СПОСОБ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ПО РАДИОКАНАЛУ МИЛЛИМЕТРОВОГО И/ИЛИ СУБМИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА Российский патент 2025 года по МПК H04B7/06 H04W74/833 

Настоящее изобретение относится к системам телекоммуникации и связи и может быть использовано для передачи дискретных данных по беспроводному радиоканалу связи.

Известен способ беспроводной передачи данных по радиоканалу связи с мультипликативными помехами, включающий передачу данных от передатчика к приемнику с применением помехоустойчивого кодирования (см. Дж. Прокис.«Цифровая связь», Москва, «Радио и связь», 2000 [1]).

Недостаток известного способа состоит в том, что применение помехоустойчивого кодирования предполагает использование дополнительных бит данных для возможности исправления ошибок (см. Дж. Кларк-мл., Дж. Кейн. «Кодирование с исправлением ошибок в системах цифровой связи», Москва, «Радио и связь», 1987 [2]). Кроме того, для эффективного применения помехоустойчивого кодирования необходима трансформация данных с использованием безубыточного перемежающего кода для декорреляции ошибок (преобразования групповых ошибок в одиночные), что, в свою очередь, приводит к дополнительному возрастанию как аппаратной, так и алгоритмической сложности обработки сигналов.

Известный из [1] способ принят в качестве ближайшего аналога заявленного способа.

Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, состоит в создании способа передачи данных, обеспечивающего возможность эффективной беспроводной передачи данных по радиоканалу миллиметрового и/или субмиллиметрового диапазона с рэлеевскими амплитудными флуктуациями с малой вероятностью ошибки.

При этом достигается технический результат, заключающийся в повышении помехоустойчивости передачи данных при одновременном снижении энергопотребления передатчика, что особенно актуально для автономных систем связи, функционирующих длительное время в условиях ограниченного энергоресурса, а также упрощении алгоритма обработки данных.

Техническая проблема решается, а указанный технический результат достигается в результате создания способа беспроводной передачи данных по радиоканалу миллиметрового и/или субмиллиметрового диапазона, включающего передачу данных с постоянной скоростью от передатчика к приемнику с разнесенным приемом при оптимальном сложении ветвей разнесения М, в моменты времени, когда γ>γ_t, где γ и γ_t - соответственно, мгновенное и пороговое значение отношения сигнал/шум, при этом γ_t определяют из математического выражения: γ=k⋅γ₀, где γ₀ - среднее значение отношения сигнал/шум, k - параметр кратности, значение которого выбирают из диапазона 2≤k≤4 при М=4, а значение угла места антенны приемника ϕ выбирают из условия: 90°≤ϕ≤14,3°.

На фиг. 1 представлены зависимости дисперсий флуктуации амплитуды сигнала в канале с амплитудными флуктуациями от частоты сигнала при различных углах места антенны (длины пути сигнала по тропосфере).

На фиг. 2 представлены зависимости коэффициентов использования радиолинии от k при различном числе ветвей разнесения М.

На фиг. 3 представлены зависимости вероятностей ошибок комплексирования прерывистой связи с разнесенным приемом при оптимальном сложении ветвей разнесения М от k при М=1 (нет разнесения) и М=4 и среднем значении отношения сигнал/шум (далее - ОСШ) в отсутствии прерывистой передачи данных 11 дБ.

Заявленный способ реализуют следующим образом.

Известно, что при распространении в турбулентной атмосфере (тропосфере) электромагнитные волны миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов испытывают флуктуации амплитуды (см. Рытов С.М., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. «Введение в статистическую радиофизику», часть II. Случайные поля, Москва, «Наука», 1978 [3]).

Установлено, что плотность вероятности р_М (γ) ОСШ сигналов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов для атмосферного канала при определенных длинах волн (частотах) и длинах пути радиосигнала по тропосфере, когда дисперсия флуктуации амплитуды сигнала σ² находится в пределах от 1 до 2, описывается рэлеевским законом для разнесенного приема с оптимальным сложением ветвей разнесения М (см. J. Parikh, V.K. Jain. Study on Statistical Models of Atmospheric Channel for FSO Communication Link, Institute of Technology, Nirma University, Aahmedabad, 08-10 December, 2011, pp. 1-7 [4]; Уильям К. Ли. Техника подвижных систем связи, Москва, «Радио и связь», 1985 [5]):

где М - число ветвей разнесения;

γ и γ₀ - соответственно, мгновенное и среднее значение ОСШ на входе приемника.

В свою очередь, дисперсия флуктуаций амплитуды сигнала σ² при передаче данных из точки Лагранжа (L₂) или гелиоцентрической орбиты, с расстояния 1,5 млн. км, когда радиус первой зоны Френеля существенно больше внешнего масштаба турбулентности, будет определятся фраунгоферовой дифракцией и линейно возрастать с длиной пути электромагнитной волны по каналу с флуктуациями амплитуды (по тропосферному каналу) (см. Андрианов М.Н., Костенко В.И., Лихачев С.Ф. «Влияние тропосферы на пропускную способность линии связи «космический аппарат - наземная станция слежения», 2019, т. 57, №4 [6]):

где С_ε - структурная постоянная, составляет примерно 0,5⋅10^-6 м ;

L₀ - внешний масштаб турбулентности, составляет примерно 10 м в приземистом слое тропосферы;

k - волновое число (k=2π/λ, где λ - длина волны);

z - длина пути электромагнитной волны по каналу с флуктуациями амплитуды.

