Радиотехника и электроника, 2020, T. 65, № 9, стр. 902-910

ВВЕДЕНИЕ

С начала 2000 годов, после принятия национальных спектральных масок по нелицензированному использованию сверхширокополосных (СШП) сигналов в беспроводной связи^{11, 22, 33}, основные интересы исследователей и разработчиков были сосредоточены на изучении систем персональной связи, радиус действия которых достигает 30…40 м (системы малого радиуса действия) [1–3]. Между тем имеется целый ряд задач, для которых представляет интерес использование средств СШП-связи на расстояниях до 100 м и более. В частности, большое внимание этому вопросу уделяется в связи с проблемой измерения расстояний с большой точностью и создания средств позиционирования на этой основе^{44, 55}. Имеется и ряд собственно коммуникационных задач, где применение средств СШП-связи представляет значительный интерес: например, создание локальной инфокоммуникационной структуры для малых населенных пунктов [4].

При создании таких средств связи возникает ряд новых вопросов как по техническим характеристикам приемопередающих устройств и их реализации, так и по условиям применения.

В данной работе эти вопросы изучаются применительно к прямохаотическим средствам СШП-связи [5–7].

1. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ДАЛЬНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ ПРЯМОХАОТИЧЕСКИХ СШП-ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИКОВ

При переходе от приемопередатчиков прямохаотической связи малого радиуса действия с дальностью работы до 30…40 м к средствам с дальностью, характерной для локальных средств беспроводной связи (с дальностью до 100…200 м), должен быть учтен ряд факторов, определяющих диапазон расстояний работоспособности линии связи, в том числе:

– мощность передатчика;

– чувствительность приемника;

– направленность антенн:

– база хаотических радиоимпульсов;

– наличие многолучевого распространения (межсимвольная интерференция).

Вероятность ошибки на 1 бит при приеме определяется отношением энергии сигнала на 1 бит информации к спектральной плотности шума E_б/N₀ на входе приемника, которое для свободного пространства рассчитывается по формуле [8]

или в логарифмическом масштабе где P_пер – мощность излучения передатчика; T_б – длительность бита; G_пер, G_пр – усиление антенн передатчика и приемника; L = 4πR² потери в канале связи, N₀ = kT – мощность теплового шума входных цепей приемника, N_Ф – шум-фактор приемника, I – потери на реализацию.

Из (1) следует, что дальность передачи в свободном пространстве

прямо пропорциональна корню квадратному из излучаемой мощности, длине бита, коэффициентам усиления передающей и приемной антенн, и обратно пропорциональна корню квадратному из произведения (E_б/N₀) на коэффициент шума приемника, спектральной плотности шума и потерям на реализацию.

Обозначим через (E_б/N₀)_тр минимальное значение (E_б/N₀) для получения требуемой вероятности ошибок и через (E_б/N₀)_пр реальное (принятое) значение для (E_б/N₀). Разница между этими величинами дает энергетический резерв линии связи между передатчиком и приемником.

Рассмотрим основные факторы, влияющие на дальность передачи. Первым таким фактором является база сигнала. Пусть B – база хаотического радиоимпульса B = 2FT_и, где F – полоса частот хаотического радиоимпульса и T_и – его длительность [9–11].

Увеличение B позволяет при фиксированной мощности генератора хаоса увеличить излучаемую энергию, приходящуюся на 1 бит, и тем самым повысить предельную дальность передачи. Однако в прямохаотических средствах связи вероятность ошибки зависит не только от (E_б/N₀), но и от базы сигнала. Это – свойство энергетического приема [12], которое является также характерным для радиометрических систем [13]. Асимптотическое значение (E_б/N₀)_тр при больших базах сигнала пропорционально корню квадратному из базы сигнала, т.е. (E_б/N₀)_тр ~ B^1/2. Поэтому, хотя с увеличением базы сигнала энергия принимаемого бита растет пропорционально B^1/2 при фиксированной мощности передатчика, дальность действия устройства растет медленнее – пропорционально B^1/4.

Из (3) следует, что повышение мощности излучения – прямой способ увеличения дальности действия передатчика, к тому же зачастую наиболее простой в реализации.

