Способ беспроводной передачи информации по многолучевому каналу и система для его осуществления

Изобретение относится к передаче информации по многолучевому каналу. Достигаемым техническим результатом является упрощение способа и устройства путем использования в качестве несущего сигнала фрагментов хаотического сигнала. Для этого передачу информации осуществляют с помощью импульсов, в качестве которых использованы фрагменты хаотического сигнала, сформированного в первой нелинейной динамической системе в заранее заданной полосе частот путем соответствующего выбора параметров первой нелинейной динамической системы, а прием каждого импульса переданной последовательности импульсов осуществляют в виде смеси некоррелированных хаотических сигналов, прошедших по разным лучам многолучевого канала, суммируют мощности некоррелированных хаотических сигналов в каждый момент времени с помощью второй нелинейной динамической системы, согласованной по своему поведению с первой нелинейной динамической системой, и находят значения энергии каждого принимаемого импульса на интервале времени приема, согласованном с длительностью импульсов и с характерной длиной импульсной переходной характеристики многолучевого канала. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Область, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к передаче информации по многолучевому каналу и, в частности, к способу и системе для беспроводной передачи информации по многолучевому каналу.

Существующий уровень техники

В настоящее время в системах беспроводной связи проблемой является многолучевое распространение электромагнитных волн. Для борьбы с последствиями этого явления применяются разные меры.

Использование в передатчике синусоидального сигнала обеспечивает постоянство частоты принимаемого сигнала, т.к. сложение нескольких синусоид одной и той же частоты дает тоже синусоиду. Однако амплитуда суммарной синусоиды при многолучевом распространении может неконтролируемо меняться в широких пределах (практически до нуля).

Широкополосный (сверхширокополосный) сигнал при многолучевом распространении испытывает частотные искажения (например, «выпадение» отдельных частот), но никогда не пропадает полностью. Однако помимо частотных искажений в многолучевом канале имеются и временные искажения за счет разности хода лучей по разным трактам многолучевого канала. При кодировании информации моментами излучения радиоимпульсов эти радиоимпульсы после прохождения по радиоканалу растягиваются, расплываются, «наползая» на позиции соседних радиоимпульсов. Это явление именуется межсимвольной интерференцией и приводит к изменению энергетики канала связи и к ошибкам приема даже в отсутствие шума в канале связи. С этим явлением борются введением так называемых защитных интервалов между импульсами, длительность которых выбирают так, чтобы «хвосты» растягивающихся радиоимпульсов заканчивались в защитных интервалах, а не наползали на соседние импульсы.

Канал передачи для многолучевого распространения можно рассматриваться как фильтр, искажения в котором, в принципе, устранимы с помощью так называемого эквалайзера канала. Но на сверхвысоких частотах (СВЧ) это практически неосуществимо вследствие необходимости оцифровывать (дискретизировать) сигнал, частота которого лежит в гигагерцовой области.

Прием сигнала, прошедшего по многолучевому каналу, можно осуществлять с помощью оптимального корреляционного RAKE-приемника. Такой приемник имеет входы по числу приходящих из канала лучей (rake - по-английски «грабли»), и каждый луч подвергается корреляционной обработке, чтобы суммарный сигнал получился оптимальным. Такой приемник эффективно работает с синусоидальными сигналами, но является весьма сложным. К тому же на СВЧ технически весьма сложно манипулировать фазами сигналов, что необходимо для подстройки опорных сигналов в корреляционной обработке.

Известен способ беспроводной передачи информации по многолучевому каналу, осуществляемый реализуемый системой, в которой осуществляется автокорреляционная обработка импульсов, имеющих на передаче заданную ширину, как для обнаружения перекрытия принимаемых по разным лучам импульсов, так и для определения наличия многих лучей по разнице в приходе импульсов (выложенная заявка Японии №10-197618, 31.07.1998). Эта система достаточно сложна, особенно если импульсы на передаче имеют ширину порядка микросекунд, а задержки при многолучевом распространении относительно малы (доли микросекунды).

