Während des Sommerpraktikums wurde ich angewiesen herauszufinden, ob die drahtlose Verbindung funktioniert, wenn sich der Empfänger relativ zum Sender schnell bewegt. In diesem Artikel werde ich über den Doppler-Effekt sprechen und wie beängstigend er ist; Was ein Wi-Fi-Gerät braucht, um keine Angst davor zu haben und auch die Ergebnisse eines Experiments zu teilen, bei dem wir eine Geschwindigkeit von 340 Stundenkilometern erreicht haben!
Mein Name ist Ilya Shukhman und bis vor kurzem war ich Student am Institut für Radioelektronik und Informationstechnologie des Ural (IRIT-RTF). Meine Spezialisierung ist in der Tat Papieringenieur - es gab ein bisschen STM-32-Programmierung, es gab Projektplanung, es gab eine Funksystemsimulation, ich mochte Cisco-Geräte. Nach meinem Abschluss in der täglichen Arbeit habe ich bei InfiNet Wireless geübt.
Ich wurde angewiesen, ein Experiment vorzubereiten, das Zweifel an der Möglichkeit zerstreuen würde, die Funkausrüstung dieser Firma auf Verbindungen zu verwenden, auf denen sich der Teilnehmer relativ zur Basisstation mit hoher Geschwindigkeit bewegt. Zum Beispiel, wenn es an der Sapsan-Lokomotive montiert ist. Eine der Bedrohungen in diesem Fall ist der Doppler-Effekt, bei dem sich die Wellenfrequenz mit der Relativbewegung von Sender und Empfänger ändert.
Doppler-Effekt
Was ist die Natur dieses Effekts? Stellen Sie sich vor, Sie bekämen eine Papierrolle und wurden angewiesen, eine Sinuswelle darauf zu zeichnen. Sie haben sich verantwortungsbewusst mit der Aufgabe befasst, aber dabei begann sich das Papier, auf dem Sie zeichnen, mit einer bestimmten Geschwindigkeit zu bewegen. Wenn Sie so tun, als wäre nichts passiert, nimmt die Wellenlänge in Ihrer Zeichnung zu und die Frequenz ab. Dieser Effekt wird als Doppler-Frequenzverschiebung bezeichnet.
In einem Schmalbandsignal wird die Doppler-Verschiebung durch die folgende Formel [1] dargestellt:
fd=f0 cdot fracvc
wo
f0 - Trägerfrequenz des Signals,
v - relative Bewegungsgeschwindigkeit,
c Ist die Lichtgeschwindigkeit.
Zum Beispiel nehmen wir Parameter in der Nähe unserer Ausrüstung und der Aufgabenbedingung: Geschwindigkeit - 300 km / h, Trägerfrequenz - 5,3 GHz, Lichtgeschwindigkeit - wie immer 3 * 10 ^ 8 m / s.
Berechnen Sie:
$$ display $$ f_d = 5.3 \ cdot 10 ^ 9 Hz \ cdot \ frac {300 \ frac {km} {h}} {3 \ cdot 10 ^ 8 \ fracms} = 5.3 \ cdot 10 ^ 9 Hz \ cdot \ frac {300 \ fracms} {3,6 \ cdot 3 \ cdot 10 ^ 8 \ fracms} = 1472 \ Hz≈1,5 \ kHz $$ display $$
Um Daten an das Funkgerät zu übertragen, kann eine QAM-Modulation verwendet werden, bei der Informationen basierend auf Konstellationen codiert werden. Je mehr Punkte in der Konstellation vorhanden sind, desto höher ist die Bandbreite des Funkkanals. Wir werden in Matlab die übliche Funkübertragung mit dem Rice-Kanal als Modell simulieren:
Ich möchte Sie daran erinnern, dass ein Byte jedem Punktcluster entspricht. Ja, die Punkte haben sich etwas ausgebreitet, aber innerhalb der Grenzen des Anstands, und der Empfänger kann immer noch klar verstehen, welchem Byte jeder Punkt entspricht. Fügen wir nun eine Doppler-Verschiebung mit einer Geschwindigkeit von 30 km / h hinzu:
Bei 70 km / h:
Bei 100 km / h:
Wir sehen, wie sich die Punkte bereits bei einer Geschwindigkeit von 70 km / h bewegten und die Zonen des anderen überlappten, was die Anzahl der Fehler sofort spürbar erhöht. Glücklicherweise wird im Funkkanal zusätzlich eine OFDM-Modulation angewendet, die gegenüber dem Doppler-Effekt toleranter ist.
