АППАРАТ И СПОСОБ РАДИОСВЯЗИ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ SIMO-OFDM
APPARATUS AND METHOD FOR RADIO COMMUNICATION BASED ON SIMO-OFDM TECHNOLOGY

Изобретение относится к области радиотехники, а именно, к аппаратам и способам передачи данных (АПД) по радиоканалу на основе технологии SIMO-OFDM (Single Input Mltiple Output, Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) и может применяться как в мобильных, так и в стационарных системах радиосвязи, работающих в топологии как «точка-точка», так и «точка-многоточка».
Заявленный аппарат передачи данных выполнен на основе технологии ортогонального частотного уплотнения (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing -OFDM).
OFDM является цифровой схемой модуляции, которая использует большое количество (от нескольких десятков до нескольких тысяч) близко расположенных ортогональных поднесущих. Наиболее распространенный способ формирования OFDM-сигнала (в передатчике АПД) заключается в формировании квадратурного OFDM-сигнала с помощью обратного дискретного преобразования Фурье (ОДПФ), в частности, с помощью обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ). Каждая поднесущая такого сигнала модулируется по обычной схеме модуляции (например, бинарная или квадратурная фазовая манипуляция (BPSK и QPSK, соответственно), или квадратурная амплитудная модуляция (QAM)) на низкой символьной скорости, при этом сохраняет общую скорость передачи данных, как и у обычных схем модуляции одной несущей в той же полосе пропускания. При приеме OFDM-сигнала в приемнике АПД происходят обратные операции. Таким образом, сигнал OFDM - это сумма ортогональных поднесущих, каждая из которых независимо модулируется с помощью одного из типов модуляции (BPSK, QPSK, QAM и др.). Метод OFDM широко известен в литературе, например "OFDM for Wireless Communications Systems", R.Prasad, ArtechHouse (2004), 294 p., и применяется на практике.
Одними из наиболее негативных явлений, возникающих в процессе передачи информации через радиоэфир, являются переотражения и замирания сигнала. Радиосигнал во время распространения от источника к получателю может отражаться от различных препятствий. Также на радиосигнал во время передачи могут воздействовать различные виды помех и искажений. Кроме того, во время передачи радиосигнал претерпевает затухание. В итоге на приемной стороне энергия сигнала может оказаться ниже порога чувствительности приемника, что приведет к ошибочному приему.
Одним из возможных способов повышения помехоустойчивости и борьбы с обозначенными выше проблемами является использование технологии разнесенного приема на две и более антенны (antenna diversity). Данный способ является одной из разновидностей технологии радиосвязи со многими входами и многими выходами (Multiple Input Multiple Output - MIMO), зачастую применяемой в системах OFDM, и называется SIMO (Single Input Multiple Output). Суть способа SIMO-OFDM, на примере одной основной и одной дополнительной антенны, проиллюстрирована в правой части рис. 1. Основная антенна работает и на прием, и на передачу информации, а дополнительная антенна работает только на прием.
Наиболее близкими к заявленному изобретению являются аппарат и способ передачи данных по радиоканалу на основе технологии SIMO-OFDM, описанные в заявке KR 20110083142 (А), в которых используют технологию разнесенного приема на два и более антенно-фидерных тракта (антенны). Данные аппарат и способ его функционирования выбраны в качестве прототипов заявленного изобретения.
К недостаткам технологии разнесенного приема на два и более антенно-фидерных тракта (антенны), в том числе к недостаткам аппарата и способа его функционирования прототипов, относятся следующие факторы:
- выход из строя основного антенно-фидерного тракта приводит к неработоспособности всего аппарата, так как он теряет способность работы в режиме передачи сигналов;
- прием одним антенно-фидерным трактом помехового сигнала (от другого радиосредства или передатчика помех) ухудшает помехоустойчивость всего аппарата (справедливо в основном при использовании секторных антенно-фидерных трактов).
