АППАРАТ И СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ С МОБИЛЬНОГО ОБЪЕКТА
DEVICE AND DATA TRANSFER SYSTEM FROM THE MOBILE FACILITY

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к аппаратам и системам передачи данных с мобильного объекта, и может использоваться для обмена данными между мобильным объектом и его пунктом дистанционного управления.
К мобильным объектам могут относиться любые мобильные объекты, в том числе необитаемые (самоходные роботы, беспилотные летательные аппараты и др.). Для управления этими объектами по радиоканалу используется пункт дистанционного управления. Мобильные объекты могут принимать любое положение относительно пункта дистанционного управления.
При организации радиоканала между мобильным объектом и пунктом дистанционного управления (ПДУ) важным аспектом является эффективность радиоканала, которая сильно зависит от приемопередающей антенны аппаратуры передачи данных. Поскольку ПДУ неподвижен, на нем может использоваться направленная (секторная) антенна, сориентированная по направлению на сектор применения мобильного объекта. Поскольку мобильный объект может принимать любое положение относительно ПДУ, на нем не всегда может быть установлена направленная антенна, в то время как всенаправленная антенна неэффективна ввиду того, что излучает мощность во все стороны, а не по направлению на ПДУ. Для решения этой проблемы могут использоваться антенны с переключаемым лучом (АПЛ).
Антенны с переключаемым лучом - это набор излучателей с неподвижной диаграммой направленности и ключ для переключения входа/выхода антенны на один из этих излучателей. В данном случае под излучателем понимается антенный элемент, который функционирует и как передающий (для излучения сигналов), и как приемный (для приема сигналов).
Заявленный аппарат передачи данных (АПД) выполнен на основе технологии ортогонального частотного уплотнения (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing - OFDM) с  разделением прямого и обратного каналов (Time Division Duplexing - TDD). Один комплект АПД является ведущим (установлен на ПДУ), другой комплект АПД является ведомым (установлен на мобильном объекте). Ведущий комплект АПД инициирует информационный обмен. На мобильном объекте установлена АПЛ, работающая согласованно со структурой OFDM TDD сигнала АПД.
Метод TDD использует  разделение - то есть и прием, и передача ведутся на одной и той же частоте, но попеременно: сеанс связи делится на временные интервалы (таймслоты), и одни из них используются для передачи, а другие для приема. Длительность таймслота измеряется миллисекундами, поэтому с точки зрения абонентов передача данных выглядит одновременной. Главное преимущество метода TDD заключается в том, что можно управлять соотношением таймслотов, выделенных на прием и передачу, и таким образом полностью использовать частотный ресурс. Таймслот на передачу от ведущей АПД и таймслот на прием от ведомой АПД образуют фрейм радиоканала, который имеет фиксированную длительность.
OFDM является цифровой схемой модуляции, которая использует большое количество (от нескольких десятков до нескольких тысяч) близко расположенных ортогональных поднесущих. Каждая поднесущая модулируется по обычной схеме модуляции (например, бинарная или квадратурная фазовая манипуляция (BPSK и QPSK соответственно), или квадратурная амплитудная модуляция (QAM)) на низкой символьной скорости, сохраняя общую скорость передачи данных, как и у обычных схем модуляции одной несущей в той же полосе пропускания. Таким образом, сигнал OFDM - это сумма ортогональных поднесущих, на каждой из которых передаваемые на основной частоте данные независимо модулируются 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, Artech House (2004), 294 p.
Наиболее близкими к заявленному изобретению являются система и способ цифрового диаграммообразования антенн в системах OFDM/TDD, описанные в патенте US 7889805.
Данные система и способ выбраны в качестве прототипов заявленного изобретения.
К недостаткам применения таких методов в мобильной аппаратуре OFDM/TDD относится увеличенное энергопотребление за счет использования производительных DSP-процессоров (что критично для мобильных объектов с автономным электропитанием) и сложность реализации алгоритмов формирования диаграммы направленности.
Техническим результатом заявленного изобретения является создание аппарата и системы передачи данных с мобильного объекта с уменьшенным энергопотреблением, за счет отсутствия производительных DSP-процессоров и менее сложного метода формирования диаграммы направленности на основе технологий OFDM/TDD и антенны с переключаемым лучом, который обеспечивает периодический анализ и выбор наилучшего излучателя антенны с переключаемым лучом для приема и передачи информации путем последовательного электронного переключения всех излучателей антенны с переключаемым лучом для приема тестовых фреймов и оценки по ним качества связи через каждый излучатель антенны с переключаемым лучом.