Наиболее близким аналогом способа по настоящему изобретению является способ беспроводной передачи информации по многолучевому каналу, заключающийся в том, что на передающей стороне: формируют информационный сигнал в виде последовательности импульсов заданной длительности, спектр мощности которых сосредоточен в заранее заданной полосе частот, а передаваемая информация кодируется по заранее заданному закону; формируют, после передачи каждого импульса последовательности, защитный интервал, длительность которого соответствует характерной длине импульсной переходной характеристики многолучевого канала; передают последовательность импульсов с защитными интервалами после каждого импульса по многолучевому каналу с передающей на приемную сторону; на приемной стороне: осуществляют прием последовательности импульсов, поступающей через многолучевой канал (патент США №5974078, 26.10.1999).

Из того же патента США №5974078 известна система для осуществления этого способа, содержащая на передающей стороне источник информации, соединенный с первым входом модулятора, и генератор несущего колебания, соединенный со вторым входом упомянутого модулятора, выход которого подключен ко входу канала связи, а на приемной стороне - демодулятор. Недостатком этого аналога также является сложность.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение направлено на преодоление указанных недостатков и на создание способа и системы связи, использующих простую обработку поступающих импульсов и в то же время способных работать в многолучевых каналах.

С этой целью в способе беспроводной передачи информации по многолучевому каналу - в соответствии с настоящим изобретением - передачу информации осуществляют с помощью импульсов, в качестве которых использованы фрагменты хаотического сигнала, сформированного в первой нелинейной динамической системе в заранее заданной полосе частот путем соответствующего выбора параметров первой нелинейной динамической системы, а прием каждого импульса переданной последовательности импульсов осуществляют в виде смеси некоррелированных хаотических сигналов, прошедших по разным лучам многолучевого канала, суммируют мощности некоррелированных хаотических сигналов в каждый момент времени с помощью второй нелинейной динамической системы, согласованной по своему поведению с первой нелинейной динамической системой, и находят значения энергии каждого принимаемого импульса на интервале времени приема, согласованном с длительностью импульсов и с характерной длиной импульсной переходной характеристики многолучевого канала.

В системе для беспроводной передачи информации по многолучевому каналу, содержащей на передающей стороне источник информации, соединенный с первым входом модулятора, и генератор несущего колебания, соединенный со вторым входом модулятора, выход которого подключен ко входу канала связи, а на приемной стороне демодулятор, - в соответствии с настоящим изобретением - на передающей стороне генератор несущего колебания выполнен в виде генератора хаотического сигнала на основе нелинейной динамической системы, а на приемной стороне демодулятор выполнен в виде соединенных последовательно сумматора мощности, вход которого подключен к выходу канала связи, блока суммирования энергии сигнала и решающего устройства, выход которого является выходом демодулятора, при этом сумматор мощности и блок определения энергии сигнала выполнены с возможностью реализовывать функции нелинейной динамической системы, согласованной по своему поведению с нелинейной динамической системой передающей стороны.

Краткое описание чертежей

На нижеследующих чертежах и в тексте дальнейшего описания одинаковыми ссылочными позициями обозначены те же самые или сходные элементы.

Фиг.1 изображает блок-схему системы беспроводной связи с многолучевым каналом по настоящему изобретению.

Фиг.2 изображает блок-схему, поясняющую выбор длительностей импульсов и защитных интервалов в системе беспроводной связи с многолучевым каналом по настоящему изобретению.

Фиг.3 поясняет формирование импульсной переходной характеристики в системе беспроводной связи с многолучевым каналом.

Фиг.4 иллюстрирует модуляцию хаотического сигнала информационным сигналом.

Фиг.5 демонстрирует импульсную переходную характеристику многолучевого канала связи.

Фиг.6 представляет автокорреляционные функции хаотического (а) и синусоидального (b) импульсов одинаковой длительности.