Техническим результатом изобретения является создание аппарата и способа передачи данных по радиоканалу на основе технологии SIMO-OFDM с улучшенной помехоустойчивостью и надежностью, за счет наличия аналогового антенного коммутатора, по меньшей мере, одного дополнительного принимающего блока и блока SIMO обработки, что позволяет осуществлять коммутацию или полное отключение произвольных потоков данных, поступающих от принимающих блоков, в случае неисправности или приема сигнала помехи одним из принимающих антенно-фидерных трактов и/или одним из этих принимающих блоков.
Поставленный технический результат достигнут путем создания аппарата радиосвязи на основе технологии SIMO-OFDM, выполненного с возможностью работы в передающем и приемном режимах, содержащего цифровой модем, соединенный с приемопередатчиком и, по меньшей мере, с двумя приемниками, соединенными с аналоговым антенным коммутатором, соединенным, по меньшей мере, с двумя антеннами антенно-фидерными трактами, причем приемопередатчик содержит передающий блок и принимающий блок, соединенные с аналоговым антенным коммутатором, приемник содержит принимающий блок, соединенный с аналоговым антенным коммутатором, цифровой модем содержит интерфейсный блок, соединенный блоком управления, соединенным с цифровым OFDM модемом, соединенным с блоком ЦАП и с блоком АЦП, при этом цифровой OFDM модем содержит блок кодирования и декодирования, соединенный с блоком управления, с блоком обработки передаваемой информации на основе ОБПФ (обратного быстрого преобразования Фурье) и с блоком SIMO обработки, который соединен с блоками обработки принятой информации на основе БПФ (быстрого преобразования Фурье), каждый из которых соединен с блоком АЦП, каждый из которых соединен с принимающим блоком, а блок обработки передаваемой информации на основе ОБПФ соединен с блоком ЦАП, который соединен с передающим блоком, при этом
- антенно-фидерные тракты выполнены с возможностью приема и передачи в радиоэфир сигналов;
- аналоговый антенный коммутатор, выполнен с возможностью осуществления двунаправленной коммутации сигналов с любого из его входов/выходов, соединенных с антенно-фидерными трактами, на любой его вход/выход, соединенный с передающим и принимающим блоками, при этом цифровой модем выполнен с возможностью управления коммутацией;
- интерфейсный блок выполнен с возможностью информационного обмена передаваемыми и принимаемыми сигналами и управления по внешней сети Ethernet на аппаратном уровне;
- блок управления, выполнен с возможностью разделения общего потока данных на информационные и управляющие сигналы, с возможностью конфигурирования блоков аппарата радиосвязи на основе управляющих сигналов, а также общего управления аппаратом радиосвязи;
- блок кодирования и декодирования, выполнен с возможностью помехоустойчивого кодирования передаваемых сигналов и помехоустойчивого декодирования принимаемых сигналов;
- блок обработки передаваемой информации на основе ОБПФ выполнен с возможностью формирования передаваемого OFDM сигнала с помощью ОБПФ и передачи его в
- блок ЦАП, который выполнен с возможностью преобразования цифрового передаваемого сигнала в аналоговый сигнал и передачи его в
- передающий блок, который выполнен с возможностью усиления и переноса аналогового сигнала промежуточной частоты на более высокую радиочастоту и передачи аналогового сигнала в аналоговый антенный коммутатор;
- принимающий блок выполнен с возможностью приема аналогового сигнала от аналогового антенного коммутатора и передачи его в
- блок АЦП, выполненный с возможностью преобразования аналогового принимаемого сигнала в цифровой сигнал и передачи его в
- блок обработки принятой информации на основе БПФ выполнен с возможностью восстановления данных из цифрового OFDM сигнала с использованием БПФ и передачи их в
- блок SIMO обработки, выполненный с возможностью оперативной и программной коммутации или полного отключения сигналов, при этом формирования одного сигнала и передачи его в блок кодирования и декодирования.
