Исследование характеристик помехоустойчивости СКК в системах радиосвязи с приземным расположением антенн

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ

СКК В СИСТЕМАХ РАДИОСВЯЗИ С ПРИЗЕМНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ АНТЕНН

Самойлов Юрий Валерьевич,

аспирант, СГАУ им. академика С.П. Королёва,

инженер 2 категории, филиал ФГУП НИИР - СОНИИР,

Самара, Россия, samoilov.yv@soniir.ru

Лучин Дмитрий Вячеславович,

к.т.н., первый заместитель директора филиала ФГУП НИИР - СОНИИР, Самара, Россия, dmyl@soniir.ru

Ключевые слова: приземное расположение антенн, IEEE 802.15.4, каналы с релеевскими замираниями, модель Джейкса, многолучевое распостранение.

Рассмотрены возможности применения сигнально-кодовых конструкций (СКК) в особых условиях, таких как жесткое ограничение на мощность излучаемого сигнала и приземное расположение антенн соответствующих приёмо-передающих устройств. В ходе исследований были сопоставлены теоретические знания о приземном канале распространения и результаты экспериментов на соответствующей реальной трассе.

Полученные выводы, привели к решению создания модели-имитатора радиоканала, позволяющей более оперативно проводить необходимые исследования характеристик помехоустойчивости исследуемой СКК. В качестве основы для имитатора была использована модель У.Джейкса, позволяющая описать вид комплексной амплитуды сигнала, подверженного рэллеевским замираниям. Подтверждением того факта, что реализованная модель адекватно описывает рэллевские процессы, явилось сравнения результатов численных экспериментов и моделирования. Приведены параметры модели, при которых распределение, полученное с помощью моделирования, соответствует распределению, полученному в ходе натурных измерений. В качестве проверки помехоустойчивости был выбран вариант реализации системы связи стандарта IEEE 802.15.4g. Приведены графики помехоустойчивости для различных режимов работы выбранного стандарта.

Для цитирования:

Самойлов Ю.В., Лучин Д.В. Исследование характеристик помехоустойчивости СКК в системах радиосвязи с приземным расположением антенн // Т-Сотт: Телекоммуникации и транспорт. - 2015. - Том 9. - №11. - С. 7-11.

For citation:

Samoilov Yu.V., Lucin D.V. Immunity characteristics JCC in a radio system with ground antenna location. T-Comm. 2015. Vol. 9. No.11, pp. 7-11. (in Russian).

Рассмотрим детально причины возникновения эффекта многолучевого распространения сигнала в условиях приземного расположения приёмопередающих устройств. Даже при идеально плоской поверхности земли эллипсоид доминантной (существенной для распространения) области радиолинии будет частично проходить под землей. При этих условиях поле в точке приема будет представлять собой суперпозицию полей весьма большого числа парциальных волн, обусловленных рассеянием на подстилающей поверхности, неровностях местного рельефа, местных предметах (зданий, сооружений и т.д.), придающих процессу распространения излучения многолучевой характер и формирующих сложную интерференционную структуру поля с глубокими и быстрыми замираниями.

Известно, что замирания сигнала, вызванные многократными переотражениями, обуславливаются рассеянием сигнала во временной области. Между тем движение одного из узлов системы, к примеру, находящегося на борту БПЛА, предназначенного для сбора информации с датчиков, может вызывать также и рассеяние сигнала в частотной области - эффект доплеров-ских сдвигов частотных компонент представления спектра, также приводящий к замираниям.

Соответственно, канал распространения сигнала, при приземном расположении антенн, ожидаемо должен обладает ярко выраженным частотно-временным рассеянием (ЧВР).

Для описания замираний в каналах с ЧВР часто используют модель называемую релеевской моделью замираний или как её частный случай райсовскую модель, в которых принимаемая замирающая несущая имеет огибающую с одним из двух указанных распределений [3]. Модель строится в предположении, что поле в точке приема есть суперпозиция полей большого числа парциальных локально плоских волн со случайными амплитудами, фазами и направлениями прихода. Фазы парциальных волн равномерно распределены в интервале от 0 до 2п. При этом предполагается, что амплитуды и фазы сигналов парциальных радиоволн статистически независимы.

С целью экспериментального подтверждения теоретических положений о распределениях, а также получения экспериментальных оценок интенсивности явлений многолучевого распространения сигнала на типовых реальных трассах с ЧВР были проведены соответствующие экспериментальные исследования.