Фиг.7 иллюстрирует механизм некогерентного сложения сигналов по мощности на приемной стороне системы беспроводной связи по настоящему изобретению после прохождения многолучевого канала.

Фиг.8 иллюстрирует выделение информационной последовательности на приемной стороне системы беспроводной связи по настоящему изобретению.

Подробное описание изобретения

Представленная на фиг.1 блок-схема системы беспроводной связи с многолучевым каналом иллюстрирует общий принцип построения такой системы по настоящему изобретению.

В системе для беспроводной передачи информации по многолучевому каналу передающая сторона содержит генератор 1 хаотических сигналов, блок 2 задания длительностей, модулятор 3 и информационный источник 4. Выходы генератора 1 хаотических сигналов, блока 2 выбора длительностей и информационного источника 4 соединены с соответствующими входами модулятора 3, выход которого, являющийся выходом передающей стороны, подключен ко входу многолучевого канала 5. Выход многолучевого канала 5 соединен со входом приемной стороны, содержащей сумматор 6, блок 7 определения энергии сигнала и решающее устройство 8.

Генератор 1 хаотических сигналов предназначен для формирования несущего колебания. Он выполнен на основе нелинейной динамической системы, например, как раскрыто в патенте РФ №2185032 (опубл. 10.07.2002). Модулятор 3 в простейшем случае представляет собой ключ, открывание которого осуществляется двоичным информационным сигналом с информационного источника 4, а закрывание происходит по сигналу с блока 2 задания длительностей, выполнение которого описано далее.

Многолучевой канал 5 представляет собой средства, необходимые для передачи и приема радио- или оптических сигналов - усилители, антенны, фильтры и т.п., традиционные для любых систем беспроводной связи. Кроме того, в многолучевой канал 5 входят также все тракты, по которым переданный сигнал проходит к приемной стороне системы.

На приемной стороне сумматор 6 мощности, вход которого является входом приемной стороны, блок 7 определения энергии сигнала и решающее устройство 8 соединены последовательно. Сумматор 6 и блок 7 определения энергии сигнала могут быть в простейшем случае реализованы в виде соединенных последовательно квадратичного детектора и интегратора. Решающее устройство 8 может быть реализовано, например, в виде цифрового или аналогового порогового устройства. Выход решающего устройства 8 является выходом приемной стороны.

Выполнение и функционирование блока 2 задания длительностей описывается далее.

Система по фиг.1 реализует заявленный способ следующим образом.

Генератор 1 хаотических сигналов формирует несущее колебание, представляющее собой хаотический сигнал, который подается на вход модулятора 3. Из информационного источника 4 поступает двоичный информационный сигнал, который осуществляет кодирование хаотического сигнала с генератора 1. Формирование каждого импульса в модуляторе 3, начинаемое соответствующим сигналом с информационного источника 4, заканчивается по сигналу с блока 2 задания длительностей.

В блоке 2 задания длительностей осуществляется выбор длительностей импульсов и защитных интервалов между импульсами, которые используют для формирования последовательности импульсов. Блок 2 задания длительностей содержит информацию о возможных длительностях импульсов и защитных интервалов. Эту информацию получают в результате ряда операций, последовательность которых поясняется с помощью фиг.2, где обозначены следующие блоки, отсутствующие на фиг.1: блок 9 формирования тестового сигнала, приемник 10 тестового сигнала и блок 11 оценки принятого сигнала.

Сначала в блоке 9 формирования тестового сигнала формируют тестовый (пилотный) сигнал, например, в виде очень узкого импульса (δ-функция), который подают на вход многолучевого канала 5. В приемнике 10 тестового сигнала, подключенном к выходу многолучевого канала 5, принимают сигнал, который в этом случае представляет собой оценку импульсной переходной характеристики (ИПХ) многолучевого канала 5. На фиг.3 показаны импульсные переходные характеристики для случая свободного пространства (а) и многолучевого канала (b). В общем случае ИПХ представляет собой набор сигналов, пришедших на приемник, представленных каждый своей амплитудой и удалением от начала координат ИПХ на время, определяемое длиной того луча, по которому этот сигнал приходит на приемник. Отрицательные значения отдельных откликов соответствуют поступлению сигнала на приемник в противофазе по отношению к первому по времени отклику. В случае оцифрованных сигналов ИПХ получают передачей тестового импульса, представленного одним отсчетом единичной амплитуды.

