СПОСОБ КОДИРОВАНИЯ И ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ПО РАДИОКАНАЛАМ
METHOD FOR ENCODING AND TRANSMISSION OF DATA ON RADIO CHANNELS

Изобретение относится к системам беспроводной связи, а именно, к технике цифровой связи, и может быть использовано для передачи дискретной информации по каналам радиосвязи.
Известно достаточно много способов физического кодирования цифровой информации. Наиболее эффективной в настоящее время считается многопозиционная манипуляция несущей, которая существует в виде двух основных видов: фазовая PSK и квадратурно-амплитудная QAM.
Известные способы поляризационной модуляции (манипуляции) сигнала основаны на том, что в них в зависимости от значения полезного сигнала происходит модуляция одного или двух параметров одновременно, а именно ϕ - угла эллиптичности или 0 - угла пространственной ориентации эллипса поляризации. Устройства, реализующие данные способы описаны в ряде источников, в частности, см. К.Г. Гусев, А.Д. Филатов, А.П. Сополев. Поляризационная модуляция. - М.: Советское радио, 1974 г., с. 63-161.
Недостатком этих устройств и реализуемых в них способов кодирования является ограничения по скорости передачи данных, связанные со сложностью приема сигналов, подвергнутых многопозиционной манипуляции при достаточно больших значениях параметра m.
Наиболее близким по технической сущности является принятый в качестве прототипа способ пространственного кодирования и передачи цифровой информации, заключающийся в том, что цифровые сигналы излучают в виде радиоволн через антенный блок, содержащий N радиально расположенных в одной плоскости антенн. Антенны имеют различную поляризацию излучения, для чего их располагают в вертикальной плоскости под разными углами к горизонту. Каждый из цифровых сигналов направляют на определенную антенну. Антенный блок из N антенн условно разделяют на n независимых секторов. Антенны каждого из секторов в отдельности или нескольких секторов одновременно при помощи блока управления могут подключаться к источнику цифровой информации независимо (см. патент РФ №2730422, МПК Н03М 13/00, опубл. 2020 г.).
Недостатком известного способа является относительная сложность конструкции антенного блока, связанная с большим количеством входящих в него антенн, а также наличие вероятности «перепутывания» информации, пришедшей с различных антенн вследствие воздействия помех, а также многолучевого излучения.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является упрощение конструкции антенного блока за счет имитации при помощи двоичных кодов ряда виртуальных антенн антенного блока.
Решение поставленной технической задачей достигается тем, что в способе кодирования и передачи данных по радиоканалам, заключающемся в том, что цифровые сигналы излучают в виде радиоволн через антенный блок, связанный с блоком управления и источником информации, согласно изобретению антенный блок выполнен в виде одной антенны, имитирующей ряд виртуальных антенн, причем для каждого из подлежащих излучению цифровых кодов блок управления согласно матрице соответствия направляет последовательно на антенну ряд двоичных кодов, каждый из которых имеет свой уникальный признак, связанный с количеством антенн, в том числе виртуальных, и направлением вращения вектора поляризации, причем количество кодов и порядок их следования однозначно соответствует передаваемому числу, при этом направление вращения вектора поляризации условно имитируют с помощью одноразрядных двоичных кодов «0» или «1», где код «0» соответствует вращению вектора поляризации по часовой стрелке, а код «1» - вращению вектора поляризации против часовой стрелки, создавая общее число комбинаций состояний антенного блока, доступное для передачи массива В различных цифровых кодов от источника цифровой информации, равное множеству чисел, определяемых формулой  где n - число кодов, имитирующих общее количество антенн антенного блока, в том числе виртуальных, m - число возможных состояний антенн, в том числе виртуальных.
Применение кодов, имитирующих антенны и направления вращения векторов поляризации, позволяет использовать антенный блок в виде одной антенны, т.е. упростить конструкцию антенного блока.
Способ кодирования и передачи данных по радиоканалам поясняется чертежом, где представлена структурная схема, поясняющая принцип построения передающего устройства, реализующего способ.
На чертеже приняты следующие обозначения:
1
4
α…α - двоичные коды, имитирующие направление вращения вектора поляризации в виртуальных секторах;
С1…С4 - уникальные коды каждого из виртуальных секторов. Для примера для разных секторов показаны разные направления вращения вектора в виде «0» и «1».
Устройство, реализующее способ, содержит антенный блок 1, в состав которого входит одна антенна, блок 2 управления, источник 3 цифровой информации.
