Подходы к экспериментальному оцениванию SDR сенсором вариаций спектральной плотности мощности помех и прогнозированию вариаций их среднего уровня при изменении полосы КВ-радиоканала

Д.В. Иванов; В.А. Иванов; Н.В. Рябова; Р.Р. Бельгибаев

doi:10.18127/j5604128-202501-07

Подходы к экспериментальному оцениванию SDR сенсором вариаций спектральной плотности мощности помех и прогнозированию вариаций их среднего уровня при изменении полосы КВ-радиоканала

Д.В. Иванов¹, В.А. Иванов², Н.В. Рябова³, Р.Р. Бельгибаев⁴

научная статья УДК 621.39 Страницы: 68-78 doi.org/10.18127/j5604128-202501-07

^1,2,3,4 Поволжский государственный технологический университет (г. Йошкар-Ола, Россия)

Ключевые слова: Радиопомеха короткие радиоволны ионосфера функция распределения плотности вероятности спектральная плот-ность мощности широкополосный доступность радиоканала прогнозирование шум

Аннотация

Постановка проблемы. Фоновый шум и помехи различной природы являются важными факторами, которые необходимо учитывать при эксплуатации систем коротковолнового (КВ) диапазона. Помехи обусловлены как геофизическими явлениями, так и антропогенными причинами, поэтому мониторинг их характеристик представляет сложную задачу. Дополнительные проблемы создает изменчивость характеристик помех из-за изменения солнечных циклов, времени суток и сезонов. Для оценки доступности требуется экспериментальный мониторинг статистически устойчивых характеристик помех во всем
КВ-диапазоне. Однако для работы на конкретной линии КВ-связи необходимо, кроме того, осуществлять мониторинг полосы прозрачности.

Цель. Предложить подходы и получить результаты экспериментального оценивания на базе широкополосного SDR приемника суточно-сезонных вариаций распределений вероятностей спектральной плотности мощности случайных радиопомех различной природы на частотах КВ-диапазона, а также оценить возможности их прогнозирования.

Результаты. Представлено решение поставленной задачи с экспериментальной верификацией алгоритма, реализованного в программно-аппаратном комплексе на основе USRP N210. Продемонстрирована база экспериментальных данных помех, которая включала в себя результаты круглосуточных измерений в загородном пункте в 76 км от г. Йошкар-Ола, отличающегося спокойной помеховой обстановкой. Экспериментальные оценки суточных вариаций спектральной плотности мощности помех различной природы и вариаций доступности КВ-радиоканалов с полосами 3–24 кГц показали, что в каналах, используемых для тактической (3–8 МГц) и стратегической связи (9–27 МГц) может иметь место среднесуточная доступность каналов с полосой 3 кГц практически в 90% случаев. Установлено, что при увеличении полосы радиоканала вдвое наблюдается уменьшение их доступности в среднем на 10%. Отмечено, что возможности прогнозирования среднего уровня шума в зависимости от величины полосы исследуемых КВ-радиоканалов позволили определить с достоверностью 0,99 аналитическую модель для предикторной функции среднего уровня шума радиоканалов для выбранного времени суток.

Практическая значимость. Результаты определяют подход для мониторинга шумовой обстановки в задаче создания когнитивных систем КВ-радиосвязи. Этот подход включает в себя метод и алгоритм адаптивного выбора оптимальных каналов из числа тестируемых, где обеспечивается максимальная доступность радиоканала связи.

Поступила: 10.12.2024
Одобрена: 26.01.2025
Принята: 26.02.2025

Для цитирования

Иванов Д.В., Иванов В.А., Рябова Н.В., Бельгибаев Р.Р. Подходы к экспериментальному оцениванию SDR сенсором вариаций спектральной плотности мощности помех и прогнозированию вариаций их среднего уровня при изменении полосы КВ-радиоканала // Электромагнитные волны и электронные системы. 2025. № 1. С. 68–78. DOI: https://doi.org/10.18127/j5604128-202501-07

