Аналіз можливості побудови радіо мережі спеціального призначення з використанням технології WiMAX

 

Впливаючи на приймальні пристрої, завади імітують або спотворюють  спостережувані і реєстровані кінцевою апаратурою сигнали або зображення, затрудняють або виключають виділення  корисної інформації, ведення радіопереговорів, знижують їх дальність дії і якість роботи систем управління. Під дією завад радіозасоби і системи можуть припинити передачу інформації, незважаючи на їх повну справність і працездатність.

Для подавлення засобів одного і того ж класу, але з використанням різних видів сигналів і способів їх обробки, застосовуються різні види завад. Тому виникає задача підвищення ефективності військових СРЗ, що функціонують в умовах впливу навмисних завад.

Відповідно в системі  радіозв’язку для кожного виду завади необхідно вибрати спосіб передачі повідомлення, що забезпечує задані характеристики системи (наприклад, інший вид передачі, направлену антену, дублювання напряму  декількома видами радіозв’язку і  тощо).

 

1.3. Аналіз перспективних  технологій для побудови мережі  зв’язку спеціального призначення

 

Прийнятним варіантом  топології мобільного компонента військової ТКС є класична структура мережі типу “сітка”, представлена на рис. 1.2, де БСРД – базові станції радіодоступу, ОВЗ – опорні вузли зв’язку Принцип функціонування такої схеми побудови реалізує класичну схему стільникового радіозв’язку.

Подібним чином будуються  системи радіозв’язку тактичної  ланки управління (ТЛУ) США (MSE, SIGСNARS) та інших високорозвинених держав. Взагалі, перехід до такої топології означає впровадження в ТКС способу організації зв’язку з використанням опорної мережі.

На рис. 1.2 БСРД знаходяться на автомобілях. Заслуговує на увагу концепція створення стільникової інфраструктури з розміщенням БСРД на безпілотних літальних апаратах (БЛА), що виключає широке використання наземного обладнання. На БЛА можна, наприклад, організовувати резервні базові станції, які швидко відновлюватимуть зв’язок у тих районах, де БСРД були виведені з якихось причин з ладу.

 

Рис. 1.2. Топологія мережі типу “сітка”

 

На основі аналізу особливостей ведення бойових дій в сучасних умовах можна сформулювати головні  вимоги до перспективної СРРЗ СП:

– доставка адресату з необхідною якістю та в необхідній кількості  інформації, на основі якої формується уявлення про реальну обстановку та формуються адекватні рішення;

– достовірність і точність;

– своєчасність;

– завадозахищеність;

– виключення несанкціонованого  доступу;

– можливість зустрічної роботи з системами цивільного призначення.

Одним з головних напрямків  діяльності всіх управлінських, наукових та навчальних структур військ зв’язку  на найближчу перспективу повинен  стати пошук нових та дослідження  ефективності існуючих інфотелекомунікаційних технологій.

При розробці нових засобів  зв’язку спеціального призначення  можуть використовуватись технології і стандарти комерційних систем, що бурхливо розвиваються в даний  час. Йдеться не про пряме перенесення  цих систем у воєнну сферу, а про інтеграцію у існуючі воєнні системи там, де це можливо, з виконанням вимог до систем зв’язку військового призначення майбутнього.

У літературі в останні  роки широко розглядаються перспективні технології формування та обробки сигналів, що вже використовуються або можуть бути використані в телекомунікаційних системах, які проектуються, наприклад: OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex – мультиплексування рознесених ортогональних несучих), широкосмугові сигнали (ШСС), ППРЧ, надширокосмугові сигнали (НШСС), MIMO (Multi Input Multi Output – багато входів/багато виходів) та багато їх різновидів і технологій, які поєднують принципи декількох із наведених вище. Кожна із зазначених технологій потребує ретельного аналізу, дослідження на предмет можливості її використання при проектуванні засобів зв’язку МРМА. Усі сучасні технології широкосмугового доступу можна розділити за типом сигналів, що використовуються на ті, які застосовують прості сигнали – модуляція OFDM , повільна ППРЧ та такі, що застосовують складні сигнали – модуляції DSSS (Direct Spread Spectrum System – система з прямим розширенням спектра), швидка ППРЧ. Величина бази сигналу суттєво впливає на основні показники системи зв’язку (СЗ), зокрема на завадозахищеність. Очевидно, чим більше ступенів свободи матиме енергія сигналу, його структура та повідомлення, яке ним переноситься, тим вищою буде прихованість СЗ. Універсальним показником ступеня свободи сигналу є його база В_с. Тому від її величини, в першу чергу, і залежить прихованість системи зв’язку.

