Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы повышения эффективности высокоскоростной передачи данных для сверхширокополосных систем связи 14
1.1 Сверхширокополосная радиосвязь 14
1.2 Достоинства и недостатки СШП связи 16
1.3 Области применения СШП связи 19
1.4 Электромагнитная совместимость и регулирование СШП связи 22
1.5 Проблемы СШП связи с учетом ограничений ГКРЧ 23
1.6 Технологии формирования СШП сигнала 24
1.7 Анализ работ по моделированию СШП радиоимпульсов в условиях ограничений маски FCC 30
1.7.1 Моделирование формы СШП радиоимпульса на основе функции
1.7.2 Моделирование формы СШП радиоимпульса на основе других базовых функций 37
1.8 Анализ работ по экспериментальной беспроводной передаче СШП
радиоимпульсов в условиях ограничений спектральной маски FCC 47
1.9 Выводы по главе 1 52
2 Разработка метода спектральной модуляции, основанного на параметрической оптимизации формы радиоимпульса 55
2.1 Постановка цели исследования и выбор показателей эффективности СШП
2.2 Постановка задачи параметрической оптимизации формы СШП радиоимпульса 58
2.3 Моделирование СШП радиоимпульсов простой формы в условиях ограничений спектральной маски ГКРЧ 60
2.3.1 Моделирование СШП радиоимпульсов на основе функций Гаусса и
2.3.2 Моделирование СШП радиоимпульсов на основе функций Эрмита и вейвлетов 65
2.4 Моделирование СШП радиоимпульсов сложной формы в условиях
ограничений спектральной маски ГКРЧ 72
2.4.1 Моделирование СШП радиоимпульса на основе функции вейвлетов 73
2.4.2 Моделирование СШП радиоимпульса на основе функции корня из
2.4.3 Моделирование СШП радиоимпульса на основе оптических
2.5 Анализ эффективности предложенных моделей СШП радиоимпульса 79
2.6 Разработка методики согласования формы радиоимпульса с характеристиками излучающего устройства 83
2.6.1 Постановка задачи разработки методики 84
2.6.2 Расчет эффективной спектральной маски ГКРЧ 85
2.6.3 Пример работы предложенной методики 90
2.7 Реализация имитационной модели СШП канала связи на основе разработанных моделей радиоимпульса 93
2.7.1 Цели имитационного моделирования 94
2.7.2 Разработка имитационной модели передающей части 95
2.7.3 Разработка имитационной модели канала связи 103
2.7.4 Разработка имитационной модели приемной части 104
2.7.5 Выбор порогового уровня помехоустойчивого кодирования (FEC) 109
2.7.6 Анализ результатов имитационного моделирования 0
2.8 Выводы по главе 2 115
3 Разработка метода спектральной модуляции СШП сигнала, основанного на частотном манипулировании 117
3.1 Постановка задачи разработки метода спектральной модуляции 118
3.2 Преобразование маски ГКРЧ с учетом дополнительных ограничений 119
3.3 Разработка алгоритма метода спектральной модуляции СШП сигнала 121
3.4 Разработка алгоритма метода демодуляции СШП сигнала 125
3.5 Реализация имитационной модели СШП канала связи на основе разработанного метода спектральной модуляции сигнала 127
3.5.1 Разработка имитационной модели модулятора 128
3.5.2 Разработка имитационной модели демодулятора 134
3.5.3 Анализ результатов имитационного моделирования 138
3.6 Выводы по главе 3 143
4 Экспериментальное исследование высокоскоростной беспроводной передачи данных для СШП систем связи 145
4.1 Цели экспериментального исследования 145
4.2 Описание экспериментальной установки 145
4.2.1 Выбор и характеристики оборудования 146
4.2.2 Настройка разработанных имитационных моделей в соответсвии с характеристиками приемо-передающего оборудования 153
4.3 Ход проведения эксперимента 155
4.4 Анализ результатов экспериментального исследования 164
4.5 Выводы по главе 4 167
Список используемых сокращений
- Проблемы СШП связи с учетом ограничений ГКРЧ
- Постановка задачи параметрической оптимизации формы СШП радиоимпульса
- Преобразование маски ГКРЧ с учетом дополнительных ограничений
- Настройка разработанных имитационных моделей в соответсвии с характеристиками приемо-передающего оборудования
Введение к работе
Актуальность темы. В качестве эффективного технического решения реализации каналов беспроводного доступа в условиях увеличения трафика, а также повышения требований к скоростям передачи данных, вызванных развитием мультимедийных технологий, видится использование сверхширокополосных (СШП) систем связи. Значительный потенциал эксплуатации данных систем заключается в ряде существенных преимуществ над традиционными технологиями широкополосного доступа, в том числе высоких показателях помехоустойчивости, защищенности связи от перехвата и проникающей способности сигнала.