Поставленный технический результат достигнут путем создания аппарата передачи данных с мобильного объекта, содержащего процессор, соединенный с модемом OFDM и радиомодулем, который соединен с усилителем мощности, который соединен с коммутатором TDD, который соединен с радиомодулем и модемом OFDM, причем аппарат передачи данных выполнен с возможностью работы в ведущем режиме, при этом установки на пункте дистанционного управления и соединения коммутатора TDD с направленной внешней антенной, а также выполнен с возможностью работы в ведомом режиме, при этом установки на мобильном объекте и соединения коммутатора TDD с внешней антенной с переключаемым лучом, причем аппараты передачи данных, работающие в ведущем и ведомом режиме выполнены с возможностью соединения и передачи данных между собой по радиоканалу через направленную внешнюю антенну и внешнюю антенну с переключаемым лучом, при этом
- процессор выполнен с возможностью управления модемом OFDM и радиомодулем, с возможностью передачи данных в модем OFDM и считывания принятых данных из модема OFDM, а также с возможностью обмена информационными данными с внешним источником;
- модем OFDM выполнен с возможностью формирования OFDM сигнала в режиме передачи и обработки OFDM сигнала в режиме приема данных, а также с возможностью управления коммутатором TDD;
- радиомодуль в режиме передачи выполнен с возможностью переноса сформированного OFDM модемом сигнала промежуточной частоты (ПЧ) на высокую частоту (ВЧ) для последующей передачи на усилитель мощности; в режиме приема выполнен с возможностью усиления и переноса высокочастотного сигнала с АПЛ через коммутатор TDD на промежуточную частоту для последующей передачи в OFDM модем;
- усилитель мощности выполнен с возможностью усиления мощности высокочастотного сигнала, получаемого от радиомодуля, для последующей передачи через коммутатор TDD на антенну с переключаемым лучом;
- коммутатор TDD под управлением модема OFDM выполнен с возможностью переключения режимов передачи и приема, при этом в режиме передачи с возможностью передачи на антенну с переключаемым лучом сигнала с усилителя мощности, а в режиме приема с возможностью передачи на вход радиомодуля сигнала с антенны с переключаемым лучом;
- антенна с переключаемым лучом в режиме передачи выполнена с возможностью приема от усилителя мощности через коммутатор TDD и излучения в эфир высокочастотного сигнала через один из излучателей антенны с переключаемым лучом, а в режиме приема с возможностью приема из эфира высокочастотного сигнала через тот же излучатель и передачи его через коммутатор TDD в радиомодуль;
- модем OFDM ведомого аппарата передачи данных выполнен с возможностью сканирования, обнаружения и синхронизации с сигналом ведущего аппарата передачи данных;
- процессор аппарата передачи данных в ведущем режиме выполнен с возможностью приема служебной информации от процессора аппарата передачи данных в ведомом режиме, при этом, запуска счетчика фрейма и синхронизации его по времени и по номеру;
- аппарат передачи данных, работающий в ведущем режиме, выполнен с возможностью передачи М тестовых фреймов, не содержащих полезной информации, где М - количество излучателей антенны с переключаемым лучом, причем содержимое тестового фрейма задано заранее, а аппарат передачи данных в ведомом режиме выполнен с возможностью оценки отношения сигнал/шум на основе тестового фрейма, при этом через каждые N принятых фреймов коммутатор TDD, соединенный с внешней антенной с переключаемым лучом, выполнен с возможностью последовательного переключения антенны с переключаемым лучом на каждый из М ее излучателей, с возможностью приема тестового фрейма через каждый из М ее излучателей, с возможностью вычисления отношения сигнал/шум на основании тестового фрейма, и с возможностью передачи значения отношения сигнал/шум в память процессора, которая выполнена с возможностью хранения М значений отношений сигнал/шум после окончания каждого цикла передачи данных, процессор выполнен с возможностью определения наибольшего значения отношения сигнал/шум, при этом формирования управляющего сигнала и подачи его на коммутатор TDD, соединенный с внешней антенной с переключаемым лучом, который выполнен с возможностью переключения антенны на излучатель, которому соответствует наибольшее значение отношения сигнал/шум.
В предпочтительном варианте осуществления аппарата внешний источник выполнен в виде сети Ethernet.
