Полнодуплексная беспроводная связь, экспериментальное исследование

ПОЛНОДУПЛЕКСНАЯ БЕСПРОВОДНАЯ СВЯЗЬ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

Рогожников Евгений Васильевич,

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, г. Томск, Россия, udzhon@mail.ru

Колдомов Александр Сергеевич,

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, г. Томск, Россия, meteor1990@mail.ru

DOI 10.24411/2072-8735-2018-10027

Ключевые слова: полнодуплексная беспроводная связь, аналоговая компенсация, цифровая компенсация, экспериментальное исследование, беспроводной канал связи.

Статья посвящена систем полнодуплексной беспроводной связи. Данная тема является актуальной ввиду быстрого развития систем связи а также неуклонного роста трафика передаваемого в системах мобильной связи и необходимости повышения эффективности использования частотно-временного ресурса. Первая часть статьи посвящена аналоговой компенсации сигнала собственного передатчика в приемном канале. Включает описание метода аналоговой компенсации сигнала собственного передатчика в приемном канале с использованием симметрирующего трансформатора а также метода аналоговой компенсации сигнала собственного передатчика в приемном канале с использованием 2-х канального цифро-аналогового преобразователя. Приведены результаты экспериментального исследования аналоговой компенсации для узкополосного и широкополосного сигналов. Цель экспериментальных исследований заключается в проверке достижимого уровня компенсации в реальных условиях. Для проведения экспериментальных исследований использовался комплект приемо-передающего оборудования. Получены амплитудно-частотная характеристика симметритрирующего трансформатора, зависимости уровня компенсации от частоты. Выявлены факторы влияющие на уровень аналоговой компенсации. Рассмотрена дополнительная цифровая компенсация сигнала собственного передатчика в приемном канале. Цифровая компенсация необходима для устранения последствий многолучевого распространения сигнала между передающей и собственной приемной антеннами. Приведены результаты экспериментального исследования цифровой компенсации полнодуплексной системы беспроводной связи. Цель исследований заключается в экспериментальной проверке эффективности цифровой компенсации, определение достижимого уровня компенсации в реальных условиях, а также определение суммарного уровня компенсации в результате аналоговых и цифровых преобразований. Представлены зависимости уровня цифровой компенсации от времени и отношения сигнал/шум. Описан алгоритм оценки канала распространения радиоволн между передающей и приемной антеннами одного приемо-передающего пункта. Произведенные исследования позволяют найти необходимое отношение мощности сигнала к мощности помехи перед цифровой компенсацией для нахождения максимального уровня цифровой компенсации и получения требуемой вероятности битовой ошибки конкретного вида модуляции. Сделаны выводы по проделанной работе.

Информация об авторах:

Рогожников Евгений Васильевич, доцент каф. ТОР ТУСУР, к.т.н., Томский государственный университет систем управления

и радиоэлектроники, г. Томск, Россия

Колдомов Александр Сергеевич, аспирант каф. ТОР ТУСУР, Томский государственный университет систем управления и

радиоэлектроники, г. Томск, Россия

Для цитирования:

Рогожников Е.В., Колдомов А.С. Полнодуплексная беспроводная связь, экспериментальное исследование // T-Comm: Телекоммуникации

и транспорт. 2018. Том 12. №2. С. 21-26.

For citation:

Rogozhnikov E.V., Koldomov A.S. (2018). Full-duplex wireless communication, experimental research. T-Comm, vol. 12, no.2, pр. 21-26.

7TT

Введение

Концепция развития систем связи 5-го поколения включает применение новых технологий, таких как NOMA, massive MiMO, SCMA и др. [1]. Одним из новых решений в области беспроводных систем передачи данных стала технология полнодуплексной беспроводной связи (Full Duplex). Данная технология привлекательна тем, что позволяет удвоить пропускную способность канала, без расширения полосы частот. Однако существу ют проблемы, которые необходимо решить. В технологии Full Duplex передача сигналов производится одновременно в одной полосе частот. Сигнал собственного передатчика поступает в приемный канал. Мощность собственного сигнала в приемном канале значительно превышает мощность принимаемого сигнала от удаленного передатчика. Это затрудняет прием и обработку полезного сигнала. Для реализации технологии Full Duplex производят аналоговую и цифровую компенсацию просочившегося сигнала. Данная работа посвящена исследованию технологии Full Duplex, произведено экспериментальное исследование методов аналоговой и цифровой компенсации. Выявлены факторы, влияющие на уровень компенсации.