Однако ввиду сверхширокого диапазона рабочих частот возникает проблема в обеспечении электромагнитной совместимости СШП систем связи с другими радиослужбами. В 2002 году Федеральное агентство по связи США (FCC – Federal Communications Commission) представило ограничения на эффективную изотропную излучаемую мощность (ЭИИМ) СШП устройств, определенные через спектральную маску. В связи с введением ограничений на уровень излучаемой мощности возникают проблемы в создании СШП систем связи в условиях регулирования FCC, заключающиеся в невысокой эффективности реализации потенциальных возможностей данных систем, например, малой дальности беспроводного действия.
Введение в РФ собственного регулирования СШП систем связи привело к невозможности законного применения всех зарубежных разработок в области СШП связи и устройств. Сложная спектральная форма маски, определенная Государственной комиссией по радиочастотам (ГКРЧ) в 2009 году, накладывает более серьезные требования на формирование СШП сигнала, чем в случае маски FCC. Данное обстоятельство, а также низкий уровень разрешенной излучаемой мощности приводят к дальнейшему уменьшению показателей эффективности, дальности действия и скорости передачи СШП систем связи.
В научной литературе на сегодняшний день отсутствуют готовые решения методов повышения эффективности СШП беспроводных систем связи, работающих в условиях ограничений спектральной маски ГКРЧ. Таким образом, разработка подобных методов является актуальным и перспективным направлением развития технологии СШП связи в РФ.
Степень разработанности темы. Основным методом повышения эффективности СШП систем связи является модуляция данных радиоимпульсами, характеризующимися максимизацией мощности в пределах ограничений спектральной маски. Исследованиям в области моделирования СШП радиоимпульсов, спектральная плотность мощности (СПМ) которых удовлетворяет ограничениям маски FCC, посвящены работы таких ученых как: Абдрахманова Г.И., Popa A., Hu J., Liao S., Jia Z., Keshavarz S.N., Cai C., Premkumar A.B., Men-on M., Parr B., Xia B., Zhang N., Campos M., Mishra S., Biagi M., Xiaolin Shi, Jang W.M., Ling H., Molish A.F., Davidson T., и многих других. Согласно большинству работ, наиболее распространенным методом формирования СШП радиоимпульса является использование линейных комбинаций импульса Гаусса
(ИГ) и его производных. Однако для достижения больших показателей соответствия СПМ радиоимпульсов спектральной маске необходимо использование значительного количества производных ИГ высоких порядков, отличающихся сложностью технической реализации.
Экспериментальные исследования по генерации и высокоскоростной передаче СШП радиоимпульсов были представлены такими учеными как: Wang C., Dong J., Abtahi M., Wan Q., LaRochelle S., Hanawa М., Tan C.M., Shams H., Gibbon T.B., Rodes R., Jensen J.B., Monroy I.T. В основе данных работ лежит применение СШП связи для организации сетей широкополосного доступа, работающих по технологии «Радио по волокну». Результаты экспериментов продемонстрировали невысокие показатели дальности беспроводного действия СШП систем связи, ввиду использования радиоимпульсов простой формы на основе пятой производной ИГ, а также амплитудной манипуляции, характеризующейся наличием спектральных пиков в формируемом сигнале, приводящих к необходимости уменьшения излучаемой мощности.
Объектом исследования являются беспроводные СШП системы связи, характеризующиеся регламентируемым уровнем допустимой ЭИИМ, согласно ограничениям спектральной маски ГКРЧ.
Предметом исследования являются методы повышения эффективности высокоскоростной передачи данных для СШП беспроводных систем связи.
Целью работы является повышение эффективности СШП беспроводных систем связи за счет спектральной модуляции сигнала на основе манипулирования частотных полос внутри спектральной маски ГКРЧ, а также параметрической оптимизации формы радиоимпульсов.
Задачи исследования:
1. Разработка метода спектральной модуляции на основе параметриче
ской оптимизации формы радиоимпульсов в условиях ограничений уровня из
лучаемой мощности, обеспечивающего повышение энергетической эффектив
ности СШП системы связи.
-
Разработка методики согласования формы радиоимпульса с характеристиками излучающего СШП устройства и скоростью передачи данных в канале связи.
-
Разработка метода спектральной модуляции на основе частотного манипулирования СШП сигнала с использованием частотных полос внутри спектральной маски ГКРЧ.