В предпочтительном варианте осуществления аппарата процессор аппарата передачи данных, работающего в ведомом режиме, выполнен с возможностью приема служебной информации от процессора аппарата передачи данных, работающего в ведущем режиме, при этом, запуска счетчика фрейма и синхронизации его по времени, с учетом времени начала приема модемом OFDM на выходе антенны аппарата передачи данных, работающего в ведомом режиме, сигнала аппарата передачи данных, работающего в ведущем режиме, и с учетом времени задержки распространения сигнала служебной информации аппарата передачи данных, работающего в ведущем режиме, и по номеру из служебной информации аппарата передачи данных, работающего в ведущем режиме.
В предпочтительном варианте осуществления коммутатор TDD, соединенный с внешней антенной с переключаемым лучом, выполнен на пин-диодах и время коммутации его входа на любой из выходов составляет не более 1 мкс.
В предпочтительном варианте осуществления аппарата антенна с переключаемым лучом содержит излучатели, соединенные с коммутатором, высокочастотный вход-выход которого соединен с коммутатором TDD, а управляющий вход с управляющим выходом процессора.
Поставленный технический результат достигнут также путем создания системы передачи данных с мобильного объекта, включающей в себя аппарат передачи данных, работающий в ведущем режиме, установленный на пункте дистанционного управления и соединенный с направленной внешней антенной, а также аппарат передачи данных, работающий в ведомом режиме, установленный на мобильном объекте и соединенный с внешней антенной с переключаемым лучом, причем аппараты передачи данных, работающие в ведущем и ведомом режиме выполнены с возможностью соединения и передачи данных между собой по радиоканалу через направленную внешнюю антенну и внешнюю антенну с переключаемым лучом, при этом аппарат передачи данных, работающий в ведущем режиме, содержит процессор, соединенный с модемом OFDM и радиомодулем, который соединен с усилителем мощности, который соединен с коммутатором TDD, который соединен с радиомодулем, модемом OFDM и направленной внешней антенной, а аппарат передачи данных, работающий в ведомом режиме, содержит процессор, соединенный с модемом OFDM и радиомодулем, который соединен с усилителем мощности, который соединен с коммутатором TDD, который соединен с радиомодулем, модемом OFDM и внешней антенной с переключаемым лучом, при этом
- процессор выполнен с возможностью управления модемом OFDM и радиомодулем, с возможностью передачи данных в модем OFDM и считывания принятых данных из модема OFDM, а также с возможностью обмена информационными данными с внешним источником;
- модем OFDM выполнен с возможностью формирования OFDM сигнала в режиме передачи и обработки OFDM сигнала в режиме приема данных, а также с возможностью управления коммутатором TDD;
- радиомодуль в режиме передачи выполнен с возможностью переноса сформированного OFDM модемом сигнала промежуточной частоты (ПЧ) на высокую частоту (ВЧ) для последующей передачи на усилитель мощности; в режиме приема выполнен с возможностью усиления и переноса высокочастотного сигнала с АПЛ через коммутатор TDD на промежуточную частоту для последующей передачи в OFDM модем;
- усилитель мощности выполнен с возможностью усиления мощности высокочастотного сигнала, получаемого от радиомодуля, для последующей передачи через коммутатор TDD на антенну с переключаемым лучом;
- коммутатор TDD под управлением модема OFDM выполнен с возможностью переключения режимов передачи и приема, при этом в режиме передачи с возможностью передачи на антенну с переключаемым лучом сигнала с усилителя мощности, а в режиме приема с возможностью передачи на вход радиомодуля сигнала с антенны с переключаемым лучом;
- антенна с переключаемым лучом в режиме передачи выполнена с возможностью приема от усилителя мощности через коммутатор TDD и излучения в эфир высокочастотного сигнала через один из излучателей антенны с переключаемым лучом, а в режиме приема с возможностью приема из эфира высокочастотного сигнала через тот же излучатель и передачи его через коммутатор TDD в радиомодуль;
- модем OFDM аппарата передачи данных, работающего в ведомом режиме, выполнен с возможностью сканирования, обнаружения и синхронизации с сигналом аппарата передачи данных, работающего в ведущем режиме;
- процессор аппарата передачи данных, работающего в ведущем режиме, выполнен с возможностью приема служебной информации от процессора аппарата передачи данных, работающего в ведомом режиме, при этом, запуска счетчика фрейма и синхронизации его по времени и по номеру;
- аппарат передачи данных, работающий в ведущем режиме выполнен с возможностью передачи М тестовых фреймов, не содержащих полезной информации, где М - количество излучателей антенны с переключаемым лучом, причем содержимое тестового фрейма задано заранее, а аппарат передачи данных, работающий в ведомом режиме выполнен с возможностью оценки отношения сигнал/шум на основе тестового фрейма, при этом через каждые N принятых фреймов коммутатор TDD, соединенный с внешней антенной с переключаемым лучом, выполнен с возможностью последовательного переключения антенны с переключаемым лучом на каждый из М ее излучателей, с возможностью приема тестового фрейма через каждый из М ее излучателей, с возможностью вычисления отношения сигнал/шум на основании тестового фрейма, и с возможностью передачи значения отношения сигнал/шум в память процессора, которая выполнена с возможностью хранения М значений отношений сигнал/шум после окончания каждого цикла передачи данных, процессор выполнен с возможностью определения наибольшего значения отношения сигнал/шум, при этом формирования управляющего сигнала и подачи его на коммутатор TDD, соединенный с внешней антенной с переключаемым лучом, который выполнен с возможностью переключения антенны на излучатель, которому соответствует наибольшее значение отношения сигнал/шум.
