СПОСОБ РАДИОСВЯЗИ С ТЕХНОЛОГИЕЙ MIMO И ПСЕВДОСЛУЧАЙНОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ РАБОЧИХ ЧАСТОТ Российский патент 2023 года по МПК H04B7/04 

Изобретение относится к системам беспроводной связи и, в частности, к способам осуществления радиообмена в системах с несколькими пространственно разнесенными приемниками и передатчиками [H04B7/04, H04B7/06, H04B7/08].

Из уровня техники известна УНИФИЦИРОВАННАЯ СТРУКТУРА И ЦЕНТРАЛИЗОВАННОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ SIMO, SU-MIMO и MU-MIMO ПРИ RL-ПЕРЕДАЧАХ [RU2420880, опубл. 10.12.2010]. Способ беспроводной связи, используемый в системе беспроводной связи, при этом способ содержит этапы, на которых:- передают, по меньшей мере, один опорный сигнал управления мощностью из антенны, выбранной из группы из М антенн, где М является положительным целым числом;- передают смещение спектральной плотности мощности (PSD) из антенны, используемой для сообщения, по меньшей мере, одного опорного сигнала управления мощностью, при этом PSD-смещение основано на опорном уровне PSD для передачи, по меньшей мере, одного опорного сигнала управления мощностью; и - передают контрольный сигнал из каждой антенны в наборе из М антенн для оценки канала системы со многими входами и многими выходами (MIMO), когда М>1, и канала с одним входом и многими выходами (SIMO), когда М=1.

Недостатком аналога является низкая пропускная способности канала связи из-за того, что не задействуется дополнительный частотный ресурс для передачи информации.

Также из уровня техники известен СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ МНОГОПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКОГО MIMO В СИСТЕМАХ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ [RU2649856, опубл. 05.04.2018], причем способ содержит этапы, на которых: определяют отношение энергии на элемент ресурсов (EPRE) физического совместно используемого канала нисходящей линии связи (PDSCH) к EPRE опорного сигнала, характерного для мобильного устройства, на основании номера уровня; передают управляющую информацию нисходящей линии связи, включающую в себя информацию гибридного автоматического запроса на повторную передачу, информацию опорного сигнала, характерного для мобильного устройства, информацию схемы модуляции и кодирования для каждого транспортного блока и информацию индикатора новых данных для каждого транспортного блока; и передают данные по PDSCH на основании управляющей информации нисходящей линии связи.

Недостатком аналога является низкая пропускная способности канала связи из-за того, что не задействуется дополнительный частотный ресурс для передачи информации.

Также из уровня техники известен СПОСОБ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ МНОГОЧАСТОТНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ В ЧАСТОТНЫХ ПОДКАНАЛАХ КОМБИНИРОВАННОЙ МНОГОПОЗИЦИОННОЙ ЧАСТОТНОЙ И ФАЗОВОЙ МОДУЛЯЦИИ [RU2574080, опубл. 10.02.2016] в котором данные поступают на вход передающей части системы связи двумя раздельными потоками и далее передаются по N параллельным каналам многочастотной системы связи, использующий группирование L отдельных частотных подканалов в N/L кластеров (групп), в каждом из которых цифровые данные отображаются в виде модуляционных символов, полученных методом комбинированной модуляции последовательно в два этапа: первоначально генерируют по закону многотональной многочастотной модуляции подмножество R из L активных поднесущих, отображающих в каждом кластере символы этой модуляции для данных одного из информационных потоков, отображая в сочетании R тональных поднесущих выбор модуляционного символа, а затем, на втором этапе, цифровые данные второго потока модулируют по закону фазовой модуляции Р из R активных поднесущих и на приемной стороне процесс демодуляции выполняют соответственно в каждом кластере последовательно в два этапа: сначала в некогерентном демодуляторе демодулируют принятые символы тональной многочастотной модуляции, детектируя R активных поднесущих, совокупность которых определяет значения символов-переносчиков цифровых данных первого потока, и на втором этапе, выбирая из R демодулированных на первом этапе Р фазомодулированных поднесущих, демодулируют символы-переносчики данных второго потока, отличающийся тем, что при передаче на втором этапе в каждом кластере из R активных поднесущих, определенных по закону многотональной многочастотной модуляции, модулируется методом многопозиционной фазовой модуляции часть поднесущих Р, а оставшиеся R-P активных поднесущих, позиции которых в составе кластера однозначно определены заданным правилом при передаче по отношению к Р фазоманипулированным поднесущим, используются на приемной стороне для формирования опорных колебаний, необходимых при когерентной демодуляции символов второго информационного потока.