1. Аналоговая компенсации, обзор методов

Основная идея аналоговой компенсации заключается в том, что в приемный тракт каждого при ем о-передающего пункта полнодуплексной системы связи вводится компенсирующий сигнал. Компенсирующий сигнал должен полностью повторять си гнал-по меху, но при этом быть в против офазе.

В работах [2, 3] предложены различные подходы к реализации аналоговой системы компенсации. Основными методами реализации системы аналоговой компенсации являются:

1) Аналоговая компенсация с использованием дополнительной передающей антенны;

2) Аналоговая компенсация с использованием перестраиваемого фазовращателя и аттенюатора;

3) Аналоговая компенсация с использованием симметрирующего трансформатора;

4) Аналоговая компенсация с использованием 2-х канального ЦАП.

Каждому из этих методов присущи свои достоинства и недостатки. Основными проблемами рассмотренных методов являются:

- снижение уровня компенсации при удалении от центральной частоты,

- снижение уровня компенсации при неточной настройке параметров перестраиваемых элементов компенсирующего тракта;

- снижение уровня компенсации при неправильной установке приемной и передающей антенны.

Наиболее эффективными методами аналоговой компенсации являются методы 3 и 4. Структурная схема системы аналоговой компенсации с использованием симметрирующего трансформатора приведена на рис. I.

Передаваемый сигнал поступает на вход симметрирующего трансформатора. Далее исходный сигнал с прямого выхода трансформатора поступает в передающую антенну. Тогда как инвертированный сигнал поступает в цепь аналоговой компенсации.

Перестраиваемая линия задержки и аттенюатор используются для того, чтобы задержка и ослабление в компенси-

рующем тракге полностью соответствовали задержке и ослаблению в беспроводном канале между передающей и приемной антенной.

ТХ RX

Рис. I. Схема аналоговой компенсации с использованием Симметрирующего трансформатора

2) Аналоговая компенсация с использованием дополнительного канала цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).

Еще один способ аналоговой компенсации прямого сигнала собственного передатчика в приемном канале, заключается в том, что два сигнала противоположной полярности формируются в цифровом виде, после чего поступают на вход двух канального ЦАП [4], ЦАП работает от одного тактового генератора, соответственно сигналы на выходе ЦАП будут совершенно синхронны, но в противофазе, при этом имеют одинаковую амплитуду во всей полосе частот (рис. 2),

тх кх

Рис. 2. Аналоговая компенсация с использованием двухканального ци ф ро-а н ал о го во го ri peo бразова'1'ej i я

Проведены экспериментальные исследования наиболее эффективных методов аналоговой компенсации:

— метод с использованием симметрирующего трансформатора;

— метод с использованием двухканального ЦАП.

2. Аналоговая компенсация, экспериментальные

исследования.

Цель исследований: проверка достижимого уровня компенсации в реальных условиях, для системы аналоговой компенсации полнодуплексной системы беспроводной связи с использованием симметрирующего трансформатора, а также для метода с использованием двухканального ЦАП.

Для проведения экспериментов использовался комплект из следующего оборудования:

- анализатор сигналов Keysight РХА N9030A;

- векторный генератор сигналов Agileni PSG E8267D;

- 2 канальный ЦАП ad9767astz;

- ПЛИС Altera Cyclone V;

- симметрирующий трансформатор Picosecond 5310А;

-ЭВМ.

В ходе выполнения экспериментальных исследований было проведено два эксперимента:

T-Comm Том 12. #2-2018

ш

Т-Сотт Том 12. #2-2018

COMMUNICATIONS

Причем с увеличением уровня шума происходит постепенное снижение уровня цифровой компенсации.

Исходя из полученного графика, можно найти необходимое отношение мощности сигнала к мощности помехи перед цифровой компенсацией для нахождения максимального уровня цифровой компенсации и получения требуемой вероятности битовой ошибки конкретного вида модуляции.

Заключение

Произведено экспериментальное исследование достижимого уровня аналоговой и цифровой компенсации. Получены результаты: 25 дБ для аналоговой компенсации, 1К дБ для цифровой компенсации, дополнительно 20 дБ обеспечивается пространственным разнесением и ориентацией антенн, итого 73 дБ. Данное значение позволет сделать заключение о потенциальной практической реализуемости данной технологии. Проведенные эксперентальные исследования помогли вывявить основные факторы, влияющие на уровень аналоговой и цифровой компенсации, проверить в реальных условиях работоспособность аналоговой и цифровой компенсации.

Литература

1. Intelligence G. Understanding 5G: Perspectives on future technological advancements in mobile U GSMA Intelligence Understanding 5G. 014. C. 3-15.

