WWW.MASH.DOBROTA.BIZ
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - онлайн публикации
 

«СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ ХАОТИЧЕСКИХ РАДИОИМПУЛЬСАХ В УСЛОВИЯХ РЕАЛЬНЫХ КАНАЛОВ Кузьмин Л.В. Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН г. Москва, ул. ...»

III Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь» – ИРЭ РАН, 26-30 октября 2009 г .

ХАРАКТЕРИСТИКИ БЕСПРОВОДНЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ НА

СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ ХАОТИЧЕСКИХ РАДИОИМПУЛЬСАХ В УСЛОВИЯХ

РЕАЛЬНЫХ КАНАЛОВ

Кузьмин Л.В .

Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН

г. Москва, ул. Моховая, 11/7 lvk@cplire.ru

Рассматриваются характеристики беспроводной системы связи на сверхширокополосных хаотических радиоимпульсах в условиях реальных каналов, под которыми понимаются реалистичные модели распространения сверхширокополосного сигнала микроволнового диапазона в жилых и промышленных помещениях .

1. Введение Значительное продвижение в практическом использовании хаотических сигналов в коммуникационных системах связано с прямохаотической схемой связи (ПХСС), предложенной в 2000 г. в ИРЭ им В.А. Котельникова РАН [1], в которой хаотический сигнал модулируется и генерируется непосредственно в микроволновом диапазоне частот [1–5]. Данная схема относится к классу широкополосных или сверхширокополосных (СШП) беспроводных цифровых схем связи, в которой в качестве носителя информации используются СШП хаотические радиоимпульсы с шириной полосы от 500 до 2000 МГц. С использованием одних и тех же принципов, ПХСС позволяет создавать как высокоскоростные системы связи [1–3], так и низкоскоростные [4, 5] в диапазоне частот от 3 до 10 ГГц .



Характеристики ПХСС исследовались в канале белым шумом, для которого определялись достижимые вероятности ошибок на бит в зависимости от нормированного отношения сигнал/шум, и в канале с многолучевым распространением [6, 7], для которого определялись максимально достижимые скорости передачи, когда мощность многолучевой помехи значительно превышает мощность белого шума в приёмнике. Целью этой работы является оценка характеристик ПХСС в условиях совместного действия многолучевой помехи и аддитивного белого шума .

2. Модель канала связи В ПХСС передаваемая информации кодируется в последовательность хаотических радиоимпульсов, излучаемых в эфир [1, 2]. На данный момент наибольшее практическое развитие получила схема модуляции, согласно которой единичные символы передаются путём излучения хаотического радиоимпульса длительности p на заданной временной позиции, нулевые символы кодируются отсутствием импульса. После каждого импульса предусмотрен защитный интервал длительности g для предотвращения межсимвольной интерференции, таким образом, что в эфир излучается поток импульсов изображённый на рис. 1а. Приём хаотических радиоимпульсов осуществляется с помощью детектора огибающей .

а) б) Рис. 1. Поток хаотических радиоимпульсов, излучаемых в эфир (а), соответствующих последовательности «1101», и фрагмент хаотического сигнала в пределах радиоимпульса (б) .

Характеристики ПХСС в канале с белым шумом соответствуют характеристикам системы с ортогональной системой сигналов [1,2]. Вместе с тем для определения характеристик системы III Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь» – ИРЭ РАН, 26-30 октября 2009 г .

в реальном канале следует принимать во внимание не только белый шум, но и многолучевое распространение. Рассматриваемая здесь модель канала имеет вид

–  –  –

где s (t ) – сигнал, излучаемый передатчиком; y (t ) – сигнал, поступающий в приёмник из канала; n(t ) – белый шум, имитирующий тепловой шум приёмника; h(t ) – импульсная характеристика отклика канала, характеризующая многолучевое распространение; знак означает операцию свёртки. Конкретный вид импульсной характеристики h(t ) описывается соотношением (2) [8, 9]:





–  –  –

т.е. функция отклика h(i)(t) на -импульс в i-том канале формируется как сумма случайных слагаемых – лучей с амплитудой (i)k,l и запаздыванием (i) = T(i)l+(i)k,l. Здесь i – номер канала связи в множестве возможных комбинаций пунктов излучения и приема для данного класса каналов, (i)k,l - множитель амплитуды k-того луча внутри l-того кластера; { Tl i } – задержка первого луча i l –го кластера; { k,l } – задержка k-того луча внутри l-того кластера относительного первого луча того же кластера; Xi – множитель задающий полную энергию лучей i-того канала. Под i-м каналом понимается некоторое взаимное расположение передатчика и приёмника в помещении данного класса .