Недостатком аналога является низкая помехозащищенность из-за того, что не используется технология пространственного разнесения приемных и передающих антенн.

Наиболее близким по технической сущности является СХЕМА РАЗНЕСЕНИЯ ПРИ ПЕРЕДАЧЕ С НЕСКОЛЬКИМИ АНТЕННАМИ [RU2432683, опубл. 27.10.2011]. Способ передачи данных, содержащий этапы, на которых: модулируют данные, подлежащие передаче, во множество модулированных символов; и передают множество модулированных символов в соответствии с выходной матрицей с использованием схемы пространственно-частотного разнесения передачи через множество антенн посредством множества частотных поднесущих; при этом первый символ и второй символ передаются через первую антенну посредством первой частотной поднесущей и второй частотной поднесущей соответственно, третий символ и четвертый символы передаются через вторую антенну посредством третьей частотной поднесущей и четвертой частотной поднесущей соответственно, обратное комплексно-сопряженное значение второго символа и комплексно-сопряженное значение первого символа передаются через третью антенну посредством первой частотной поднесущей и второй частотной поднесущей соответственно, и обратное комплексно-сопряженное значение четвертого символа и комплексно-сопряженное значение третьего символа передаются через четвертую антенну посредством третьей частотной поднесущей и четвертой частотной поднесущей соответственно; и при этом плотность ресурсных элементов, используемых для передачи опорных сигналов через третью антенну и четвертую антенну, меньше плотности ресурсных элементов, используемых для передачи опорных сигналов через первую антенну и вторую антенну.

Основной технической проблемой прототипа является низкая помехозащищенность передаваемых данных из-за невозможности совместного использования технологии пространственного разнесения передающих и приемных антенн и псевдослучайное перестройки рабочих частот.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности функционирования MIMO канала связи с использованием псевдослучайной перестройки рабочих частот для обеспечения помехозащищенности.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ радиосвязи с технологией MIMO и псевдослучайно перестройкой рабочих частот, характеризующийся тем, что на передающей стороне формируют пары передающихся параллельно комплексных символов, каждую сформированную пару символов кодируют пространственно-временным кодом Аламоути формируя выходную матрицу, элементы верхних и нижних строк выходной матрицы из сформированной пары символов передают через пространственно-разнесенные антенны, элементы выходных матриц сформированных пар параллельно передающихся модулированных символов передают посредством различных поднесущих, частоты поднесущих формируют псевдослучайным образом на основании данных из столбцов частотно-временной матрицы, в которой частоты поднесущих сформированных пар параллельно передающихся модулированных символов ортогональны друг другу и не попадают в интервал частотной корреляции замираний, при этом информация об интервале частот корреляции замираний поступает на формирователь частотно-временной матрицы по результатам зондирования ионосферы с периодичностью, не реже чем длительность интервала стационарности декаметрового канала связи, ведение радиообмена на сформированных частотах поднесущих осуществляют в течение времени, не превышающего длительности интервала стационарности декаметрового канала связи, после чего осуществляют переход на вновь сформированные частоты поднесущих в соответствии со значениями в столбцах частотно-временной матрицы.

В частности, длительность интервала стационарности декаметрового канала связи составляет от пяти минут до одного часа.

Краткое описание чертежей.

На фиг. 1 показана общая схема реализации способа передачи и приема данных в системе с несколькими пространственно-разнесенными приемниками и передатчиками, и использованием технологии псевдослучайной перестройки рабочих частот.

На фиг. 2 показан алгоритм работы кодера Аламоути.

На фиг. 3 показан типовой способ передачи данных по радиоканалу с использованием технологии MIMO с четырьмя передающими антеннами на одной частоте.

На фиг. 4 показан вариант реализации способа передачи данных по пространственно-разнесенным радиопередатчикам с четырьмя передающими антеннами на двух частотах.

