هل ستعمل Wi-Fi بسرعة 340 كم / ساعة؟

خلال فترة التدريب الصيفي ، تلقيت تعليمات لمعرفة ما إذا كان الاتصال اللاسلكي سيعمل إذا تحرك جهاز الاستقبال بسرعة بالنسبة إلى جهاز الإرسال. في هذه المقالة سأتحدث عن تأثير دوبلر ومدى مخيفته. ما يحتاجه جهاز Wi-Fi حتى لا تخاف منه ، وأيضًا مشاركة نتائج تجربة وصلنا فيها إلى سرعة 340 كيلومترًا في الساعة!



اسمي إيليا شوخمان ، وحتى وقت قريب كنت طالبًا في معهد جامعة الأورال الفيدرالية للإلكترونيات الراديوية وتكنولوجيا المعلومات (IRIT-RTF). تخصصي هو مهندس ورق ، في الواقع - كان هناك القليل من برمجة STM-32 ، كان هناك تخطيط للمشروع ، كان هناك محاكاة لنظام راديو ، كنت مغرمًا بمعدات Cisco. بعد التخرج من العمل اليومي ، ذهبت للتدريب في InfiNet Wireless.

تم إرشادي بإعداد تجربة من شأنها أن تبدد الشكوك حول إمكانية استخدام المعدات اللاسلكية لهذه الشركة على الروابط حيث يتحرك المشترك بسرعة عالية بالنسبة إلى المحطة الأساسية. على سبيل المثال ، إذا تم تركيبه على قاطرة سابسان. أحد التهديدات في هذه الحالة هو تأثير دوبلر ، حيث يتغير تردد الموجة مع الحركة النسبية للمرسل والمستقبل.

تأثير دوبلر

ما هي طبيعة هذا التأثير؟ تخيل أنك حصلت على لفافة من الورق وطلبت منك رسم موجة جيبية عليها. لقد شرعت في المهمة بشكل مسؤول ، ولكن في هذه العملية ، بدأت الورقة التي ترسم عليها بالتحرك بسرعة معينة. من الواضح ، إذا كنت تتظاهر بأن شيئًا لم يحدث ، فسيزداد الطول الموجي في الرسم وستنخفض التكرار. يسمى هذا التأثير بتغير تردد دوبلر.

في إشارة النطاق الضيق ، يتم تمثيل إزاحة دوبلر بالصيغة التالية [1]:

$$

$$f_d = f_0 \ cdot \ frac vc$$

أين $$$f_0$- تردد الموجة الحاملة للإشارة ، $$$v$- السرعة النسبية للحركة ، $$$c$هي سرعة الضوء.

على سبيل المثال ، نأخذ المعلمات بالقرب من معداتنا وحالة المهمة: السرعة - 300 كم / ساعة ، تردد الناقل - 5.3 جيجاهرتز ، سرعة الضوء - كما هو الحال دائمًا 3 * 10 ^ 8 م / ث.

احسب:

$$$$ display $$ f_d = 5.3 \ cdot 10 ^ 9 Hz \ cdot \ frac {300 \ frac {km} {h}} {3 \ cdot 10 ^ 8 \ fracms} = 5.3 \ cdot 10 ^ 9 هرتز \ cdot \ frac {300 \ fracms} {3.6 \ cdot 3 \ cdot 10 ^ 8 \ fracms} = 1472 \ Hz≈1.5 \ kHz $$ display $$

لإرسال البيانات إلى الراديو ، يمكن استخدام تعديل QAM ، حيث يتم ترميز المعلومات بناءً على الأبراج. لمزيد من النقاط في الكوكبة ، كلما زاد عرض النطاق الترددي للقناة الراديوية. سنقوم بمحاكاة ماتلاب في البث الإذاعي المعتاد باستخدام قناة رايس كنموذج:


دعني أذكرك بأن بايت واحد يتوافق مع كل مجموعة من النقاط. نعم ، انتشرت النقاط قليلاً ، ولكن ضمن حدود اللياقة ، ولا يزال بإمكان المتلقي فهم أي بايت يتوافق مع كل نقطة. الآن دعنا نضيف نقلة دوبلر بسرعة 30 كم / ساعة:


عند 70 كم / ساعة:


عند 100 كم / ساعة:


نرى كيف أنه عند السرعة التي تبلغ 70 كم \ ساعة تحركت النقاط وتداخلت مع بعضها البعض ، مما يزيد بشكل ملحوظ من عدد الأخطاء بشكل ملحوظ. لحسن الحظ ، يتم تطبيق تعديل OFDM أيضًا في القناة الراديوية ، وهو أكثر تحملاً لتأثير دوبلر.