Статистическое описание многолучевого распространения в виде (2) было получено на основании цикла экспериментальных работ, проведенных несколькими исследовательскими группами, в результате чего были предложены статистически усреднённые (различное взаимное расположения пары источник/приемник, различные размеры и типы помещений, их геометрия, разнообразная внутренняя планировка) модели многолучевого распространения сигналов, позволяющие оценивать основные характеристики канала связи для различных ситуаций:

наличии/отсутствии прямого луча, типичных расстояний, характерных групповых запаздываний и т.д. [8, 9] .

Семейство моделей каналов [8] для высокоскоростных систем связи (беспроводных пикосетей, в которых скорости передачи могут достигать 480 Мб/c) классифицирует четыре ситуации: модель CM1 соответствует наличию прямого луча, расстояние между передатчиком и приёмников до 4 м; CM2 – прямого луча нет, расстояние до 4 метров; CM3 и СМ4 – прямого луча нет, расстояние от 4 до 10 м, и СМ4 характеризуется большим среднеквадратичным разбросом по времени прихода первого луча .

Для низкоскоростных беспроводных СШП систем связи (беспроводные персональные сети или сенсорные сети), модели каналов [9] описывают девять различных ситуация распространения сигнала между передатчиками приёмником на расстоянии до 30 м: в жилом помещении (CM1, 2), офисе (CM3, 4), вне помещений (загородные постройки CM5,6), в промышленности (CM7, 8), на сельскохозяйственных фермах (CM9) и вблизи человеческого тела. Модели с нечётными номерами описывают ситуации с прямым лучом, с чётными – без прямого луча. В данной модели канала также определяется степень затухание сигнала с расстоянием, полученная на основе экспериментальных измерений для помещений различных типов и наличии/отсутствии прямого луча .

3. Действие канала на поток хаотических радиоимпульсов Для анализа характеристик системы в канале (1) рассмотрим, как он действует на хаотические радиоимпульсы. При передаче через канал последовательности хаотических радиоимпульсов можно выделить две качественно различные ситуации: если длительность защитного интервала g превышает длительность отклика канала (рис. 2а), то межсимвольная интерфеIII Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь» – ИРЭ РАН, 26-30 октября 2009 г .

ренция не имеет места и вероятность ошибки на бит в приёмнике определяется отношением мощности белого шума к мощности хаотических импульсов, прошедших канал. Если же длительность защитного интервала меньше длительности отклика канала (рис. 2б), то на текущую позицию хаотического радиоимпульса может накладываться сигнал последействия от предшествующего импульса, и в этом случае вероятность ошибки будет определяться отношением средней мощности импульсов к суммарной мощности белого шума и реверберационной помехи .

а) б) Рис.2. Действие канала на последовательность хаотических радиоимпульсов при длительности защитного интервала больше (а) и меньше (б) длительности отклика канала .

Рассмотрим ситуацию, когда длительность защитного интервала g превышает длительность отклика канала .

Предполагается, что постоянная времени детектора огибающей согласована с длительностью хаотического радиоимпульса, т.е. приёмник собирает энергию в пределах длительности хаотического радиоимпульса. Вследствие некогерентного сложения лучей в приёмнике, мощность в импульсе может быть оценена как сумма мощности лучей, попадающих в пределах временного интервала p длительности импульса, т.е. мощность принимаемого сигнала PS Lp K p (i ) 2 может быть оценена как PS, где L p и K p – число кластеров и лучей, соответстk,l l 0 k 0 венно, попадающих в приёмник в пределах времени p приёма очередного импульса. Величины L p и K p фактически определяются соотношением длительности импульсов и длительности отклика канала. Таким образом, для достижения максимального значения средней мощности PS сигнала, прошедшего многолучевой канал, длительность импульсов должна быть согласована с длительностью отклика канала .

Отношение величины PS к полной мощности импульсной характеристики канала является оценкой средних энергетических потерь хаотических импульсов в канале. Численная оценка этих потерь приведена на рис. 3. для моделей канала IEEE 802.15.3a (рис.3а) и IEEE 802.15.4a (рис. 3б) .

Как видно из приведённых данных, энергетические потери уменьшаются с увеличением длительности импульса: для длительности импульса p =10 нс, для каналов всех типов энергетические потери составляют не более чем 4~дБ по отношение к средней энергии импульса. Для канала с прямым лучом модели IEEE 802.15.3a эти потери составляют около 0~dB. Использование импульсов длительностью 100 нс позволяет свести к нулю потери в средней энергии радиоимпульсов для каналов всех типов .

