СПОСОБ ПРОСТРАНСТВЕННОГО КОДИРОВАНИЯ И ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ
METHOD OF SPATIAL CODING AND TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION

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.
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.
В качестве информативного параметра можно использовать не только амплитуду, частоту или фазу несущей, но и поляризацию радиоволны. Известные способы поляризационной модуляции (манипуляции) сигнала основаны на том, что в них в зависимости от значения полезного сигнала происходит модуляция одного из двух или двух параметров одновременно: ϕ - угла эллиптичности или θ - 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 является то, что они достаточно сложны в реализации и не могут обеспечить многопозиционную модуляцию для достаточно больших значений m многопозиционной манипуляции.
Наиболее близким по технической сущности является принятый в качестве прототипа способ кодирования и передачи цифровой информации, который заключается в том, что цифровые сигналы последовательно излучают через антенный блок, содержащий N радиально расположенных в одной плоскости антенн, которые имеют различную поляризацию излучения, а при излучении каждый из цифровых сигналов направляют на определенную антенну, имеющую некоторый угол наклона к горизонту, а следовательно, определенную поляризацию (см. патент РФ №2704742, МПК Н03М 13/00, опубл.2019 г.).
Недостатком способа является относительная сложность его технической реализации, а также недостаточная скорость передачи для малых значений индекса позиционности m и низкая помехоустойчивость при больших значениях m.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение помехоустойчивости и скорости передачи цифровой информации.
2
m
2
m
Решение поставленной технической задачей достигается тем, что в способе кодирования цифровой информации, заключающимся в том, цифровые сигналы излучают в виде радиоволн через антенный блок, содержащий N радиально расположенных в одной плоскости антенн, которые имеют различную поляризацию излучения, для чего антенны располагают в одной вертикальной плоскости и ориентируют под разными углами к горизонту, а при излучении каждый из цифровых сигналов направляют на определенную антенну, имеющую определенный угол наклона к горизонту, а следовательно, определенную поляризацию, отличающийся тем, что антенный блок из N антенн условно разделяют на m независимых секторов, каждый из которых содержит n=N/m антенн, где m ≥ 2, причем антенны каждого из секторов в отдельности или нескольких секторов одновременно при помощи блока управления, на который поступают сигналы от источника цифровой информации, выполнены с возможностью независимого подключения к источнику цифровой информации, при этом последовательность подключения каждой из n антенн внутри каждого из независимых секторов m в зависимости от цифрового кода на выходе блока управления в каждом секторе обеспечена как в порядке возрастания их номеров внутри данного сектора - по часовой стрелке, так и в порядке убывания - против часовой стрелки, позволяя получать (2) различных комбинаций подключаемых секторов и одновременно направления вращения вектора поляризации - по часовой или против часовой стрелки в каждом секторе, при этом каждая из этих комбинаций согласно принятой матрице соотнесена с определенным десятичным числом из множества (2), обеспечивая их взаимно-однозначное соответствие с подлежащим передаче по радиоканалу в данный момент времени этим десятичным числом.
Решение поставленной технической задачи становится возможным благодаря тому, что для передачи различных значений двоичных кодов, появляющихся на выходе источника цифровой информации, к нему подключают (задействуют, активируют) разные комбинации из m секторов антенного блока (их количество может быть от 1 до m) и при этом для разных комбинаций используют разные последовательности подключения антенн внутри задействованных секторов - либо в порядке возрастания, либо в порядке убывания номеров антенн, т.е. различные направления вращения вектора поляризации радиосигнала. Это позволяет повысить скорость и помехоустойчивость радиообмена.
Способ кодирования цифровой информации поясняется чертежами, где
на фиг. 1. представлен принцип пространственного дискретно-поляризационного кодирования цифровой информации для числа секторов m=4, принятым в качестве примера;
на фиг. 2. представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.
На чертежах приняты следующие обозначения:
N - количество антенн в антенном блоке;
1
2
3
4
m, m, m, m - номера секторов антенного блока;
1
2
1
1, 2, …n - номера антенн 1 сектора;
2
2
2
1, 2, …n - номера антенн 2 сектора;
3
3
3
1, 2, …n - номера антенн 3 сектора;
4
4
4
1, 2, …n - номера антенн 4 сектора;
m1
m4
"+/-" α…a - углы поворота вектора поляризации радиосигнала - по часовой и против часовой стрелки, соответственно, связанные с положением в пространстве каждой n антенны в пределах каждого из m (m=4) секторов антенного блока.