Способ кодирования и передачи данных по радиоканалам, заключается в том, что цифровые сигналы излучают в виде радиоволн через антенный блок, связанный с блоком управления и источником информации. При этом антенный блок выполнен в виде одной антенны, при помощи которой может имитироваться ряд виртуальных антенн. Это достигается тем, что для каждого из подлежащих излучению цифровых кодов блок управления согласно матрице соответствия направляет на антенну последовательно ряд двоичных кодов. Каждый из этих кодов имеет свой уникальный признак, связанный с определенным количеством антенн, в том числе виртуальных, а также с направлением вращения векторов поляризации. Количество кодов и порядок их следования однозначно соответствует передаваемому числу, а направление вращения вектора поляризации условно имитируют с помощью одноразрядных двоичных кодов «0» или «1», где код «0» соответствует вращению вектора поляризации по часовой стрелке, а код «1» - вращению вектора поляризации против часовой стрелки. При этом создается общее число комбинаций состояний антенного блока, т.е. количества имитируемых антенн и соответствующих направлений векторов поляризаций, доступное для передачи массива В цифровых кодов от источника цифровой информации, равное множеству чисел, определяемых формулой
где n - число кодов, имитирующих общее количество антенн антенного блока, в том числе виртуальных,
m - число возможных состояний антенн, в том числе виртуальных.
Подлежащий передаче в эфир цифровой сигнал от источника цифровой информации поступает в блок управления. Блок управления содержит некую базу данных, иными словами массив или матрицу соответствия, которые позволяют поступившему на блок управления сигналу поставить в соответствие некий набор параметров антенного блока, которые и образуют некие коды, однозначно определяющие поступившую в блок управления цифровую информацию от источника информации, и которые в дальнейшем излучаются в эфир.
Под набором параметров понимается, во-первых, количество антенн, в том числе виртуальных, которые предполагается задействовать в данный момент для излучения цифрового сигнала, а во-вторых, направления вращения вектора поляризации электромагнитной волны.
i
1
3
4
i
i
i
i
Формирование виртуальных антенн осуществляется следующим образом. Предположим, необходимо сформировать антенный блок, состоящий, например, из четырех виртуальных антенн. Для этого вводится некий параметр α, который имитирует направление вращения вектора поляризации, связанного с i-й антенной. Количество этих параметров и номера их индексов указывает на антенны, которые задействованы в данный момент. Так, присутствие в сигнале параметров α, α, α означает, что в передаче сигнала участвуют три антенны с условными номерами 1, 3, 4. Вращение вектора поляризации может происходить либо по часовой, либо против часовой стрелки, при этом параметр α принимает, соответственно, два значения: «0» или «1». Для того, чтобы приемник мог распознать значение каждого из параметров α, каждый из них кодируется своим уникальным кодом, иными словами ему присваивается свой код - Ci. Таким образом, параметр α, а именно его состояния - «0» или «1» - кодируются одним из известных способов. Это может быть, например, амплитудное, частотное, фазовое, кодовое или амплитудно-фазовое кодирование. В дальнейшем именно по данному коду Ci приемник определяет, какие именно антенны антенного блока, в том числе виртуальные, были задействованы, а численное значение этого параметра α - «0» или «1» - указывает направление вращение вектора поляризации.
i
i
Если в принятом сигнале на данном такте какого-то из параметров (или нескольких параметров) α не окажется, то это означает, что данная антенна α в передаче цифрового фрагмента в указанном временном интервале не участвовала (или не участвовали).
i
С блока 2 управления на антенный блок 1, таким образом, последовательно поступают один или несколько различных значений параметра α, каждый из которых представляют собой двоичные «0» или «1», закодированные уникальными кодами, которые «привязаны» к номерам виртуальных антенн, что впоследствии и позволяет приемнику идентифицировать антенны, участвовавшие в передаче сигнала.
i
Если учесть, что порядок следования параметров α при помощи блока 2 управления можно изменять в зависимости от передаваемого числа, то общее количество знаков, которые могут быть переданы - алфавит, согласно правилам Комбинаторики может быть рассчитано по формуле:
Рассмотрим пример для четырех антенн, когда число состояний m, в котором могут находиться антенны, в том числе виртуальные, составляет m=3. При этом:
• первое состояние - это состояние, когда антенна не активирована;
• второе состояние - состояние, когда антенна активирована, при этом вектор поляризации вращается по часовой стрелке;
• третье состояние - состояние, когда антенна активирована, при этом вектор поляризации вращается против часовой стрелки.
4
10
5
15
Применив аппарат раздела математики "Комбинаторика" (см., например, Комбинаторика, Виленкин Н.Я., Виленкин А.Н., Виленкин П.А., 2006), не трудно показать, что в нашем случае для m=3 можно получить общее число различных комбинаций состояний антенного блока для n=4 антенн, равное В=4!3=24 81=1944. Таким образом, любое из 1944 чисел мы можем передать, посылая в эфир последовательно всего лишь четыре сигнала. В существующих технологиях для передачи близкого к этому числу - числа 1024, необходимо передать в эфир 10 символов, поскольку 1024 это 2. То есть выигрыш предлагаемой технологии в «плотности упаковки» бит по сравнению с известными технологиями более, чем в 10/4=2,5 раза. Если же принять n=5, то В=5!3=120 243=29 160. И если учесть, что 2=32768, то можно сказать, что в данном случае изобретение позволяет увеличить плотность упаковки сигналов почти в 5 раз. При этом следует подчеркнуть, что предлагаемая технология позволяет производить кодирование сигналов наиболее помехоустойчивыми методами, что является ее дополнительным преимуществом.