На фигурах обозначено: 1 - источник данных; 2 - элементы низкочастотного радиопередающего тракта; 3 - последовательно-параллельный преобразователь; 4 - пространственно-временной кодер Аламоути; 5 - передатчик; 6-передающая антенна; 7 - приемная антенна; 8-приемник; 9-пространственно-временной декодер Аламоути; 10 - параллельно-последовательный преобразователь; 11 - элементы низкочастотного радиоприемного тракта; 12 - получатель данных, 13 - формирователь частотно-временных матриц.

Система радиосвязи, реализующая способ передачи данных по пространственно-разнесенным радиопередатчикам, характеризуется тем, что на передающей стороне находится источник данных 1, выход которого соединен с функциональными элементами низкочастотного радиопередающего тракта 2, как минимум один из которых соединен с последовательно-параллельным преобразователем 3. Последовательно параллельный преобразователь 3 выполнен с возможностью преобразования последовательности следующих друг за другом символов с выхода низкочастотного радиопередающего тракта 2, в конечную совокупность пар символов, формируемых на параллельных выходах последовательно-параллельного преобразователя 3. В варианте реализации в каждой сформированной паре - расположены соседние символы из первоначальной последовательности. Каждый выход последовательно-параллельного преобразователя 3 соединен с пространственно-временным кодером Аламоути 4. Каждый пространственно-временной кодер Аламоути 4 имеет два выхода, каждый из которых соединен с отдельным передатчиком 5. Каждый выход передатчика 5 соединен с передающей антенной 6.

На приёмной стороне системы радиосвязи находится конечная совокупность приемных антенн 7, каждая из которых соединена с приемником 8. Выходы каждой пары приемников 8 соединены с пространственно-временным декодером Аламоути 9. Пара приемников 8 соединена с конкретным пространственно-временным декодером Аламоути 9 таким образом, чтобы обеспечить декодирование соответствующей пары переданных, посредством пары передатчиков 5 соединённых с соответствующим пространственно-временным кодером Аламоути 4, символов на соответствующей частоте передачи (поднесущей). Выходы пространственно-временных декодеров Аламоути 4 соединены со входами параллельно-последовательного преобразователя 10. Параллельно-последовательный преобразователь 10 выполнен с возможностью преобразования параллельно поступающих с пространственно-временных декодеров Аламоути 9 пар символов в единую последовательность, идущих друг за другом символов. Выход параллельно-последовательного преобразователя 10 соединен с другими функциональными элементами низкочастотного радиоприемного тракта 11, как минимум один из которых соединен с получателем данных 12.

Также каждый из передатчиков 5 на передающей стороне выполнен с возможностью перестройки частоты передачи, соответственно, каждый из приемников 8 на приемной стороне также выполнен с возможностью перестройки частоты приема. Приемники 8 и передатчики 5 выполнены с возможностью менять частоты передачи и приема синхронно согласно частотно временным матрицам. Частотно временные матрицы формируются посредством формирователей частотно-временных матриц 13, которые могут быть выполнены в виде программно-аппаратных комплексов. Формирователи частотно-временных матриц располагаются как на приемной, так и на передающей сторонах и соединены с соответствующими передатчиками 5 и приемниками 8.

Способ передачи данных по пространственно-разнесенным радиопередатчикам характеризуется тем, что при передаче данных от источника данных 1 осуществляют их обработку в соответствии с известными (из уровня техники) цифровыми алгоритмами обработки передаваемой (посредством радиоканалов) информации. Данную обработку осуществляют за счет наличия функциональных элементов низкочастотного радиопередающего тракта 2. В частности, могут быть использованы следующие функциональные элементы: преобразователь данных в бинарные последовательности; различные блоки, реализующие алгоритмы помехоустойчивого кодирования и перемежения; цифровой модулятор (осуществляющий модуляцию данных, подлежащие передачи и преобразование бинарных последовательностей в комплексные значения, в соответствии с заданным способом цифровой модуляции) и др. функциональные элементы (в зависимости от специфики конкретного варианта реализации низкочастотного передающего тракта). На выходе одного из последовательно осуществляющих обработку данных функциональных элементов низкочастотного радиопередающего тракта 2 формируется множество модулированных комплексных символов передаваемого посредством радиоканала сообщения. При этом символы располагаются в виде последовательности, в которой они расположены последовательно один за другим в соответствии с временем их формирования (z₁, z₂, z₃, _…, z_i, …, z_n). Далее сформированная последовательность символов поступает на последовательно-параллельный преобразователь 3, где происходит их попарное разбиение (первая пара включает символы z₁, z₂; вторая пара включает символы z₃, z₄; … j-ая пара включает символы z_n-1, z_n). Таким образом, пары могут формироваться из соседних символов, а совокупность всех пар сформированных символов включает в себя всю совокупность передающих символов (в случае нечетного количества совокупности передающих символов, добавляется дополнительный неинформационный символ для создания пары). Количество одновременно формируемых пар символов соответствует количеству выходов последовательно-параллельного преобразователя 3 и в то же время количество одновременно формируемых пар символов вдвое меньше, чем количество передающих антенн 6.