في تشكيل OFDM ، تُرسل عدة إشارات بالتوازي مع تردد منتقى خصيصًا بحيث تكون تردد الإشارات المتبقية عند تردد إشارة واحدة صفرًا. سينقل التحول الدوبلري ترددات جميع الموجات الحاملة الفرعية ، لذلك سيكون هناك تداخل بين الموجات الحاملة الفرعية المجاورة على جهاز الاستقبال ومستوى "الإشارة" - سينخفض ​​مستوى "الضوضاء". كم بالنسبة لتردد 5.3 جيجاهرتز بسرعة 253 كم / ساعة ، سيكون الانخفاض 0.1 ديسيبل ، وهو أمر ضئيل ، وسيتم ملاحظة الانحطاط بمقدار 1 ديسيبل بسرعة 750 كم / ساعة - فهو بالفعل أكثر خطورة ، ولكن لا يزال لن يؤدي إلى انقطاع في قناة الاتصال [2].

لمكافحة انتشار الموجات الحاملة الفرعية في OFDM بترددات مخصصة خصيصًا ، يتم إرسال تسلسل معروف سابقًا بسعة عالية ، يتم تعديله بواسطة خوارزمية BPSK بسيطة وموثوقة.

يمكن لجهاز الاستقبال اكتشافها بسهولة ، ومعرفة كيفية تحول الطور والتردد في هذه الإشارات الخاصة ، ووفقًا لهذه البيانات ، يعيد كل شيء إلى الوراء.

عمل مماثل

نلقي نظرة على دراسات أخرى حول هذه القضية. أجرى Pierpaolo Bergamo و Daniela Maniezzo و Kung Yao من جامعة كاليفورنيا تجربة على مسار صحراوي ، قادوا سيارتين تجاه بعضهما البعض بسرعة إجمالية تصل إلى 240 كم / ساعة ، وأثبتوا أن عدد أخطاء الحزمة والتأخير كان قريبًا من الصفر [4].

تم الحصول على نتائج مماثلة أيضًا من قبل حسن غانوم وديفيد سانز وبرناديت فيلفورسيكس وهنري فيليب وباسكال ميرسييه من فرنسا ، عندما أجروا هذه التجربة عن طريق تركيب محطات قاعدة على الأبراج على طول مسار السكة الحديد ، حيث مر قطار بمعدات استقبال بسرعة 300 كم / ساعة [5].



ترجع القفزات في معدل نقل البيانات إلى حقيقة أن القطار مر في هذه اللحظات المحطتين الأولى والثانية (BS) ، وفقد الاتصال أثناء فترة إعادة الاتصال.

تجربة

بعد كل البحث النظري ، تم تنفيذ ثلاث سلاسل من التجارب. كانت تهدف إلى التحقق من استقرار قناة الاتصال.

على جهاز Infinet R5000-Smn ، 5 جيجاهرتز ، مع عرض نطاق ترددي 40 ميجاهرتز ، قوة مكبر للصوت 25dBm في سيناريوهات التشغيل المختلفة.


تم إجراء التجارب على جزء من الطريق الدائري ييكاتيرينبرغ قيد الإنشاء ، مع الإحداثيات التالية وملف التضاريس:



تم إجراء ثلاث سلاسل من التجارب:

1. في السلسلة الأولى ، تم تركيب محطة أساسية بهوائي 23 ديسيبل على حامل ثلاثي الأرجل. تم تركيب جهاز آخر في سيارة تستخدم هوائيين زعانف شامل الاتجاهات بكسب 4 ديسيبل.

