КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 17-79-10047

НазваниеИсследование и создание принципов высоконадежной передачи данных малого объема по радиоканалу для территории Арктики.

РуководительПузырёв Павел Иванович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет", Омская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2017 - 06.2019 

Конкурс№23 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-706 - Радио- и телевизионные системы, радиолокация и связь

Ключевые словаПередача информации, помехоустойчивое кодирование, фазовая синхронизация, символьная синхронизация, радиосвязь, энергетическая эффективность, ортогональные сигналы, MESH-сети, самоорганизующиеся сети, беспроводной доступ, связь в Арктике.

Код ГРНТИ49.27.31

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Территория Арктики характерна малой плотностью населения и большими расстояниями между населенными пунктами, и как следствие неразвитой наземной информационной инфраструктурой. Несмотря на то, что операторы связи продолжают развитие инфокоммуникационных сетей как на магистральном направлении, так и внутризоновой, охватить всю территорию РФ без мертвых зон сотовой связью в ближайшее время невозможно, т.к. это потребовало бы колоссальных вложений денежных средств при крайне малой отдаче. Во многих случаях не требуется передача большого объема информации: охранные системы автономных объектов, системы оповещения о бедственной ситуации, метеорологические станции и т.д. В отсутствии покрытия территории инфокоммуникационными сетями, такими как сотовая связь, экономически целесообразно применять низкоскоростные беспроводные средства передачи информации, обладающие, как правило, большей зоной покрытия. Повышение достоверности доставки сообщений и расширение зоны покрытия является комплексной задачей, т.к. требует синтеза энергетически эффективных сигналов, эффективных адаптивных протоколов связи и оптимального выбора частотного диапазона. Системы передачи данных УКВ диапазона работают в пределах прямой видимости с зоной охвата до нескольких десятков километров, в зависимости от высоты поднятия антенн. Существенная нестационарность ионосферы Арктики резко ограничивает возможности использования ионосферных каналов КВ радиосвязи. В то же время, параметры средневолнового (СВ) канала связи изменяются незначительно во времени, кроме того, большая длина волны позволяет устанавливать связь за пределами зоны прямой видимости. Именно эти достоинства дают возможность обеспечить связь в СВ диапазоне радиоволн на расстояниях от нескольких десятков до сотен километров. Современное развитие науки и технологий идет по направлению повышения скорости передачи информации с постепенным уходом вверх по частотному диапазону. При этом в направлении развития низкоскоростных радиосистем передачи информации за последние десятилетия мало что изменилось, несмотря на то, что по-прежнему существуют ниши, где применение данных систем более эффективно. Позитивным и наиболее ярким примером успешного внедрения технологии низкоскоростной передачи данных в сферу беспроводных приложений, в том числе "интернета вещей", является технология LoRaWAN (Long Range Wide Area Networks), появившаяся в 2015г. Беспроводная технология LoRaWAN основана на запатентованном компанией Semtech методе модуляции LoRa с информационной скоростью от 18 бит/с и чувствительностью до -148 дБм в УКВ диапазоне. Основные исследования будут направлены на получение эффективных ортогональных и квазиортогональных сигнальных конструкций и алгоритмов обработки, позволяющих получить вероятность битовой ошибки меньшую, чем у двоичной фазовой модуляции при фиксированной информационной скорости. При этом процесс получения сигнальных конструкций неразрывно связан с созданием алгоритмов их обработки, т.к. должен достигаться приемлемый компромисс между эффективностью сигнала (спектральной и энергетической) и физической реализуемости устройств формирования и приема. Вторым направлением исследований будет разработка оптимального (по критерию минимума вероятности потери сообщения) алгоритма самоорганизации MESH-сети с учетом межсистемного влияния устройств, использующих полученные сигнальные конструкции.