После процесса разбиения последовательности символов каждая из сформированных пар символов поступает с выходов последовательно-параллельного преобразователя 3 на входы пространственно-временных кодеров Аламоути 4, где осуществляется их пространственно-временное кодирование в соответствии с известным алгоритмом (показан пример для символов z_i, z_i+1):

где G₁ - обозначение выходной матрицы;

А ₁ - символы, формируемые с первого выхода пространственно-временного кодера Аламоути 4;

А ₂ - символы, формируемые со второго выхода пространственно-временного кодера Аламоути 4;

τ₁, τ₂ - первый и второй такты работы пространственно-временного кодера Аламоути 4.

На выходе каждого пространственно-временного кодера Аламоути 4 формируются выходная матрица, состоящая из двух строк, каждая из которых содержит информацию об одном из двух слабо коррелированных сигналов, поступающих на входы передатчиков 5.

В высокочастотных радиопередающих трактах передатчиков 5 происходит формирование частот поднесущих для передачи сформированных символов; перенос информационного сигнала (содержащего передающие символы) на соответствующую поднесущую; усиление сигнала до требуемой (для передачи) мощности посредством работы усилителей мощности и т.д., далее высокочастотные сигналы подаются на передающие антенны 6, где происходит их излучение в свободное пространство. Таким образом, верхнюю и нижнюю строки выходной матрицы из сформированной пары символов передают через отдельные передающие антенны 6.

Высокочастотные тракты передатчиков 5 настроены таким образом, что пары передатчиков 5, входы которых соединены с выходами одного пространственно-временного кодера Аламоути 4, формируют поднесущие в конкретный момент времени на одинаковой частоте передачи, отличной от других пар передатчиков 5 (входы которых соединены с выходами других пространственно-временных кодеров Аламоути 4) (f₁, f₂, f₃,… f_n,). При этом формируемые каждой порой передатчиков 5 поднесущие частоты в конкретный момент времени являются ортогональными всем другим частотам поднесущих, формируемыми другими парами передатчиков 5, объединёнными общими пространственно-временными кодерами Аламоути 4.

Формирование частот передачи, в конкретный момент времени, реализовано посредством формирователя частотно временных матриц 13, в который изначально заложена избыточная совокупность ортогональных друг другу рабочих (пригодных для ведения радиообмена) частот, одновременно с этим на формирователь частотно-временных матриц 13 поступает информация о состоянии канала связи между приемной и передающей сторонами - на основе результатов зондирования ионосферы с периодичностью, не реже чем время стационарности канала связи между абонентами. Формируемые частотно-временные матрицы организованы следующим образом: каждый столбец частотно-временной матрицы представляет собой совокупность ортогональных частот передачи, актуальных на период времени меньшего, чем период стационарности канала связи. Формирователь частотно-временных матриц 13 работает следующим образом: непосредственно перед организацией радиообмена на основе информации по результатам зондирования ионосферы (или основываясь на статистике работы с конкретным радионаправлением), определяют период стационарности канала связи между приемной и передающей стороной. Далее, основываясь на информации по результатам зондирования ионосферы, определяются частоты (диапазоны частот) ДКМВ диапазона, не пригодные для работы в течении периода стационарности канала связи (интервалы частотной корреляции замираний). Далее формируется столбец частотно-временной матрицы, состоящий из заранее заложенных и выбранных псевдослучайным образом ортогональных друг другу частот, при этом частоты, непригодные для работы (попадающие в интервал частотной корреляции замираний), исключаются и заменяются на другие. Изначально, конкретные частоты в рамках текущего столбца выбираются на основе алгоритмов, основанных на выборе частот в соответствии с псевдослучайной последовательностью чисел, характерными для систем связи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты. Далее информация о рабочих частотах на ближайший интервал времени передается синхронизировано на передатчики 5 и приемники 6. Далее в течение рабочего интервала времени осуществляется радиообмен на сформированных частотах поднесущих. Одновременно с этим в формирователе частотно-временных матриц 13 формируется очередной столбец рабочих частот - на следующий рабочий интервал времени; аналогично предыдущей итерации - первоначально столбец формируется из ортогональных друг другу частот, отличных от частот, сформированных в столбце на предыдущем рабочем интервале времени в рамках одной строки. Далее из сформированного столбца по результатам зондирования ионосферы значения непригодных частот заменяются на значения пригодных ортогональных частот. После чего обновленные значения столбца частотно-временной матрицы подаются на приемники 8 и передатчики 5, после чего осуществляется радиообмен на частотах согласно текущему столбцу частотно временной матрицы. Далее операция смены частот повторяется. Таким образом, организуется радиообмен по технологии MIMO с псевдослучайной перестройкой рабочих частот.