В экспериментах использовалась следующая аппаратура:

- отладочные модули фирмы А1тпе1 АТМЕСА256РРР2ХР1ат1ес5 с характеристиками:

- рабочая частота 2,4 ГГц;

- мощность передатчика 3 дБм;

- чувствительность приемника -90 дБм;

- канальная скорость 1000 кбит/с;

- усилитель мощности (коэффициент усиления 12-15 дБ);

- генератор F5Q8 (Rohde & Schwarz);

- спектроанализатор F5H4 (Rohde & Schwarz);

- ноутбук;

На рисунке 1 показан ситуационный план трассы в условиях «уличного каньона» [2] с размещением приемного модуля в непосредственной близости от металлического забора высотой 2,5 м (условия сильной мно-голучевости). Высота поднятия приёмник и передатчика составляла 10-15 см. На рисунке 2 приведены соответствующие результаты обработки: гистограмма -оценка плотности вероятности напряжения принятого сигнала.

Видно, что в данном случае имеет место ярко выраженное релеевское распределение.

Рис. 1. Схема измерений в условиях «уличного каньона» с учетом расположения приёмного модуля на расстояние 0...1 м от металлического забора

Функции плотности вероятности значений напряжения радиосигнала

Рис. 2. Гистограмма - оценка плотности вероятности напряжения принятого сигнала в условиях, показанных на

рис. 1

Анализ рисунков 1 и 2 позволяет сделать вывод о существенном влиянии на закон распределения плотности вероятности напряжения наблюдаемого сигнала близости металлического забора, существенным образом усиливающего свойство многолучевости радиоканала, обуславливающее в свою очередь проявление в наблюдаемых статистиках распределения Релея, даже при наличии канала прямой видимости.

В ходе экспериментального исследования реального канала распространения на предмет определения плотности вероятности распределения напряжения наблюдаемого сигнала были выявлены определенные трудности, такие как:

- большие временные затраты на эксперимент;

- необходимость аппаратной и программной реализации всех узлов радиосистемы использующей соответствующею СКК;

- высокая стоимость элементной базы и используемого измерительного оборудования;

- отсутствие стабильной повторяемости результатов вследствие нестационарности реального канала.

С учетом перечисленных проблем, наиболее предпочтительным выходом из сложившейся ситуации явилось создание для проверки помехоустойчивости СКК вычислительной модели, предназначенной для имитации реального канала.

Согласно данным описанных выше экспериментов, приземный канал распространения характеризуется ярко выраженной многолучевостью и низкой долей сигнала прямой видимости, т.е. описывается релеев-ским законом распределения плотности вероятности напряжения наблюдаемого сигнала.

Соответственно, при выборе модели был сделан вывод о том, что подходящей для данных условий является известная модель У.Джейкса, описывающая распределение амплитуды комплексного сигнала, подверженного именно рэлеевским замираниям [4].

Согласно модели Джейкса формирование случайных величин мгновенных значений коэффициента передачи моделируемого канала представляется следующим образом:

"прм-^Д~в

С, (0 + (у0/<т0 )со5 ¿V-СОБ (а„} + <р„

\

%(') + (*о/а0)5'П Щ—с°5К ) + %

- среднеквадратическое напряжение сигнала на входе приемника на трассе прямой видимости; ^Т^ - затухание, вносимое (по ППЭ) затеняющими

препятствиями на трассе, если таковые имеются; уп, а0 - математическое ожидание и дисперсия порождающего нормального закона;

а(1 - угол прихода волны по трассе прямой видимости; срй - начальная фаза;

V

__ - относительная величина доплеровского рассеяло

ния многолучевого сигнала.

Аддитивные составляющие с,(/), £ (/) коэффициента передачи, обусловленные многолучевостью (распределение Релея), определяются следующим образом:

а ( \

. у

?,(')=-Щх X Н а)»'—сш(а*)+

<рк

ы

V Усв )

Где ак, <рк, у/,- случайные угловые величины,

равномерно распределенные на отрезке [-я, ж].

Переобозначим: <у0=2л"/0, N = /% и переходя к

дискретному времени t = i/Fs, где - частота дискретизации, а / - номера котельниковских отсчетов, получаем:

/ ч

. 3т

4=1 Мл

с„ = д/2/ Ми £ соз 2жI  соэ (ак) 4- <рк

_Мц Г

С„, = р/М, £ с05 2Я^р зш {ак) + угк

.ы

где / = /0- —, а /о-линейная несущая частота.

Примем без потери общности: (у0/сг0)=1, = 0, тогда, с учетом сделанных переобозначений, для квадратурных компонент мгновенных значений коэффициента передачи канала получим:

Г- /1. 01 ГТ н г * л

С;, =СОК

С,, =5111

. К

2*£/-со8

г.

