СПОСОБ РАДИОСВЯЗИ С ПРОСТРАНСТВЕННЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ
SPATIAL CHANNELIZATION RADIO COMMUNICATION METHOD

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах наземной радиосвязи по принципу «каждый с каждым».
Известно два основных способа радиосвязи: симплексный и дуплексный. [1. Нефедов В.И. Основы радиоэлектроники и связи: Учеб. Пособие. М.: Высш. шк., 2009, с. 62].
В симплексном способе радиосвязи между двумя пунктами передача и прием сообщений ведется поочередно на одной несущей частоте.
Невозможность одновременных приема-передачи сообщений является недостатком способа.
В дуплексном способе радиосвязи двусторонняя связь осуществляется путем передачи и приема сообщений одновременно в двух пунктах, но на разных несущих частотах.
Недостатком способа является увеличение вдвое потребного частотного ресурса.
Известен сотовый способ радиосвязи, в соответствии с которым двусторонняя связь между двумя подвижными станциями (абонентами) осуществляется путем передачи и приема сообщений одновременно, на разных несущих частотах передачи и приема через базовую приемо-передающую станцию. Для обеспечения многостанционного доступа применяют частотное, временное, кодовое разделение каналов в соответствии с установленными протоколами [1, с. 111].
Недостатком способа является необходимость привлечения значительного частотного ресурса, расширение рабочей полосы частот, необходимой для обеспечения многостанционного доступа.
Из известных способов наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ радиосвязи с пространственным разделением каналов. [2. Баланис К.А., Иоанидес П.И. Введение в смарт-антенны. М.: Техносфера, 2012, с. 61-80]. Способ включает передачу на одном временном интервале на частоте передачи «вверх» сигналов абонентских станций с помощью всенаправленных приемо-передающих антенн, многоканальный прием этих сигналов с помощью приемо-передающей решетки базовой станции, при этом максимум диаграммы направленности каждого парциального канала приема формируют в направлении каждой абонентской станции с обнулением или ослаблением сигналов от прочих абонентских станций. По принятому в каждом канале сигналу определяют станцию-получателя. После чего, с помощью решетки базовой станции, выполняют передачу принятого сигнала на частоте передачи «вниз» с формированием максимума диаграммы направленности в направлении станции-получателя и обнулением или ослаблением сигналов в направлении прочих абонентских станций, затем принимают сигналы базовой станции этой станцией-получателем с помощью ее антенны.
Формирование канальной (парциальной) диаграммы направленности решетки базовой станции выполняют путем весовой обработки принимаемых или передаваемого сигналов. В приемном парциальном канале принятые радиосигналы умножают на весовые коэффициенты приема, суммируют по совокупности антенн и преобразуют в принятое сообщение. В передающем парциальном канале принятое сообщение преобразуют в радиосигнал, который умножают на весовые коэффициенты передачи. Затем суммируют радиосигналы по совокупности парциальных каналов и излучают.
В приемо-передающей решетке базовой станции применяют всенаправленные в горизонтальной плоскости антенны, например вертикальные вибраторы. Принципиально возможна установка двух решеток, приемной и передающей.
В описании способа-прототипа весовые коэффициенты приема-передачи могут быть определены с применением различных критериев, основные из которых: максимального усиления мощности принятого сигнала и максимального увеличения уровня сигнал-шум за счет подавления помехи. В частности, возможно применение критерия максимального правдоподобия, принятого в способе совместного приема радиосигналов совокупности источников излучения. [3. Сычев М.И. Пространственно-временная обработка радиосигналов на основе параметрического спектрального анализа. Антенны, вып.1(47), 2001, с. 70-73].
Согласно [3] определяют амплитудно-фазовое распределение сигналов K' источников излучения на выходах N элементов приемной решетки с представлением в виде матрицы D размером N×K', столбцы которой являются амплитудно-фазовыми распределениями полей отдельных источников.
Исходя из совместного амплитудно-фазового распределения всех принимаемых в рассмотрение сигналов, определяют матрицу весовых коэффициентов приема по формуле
где Н - операция сопряжения по Эрмиту, -1 - операция обращения матрицы.
Соответствующая строка матрицы  есть искомые весовые коэффициенты для приема сигнала требуемого источника излучения на фоне прочих.