Способ пространственного кодирования цифровой информации при беспроводной передаче информации заключается в том, что цифровые сигналы излучают в виде радиоволн через антенный блок, который содержит радиально расположенные в одной плоскости антенны, число которых равно N. Антенны имеют различную поляризацию излучения, при этом антенны располагают в одной вертикальной плоскости и ориентируют под разными углами к горизонту. В процессе излучения каждый из цифровых сигналов направляют на определенную антенну, имеющую определенный угол наклона к горизонту, а следовательно, определенную поляризацию.
Цифровые сигналы излучают в виде радиоволн через антенный блок, который содержит радиально расположенные в одной плоскости антенны, число которых равно N. Антенны имеют различную поляризацию излучения. При этом антенны располагают в одной вертикальной плоскости и ориентируют под разными углами к горизонту. В процессе излучения каждый из цифровых сигналов направляют на определенную антенну, имеющую определенный угол наклона к горизонту, а следовательно, определенную поляризацию.
Для пространственного кодирования цифровой информации антенный блок, содержащий N радиально расположенных в одной плоскости антенн, условно разделяют на m независимых секторов. При равномерном распределении антенн каждый из секторов содержит n=N/m антенн, где m ≥ 2. При помощи блока управления каждый из указанных секторов, как по отдельности, в этом случае подключается один из m секторов, так и нескольких секторов при m ≥ 2 одновременно могут подключаться к источнику цифровой информации. При этом внутри каждого сектора последовательность подключения к источнику цифровой информации каждой из n антенн может производиться в двух направлениях: как в порядке возрастания их номеров внутри данного сектора, т.е. по часовой стрелке, так и в порядке убывания, т.е. против часовой стрелки, обеспечивая, таким образом, вращение вектора поляризации по часовой или против часовой стрелки.
2
m
Такое решение позволяет, в свою очередь, сформировать некоторое количество различных вариантов, иначе - комбинаций, подключения к блоку управления как определенного от 1 до m количества секторов антенного блока, так и одновременно с этим обеспечить выбор одной из двух последовательностей, иначе - направлений подключения антенн внутри данных секторов: по возрастанию номеров антенн от 1 до n или по убыванию их номеров - от n до 1, т.е. в обратном направлении. Всего подобных подключений, как это известно из математики, можно составить (2) вариантов.
Далее при помощи соответствующих зависимостей, которые могут быть представлены в виде таблиц, формул, матриц и т.п., каждый из возможных вариантов подключения выбранных в данный момент секторов и, соответственно, направления подключения антенн внутри выбранных секторов соотносится с неким десятичным числом, подлежащим передаче по радиоканалу в данный момент времени.
1
m
i
i
2
m
Для вычисления количества возможных комбинаций для указанного способа кодирования цифровой информации следует использовать принципы Булевой алгебры (см. Булевы алгебры. Владимиров Д.А., 1969, М: Наука, 319 с). Известно, что Булевой функцией от m переменных (аргументов) называется любая функция f (х, x), причем каждый из ее аргументов x может принимать одно из двух значений 0 или 1. Тогда множество Pm всех булевых функций (количество вариантов) от m переменных, определяется как Pm=(2). В предлагаемом способе в качестве аргумента x, принимающего, согласно приведенной формуле, одно из двух значений "0" или "1", выбирается одно из направлений вращения вектора поляризации (последовательность подключения антенн) внутри любого из m секторов, на которые "разбивается" антенный блок.
Применение предложенного способа позволяет избежать достаточно сложных устройств, обеспечивающих многопозиционную манипуляцию (демодуляцию) несущей при беспроводной передаче цифровой информации, а сводится к использованию электронных коммутаторов и элементов дискретной автоматики, что упрощает схемотехнику каналообразующих устройств и обработку цифровых сигналов при радиообмене.
Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит антенный блок 1 передатчика, блок 2 управления передатчика, источник 3 цифровой информации, антенный блок 4 управления приемника, приемник 6 информации.
Способ пространственного кодирования и передачи цифровой информации реализуется в устройстве следующим образом.
Цифровая информация от источника 3 цифровой информации в виде двоичной цифровой последовательности, соответствующей определенному десятичному числу, поступает на блок 2 управления передатчика. Блок 2 управления передатчика, анализируя полученную двоичную последовательность, согласно матрице соответствия определяет какие именно из секторов m, а также в какой именно последовательности антенны n внутри этих секторов m должны быть подключены (активированы) для передачи данной двоичной последовательности, т.е. данного десятичного числа.
i
i
Далее, в соответствии с заложенным в его работу алгоритмом, блок 2 запускает входящие в его состав устройства, которые подключают, иными словами активизируют антенны того или иного, в других случаях тех или иных секторов антенного блока 1 передатчика, обеспечивая при этом надлежащую последовательность подключения антенн n внутри секторов m - по часовой или против часовой стрелки. Одновременное подключение секторов с различными номерами и различное их количество, а также выбор при этом различной последовательности подключения антенн, иначе направлений вращения вектора поляризации внутри подлежащих активизации секторов m позволяет создать определенное количество комбинаций, соответствующих тому или иному десятичному числу, подлежащему в данный момент времени передаче по каналу связи.