Вторым фактором, влияющим на дальность связи, является чувствительность приемника. Она зависит от полосы принимаемого сигнала, метода модуляции и демодуляции, температуры приемника и качества входных малошумящих усилителей, характеризуемого коэффициентом шума N_Ф.

Суммируя сказанное выше, отметим, что основные факторы – мощность, база сигнала, коэффициенты усиления антенн передатчика G_пер и приемника G_пр – сказываются соответственно на дальности передачи D следующим образом:

В табл. 1 представлены расчеты бюджета каналов для приемопередатчика типа ППС-4* (при скорости передачи R_б= 6 Мбит/с) и ППС повышенной дальности (при скорости передачи R_б = = 1.5 Мбит/с) и соответствующие итоговые значения энергетического резерва.

2. ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИКИ ПОВЫШЕННОЙ ДАЛЬНОСТИ

Рассмотрим приемопередатчики с повышенной дальностью действия, созданные в рамках НИР “Калинка” [4]. При их разработке за основу были взяты СШП-приемопередатчики типа ППС-4* [11, 12] с дальностью действия до 30 м (см. табл. 1).

В новых устройствах мощность излучаемого сигнала была увеличена до 100 мВт (в импульсе), а чувствительность приемника по отношению к приемникам устройств ППС-4* повышена на 4 дБ.

Передатчик устройства (рис. 1) включает в себя генератор хаоса 1, формирующий поток хаотических радиоимпульсов, модулятор 2, выходной усилитель 3, переключатель передатчик-приемник 4, антенну 5 и цифровой блок 6, который осуществляет преобразование цифрового потока бит в видеоимпульсы, подаваемые на вход модулятора. Приемник устройства состоит из антенны, цифрового блока и переключателя (общих с передатчиком), малошумящего усилителя 7; детектора огибающей 8 на основе логарифмического детектора, преобразующего микроволновые колебания в импульсы огибающей с амплитудой, пропорциональной логарифму мощности принимаемого радиосигнала. Цифровой блок преобразует последовательность импульсов огибающей в набор цифровых отсчетов, декодируемый в последовательность бит.

Конструктивно приемопередатчики были разработаны в двух вариантах: с горизонтальным расположением платы и вертикальной внешней антенной (рис. 2а) и с вертикальным расположением платы и антенны (рис. 2б). Первый вариант более компактный, плата для него может быть расположена в стандартном покупном корпусе, приемопередатчик второго типа размешается в специально разработанном корпусе и более приспособлен для работы в условиях реальной среды. В обоих вариантах приемопередатчиков используются внешне подключаемые антенны, что обеспечивает определенную гибкость в обеспечении необходимого коэффициента усиления.

Ниже приведены расчетные характеристики прямохаотического приемопередатчика:

3. МНОГОЛУЧЕВОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ

С энергетической точки зрения разработанные приемопередатчики должны обеспечивать дальность работы более 100 м в свободном пространстве. Эта характеристика была экспериментально подтверждена с помощью измерений на стенде с эквивалентным затуханием сигнала. Однако реальные трассы даже при наличии прямой видимости демонстрируют достаточно интенсивную многолучевость. Это характерно как для СШП-систем малого радиуса действия, так, как оказалось в процессе измерений, и для систем с повышенной дальностью, даже в условиях открытой местности.

Для борьбы с многолучевостью в прямохаотических средствах СШП-связи малого радиуса действия используются защитные интервалы. Длительность этих интервалов согласуется с характерными временами запаздывания для многолучевых каналов. Согласно моделям распространения, характерное время запаздывания для персональных систем связи укладывается в диапазон 30…40 нс. Исходя из соображений подобия можно ожидать, что в системах повышенной дальности характерное время запаздывания будет расти пропорционально планируемой дальности связи, поэтому при увеличении дальности до 100 м оно составит величину порядка 100 нс, и при дальности 200 м – около 200 нс. Это означает, что с учетом запаса защитный интервал в этих случаях должен составлять не менее 150 и 300 нс соответственно. При скважности 2 это соответствует максимальным скоростям передачи 3.0 и 1.5 Мбит/с.