Способу-прототипу присущи следующие недостатки. Не обеспечивается одновременная связь каждой абонентской станции с каждой другой абонентской станцией по причине всенаправленности антенн этих станций; увеличенный расход частотно-спектрального ресурса вследствие использования двух рабочих частот, на прием и передачу; низкая надежность, так как выход из строя базовой станции приводит к потери связи между всеми абонентами.
Технической задачей данного изобретения является обеспечения одновременной связи по принципу «каждый с каждым» при сокращении потребного частотного ресурса и повышении надежности связи.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе радиосвязи с пространственным разделением каналов, включающем многоканальную передачу и прием радиосигналов с помощью передающей и приемной решетки антенн-вертикальных вибраторов, в каждом передающем парциальном канале передаваемое сообщение преобразуют в радиосигнал, который умножают на весовые коэффициенты передачи, полученные радиосигналы суммируют по совокупности парциальных каналов и излучают с помощью антенн передающей решетки, излученные радиосигналы принимают с помощью антенн приемной решетки, в каждом приемном парциальном канале принятые радиосигналы умножают на весовые коэффициенты приема, суммируют по совокупности антенн и преобразуют в принятое сообщение, новым является то, что, излучение и прием радиосигналов выполняют одновременно на одной частоте с помощью передающей и приемной решетки каждой станции системы связи разнесенных в дальнюю волновую зону с числом антенн в передающей решетке не менее числа станций, а в приемной решетке не менее удвоенного и предварительно уменьшенного на единицу числа станций, предварительно первоначально определяют весовые коэффициенты передачи парциального канала станции-отправителя по принципу взаимности приема-передачи исходя из обеспечения совместного приема в местах размещения антенн передающей решетки станции-отправителя радиосигнала точечного изотропного излучателя из центра приемной решетки станции-получателя на фоне независимых радиосигналов таких же излучателей из центров прочих приемных решеток, затем, с учетом весовых коэффициентов передачи, определяют весовые коэффициенты приема парциального канала станции-получателя исходя из обеспечения совместного приема радиосигнала станции-отправителя на фоне всех прочих радиосигналов, образующихся при передаче в направлении станции-получателя от станций-отправителей.
Поставленная задача решается также за счет того, что в каждой станции решетки разносят по вертикали и устанавливают их соосно.
Поставленная задача решается также за счет того, что в каждой станции решетки разносят по горизонтали с размещением передающей решетки на биссектрисе максимального угла между соседними прямыми линиями, проходящими через центр приемной решетки этой станции и центры приемных решеток прочих станций, или на перпендикуляре к линии соединения для системы связи из двух станций.
По сути, в настоящем изобретении предлагается каждую станцию системы связи превратить в базовую станцию способа-прототипа с условием одновременного приема и передачи сообщений на одной частоте. Для этого требуется обеспечить развязку принимаемых и излучаемых радиосигналов. Достигается развязка пространственным разносом передающей и приемной решетки и при допустимой, единицы-десятки метров, его величине, преимущественно обработкой сигналов с соответствующими весовыми коэффициентами передачи и приема. Согласно предлагаемому техническому решению при передаче и приеме передающая и приемная решетка станции рассматриваются как дополнительный, к прочим станциям системы связи, объект. В этом принципиальное отличие от способа-прототипа, где такого объекта нет.
В основу операции определения весовых коэффициентов положены принципы приема радиосигналов совокупности источников излучения [3] и взаимности приема-передачи [4. Драбкин А.Л. и др. Антенно-фидерные устройства. М., Сов. радио, 1974, с. 108-111].
В результате выполнения операций предлагаемым способом происходит следующее.
При передаче энергия излучения передающей антенной решетки станции-отправителя концентрируется в центр приемной решетки станции-получателя при одновременном нулевом излучении в центры приемных решеток прочих станций, включая собственную приемную решетку станции-отправителя сообщения.
Формированием нуля излучения в центр собственной приемной решетки, не предусмотренным в способе-прототипе, достигается снижение напряженности поля в местах расположения приемных антенн.
Число контролируемых направлений передачи (максимума и нулей), равно числу станций, соответственно и число антенн передающей решетки должно быть не менее этого.