На основании оценки найденной ИПХ в блоке 11 оценки принятого сигнала, подключенном к выходу приемника 10 тестового сигнала, выбирают длительности передаваемых импульсов и защитных интервалов, которые будут использоваться на передающей стороне, и сообщают выбранные величины в блок 2 задания длительностей. Блок 11 оценки принятого сигнала может представлять собой компьютер, процессор, контроллер, запрограммированные на выбор длительностей импульсов и защитных интервалов: например, длительность импульсов выбирается равной интервалу времени, в который попадают по меньшей мере все отклики с амплитудой не меньше половины амплитуды первого отклика, а защитный интервал выбирается равным оставшейся части периода повторения импульсов. Понятно, что критерии выбора могут меняться в зависимости от особенностей конкретных многолучевых каналов. Блок 2 задания длительностей может быть выполнен в виде компьютера, процессора, контроллера, в памяти которых хранятся выбранные блоком 11 оценки принятого сигнала длительности импульсов и защитных интервалов, причем компьютер, процессор, контроллер запрограммированы на выдачу сигнала закрывания модулятора 3 (фиг.1) по истечении длительности импульса и на снятие этого сигнала по истечении длительности защитного интервала. В результате получается сигнал, показанный на фиг.4а.

Этот сигнал подается на модулятор 3, куда поступает также хаотический сигнал с генератора 1 (фиг.4b). Формируемая таким образом в модуляторе 3 последовательность импульсных сигналов с хаотической несущей поступает в многолучевой канал 5, т.е. передается по эфиру на приемную сторону (фиг.4с).

ИПХ реальных широкополосных каналов связи является очень сложной и протяженной. Полную длительность ИПХ отсчитывают от момента прихода в приемник сигнала (отклика) первого луча до момента прихода последнего. Однако, чем больше задержка луча по отношению к первому лучу, тем большее, в среднем, затухание испытывает этот луч в канале и тем меньше энергии исходного сигнала он приносит. Поэтому «хвост» сигнала очень слаб, и им можно в практических целях пренебречь. На фиг.5 показаны фрагменты ИПХ, соответствующие интервалам времени, за которые приемник получает 90% или 99% энергии тестового импульса. В зависимости от задачи под характерной длительностью ИПХ понимают ту часть ИПХ, которая соответствует переносу заранее определенной части энергии единичного импульса, например, 99% энергии.

Заметим, что характерную длительность ИПХ можно оценить, передавая не только сигналы в виде очень коротких импульсов, но и другие сигналы, включая хаотические радиоимпульсы.

При выборе длительности импульса в последовательности учитывают также структуру автокорреляционной функции хаотического сигнала (фиг.6а) и выбирают длительность импульса больше времени автокорреляции хаотического сигнала. Для сравнения на фиг.6b приведена автокорреляционная функция синусоидального сигнала той же длительности, что и хаотический сигнал.

На приемной стороне сумматор 6 мощности осуществляет суммирование мощности сигналов, прошедших по разным лучам многолучевого канала 5. Суммарный сигнал с сумматора 6 мощности подается на блок 7 определения энергии сигнала, в котором производится нахождение энергии суммарного сигнала на каждом интервале времени приема. После этого найденное значение энергии суммарного сигнала поступает в решающее устройство 8, где на основании заданного порога принимается решение о получении того или иного информационного бита.

