Подвійна поляризація в сучасних засобах зв'язку
Приклади використання подвійної поляризації в сучасних засобах зв'язку
Останнім часом у зарубіжних системах зв'язку інтенсивно розвиваєтьсянапрям, зв'язаний з використанням так званих MIMO- технологій (Multiple Input — Multiple Output, множинний вхід — множинний вихід). MIMO- принцип, вживаний в офіснихрадіокомунікаціях, дозволяє зменшити число помилок при радіообміні даними (BER) без зниження швидкості передачі вумовах множинних відбивань сигналів.
Особливість формування і прийому MIMO- сигналів дозволяє розповсюдити цей підхід і на вирішення завданьрадіорелейного зв'язку. При цьому найпростіше таке масштабування технологіїздійснюється у разі використання сигналів подвійної поляризації.
Метою викладеного нижче матеріалу є адаптація принципівпросторово-поляризаційного і поляризаційно-частотного кодування, вживаного всистемах MIMO, для передачі і прийомусигналів в радіорелейній системі зв'язку з подвійною поляризацієювипромінювання.
Простим прикладом антени MIMO єсистема з двох несиметричних вібраторів, орієнтованих, наприклад, під кутом ±450 щодо вертикальної осі (мал. 1.12).
/>
Мал. 1.12. Система MIMO з двох несиметричнихвібраторів, орієнтованих під кутом ± 450 щодо вертикальної осі
У цьому випадку сигнали, що випромінюються кожним монополем маютьортогональну поляризацію з достатньо високою взаємною розв'язкою (до 25 дб ібільш). У радіорелейному зв'язку така пара монополів може використовуватися як опромінювачідзеркального рефлектора. На приймальній стороні повинна розміщуватисяаналогічна антена, причому можлива інша конструктивна реалізація, але дляпростоти викладу тут вони розглядатися не будуть.
Вказаний підхід дозволяє одночасно передавати сигнали, що промодульованірізним чином. Тому використання принципу поляризаційного розділення каналівпотенційно забезпечує подвоєння пропускної спроможності лінії радіозв'язку упорівнянні з випадком одиночного монополя (у ідеальних умовах прямої видимостіза умови ідентичної орієнтації приймальних антен, що передають).
Саме таким умовам якнайповніше відповідає радіорелейна лінія зв'язку.
Вибір кута поляризації ± 45. обумовлений необхідністю надання обомканалам передачі рівних можливостей, оскільки при горизонтально-вертикальнійорієнтації випромінювачів одна з поляризаційних компонент неминуче отримала ббільше загасання при розповсюдженні уздовж земної поверхні.
Таким чином, по суті, всяку систему з подвійною поляризацією можнарозглядати як систему MIMO. Для внутрішньо офіснихзасобів зв'язку вказаний поляризаційний варіант розділення каналів передачі,насправді, не дозволяє досягти подвоєння пропускної спроможності.
Це пояснюється наявністю множинних відбивань по трасі розповсюдженнясигналів і викликаного ними зростання кросс-поляризаційних перешкод. Іншасправа — радіорелейна лінія, де рівень перевідбивання може бути значно меншим,у порівнянні з умовами проходження радіохвиль усередині закритих приміщень.
Застосування подвійної поляризації випромінювання в системах MIMO може поєднуватися з ортогональнимкодуванням сигналів. У разі такого комплексування кодований однаковим чином вортогональних поляризація сигнал випромінювання має бути ортогональним за кодомдругій парі антен, що передають, або третьому вібратору (мал. 1.13).
/>
Мал. 1.13. Триплет вібраторів
Фактично в поляризаційно-частотному методікодування в системах MIMO длякожної поляризації випромінюваного сигналу має місце формування на передачусвоєї діаграми спрямованості, що залежить від різниці фаз сигналів на затискахживлення антен.
Це забезпечує незалежну трасу розповсюдження для кожної частотивипромінювання. Істотно, що в приймачі сигнали ортогональних частот можна легкорозділити за допомогою цифрової фільтрації.
У даному випадку радіорелейного зв'язку рівні корисногосигналу і кросс-поляризаційної завади істотно відрізняються.
Тому матиме місце незначне по величині відхилення головногопроменя діаграми спрямованості, що передає, яке не приведе до завмираннясигналів. Разом з тим на гідрометеорах, таке варіювання орієнтацією максимумувипромінювання навіть у долі кутових секунд може виявитися корисним.
Для ефективнішого використання ефекту варіювання положенняммаксимуму головного променя діаграми спрямованості доцільно рознести фазовіцентри випромінювачів ортогональних поляризації на половину довжини хвилівипромінювання.
Таким чином, використання надмірності в передачі інформаціїшляхом трансляції ідентичних інформаційних символів на різних поляризаціядозволяє підвищити надійність зв'язку в обмін на підвищення швидкості трафіку.
Існують і інші варіанти перенесення у площину вирішення завданьрадіорелейного зв'язку з подвійною поляризацією випромінювання методівкодування, використовуваних в MIMO-системах.Розглянутих вище прикладів досить, щоб пояснити загальний принцип відповідноїадаптації процедур кодування сигналів.