Таким образом, в ходе радиообмена формирователь частотно-временных матриц 13 формирует частоты передачи и приема на основе заранее заложенного банка ортогональных частот с учетом информации, полученной по итогам зондирования ионосферы на периоде стационарности канала связи между абонентами.

После излучения сигналов в свободное пространство они распространяются по сформированным радиоканалам и попадают на приемные антенны 7 приемников 8. В ходе осуществления обработки радиосигналов высокочастотные тракты приемников 8 настроены таким образом, что пары приемников 8, выходы которых соединены с входами одного пространственно-временного декодера Аламоути 9, в конкретный момент времени принимают только сигналы на соответствующих поднесущих (f₁, f₂, f₃, … f_n,), соответствующих сформированным поднесущим на передающей стороне. Формирователь частотно-временной матрицы 13 обеспечивает совпадение частот приема и передачи во времени на передающей и приемной сторонах.

Таким образом, для описываемого способа всегда есть пара передатчиков 5 на передающей стороне (объединенных общим пространственно-временным кодером Аламоути 4), работающих на частоте поднесущей f_i и пара приемников 8, на приемной стороне, осуществляющая прием на той же частоте поднесущей f_i. То есть, если передается пара символов z₁, z₂ на поднесущей f₁. посредством двух передатчиков 5, то и на приемной стороне есть приемники 8, выполненные с возможностью приема символов z₁, z₂ на поднесущей f₁. После осуществления высокочастотной обработки радиосигналов в приемниках 8 низкочастотные сигналы поступают на пространственно-временные декодеры Аламоути 9, где реализуется процесс восстановления исходных символов z_i, z_i+1. После чего пары одновременно поступающих на входы параллельно-последовательного преобразователя 10 восстановленных символов преобразуются в единую последовательность, где символы следуют один за другим в очередности, соответствующей времени их формирования (z₁, z₂, z₃, …, z_i, …, z_n). Последовательность символов z₁, z₂, z₃, …, z_i, …, z_n передается в функциональные элементы низкочастотного радиоприемного тракта 11, где происходит ее обработка (цифровая демодуляция (детектирование), извлечение информационной части из пакетов сообщений, помехоустойчивое декодирование, и др.) после чего, информационный сигнал преобразуется в данные в востребованном для получателя виде, которые поступают к получателю данных 12.

При организации радиообмена посредством реализации заявленного способа передающие антенны 6, работающие на одной поднесущей f_i (и передающие разные строки выходной матрицы из сформированной пары символов), располагаются друг от друга на расстоянии, не меньшем, чем значение интервала пространственной корреляции замираний, которое для декаметрового диапазона составляет от 10 м до 200 м [1] .