Данная ситуация схематично представлена на рис. 3, где изображены два эллипса вокруг трассы распространения сигнала между передатчиком 1 и приемником 2. Сумма длин путей от передатчика к приемнику для каждого из эллипсов постоянна. Кривая каждого эллипса соответствует точкам однократного переотражения сигнала, излучаемого передатчиком. Время прохождения сигнала от передатчика к приемнику при однократном переотражении определяется по выражению Т_п= Т_р+ Т_з, где T_р – время распространения между передатчиком и приемником по каналу с прямой видимостью, Т_з – время запаздывания. Внутренний эллипс соответствует времени распространения непрямых лучей T_п ~ 1.5T_р при однократном переотражении, внешний эллипс соответствует времени распространения непрямых лучей T_п~ 2.0T_р.

Эти соотношения наряду с энергетическими соотношениями, представленными в разд. 2, ограничивают дальность работы СШП линии связи.

Для пиковой мощности передатчиков 100 мВт и скважностей 2 и 4 оценки максимально возможных скоростей передачи от дальности могут быть получены из рис. 4а и 4б соответственно. Ограничивающие факторы – энергетический потенциал линии связи с учетом уменьшения эффективности использования принимаемой энергии импульса при увеличении длины импульса и характерное время запаздывания непрямых лучей.

На рис. 4а приведены результаты расчетов для передачи со скважностью 2 и, соответственно, средней мощностью 25 мВт. Линия 1 определяет ограничение по скорости, если в качестве критерия берется запаздывание, соответствующее однократному минимальному запаздыванию в соответствии с моделью запаздывания сигнала, которое пропорционально времени распространения прямого сигнала (см. рис. 3, внутренний эллипс; коэффициент запаздывания ~1.5 относительно времени распространения прямого сигнала). Линия 2 определяет ограничение на скорость, если в качестве критерия берется запаздывание, соответствующее двойному максимальному запаздыванию в упомянутой модели (см. рис. 3, внешний эллипс; коэффициент запаздывания ~2.0 по отношению ко времени распространения прямого сигнала).

Практически реализуемая из-за наличия многолучевого распространения максимальная скорость передачи лежит в полосе между этими линиями.

Линии 3 и 4 определяют энергетические ограничения на скорость передачи как функции дальности в случаях, когда в передатчике и приемнике используются антенны с G_пер = G_пр = 0 дБ и G_пер = = G_пр = 3 дБ соответственно. Линии 1 и 2 расположены на рисунке ниже линий 3 и 4 вплоть до дальностей 200…1000 м, и поэтому именно многолучевое распространение на этих расстояниях лимитирует максимальную скорость передачи. Например, при дальности 100 м максимальная скорость может составлять 1.3…2.0 Мбит/с, а при дальности 200 м – примерно 0.6…1.0 Мбит/с.

Поскольку энергетический потенциал не является ограничивающим фактором можно попытаться увеличить дальность передачи за счет увеличения скважности.

На рис. 4б приведена структура ограничивающих линий для передачи со скважностью 4 и пиковой мощностью в импульсе 100 мВт (отметим, что средняя мощность в этом случае равна 12.5 мВт, т.е. в два раза ниже по сравнению с передачей при скважности 2). Структура линий та же, что и в случае передачи со скважностью 2. Однако теперь при G_пер = G_пр = 0 дБ ограничивающим фактором при дальности d > 150 м является энергетический потенциал линии связи. Максимальная скорость передачи на расстоянии 150 м составляет 2 Мбит/с. Для этих же антенн возможно увеличение дальности до 200 м, однако при уменьшении скорости передачи до 1.0 Мбит/с (линия 3).

Эта скорость может быть увеличена вдвое, до 1.5…3.0 Мбит/с, за счет увеличения коэффициента усиления антенн до 3 дБ (линия 4). При этом лимитирующим фактором снова начинает выступать многолучевое распространение.

4. ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН И АДАПТИВНЫЕ ПОРОГИ

Динамический диапазон работы приемника прямохаотической системы обеспечивается широким динамическим диапазоном логарифмического детектора (до 55 дБ), применяемого в качестве чувствительного элемента. Такого динамического диапазона в целом хватает для приемопередатчиков персональной связи. При изменении расстояний от 1 м до 30 м в свободном пространстве диапазон изменения мощности принимаемого сигнала лежит в пределах 30 дБ. Однако ситуация может измениться, если требуемая дальность связи составляет 100…200 и более метров. В этом случае диапазон изменения мощности принимаемого сигнала при изменении расстояния от 1…2 м до 100…200 м составит уже 40…46 дБ, что может быть критично для работы линии связи при наличии дополнительных возмущающих факторов.

