Ionospheric HF radio link simulator based on GNU radio technology and client-server control methodology

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Problem. The multifactor distortions inherent in HF radio channels pose significant challenges in designing effective signal processing systems that ensure reliable information transmission. Addressing this issue requires the development of HF communication link simulators capable of diagnosing channel conditions and interference. Leveraging client-server control technology presents promising new avenues for enhancing communication channel diagnostics.

Objective. This study aims at developing an ionospheric HF radio link simulator utilizing GNU Radio technology and a client-server methodology to manage the system effectively.

Findings. The study presents a novel approach and hardware-software implementation of an ionospheric HF radio link simulator based on GNU Radio technology, incorporating client-server control. The simulator models the transmission and reception of spread spectrum communication signals within the GNU Radio environment. Key algorithms implemented include the synthesis of the emitted spread spectrum signal and the digital processing of the received signal. Experimental testing validated the simulator's ability to accurately replicate the transmission characteristics of HF radio links. The developed simulator serves as a practical test model for HF radio communication links, supporting the design of radio engineering systems that utilize diverse coherent signal reception.

Practical significance. The HF radio link simulator offers a valuable tool for testing and developing radio communication systems, particularly those involving diverse coherent signal reception.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Natalia V. Ryabova

Volga State University of Technology

Author for correspondence.
Email: RyabovaNV@volgatech.net
ORCID iD: 0000-0002-3515-4750
SPIN-code: 5650-3030

Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Head of the Department of Radio Engineering and Communications. Research interests – information and telecommunication systems, ionosphere, radio wave propagation, forecasting, modeling, intelligent systems. The author of 364 scientific publications.

Russian Federation, 3, Lenin sqr., Yoshkar-Ola, 424000

Sofia S. Stankevich

Volga State University of Technology

Email: RyabovaNV@volgatech.net

PhD Student, Senior Lecturer at the Department of Radio Engineering and Communications. Research interests – HF radio channel simulators, SDR technology, HF radio communication. The author of 6 scientific publications.

Russian Federation, 3, Lenin sqr., Yoshkar-Ola, 424000

Andrey A. Chernov

Volga State University of Technology

Email: RyabovaNV@volgatech.net
SPIN-code: 5636-0011

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor at the Department of Radio Engineering and Communications. Research interests – synchronization of HF communication and ionospheric sounding systems, software-defined radio systems. The author of 95 scientific publications.

Russian Federation, 3, Lenin sqr., Yoshkar-Ola, 424000

References

  1. Ivanov V.A., Ryabova N.V., Ivanov D.V. et al. Investigation of the influence of multipath models on structure functions of ionospheric decameter channels of radio communication. Vestnik of Volga State University of Technology. Ser.: Radio Engineering and Infocommunication Systems. 2015;(4):6-17. (In Russ.).
  2. Ivanov V.A., Ivanov D.V., Ryabova N.V. et al. Numerical and semi-full-scale studies of the scattering function of narrowband decameter radio channels. Electromagnetic Waves and Electronic Systems. 2009;14(8):46-54. (In Russ.).
  3. Cannon P.S., Angling M.J., Lundborg B. Characterization and modeling of the HF communications channel. Review of Radio Science: 1999-2002. 2002:597–622.
  4. Mastrangelo J.F. , Lemmon J.J., Vogler L.E. et al. A New Wideband High Frequency Channel Simulation System. IEEE Transactions on Communications. 1997;4(1):26-34.
  5. Watterson C.C., Juroshek J.R., Bensema W.D. Experimental Confirmation of an HF Channel Model. IEEE Trans. On Comm. Tech. 1970:18(6):792-803.
  6. Gherm V.E., Zernov N.N., Strangeways H.J. Multipath Effects in Wideband Fluctuating HF Channels. Acta Geodaetica et Geophysica Hungarica. 2002:37(2-3):253-259.
  7. Salous S., Bertel L. Modelling of wideband HF radio channels. International Conference on Antennas and Propagation, P0958, Davos. 2000:958-963.
  8. Ivanov D.V., Ivanov V.A., Ryabova N.V. et al. System of frequency providing of HF communication channels based on the new digital sounder on USRP platform. T-Comm. 2015;9(3):86-88.
  9. Lobov E.M. Contemporary avenues to simulation modeling of a wideband ionospheric channel. T-Comm. 2010;(11):56-60. (In Russ.).
  10. Ivanov D.V., Ivanov V.A., Ryabova M.I. et al. Dispersion effects in ionospheric radio channels. Part 1. Models of wave packet propagation in ionospheric dispersive channels. Radioengineering. 2024;88(8):111-126. (In Russ.).
  11. Mostafa M.G., Haralambous H. Wideband Channel Availability Statistics over the High Frequency Spectrum in Cyprus. 2018 2nd URSI Atlantic Radio Science Meeting (AT-RASC), Gran Canaria, Spain. 2018:1-4. doi: 10.23919/URSI-AT-RASC.2018.8471564.
  12. Ivanov V.A., Ivanov D.V., Ryabova N.V. et al. Studying the parameters of frequency dispersion for radio links of different length using software-defined radio based sounding system. Radio Science. 2019;54(1):34-43. DOI https://doi.org/10.1029/2018RS006636
  13. Metelev S.A. Modification of the Watterson model of the ionospheric HF radio communication channel for adaptive spaced reception. Radiophysics and quantum electronics. 2012;55(4):266-279. (In Russ.).
  14. ITU-R Rec. F1487 “Testing of HF Modems with Bandwidth of up to about 12 kHz Using Ionospheric Channel Simulator”. Geneva: Int. Telecom. Union, 2000.
  15. Ivanov V.A., Ivanov D.V., Ryabova N.V. et al. Active sensor with remote control for diagnostics of broadband ionospheric radio channels with OFDM-BPSK signals. Radioengineering. 2022;86(12):90-104. (in Russ.).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Watterson model (D – delay, AWGN – additive white Gaussian noise)

Download (99KB)
3. Fig. 2. Simulator of the PSK signal of transmitter in the GNU Radio software framework

Download (131KB)
4. Fig. 3. Diagram of the simulator of the reception terminal in the GNU Radio software framework

Download (191KB)
5. Fig. 4. Structural functions of a two modes radio channel: a, d, i – channel scattering function; b, e, j – impulse response; c, g, l – amplitude-frequency response; g, h, m – 2D frequency response

Download (466KB)
6. Fig. 5. Structure of the data analysis system, remote control and interaction with the simulator  of the HF radio link

Download (100KB)
7. Fig. 6. The view of the interfaces of the software application of the remote control and data analysis system

Download (191KB)

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».