Заявленный технический результат - обеспечение возможности функционирования MIMO канала связи с использованием псевдослучайной перестройки рабочих частот для обеспечения помехозащищенности - достигается за счет функционирования последовательно-параллельного 2 и параллельно-последовательного 10 преобразователей, которые формируют пары одновременно передающихся символов и восстанавливают из пар принятых символов информационную последовательность данных. При этом, при передаче каждую пару символов кодируют при помощи кода Аламоути и передают на входы соответствующей пары передатчиков 5. Формирователь частотно-временных матриц 13 на основе заранее загруженной совокупности ортогональных друг другу частот и информации о непригодных частотах (попадающих в интервал частотной корреляции замираний) для ведения радиообмена на времени стационарности канала связи, формирует очередной столбец частотно-временной матрицы с частотами приема и передачи и передает информацию на пары передатчиков 5 и приемников 8, входы (выходы) которых соединены с выходами определенного пространственно-временного кодера Аламоути 4 (декодера Аламоути 9) на интервале времени, не превышающем время стационарности канала связи. Через рабочий интервал времени, меньший либо равный времени стационарности канала связи, формирователь частотно-временных матриц 13 формирует новый столбец частотно-временной матрицы с новыми значениями рабочих частот. Далее указанный процесс повторяется на времени длительности ведения радиообмена, обеспечивая тем самым радиообмен с псевдослучайной перестройкой рабочих частот и с использованием технологии MIMO. Условие ортогональности частот поднесущих всех пар передатчиков 5 (все элементы столбца частотно-временной матрицы состояли из ортогональных частот) обеспечивает сохранение заданного уровня помехозащищенности, благодаря отсутствию частотной корреляции на рабочем интервале времени. Условие того, что частоты поднесущих всех пар передатчиков 5 не попадали в интервал запрещенных частот, также обеспечивает сохранение заданного уровня помехозащищенности, благодаря тому, что радиообмен не осуществляют на частотах, на которых АЧХ канала имеет экстремально низкие значения. Требование к тому, чтобы для конкретной пары передатчиков 5 через каждый рабочий период времени формировалась новая частоты передачи, обеспечивает помехозащищённость передачи данных, благодаря смене частоты передачи через каждый рабочий интервал времени.

Периодичность поступления информации на формирователь частотно-временных матриц 13 о результате зондирования ионосферы выбирается, исходя из времени стационарности декаметрового канала связи. В соответствии с проведенными исследованиями [2-5] интервал стационарности декаметрового канала составляет от пяти минут до одного часа.

Пример достижения технического результата.

Как известно, основной целью внедрения технологии MIMO является повышение спектральной эффективности в условиях повышенного спроса на частотный ресурс.

Суть технологии MIMO заключается в использовании нескольких передающих антенн и нескольких приемных антенн для организации радиоканала на одной несущей частоте в неоднородных средах распространения радиоволн, вызывающих замирания сигналов в точке приема.

Реализация приема в таких условиях основывается на обеспечении разноса по одному или нескольким одновременно параметрам - пространству, поляризации или времени.

В качестве положительного эффекта в MIMO каналах может быть:

- повышение пропускной способности канала относительно каналов с одной приемной и одной передающей антеннами;

- повышение помехозащищенности в каналах с замираниями;

- пространственное мультиплексирование разных абонентов;

- обеспечение пространственной избирательности за счет формирования диаграммы направленности.

Технология MIMO получила активное развитие в высокочастотных системах связи, таких как WiFi, LTE и др. Одним из проблемных вопросов применения MIMO в каналах декаметрового диапазона является сложность в построении антенных систем, обеспечивающих некоррелированность замираний на разных антеннах по причине необходимости большого разноса (более 100 метров), обусловленного длиной волны. Особо остро данная проблема стоит в случае организации канала между подвижными объектами. Наравне с вышеуказанной проблемой также большие сложности вызывает вопрос увеличения пропускной способности MIMO канала связи декаметрового диапазона из большой избыточности в кодировании поступающих на вход MIMO кодера символов при количестве приемных и передающих антенн больше двух.

В заявленном способе используется пространственно-временной кодер 4 и декодер 9 Аламоути, при этом, код Аламоути является простейшим пространственно-временным кодом, который реализует процесс кодирования в соответствии с фиг. 2. Данный код предназначен для работы на двух передающих антеннах 6, с использованием которых за два тактовых интервала и передается два комплексных информационных символа. Таким образом, данный код обладает скоростью, под которой понимается отношение числа передаваемых символов к числу тактовых интервалов:

.