Ожидаемые результаты
По окончанию проекта будут получены следующие научно-технические результаты: - получены ансамбли ортогональных и квазиортогональных сигнальных конструкций с расширенным спектром и высокой энергетической эффективностью. - разработаны методы обработки созданных сигнальных конструкций, включая обнаружение, символьную синхронизацию, синхронизацию с несущей и помехоустойчивое декодирование, оптимизированные для программно-аппаратной реализации на современной компонентной базе. - разработан алгоритм самоорганизации MESH-сети, учитывающий специфику работы сети в Арктике и межсистемное влияние устройств друг на друга, и использующий созданные сигнальные конструкции. - изготовлен экспериментальный образец модема СВ/КВ диапазона, способный передавать информацию от единиц до нескольких сотен бит/с (конкретные скоростные режимы будут выбраны на этапе выполнения проекта). Комплексные исследования, включающие создание ансамблей сигнальных конструкций и методов обработки, полученных с учетом специфики распространения радиоволн в Арктике, являются своевременными и обладают научной и экономической значимостью как для России, так и для мировой научной общественности. Исследования в данном научном направлении ранее были представлены слабо в силу отсутствия интереса к освоению Арктики, и как следствие отсутствию актуальности. Также появление бюджетной компонентной базы, реализующей сложную цифровую обработку сигналов, на данный момент позволяет реализовать алгоритмы, недоступные для практического использования еще 10 лет назад. Внедрение технологии низкоскоростной передачи данных, разработанной на результатах проекта, позволит обеспечить цифровой связью удаленные объекты территории Арктики, в том числе и автономные объекты, где отсутствует покрытие другими инфокоммуникационными сетями. Таковыми объектами являются метеорологические станции и отдельные системы мониторинга медленноменяющихся процессов, радиомаяки, системы мониторинга местоположения транспорта и грузов. Интеграция модемов с СВ/КВ радиостанциями, в том числе мобильными, позволит обеспечить конечных потребителей высоконадежной связью для передачи коротких текстовых сообщений, координат, и бедственных сообщений в тех случаях, когда прохождения голосовой связи или иной цифровой более скоростной связи невозможно.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Сегодня существует проблема отсутствия связи на территориях России, удаленных от крупных населенных пунктов. Особенно остро данная проблема стоит на территориях Арктической зоны. Территория Арктики характерна малой плотностью населения и большими расстояниями между населенными пунктами, и как следствие неразвитой наземной информационной инфраструктурой. Во многих случаях не требуется передача большого объема информации: охранные системы автономных объектов, системы оповещения о бедственных ситуациях, метеорологические станции и т.д. В отсутствии покрытия территории инфокоммуникационными сетями, такими как сотовая связь, экономически целесообразно применять низкоскоростные беспроводные средства передачи информации, обладающие, как правило, большей зоной покрытия. Предлагается использовать для связи удаленных мобильных групп с базовой станцией короткие текстовые сообщения, которые передаются на средних волнах на низкой скорости, порядка нескольких десятков бит в секунду. Этой скорости достаточно для передачи текста, при этом дальность передачи сигнала составляет нескольких сотен километров. В рамках первого этапа проекта были получены эффективные типы сигналов, позволяющих покрыть радиосвязью больше территории, чем при использовании традиционно используемых. Разработаны простые с точки зрения вычислительных ресурсов способы формирования и приема данных сигналов, позволяющие обеспечить надежную передачу данных. Экономия вычислительных ресурсов, затрачиваемых на обработки сигналов, повышает время работы носимых приемо-передатчиков от аккумуляторной батареи. Также простота реализации алгоритмов обработки сигналов, как возможное будущее развитие проекта, позволит перейти к изготовлению низкоскоростного модема в виде системы на кристалле.

 

Публикации

1. Пузырёв П. И. Estimation Method of Carrier and Time of Arrival by Chirp-Like Phase-Coded Sequence 2017 Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics), 2017 Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics), Omsk, 2017, pp. 1-4. (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1109/Dynamics.2017.8239498

2. Пузырёв П. И. Multiple frequency-shift keying with differential phase-shift keying of subcarriers Far East Journal of Electronics and Communications, - (год публикации - 2018) https://doi.org/10.17654/

3. Пузырёв П. И., Ерохин В. В., Шеин В. Ю. Низкоскоростной модем для передачи данных малого объема в средневолновом диапазоне частот для территории Арктики Омский научный вестник, № 4 (160) (год публикации - 2018) https://doi.org/10.25206/1813-8225-2018-160-00-00

4. Пузырёв П. И., Шеин В. Ю., Ерохин В. В. Orthogonal Multiple Chirp Modulation for Tasks of Robust Data Transmission 19th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM), - (год публикации - 2018)

5. - Омские ученые разрабатывают технологию передачи данных для удаленной связи в Арктике Информационное агенство России ТАСС, - (год публикации - )