При розгляданні широкосмугових СЗ доцільно ввести поняття коефіцієнів широкосмуговості сигналу та каналу, що не залежить від смуги повідомленн:

β_c , β_к ,                                      (1.4)

де F_c, F_к – смуга частот сигналу та каналу відповідно, f_в, f_н – верхня та нижня частота спектра сигналу або каналу, f₀ – частота несучої (середня частота сигналу або каналу).

Системами надширокосмугового зв’язку вважають такі, у яких коефіцієнти широкосмуговості β_с або β_к, задовольняють наступній умові:

β_{с (к)} ≈ β_ф,

де β_ф – фізична межа широкосмуговості.

В цьому випадку основною принциповою відмінністю надширокосмугового зв’язку від широкосмугового є використання нестаціонарних сигналів.

Інший підхід у створенні  широкосмугових СЗ пов’язаний з використанням  надширокосмугових каналів зв’язку та вузькосмугових сигналів, коли весь діапазон ділиться на «субканали», які можуть використовуватися для передачі інформації одночасно, або почергово (випадково або невипадково). В таких широкосмугових СЗ коефіцієнт β_с складає долі відсотка, а коефіцієнт β_к може досягати величини, близької до одиниці. За такого підходу широкосмугові СЗ поєднують переваги вузькосмугових сигналів з деякими перевагами надширокосмугових каналів.

Ключовим моментом для існуючого етапу розвитку безпроводових мереж, включаючи майбутні WiMax мережі, є OFDM модуляція. Теоретичні основи OFDM модуляції були закладені в п'ятдесятих роках минулого століття .

Р. Галлагер оцінював теоретичну пропускну здатність Шеннона для каналу зі змінною межсимвольною інтерференцією і адитивним гауссовським білим шумом. Такий канал може служити моделлю реальних радіоканалів з завмираннями, взаємними завадами і шумами. Було показано, що при передачі по такому каналу багатовимірними сигналами з N послідовних відліків, розділених L захисними символами, де L не менше пам'яті каналу, подальшому перетворенню цих сигналів в ортогональному базисі (наприклад, Фур'є) з урахуванням характеристик каналу, вихідний канал перетвориться до наступного увазі.

Вихідні канал віртуально представляється у вигляді N паралельних  каналів з адитивним гауссовским шумом з різними відносинами сигнал / шум, але без пам'яті (без міжсимвольний інтерференції). Природно, таке перетворення вимагає точного знання імпульсного відгуку каналу або його частотної характеристики. Таким чином, Р. Галлагер обчислював пропускну здатність вихідного каналу як середнє арифметичне паралельних каналів без пам'яті.

Істотно пізніше, з розвитком  цифрового елементної бази і появою можливості бути реалізованим навіть найнеймовірніших теоретичних ідей, була побудована так звана ступінчаста  конструкція , суть якої полягає в  наступному. Після ортогонального перетворення паралельні канали розбиваються на підгрупи з близькими один до одного відносинами  сигнал / шум. Сигнали усередині однієї і тієї ж підгрупи модулюються  квадратурної амплітудної модуляцією (КАМ) однієї і тієї ж кратності. Так, наприклад, може виявитися N1 сигналів з модуляцією КАМ2, N2 сигналів з модуляцією КАМ4, N3 сигналів з модуляцією КАМ16 і  т. д. Природно N1 + N2 + N3 + ... = N. Далі єдина  конструкція з N паралельних каналів  кодується єдиним коригувальним  кодом, виправляє помилки. Якщо N досить велике, коригуючий код і його алгоритм декодування достатньо оптимальні, а канал вимірюється точно, і швидко відслідковуються зміни каналу, то реалізується оптимальна схема з відмінністю від пропускної здатності Шеннона на частки дБ.

Основні принципи розробки та використання WiMax систем: наявність OFDM конструкції; адаптивне вимірювання  характеристик каналу; наявність  ступінчастої сигнально-кодової конструкції  з різними видами КАМ і коригувальнимих кодів; наявність протоколу з "якістю обслуговування" (QoS).

ППРЧ. В техніці сигналів ППРЧ розрізняють швидку та повільну ППРЧ. При швидкій ППРЧ кожний символ повідомлення представляється за допомогою декількох частотних елементів сигналу, а при повільній кожний частотний елемент переносить більше одного символу повідомлення. Звичайно, апаратурна реалізація радіоканалу з повільною ППРЧ набагато простіша, але швидка ППРЧ має кращу завадостійкість.

Найпростіший вид модуляції  сигналу з ППРЧ – двійкова частотна маніпуляція (ППРЧ/ЧМ-2). При роботі в умовах АБГШ кращу завадостійкість забезпечує багатопозиційна ЧМ (ППРЧ/ЧМ-М), але при цьому ускладнюється апаратура і зростає смуга частот, яку займає кожен канал.