Доказано, что код Аламоути является уникальным по так называемому ранговому критерию, т.е. он имеет максимальный порядок разнесения и обладает скоростью . Коды для большего числа антенн, обеспечивающие максимальный порядок разнесения обладают скоростью , за исключением нескольких кодов для числа передающих антенн 6 и , которые обладают скоростью кода . Таким образом, повышение помехозащищенности обеспечивается за счет снижения пропускной способности. Например, код для числа передающих антенн 6 и четырех предаваемых символов имеет следующий вид (фиг. 3):

В соответствии с заявленным способом предлагается, при наличии свободных частот организовать передачу следующим образом: перед пространственно-временным кодом добавляется последовательно-параллельный преобразователь 3, который разбивает последовательный поток информационных символов по следующей схеме (пример для замены пространственно-временного кода для и 4-х передаваемых символов):

Четыре антенны делятся попарно. На каждую пару антенн работает свой пространственно-временной кодер, реализующий код Аламоути (фиг. 4). Тогда на первую пару антенн, работающих на частоте , подается следующая матрица:

а на вторую пару антенн, работающих на частоте , подается матрица:

При условии ортогональности частот и , первая и вторая матрицы будут переданы без взаимного влияния.

В таком случае реализуется сокращение числа тактовых интервалов для передачи 4-х символов с 8 (для кода , фиг. 3) до 2 (фиг. 4), при условии сохранения максимального разноса передачи (2 по антеннам и 2 по частоте), что равнозначно увеличению пропускной способности общего многочастотного MIMO радиоканала в 4 раза.

При этом, для обеспечения помехозащищенности - в рамках заявленного способа, предлагается использование псевдослучайной перестройки рабочих частот. В начальный момент времени перед осуществлением радиообмена на основе псевдослучайного алгоритма формирователем частотно временной матрицы 13 на приемной стороне были выбраны ортогональные частоты 10375 Гц и 13645 Гц. Однако на основе информации, которая поступила по результатам зондирования ионосферы, частоты попадают в интервал частотной корреляции замираний. В связи с чем, частота 13645 Гц отнесена программно-аппаратным комплексом к запрещенной и была заменена на частоту 13450 Гц (которая также ортогональна частоте 10375 Гц). После того, как был сформирован столбец частотно-временной матрицы, информация о частотах была передана по отдельному (служебному) каналу связи на формирователь частотно-временных матриц 13 на передающей стороне, для синхронизации частот приема и передачи. Далее радиообмен в течении рабочего интервала времени равному 10 секундам осуществлялся на указанных частотах. После чего формирователь частотно-временных матриц 13 выдал новые частоты 11325 Гц и 14625 Гц, ортогональные друг другу и не являющимися запрещенными. В итоге после 30 смен частот (5 минут - время стационарности канала связи), пришли обновленные данные по зондированию ионосферы, и для следующего периода стационарности интервал частотной корреляции изменился. Последующие 30 столбов частотно временной матрицы были сформированы с данным учетом. Пример сформированной частотно-временной матрицы представлен в таблице 1.

Таблица 1 Рабочие интервалы времени
(каждый интервал в соответствии с примером равен 10 секундам) 1 2 3 4 5 … 30 31 f₁ 10375 11325 11750 12340 15600 … 17540 13550 f₂ 13450 14625 14825 13450 10375 … 9580 14450

Таким образом, достигается заявленный технический результат повышение помехозащищенности за счет псевдослучайной перестройки рабочих частот; сохранение высокого уровня помехозащищенности также достигается за счет поступления информации по результатом зондирования ионосферы не реже чем раз за период стационарности ДКМВ канала связи и использованию в частотно-временной матрице ортогональных и незапрещенных частот.

