Разработка помехоустойчивых методов передачи информации в системах железнодорожной автоматики и телемеханики

На правах рукописи

ВОЛЫНСКАЯ АННА ВЛАДИМИРОВНА

РАЗРАБОТКА ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫХ МЕТОДОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В СИСТЕМАХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ

АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ

05.22.08 – Управление процессами перевозок

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Екатеринбург – 2008

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения» (УрГУПС)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Сергеев Борис Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Розенберг Ефим Наумович

кандидат технических наук

Валиев Рафаил Шамильевич

Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Петербургский государственный университет

путей сообщения» (ПГУПС)

Защита состоится 21 ноября 2008г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 218.013.01 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения» (УрГУПС) по адресу: 620034, г. Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66, аудитория 283.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан 18 октября 2008г.

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный печатью организации, просим направлять в адрес Ученого совета университета или по факсу: (343) 245-31-88.

Ученый секретарь диссертационного совета Асадченко В.Р.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Системы железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ) – основное средство управления движением поездов. Необходимость повышения безопасности движения, увеличения пропускной способности приводит к усложнению СЖАТ, возложению на них новых функций, требующих применения современных информационных технологий и надежных каналов передачи информации («Стратегические направления научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 г.» – Белая книга ). СЖАТ сегодня рассматриваются как составная часть систем управления и обеспечения безопасности движения, в которых роль и требования к каналам передачи информации существенно повышаются («Концепция многоуровневой системы управления и обеспечения безопасности движения поездов» ВНИИАС, 2003г.). Зарубежный и отечественный опыт указывает на то, что наряду с традиционными средствами контроля и регулирования движения поездов – рельсовые цепи, проводные каналы связи и др. необходимо использовать новые принципы и системы, в частности цифровые радиоканалы. При этом должна быть обеспечена высокая надежность передачи информации. Для повышения надежности необходимо повышать помехоустойчивость физических каналов передачи информации.

Цель и задачи исследований. Целью данной диссертационной работы является разработка помехоустойчивых методов передачи информации по каналам СЖАТ и оценка их эффективности по критерию максимума отношения сигнал/помеха. Для достижения цели поставлены и решены следующие научные задачи:

1. Анализ СЖАТ с точки зрения используемых в них физических каналов передачи информации и методов повышения их помехоустойчивости.

2. Разработка метода передачи информации, основанного на отображении передаваемого сообщения (команды) на шумоподобный сигнал-переносчик путем их математической свертки. Оценка эффективности метода по критерию выигрыша отношения сигнал/помеха для разнообразных законов распределения помех.

3. Разработка алгоритма расчета шумоподобного сигнала-переносчика, адаптированного к помехам в канале и проверка его эффективности путем математического моделирования.

4. Разработка метода весового накопления полезного сигнала по критерию коэффициента корреляции и оценка его эффективности при разнообразном характере помех.

Методы исследования. В ходе исследования автором применялись методы теории вероятностей, теории случайных процессов, компьютерного моделирования и физического эксперимента. Решение ряда задач производилось с использованием теории корреляционного анализа, спектрального анализа Фурье и теории дискретизации сигналов.

Научная новизна полученных результатов.

1. Предложен метод многопараметрической модуляции шумоподобного сигнала-переносчика путем его свертки с фрагментом (пакетом) передаваемого сообщения. Высокая помехоустойчивость метода достигается:

– за счет того, что предаваемое сообщение отображается не на один параметр несущего колебания, как в известных видах амплитудной или угловой модуляции, а на все его параметры (отсчетные значения); при этом в каждом отсчетном значении сигнала в канале содержится информация обо всем фрагменте передаваемого сообщения;

– шумоподобный сигнал в канале может быть адаптирован к энергетическому спектру помех таким образом, чтобы на выходе канала достигалось максимально возможное отношение сигнал/помеха;

– метод позволяет реализовать весовое накопление полезного сигнала, устойчивое к аномально большим выбросам помех и кратковременным пропаданиям сигнала.

