492_Nosov_V._I.__Metody_povyshenija_pomekhoustojchivosti_sistem_radiosvjazi_..

приемами, определяемыми как MIMO-технология) невозможно, так как в отношении требований к числу и способу использования радиоканалов они фактически пересекаются между собой (рис. 1.3) [2, 8, 11, 14].

Рис. 1.3. Методы пространственной обработки

Очевидно, что одними пространственными методами решить данную задачу невозможно. Поэтому была разработана так называемая BLAST-архитектура (Bell Labs Ayered Space Time), являющаяся разновидностью методов простран- ственно-временной обработки.

Приоритет в ее создании принадлежит одному из подразделений Lucent, исследовавшему увеличение скорости передачи в первую очередь в условиях отсутствия прямой видимости. По этой схеме различные символьные потоки одновременно пересылаются всеми передающими антеннами (т. е. с наложением по частоте и времени). Соответственно, суперпозиция таких сигналов принимается антеннами получателя и далее восстанавливается с помощью специальных алгоритмов цифровой обработки сигналов в параллельные исходные потоки данных. Но как это происходит, ведь на приемной стороне должна была бы образоваться «каша» из прямых и множества переотраженных сигналов?

21

Вообще, для реализации этого и других принципов пространственновременного кодирования (STC – Space-Time Coding) необходимым условием является наличие дополнительного признака, позволяющего различить сигналы между собой. Кроме частотной и пространственной (по направлению прихода) формы, эта информация может быть закодирована в специальный заголовок в излучаемой последовательности пакетов, определяться исходя из уровня и величины задержки прихода лучей (при сравнении между собой из-за разницы пройденного пути), поляризационных характеристик сигнала и множеством других способов. К сожалению, даже поверхностное описание применяемых на практике приемов требует привлечения довольно громоздкого логико-математического аппарата.

Сами же концепции и принципы, положенные в основу различных моделей улучшения параметров радиообмена, достаточно близки. Например, если некоторый набор входных данных представить в виде суммы множества (по количеству каналов) излучаемых потоков, то при безошибочном декодировании сигналов на выходе приемника теоретически можно получить суммарную скорость (в перерасчете на пару взаимодействующих устройств) во столько раз большую, сколько каналов такой системы на обеих сторонах нам удалось задействовать. Привлекательным выглядит «использование вреда на пользу», а именно – множественных переотражений, в результате которых сигналы приходят с некоторым запаздыванием после начала приема сигнала прямой видимости (если таковой в данных условиях принципиально возможен).

Таким образом, в зависимости от того, какой набор параметров беспроводной связи требуется улучшить, может быть несколько сценариев действий:

сформировать диаграммы направленности антенн передатчика и приемника таким образом, чтобы обеспечить максимальное усиление вдоль наиболее оптимального и стабильного пути распространения. В этом случае все слабые множественные сигналы вместе с посторонними излучениями воспринимаются как помехи, и в их направлении формируются «нули» диаграммы направленности. Результат – улучшение соотношения сигнал/шум и расширение зоны покрытия (максимальной дальности работы), особенно ощутимые, если одно из устройств находится в сложной помеховой обстановке;

передать один и тот же набор данных по нескольким возможным путям в направлении приемника. В этом случае на другом конце радиолинии потребуется не просто принять их сумму, но и когерентно сложить сигналы с целью получения максимального выигрыша;

маркировать разбитый на пакеты поток входных данных и направить каждый из них по своему пути на приемник для последующего восстановления. Антенной системе последнего потребуется приложить усилия, чтобы определить, откуда прием сигнала предпочтителен (т. е. синтезировать несколько требуемых

22

диаграмм направленности на прием), декодировать каждую из частей входного набора данных и затем, ориентируясь на маркеры, «собрать» его (рис. 1.4). Средняя (в пересчете на все принимаемые потоки) величина SNR может быть ниже, чем в случае однопоточного приема, однако, при достижении определенного запаса результирующая скорость передачи беспроводной сети существенно возрастет.

Очевидно, что эти три сценария (из огромного множества возможных) предполагают ту или иную степень обратной связи для реализации адаптивных алгоритмов обмена. В идеале необходимо, чтобы и сами методы пространственной (рис. 1.5) и временной обработки не столько конкурировали, сколько дополняли друг друга.

Сейчас же можно только мечтать и о применении различных алгоритмов в одном устройстве, способном, например, в зависимости от стандартов принимаемых им сетей, доступных в данном месте, одновременно работать в сотовой и Wi-Fi-сетях, гибко подбирать алгоритмы исходя из особенностей условий распространения радиоволн и складывающейся помеховой обстановки.