Пример технической реализации заявленного способа

Источник данных 1 осуществляет передачу информации на расстояние R = 2000 км из северных широт в среднюю полосу из района размещения радиоприемников в район размещения радиопередатчиков. Система связи организована в соответствии с четырьмя передающими 6 и четырьмя приемными 7 антеннами. В районе размещения радиопередатчиков и районе размещения радиоприемников антенны, работающие на разных частотах f₁, f_2, разнесены друг от друга на расстояние в 150 м. Антенны, работающие на одинаковых частотах, разнесены друг от друга на расстояние 5 м. Для реализации функциональных элементов низкочастотного радиопередающего 2 и радиоприемного 11 трактов используется модернизированное модемное оборудование, разработанное АНО «ИИФ», реализованное на базе цифровых сигнальных процессоров отечественного производства со скоростью передачи 3,6 кбит/с и оригинальным протоколом связи с наращиваемой избыточностью помехоустойчивого кодирования и с адаптацией по скорости передачи данных во время сеанса связи. В качестве пространственно-временных кодеров 5 и декодеров 9 Аламоути, последовательно-параллельного 3 и параллельно-последовательного 10 преобразователей, а также формирователей частотно-временных матриц 13 на приемной и передающей сторонах - используются отдельные аппаратно-программные вычислительные устройства, интегрированные в низкочастотный радиопередающий и радиоприёмный тракты. В качестве передатчиков 5 используются типовые радиопередатчики ПКМ-5 с интегрированными усилителями мощности и синтезаторами частот; в качестве приемников 8 используются типовые радиоприёмники Р-160П (Р-170); в качестве предающих 6 и приемных 7 антенн используются наклонные дипольные антенны Д2х40. Интеграция низкочастотных и высокочастотных трактов реализована посредством программно-аппаратных устройств с аналогово-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями.

Список использованных источников

1. Пашинцев В.П., Коваль С.А., Цимбал В.А., Тоискин В.Е., Сенокосов М.А., Скорик А.Д. Структурно-многолучевой подход к разработке пространственно-временной модели одномодового декаметрового канала связи с диффузной многолучевостью. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2022. №6. Https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.6.3

2. Альперт Я.Л. Распространение радиоволн и ионосфера. М.: Изд-во АН СССР, 1960.

3. Алимов В.А. О стационарности процесса рассеяния коротких радиоволн в ионосфере // Известия вузов. Радиофизика. 1974. Т. 17. № 19.

4. МККР. Документы XI Пленарной ассамблеи. Осло, 1966. Т. 2 М.: Связь, 1969.

5. Чернов Ю.А. Специальные вопросы распространения радиоволн в сетях связи и радиовещания. М.: Техносфера, 2018. - 688 с. ISBN 978-5-94836-503-9.

Изобретение относится к системам беспроводной связи. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности функционирования MIMO канала связи с использованием псевдослучайной перестройки рабочих частот для обеспечения помехозащищенности. Он достигается тем, что предложен способ радиосвязи с технологией MIMO и псевдослучайной перестройкой рабочих частот, характеризующийся тем, что на передающей стороне формируют пары передающихся параллельно комплексных символов, элементы верхних и нижних строк передают через пространственно разнесенные антенны, элементы выходных матриц сформированных пар параллельно передающихся модулированных символов передают посредством поднесущих, частоты поднесущих формируют псевдослучайным образом, при этом информация об интервале частот корреляции замираний поступает на формирователь частотно-временной матрицы по результатам зондирования ионосферы с периодичностью, не реже чем длительность интервала стационарности декаметрового канала связи, ведение радиообмена на сформированных частотах поднесущих осуществляют в течение времени, не превышающего длительности интервала стационарности декаметрового канала связи, после чего осуществляют переход на вновь сформированные частоты поднесущих. 1 з.п.ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Способ радиосвязи с технологией MIMO и псевдослучайной перестройкой рабочих частот, характеризующийся тем, что на передающей стороне формируют пары передающихся параллельно комплексных символов, каждую сформированную пару символов кодируют пространственно-временным кодом Аламоути, формируя выходную матрицу, элементы верхних и нижних строк выходной матрицы из сформированной пары символов передают через пространственно-разнесенные антенны, элементы выходных матриц сформированных пар параллельно передающихся модулированных символов передают посредством различных поднесущих, частоты поднесущих формируют псевдослучайным образом на основании данных из столбцов частотно-временной матрицы, в которой частоты поднесущих сформированных пар параллельно передающихся модулированных символов ортогональны друг другу и не попадают в интервал частотной корреляции замираний, при этом информация об интервале частот корреляции замираний поступает на формирователь частотно-временной матрицы по результатам зондирования ионосферы с периодичностью, не реже чем длительность интервала стационарности декаметрового канала связи, ведение радиообмена на сформированных частотах поднесущих осуществляют в течение времени, не превышающего длительности интервала стационарности декаметрового канала связи, после чего осуществляют переход на вновь сформированные частоты поднесущих в соответствии со значениями в столбцах частотно-временной матрицы.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что длительность интервала стационарности декаметрового канала связи составляет от пяти минут до одного часа.