6. - Молодые омские ученые готовы предложить полярникам уникальные средства связи Международный пресс-центр МКР-Медиа, - (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В отчетном периоде выполнения проекта были получены и исследованы новые сигнальные конструкции, позволяющие одновременно увеличить спектральную и энергетическую эффективность по сравнению с обычными ортогональными сигналами. При этом новые сигнальные конструкции позволяют сохранить возможность некогерентного приема. Для разработанных сигнальных конструкций получены алгоритмы формирования, приема и обработки. Основным подходом получения новых сигнальных конструкций является дополнение существующих ансамблей ортогональных сигналов относительной фазовой модуляцией первого или второго порядка. Представлен вариант сигнальных конструкций, представляющие собой комбинацию ансамбля фазокодированных ортогональных сигналов и относительной фазовой манипуляции начальной фазы кодового слова. Полученные сигнальные конструкции имеют постоянную огибающую, что позволяет использовать энергетически эффективные нелинейные режимы усилителей мощности. Получены зависимости вероятности битовой ошибки от соотношения сигнал/шум для рассматриваемых сигнальных конструкций и алгоритмов некогерентного приема. Показано, что добавление относительной фазовой манипуляции позволяет увеличить спектральную эффективность в 1,5 раза по сравнению с обычными ортогональными фазокодированными сигналами при размере ансамбля сигналов М=4, и в 1.14 раз при М=128. Исследовано влияние частотного сдвига, вызванного эффектом Доплера и нестабильностью опорных генераторов, на вероятность битовой ошибки. Однократная относительная четверичная фазовая модуляция кодовых слов обеспечивает наименьшую вероятность битовой ошибки, но при отсутствии частотного сдвига. При небольших частотных сдвигах (порядка 10% символьной скорости) наименьшей вероятностью битовой ошибки обладает однократная относительная двоичная фазовая модуляция кодовых слов. Другой вариант полученных и исследованных сигнальных конструкций основывается на многопозиционной линейной частотной модуляции. Как и в случае с фазокодированными сигнальными конструкциями, добавление относительной фазовой модуляции позволило одновременно увеличить как спектральную, так и энергетическую эффективность многопозиционных ЛЧМ сигналов. Однако в случае с многопозиционными ЛЧМ сигналами можно дополнительно повысить в 2 раза спектральную эффективность путем дополнения ансамбля сигналов комплексно-сопряженными копиями. А при увеличении размера ансамбля сигналов M>16 также наблюдается и увеличение помехоустойчивости по сравнению с ортогональными ЛЧМ сигналами. С учетом возможности некогерентного приема и устойчивости ЛЧМ сигналов к узкополосным помехам и частотно-селективным замираниям, данный тип сигнальных конструкций является наилучшим решением из всех рассматриваемых и полученных сигнальных конструкций в рамках выполнения работ по проекту. Для дальнейшего развития проекта и практической разработки модемов высоконадежной передачи данных малого объема по радиоканалу для территории Арктики, рекомендуется выбор сигнальных конструкций на основе многопозиционной линейной частотной модуляции с дополненным ансамблем и дополнительной двоичной относительной фазовой модуляцией. В рамках выполнения проекта был разработан экспериментальный образец модемов для высоконадежной передачи данных малого объема. Проведены экспериментальные исследования, которые показали, что модем позволяет обеспечить работоспособность при соотношении сигнал/шум минус 20 дБ (нормированное значение к полосе 2500 Гц). Разработан протокол маршрутизации mesh-сети на основе низкоскоростных модемов средневолнового диапазона, учитывающий тип передаваемых сообщений и качества канала связи. Предложено в качестве метрики (характеристики для оценки качества канала связи) использовать комбинацию параметров «количество ретрансляций» и «отношение сигнал/шум». Полученный протокол маршрутизации сообщений позволяет повысить достоверность доставки сообщения, даже если источник и получатель находятся вне зоны покрытия друг друга. Расчет метрик позволяет минимизировать время доставки сообщения за счет минимизации количества ретрансляций.

 

Публикации

1. Пузырёв П. И., Завьялов С. А. ОРТОГОНАЛЬНЫЕ ФАЗОКОДИРОВАННЫЕ СИГНАЛЫ С ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ФАЗОВОЙ МАНИПУЛЯЦИЕЙ Динамика систем, механизмов и машин, Том 6, № 4, С. 61-69 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.25206/2310-9793-2018-6-4-61-69

2. Пузырёв П. И., Завьялов С. А. Orthogonal Phase-Coded Signals with Additional Differential Phase Shift Keying 12th International Scientific and Technical Conference "Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines", Dynamics 2018, - (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1109/Dynamics.2018.8601442

3. Пузырёв П. И., Семёнов К. В., Завьялов С. А. Spurious-Free Dynamic Range of CORDIC Based Digital Quadrature Demodulator International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices, EDM, Volume 2018-July, Номер статьи 8434980, Pages 167-171 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1109/EDM.2018.8434980

4. Пузырев П., Квачев М., Ерохин В. Самоорганизующаяся сеть низкоскоростных радиосистем передачи коротких сообщений средневолнового диапазона VIII Всероссийская научно-техническая конференция «РОССИЯ МОЛОДАЯ: ПЕРЕДОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ – В ПРОМЫШЛЕННОСТЬ», - (год публикации - 2019)

5. Пузырев П.И, Квачев М.А, Ерохин В.В. Frequency Shift Chirp Modulation with Additional Differential Phase Shift Keying International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices, EDM, - (год публикации - 2019)

Возможность практического использования результатов
Внедрение технологии низкоскоростной передачи данных, разработанной на результатах проекта, позволит обеспечить цифровой связью удаленные объекты территории Арктики, в том числе и автономные объекты, где отсутствует покрытие другими инфокоммуникационными сетями. Таковыми объектами являются метеорологические станции и отдельные системы мониторинга медленноменяющихся процессов, радиомаяки, системы мониторинга местоположения транспорта и грузов. Интеграция модемов с СВ/КВ радиостанциями, в том числе мобильными, позволит обеспечить конечных потребителей высоконадежной связью для передачи коротких текстовых сообщений, координат, и бедственных сообщений в тех случаях, когда прохождения голосовой связи или иной цифровой более скоростной связи невозможно.