-
Разработка метода демодуляции СШП сигнала на основе спектрального анализа символов, позволяющего без увеличения мощности передаваемого сигнала снизить вероятность ошибки.
Научная новизна работы:
1. Разработан метод повышения энергетической эффективности СШП системы связи, основанный на параметрической оптимизации формы радиоимпульсов, отличающийся использованием доминирующей триады в спектральном представлении сигнала, позволяющий увеличить дальность действия системы связи в условиях ограниченного отношения сигнал/шум.
2. Разработана методика согласования формы радиоимпульса с характе
ристиками излучающего СШП устройства, отличающаяся возможностью адап
тации формы радиоимпульса к битовой скорости передачи данных в канале и
позволяющая повысить спектральную эффективность системы связи.
-
Разработан метод спектральной модуляции СШП сигнала, основанный на частотном манипулировании, отличающийся использованием скачкообразной перестройки частотных полос внутри спектральной маски ГКРЧ и позволяющий увеличить энергетическую эффективность канала связи.
-
Разработан метод демодуляции СШП сигнала, основанный на спектральном анализе сигнала, отличающийся кодированием символов сообщения с помощью разнесения их по непересекающимся частотным интервалам внутри маски ГКРЧ и позволяющий снизить вероятность ошибки без увеличения мощности передаваемого сигнала.
Теоретическая и практическая значимость работы состоит в возможности использования полученных результатов исследования для проектирования СШП систем связи, отвечающих ограничениям, установленным в РФ. Применение метода спектральной модуляции сигнала на основе параметрической оптимизации формы радиоимпульса, согласованной с характеристиками излучающего устройства и скоростью передачи данных в канале, позволит увеличить дальность беспроводного действия СШП систем связи при сохранении баланса между высокими показателями энергетической и спектральной эффективности. Предложенный метод спектральной модуляции СШП сигнала на основе частотного манипулирования снижает вероятность ошибки при приеме, создает запас отношения сигнал-шум, который может быть использован для увеличения дальности связи или повышения скорости передачи данных. Разработаны алгоритмы и программы формирования, цифровой обработки, модуляции и демодуляции СШП сигнала. Предложена аппаратная реализация СШП канала связи на основе экспериментальной установки.
Работа поддержана грантом, предоставленным Министерством высшего образования и науки Датского Королевства, в рамках соглашения о сотрудничестве с правительством РФ в области культуры, науки и образования, на проведение экспериментального исследования на базе лаборатории «Системы связи городского доступа и малого покрытия» факультета Фотоники Датского Технического Университета, г. Люнгбю, Дания.
Материалы диссертационной работы применены при выполнении соглашения о предоставлении субсидии №14.574.21.0058, уникальный идентификатор проекта RFMEFI57414X0058, по теме «Повышение эффективности систем широкополосного доступа к мультимедийным услугам, работающих по технологии Radio-over-Fiber (RoF), на основе совершенствования элементов и устройств физического уровня» в рамках реализации ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 – 2020 годы».
Методология и методы исследования. Результаты работы получены на основе использования основных положений теории цифровой и электрической связи, теории случайных процессов, теории спектрального анализа сигнала,
теории цифровой обработки сигнала и численных методов. Применены методы математического и имитационного моделирования, в том числе программирования. На основе разработанных имитационных моделей проведены реальные экспериментальные исследования.
Положения выносимые на защиту:
1. Метод повышения энергетической эффективности СШП системы связи
на основе параметрической оптимизации формы радиоимпульсов.
-
Методика согласования формы радиоимпульса с характеристиками СШП излучающего устройства с возможностью адаптации формы радиоимпульса к битовой скорости передачи данных в канале.
-
Метод спектральной модуляции СШП сигнала на основе частотного манипулирования со скачкообразной перестройкой частотных полос внутри спектральной маски ГКРЧ.
-
Метод демодуляции, основанный на спектральном анализе сигнала, с применением кодирования символов сообщения с помощью разнесения их по непересекающимся частотным интервалам внутри маски ГКРЧ.
Обоснованность и достоверность результатов диссертации базируется на использовании известных теоретических положений и методов исследования. Корректность используемых математических моделей и их адекватность реальным физическим процессам подтверждается данными проведенных численных и реальных экспериментов.
