Способ беспроводной передачи цифровой информации
Владельцы патента RU 2738350:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ) (RU)
Изобретение относится к системам беспроводной связи, а именно к технологии цифровой связи, и может быть использовано для передачи цифровой информации по каналам связи, использующим многоантенные системы. Техническим результатом является обеспечение кодирования с повышенной помехоустойчивостью битового потока при обмене цифровой информацией в условиях беспроводной передачи за счет пространственного дискретно-поляризационного излучения соответствующих радиоимпульсов. Для этого предложен способ, который реализуется при помощи антенного блока, содержащего N радиально расположенных антенн и коммутатора, обеспечивающего последовательное подключение антенн антенного блока в различной последовательности. При этом обеспечивается дискретный поворот, т.е. изменение угла поляризации излучаемой радиоволны в противоположных направлениях в зависимости от значения информационного бита, поступающего на коммутатор - "0" или "1". Так, вектор поля вращается по часовой стрелке в случае передачи, к примеру, информационного бита "1" и против часовой стрелки в случае передачи, к примеру, информационного бита "0". 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к системам беспроводной связи, а именно, к технике цифровой связи, и может быть использовано для передачи дискретной информации по каналам связи, использующим многоантенные системы.
Известны способы передачи цифровой информации, позволяющие осуществить кодирование, заключающейся в том, что цифровой сигнал модулирует один из информационных параметров несущей частоты: амплитуду, частоту или фазу. Данные виды модуляции (манипуляции) получили соответственно названия амплитудной, частотной и фазовой модуляции (см. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высшая школа, 3-е издание. 2010. с 92-113).
Каждый из этих видов, решая задачу кодирования, в той или иной степени подвержены воздействию помех, поэтому проблема повышения помехоустойчивости радиообмена является весьма актуальной.
Недостатком указанных способов передачи информации является значительная, хотя и в разной степени, подверженность воздействию помех и относительная сложность устройств для осуществления кодирования (модуляции) и декодирования (демодуляции) сигналов.
Известно устройство, в котором реализуется принятый в качестве прототипа способ передачи цифровой информации при помощи антенного устройства, пригодного для системы MIMO и способного передавать и принимать на трех некоррелированных поляризациях. Антенное устройство содержит два ортогональных диполя и аппроксимацию элемента электрического контура постоянного тока, при этом антенна содержит излучатель круговой поляризации «клевер» из вибраторов, имеющих начальные участки, расположенные попарно во взаимно ортогональных плоскостях, исходящих из одной общей точки. Излучение электромагнитных волн осуществляют, используя антенный блок, имеющий участки, расположенные в упомянутых ортогональных плоскостях. При этом обеспечивают излучение электромагнитных волн с круговой поляризацией (см. патент РФ №2659854, МПК H01Q 21/24, опубл. 2018).
Недостатком данного технического решения является то, что работа антенных блоков, обладающих круговой поляризацией, не предполагает их использования для решения задачи поляризационного кодирования цифровой информации, обладающего повышенной помехоустойчивостью.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является обеспечение кодирования с повышенной помехоустойчивостью битового потока при обмене цифровой информацией в условиях беспроводной передачи за счет пространственного дискретно-поляризационного излучения соответствующих радиоимпульсов.
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в способе беспроводной передачи цифровой информации, заключающемся в том, что используют антенные блоки, состоящие из множества радиально расположенных N антенн, взаимно ориентированных в пространстве с угловым сдвигом друг относительно друга, с помощью которых осуществляют излучение цифровых сигналов, используя радиоволны круговой поляризации, согласно изобретению осуществляют пространственное кодирование цифровой информации, для чего с помощью коммутатора обеспечивают последовательное подключение радиально расположенных в одной плоскости N антенн таким образом, что в течение действия импульса, соответствующего информационному биту "1", упомянутый коммутатор последовательно подключает антенны в порядке возрастания их порядкового номера от "1" до "N" - по часовой стрелке, а в случае прихода на коммутатор импульса, соответствующего информационному биту "0", подключение антенн происходит в обратной последовательности - от номера "N" до номера "1", т.е. против часовой стрелки.
На решение поставленной технической задачи направлено также то, что время tni появления сигнала на ni антенне при условии равномерного расположенных антенн определяется по формуле:
tni=ni Δt=ni T/N, c,
где Δt - время срабатывания коммутатора;
T - длительность информационного бита;
N - количество антенн в антенном блоке.
На решение поставленной технической задачи направлено также и то, что угол αni поворота вектора поляризации для ni антенны при условии равномерного расположенных антенн определяется по формуле:
αni=Δα ni=2π ni Δt/T, рад,
где Δα - угол пространственного сдвига антенн между собой;
Δt - время срабатывания коммутатора;
Т - длительность информационного бита.