Прием и обработка информации происходит аналогично, но в обратной последовательности. Сигнал в виде радиоволны приходит на антенный блок 4 приемника, далее поступает на блок 5 управления приемника, в котором происходит его логическая обработка, и далее - на приемник 6 цифровой информации.
n1
n4
Число секторов m может быть 2 и более, т.е. m ≥ 2. Технически это означает, что логические "0" и "1" соотносят с возрастающей или убывающей последовательностью номеров подключения предварительно пронумерованных антенн внутри сектора. При этом число комбинаций, которые можно сформировать, выбирая в различных сочетаниях те или иные сектора антенного блока 1, а также варьируя направления "+/-" a…a вращения вектора поляризации внутри каждого из выбранных секторов, определяется по указанной выше известной формуле Булевой алгебры.
Таким образом, создается возможность обеспечить взаимно-однозначное соответствие между каждым вариантом подключения источника 3 цифровой информации к антенному блоку 1, получаемым из комбинаций двух параметров, а именно, "Номера и количество активированных секторов" а также "Направление вращения вектора поляризации внутри активированных секторов" и некоторым десятичным числом, подлежащим передаче через радиоканал. Не трудно видеть, что уже при 4-х секторах, т.е. при m=4 количество чисел, которые можно передать составляет 256. А при m=6 их количество составляет 1024. Достижения подобной эффективности кодирования с приемлемой помехоустойчивостью для традиционных технологий квадратурной амплитудной модуляции (QAM) не является простой или тривиальной задачей.
При этом не требуется абсолютно точной идентификации каждого из цифровых сигналов, приходящих на антенны приемника, что в настоящее время является определяющим критерием для всех известных способов цифрового радиообмена. Существенным преимуществом предлагаемого способа является именно то, что приемнику достаточно распознать в течение тактового периода лишь номера активированных секторов, а также направление вращения вектора поляризации внутри этих секторов, иными словами, определить - какие именно сектора активизированы в данный тактовый период, а также последовательность подключения антенн внутри них. В условиях интенсивного воздействия помех решение подобной задачи является технически более простым по сравнению с задачей точного выделения на фоне помех каждого из цифровых импульсов, а следовательно, и более надежным.
Следует подчеркнуть, что поскольку количество антенн, позволяющих определить направление вращения вектора поляризации в каждом из секторов m несколько, а именно n ≥ 2, то можно утверждать, что данный процесс достаточно надежно зарезервирован, и, следовательно, направление вращения вектора поляризации может быть установлено с высокой степенью достоверности.
Пространственное положение активированных секторов также идентифицируется достаточно просто, поскольку определяющим параметром здесь является именно поляризация электромагнитной волны - параметр, который, как известно, при прочих равных условиях наименее подверженный воздействию естественных, а также преднамеренных помех.
С учетом того, что направлений вращения вектора поляризации всего 2, а количество секторов m антенного блока вряд ли превысит m=5, что соответствует 1024 комбинациям, а при m=6 это уже 4096 комбинаций, соответственно, техническое решение указанной задачи для современного уровня развития схемотехники, а также алгоритмизации обработки сигналов, принципиальных сложностей вызвать не может.
Таким образом, в предлагаемом способе, в алгоритм идентификации полученных сигналов и надежного приема цифровой информации закладывается не достоверный прием индивидуально каждого из переданных цифровых сигналов, как это делается во всех известных способах, а закладываются такие макропараметры, как "направление вращения вектора поляризации" и "номер (а) сектора (ов) антенного блока". Это позволяет существенно снизить влияние, а с учетом динамично изменяющейся поляризации сигнала, практически абстрагироваться от таких понятий, как воздействие помехи на полезный сигнал, а также по-иному рассматривать влияние на устойчивость радиообмена такого фундаментального параметра, как отношение "сигнал/шум". Именно предлагаемый способ кодирования и передачи цифровой информации, позволяющий при передаче цифровой информации оперировать такими интегральными параметрами, как пространственное положение секторов излучения, а также направление вращения вектора поляризации внутри них, а также техническая реализация передачи и приема радиосигнала на их основе, позволяет на принципиально новом уровне решать вопросы повышения помехоустойчивости и скорости радиообмена при передаче цифровой информации.
Таким образом, изобретение позволяет по сравнению с прототипом повысить помехоустойчивость и скорость передачи цифровой информации.