–  –  –

III Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь» – ИРЭ РАН, 26-30 октября 2009 г .

4. Вероятность ошибки на бит Энергетические оценки средней мощности импульсов после прохождения канала ничего не позволяют сказать о вероятности ошибки на бит, т.к. вероятность ошибки будет определяться не только отношением средней мощности импульса в приёмнике к мощности помехи, но и дисперсией энергии импульса S .

В случае, если длительность импульса меньше длительности импульсного отклика канала (в данном случае это импульсы с длительностью 5, 10 и 20 нс), имеем L p L и K p K, дисперсия S увеличивается по отношению к дисперсии энергии импульса для канала в котором действует только белый шум и вероятность ошибки растёт .

Если длительность импульса согласована с длительностью отклика канала или превышает её, то L p L и K p K, дисперсия энергии импульса равна его для канала с белым шумом. В этом случае можно ожидать, что характеристики ПХСС будут идентичны её характеристикам в канале с белым шумом, что и подтверждается прямыми расчётами, результаты которых приведены на рис. 4. для каналов CM1,5,9, где показаны зависимость вероятности ошибки от нормированного отношения сигнал/шум Eb / N 0 в приёмнике при длительностях импульсов 5, 10, 20 и 100 нс .

а) б) в) г) Рис. 4. Вероятность ошибки Pb от Eb / N 0 для каналов CM1 (окружности), СM5 (крестики), CM9 (ромбы) и канала с белым шумом (квадраты) для импульсов длиной: 5 (а), 10 (б), 20 (в) и 100 нс (г) .

Таким образом, когда длительность импульса согласована с длительностью отклика канала, расчёт энергетического бюджета канала связи будет аналогичен расчёту бюджета канала для свободного пространства, у которого показатель затухания имеет значение, определяемое конкретными условиями распространения сигнала. Это, в частности, верно для низкоскоростных СШП систем связи на хаотических радиоимпульсах, в которых скорость передачи между примников и передатчиком составляет единицы мегабит в секунду .

В случае, когда длительность импульса меньше длительности отклика канала, при расчёте бюджета канала связи следует учитывать как энергетические потери в импульсах, так и увелиIII Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь» – ИРЭ РАН, 26-30 октября 2009 г .

чение вероятности ошибки на бит, вызванное увеличением дисперсии энергии импульса вследствие многолучевого распространения .

Это свидетельствует о том, что осуществлять высокоскоростную прямохаотическую передачу не целесообразно, когда мощность реверберационной помехи, мощность белого шума и мощность хаотических радиоимпульсов сопоставимы между собой. В этом случае практически и физически имеет смысл рассматривать ситуацию, когда мощность импульсов в приёмнике намного больше мощности белого шума PS PN (т.е., например, для коротких расстояний между передатчиком и приёмником) и основную роль в формировании ошибки играет многолучевая помеха, т.е. когда PM PN. В этом случае вероятность ошибки на бит уже полностью будет определяться многолучевой помехой, защитный интервал может быть сравним с длительностью отклика канала и физически целесообразно оценивать максимально достижимые скорости передачи, для которых в случае использования энергетического приёмника достижимыми являются скорости порядка 30 Mbps [7] при вероятности ошибки на бит Pb 10 4. Использование же специальных алгоритмов позволит достигать скорости передачи до 100 Мб/c при сопоставимой вероятности ошибки [6] .

5. Заключение Показано, что энергетические характеристики ПХСС и вероятность ошибки на бит в реальных каналах связи практически идентичны аналогичным характеристикам ПХСС в канале с белым шумом при длительности импульсов, согласованной с длительностью отклика канала, что позволяет рассчитывать бюджет канал связи ПХСС таким же образом, как и в случае канала с белым шумом. Для более коротких импульсов (~20 нс и менее, что означает потенциально высокие скорости передачи) в реальных каналах характеристики системы ухудшаются на ~5-6 дБ по параметру «нормированное отношение сигнал-шум» Eb/N0 при сопоставимой вероятности ошибки для канала с белым шумом .

ЛИТЕРАТУРА

1. Дмитриев А.С., Кяргинский Б.Е., Максимов Н.А. и др. «Перспективы создания прямохаотических систем связи в радио и СВЧ диапазонах», Радиотехника, 2000, № 3, с.9-20 .