أجرى 4 تجارب بسرعات 100 و 130 و 150 و 170 كم / ساعة وتجربة واحدة بسرعات 170 كم / ساعة بمعدل بت ثابت 90 ميجابت / ثانية. تم إنشاء حركة مرور أحادية الاتجاه بواسطة جهاز Berkut في الاتجاه من السيارة إلى محطة BS. وضع التشغيل TDMA-MISO. أخذت الإحصائيات من المحطة الأساسية.



توضح لنا الرسوم البيانية لمستوى الإشارة بسرعات مختلفة أن زيادة السرعة ليس لها تأثير في هذا النطاق. للأسباب المذكورة أعلاه ، سيتم إعطاء الرسوم البيانية لسعة القناة فقط لـ 150 و 170 كم / ساعة.

1) 150 km / h، الوصلة الهابطة


2) 170 كم / ساعة ، وصلة هابطة


توضح لنا هذه الرسوم البيانية انتشار عرض النطاق الترددي الذي لا يزيد عن خطوة واحدة (90-135 ميجا بت / ثانية) ، مما يخبرنا أن الاتصال أكثر من مستقر.

2. في السلسلة الثانية من التجارب تمت دراسة تأثير التسارع على قناة الاتصال. كما سارت حركة المرور بشكل غير مباشر من خلال النسر الذهبي من السيارة إلى BS. تم الحصول على البيانات في سيارة: جلست في مقعد الراكب مع جهاز كمبيوتر محمول ونظرت إلى الرسوم البيانية.

تم إجراء تجربتين لاختبار التسارع العالي على مسافة قصيرة وتباطؤ التسارع المتغير على مسافة طويلة. نظرًا لحقيقة عدم وجود انحرافات كبيرة عن وضع التشغيل العادي ، سأقدم فقط الرسوم البيانية للنطاق الترددي على جانب الإرسال:

2.1 تسارع عالٍ ، الوصلة الصاعدة


حدث السقوط في النهاية بسبب حقيقة أن سيارة بها هوائيات شاملة الاتجاهات كانت في ذلك الوقت تمر بهوائي ثابت ضيق التوجيه وتجاوزت منطقة تغطيتها.

2.2 التسارع - التباطؤ ، الوصلة الصاعدة


توضح لنا هذه الرسوم البيانية أن تأثير التسارع ، إن وجد ، غير مهم للغاية.

3. في السلسلة الثالثة من التجارب ، تم استخدام سيارتين ، وتحركت السيارات تجاه بعضها البعض على طول الممرات المقابلة مع تقسيم خرساني بينهما. على كلتا السيارتين ، تم استخدام الزعانف كهوائيات ، لذلك في هذه التجارب كانت طاقة قناتنا أقل بمقدار 19 ديسيبل ، وانخفضت جودة الاتصال بشكل ملحوظ. للإشارة ، في الجولة الأولى ، تحركت السيارات بسرعة 85 كم / ساعة (في المجموع - 170 كم / ساعة) ، حتى نتمكن من مقارنة النتائج بالتجارب السابقة.

3.1 170 كم / ساعة ، الوصلة الصاعدة



تُظهر هذه التجربة حدوث انخفاض في الطاقة ، ولكن انتشار معدلات نقل البيانات أمر غير حاسم ، مما يؤكد ارتباط هذه التجربة مع التجارب السابقة.

3.2 تحرك سيارتين تجاه بعضهما البعض بسرعة 170 كم / ساعة (المجموع = 340 كم / ساعة) ، Uplink



توضح هذه التجربة أيضًا أن خصائصها لا تختلف عن السابقة ، مما يعني أن تشغيل الأجهزة بهذه السرعات ممكن.

الخلاصة

تتطابق خصائص قناة الاتصال اللاسلكي بسرعات مختلفة تصل إلى 340 كم / ساعة ولوصلة ثابتة على حد سواء من حيث النوعية والكمية. لم نتمكن من تسجيل أي تأثير للسرعة أو التسارع على قناة الراديو في نطاق السرعة هذا.

شكرا لكونك معنا)