На практиці в системах з ППРЧ використовують М-позиційну модуляцію з базою не більше 32. При більших значеннях М приріст ефективності виявляється незначним, а складність технічної реалізації зростає.

Таким чином, в СРРЗ СП доцільно використовувати швидку ППРЧ з базою М і рознесенням символів по частоті у всьому доступному діапазоні частот лінії зв’язку.

Надширокосмугові сигнали. Початковою ідеєю для реалізації надширокосмугового зв’язку була ідея використання в якості носія інформації надкоротких імпульсів (при смузі частот 7,5 ГГц довжина імпульсу близько 150 пс). Згідно цієї ідеї кожному імпульсу відповідає один біт інформації, що робить обробку сигналу в приймачі дуже простою. Ряд пропозицій по використанню цієї технології був внесений при розробці стандарту IEEE 802.15.3a.

Перехід до сигналів з великою  базою міститься в тій або  іншій формі в більшості пропозицій за стандартом IEEE 802.15.4a. Проте при цьому початкова ідея простоти імпульсних систем починає розмиватися.

Як несучі для систем з  використанням НШСС можна застосувати  функції Уолша. Для передачі інформації необхідно промодулювати несучу Уолша у відповідності до повідомлення, що передається. Для сигналів з цифровою несучою можна застосовувати усі види модуляції, що і для сигналів з гармонійними несучими. Однак, оскільки сигнали Уолша мають чотири незалежних параметри, то при їх застосуванні в якості інформаційних параметрів можлива ще й кодова маніпуляція (за номером несучої).

Хаотичні сигнали мають  ряд властивостей, які роблять  їх привабливими для використання в  локальному зв’язку: природна надширокосмуговість, що забезпечує простоту генерації і модуляції сигналу в порівнянні з традиційними системами розширення спектра; стійкість до ефекту загасання сигналу в середовищах з багатопроменевим розповсюдженням, типових для житлових приміщень, офісів і індустріальних споруд; можливість використання некогерентного прийому.

Важлива проблема, яка стримує  широке впровадження хаотичних сигналів в телекомунікаційних системах –  недостатня стійкість роботи в умовах шумів та інших спотворень в каналах  зв’язку, однак проводяться дослідження  цієї технології на предмет можливості використання в системах зв’язку  для підвищення завадостійкості  та швидкості передачі інформації.

MIMO. Великі надії на підвищення швидкості в мережах безпроводового доступу до “Інтернету” та системах рухомого радіозв’язку взагалі покладаються на технологію MIMO і ряд її сучасних модифікацій. І хоча на сьогоднішній день технічні втілення MIMO-ідеї поки що не завжди прискорюють трафік на невеликих відстанях зв’язку, вже доведено, що на великих відстанях вони дуже ефективні. Технологія МІМО, на відміну від розглянутих вище, не є технологією широкосмугового доступу, це скоріше спосіб передачі інформації.

Ідея технології MIMO подібна до добре відомого принципу рознесеного прийому, коли в системі зв’язку створюються декілька некорельованих (незалежних) копій сигналу на прийомі. Класичний підхід до реалізації методу рознесення полягає у використанні одного передавача та декількох рознесених у просторі приймальних антен з подальшою обробкою сигналів з метою підвищення якості приймання . З точки зору теорії інформації рознесення еквівалентне введенню в систему зв’язку просторової надлишковості.

В таких системах, зазвичай, реалізується просторове мультиплексування: потік даних на передачі розбивається на два або більше субпотоків, кожний з яких передається одночасно з іншими з різних антен, наприклад, як показано на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Принцип просторового мультиплексування MIMO

 

Багатоелементні антенні  пристрої забезпечують:

розширення зони покриття радіосигналами і згладжування в  ній “мертвих зон”;

використання декількох  незалежних шляхів розповсюдження сигналу, що підвищує ймовірність роботи по трасах, на яких менший вплив завмирань;

підвищення пропускної спроможності ліній зв’язку за рахунок формування фізично різних каналів.

В системах MIMO можуть застосовуватись наступні підходи розділення сигналів: просторово-часове, просторово-частотне, просторово-поляризаційне, ортогональне кодування, а також розділення за напрямком приходу променя в приймальну антену.

Представляє інтерес поєднання  технологій MIMO та OFDM для побудови високоефективної системи зв’язку в каналах з багатопроменевістю. Очевидно, що системи OFDM по природі своїй пристосовані до застосування технології МІМО, причому кількома шляхами. Техніка MIMO-OFDM передбачена стандартами ІЕЕЕ-802.16, проектом ІЕЕЕ-802.11n та рядом інших перспективних розробок в області безпровідних мереж передачі інформації.