В предпочтительном варианте осуществления аппарата блок SIMO обработки выполнен с возможностью формирования одного сигнала методом оптимального весового сложения.
Поставленный технический результат достигнут также путем создания способа радиосвязи на основе технологии SIMO-OFDM, в котором
в режиме передачи выполняют следующие операции:
- с помощью интерфейсного блока получают из сети Ethernet информационные сигналы и сигналы управления, преобразовывают сигналы из аппаратного уровня в цифровой и передают в
- блок управления, с помощью которого разделяют общий поток данных на информационные и управляющие сигналы, конфигурируют блоки аппарата радиосвязи на основе управляющих сигналов, осуществляют общее управление аппаратом радиосвязи, а информационные сигналы передают в
- блок кодирования и декодирования, с помощью которого выполняют помехоустойчивое кодирование передаваемых сигналов и передают их в
- блок обработки передаваемой информации на основе ОБПФ (обратного быстрого преобразования Фурье) посредством которого формируют передаваемый OFDM сигнал с помощью ОБПФ и передают его в
- блок ЦАП, с помощью которого преобразовывают цифровой передаваемый сигнал в аналоговый сигнал и передают его в
- передающий блок, с помощью которого усиливают и переносят аналоговый сигнал промежуточной частоты на более высокую радиочастоту и передают аналоговый сигнал в
- аналоговый антенный коммутатор, с помощью которого коммутируют сигнал с одного из входов на один из выходов под управлением цифрового модема и передают сигнал в
- антенно-фидерный тракт, с помощью которого передают сигнал в радио-эфир;
в режиме приема выполняют следующие операции:
- с помощью антенно-фидерных трактов принимают сигналы из радио-эфира и передают в
- аналоговый антенный коммутатор, с помощью которого коммутируют сигналы с одного из входов на один из выходов под управлением цифрового модема и передают сигналы в
- принимающие блоки с помощью которых усиливают и переносят аналоговые сигналы с высокой радиочастоты на промежуточную частоту и передают аналоговые сигналы в
- блоки АЦП, с помощью которых преобразовывают аналоговые принимаемые сигналы в цифровые сигналы и передают их в
- блоки обработки принятой информации на основе БПФ, с помощью которых восстанавливают данные из цифрового OFDM сигнала с использованием БПФ (быстрого преобразования Фурье), при этом формируют цифровые информационные сигналы и передают их в
- блок SIMO обработки, с помощью которого осуществляют оперативную и программную коммутацию или полное отключение сигналов, с последующим формированием одного сигнала и передачи его в
блок кодирования и декодирования, с помощью которого выполняют помехоустойчивое кодирование передаваемого сигнала и передают его в
- блок управления, с помощью которого формируют Ethernet сигналы и передают их в
- интерфейсный блок с помощью которого Ethernet сигналы преобразовывают из цифрового в аппаратный уровень и передают в сеть Ethernet.
В предпочтительном варианте осуществления способа с помощью блока SIMO обработки осуществляют оперативную и программную коммутацию или полное отключение сигналов, с последующим формированием одного сигнала методом оптимального весового сложения.
Для лучшего понимания заявленного изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующими графическими материалами.
Фиг. 1. Схема технологии SIMO-OFDM разнесенного приема на две и более антенны (antenna diversity), выполненная согласно прототипу и изобретению.
Фиг. 2. Структурная схема аппарата передачи данных по радиоканалу на основе технологии SIMO-OFDM, выполненная согласно изобретению.
Фиг. 3. Схема работы аналогового тракта аппарата передачи данных по радиоканалу на основе технологии SIMO-OFDM в штатном режиме, выполненная согласно изобретению.
Фиг. 4. Схема работы аналогового тракта аппарата передачи данных по радиоканалу на основе технологии SIMO-OFDM в случае неисправности или приема сигнала помехи одного из принимающих антенно-фидерных трактов и/или одним из принимающих блоков, выполненная согласно изобретению.