2. Jain M. et al. Practical, real-time, full duplex wireless // Proceedings of the 17th annual international conference on Mobile computing and networking. ACM, 2011. C. 301-312.

3. Zhang Z. et al. Full-duplex wireless communications: challenges, solutions, and future research directions // Proceedings of the IEEE. 2016. Vol. 104. №. 7, pp. 1369-1409.

4. Rogozhnikov E.V.. Koldomov A.S., Vorobvov V.A. Full duplex wireless communication system, analog cancellation: Review of methods and experimental research. 2016 International Siberian Conference on Control and Communications (S1BCON). 2016, pp. 1-5.

5. Ворошили;/ Е.П., Рогожников E.B., Вершинин А. С. Метод повышения точности оценки передаточной функции канала распространения радиоволн II Известия Томского политехнического университета. 2011. Т. 319, № 5. С. 133-137.

6. Juha L Wide-Band 3-D Characterization of Mobile Radio Channels in Urban Environment II IEEE Transactions on antennas and propagation. 2002, vol. 50, no. 2, pp. 233-243.

FULL-DUPLEX WIRELESS COMMUNICATION, EXPERIMENTAL RESEARCH

Eugeniy V. Rogozhnikov, Tomsk, Russia, udzhon@mail.ru Alexander S. Koldomov, Tomsk, Russia, meteor1990@mail.ru

Abstract

This article is about full duplex wireless communication system. The topic is relevant because communication systems are developing rapidly. It is necessary to effectively use the time-frequency resource due to the growth of traffic in data networks. The first part of the article is devoted to analog cancellation of the signal of the own transmitter in the receiving channel. It includes a descripti on of the method of analog compensation of the own transmitter's own transmitter in the receiving channel using a balanced transformer and also the method of analog cancellation of the signal of the own transmitter in the receiving channel using a 2-channel digital-to-analog converter. The results of an experimental study of analog cancellation for narrowband and broadband signals are presented. The purpose of the experimental studies is to verify the achievable level of cancellation in real conditions. The set of receiving and transmitting equipment was used for carrying out experimental studies. The amplitude-frequency characteristic of the symmetrizing transformer is obtained, the dependence of the cancellation level on the frequency. The factors influencing the level of analog cancellation are revealed. The article also considers additional digital cancellation of the signal of the own transmitter in the receiving channel. Digital cancellation is necessary to eliminate the multipath propagation effects between the transmitter and its own receiving antenna. The results of experimental investigation of digital cancellation of a full-duplex wireless communication system are presented. The purpose of the research is to experimentally test the effectiveness of digital cancellation, determine the achievable cancellation level in real conditions and determine the overall level of cancellation as a result of analog and digital transformations. Dependencies of the level of digital cancellation on time and the signal-to-noise ratio are presented. An algorithm for estimating the propagation channel of radio waves between the transmitting and receiving antennas of one receiving / transmitting station is described. The conducted researches allow to find the necessary ratio of the signal power to the interference power before digital cancellation in order to find the maximum level of digital cancellation and to obtain the required bit error probability of a certain type of modulation. conclusions about the work done.

Keywords: full-duplex wireless communication, analog cancellation, digital cancellation, experimental research, wireless communication channel. References

1. Panwar N., Sharma S. and K.Singh A. (2016). A survey on 5G: The next generation of mobile communication. Physical Communication, vol. 18, pp. 64-84.

2. Jain M., Choi J.I., Kim T., Bharadia D., Seth S., Srinivasan K. and Sinha P. (2011). Practical, real-time, full duplex wireless. Proceedings of the 17th annual international conference on Mobile computing and networking, pp. 301-312, September 2011.

3. Zhang Z., Long K., Vasilakos A.V. and Hanzo L. (2016). Full-duplex wireless communications: challenges, solutions, and future research directions. Proceedings of the IEEE, vol. 104, nо. 7, pp. 1369-1409.

4. Rogozhnikov E.V., Koldomov A.S. and Vorobyov V.A. (2016). Full duplex wireless communication system, analog cancellation: Review of methods and experimental research. International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON), pp. 1-5.

5. Voroshilin E.P, Rogozhnikov E.V. and Vershinin A.S. (2011). The method of improving the estimation accuracy of evaluation of radio-wave propagation channel transfer function. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University, vol. 319, nо. 5, pp. 133-137.

6. Juha L. (2002). Wide-Band 3-D Characterization of Mobile Radio Channels in Urban Environment. IEEE Transactions on antennas and propagation, vol. 50, nо. 2, pp. 233-243.

T-Comm "Гом 12. #2-2018