2. Показано, что предложенный метод обеспечивает выигрыш в отношении сигнал/помеха. Выигрыш тем больше, чем более сложные сигналы используются для передачи и чем более неравномерен энергетический спектр помех в канале, что особенно характерно для железнодорожного транспорта.

3. Предложен новый алгоритм расчета адаптированного к помехам шумоподобного сигнала-переносчика, основанный на переводе сигналов с оси времени на ось частот, что позволяет избежать вычисления обратных матриц высокого порядка.

4. Получены уточненные формулы для взаимного пересчета сигналов с оси времени на ось частот и обратно.

5. Предложен новый метод весового накопления полезного сигнала по критерию величины коэффициента корреляции. Проведена оценка выигрыша весового накопления перед простым накоплением в условиях резко нестационарных помех либо кратковременных пропаданиях полезного сигнала.

Практическая значимость полученных результатов. Теоретические исследования, а также предложенные варианты технического решения основных узлов аппаратуры, реализующей новые методы, подтверждают возможность внедрения результатов исследований в существующие и перспективные каналы передачи информации СЖАТ. Полученные результаты применимы к радиоканалам, используемым в современных СЖАТ и системах управления и обеспечения безопасности движения. Однако, выводы, полученные в результате исследований справедливы и для других физических каналов передачи информации, по которым передаются сигналы телеметрии, телесигнализации, телеуправления, аварийной сигнализации, текстовых и цифровых сообщений, статических изображений и оцифрованной аналоговой информации – голоса, аудио, видеоизображения. Результаты исследований использовались при лабораторных испытаниях элементов беспроводной бортовой сети связи пассажирского поезда, разрабатываемой в рамках НИР № 19.10.03/49 «Исследование возможностей повышения помехоустойчивости и информационной безопасности бортовой сети связи пассажирского поезда». Эти устройства могут применяться и в системах многих единиц транспорта (СМЕТ) длинносоставных тяжеловесных поездов.

Апробация работы и публикации. Результаты исследований докладывались и обсуждались на: 58-й Научной сессии, посвященной Дню Радио (Москва, РЭНТОРЭС им. А.С. Попова, 2003); Урало-Сибирской научно-практической конференции (Екатеринбург, 2003); Научно-технической конференции «Безопасность информационного пространства» (Екатеринбург, 2003); Международной научно-практической конференции «Безопасность и логистика транспортных систем» (Самара, СРНЦ РАТ, 2004); Международной научно-практической конференции «Связь-Пром 2004» (Екатеринбург, 2004); Международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии и системы» (Пенза, 2004); Региональной научно-практической конференции «Новейшие достижения науки на железнодорожном транспорте» (Челябинск, 2004); расширенных заседаниях каф. Связи и Электроники УрГУПС.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в 8-ми статьях и в патенте Российской Федерации.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, заключения, списка литературы из 62 наименований, 5 приложений. Диссертация изложена на 153 страницах, содержит 57 рисунков и 1 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дан краткий анализ современных тенденций в развитии СЖАТ, обоснована актуальность темы исследований, перечислены организации и ученые, внесшие основной вклад в развитие СЖАТ, на работы которых автор опирался в своих исследованиях. Согласно концепции многоуровневой системы управления и обеспечения безопасности на железнодорожном транспорте (МС), частью которой следует рассматривать СЖАТ, ответственная информация должна передаваться по независимым физическим каналам связи.

Достоверность передачи определяется, прежде всего, помехоустойчивостью канала, которая зависит как от вида сигналов, так и от алгоритма модуляции. Представляют теоретический и практический интерес новые помехоустойчивые алгоритмы многопараметрической модуляции шумоподобных сигналов, такие как свертка, адаптация к помехам, весовое накопление сигналов. Сформулированы цель, задачи исследований и их научная новизна. Приводятся сведения о методах исследования, личном вкладе автора, апробации результатов, публикациях автора по теме диссертации.