При приеме число принимаемых антеннами сигналов увеличивается, общее их количество при связи по принципу «каждый с каждым» равно квадрату числа станций, включая сигналы от собственных передающих решеток. Согласно предлагаемому способу из указанного множества изначально исключаются сигналы, формируемые в направлениях не связанных с рассматриваемой станцией, так как, во-первых, от соответствующих излучателей, формируется ноль передачи, а, во-вторых, они значительно удалены. В тоже время все излучения собственной передающей решетки учитывают в силу ее относительной близости и не полной компенсации сигналов от нее в антеннах приемной решетки, когда нуль излучения формируется в центр приемной решетки.
С учетом исключаемых общее число принимаемых в рассмотрение сигналов равно удвоенному и предварительно уменьшенному на единицу числу станций. Число антенн приемной решетки должно быть не менее этого.
Весовые коэффициенты приема и передачи определяют с учетом указанных вариантов совместного приема.
Предлагаемое разнесение решеток по вертикали направлено на обеспечение исходного максимального ослабления излучения передающей решетки в элементах приемной решетки вследствие коллинеарной ориентации осей вибраторов, а в горизонтальной плоскости - на обеспечение максимального углового расстояния между всеми возможными направлениями прихода радиосигналов.
По причине фиксированного закрепления каналов связи отпадает необходимость их коммутации, что обязательно в способе-прототипе, а выход из строя одной или части станций по предлагаемому способу не влечет за собой полной потери связи.
Учет указанных закономерностей в соответствии с предложенными новыми действиями, условиями и порядком их выполнения, позволяет решить поставленную техническую задачу: обеспечить одновременную связь по принципу «каждый с каждым» при сокращении потребного частотного ресурса и повышении надежности связи.
Указанные преимущества и особенности настоящего изобретения поясняются вариантом его осуществления со ссылками на прилагаемые фигуры.
На фиг. 1 показан пример взаимного положения станций, кружками показано положение их приемных, а точками передающих решеток;
на фиг. 2 представлена функциональная схема станции связи;
на фиг. 3, 4 - диаграммы направленности передающего и приемного парциального канала, как функции азимута в точки приема или излучения.
На фиг. 1 станции расположены эквидистантно на окружности заданного радиуса; K - число станций; x, у - абсцисса и ордината декартовой системы координат. При разнесении в горизонтальной плоскости передающую решетку (точки) размещают на биссектрисе максимального угла между соседними прямыми линиями, проходящими через центр приемной решетки (кружки) этой станции и центры приемных решеток прочих станций.
На фиг. 2 в состав станции входит приемная решетка 1 из антенн 2.1-2.М, передающая решетка 3, состоящая из антенн 4.1-4.N, формирователь приемных каналов 5, вычислитель весовых коэффициентов приема 6, вычислитель весовых коэффициентов передачи 7, формирователь передающих каналов 8.
Антенны 2.1-2.М приемной решетки 1 подключены к первым входам формирователя приемных каналов 5. Антенны 4.1-4.N передающей решетки 3 подключены к выходам формирователя передающих каналов 8. Ко второму входу формирователя приемных каналов 5 подключен выход вычислителя весовых коэффициентов приема 6, вход которого соединен с выходом вычислителя весовых коэффициентов передачи 7 и первым входом формирователя передающих каналов 8. Выходами станции являются выходы формирователя приемных каналов 5, сигналы которых передают абонентам 1-(K-1), входами - вторые входы формирователя передающих каналов 8, на которые передают сигналы от абонентов.
Элементы станции могут быть выполнены согласно способу-прототипу, в частности формирователи 5, 8 с применением предлагаемых блок-схем [2, рис. 4.16, 4.18, 4.20].
Принцип радиосвязи по предлагаемому способу поясним применительно к системе, состоящей из K=3 станций связи, расположенных согласно фиг. 1.
Со станции 0 с номером k=0 одновременно и на одной частоте осуществляется дуплексная радиосвязь в прямом и обратном направлении с другими станциями системы, здесь со станцией 1 с номером k=1 и станцией 2 с номером k=2. Аналогично для других станций.
Передача сообщений от абонентов станции 0, фиг. 2, осуществляется путем формирования соответствующих пространственных передающих парциальных каналов (условно говоря, лучей) в формирователе 8 и антенн 4.1-4.N передающей решетки 3. Направления передачи показаны на фиг. 1 исходящими стрелками, задаются изначально и неизменны: от абонента 1 через формирователь 8 к станции 1,…, от абонента K-1 через формирователь 8 к станции K-1.
