m и 50 m резултатите са показани на фигури 2.4, 2.5, 2.6.

Фиг. 2.4 Графика на зависимостта E = f(r) при h1 = h2 = 20 m.

Фиг. 2.5 Графика на зависимостта E = f(r) при h1 = 10,h2 = 50 m.

Фиг. 2.6 Графика на зависимостта E = f(r) при h1 = h2 = 50 m.

От графиките се вижда, че аналитичните модели са подходящи за морски радиотрасета понеже дават представа за изменението на напрегнатостта на полето по протежение на цялата дължина. Те не отчитат вероятностният характер на отразените сигнали, атмосферната рефракция, доплеровия ефект от движението на мобилните обекти и влиянието на вълнението на морската повърхност. Това налага да се изследват емпирични модели на разпространението на УКВ над морска повърхност за целите на системата ЦИП.

Анализирани са три емпирични модела:

• 
  Модел на CCIR ( ITU-R);
  
• 
  Модел на Окумура;
  
• 
  Модел на Хата.
  

Основното предимство на модела на Окумура е неговата простота и по-висока точност на предсказване на загубите при разпространение на разстояние от 1 km до 100 km. и за честоти от 150 MHz до 1920 МHz.

Моделът на Хата представя загубите като стандартна зависимост и предлага корекционни уравнения за приложения в други ситуации.

Резултатите от изчисленията с помощта на емпиричните модели са показани на табл. 2.4:

Стойностите на модела на Хата са най-близки до стойностите на аналитичните модели т.к. той отчита корекционния фактор за антената при честоти под 300 MHz. Освен това моделът е модифициран за загуби при разпространение в така наречената свободна област с пряка видимост. Моделът на Окумура непълно отразява конкретната ситуация, т.к. медианната стойност на загубите, отнесена към свободното пространство, е получена за фиксирани височини на антените, съответно на предавателната антена – 200 м, а на приемната антена 3 м. Разликата между предсказаните и измерените стойности на загубите при разпространение са (10÷14) dB. Големият толеранс на резултатите при модела на CCIR се дължи на приблизителното определяне на корекционния фактор за площ покрита със сгради. По тази причина той се отхвърля при определяне на загубите при разпространение при морски трасета. Общ недостатък на тези модели е използването на резутати от измервания на загубите причинени от терена главно урбанизирана и слабоурбанизирана среда. Предимството на аналитичните модели е по-адекватното отразяване на конкретната ситуация на изследваното трасе. Те дават възможност да се определи моментната стойност на интензитета на полето, както от разстоянието така и от височините на антените. Освен това дават възможност да се взема под внимание формата на трасето, неговата повърхност и паметрите на тропосферата.

При инциденти на море, като сблъскване, засядане, получаване на пробойни и други подобни, корабите променят своето положение в пространството. Това се изразява в наклоняване на корпуса в една или друга посока спрямо водната повърхност. Заедно с него се променя и положението на антените на свързочните му средства. Това довежда до промяна на коефициента на насочено действие на антената.

Целта е съществуващият модел на разпространение на УКВ да се адаптира към тази ситуация.

За отчитане на наклона на антена в уравнението за интензитета на полето [37] се въвежда коефициент за поправка C_t с който се коригира стойността на интензитета на полето в точката на приемане.

Тогава уравнението добива вида:

(2.19)

Коефициентът внася поправка в уравнението за електрическата съставна на полето за това:

(2.20)

Тогава за: - полувълнов вибратор:

(2.21)

- вълнов вибратор:

(2.22)
Резултатите от изследването са показани на фигура 2.7.

Фиг.2.7 Графики на зависимостта на поправъчните коефициенти от ъгъла на наклон на антената.

Височината на антената се определя по формулата(2.25):

където: - - реална мининална височина на антената;

- - височина на корабната антена над водолинията;

- - амплитуда на бордовото клатене;

- - средна височина на вълната.

При < 0 радиотрасето е закрито от вълните и радиовръзка на УКВ е невъзможна.

За осъществяване на връзка е необходимо да се изпълнява условието:

(2.26) >h_min

h_min (минимално необходима височина на корабната УКВ антена)- определя се от изискването за осигуряване на минимална дистанция на връзка на корабите.

Така при известна височина на антената и сила на вълнението (скорост на вятъра) е възможно да се изчисли пределната дистанция на надеждна УКВ връзка.