К

К

При моделировании, существенные значения угла между вектором V и направлением прямой видимости а0 могут выбраны из интервала [0, тг/2]

На рисунке 3 показан график плотности вероятности значений огибающей принятого сигнала полученный с помощью реализованной модели.

В качестве испытательного, использовался сигнал синусоидальной формы с единичной мощностью.

Из сопоставления рисунков 2 и 3 следует, что гистограммы напряжений рабочего сигнала соответствуют одному и тому же закону распределения плотности вероятности, показанному на рисунках сплошной линией. Отметим, что для рисунка 3 данное распределение было получено с помощью встроенной функции ПО Ма1:1аЬ у = Нв№ (х).

Функция плотности вероятности значений напряжения радиосигнала

1 15

Нэп ряжение,В

Рис. 3. оценка плотности вероятности значений мощности радиосигнала полученная с помощью модели

Из приведенных сведений следует, что гистограмма сигнала, полученного посредством модели, обладающей параметрами: fm= 120; М0 - 36, - достаточно адекватно отображает реальный канал распространения сигнала, исследуемый при натурных испытаниях.

Отметим, что различия гистограмм обусловлены в первую очередь малым объёмом данных экспериментальных исследований. Однако, идентичность законов распределения значений напряжения сигнала а точке приёма позволяет использовать введенную модель, с указанными параметрами, для расчётов реальной помехоустойчивости СКК предполагаемых к использованию в исследуемом канале.

Убедившись в правильности модели, применим её для изучения характеристик помехоустойчивости СКК. В качестве исследуемой СКК выберем стандарт 802.15.4g, т.к он максимально соответствует условиям, обозначенным в начале доклада.

Стандарт IEEE 802.15.4-2003 обеспечивает низкую скорость передачи данных в совокупности с очень длительным временем автономной работы (месяцы и даже годы) и низкой сложностью устройств. Стандарт определяет как физический (уровень 1), так и канальный (уровень 2) уровни модели OSI. Для данного стандарта разработана поправка физического уровня IEEE 802.15.4g, предназначенная для обеспечения поддержки сильномаштабируемых, географически разнесенных сетей с минимальной инфраструктурой и миллионами конечных узлов, например, интеллектуальных электросетей. Поправка 802.15.4g была принята 2012 году.

Поправка 802.15.4.g определяет три варианта физического уровня (PHY):

- Multi-rate and multi-ragional frequency shift keying (MR-FSK) PHY

- Multi-rate and multi-ragional orthogonal frequency division multiplexing (MR-OFDM) PHY

- Multi-rate and multi-ragional offset quadrature phase-shift keying (MR-O-QPSK) PHY.

Эти три варианта предназначены для различных системных требований и областей применения. MR-FSK PHY позволяет обеспечить хорошую эффективность использования мощности передатчика, поскольку обладает постоянной огибающей передаваемого сигнала. MR-O-QPSK PHY позволяет организовать дешевые мультирежимные системы, легкие в разработке. MR-OFDM PHY обеспечивает более высокую скорость передачи данных в каналах со значительным временным рассеянием.

Учитывая условия приземного расположения антенн приёмо-передающих было бы целесообразно выбрать для проверки именно MR-OFDM PHY.

MR-OFDM PHY обеспечивает скорости передачи данных от 50 до 800 кбит/с. Данный вариант PHY имеет четыре режима работы (опции), которые отличаются числом несущих. Поддерживаются следующие базовые размеры FFT: 128, 64, 32 и 16. Таблица 1 содержит основные параметры четырех режимов работы [5]. Для каждого из режимов доступны некоторые из подрежимов MCS0...MCS6.

Таблица 1

Основные параметры режимов работы

MR-OFDM Р HY

Parameter OFDM Option 1 OFDM Option 2 OFDM Option 3 OFDM Option 4

Nominal bandwidth (kHz) 1094 55Í 231 156

Channel spacine (kHz) 1200 800 400 200

DPI size 123 64 32 16

Active tones 104 52 26 14

# Pilot fonts 8 4 2 2

= Data 96 48 24 12

MCSÖ (Ws) (BPSK rale 12 with 4s frequency repetition) 100 50 - -

MCil (kfs) (BPSK r.nr 1 v with 2x Ertqutticy repetition! 200 1C0 50 -

MCS2 (kVs) (QPSK rate 1 '2 and 2s frequency repetition) 400 200 100 50

MCS3 (khis) (QPSK nie 11) 300 400 200 100

MCS4 (kb/s) (QPSK rait 34) - 600 300 150

MCS5 (llvi) (16-QAM rate V7) - 800 400 200

MCS6 №'s) (16-QAM rate 3/4) - - 600 300

На рисунках 4-7 представлены зависимости вероятности ошибки от отношения сигнал/шум в канале с реелеевскими замираниями с моделью Джейкса для доплеровского спектра для различных режимов работы системы. Максимальная доплеровская частота была равна 20 Гц. Размер кадра составлял 1920 кодовых битов. Моделирование продолжалось до получения на выходе декодера 100 ошибочных кадров или передачи не менее 109 информационных бит.