Список источников

Cecil D.J., Buechler D.E., Blakeslee R.J. Gridded lightning climatology from TRMM-LIS and OTD: Dataset description // Atmospheric Research. 2014. V. 135–136. P. 404–414. DOI 10.1016/j.atmosres.2012.06.028.
Coleman C.J. A direction-sensitive model of atmospheric noise and its application to the analysis of HF receiving antennas // Radio Science. 2002. V. 37. № 3. P. 1–10. DOI 10.1029/2000RS002567.
Kotaki M. Global distribution of atmospheric radio noise derived from thunderstorm activity // Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics. 1984. V. 46. № 10. P. 867–877. DOI 10.1016/0021-9169(84)90026-6.
Watterson C.C., Juroshek J.R., Bensema W.D. Experimental Confirmation of an HF Channel Model // IEEE Transactions on Communication Technology. 1970. V. 18. № 6. P. 792–803. DOI 10.1109/TCOM.1970.1090438.
Ibukun O. Measurements of atmospheric noise levels // Radio and Electronic Engineer. 1964. V. 28. № 6. DOI 10.1049/ree.1964. 0156.
Ibukun O. Structural aspects of atmospheric radio noise in the tropics // Proceedings of the IEEE. 1966. V. 54. № 3. P. 361–367. DOI 10.1109/PROC.1966.4697.
Giesbrecht J., Clarke R., Abbott D. An empirical study of the probability density function of HF noise // Fluctuation and Noise Letters. 2006. V. 6. № 2. P. L117–L125. DOI 10.1142/S0219477506003203.
Lemmon J.J., Behm C.J. Wideband HF Noise/Interference Modeling. Part I. First-Order Statistics. Technical Report 91-277. Washington. USA. U.S. Department of Commerce. 1991. 110 p.
Lemmon J.J., Behm C.J. Wideband HF Noise/Interference Modeling. Part II: Higher-Order Statistics. Technical Report 93-293. Washington. USA. U.S. Department of Commerce. 1993. 99 p.
Иванов Д.В., Иванов В.А., Рябова Н.В., Бельгибаев Р.Р., Чернядьев А.В. Развитие и верификация методов автоматической обработки спектра помех в КВ-диапазоне с применением технологии программно-конфигурируемых радиосистем в задаче оценки доступности радиоканалов // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. 2023. № 2(58). С. 6–17. DOI 10.25686/2306-2819.2023.2.6.
Иванов Д.В., Иванов В.А., Рябова Н.В., Бельгибаев Р.Р., Чернядьев А.В. Мониторинг спектра помех и доступности КВ-радиоканалов с полосами 3...24 кГц // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. 2022. № 1(53). С. 21–32. DOI 10.25686/2306-2819.2022.1.21.
Иванов Д.В., Иванов В.А., Рябова М.И., Бельгибаев Р.Р., Овчинников В.В., Чернядьев А.В. Развитие методов спектрального мониторинга помех КВ диапазона для определения доступности парциальных ионосферных радиоканалов с учетом особенностей изменчивого спектра // Радиотехника. 2023. Т. 87. № 12. С. 64−77. DOI 10.18127/j00338486-202312-08.
Belgibaev R.R., Ivanov D.V., Ivanov V.A., Ryabova N.V. Dependence of the Availability of Radio Channels on the Threshold Level of Man-Made Interferences // Wave Electronics and Its Application in Information and Telecommunication Systems. 2022. V. 5. № 1. P. 27–31.
Ivanov D., Ivanov V., Ryabova N., Belgibaev R., Elsukov A., Ovchinnikov V. Universal Complex for Sounding and Estimation of Ionospheric Radio Channels Ranging from 3 kHz to 1 MHz Wide // International Symposium on Antennas and Propagation. 2021. DOI 10.23919/ISAP47258.2021.9614531.
Belgibaev R.R., Ivanov V.A., Ivanov D.V., Laschevsky A.R. Software-Defined Radio Ionosonde for Diagnostics of Wideband HF Channels with the Use of USRP // Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems. 2019. V. 2. P. 8840637. DOI 10.1109/WECONF.2019.8840637.
Recommendation ITU-R SM.1753-2. Methods for measurements of radio noise. Geneva. ITU. 2013. 37 p.

[1] Cecil D.J., Buechler D.E., Blakeslee R.J. Gridded lightning climatology from TRMM-LIS and OTD: Dataset description // Atmospheric Research. 2014. V. 135–136. P. 404–414. DOI 10.1016/j.atmosres.2012.06.028.