Bei der OFDM-Modulation werden mehrere Signale parallel zu einer speziell ausgewählten Frequenz übertragen, so dass bei der Frequenz eines Signals die Leistung der verbleibenden Signale Null ist. Die Doppler-Verschiebung überträgt die Frequenzen aller Unterträger, sodass zwischen benachbarten Unterträgern des Empfängers Störungen auftreten und der Pegel „Signal“ - „Rauschen“ abnimmt. Wie viel Bei einer Frequenz von 5,3 GHz bei einer Geschwindigkeit von 253 km / h beträgt die Abnahme 0,1 dB, was vernachlässigbar ist, und bei einer Geschwindigkeit von 750 km / h wird eine Verschlechterung um 1 dB beobachtet - dies ist bereits schwerwiegender, führt jedoch immer noch nicht zu einer Unterbrechung des Kommunikationskanals [2].
Um die Ausbreitung von Unterträgern in OFDM bei speziell zugewiesenen Frequenzen zu bekämpfen, wird eine zuvor bekannte Sequenz mit einer hohen Amplitude übertragen, die durch einen einfachen und zuverlässigen BPSK-Algorithmus moduliert wird.
Der Empfänger kann sie leicht erkennen, sehen, wie sich Phase und Frequenz in diesen speziellen Signalen verschoben haben, und gemäß diesen Daten alles zurück verschieben.
Ähnliche Arbeit
Schauen Sie sich andere Studien zu diesem Thema an. Pierpaolo Bergamo, Daniela Maniezzo und Kung Yao von der University of California führten ein Experiment auf einer Wüstenstrecke durch, bei dem zwei Autos mit einer Gesamtgeschwindigkeit von bis zu 240 km / h aufeinander zu fuhren, und zeigten, dass die Anzahl der Paketfehler und die Verzögerung nahe Null lagen [4].
Ähnliche Ergebnisse erzielten auch Hassan GHANNOUM, David SANZ, Bernadette VILLEFORCEIX, Henri PHILIPPE und Pascal MERCIER aus Frankreich, als sie dieses Experiment durch Installation von Basisstationen auf Türmen entlang der Eisenbahnstrecke durchführten, auf denen ein Zug mit Empfangsausrüstung mit einer Geschwindigkeit von 300 km / h vorbeifuhr [5].
Die Sprünge in der Datenübertragungsrate waren auf die Tatsache zurückzuführen, dass in diesen Momenten der Zug die erste und dann die zweite Basisstation (BS) passierte und die Kommunikation während der Wiederverbindungsperiode verloren ging.
Ein Experiment
Nach allen theoretischen Untersuchungen wurden drei Versuchsreihen durchgeführt. Sie sollten die Stabilität des Kommunikationskanals überprüfen.
auf Geräten Infinet R5000-Smn, 5 GHz, mit einer Bandbreite von 40 MHz, Verstärkerleistung 25 dBm in verschiedenen Szenarien.
Die Versuche wurden an einem im Bau befindlichen Abschnitt der Jekaterinburger Ringstraße mit folgenden Koordinaten und Geländeprofilen durchgeführt:
Es wurden drei Versuchsreihen durchgeführt:
1. In der ersten Serie wurde eine Basisstation mit einer 23-dBi-Antenne auf einem Stativ montiert. Ein weiteres Gerät wurde in ein Auto eingebaut, das zwei Rundstrahlantennen mit einer Verstärkung von 4 dBi verwendete.