Рис. 4. Результаты моделирования для Option 1

j—^—.—_—I .................;.........................................i.......................

5 10 15 20 25 30

5NR

Рис. 5. Результаты моделирования для Option 2

'I_i_I_i_i_i_I

5 10 15 20 25 30

SNR

Рис. 6. Результаты моделирования для Option 3

' • ..... ......1

Г ""

........ . ......  -.... ...................... i................................................................ -

.

5 10 15 20 25 30

SNR

Рис. 7. Результаты моделирования для Option 4

Моделирование системы связи с приземным расположением антенн реализованной на базе стандарта IEEE 802.15.4g показало недостаточные характеристики помехоустойчивости для заданных параметров канала, что требует разработки СКК учитывающих специфику распространения при приземном расположении антенн. Для технологического обеспечения разработки специализированных СКК разработана модель канала с приземным расположением антенн, экспериментально показана ее адекватность.

Литература

1) Лифанов Ю.С., Саблин В.Н. Направления развития зарубежных средств наблюдения за полем боя / под ред. В.Ф. Кравченко, - М.: Радиотехника, 2004, - 64 е.;

2) Statistical properties of a sine wave plus random noise SO Rice - Bell Syst. Tech. J, 1948.

3) Феер К. Беспроводная цифровая связь: [пер.с англ.] [ под.ред. В.И.Журавлёва, - М.: Радио и связь, 2000. - 520 с.

4) Семенов Е.С., Карташевский В.Г., Пасюк А.О Оценка импульсной характеристики канала в условиях многолучевого распространения сигналов в беспроводных системах связи нового поколения. Волгоград: ВолГУ, 2013. -45 с.

5) Part 15.4: Low-Rate Wireless Persona! Area Networks (LR-WPANs). Amendment 3: Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Data-Rate, Wireless, Smart Metering Utility Networks (IEEE Std. 802.15.4g™-2 2012. Amendment to IEEE Std. 802.15.4™-2011). 27 April 2012.

IMMUNITY CHARACTERISTICS JCC IN A RADIO SYSTEM WITH GROUND ANTENNA LOCATION

Lucin D.V., Samara, Russia, samoilov.yv@soniir.ru, Samoilov Yu.V., Samara, Russia, dmyl@soniir.ru

Abstract. The potential of signal-code constructions (JCC) in special circumstances, such as a hard limit on the power of the emitted signal and ground-level location of the respective antenna receiving and transmitting devices. The studies compared the theoretical knowledge of the underground channel of distribution and results of experiments on the corresponding real track. The conclusions obtained led to the deasion of creating a model of the radio channel simulator, which allows more quickly conduct the necessary research investigated the characteristics of the noise immunity of the JCC. As a basis for the simulator was used U.Dzheyks model that allows to describe the form of the complex amplitude of the signal affected by relleev fading. Confirmation of the fact that the implemented model adequately describes the Rayleigh processes was to compare the results of numerical experiments and simulations. Just shows the parameters of the model, in which the distribution obtained by simulation, consistent with the distribution obtained in the course of field measurements. As a test of noise immunity was chosen embodiment of the communication system standard IEEE 802.15.4g. Graphs noise immunity for different modes of operation of the selected standard. Keywords ground antenna location, IEEE 802.15.4, channels with Rayleigh fading, model Jakes, multipath spread.

References

1. Lifanov Yu.S., Sablin V.N. Development trends of foreign lunds observe the battlefield. Moscow, 2004. 64 p.

2. Statistical properties of a sine wave plus random noise SO Rice - Bell Syst. Tech. J, 1948.

3. Feer K. Wireless digital communications. Moscow, 2000. 520 p.

4. SemenovE.S, Kartashevsky V.G., PasyukA.O. Channel impulse response estimate to multipath signals in wireless communication systems of the new generation. Volgograd, 2013. 45 p.

5. Part 15.4: Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs). Amendment 3: Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Data-Rate, Wireless, Smart Metering Utility Networks (IEEE Std. 802.15.4g™-2 2012. Amendment to IEEE Std. 802.15.4™-2011). 27 April 2012.