Апробация результатов. Основные научные и практические результаты диссертационной работы обсуждались на VIII - IX Всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых, г. Уфа, 2013-2014; VIII Всероссийской молодёжной научной конференции «Мавлютовские чтения», г. Уфа, 2014; вузовском туре программы «У.М.Н.И.К.», г. Уфа, 2014; XV и XVI Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций», г. Казань, 2014, г. Уфа, 2015; XIII Международной научно-технической конференции «Оптические технологии в телекоммуникациях», г. Уфа, 2015; V Всероссийской научной конференции «Армандовские чтения», г. Муром, 2015; научно-технических встречах в Датском Техническом Университете (г. Люнгбю, Дания) и Политехническом Университете Валенсии (г. Валенсия, Испания), 2015-2016; а также на семинарах кафедры телекоммуникационных систем УГАТУ, г. Уфа, 2012-2016.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 14 научных работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК, 2 статьи в зарубежных научных изданиях, входящих в базы цитирования Web of Science и Scopus, 8 докладов в сборниках трудов международных и российских конференций.
Личный вклад. Научным руководителем была осуществлена постановка главных задач исследования. Основные результаты диссертации получены автором самостоятельно. Самостоятельно автором были разработаны: алгоритмы предложенных методов повышения эффективности СШП систем связи; имитационные модели, реализующие предложенные методы. Также самостоятельно проведено имитационное моделирование, собрана экспериментальная установка
и проведено экспериментальное исследование. Самостоятельно были обработаны результаты экспериментов. Научный руководитель принимал участие в обсуждении результатов, на основе чего опубликованы статьи в соавторстве.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Содержит 197 с. машинописного текста, 99 рисунков, список использованной литературы из 90 наименований, приложений на 14 с.
Благодарности. Автор выражает благодарность кандидату технических наук И.К. Мешкову за помощь и поддержку, оказанную в процессе выполнения работы.
Проблемы СШП связи с учетом ограничений ГКРЧ
Таким образом, помимо широчайшего использования СШП технологии в сферах локации и дистанционного зондирования, в области телекоммуникаций можно определить следующие потенциальные области применения: а) Внутриобъектовые, локальные и внутригородские сети, для которых особое значение имеют энергетически скрытные сверхширокополосные каналы связи со сверхвысокой пропускной способностью, в том числе летательные аппа 21 раты, корабли, транспорт. При этом аппаратура должна иметь небольшие габариты и малое электропотребление; б) Промышленные системы беспроводной связи для внутриобъектовой пе редачи мультимедиа информации в условиях мощных индустриальных помех (транспорт, тяжелая промышленность, нефтехимические комплексы); в) «Интернет вещей». В том числе: HD Video Streaming, интерактивные приложения, приложение 3D Skype для персональных портативных устройств; г) Организация высокоскоростного интерфейса для связи персонального компьютера с периферийными устройствами, а также замена шлейфов внутри устройства на беспроводные соединения; д) Беспроводная технология «последней мили» сетей «Радио по волокну» (RoF - Radio-over-fiber). В том числе в развивающихся сетях «Fiberohe-home», где СШП связи может выполнять транспортную функцию для других технологий беспроводной связи, или реализовывать собственную систему передачи данных; е) Мобильные многоканальные системы телерадиоуправления технологиче скими процессами и оборудованием (атомная промышленность, транспорт, строительство, управление роботами при ЧС); ж) Реализация нового разрабатываемого формата мобильной связи, в кото ром организация канала осуществляется не через базовые станции, а непосредст венно между самими устройствами; з) Центры обработки данных, для замены проводных соединений на беспро водные каналы высокой пропускной способности; и) Специальные системы связи; к) Развивающаяся область Body Area Network - система, позволяющая транслировать различные жизненные показатели человека на его персональные мобильные устройства.
В связи с данным обширным спектром различных областей применения, для некоторых из которых данная технология является единственно возможным решением, еще раз подтверждается высокая актуальность разработок в области СШП связи. 1.4 Электромагнитная совместимость и регулирование СШП связи
В связи с большой полосой рабочих частот технологии СШП связи, возникает проблема обеспечения спектральной совместимости её с другими радиоус-лужбами и приложениями, работающими в том же нелицензируемом частотном диапазоне. Возможным решением данной проблемы является пространственная канализация энергии при использовании узконаправленных антенных систем. Однако подобные антенны со строго распределенным в пространстве коэффициентом направленного действия и с высоким коэффициентом усиления являются дорогими и крупногабаритными, а значит неприемлемы для широкого коммерческого использования.
Решением задачи исключения мешающего воздействия СШП устройств на другие радиослужбы послужило ограничение уровня эффективной изотропной излучаемой мощности (ЭИИМ). В том числе были произведены измерения допустимого уровня помех для систем поиска и спасения (406 МГц, 1544 МГц), безопасности воздушного транспорта (960- 1370 МГц, 2700-2900 МГц), радионавигационных установок (960-1215 МГц), военной авиации (224-280 МГц), радиосистем посадки (328,6-335,4 МГц), глобального позиционирования и различных метеорологических радарных установок.