Элементы:
1 - аналоговый антенный коммутатор;
2 - цифровой модем;
3 - приемопередатчик;
4 - приемник;
5 - передающий блок;
6 - принимающий блок;
7 - интерфейсный блок;
8 - блок управления;
9 - цифровой OFDM модем;
10 - блок ЦАП;
11 - блок АЦП;
12 - блок обработки передаваемой информации;
13 - блок обработки принятой информации;
14 - блок SIMO обработки;
15 - блок кодирования и декодирования.
Рассмотрим более подробно функционирование в штатном режиме заявленных аппарата и способа передачи данных по радиоканалу на основе технологии SIMO-OFDM (Фиг. 2-4).
В режиме передачи информации заявленные аппарат и способ работают следующим образом.
Информационные сигналы и сигналы управления по сети Ethernet поступают в интерфейсный блок 7 цифрового модема 2. В нем сигналы из аппаратного уровня преобразуют в цифровые, которые поступают на вход блока управления 8. В блоке управления 8 разделяют поток данных на информационные сигналы и управляющие. На основе управляющих сигналов осуществляют конфигурирование всех блоков, входящих в состав SIMO-OFDM аппарата связи. Информационные сигналы передают в блок 15 кодирования и декодирования, где сигналы подвергают помехоустойчивому кодированию. По сути, кодирование - это добавление к исходной информации дополнительной, проверочной, информации. При передаче сигналов от источника к приемнику, может произойти ошибка (эфирные и/или внутрисистемные помехи). На приемной стороне при декодировании эта дополнительная, проверочная информация позволяет определить наличие ошибок и исправить ошибки в случае их возникновения. Далее закодированные сигналы поступают в блок 12 обработки передаваемой информации цифрового OFDM модема 9, в котором с помощью обратного быстрого преобразования Фурье производят формирование OFDM сигнала. Из блока 12 обработки передаваемой информации сигналы поступают в блок ЦАП 10, где выполняют преобразование цифрового передаваемого сигнала в аналоговый сигнал с последующим приведением его (усиление сигнала, фильтрация и т.д.) к параметрам, которые оптимальны для первого передающего блока 5 первого приемопередатчика 3. Далее аналоговый сигнал промежуточной частоты поступает на первый передающий блок 5 первого приемопередатчика 3, где выполняют перенос аналогового сигнала на более высокую радиочастоту и усиление. Из первого передающего блока 5 первого приемопередатчика 3 аналоговый высокочастотный сигнал поступает на вход/выход У1 аналогового антенного коммутатора 1, где выполняют коммутацию на один из входов/выходов X1…XN (в штатном режиме на X1). Далее с того входа/выхода X1…XN, на который произошла коммутация, аналоговый высокочастотный сигнал поступает на соответствующий данному входу/выходу антенно-фидерный тракт Al, А2…AN (в штатном режиме на X1 на А1) который излучает радиоволны.
В режиме приема информации заявленные аппарат и способ работают следующим образом.