Фиг.7 иллюстрирует некогерентное (т.е. без учета начальной фазы) суммирование энергии сигналов, прошедших многолучевой канал 5, на приемной стороне системы по настоящему изобретению. Как видно из этого чертежа, в данном случае суммируются сигналы пяти лучей многолучевого канала 5, который, в принципе, может иметь и иное число лучей. Заметим, что в случае переменной окружающей среды (к примеру, вблизи железной дороги с интенсивным графиком) число лучей, равно как и величины откликов каждого луча, могут меняться во времени. Некогерентное суммирование энергии лучей осуществляется с помощью, например, квадратичного детектора, используемого в качестве сумматора 4 мощности, и интегратора, используемого в качестве блока 7 определения энергии сигнала.

Следует здесь же отметить, что фильтр интегратора настраивается на тот хаотический сигнал, который генерируется на передающей стороне. Поэтому сумматор 6 мощности и блок 7 определения энергии сигнала совместно выполняют функцию второй нелинейной динамической системы, согласованной по своему поведению с первой нелинейной динамической системой на передающей стороне.

Сигнал, получаемый на выходе блока 7 определения энергии сигнала, поступает в решающее устройство 8, где сравнивается с заранее заданным порогом (фиг.8), который выбирается исходя из условий распространения в многолучевом канале 5. При превышении сигналом этого порога решающее устройство 8 индицирует прием очередного импульса.

Таким образом, в системе беспроводной передачи информации по многолучевому каналу по настоящему изобретению обеспечивается простой способ беспроводной передачи за счет того, что в качестве несущего сигнала используются фрагменты хаотического сигнала, а их прием осуществляется простым суммированием мощностей без учета начальной фазы каждого из принятых по разным лучам сигналов.

1. Способ беспроводной передачи информации по многолучевому каналу, заключающийся в том, что на передающей стороне формируют информационный сигнал в виде последовательности импульсов заданной длительности, спектр мощности которых сосредоточен в заранее заданной полосе частот, а передаваемая информация кодируется по заранее заданному закону; формируют после передачи каждого импульса упомянутой последовательности защитный интервал, длительность которого соответствует характерной длине импульсной переходной характеристики упомянутого многолучевого канала; передают упомянутую последовательность импульсов с упомянутыми защитными интервалами после каждого импульса по упомянутому многолучевому каналу с передающей на приемную сторону; на приемной стороне осуществляют прием упомянутой последовательности импульсов, поступающей через упомянутый многолучевой канал, отличающийся тем, что на передающей стороне в качестве упомянутых импульсов используют фрагменты хаотического сигнала, сформированного в первой нелинейной динамической системе в заранее заданной полосе частот путем соответствующего выбора параметров упомянутой нелинейной динамической системы; выбирают длительность каждого импульса в упомянутой последовательности импульсов большей, чем время автокорреляции упомянутого хаотического сигнала, и соответствующей характерной длине упомянутой импульсной переходной характеристики многолучевого канала; на приемной стороне принимают из упомянутого многолучевого канала каждый импульс переданной последовательности импульсов в виде смеси некоррелированных хаотических сигналов, прошедших по разным лучам упомянутого многолучевого канала; суммируют мощности упомянутых некоррелированных хаотических сигналов в каждый момент времени с помощью второй нелинейной динамической системы, согласованной по своему поведению с упомянутой первой нелинейной динамической системой; находят значение энергии каждого принимаемого импульса на интервале времени приема, согласованном с длительностью упомянутых импульсов переданной последовательности импульсов и с упомянутой характерной длиной упомянутой импульсной переходной характеристики многолучевого канала; сравнивают найденное значение энергии каждого принимаемого импульса с заранее заданным порогом; принимают решение о приеме импульса по результату упомянутого сравнения; прекращают прием всех сигналов после упомянутого интервала времени приема на интервал времени запрета, согласованный с упомянутой длительностью интервала времени приема и с упомянутой длительностью защитного интервала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что длительность каждого импульса в упомянутой последовательности импульсов на передающей стороне выбирают сравнимой с упомянутой характерной длиной импульсной переходной характеристики многолучевого канала.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что упомянутую длительность каждого импульса выбирают так, чтобы она превосходила длительность той части упомянутой импульсной переходной характеристики многолучевого канала, в которой сосредоточена заранее заданная наибольшая часть энергии принимаемого сигнала.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутое суммирование мощностей некоррелированных сигналов с помощью упомянутой второй нелинейной динамической системы осуществляют посредством квадратичного детектора.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутое суммирование мощностей некоррелированных сигналов с помощью упомянутой второй нелинейной динамической системы осуществляют путем выполнения следующих операций: генерируют опорный гармонический сигнал с частотой, согласованной с полосой частот хаотического сигнала упомянутой первой нелинейной динамической системы, перемножают упомянутый опорный гармонический сигнал с упомянутой смесью некоррелированных хаотических сигналов; фильтруют результат упомянутого перемножения в полосе нижних частот, согласованной с упомянутой полосой частот хаотического сигнала упомянутой первой нелинейной динамической системы; и детектируют отфильтрованный сигнал.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что упомянутое определение значения энергии каждого принимаемого импульса на упомянутом интервале времени приема осуществляют путем интегрирования продетектированного сигнала на упомянутом интервале времени приема.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что упомянутое интегрирование осуществляют с помощью фильтра нижних частот, частота среза которого согласована со структурой передаваемых импульсов.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутую длительность интервала времени приема выбирают равной упомянутой длительности передаваемых импульсов.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что выполняют оценку упомянутой характерной длины импульсной переходной характеристики многолучевого канала путем передачи заранее заданного тестового сигнала с передающей стороны на приемную сторону.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе передачи информации отслеживают упомянутую характерную длину импульсной переходной характеристики многолучевого канала и при ее изменении соответственно подстраивают упомянутые длительности импульса и защитного интервала.