В первой главе рассматриваются как существующие СЖАТ и используемые в них физические каналы передачи информации (рельсовые цепи, проводные каналы), так и современные и перспективные радиоканалы. Большое внимание уделено анализу Концепции многоуровневой системы управления и обеспечения безопасности движения поездов (МС), основные положения которой распространяются на бортовые системы обеспечения безопасности, устройства железнодорожной автоматики, средства связи. Бортовые микропроцессорные системы на локомотиве (КЛУБ-У, МАЛС, ГАЛС, САУТ-ЦМ, УСАВП и др.) позволяют организовать взаимодействие между устройствами ЖАТ и локомотивом с помощью радиоканала. В МС, наряду с традиционными средствами контроля и регулирования движения поездов и обмена информацией внутри подсистем и между стационарными и мобильными средствами обеспечения безопасности (рельсовые цепи, проводные каналы связи и т.п.), должны использоваться новые возможности – счетчики осей, радиотехнические и оптические средства контроля, цифровые системы передачи информации, в том числе по радиоканалу, спутниковая навигация и т.д.

Как и в традиционных СЖАТ, передача информации по альтернативным каналам должна происходить с высокой достоверностью. Среди других методов повышения достоверности основным является введение избыточности в виде дополнительных служебных символов, что требует бльшей пропускной способности канала без снижения его помехоустойчивости. Представляет научный и практический интерес исследование возможности и эффективности таких современных методов повышения помехоустойчивости как применение широкополосных сигналов и сложных многопараметрических алгоритмов модуляции-демодуляции, алгоритм адаптации широкополосных сигналов к помехам, накопление полезного сигнала. Сформулированы цель и задачи исследований

Во второй главе анализируются теоретические предпосылки повышения помехоустойчивости каналов передачи информации СЖАТ. Известно, что теоретически можно обеспечить сколь угодно высокую верность передачи информации, которую можно численно оценить вероятностью ошибочного приема элементарного символа – р0. Для этого необходимо чтобы скорость передачи информации не превышала пропускной способности канала. С другой стороны, для снижения р0 требуется вводить избыточность в виде служебных (контрольных) символов, либо многократным повторением сообщения (команды), что приводит к увеличению скорости передачи. Чтобы обеспечить требуемую скорость при высокой верности передачи необходимо увеличить пропускную способность канала. Наибольшая скорость передачи информации, равная пропускной способности определяется максимизацией интеграла (К. Шеннон)

, (1)

где: P(f) – полная мощность передатчика, распределенная по спектру в диапазоне частот 0 – F; N(f) – неравномерный спектр мощности помехи в этом же диапазоне; – коэффициент пропорциональности.

Условие максимума можно получить с помощью вариационного исчисления

, (2)

то есть N(f)+P(f) должно быть постоянным, как это показано на рис. 1.

Рис. 1. Наилучшее распределение мощности передатчика

Таким образом, требуется адаптировать (приспосабливать) спектр полезного сигнала к спектру помех. Известные методы и алгоритмы отображения информации на сигнал-переносчик, такие, как частотная модуляция, фазная модуляция и их модификации, используют в качестве сигнала-переносчика простое синусоидальное колебание. Сравнительно новые виды модуляции: М-ичная ортогональная модуляцию (МОК); фазоимпульсная модуляция (PPM); квадратурная амплитудная модуляция (QAM) и др., а также самые современные способы расширения спектра, использующие шумоподобную несущую, например система SS-MS-MA, в которой применяются ортогональные расширяющие коды Уолша-Адамара, из-за детерминированности подобных кодов частично решают задачу, но не обеспечивают возможность адаптации шумоподобной несущей к помехам. Все перечисленные способы, а также общеизвестные стандарты: GSM, TETRA, CDMA, использующие псевдослучайные бинарные последовательности относятся к однопараметрическим видам модуляции, не позволяют регулировать форму спектра полезного сигнала в канале.

Известно, что увеличение сложности сигнала может улучшить помехоустойчивость. Усложнение сигналов в отведенной для передачи полосе частот можно осуществить: во-первых, путем выбора для несущего колебания не одной спектральной линии (синусоиды), а всего спектра; во-вторых, воздействовать на несущее колебание не одним мгновенным значением модулирующего сигнала (как в традиционных видах модуляции), а всеми его отсчетными значениями на относительно длинном отрезке.