Некоторые производители оборудования (D-Link, Linksys, Netgear, Buffalo и много других) выпускают или анонсировали продукты, в которых реализованы те или иные принципы пространственной обработки. Но, ни в одном из них из-за дороговизны полной реализации не поддерживаются и не могут поддерживаться все известные разновидности технологии MIMO одновременно. Поэтому крайне важным практическим аспектом функционирования MIMO-систем является возможность их взаимодействия с многомиллионными устройствами и сетями 802.11b/g, имеющими всего по одному приемнику и передатчику (т. е. фактически в условиях SIMO/MISO). Третий, вариант приведенного выше сценария в данном случае неприменим, хотя повысить качественные показатели сети в первых двух моделях вполне реально [3].

23

Рис. 1.4. Многопоточный прием

На сегодняшний день, на рынке технологий MIMO присутствуют крупнейшие производители компонентов и систем цифровой радиосвязи, такие как: D- Link, LinkSys, Siemens, Cisco и др.

1.2 Техника OFDM и PBCC

1.2.1 Описание технологии OFDM

Изменение архитектуры беспроводных сетей не единственная актуальная задача на пути совершенствования WLAN. Так, например, для преодоления известных недостатков стандартов IEEE 802.11 должна быть переработана схема кодирования сигнала.

24

Рис. 1.5. Варианты MIMO технологий:

а) – пространственное мультиплексирование; б) – диаграммообразование; в) – организация множественного доступа

Здесь наиболее распространенные на сегодня стандарты – IEEE 802.11b и 802.11a. Они хотя и функционируют на разных частотах, все же используют один и тот же способ управления контролем среды. Различие упомянутых спецификаций кроется в использовании ими разных схем кодирования. В случае IEEE 802.11a это ортогональное частотное разделение с мультиплексированием (OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing), которое предполагает наличие нескольких несущих. IEEE 802.11b использует схему модуляции с помощью дополнительного кода (CCK – Complementary Code Keying) с одной несущей [8, 11].

OFDM подразумевает разделение основного потока бит на ряд несущих, или, другими словами, на ряд параллельных потоков данных с последующей их модуляцией. Для разделения полосы пропускания могут использоваться частотные фильтры. В таком случае данный метод будет называться частотным разделе-

нием с мультиплексированием (FDM – Frequency Division Multiplexing). Графиче-

ски данный принцип можно представить в виде нескольких импульсных всплесков мощности относительно частоты, где импульсы — это спектральные кривые для подканалов частотного разделения с мультиплексированием FDM. Использование частотных фильтров не спасает от интерференции. Разделение подканалов защитной полосой не является экономичным выходом из ситуации, так как за счет их введения сужается полоса передачи данных либо расширяются рамки функциональных частот. Поэтому используется разделение частотного диапазона на несущие методом преобразования Фурье. Данный метод дает несущие, спектры которых хотя и перекрываются, однако, на период передачи символа их получается неизменно целое число. Кроме того, компоновка и подбор параметров несущих таким образом, чтобы максимум каждой приходился на минимум другой, полно-

25

стью лишает их интерференционных явлений в рамках одного приемопередающего тракта. Что же касается случая с несколькими точками доступа, именно такая схема кодирования оказывается главным источником проблем из-за взаимных помех близлежащих точек доступа.

1.2.2 Описание алгоритма

Основные принципы и методы, в соответствии с которыми производится формирование линейного кода OFDM – это использование одного значения пропускной способности и скорости передачи данных для элементарных каналов всего частотного диапазона.

К достоинствам многочастотных алгоритмов относится обеспечение высоких скоростей передачи данных и способность нивелировать воздействие на сигнал помех в линии. Несомненным достоинством этих методов также является наличие для них стандартов ITU и ANSI.

Недостатком алгоритма OFDM можно считать невозможность избирательной адаптации пропускной способности элементарных каналов к частотным характеристикам линии [15].

1.2.3 Мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам

По сути, OFDM является частным случаем техники передачи данных с использованием множества несущих (MultiCarrier Modulation – MCM). Главный принцип MCM заключается в том, чтобы разделить основной поток бит на ряд параллельных подпотоков с низкой скоростью передачи и затем использовать их для модуляции нескольких несущих (поднесущих). При этом, вообще говоря, к каждой из поднесущих может быть применена любая техника модуляции. Общая структура MCM-системы представлена на рис. 1.6.

Традиционный метод разделения полосы пропускания заключается в применении частотных фильтров. Хорошо известным примером этой техники является мультиплексирование с разделением по частотам (Frequency Division Multiplexing – FDM). На рис. 1.7 представлены типичные спектральные кривые для трех подканалов FDM. Чтобы избежать межканальной интерференции, спектры подканалов должны быть разделены защитной полосой. Такое требование приводит к неэффективному использованию выделенного частотного диапазона.