2. Дмитриев А.С., Кяргинский Б.Е., Панас А.И. и др., «Прямохаотические схемы передачи информации в сверхвысокочастотном диапазоне», РиЭ, 2001, Т. 46, № 2, 224-233 .

3. Dmitriev A.S., Kyarginsky B.Ye., Panas A.I., and Starkov S.O., “Experiments on ultra wideband direct chaotic information transmission in microwave band”, Int. J. Bifurcation & Chaos, 2003, vol .

13, No. 6, pp. 1495–1507 .

4. Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Клецов А.В., Кузьмин Л.В., Лактюшкин А.М., Юркин В. Ю .

"Сверхширокополосная беспроводная связь и сенсорные сети", РиЭ, 2008, т. 53, №10, с .

1278–1289 .

5. Andreyev Yu.V., Dmitriev A.S., Efremova E.V. еt al. “Qualitative theory of dynamical systems, chaos and contemporary communications”, Int. J. Bifurcation and Chaos, 2005, vol. 15, No. 11, pp .

3639–3651 .

6. Кузьмин Л.В., Морозов В.А., Старков С.О., Хаджи Б.А. «Анализ помехоустойчивости приема сверхширокополосных хаотических сигналов в условиях многолучевого распространения внутри помещений», РиЭ, 2006, Т. 51, №11, с. 1360–1367 .

7. Кузьмин Л.В., Морозов В.А. «Статистические характеристики ансамбля сверхширокополосных линий связи в условиях многолучевого распространения внутри помещений», РиЭ, 2009, т. 54, №3, С. 329–338 .

8. Channel Modeling Sub-committee Report Final. November 2002. IEEE P802.15 Working Group for Wireless Personal Area Networks (WPANs) .

http://grouper.ieee.org/groups/802/15/pub/2002/Nov02/02490r0P802-15_SG3a-Channel-ModelingSubcommittee-Report-Final.zip

9. Channel Modeling Sub-committee Report Final. / IEEE P802.15.4a Working Group for Wireless Personal Area Networks (WPANs), Dec. 2004. http://grouper.ieee.org/groups/802/15/pub/04/15-04a-channel-model-final-report-r1.pdf






Похожие работы:

«ПРОБЛЕМЫ ГЕОЛОГИИ И ОСВОЕНИЯ НЕДР Литература Каракозов А. А. и др. Определение максимальной углубки алмазных резцов однослойных коронок с 1. радиальной раскладкой //Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент-техника и технология его изготовления...»

«КОНВЕНЦИЯ 87 Конвенция о свободе объединений и защите права объединяться в профсоюзы 1 Генеральная Конференция Международной Организации Труда, созванная в СанФранциско Административным Советом Международного Б...»

«Заключительный отчет МСЭ-D 1-я Исследовательская комиссия Вопрос 5/1 Электросвязь/ИКТ для сельских и отдаленных районов 6й Исследовательский период 2014–2017 гг.СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ www.itu.int/ITU-D/study-groups вебсайт: www.itu.int/pub/D-STG/ электронный книжный магазин мсэ: devsg@itu.int электрон...»

«Государственное казенное образовательное учреждение высшего образования "Российская таможенная академия" АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ ТАМОЖЕННОГО ДЕЛА Сборник материалов научно-практической конференции факультета таможенног...»

«ПРОРЫВНЫЕ НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КАК ДВИГАТЕЛЬ НАУКИ Сборник статей Международной научно-практической конференции 4 декабря 2018 г. Часть 3 МЦИИ ОМЕГА САЙНС Магнитогорск, 2018 УДК 00(082) ББК 65.26 П 78 ПРОРЫВНЫЕ НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КАК ДВИГАТЕЛЬ НАУКИ: сборник статей Меж...»

«Конвенция МОТ № 103 Об охране материнства (пересмотренная в 1952 году) (Женева, 28 июня 1952 года) Генеральная Конференция Международной Организации Труда, созванная а Женеве Административным Советом Международного Бюро Труда и собравшаяся 4 июня 1952 года на свою тридцать пятую сессию, постановив принять ряд п...»

«ISSN 2411-7609 DOI: 10.17117/na.2015.12.03 http://ucom.ru/doc/na.2015.12.03.pdf Научный альманах 2015 · N 12-3(14) Science almanac ISSN,2411-7609 http://ucom.ru/na Научный альманах · 2015 · N 12-3(14) | 2 · http://ucom.ru/na · ISSN 2411-7609 · ISSN 2411-7609...»






 
2019 www.mash.dobrota.biz - «Бесплатная электронная библиотека - онлайн публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.