Прием сообщений абонентами станции 0, фиг. 2, происходит в обратном порядке: первоначально путем преобразования электромагнитных волн в принятые радиосигналы антеннами 2.1-4.М приемной решетки 1, затем формированием соответствующих парциальных приемных каналов в формирователе 5. Направления приема показаны на фиг. 2 входящими стрелками, задаются изначально и неизменны: от станции 1 через приемную решетку 1 и ее антенны 2.1-2.М через формирователь 5 к абоненту 1,…, от станции K-1 через приемную решетку 1 и ее антенны 2.1-2.М через формирователь 5 к абоненту K-1.
В формирователях приемных 5 и передающих 8 каналов реализуются операции способа-прототипа. В каждом передающем парциальном канале передаваемое сообщение преобразуют в радиосигнал, который умножают на весовые коэффициенты передачи, полученные радиосигналы суммируют по совокупности парциальных каналов; в каждом приемном парциальном канале принятые радиосигналы умножают на весовые коэффициенты приема, суммируют по совокупности антенн и преобразуют в принятое сообщение.
Важнейшие подготовительные операции, предшествующие непосредственному проведению сеансов связи, состоят в определении весовых коэффициентов передачи и приема. Рассмотрим соответствующие преобразования применительно к станции связи k=0.
Весовые коэффициенты передачи определяют в вычислителе весовых коэффициентов передачи 7.
Весовые коэффициенты передачи парциальных каналов станции-отправителя k=0 определяют по принципу взаимности, исходя из обеспечения совместного приема в местах размещения антенн передающей решетки станции-отправителя радиосигнала точечного изотропного излучателя из центра приемной решетки станции-отправителя и независимых радиосигналов таких же излучателей из центров передающих решеток прочих k=1, k=2 станций. Весовые коэффициенты, соответствующие приему сигнала от станции-получателя на фоне сигналов от других K-1 станций и сигнала из центра собственной приемной решетки, используют как коэффициенты передачи парциального канала.
Детализируем операцию определения весовых коэффициентов передачи. Введем следующие обозначения:
- координаты центра приемной и передающей решетки в горизонтальной плоскости, реальная часть - по оси x абсцисс, мнимая - по оси у ординат;
k
k
H, h - высота подъема центра приемной и передающей решетки над земной поверхностью, где  - номер станции при общем количестве K;
- координаты антенн приемной и передающей решетки в горизонтальной плоскости, где R, r - радиус приемной и передающей решетки,  - номер приемной антенны при общем количестве М,  - номер передающей антенны при общем количестве N, α=2⋅π/М,  - квант углового положения антенн приемной и передающей решетки;
λ - длина волны излучения;
k - номер станции-отправителя, k'=0,1,…,K-1 - текущий номер станции.
По методике [3], исходя из набегов фаз в рассматриваемых условиях при общем количество принимаемых сигналов равном K определяют амплитудно-фазовое распределение в местах расположения передающих антенн
Верхняя часть формулы (2) соответствует приему сигналов от удаленных станций. Величина  есть угол визирования этих станций от станции-отправителя. Нижняя часть формулы описывает процесс приема сигнала в местах расположения передающих антенн из центра приемной решетки собственной станции. Здесь, из-за относительной близости, важны конкретные расстояния от передающих до приемных антенн станции.
В соответствии с формулами (1), (2) определяют весовые коэффициенты передачи
Номер строки матрицы весовых коэффициентов передачи  при нумерации от 0 до K-1, соответствует номеру станции, в направлении которой формируется максимум излучения.
Весовые коэффициенты приема определяют в вычислителе весовых коэффициентов приема 5.
В соответствии с фиг. 2 при приеме учитывают сигналы от удаленных (K-1) станций и сигналы собственной передающей решетки при передаче сообщений на эти станции. Общее количество сигналов равно K'=2⋅(K-1).
Введем удобную в этом случае нумерацию текущего номера станции
При приеме сигналов удаленных станций амплитудно-фазовое распределение в местах расположения приемных антенн станции-получателя k=0 определяется аналогично верхней части соотношения (2) исходя из взаимного положения станций по формуле
Когда осуществляется прием от собственной передающей решетки при относительной близости ее к решетке приемной и не полной компенсации излучений в приемных антеннах, вследствие концентрации энергии в центр решетки, а не в места расположения приемных антенн, учитывают дополнительные сопутствующие факторы. К ним относятся: фазовые набеги и ослабления сигналов при распространении радиоволн между элементами решеток; диаграммы направленности антенн-вертикальных вибраторов; ранее определенное амплитудно-фазовое распределение в антеннах передающей решетки.