Решение поставленной технической задачи становится возможным благодаря тому, что для кодирования двоичной информации в качестве параметра, подлежащего модуляции, используется такой параметр радиоволны, как ее поляризация. То есть, предлагается в качестве информационного параметра, изменяющего свое значение в зависимости от значения информационного бита, использовать параметр, который ранее для этого не использовался, а именно - направление вращения вектора круговой поляризации радиоволны. Иными словами, одно направление вращения вектора поля, например, по часовой стрелке соотносить с битом информации, соответствующим логической "1", а противоположное направление - логическому "0".
Таким образом, в предлагаемом способе направление вращения вектора круговой поляризации радиоволны, излучаемой блоком антенн передатчика, однозначно привязано к значению величины элементарного информационного сигнала (бита) - "0" или "1", подлежащего в данный момент передаче по радиоканалу.
Способ беспроводной передачи цифровой информации поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен принцип пространственного дискретно - поляризационного кодирования цифровой информации; на фиг. 2 показана временная диаграмма дискретного изменения угла поворота поляризации радиоволны в зависимости от значения информационного бита; на фиг. 3 представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.
На чертежах приняты следующие обозначения:
N - количество антенн в антенном блоке;
"+/-" α - угол поворота вектора поляризации радиосигнала (по часовой и против часовой стрелки, соответственно);
ni - номер i - й антенны;
|α| - угол поляризации радиоволны, соответствующий ni антенне.
Способ беспроводной передачи цифровой информации заключается в том, что используют антенные блоки, состоящие из множества N антенн, взаимно ориентированных в пространстве с угловым сдвигом относительно друг друга. С помощью упомянутых антенн осуществляют излучение цифровых сигналов, используя дискретно - поляризованные радиоволны круговой поляризации. При этом осуществляют пространственное кодирование цифровой информации, для чего используют коммутатор, который обеспечивает последовательное подключение радиально расположенных в одной плоскости N антенн антенного блока. Алгоритм работы коммутатора таков, что в течение действия импульса, соответствующего, к примеру, информационному биту "1", коммутатор последовательно подключает антенны антенного блока в порядке возрастания их порядкового номера от "1" до "N" - по часовой стрелке.
В случае же прихода на коммутатор импульса, соответствующего информационному биту "0", подключение антенн антенного блока происходит, соответственно в обратной последовательности - от номера "N" до номера "1", т.е. против часовой стрелки. При этом если антенны антенного блока расположены равномерно, то в эфир излучаются радиоимпульсы, имеющие длительность τи=T/N, где Т - длительность информационного бита ("0" или "1"), а N - количество излучающих антенн.
В этом случае вектор поляризации излучаемых радиоимпульсов в пространстве будут сдвинуты друг относительно друга на угол α=2π/N.
Время tni появления сигнала на ni; антенне определяют по формуле:
tni=ni Δt=ni T/N, c,
где Δt - время срабатывания коммутатора,
T - длительность информационного бита,
N - количество антенн в антенном блоке.
При этом угол αni поворота вектора поляризации для ni; антенны определяется по формуле:
αni=Δα ni=2πniΔt/T, рад,
где Δα - угол пространственного сдвига антенн между собой;
Δt - время срабатывания коммутатора;
Т - длительность информационного бита.
Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит антенный блок 1 передатчика, коммутатор 2, источник 3 информации, антенный блок 4 приемника, дешифратор 5, приемник 6 информации.
Способ беспроводной передачи цифровой информации реализуется следующим образом. Согласно предложенному способу в качестве параметра радиоволны несущего информацию о значении логического бита ("0" или "1") используется направление вращения вектора поляризации волны (см. фиг. 1). Иными словами, одно направление вращения поля, например, по часовой стрелке следует соотносить с логической "1", а противоположное направление - с логическим "0". При этом цифровая информация от источника 3 информации последовательно поступает на коммутатор 2, который в зависимости от значения логического бита ("1" или "0") подключает расположенные радиально в одной плоскости антенны антенного блока 1 передатчика в порядке либо возрастания, либо убывания номеров антенн, т.е. либо по часовой, либо против часовой стрелки, формируя дискретно-поляризационный код того или иного излучаемого информационного бита.
На приемной стороне имеется аналогичный антенный блок 4 приемника, который, приняв сигнал, направляет его на дешифратор 5, который определяет в какой последовательности пришел сигнал на ту или иную антенну, и таким образом определяется направление вращения вектора принятого, а следовательно, и излученного дискретно-поляризованного сигнала, и в зависимости от этого выдает в приемник 6 информации импульс напряжения, соответствующий логической "1" или логическому "0".