Первые регламентирующие документы для СШП связи были приняты в США, где в 2002 году FCC была определена частотная маска распределения ЭИИМ для устройств, работающих внутри и вне помещений - спектральная маска FCC [2]. Позднее также была определена спектральная маска по версии Европейского института по стандартизации в области телекоммуникаций (ЕИСТ) для устройств, функционирующих на территории Европейского союза [8]. Безлицензионное регламентированное использование СШП сигналов разрешено также в Южной Корее, Японии, Китае и других странах.
Российская Федерация присоединилась к странам, регулирующим работу СШП систем связи, когда Государственной комиссией по радиочастотам (ГКРЧ) решением №09-05-02 от 15 декабря 2009 [9], также была определена частотная маска распределения ЭИИМ, существенно отличающаяся от мировых аналогов. Сравнение спектральных масок по версиям FCC, ЕИСТ и ГКРЧ представлено на рисунке 1.4.
Основные отличия спектральной маски ГКРЧ от наиболее распространенной в мире маски FCC: - Различие границ рабочего диапазона частот: по решению FCC 3,1-10,6 ГГц, ГКРЧ - 2,85-10,6 ГГц; - Различие значений уровня максимальной ЭИИМ: по решению FCC -минус 41,3 дБм/МГц, ГКРЧ - минус 45 дБм/МГц; - Главным отличием спектральной маски ГКРЧ является наличии сильных провалов СПМ, образующих три частотных окна, где ЭИИМ максимальна: 3,95-4,425 ГГц - I окно при ЭИИМтах1 = -50 дБм/МГц, 6-8,1 ГГц - II окно при ЭИИМтах2 = -47 дБм/МГц и 8,625-10,6 ГГц - III окно при ЭИИМтах3 = -45 дБм/МГц. Данные окна образуют доминирующую триаду спектрального представления маски ГКРЧ. Вышеперечисленные обстоятельства накладывают гораздо более жесткие требование на формирование СШП систем связи, предназначенных для функционирования на территории РФ.
Постановка задачи параметрической оптимизации формы СШП радиоимпульса
В результате поиска научной литературы в области реальной экспериментальной передачи СШП радиоимпульсов и оценки показателей производительности систем связи, основанных на них, оказалось, что наибольшее применение данные радиоимпульсы нашли в системах высокоскоростного широкополосного доступа, работающих по технологии «Радио по волокну» (RoF). Системы RoF являются экономичным решением для построения систем связи уровней распределения и доступа ввиду существенного удешевления базовых станций. В связи с высокой защищённостью, что связано со свойствами СШП сигналов, и относительно недорогой стоимостью RoF-систем, они являются привлекательными и конкурентоспособными на телекоммуникационном рынке.
Главной особенностью данной технологии является то, что СШП радиоимпульсы генерируются оптическими средствами. Все представленные методы генерации СШП радиоимпульсов можно разделить на два широких класса: путем задержки импульсов во времени и нелинейного преобразования сигнала. Методы, относящиеся к первому классу, основаны на использовании различного рода оптических линий задержки, таких как волоконная решетка Брэгга [46], полупроводниковые оптические усилители [47] и др. Второй класс методов основан на возможностях некоторых электрических и оптических компонентов к нелинейной обработке сигнала, в результате которой формируются производные ИГ. К подобным методам относятся нелинейное преобразование формы импульсов на основе использования волоконной решетки Брэгга [48], нелинейные методы модуляции сигнала на основе электрооптических модуляторов [49]. Большинство из вышеперечисленных методов сконцентрированы на формирования СШП радиоимпульса в виде моноцикла Гаусса. Однако, как было сказано в предыдущем разделе, данный одиночный радиоимпульс не соответствует ограничениях спектральной маски FCC.
Наиболее простой моделью радиоимпульса, с точки зрения технической реализации, а также соответствующей ограничениям спектральной маски FCC, является пятая производная ИГ. Именно поэтому результаты исследований, базирующиеся на данной форме радиоимпульса, представляют наибольший интерес. Наиболее простым и экономичным методом генерации данного вида СШП радиоимпульса является применения релаксационных колебаний полупроводникового лазера [50] и [51].