Тому у подальшому основна увага буде приділена використанню антеннихвипромінювачів, що являють собою лише одну пару антен ортогональних поляризації,складених або елементарних.
При необхідності, синтезовані в подальшому методи обробки сигналів длятаких антенних систем можуть бути узагальнені на випадок більшої кількостінезалежних випромінювачів, спираючись на представлений вище підхід для MIMO- подібних систем.
Останнім часом у ряді зарубіжних публікацій наголошується увага на можливістьне тільки двократного підвищення швидкості передачі даних за допомогою сигналівподвійної поляризації, але і істотнішого приросту даного показника. В основівідповідних концепцій лежить використання запропонованого R. T. Compton, Jr трипольного антенного елементу.
Прикладом такого роду є запатентований Andrews в 2001 р. спосіб передачі сигналів, що використовує трипольніантенні елементи і віддзеркалення сигналів по трасі розповсюдження.
На мал. 1.18пояснений принцип розповсюдження сигналів з віддзеркаленням від перешкод потрасі розповсюдження, що забезпечує чутливість приймачів до співвідношеньамплітуд і фаз сигналів, що живлять три пари плечей триполя.
Завдяки використанню як електричної, так і магнітноїкомпоненти результуючого електромагнітного поля і тривимірної трасирозповсюдження сигналів, за допомогою трипольних MIMO- антен може бути досягнуте триразовепідвищення швидкості передачі в порівнянні з турнікетною антеною, використаноюяк опромінювач.
На жаль, такі перспективні рішення стосовно радіорелейногозв'язку поки ніяк не можуть реалізуватися на практиці.
/>
Мал. 1.18. Траси проходження радіохвиль в системі MIMO з триплетним випромінювачем
Разом з тим, підвищення швидкості передачі інформації можедосягатися поєднанням подвійного поляризаційного базису представлення сигналівз їх багаторівневою амплітудною модуляцією квадратури (ML-QAM).
У практиці радіорелейного зв'язку використовуються варіантицієї спектрально-ефективної модуляції типу 16qam, 64qam, 128qam і навіть 256qam (цифри указують на кількість символьних рівнів,використовуваних для модуляції комплексних амплітуд сигналів).
Проте для реалізації таких високих порядків модуляції ML-QAM необхіднозабезпечити низький рівень кросс-поляризаційних перешкод. У разі OFDM- сигналів це завдання може вирішуватися в рамкахдвох основних методів розподілу частот несучих сигналів подвійної поляризації,приведених на мал. 1.20. Детальніше на їх специфіці зупинимося в наступномупідпункті.
/> а)
/> б)
Мал. 1.20. Методи розстановки частот несучих сигналівподвійної поляризації: а) ACDP — на сусідніх частотних каналах, б) CCDP — на суміщених частотнихканалах [47]
Методи розподілу частот сигналів, що піднесуть при подвійнійполяризації. Cистеми придушення кросс-поляризаційної завади (XPIC)
Метод ACDP (Adjacent ChannelDual Polarized) припускає використання різних частот сигналів (сусідніх абосуміжних по частотній сітці) на ортогональній поляризації. Тому його практичнареалізація простіша в технічному і алгоритмічному стосунках, а розв'язка міжсигналами різної поляризації додатково підвищується за рахунокчастотно-селективної дії амплітудно-частотних характеристик частотних фільтрів.Проте при OFDM- методі модуляції сигналівтехнологія ACDP недозволяє ефективно використовувати відведений спектральний діапазон, стикаючисьз необхідністю розстановки що піднесуть в ортогональній поляризації в шаховомупорядку.
Даного недоліку позбавлений метод підвищення пропускноїспроможності в радіорелейних системах за рахунок використання поляризаційноїрозв'язки в одному (суміщеному) частотному каналі (Co-channel Dual Polar system — CCDP). Він відомий достатньодавно і активно використовується виробниками магістральних радіорелейних системна частотах від 4 до 8 Ггц. Експериментально було підтверджено йогоефективність для діапазону 13 — 18 Ггц, використовуваного стільниковимиоператорами для внутрішньо зонових радіорелейних магістралей.
Результативність застосування CCDP багато в чому визначається коефіцієнтом кросс-поляризаційної розв'язки антен (XPD). Проте, навіть, якщовеличина відповідного параметра буде недостатньою, проблема мінімізації кросс-поляризаційнихперешкод при методі CCDP може бути успішно вирішена за допомогою введення до складуапаратури спеціальної системи придушення кросс-поляризаційної перешкоди (Cross-polarization Interference Cancellation, XPIC).
Подібна обробка може бути вирішена в аналоговому вигляді, протеефективнішим рішенням є виконання відповідних операцій в цифровому вигляді.Основна ідея методу XPIC уваріанті цифрової реалізації пояснена на мал. 1.21.
/>
Рис. 1.21. Принципреализации метода XPIC.
Застосування компенсатора кросс-поляризаційних перешкод (XPIC) в діапазоні несучих частот ] 18 Ггцпри модуляції 128 MLQAM дозволяє використовуватиодну і ту ж частоту тих, що піднесуть в обох поляризаціях, що подвоює пропускнуспроможність лінії зв'язку.