Поэтому для повышения устойчивости работы системы передачи во всем диапазоне изменения дальностей была разработана адаптивная настройка порога приемника, реализуемая программным образом.

Пусть канал связи несимметричен: условно один приемопередатчик представляет собой базовую станцию (БС), а второй – сенсорный узел (СУ). Базовая станция осуществляет запросы на передачу, а основной поток данных идет в направлении сенсорный узел – базовая станция. Таким образом, первая задача БС заключается в побудке СУ, после чего он начинает передачу. В связи с такой конфигурацией критической является устойчивость работы приемника БС. В нем и реализована адаптивная настройка порога.

Адаптивная настройка порога на БС реализована для двух процессов: при инициализации сети (первый этап) и при приеме данных от сенсорного узла (второй этап).

При инициализации сети алгоритм выбора порога действует следующим образом (рис. 5). В файле программы задается массив из K пороговых значений (p₁…p_k) для приемника БС. Вначале осуществляется проверка статуса устройства (проинициализировано оно или нет, блок 2). В случае, если устройство оказалась проинициализированным (например, из-за ранее прошедшей операции инициализации), работа алгоритма инициализации заканчивается (блок 6) и происходит переход к следующему этапу. В противном случае выставляется значение порога p₁ из списка пороговых значений (блок 3). Далее осуществляется проверка превышения максимального числа инициализаций K (блок 4). Если превышения нет, то запускается процесс инициализации сети (блок 5): БС посылает СУ серию пакетов побудки, и в случае принятия СУ хотя бы одного пакета-запроса сенсорное устройство посылает базовой станции ответный пакет, принятие которого БС означает обнаружение устройства и его успешную инициализацию. Если ни один пакет-запрос не принят, то процесс возвращается в блок 3, где выставляется следующее значение порога. Алгоритм инициализации заканчивает свою работу либо в случае обнаружения устройства, либо при превышения максимального числа попыток инициализации.

После инициализации, при приеме базовой станцией первого пакета с данными от сенсорного узла начинает работать алгоритм адаптивной настройки порога второго этапа (рис. 6). Для получения первого пакета с данными используется порог, полученный в конце инициализации сети.

Алгоритм второго этапа имеет две фазы работы: грубая настройка и точная настройка. Это сделано для снижения общего времени работы алгоритма, а также для того чтобы БС не работала длительное время со значениями порогов, на которых невозможна передача данных.

При грубой и точной настройке используется одна и та же процедура адаптации, отличия состоят лишь в значениях порогов для БС. При грубой настройке используется система эквидистантных М порогов. В общем случае M ≠ K. Из M значений порога процедура выбирает тот, которому соответствует минимальное значение вероятности ошибки на 1 бит (Bit Error Ratio, BER) при приеме. Далее осуществляется переход к точной настройке порога, где BER минимизируется локально в окрестности выбранного при грубой настройке значения порога.

Сам алгоритм работает следующим образом. При приеме пакета с данными от СУ (блок 2) запускается таймер на время T_н (блок 3), необходимый для регистрации временного интервала, в течении которого накапливается статистика о BER для узла сети (блок 9, 10). После окончания интервала T_н сохраняется итоговое значение BER для текущего порога p_i на БС (блоки 4, 5). Далее в случае, если имеются пороги, для которых еще не проходила проверка BER (условие в блоке 6), осуществляется смена порога на БС на следующее значение p_i + 1 в соответствии со значениями порогов, соответствующими фазе работы алгоритма (блок 8). Далее вновь запускается процесс набора статистики для нового порога БС. После получения BER для последнего значения порога происходит выбор лучшего из порогов по критерию минимального значения BER (блок 7) и алгоритм завершает работу (блок 11).

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Предварительные исследования показали, что для полномасштабных измерений для расстояний 100 и более метров крайне желательно иметь полигон закрытого типа (помещение) для обеспечения независимости от климатических условий. После рассмотрения и многочисленных проб было принято решение использовать для этих целей здание Технопарка в Сколково. Это сооружение (рис. 7, 8а) имеет в длину более 300 м, ширину более 50 м с прямой видимостью практически на всю длину и высоту более 20 м.