26

Рис. 1.6. Структура MCM-системы

Рис. 1.7. Спектральные кривые для трех подканалов FDM

Применение преобразования Фурье позволяет разделить частотный диапазон на поднесущие, спектры которых перекрываются, но все остаются ортогональными. Ортогональность поднесущих обозначает, что каждая из них содержит целое число колебаний на период передачи символа. Как видно из рис. 1.8 спектральная кривая любой из поднесущих имеет нулевое значение для "центральной" частоты смежной. Именно эта особенность спектра поднесущих и обеспечивает отсутствие интерференции между ними [16].

27

Рис. 1.8. Спектральные кривые ортогональных поднесущих

1.2.4 Технология OFDM в стандартах IEEE 802.11а и HIPERLAN/2

Стандарт IEEE 802.11а и HIPERLAN/2 (таблица 1.1, рис. 1.9) предназначены для передачи данных со скоростью до 54 Мбит/сек в частотном диапазоне 5 ГГц (от 5,15 до 5,350 ГГц и от 5,725 до 5,825 ГГц). В США данный диапазон именуют диапазоном нелицензионной национальной информационной инфраструктуры

(UNII – Unlicensed National Information Infrastructure).

Табл. 1.1. Частотный диапазон стандарта IEEE 802.11a

28

В соответствии с правилами FCC частотный диапазон UNII разбит на три 100-мегагерцевых поддиапазона, различающихся ограничениями по максимальной мощности излучения. Низший диапазон (от 5,15 до 5,25 ГГц) предусматривает мощность всего 50 мВт, средний диапазон (от 5,25 до 5,35 ГГц) – 250 мВт, а верхний диапазон (от 5,725 до 5,825 ГГц) – 1 Вт.

Рис. 1.9. Разделение диапазона UNII на 12 частотных поддиапазонов

Использование трёх частотных поддиапазонов с общей шириной 300 МГц делает стандарт IEEE 802.11а самым, так сказать, широкополосным из семейства стандартов IEEE 802.11 и позволяет разбить весь частотный диапазон на 12 каналов, каждый из которых имеет ширину 20 МГц, восемь из которых лежат в 200мегагерцевом диапазоне от 5,15 до 5,35 ГГц, а остальные четыре канала – в 100мегагерцевом диапазоне от 5,725 до 5,825 ГГц (рис. 1.9).

29

При этом четыре верхних частотных канала, предусматривающие наибольшую мощность передачи, используются преимущественно для передачи сигналов вне помещений.

Предусмотренная протоколом IEEE 802.11а ширина канала 20 МГц вполне достаточна для организации высокоскоростной передачи. Использование же частот свыше 5 ГГц и ограничение мощности передачи приводят к возникновению ряда проблем при попытке организовать высокоскоростную передачу данных, и это необходимо учитывать при выборе метода кодирования данных. Напомним, что распространение любого сигнала неизбежно сопровождается его затуханием, причём величина затухания сигнала зависит как от расстояния от точки передачи, так и от частоты сигнала. При измерении в децибелах величины затухания сигнала (ослабление при распространении) пользуются формулой

где X – коэффициент ослабления, равный 20 для открытого пространства, d – расстояние от точки передачи, м, f – частота сигнала, Гц, с – скорость света, м/с.

Из данной формулы непосредственно вытекает, что с увеличением частоты передаваемого сигнала увеличивается и его затухание. Так, при распространении сигнала в открытом пространстве с частотой 2,4 ГГц он ослабевает на 60 дБ при удалении от источника на 10 м. Если же частота равна 5 ГГц, ослабевание сигнала при удалении на 10 м составит уже 66 дБ. Учитывая, что правила FCC диктуют использование существенно меньшей мощности излучения в нижних поддиапазонах UNII, чем в диапазоне ISM 2,4 ГГц, становится понятно, что использование более высоких частот в протоколе IEEE 802.11а приводит к несколько меньшему радиусу действия сети, чем в протоколе 802.11b.

Второй важный момент, который необходимо учитывать при использовании высокочастотных сигналов с большой частотной шириной канала, связан с возникновением эффекта многолучевой интерференции: в результате многократных отражений один и тот же сигнал может попадать в приёмник различными путями. Но различные пути распространения имеют и разные длины, а потому для различных путей распространения ослабление сигнала будет неодинаковым. Следовательно, в точке приёма результирующий сигнал представляет собой суперпозицию (интерференцию) многих сигналов с различными амплитудами и смещёнными относительно друг друга по времени, что эквивалентно сложению сигналов с разными фазами. Если предположить, что передатчик распространяет гармонический сигнал yin=Asin2πf·t с частотой несущей f и амплитудой A, то в приёмнике будет получен сигнал [13, 17]

30