Установлено, что при изменении угла места антенны ϕ от 90° (зенит) до 14,3°, соответственно, длины пути радиосигнала по тропосфере от 10 до 40 км, амплитуды радиосигнала флуктуируют по рэлеевскому закону в диапазоне частот от 175 до 500 ГГц. Следует отметить, что при дальнейшем (менее 14,3°) уменьшении угла места антенны (увеличении длины пути радиосигнала по тропосфере) существенно возрастает затухание сигнала, что приводит к значительному снижению ОСШ на входе приемника.

Был определен коэффициент использования радиолинии η, определяющий соотношение между временем передачи сигнала и общим временем сеанса связи (3) при различном числе ветвей разнесения М (см. Градштейн И.С, Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений, Москва, «Государственное издательство физико-математической литературы», 1963 [7]):

где - неполная гамма-функция;

t - независимая переменная.

Из математического выражения (3) следует, что коэффициент использования радиолинии η зависит от числа ветвей разнесения М и отношения порогового значения ОСШ γ_t к среднему значению ОСШ γ₀. Кроме того, из математического выражения (3) следует, что коэффициент использования радиолинии η не зависим от среднего значения ОСШ в случаях, когда пороговое значение ОСШ γ_t кратно его среднему значению γ₀.

Параметр кратности k, соответственно, равен .

Зависимость коэффициента использования радиолинии η от параметра кратности k определяется выражением:

Как показывает фиг. 2, в соответствии с выражением (4), с возрастанием параметра кратности k снижается коэффициент использования радиолинии η и, соответственно, энергия бита на выходе передатчика. При этом возрастает скорость передачи данных, а энергозатраты передатчика снижаются, поскольку он функционирует не все время сеанса связи.

Усреднением вероятностей ошибок в гауссовом шуме по статистике рэлеевских замираний в тропосферном канале (см. [3-5]) при фиксированной мощности передатчика были определены вероятности ошибок Р_М(k) для когерентного приема двух- и четырехкратных фазоманипулированных сигналов, соответственно, ФМ-2/ФМ-4, зависящие от k:

где - дополнение функции ошибок;

х - независимая переменная;

α=1 (для фазоманипулированных сигналов).

Вначале, при возрастании k, снижение энергозатрат передатчика пропорционально коэффициенту использования радиолинии η. Вместе с тем, сигналы передаются в наиболее благоприятные моменты времени для канала связи. Таким образом, повышение качества связи превалирует над снижением энергии бита на выходе передатчика. Поэтому энергия бита сигнала и, соответственно, ОСШ на входе приемника возрастают, вероятность ошибки Р_М(k) в соответствии с (5) (см. фиг. 3) снижается, соответственно, возрастает помехоустойчивость передачи данных. Затем, при дальнейшем возрастании k, снижение энергии бита на выходе передатчика уже не может компенсироваться благоприятными условиями передачи. Наступает оптимум, когда ОСШ на входе приемника максимально, а вероятность ошибки Р_М(k) достигает минимума и слабо зависит от k. На практике это соответствует диапазону 2≤k≤4 при М=4 (см. фиг. 3). Минимальное значение вероятности ошибки исключает необходимость дополнительного применения помехоустойчивого кодирования, снижая при этом сложность функционирования аппаратуры. При еще большем возрастании k уменьшение энергии бита начинает все больше превалировать над повышением качества связи, энергия сигнала и, соответственно, ОСШ на входе приемника снижаются, вероятность ошибки Р_М(k) неуклонно возрастает, соответственно падает помехоустойчивость передачи данных. Следует отметить, что снижение вероятности ошибки более существенно, и минимальное значение вероятности достигает меньшего значения с ростом числа ветвей разнесения М. Однако при этом снижение энергозатрат менее значимо, поскольку с ростом М возрастает коэффициент использования радиолинии η, данные передаются в большем временном промежутке.

Постоянство скорости передачи данных обеспечивает постоянство спектра сигналов. Это необходимо для практического применения передачи данных в условиях требований электромагнитной совместимости (ЭМС).

Изобретение относится к системам телекоммуникации и связи и может быть использовано для передачи дискретных данных по беспроводному радиоканалу связи. Техническим результатом изобретения является повышение помехоустойчивости передачи данных при одновременном снижении энергопотребления передатчика. Способ беспроводной передачи данных по радиоканалу миллиметрового и/или субмиллиметрового диапазонов заключается в передаче данных, передаются с постоянной скоростью от передатчика к приемнику с разнесенным приемом при оптимальном сложении ветвей разнесения М в моменты времени, когда γ>γ_t, где γ и γ_t - соответственно, мгновенное и пороговое значение отношения сигнал/шум. γ_t определяют из математического выражения: γ_t=k⋅γ₀, где γ₀ - среднее значение отношения сигнал/шум, k - параметр кратности, значение которого выбирают из условия: 2≤k≤4 при числе ветвей разнесения М=4. Значение угла места антенны приемника ϕ выбирают из условия: 90°≥ϕ≥14,3°. 3 ил.

Способ беспроводной передачи данных по радиоканалу миллиметрового и/или субмиллиметрового диапазонов, включающий в себя передачу данных с постоянной скоростью от передатчика к приемнику с разнесенным приемом при оптимальном сложении ветвей разнесения в моменты времени, когда γ>γ_t, где γ и γ_t - соответственно, мгновенное и пороговое значение отношения сигнал/шум, при этом γ_t определяют из математического выражения: γ_t=k⋅γ₀, где γ₀ - среднее значение отношения сигнал/шум, k - параметр кратности, значение которого выбирают из условия: 2≤k≤4 при числе ветвей разнесения, равном 4, а значение угла места антенны приемника ϕ выбирают из условия: 90°≥ϕ≥14,3°.