Каждый из наборов параметров, согласно принятому правилу, соотносится с цифровым кодом, который необходимо передать в эфир в данный момент. Указанное соответствие с использованием блока 2 управления, содержащего соответствующую базу данных, может быть установлено в виде таблиц, формул, матриц соответствия и т.п.
1
4
Таким образом, некое двоичное число, подлежащее передаче по радиоканалу в данный момент времени, соотносится как с одним из возможных количеством выбранных в данный момент виртуальных антенн, так и с направлениями вращения α…α векторов поляризации. Последние различаются при помощи одноразрядного кода: подача на антенну кода «0» означает, что вектор вращается по часовой стрелке, а кода «1» - означает, что вектор вращается против часовой стрелки.
В предлагаемом способе номер виртуальной антенны, а также направления вращения вектора поляризации определяется не за счет последовательного подключения расположенных в одной плоскости под разным углом антенн («физическое» вращение), как это было предусмотрено в прототипе, а определяется соответствующими кодами, имитирующими как виртуальные антенны, так и направление вращения векторов поляризации. Количество кодов соответствует количеству виртуальных антенн, которые предполагается создать. В нашем примере их четыре. Все четыре кода подаются на антенну последовательно в определенном порядке. Порядок следования кодов может быть разным, он определяется блоком 2 управления и зависит от значения числа, отобранного им в базе данных или матрице соответствия для последующего излучения в эфир. Поясним сказанное.
1
2
3
4
Пусть α, α, α, α - коды, указывающие направления вращения векторов поляризации в 1-й…4-й виртуальных антеннах. См. таблицу.
Из таблицы следует, что в излучении сигнала участвуют все четыре антенны, причем на первой и четвертой антеннах вращение вектора поляризации происходит по часовой стрелке (код «0»), а на второй и третьей (код «1») - против.
1
4
При этом каждая из переменных αi, т.е. «0» или «1», указывающих на направление вращения вектора, кодируется своим уникальным кодом С…С, позволяющим однозначно «привязать» данный параметр к той или иной антенне. То есть позволяет не только отличить одну антенну, от других, но и однозначно указать на направление вращения каждого вектора поляризации.
1
4
В таблице эти коды обозначены как Ci. В дальнейшем это позволит приемнику не только определить, какие именно виртуальные антенны были задействованы для передачи информации, но также и определить последовательность излучения в эфир и поступления на приемник параметров α…α, иными словами, позицию каждого из них в последовательности.
Например, если поступление кодов в последовательности C1 - С2 - С3 - С4 приемник при помощи матрицы соответствия определит как число N1, то поступление кодов в последовательности С3 - С2 - С4 - С1 будет расшифровано приемником уже как число N2.
Подобное техническое решение позволяет для расчета алфавита системы воспользоваться приемами Комбинаторики, согласно которым общее число комбинаций определяется по формуле  где n - число кодов, имитирующих общее количество антенн антенного блока, в том числе виртуальных, m - число возможных состояний антенн, в том числе виртуальных.
За счет того, что на антенну поступает не один, а несколько кодов, в нашем примере - четыре, имитирующих, соответственно, четыре антенны, при помощи одной антенны можно имитировать произвольное число антенн, а следовательно, расширять алфавит в любых пределах. Это, в свою очередь, упрощает работу передатчика, приемника и системы радиообмена в целом.
Задача блока 2 управления заключается в том, чтобы сделать надлежащую выборку числа из данного массива (матрицы) и присвоить ему кодирующие признаки на основе параметров n, m из множества  образованного различными комбинациями указанных кодирующих признаков. Полученный таким образом виртуальный код подается далее на антенный блок, состоящий из одной антенны.
1
4
1
4
Обработка сигналов в приемном устройстве может быть реализована различными способами, хорошо известными на современном уровне развития радиотехников любом случае приемник должен содержать исходные коды С…С, при помощи которых кодируются параметры α…α, и перемножая на которые входной сигнал, приемник выделяет полезную информацию.
1
4
Входной сигнал анализируется на наличие или отсутствие какого-либо из параметров α…α с той или иной виртуальной антенны. Кроме того, фиксируется последовательность появления их в приемнике, определяя, таким образом, позицию номера той или иной антенны во входном сигнале. На основании этих данных делается вывод о значении полученного от приемника кода. Указанный код соответствует некоторому фрагменту (числу) передаваемой цифровой информации. Это позволяет приемнику идентифицировать полученную информацию и соотнести ее с собственной матрицей, идентичной содержащейся в передатчике, и, расшифровав его таким образом, передать получателю цифровой информации об излученном сигнале. Способ позволяет обеспечить однозначное соответствие конкретного фрагмента цифровой информации и значения сформированного при помощи блока управления кода, который в дальнейшем излучается в эфир и расшифровывается в приемнике.
Таким образом, изобретение позволяет упростить конструкцию антенного блока за счет имитации при помощи двоичных кодов ряда виртуальных антенн антенного блока.