В ходе испытаний использовалось следующее оборудование: сенсорное устройство (СУ) с приемопередатчиком повышенной дальности, базовая станция с приемопередатчиком повышенной дальности, ноутбук с программным обеспечением для управления системой связи, лазерный дальномер, стандартные антенны и антенны с двойным коэффициентом усиления (см. рис. 2).

Было проведено две серии экспериментов. В первой серии был использован только алгоритм адаптации порога второго этапа. Точки расположения 1…10 базовой станции в экспериментах показаны на рис. 7. Выходное напряжение логарифмического детектора могло меняться от 0 до 3.3 В. Этому диапазону изменения напряжений на выходе микроконтроллера приемника БС соответствовал диапазон изменения цифровых значений от 0 до 255, среди которых и выбирался порог.

Для проведения измерений было установлено СУ в торце вестибюля здания (рис. 8б). Первоначально БС была установлена в точке 1 (см. рис. 7) на расстоянии 38 м от СУ при наличии прямой видимости между устройствами. Использовались антенны первого типа. Ниже приведены результаты автоматического выбора порога в ходе передачи данных для этого эксперимента:

Всего в первой группе были произведены измерения для 10 точек расположения базовой станции на расстояниях от 38 до 210 м (рис. 8в, 8г). В экспериментах на расстояниях до 150 м использовали антенны первого типа (G_пер = G_пр = 0 дБ), а на расстояниях больше 150 м – антенны второго типа (G_пер = = G_пр = 3 дБ). Устойчивая связь с BER < 3 × 10^–5 фиксировалась до расстояния 200 м (табл. 2). При экспериментах на расстоянии 210 м первичную инициализацию узла произвести не удалось и связь не была установлена.

После этого было высказано предположение, что дальнейшее увеличение дальности может быть обеспечено, если программными методами решить проблему инициализации СУ. При этом отсутствие инициализации могло быть связано как с тем, что СУ не слышит сигнал БС, так и с тем, что БС с неадаптированным порогом пропускает ответ СУ. Для разрешения этой коллизии во второй серии экспериментов дополнительно к адаптации порога во время передачи данных был использован алгоритм адаптации на этапе инициализации, описанный в разд. 4.

Исследования по определению возможности установления связи и оценкам ее качества во второй серии экспериментов проводили по той же схеме, что и в первой серии. Их результаты на расстояниях от 38 до 200 м лишь в деталях отличались от результатов, полученных в первой серии экспериментов. Однако предельная полученная дальность составила уже не 200 м, а 240 м (см. табл. 4 , помимо точек 1…10, связь удалось установить в точках 11 и 12). Эта экспериментальная точка отмечена на рис. 4. Следует, однако, отметить, что в экспериментах использовалась скважность 8/3 = 2.67, т.е. больше чем на рис. 4а, но меньше чем на рис. 4б.

Использование алгоритма автоматического выбора порога на этапе инициализации положительно сказалось также на увеличении динамического диапазона работы системы по дальности. В первой серии экспериментов наблюдалась неустойчивость в установлении связи на расстояниях менее 5…10 м, что было связано также с нахождением начального порога приемника БС в зоне, где прием сильного сигнала от СУ приводит к ошибкам и препятствует инициализации. Использование алгоритма адаптации при инициализации решает эту проблему. В процессе экспериментов было оценено влияние алгоритма на минимальное расстояние, на котором возможна устойчивая передача данных. Для этого был проведен ряд измерений по передаче данных с уменьшением расстояния между БС и СУ до 1 м. Устойчивая связь при BER < 3 × 10^–5 наблюдалась при уменьшении расстояния вплоть до 2 м по сравнению 5…10 м при измерениях без использования алгоритма адаптации на этапе инициализации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотрена задача повышения дальности прямохаотических средств СШП-связи. Проанализированы факторы и проведены теоретические оценки характеристик, определяющих радиус действия канала. Разработана конструкция и изготовлены экспериментальные образцы приемопередатчиков с дальностью действия более 200 м. Подготовлено и апробировано программное обеспечение к ним. Проведены экспериментальные исследования созданных устройств, в которых достигнуты дальность связи 240 м.