В рамках линейной теории передачи информации процедуру модуляции шумоподобной несущей можно представить следующим образом. Пусть имеется линейная система с переменными параметрами, передаточной функцией которой управляет модулирующее колебание (рис. 2). Отрезок этого колебания длительностью TS и числом степеней свободы 2FSTS устанавливает на время TS свою передаточную функцию для несущего колебания. Несущее колебание представляет собой периодически повторяемое шумоподобное колебание.

Единственным ограничением, накладываемым на это колебание, является выполнение неравенства FT FSTS. За время TS через систему пройдет несколько периодов несущего колебания. Благодаря этому на приеме можно организовать синхронное накопление. Следующий отрезок такой же длительности установит свою передаточную функцию на время TS и т.д.

Очевидно, что сигнал x(t) в канале является сверткой y(t) и s(t), матричная форма записи которой соответствует уравнению, приведенному на рис. 2.

Рис. 2. Иллюстрация принципа линейно-параметрической модуляции

Выберем в качестве несущего колебания периодический сигнал y(t) с периодом T и числом степеней свободы 2FT, где для всех i должно выполнятся условие

. (3)

Для реализации рассматриваемого принципа модуляции подадим на вход системы несущее колебание y(t), а импульсную характеристику s(t) зададим таким образом, чтобы она в отсчетных точках на оси времени воспроизводила отсчетные значения сигнала s(i)(t), когда передается i-е сообщение. Тогда сигнал на выходе модулятора можно выразить в следующем виде

, (4)

Квадратная матрица [у] n-го порядка и все строки ее получаются из первой путем циклических перестановок. Первая строка матрицы [y] может быть произвольным набором чисел. Соответственно, и сигнал y(t) может иметь произвольную форму. Это позволяет при передаче любых сигналов выбирать независимое несущее колебание таким образом, чтобы оптимизировать систему по какому-либо критерию. Модем, у которого импульсная характеристика демодулятора и несущее колебание выбраны из условия минимизации среднеквадратичного отклонения сигнала на выходе от модулирующего колебания s(t), назовем адаптированным к помехам в канале. У адаптированного модема характеристика демодулятора определяется выражением

, (5)

где К0 – постоянное число; N – энергетический спектр помех в канале; Nm – постоянное число, превышающее пиковое значение N; – произвольный фазовый спектр. Несущее колебание связано с импульсной характеристикой демодулятора матричным соотношением

[y] = [g] -1, (6)

где матрица [g] построена из отсчетных значений импульсной характеристики демодулятора на интервале Т путем циклических перестановок.

Алгоритм работы демодулятора линейного модема имеет вид:

(7)

где – сканирующая функция, обладающая следующими свойствами:

(8)

Исследование помехоустойчивости линейного модема показывает, что он обеспечивает выигрыш в отношении сигнал/помеха, равный

. (9)

Видим, что при заданной мощности сигнала s(t) выигрыш зависит не только от структуры помех, но и от структуры сигнала. Следовательно, меняя структуру передаваемого сигнала при заданной мощности, можно увеличивать или уменьшать выигрыш. Максимальный выигрыш, которого можно достичь при использовании в данном канале линейного модема

. (10)

В зависимости от структуры энергетического спектра помех в канале это выражение всегда больше единицы. Максимальный выигрыш тем больше, чем более неравномерен энергетический спектр помех в канале. Это обстоятельство наиболее ценно для применения на железнодорожном транспорте, для которого характерен резко неравномерный энергетический спектр электромагнитных помех. Наряду с наилучшим сигналом, обеспечивающим максимальный выигрыш, может быть и наихудший сигнал, при котором выигрыш минимален. Влияние структуры передаваемых сигналов на выигрыш можно оценить коэффициентом диапазона изменения выигрыша

. (11)

Чем он больше для данного канала, тем более оправдано стремление к адаптации сигнала к помехе. Величина этого диапазона характеризует возможные потери выигрыша при работе с произвольными передаваемыми сигналами.