В предпочтительном варианте осуществления системы внешний источник выполнен в виде сети Ethernet.
В предпочтительном варианте осуществления системы процессор аппарата передачи данных, работающего в ведомом режиме, выполнен с возможностью приема служебной информации от процессора аппарата передачи данных, работающего в ведущем режиме, при этом, запуска счетчика фрейма и синхронизации его по времени, с учетом времени начала приема модемом OFDM на выходе антенны аппарата передачи данных, работающего в ведомом режиме, сигнала аппарата передачи данных, работающего в ведущем режиме, и с учетом времени задержки распространения сигнала служебной информации аппарата передачи данных, работающего в ведущем режиме, и по номеру из служебной информации аппарата передачи данных, работающего в ведущем режиме.
В предпочтительном варианте осуществления системы коммутатор TDD, соединенный с внешней антенной с переключаемым лучом, выполнен на пин-диодах и время коммутации его входа на любой из выходов составляет не более 1 мкс.
В предпочтительном варианте осуществления системы антенна с переключаемым лучом содержит излучатели, соединенные с коммутатором, высокочастотный вход-выход которого соединен с коммутатором TDD, а управляющий вход с управляющим выходом процессора.
Для лучшего понимания заявленного изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующими графическими материалами.
Фиг. 1. Схема принципа работы системы, состоящей из двух аппаратов передачи данных, один из которых, работающий в ведомом режиме, установлен на мобильном объекте и оснащен антенной с переключаемым лучом, а другой, работающий в ведущем режиме, установлен на пункте дистанционного управления и оснащен направленной (секторной) антенной, выполненная согласно изобретению.
Фиг. 2. Схема аппарата передачи данных, работающего в ведущем режиме, и соединенного с направленной (секторной) антенной, выполненная согласно изобретению.
Фиг. 3. Схема аппарата передачи данных, работающего в ведомом режиме и соединенного с антенной с переключаемым лучом, выполненная согласно изобретению.
Фиг. 4. Схема антенны с переключаемым лучом, состоящей из шести излучателей, выполненная согласно изобретению.
Фиг. 5. Пример диаграммы направленности (в горизонтальной плоскости) излучателей антенны с переключаемым лучом, состоящей из шести излучателей, выполненной согласно изобретению.
Элементы:
1 - аппарат передачи данных, работающий в ведущем режиме;
2 - аппарат передачи данных, работающий в ведомом режиме;
3 - антенна с переключаемым лучом;
4 - направленная антенна;
5 - процессор;
6 - модем OFDM;
7 - радиомодуль;
8 - усилитель мощности;
9 - коммутатор TDD;
10 - коммутатор антенны с переключаемым лучом;
11 - излучатель антенны с переключаемым лучом;
Сущность заявленного изобретения заключается в следующем. Между ПДУ и мобильным объектом установлен радиоканал, а АПД мобильного объекта постоянно анализирует качество связи через каждый излучатель АПЛ (последовательно) и использует излучатель, через который обеспечивается наилучшее качество связи.
Рассмотрим подробнее функционирование заявленных аппарата и системы передачи данных с мобильного объекта (фиг. 1-5).
Процессор 5 осуществляет управление модемом OFDM 6 и радиомодулем 7, передачу данных в модем OFDM 6 и считывание принятых данных из модема OFDM 6, прием и передачу информационных данных из/в сеть Ethernet.
Модем OFDM 6 осуществляет формирование OFDM сигнала в режиме передачи и обработку OFDM сигнала в режиме приема, а также управление коммутатором TDD 9.