Durchführung von 4 Experimenten mit Geschwindigkeiten von 100, 130, 150 und 170 km / h und eines Experiments mit Geschwindigkeiten von 170 km / h mit einer konstanten Bitrate von 90 Mb / s. Unidirektionaler Verkehr wurde vom Berkut-Gerät in Richtung vom Auto zur BS erzeugt. TDMA-MISO-Betriebsart. Die Statistiken wurden von der Basisstation übernommen.
Diagramme des Signalpegels bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten zeigen, dass eine Erhöhung der Geschwindigkeit in diesem Bereich keine Auswirkungen hat. Aus den oben genannten Gründen werden die Kanalkapazitätsdiagramme nur für 150 und 170 km / h angegeben.
1) 150 km / h, Downlink
2) 170 km / h, Downlink
Diese Grafiken zeigen uns eine Bandbreitenverteilung von nicht mehr als einem Schritt (90-135 Mb / s), was uns sagt, dass die Verbindung mehr als stabil ist.
2. In der zweiten Versuchsreihe wurde der Effekt der Beschleunigung auf den Kommunikationskanal untersucht. Der Verkehr fuhr auch unidirektional durch den Steinadler vom Auto zur BS. Die Datenerfassung erfolgte in einem Auto: Ich saß mit einem Laptop auf dem Beifahrersitz und sah mir die Grafiken an.
Zwei Experimente wurden durchgeführt, um eine hohe Beschleunigung auf kurze Distanz und eine variable Beschleunigungsverzögerung auf lange Distanz zu testen. Aufgrund der Tatsache, dass es keine signifikanten Abweichungen von der normalen Betriebsart gab, werde ich nur die Bandbreitendiagramme auf der Sendeseite angeben:
2.1 Hohe Beschleunigung, Uplink
Der Sturz am Ende war darauf zurückzuführen, dass in diesem Moment ein Auto mit Rundstrahlantennen an einer stationären, eng gerichteten Antenne vorbeifuhr und über deren Versorgungsbereich hinausging.
2.2 Beschleunigung-Verzögerung, Uplink
Diese Grafiken zeigen uns, dass der Effekt der Beschleunigung, falls vorhanden, sehr unbedeutend ist.
3. In der dritten Versuchsreihe wurden zwei Wagen verwendet, und die Wagen bewegten sich auf gegenüberliegenden Fahrspuren mit einer Betonwand zwischen ihnen aufeinander zu. Bei beiden Fahrzeugen wurden Flossen als Antennen verwendet, sodass in diesen Experimenten die Energie unseres Kanals um 19 dB niedriger war und die Kommunikationsqualität merklich abnahm. Als Referenz bewegten sich Autos im ersten Lauf mit einer Geschwindigkeit von 85 km / h (insgesamt - 170 km / h), so dass wir die Ergebnisse mit früheren Experimenten vergleichen konnten.
3,1 170 km / h, Uplink
Dieses Experiment zeigt, dass ein Leistungsabfall stattfindet, die Streuung der Datenübertragungsraten jedoch unkritisch ist, was die Korrelation dieses Experiments mit den vorherigen bestätigt.
3.2 Bewegung von zwei Autos mit einer Geschwindigkeit von 170 km / h (insgesamt = 340 km / h) aufeinander zu, Uplink
Dieses Experiment zeigt auch, dass sich seine Eigenschaften nicht von den vorherigen unterscheiden, was bedeutet, dass der Betrieb von Geräten mit diesen Geschwindigkeiten möglich ist.
Fazit
Die Eigenschaften des Funkkanals bei verschiedenen Geschwindigkeiten von bis zu 340 km / h und für eine statische Verbindung stimmen sowohl qualitativ als auch quantitativ überein. In diesem Geschwindigkeitsbereich konnten keine Auswirkungen von Geschwindigkeit oder Beschleunigung auf den Funkkanal aufgezeichnet werden.
Danke, dass Sie bei uns sind)