Принятые антенно-фидерными трактами A1, A2…AN аналоговые высокочастотные сигналы поступают на соответствующие входы/выходы X1…XN антенного коммутатора 1, где выполняется коммутация на входы/выходы У1…УN (в штатном режиме X1…XN на У1…УN соответственно). С входов/выходов У1…YN антенного коммутатора 1 аналоговые высокочастотные сигналы поступают на принимающие блоки 6 приемопередатчика 3 и приемников 4 (в штатном режиме на соответствующие), где выполняют усиление, фильтрацию и перенос аналогового сигнала с радиочастоты на промежуточную частоту. После принимающих блоков 6 аналоговые сигналы поступают на соответствующие блоки АЦП 11, где восстанавливают аналоговые сигналы промежуточной частоты (усиливают сигнал, фильтруют и т.д.) т.е. приводят их к параметрам, которые оптимальны для АЦП и последующей цифровой обработки. После чего преобразовывают аналоговые сигналы в цифровые. Из блоков АЦП 11 цифровые сигналы поступают на соответствующие блоки 13 обработки принятой информации, на выходе которых благодаря быстрому преобразованию Фурье формируют информационные цифровые сигналы. Далее полученные цифровые сигналы поступают на блок 14 SIMO обработки, где выполняют оперативную и программную коммутацию или полное отключение сигналов, поступивших от принимающих блоков 6 с последующей SIMO-обработкой. После преобразования поступивших от принимающих блоков 6 сигналов, происходит формирование одного сигнала, например, методом оптимального весового сложения, или другим методом, известным из уровня техники (например, «Технология MIMO: Принципы и алгоритмы, Бакулин М.Г., Варукина Л.А., Крейнделин В.Б., М.: Горячая линия - Телеком, 2014 - 244 с). Данный сигнал после последующей обработки повышает достоверность восстановления исходных сигналов, тем самым улучшает помехоустойчивость данной аппаратуры связи (в штатном режиме в SIMO обработке используют все от 1 до N полученные цифровые потоки данных). Далее результирующий информационный цифровой сигнал передают в блок 15 кодирования и декодирования, где сигнал подвергают помехоустойчивому декодированию. Добавленная при кодировании дополнительная, проверочная, информация позволяет определить наличие в принятом сигнале ошибок, и в случае их возникновения - исправить. Далее информационный цифровой сигнал поступает в блок управления 8, где формируют Ethernet сигналы и затем передают их в интерфейсный блок 7 цифрового модема 2. В интерфейсном блоке 7 полученные Ethernet сигналы на аппаратном уровне передают в сеть Ethernet.
Для улучшения помехоустойчивости и живучести заявленного аппарата радиосвязи вводятся следующие блоки: аналоговый антенный коммутатор 1, дополнительные второй и последующие принимающие блоки 6, входящие в состав второго и последующих приемников 4, и блок 14 SIMO обработки. На фиг. 2 изображена схема заявленного аппарата радиосвязи с этими дополнительными блоками. При выходе из строя одного или даже несколько элементов приемных аналоговых трактов (приемный аналоговый тракт состоит из одного антенно-фидерного тракта и одного принимающего блока 6) аналоговый антенный коммутатор 1 позволяет оперативно и автоматически произвести коммутацию таким образом, чтобы обеспечить работу заявленного аппарата радиосвязи. При этом, по меньшей мере по одному из элементов приемных аналоговых трактов должны оставаться исправными, т.е. при выходе из строя антенно-фидерного тракта А1 возможна, например, такая конфигурация приемного аналогового тракта: антенно-фидерный тракт А2 и первый принимающий блок 6, входящий в состав первого приемопередатчика 3, и т.д.
На фиг. 3 изображен штатный вариант коммутации. Использование дополнительных второго и последующих принимающих блоков 6 (входящих в состав второго и последующих приемников 4) позволяет после SIMO обработки полученных от этих блоков данных повысить помехоустойчивость аппаратуры связи. Для оптимального использования дополнительных второго и последующих принимающих блоков 6, в случае, когда один или несколько антенно-фидерных трактов не исправны и/или принимают сигнал помехи, предусмотрена возможность коммутации или полного отключения произвольных потоков, поступивших от первого и последующих принимающих блоков, чтобы не снизить помехоустойчивость аппаратуры связи. На фиг. 4 изображен один из вариантов коммутации в случае выхода из строя и/или приема помехи антенно-фидерного тракта А1. В этом случае второй приемник 4 отключается и полученные им данные не используются в SIMO обработке, а принятый антенно-фидерным трактом А2 аналоговый сигнал коммутируется на первый приемопередатчик 3.
Хотя описанный выше вариант выполнения изобретения был изложен с целью иллюстрации заявленного изобретения, специалистам ясно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла заявленного изобретения, раскрытого в прилагаемой формуле изобретения.