Основной задачей, на которой сфокусированы большинство исследований в системах RoF, является решение одной из проблем СШП систем связи, заключающейся в малой дальности беспроводной передачи данных. Для наиболее распространенного вида модуляция, ООК, существует жесткая взаимосвязь: чем выше битовая скоростью в ООК, тем больше количество импульсов в передаваемом СШП сигнале, что ведет к уменьшению отношения сигнал/шум и меньшей дальности беспроводной передачи.
На сегодняшний день были предприняты некоторые попытки поиска оптимального соотношения между битовой скоростью и дальностью беспроводной передачи, наилучшим результатом которых стала передача 4 Гбит/с на расстояние 4 м. Сравнение данных исследования представлены в таблице 1.4.
Увеличение скорости передачи данных до 3,125 Гбит/с было достигнуто в [58] за счет некогерентного сложения оптических полей, получаемого в результате кросс-модуляции усиления лазера с распределенной обратной связью (DFB -distributed feedback laser), управляемого сигналом накачки с лазера с внешним резонатором (ECL - external cavity laser). Схема проведения данного эксперимента представлена на рисунке 1.26 а, а спектр сигнала на входе передающей антенны на рисунке 1.26 б.
Очевидно, что данный сигнал соответствует спектральной маски FCC не на всех диапазонах частот. Невысокая дальность беспроводного действия системы в данном случае вызвана высокой скоростью передачи данных в канале, а также невысокой эффективностью использования спектрального пространства маски FCC. Невысокая эффективность использования маски в свою очередь связана с выбросами СПМ сигнала на частотах, соответствующих частоте повторения сигнала псевдослучайной последовательности (PRBS - pseudo random bit sequence), возникающих всегда при использовании ООК модуляции.
Рекордные результаты скорости передачи данных во взаимосвязи с достаточно большой дальностью действия достигнуты в [59] за счет применения высокоскоростного генератора сигналов случайной формы (AWG - arbitrary waveform generator), с помощью которого осуществляется формирование пятой производной ИГ. Оптическая линия связи в данном случае представлена лазером поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL - Vertical Cavity Surface-Emitting Laser) с длиной волны 850 нм, многомодовым оптическим волокном и PIN фотодиодом. Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 1.27.
Для достижения рекордных показателей скорости передачи данных, соответствующих значению 4 Гбит/с, длительность импульса в данном случае была сокращена до 55 пс (в сравнении с 60 пс для значения скорости 2 Гбит/с). Данное значение было выбрано с учетом минимизации перекрытия хвостов соседних передаваемых импульсов. СПМ сигнала представлена на рисунке 1.28 а. Зависимости коэффициента битовых ошибок от расстояний беспроводной передачи, рассчитанные для последовательности длиной 10 бит, приведены на рисунке 1.28 б. а) б)
Исходя из представленных графиков, можно сделать вывод, что СПМ данной передаваемой последовательности не сильно отличается от той, что представлена в работе [58]. Увеличение же расстояния безошибочной беспроводной передачи сигнала достигнуто за счет использования комбинации всенаправленной и узконаправленной антенны с большим коэффициентом усиления.
В результате анализа работ по беспроводной экспериментальной передаче СШП радиоимпульсов, можно сделать вывод, что дальность действия СШП устройств, даже для невысоких показатели скорости передачи данных, сильно ограничена. Связано это, прежде всего, с тем, что для экспериментальной передачи используются импульсы, отличающиеся малой эффективностью соответствия спектральной маске FCC. К тому же, используемый формат модуляции ООК характеризуется наличием спектральных пиков в СПМ сигнала на частотах, кратных скорости передачи данных в частотном эквиваленте. Данные пики наиболее явно представлены, например, в работе [52] (рисунок 1.29).
Преобразование маски ГКРЧ с учетом дополнительных ограничений
Функция ЧБСВ уже была использована в исследовании работе для формирования модели СШП радиоимпульса простой формы, удовлетворяющего ограничениям спектральной маски ГКРЧ. Разработанная модель радиоимпульса простой формы ЧБСВПЕ удовлетворяет условию максимизации ширины спектра, однако характеризуется малым пиковым значения СПМ радиоимпульса. Тем не менее в связи с вводом новых требований к модели оптимального радиоимпульса, данная функция может показать лучшие результаты в связи с тем, что, в отличие от ИГ и ИР, обладает высокой гибкостью управления спектром, а также характеризуется наличием ярко выраженного максимума, в отличии от МЭИ и МдЭИ.
Временное выражение для ЧБСВ представлено в (2.35). Управление СПМ в данном случае осуществляется по аналогии с пунктом 2.3.2. Одним из главных требований данного подход является формирование достаточно узкополосных радиоимпульсов, шириной спектра до 2 ГГц, реализованных в пределах частотных окон маски. Поэтому параметр т, при помощи которого осуществляется управление широкополосностью ЧБСВ, для всех подимпульсов установлен в наименьшее значение. Частоты пиковых значений СПМ подимпульсов изменяются в пределах полос, соответствующих окнам маски ГКРЧ.