Зниженнявпливу кросполяризаційних завад шляхом використання антен з високими значеннямиXPD і пристроїв XPIC, як наголошується в[52], навіть при установці стандартної антени CCDP з поляризацією 00/900, забезпечуєпрактично такі ж характеристики, що і в системі з однією поляризацією. Прицьому додатковий розворот настановного кута антени обробки сигналів, що включається вприймальний сегмент відразу після аналогового тракту для реалізації процедурипридушення кросс-поляризаційної завади (XPIC).
Можливо проводити ефективну модернізацію на цій основі, перш за все, РРСР-416г і Р-414, а подальшому і Р-450, тим паче, що при крайній необхідності,одну з поляризацій випромінювання завжди можливо відключити, повернувшись доапаратурного резервування за принципом “1+1”.
Як вже наголошувалося, одним з перспективних напрямів розвиткурадіорелейних систем є використання для підвищення їх пропускної спроможностіортогональної частотної дискретної модуляції (OFDM). Цей метод широко застосовується у WiMAX — мережах і дозволяє забезпечитизв'язок на відстанях прямої видимості (десятки кілометрів). Подальшим розвиткомданого підходу став метод не ортогональної частотної дискретної модуляції (N-OFDM), що дозволяє ущільнити спектральну смугу, займану сигналом (мал. 1.24),адаптивно «відійти» від вузько смугових перешкод і ефективно працювати в умовахдопплерівського зрушення несучих частот при зв'язку з мобільними абонентами.Істотно також, що така модуляція дозволяє підвищити стійкість радіоліній донесанкціонованого доступу до інформації, що передається, у разі її перехопленнясупротивником. З урахуванням перерахованих можливостей, модернізаціювітчизняного парку РРС доцільно проводити саме з орієнтацією на застосування N-OFDM сигналів.
Проте роботи по розвитку методу N-OFDM до цих пір проводилися стосовно лише до однієї поляризаціївипромінюваних сигналів. В той же час, як випливає з приведеного вище огляду,використання двох ортогональних поляризацій випромінювання дозволяє майже в дварази збільшити пропускну спроможність радіолінії, що широко використовуєтьсядля методу OFDM.
Тому метою досліджень є удосконалення методу N-OFDM шляхом використання двохполяризаційного сигналу з не ортогональними несучими. При цьому основнимзавданням досліджень є синтез процедури демодуляції N-OFDM сигналів з урахуванням впливу кросполяризаційної завади.
Для цього на додаток до проведеного вище аналізу відомих підходів дозастосування сигналів подвійної поляризації потрібно вирішити наступні завданнядосліджень:
-синтезувати методи обробки ортогонально поляризованих сигналів повідліках АЦП при використанні N-OFDM сигналів, які базувалися б навідомих співвідношеннях для оцінок амплітудних складових;
-досліджувати характеристики і аналітичні оцінки потенційної точностізапропонованих методів обробки ортогонально-поляризованих сигналів;
-обгрунтувати пропозиції по удосконаленню системи радіорелейного зв'язкуза рахунок використання цифрових засобів обробки ортогонально-поляризованихсигналів на основі N-OFDM-модуляции.
Висновки
1. Аналіз тенденцій розвитку зарубіжних систем тактичного зв'язкусвідчить про революційні зміни, в даній області, продиктованих необхідністюприведення їх у відповідність з вимогами здійснення сети центричних операцій,подальшого підвищення ємкості бойових мереж і збільшення їх пропускноїспроможності. Серед ключових підходів, використовуваних в засобах зв'язку дляреалізації нових вимог, слід зазначити застосування різних варіантів OFDM сигналів у поєднанні з подвійноюполяризацією випромінювання.
2. Використання сигналів подвійної поляризації забезпечує збільшення ефективності використання спектру, а також підвищуєкратність використання частотного ресурсу, демонструючи майже двократнийприріст швидкості передачі. Крім того, запропоновані претендентом поляризаційніверсії узагальнення методів кодування, використовуваних в MIMO системах, у разі радіорелейних лінійзасобів зв'язку дозволяють підвищити надійність передачі повідомлень. Тому їхвпровадження можна розглядати як важливий напрям вдосконалення радіорелейнихстанцій.
3. Аналіз тих, що перебувають на озброєнні в Україні засобів зв'язкудозволяє зробити вивід про доцільність проведення модернізації окремих з нихдля забезпечення можливості використання подвійної поляризації випромінювання.Найбільш відповідними претендентами для такої модернізації є РРС Р-416г іР-414, а також ТРС Р-423-1. Виконання аналогічних робіт з РРС Р-410 і Р-412 єнебажаним. Враховуючи можливості N-OFDM сигналів по підвищеннюперешкодозахисної радіорелейних ліній зв'язку, застосування подвійноїполяризації випромінювання при створенні нових зразків і модернізаціїобумовлених представників існуючого парку РРС слід пов'язати із застосуванням N-OFDM модуляції повідомлень. Проте для цього необхідно вирішити цілий рядтеоретичних завдань.