Радиомодуль 7 в режиме передачи осуществляет перенос сформированного OFDM модемом 6 сигнала промежуточной частоты (ПЧ) на высокую частоту (ВЧ) для последующей передачи на усилитель мощности 8; в режиме приема осуществляет усиление и перенос высокочастотного сигнала с АПЛ через коммутатор TDD 9 на промежуточную частоту для последующей передачи в OFDM модем 6.
Усилитель мощности 8 осуществляет усиление мощности высокочастотного сигнала, получаемого с радиомодуля 7, для последующей передачи через коммутатор TDD 9 на АПЛ 3.
Коммутатор TDD 9 под управлением модема OFDM 6 осуществляет переключение режимов передачи и приема, в режиме передачи выдавая на АПЛ 3 сигнал с усилителя мощности 8, в режиме приема выдавая сигнал с АПЛ 3 на вход радиомодуля 7.
АПЛ 3 в режиме передачи принимает от усилителя мощности 8 через коммутатор TDD 9 и излучает высокочастотный сигнал в эфир (через один из излучателей 11 АПЛ), а в режиме приема принимает из эфира высокочастотный сигнал (через тот же излучатель 11 АПЛ) и передает его через коммутатор TDD 9 на радиомодуль 7.
Заявленный АПД функционирует следующим образом (фиг. 1-5). Процессор 5 АПД 2 мобильного объекта конфигурируется в режим работы «ведомый». Процессор 5 АПД 1 ПДУ конфигурируется в режим работы «ведущий». На АПД 2, работающем в ведомом режиме, первоначально производится сканирование модемом OFDM 6 сигнала АПД 1, работающего в ведущем режиме, и, при обнаружении и синхронизации с сигналом АПД 1, работающего в ведущем режиме, процессор 5 АПД 2, работающего в ведомом режиме, принимает служебную информацию от процессора 5 АПД 1, работающего в ведущем режиме, при этом, запускает счетчик фрейма и синхронизирует его по времени (с учетом времени начала приема модемом OFDM 6 на выходе АПЛ 3 АПД 2, работающего в ведомом режиме, сигнала АПД 1, работающего в ведущем режиме, и с учетом времени задержки распространения сигнала из служебной информации ведущего АПД 1) и по номеру (из служебной информации ведущего АПД 1).
Коммутатор 9 АПЛ 3 выполнен на пин-диодах (изделие, известное из уровня техники), и время коммутации его входа на любой из выходов составляет не более 1 мкс.
Работа АПД 1, работающего в ведущем режиме, (АПД ПДУ) устроена таким образом, что через каждые N фреймов он передает М тестовых фреймов, не содержащих полезной информации (где М - количество излучателей АПЛ мобильного объекта). Содержимое тестового фрейма заранее известно, что позволяет АПД 2, работающего в ведомом режиме, на мобильном объекте оценить на его основе отношение сигнал/шум (ОСШ, который характеризует качество принятого сигнала).
Через каждые N принятых фреймов коммутатор АПЛ 10 последовательно переключает АПЛ 3 на каждый из М излучателей 11, и принимает через каждый из М излучателей 11 тестовый фрейм, на основании которого вычисляется отношение сигнал/шум (показатель качества принятого через данный излучатель 11 сигнала (всего М значений)) при приеме через каждый из М излучателей 11, и заносится в память процессора 5. После окончания этого цикла, в памяти процессора 5 хранится М значений ОСШ, из которых процессором 5 выбирается наибольшее значение. На основании сделанного выбора в процессоре 5 формируется управляющий сигнал, который подается на коммутатор АПЛ 10 для переключения на излучатель 11, которому соответствует наибольшее ОСШ. Последующие N фреймов принимаются и передаются через этот излучатель 11. После чего процедура повторяется.
Поскольку оценка ОСШ производится по тестовым фреймам (в которых не содержится полезной информации), полезная информация, передаваемая от АПД 1 ПДУ на АПД 2 мобильного объекта (и обратно) не теряется во время оценки ОСШ при приеме через каждый излучатель 11 АПЛ 3.
Величина N определяет время, в течение которого прием и передача данных ведется через излучатель 11, выбранный в качестве наилучшего по критерию ОСШ. В зависимости от степени мобильности объекта и скорости изменения характеристик канала распространения, величина N может меняться, ее значение не влияет на суть изобретения.
Заявленный аппарат передачи данных может работать с более сложными АПЛ 3, состоящими из большего количества излучателей, каждый из которых может обладать разной эффективностью и электрическими характеристиками.
Хотя описанный выше вариант выполнения изобретения был изложен с целью иллюстрации настоящего изобретения, специалистам ясно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла настоящего изобретения, раскрытого в прилагаемой формуле изобретения.