В результате численных экспериментов, разработана модель оптимального радиоимпульса сложной формы, представленная суммой трех подимпульсов, СПМ которых представлены на рисунке 2.9. Таким образом:
Оптимальные параметры подимпульсов на основе функции ЧБСВ представлены в таблице Временная форма модели оптимального радиоимпульса сложной формы, полученной на основе данных подимпульсов, представлена на рисунке 2.10 а, а СПМ - на рисунке 2.10 б.
Очевидно, что предложенная модель оптимального радиоимпульса сложной формы ЧБСВ отличается от ранее предложенной ЧБСВпЕ тем, что она отвечает сразу двум условиям максимизации эффективности использования спектральной области под кривой маски ГКРЧ и большим КЭИМ, что отвечает цели, поставленной в исследовании. 2.4.2 Моделирование СШП радиоимпульса на основе функции корня из «приподнятого косинуса»
Еще одной перспективной функцией, на основе которой возможно реализовать модель радиоимпульса сложной формы, является функция импульса Найкви-ста (ИН), представляющая собой импульсный отклик фильтра с характеристикой типа корень из «приподнятого косинуса». Максимальное значение данного нормированного фильтра равно единице, а коэффициент скруглення (КС) изменяется от нуля до единицы. Частотная и импульсная характеристики фильтра представлены выражениями (1.23) и (2.41):
Модель оптимального радиоимпульса сложной формы в данном случае рассчитана по принципу [74] и приведены в [75]. Согласно данному принципу, маска ГКРЧ представляется в виде суммы четырех прямоугольных импульсов с параметрами, указанными в таблице 2.5.
В каждом блоке маски сформирован ИН, СПМ которого при нулевом КС имеет прямоугольную форму, соответствующую данному блоку. Спектральное выражение для подимпульсов при нулевом КС имеет вид: где recttf/oS) - обозначает прямоугольный импульс, с центральной частотой в 0 Гц и шириной спектр со; 5,-ин- ИН, соответствующий выбранному блоку; wt - весовой коэффициент подимпульса. Коэффициенты wt рассчитаны таким образом, чтобы суммарный импульс удовлетворял ограничениям спектральной маски ГКРЧ: wf = -65 дБм при 2,85 / 10,6 ГГц, (Wi + w2)2 = -50 дБм при 3,95 / 5,47 ГГц, (Wi + w3)2 = -47 дБм при 6 / 8,1 ГГц, (щ +w4f= -47 дБм при 8,625 / 10,6 ГГц, Рассчитанные значения весового коэффициента w: w1=0,06,w2=0,26,w3=0,391,w4=0,506. При увеличении КС ширина спектра ИН увеличивается. В случае максимального КС, спектр ИН увеличивается вдвое относительно минимального КС. Для сохранения соответствия рабочих полос подимпульсов выделенным блокам вне зависимости от КС вводится параметр - время пересечения нулевого уровня Т.
При минимальном КС RIP и LIP равны соответственно fB и /н, а при максимальном - центральной частоте. Между RIP и /в st if) представляет убывающую часть функции корня из «приподнятого косинуса», а между /н и LIP - возрастающую часть.
Очевидно, что при увеличении КС снижается соответствие СПМ модели оптимального радиоимпульса маске ГКРЧ. Однако, на рисунке 2.11 видно, что модель с малым КС характеризуются «дрожанием» хвостов импульса. Данный эффект увеличивает межсимвольную интерференцию при передаче, существенно влияющей на качество передачи, приводя к возникновению ошибок. Таким образом, применение ИН с минимальными значениями КС не является эффективным. Выбор оптимального значения КС для разработанной модели ИН обусловлен следующими условиями и выводами: - увеличение КС приводит к «сглаживанию» формы СПМ суммарного импульса и, соответственно, к снижению КЭИМ. Исходя из анализа динамики изменения СПМ (рисунок 2.12), можно сделать вывод, что мощность ИН уменьшается более чем на 50%, при приближении КС к единице; - увеличение КС приводит к уменьшению эффекта «дрожания» хвостов импульса. Данная динамика имеет более быстрый характер. Так при значении КС а= 0,3 эффект «дрожания» хвостов импульса снижается до уровня, практически соответствующего а = 0,9.