11. Система для беспроводной передачи информации по многолучевому каналу, содержащая на передающей стороне источник информации, соединенный с первым входом модулятора, и генератор несущего колебания, соединенный со вторым входом упомянутого модулятора, выход которого подключен ко входу канала связи, а на приемной стороне демодулятор, отличающаяся тем, что на передающей стороне упомянутый генератор несущего колебания выполнен в виде генератора хаотического сигнала на основе нелинейной динамической системы, а на приемной стороне упомянутый демодулятор выполнен в виде соединенных последовательно сумматора мощности, вход которого подключен к выходу канала связи, блока суммирования энергии сигнала и решающего устройства, выход которого является выходом демодулятора, при этом упомянутые сумматор мощности и блок определения энергии сигнала выполнены с возможностью реализовывать функции нелинейной динамической системы, согласованной по своему поведению с упомянутой нелинейной динамической системой передающей стороны.

12. Система по п.11, отличающаяся тем, что упомянутая нелинейная динамическая система передающей стороны выполнена с возможностью модуляции ее заранее заданного параметра упомянутым информационным сигналом.

13. Система по п.11, отличающаяся тем, что упомянутая нелинейная динамическая система передающей стороны выполнена с возможностью включения - выключения ее источника питания упомянутым информационным сигналом.

14. Система по п.11, отличающаяся тем, что упомянутые сумматор мощности и блок определения энергии сигнала выполнены в виде соединенных последовательно квадратичного детектора и интегратора, фильтр которого настроен с возможностью обеспечения упомянутого согласования с поведением нелинейной динамической системы передающей стороны.

15. Система по п.11, отличающаяся тем, что упомянутые сумматор мощности и блок определения энергии сигнала выполнены в виде цепи, содержащей генератор опорного гармонического сигнала, выход которого соединен с одним входом перемножителя, другой вход которого подключен к выходу канала связи, выход перемножителя подключен к последовательно соединенным фильтру нижних частот, детектору и интегратору, фильтр которого настроен с возможностью обеспечения упомянутого согласования с поведением нелинейной динамической системы передающей стороны.