При равномерном расположении антенн угол между ними определяется по формуле Δα=27π/N, рад.
В таком случае угол поворота вектора поляризации ni антенны, очевидно, определится как
Если принять, что время полного поворота вектора поляризации (длительность одного такта) составляет Т, то временной интервал переключения антенн коммутатором составит Δt=T/N, откуда N=Т/Δt.
Время появления сигнала с начала такта на ni антенне:
Подставив данное выражение в формулу (1), получим зависимость угла поворота вектора поляризации для ni антенны в зависимости от соотношения длительности информационного импульса и скорости работы коммутатора
Предлагаемый способ реализуется при помощи антенного блока, содержащего N радиально расположенных антенн и коммутатора, обеспечивающего последовательное подключение антенн антенного блока в различной последовательности. При этом обеспечивается дискретный поворот, т.е. дискретное изменение угла поляризации излучаемой радиоволны в противоположных направлениях в зависимости от значения информационного бита, поступающего на коммутатор - "0" или "1". Так, вектор поля вращается по часовой стрелке в случае передачи, к примеру, информационного бита "1" и против часовой стрелки в случае передачи, к примеру, информационного бита "0". Предлагаемый способ кодирования цифровой информации позволяет существенно повысить устойчивость радиоканала к воздействию радиопомех, поскольку такой параметр радиоволны с круговой поляризацией как направление вращения ее вектора при распространении в свободном пространстве наиболее устойчив к преднамеренному или случайному искажению.
Известно, что при распространении радиоволны в свободном пространстве не существует физических причин, способных преднамеренно или случайно изменить направление вращения вектора поля с круговой поляризацией. Тем более, если вращение вектора происходит дискретно - регулярно в соответствии с заданным алгоритмом. Данное обстоятельство позволяет утверждать, что предлагаемый способ кодирования является наиболее помехоустойчивым из всех известных в настоящее время.
Учет указанных "временного" и "углового" параметров дает возможность дополнительно повысить вероятность идентификации сигналов на фоне помех, а значит - повысить помехоустойчивость радиоканала. Это объясняется тем, что зная заранее расчетное, согласно протоколу радиообмена, время появления сигнала на той или иной антенне, в случае его отсутствия или его появления в нерасчетное время, можно сделать вывод о сверхнормативном помеховом воздействии на радиоканал, т.е. о недостоверности полученного сигнала.
Аналогично может быть использован и параметр "угол поворота вектора поляризации для ni антенны" - путем контроля расчетного наличия или отсутствия сигнала на антенне антенного блока с тем или иным заранее заданным номером. Данные антенны могут быть приняты, в частности, как контрольные или маркерные.
Очевидно, что при определенных условиях, эти параметры, в зависимости от принятого схемного решения, реализующего предлагаемый способ могут, быть использованы и одновременно.
Таким образом, изобретение позволяет обеспечить кодирование с повышенной помехоустойчивостью битового потока при обмене цифровой информацией в условиях беспроводной передачи за счет пространственной дискретной поляризации соответствующих излучаемых радиоимпульсов.
1. Способ беспроводной передачи цифровой информации, заключающийся в том, что используют антенные блоки, состоящие из множества радиально расположенных N антенн, взаимно ориентированных в пространстве с угловым сдвигом относительно друг друга, с помощью которых осуществляют излучение цифровых сигналов, используя радиоволны круговой поляризации, отличающийся тем, что осуществляют пространственное кодирование цифровой информации, для чего с помощью коммутатора обеспечивают последовательное подключение радиально расположенных в одной плоскости N антенн таким образом, что в течение действия импульса, соответствующего информационному биту "1", упомянутый коммутатор последовательно подключает антенны в порядке возрастания их порядкового номера от "1" до "N" - по часовой стрелке, а в случае прихода на коммутатор импульса, соответствующего информационному биту "0", подключение антенн происходит в обратной последовательности - от номера "N" до номера "1", т.е. против часовой стрелки.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что время tni появления сигнала на ni антенне при условии равномерно расположенных антенн определяется по формуле:
tni=ni Δt=ni T/N, c,
где Δt - время срабатывания коммутатора;
T - длительность информационного бита;
N - количество антенн в антенном блоке.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что угол αni поворота вектора поляризации для ni антенны при условии равномерно расположенных антенн определяется по формуле:
αni=Δα ni=2π ni Δt/T, рад,
где Δα - угол пространственного сдвига антенн между собой;
Δt - время срабатывания коммутатора;
Т - длительность информационного бита.