Настройка разработанных имитационных моделей в соответсвии с характеристиками приемо-передающего оборудования
Оценка эффективности разработанного метода модуляции СШП сигнала производится путем проведения имитационного моделирования процесса высокоскоростной передачи данных для СШП систем связи. По аналогии с пунктом (2.7), для этого были использованы три ИМ: ИМ передающей части, или ИМ модулятора сигнала - ИМ_МОД, ИМ приемной части, или ИМ демодулятора сигнала - ИМ_ДЕМОД, а также разработанная и представленная в пункте (2.7.3) ИМ канала связи - ИМ_КС.
Аналогично случаю метода, основанного на оптимальных радиоимпульсах, осуществляется оценка таких показателей эффективности системы связи как: зависимость BER от уровня сигнал/шум в канале связи, оценка дальности беспроводного действия. ИМ различных частей СШП системы связи для представленных методов модуляции и демодуляции сигнала разработаны в среде моделирования Matlab и выполняют следующие функции: 4) Формирование СШП сигнала на основе разработанного метода модуляции. Данная функция осуществляется на основе ИМ_МОД, включающей этапы генерации информационной последовательности, помехоустойчивого сверточного кодирования, формирования СШП радиоимпульсов, а также реализации самого метода модуляции кодированной информационной последовательности; 5) Вычисление BER. Данная функция осуществляется ИМ_ДЕМОД, включающей операции детектирования и распознавания радиоимпульсов, демодуляции и декодирования сигнала, а также вычисления BER.
Далее подробно рассмотрены алгоритмы работы и элементы разработанных ИМ, а также представлены результаты имитационного моделирования. Код программы для разработанных ИМ приведен в приложении Б.
ИМ_МОД выполняет роль передатчика в рамках имитационного моделирования СШП системы связи, осуществляя функции формирования модулированного сигнала.
Алгоритм формирования модулированного сигнала ИМ_МОД представлен на рисунке 3.5. Часть данного алгоритма разработана в соответствии с пунктом 3.3, а некоторые этапы совпадают с ИМ_ПРД, подробный разбор которых представлен главе 2.7.2. Далее будет приведено описание только тех этапов, функционирование которых отличается от аналогичных в ИМ_ПРД, или ранее не рассматривалось. В качестве входных данных для ИМ_МОД выступают: a)TnnPRBS; 6) частота дискретизации генератора сигнала -/д; в) количество отсчетов на один радиоимпульс - Nsa; г) значения центральных частот модулирующих радиоимпульсов - сг. Выбор параметров «тип PRBS» и/д для ИМ_МОД осуществляется по аналогии с ИМ_ПРД, Блок І. В остальных случаях он определен следующими факторами: 129 а) для того, чтобы произвести сравнительную оценку данного метода моду ляции СШП сигнала с методом, представленным в главе 2, выбор параметра Nsa осуществляется в соответствии с тремя значениями скорости передачи данных, использованных в предыдущей главе: #1=1,67 Гбит/с, R2=l,25 Гбит/с, R3=l Гбит/с. Исходя из данных значений скорости, параметр вычисляется из формулы (3.9) и соответственно равен: N =A. = 58;N =A- = 78;N =А- = 96. sal 2 sal 2 заЪ 2 Также дополнительные прогоны имитационного моделирования производятся для значений скорости передачи данных: RA=\,5 Гбит/с, R5 =1,4 Гбит/с, R6 =1,3 Гбит/с. Соответствующие значения Nsa равны: Nsa4 = 65; Nsa5 = 70; Nsa6 = 75. Дальнейшее увеличение скорости передачи данных является невозможным, так как при малых значениях Nsa СПМ модулированного сигнала перестает отвечать ограничениям преобразованной спектральной маски ГКРЧ; б) значения центральных частот модулирующих радиоимпульсов Q соответ ствуют центральным частотам окон спектральной маски и равны: сх = 4,7875 ГГц, с2 = 7,05 ГГц, с3 = 9,6125 ГГц. Вслед за вводом входных данных для моделирования, ИМ_МОД осуществляет преобразование спектральной маски ГКРЧ, на основе пункта 3.2, а также расчет новой эффективной преобразованной маски - Ргкрчэф_пР, по аналогии с формулой (2.56).
Следующими этапами алгоритма в ИМ_МОД, как и в ИМ_ПРД, являются формирование и преобразование информационного сигнала на основе PRBS. Однако, в отличие от этапа формирования, преобразование PRBS в ИМ_МОД выполняет другую функцию: увеличение длины информационной последовательности на необходимое количество бит для того, чтобы /pRBS была кратна трем. Это необходимо для корректного разделения сигнала на символы перед осуществлением модуляции.