С учетом указанных особенностей амплитудно-фазовое распределение в местах расположения приемных антенн от собственного передатчика определяют по формуле
а
где  - нормировочный коэффициент равный среднему расстоянию между станциями.
2
В формуле (5) амплитудно-фазовое распределение в антеннах передающей решетки учитывается первым множителем  фазовые набеги и ослабление сигналов при распространении радиоволн в свободном пространстве вторым множителем, а диаграммы направленности вертикальных вибраторов в вертикальной плоскости третьим множителем G(⋅).
Диаграмма направленности вертикального вибратора определяется [4, стр. 54] по формуле
где β - угол между осью вибратора и вектором Пойтинга потока электромагнитной энергии.
Затем объединяют амплитудно-фазовые распределения полей отдельных источников (4), (5) по формуле
где
После чего определяют весовые коэффициенты приема
В строках 0 и 1 матрицы  содержатся весовые коэффициенты приема от станций 1 и 2. Строки 2, 3 в данном способе избыточны, но могут использоваться для контроля передаваемых со станции сообщений.
Последующий процесс радиосвязи проиллюстрируем на примере системы связи из K=3 станций при следующих других исходных данных:
а
радиус системы связи Rs = 10 км, соответственно расстояние между станциями =2⋅Rs⋅sin(π/K) = 17,32 км;
0
рабочая частота f = 1000 МГц, соответственно длина волны λ = 0,3 м;
разнос приемной и передающей решетки 5 м;
число антенн приемной и передающей решетки М = 7, N = 5;
их радиусы R=0,50⋅λ, r=0,35⋅λ;
длина вибратора-антенны 0,25⋅λ;
мощность излучения каждой передающей антенны, по каждому сообщению с учетом коэффициента направленного действия антенн Р = 1 Вт.
Обозначим  где j=0,…,5 - комплексные амплитуды сигналов со случайной начальной фазой передаваемых в направлениях соответственно: от станции 0 к станции 1; 0→2; 1→0, 1→2; 2→0 и 2→1.
Амплитудно-фазовое распределение в передающих решетках станций 0, 1, 2 образуется как сумма соответствующих передаваемых сигналов
Сигналы, принимаемые антеннами приемной решетки станции 0, образуются в результате суммирования излучений (9) всех станций
где  - действующая высота антенн,  - шумы приема.
Оценку комплексных амплитуд получают в парциальных каналах приема умножением на матрицу коэффициентов приема (8)
где  - коэффициент нормировки.
Нормировками а, b обеспечивается калибровка коэффициента передачи сообщений с приведением его к единичному значению когда
На фиг. 3, 4 показаны диаграммы направленности передающего и приемного парциального канала станции 0 при передаче в направлении 0→1 и приеме в обратном направлении 1→0 при горизонтальном разносе приемной и передающей решетки. Расчеты выполнены по формулам
где θ - азимут точки приема или излучения.
В обоих диаграммах максимумы формируются в районе 150 град, в направлении станции 1, и нули приема 210 град в направлении станции 2. На фиг. 3 имеется и нуль передачи в направлении 270 град на собственную приемную решетку. На фиг. 4 в районе 90 град, направление на собственный передатчик, наблюдается закономерное снижение уровня.
j
Оценка качества радиосвязи предложенным способом выполнена методом статистического имитационного моделирования исходя из результатов оценки модулей комплексных амплитуд (11). Истинные значения амплитуд передаваемых сигналов установлены равными A=1+0,01⋅j, шумы приема 4,5 мВ, что соответствует напряженности поля шумов на входе приемных антенн 2 мкВ/м. Средний уровень сигнала в приемных антеннах от собственного передатчика составил 2,3 мВ и 83,7 мВ соответственно при вертикальном и горизонтальном разносе решеток, что далеко от предела блокирования приемных устройств. Получены несмещенные оценки амплитуд со средним квадратичным значением 2 мВ, как при горизонтальном так и при вертикальном разносе. Это соответствует отношению сигнал/шум примерно 500 раз, что гарантирует высокое качество связи.
Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает одновременную радиосвязь по принципу «каждый с каждым» при сокращении потребного частотного ресурса и повышении надежности связи.