[2] Coleman C.J. A direction-sensitive model of atmospheric noise and its application to the analysis of HF receiving antennas // Radio Science. 2002. V. 37. № 3. P. 1–10. DOI 10.1029/2000RS002567.

[3] Kotaki M. Global distribution of atmospheric radio noise derived from thunderstorm activity // Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics. 1984. V. 46. № 10. P. 867–877. DOI 10.1016/0021-9169(84)90026-6.

[4] Watterson C.C., Juroshek J.R., Bensema W.D. Experimental Confirmation of an HF Channel Model // IEEE Transactions on Communication Technology. 1970. V. 18. № 6. P. 792–803. DOI 10.1109/TCOM.1970.1090438.

[5] Ibukun O. Measurements of atmospheric noise levels // Radio and Electronic Engineer. 1964. V. 28. № 6. DOI 10.1049/ree.1964. 0156.

[6] Ibukun O. Structural aspects of atmospheric radio noise in the tropics // Proceedings of the IEEE. 1966. V. 54. № 3. P. 361–367. DOI 10.1109/PROC.1966.4697.

[7] Giesbrecht J., Clarke R., Abbott D. An empirical study of the probability density function of HF noise // Fluctuation and Noise Letters. 2006. V. 6. № 2. P. L117–L125. DOI 10.1142/S0219477506003203.

[8] Lemmon J.J., Behm C.J. Wideband HF Noise/Interference Modeling. Part I. First-Order Statistics. Technical Report 91-277. Washington. USA. U.S. Department of Commerce. 1991. 110 p.

[9] Lemmon J.J., Behm C.J. Wideband HF Noise/Interference Modeling. Part II: Higher-Order Statistics. Technical Report 93-293. Washington. USA. U.S. Department of Commerce. 1993. 99 p.

[10] Иванов Д.В., Иванов В.А., Рябова Н.В., Бельгибаев Р.Р., Чернядьев А.В. Развитие и верификация методов автоматической обработки спектра помех в КВ-диапазоне с применением технологии программно-конфигурируемых радиосистем в задаче оценки доступности радиоканалов // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. 2023. № 2(58). С. 6–17. DOI 10.25686/2306-2819.2023.2.6.

[11] Иванов Д.В., Иванов В.А., Рябова Н.В., Бельгибаев Р.Р., Чернядьев А.В. Мониторинг спектра помех и доступности КВ-радиоканалов с полосами 3...24 кГц // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. 2022. № 1(53). С. 21–32. DOI 10.25686/2306-2819.2022.1.21.

[12] Иванов Д.В., Иванов В.А., Рябова М.И., Бельгибаев Р.Р., Овчинников В.В., Чернядьев А.В. Развитие методов спектрального мониторинга помех КВ диапазона для определения доступности парциальных ионосферных радиоканалов с учетом особенностей изменчивого спектра // Радиотехника. 2023. Т. 87. № 12. С. 64−77. DOI 10.18127/j00338486-202312-08.

[13] Belgibaev R.R., Ivanov D.V., Ivanov V.A., Ryabova N.V. Dependence of the Availability of Radio Channels on the Threshold Level of Man-Made Interferences // Wave Electronics and Its Application in Information and Telecommunication Systems. 2022. V. 5. № 1. P. 27–31.

[14] Ivanov D., Ivanov V., Ryabova N., Belgibaev R., Elsukov A., Ovchinnikov V. Universal Complex for Sounding and Estimation of Ionospheric Radio Channels Ranging from 3 kHz to 1 MHz Wide // International Symposium on Antennas and Propagation. 2021. DOI 10.23919/ISAP47258.2021.9614531.

[15] Belgibaev R.R., Ivanov V.A., Ivanov D.V., Laschevsky A.R. Software-Defined Radio Ionosonde for Diagnostics of Wideband HF Channels with the Use of USRP // Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems. 2019. V. 2. P. 8840637. DOI 10.1109/WECONF.2019.8840637.

[16] Recommendation ITU-R SM.1753-2. Methods for measurements of radio noise. Geneva. ITU. 2013. 37 p.

Аннотация

Для цитирования

Похожие статьи