Durante la pasantía de verano, se me indicó que averiguara si la conexión inalámbrica funcionaría si el receptor se mueve rápidamente en relación con el transmisor. En este artículo hablaré sobre el efecto Doppler y lo aterrador que es; ¡Qué necesita un dispositivo Wi-Fi para no tenerle miedo, y también compartir los resultados de un experimento en el que alcanzamos una velocidad de 340 kilómetros por hora!
Mi nombre es Ilya Shukhman, y hasta hace poco era estudiante en el Instituto de Radio Electrónica y Tecnología de la Información de la Universidad Federal de los Urales (IRIT-RTF). De hecho, mi especialización es ingeniero de papel: había un poco de programación STM-32, había planificación de proyectos, había una simulación de sistema de radio, me gustaban los equipos de Cisco. Después de graduarme del trabajo diario, fui a practicar en InfiNet Wireless.
Se me indicó que preparara un experimento que disipara las dudas sobre la posibilidad de utilizar el equipo de radio de esta compañía en los enlaces en los que el suscriptor se mueve a alta velocidad en relación con la estación base. Por ejemplo, si está montado en la locomotora Sapsan. Una de las amenazas en este caso es el efecto Doppler, en el que la frecuencia de onda cambia con el movimiento relativo del transmisor y el receptor.
Efecto Doppler
¿Cuál es la naturaleza de este efecto? Imagine que le dieron un rollo de papel y le indicaron que dibuje una onda sinusoidal sobre él. Se embarcó responsablemente en la tarea, pero en el proceso, el papel en el que está dibujando comenzó a moverse a cierta velocidad. Obviamente, si finges que no pasó nada, la longitud de onda en tu dibujo aumentará y la frecuencia disminuirá. Este efecto se llama cambio de frecuencia Doppler.
En una señal de banda estrecha, el desplazamiento Doppler está representado por la siguiente fórmula [1]:
donde
- frecuencia portadora de la señal,
- velocidad relativa de movimiento,
Es la velocidad de la luz.
Por ejemplo, tomamos parámetros cercanos a nuestro equipo y la condición de la tarea: velocidad - 300 km / h, frecuencia de portadora - 5.3 GHz, velocidad de la luz - como siempre 3 * 10 ^ 8 m / s.
Calcular:
$$ display $$ 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 $$ display $$
Para transmitir datos a la radio, se puede utilizar la modulación QAM, en la que la información se codifica en función de las constelaciones. Cuantos más puntos en la constelación, mayor será el ancho de banda del canal de radio. Simularemos en Matlab la transmisión de radio habitual utilizando el canal Rice como modelo:
Permítame recordarle que un byte corresponde a cada grupo de puntos. Sí, los puntos se han extendido un poco, pero dentro de los límites de la decencia, y el receptor aún puede entender claramente a qué byte corresponde cada punto. Ahora agreguemos un cambio Doppler a una velocidad de 30 km / h:
A 70 km / h:
A 100 km / h:
Vemos cómo ya a una velocidad de 70 km \ h los puntos se movieron y se superpusieron entre sí, lo que aumenta notablemente la cantidad de errores. Afortunadamente, la modulación OFDM se aplica adicionalmente en el canal de radio, que es más tolerante al efecto Doppler.
En la modulación OFDM, se transmiten varias señales en paralelo con una frecuencia especialmente seleccionada, de modo que a la frecuencia de una señal la potencia de las señales restantes es cero. El cambio Doppler transferirá las frecuencias de todas las subportadoras, por lo que habrá interferencia entre las subportadoras adyacentes en el receptor y la "señal" - el nivel de "ruido" disminuirá. Cuanto Para una frecuencia de 5,3 GHz a una velocidad de 253 km / h, la disminución será de 0,1 dB, que es insignificante, y se observará una degradación de 1 dB a una velocidad de 750 km / h; ya es más grave, pero aún así no provocará una interrupción en el canal de comunicación [2].
Para combatir la propagación de subportadoras en OFDM a frecuencias especialmente asignadas, se transmite una secuencia previamente conocida con una gran amplitud, modulada por un algoritmo BPSK simple y confiable.
El receptor puede detectarlos fácilmente, ver cómo la fase y la frecuencia han cambiado en estas señales especiales y, de acuerdo con estos datos, cambiar todo de nuevo.
Trabajo similar
Echa un vistazo a otros estudios sobre este tema. Pierpaolo Bergamo, Daniela Maniezzo y Kung Yao, de la Universidad de California, realizaron un experimento en una pista del desierto, condujeron dos autos uno hacia el otro a una velocidad total de hasta 240 km / h, y demostraron que el número de errores de paquete y retraso fue cercano a cero [4].
También obtuvieron resultados similares Hassan GHANNOUM, David SANZ, Bernadette VILLEFORCEIX, Henri PHILIPPE y Pascal MERCIER de Francia, cuando llevaron a cabo este experimento instalando estaciones base en torres a lo largo de la vía del tren, en el que un tren con equipo receptor pasó a una velocidad de 300 km / h. [5]
Los saltos en la velocidad de transferencia de datos se debieron al hecho de que en estos momentos el tren pasó la primera y luego la segunda estación base (BS), y la comunicación se perdió durante el período de reconexión.
Un experimento
Después de toda la investigación teórica, se llevaron a cabo tres series de experimentos. Su objetivo era verificar la estabilidad del canal de comunicación.
en equipos Infinet R5000-Smn, 5 GHz, con un ancho de banda de 40 MHz, potencia de amplificador de 25dBm en varios escenarios de operación.
Los experimentos se llevaron a cabo en una sección de la carretera de circunvalación de Ekaterimburgo en construcción, con las siguientes coordenadas y perfil del terreno:
Se realizaron tres series de experimentos:
1. En la primera serie, se montó una estación base con una antena de 23 dBi en un trípode. Se instaló otro dispositivo en un automóvil que utilizaba dos antenas omnidireccionales con una ganancia de 4 dBi.
Realizamos 4 experimentos a velocidades de 100, 130, 150 y 170 km / hy un experimento a velocidades de 170 km / h con una velocidad de bits constante de 90 Mb / s. El dispositivo Berkut generó tráfico unidireccional en la dirección del automóvil a la BS. Modo de funcionamiento TDMA-MISO. Las estadísticas fueron tomadas de la estación base.
Los gráficos del nivel de señal a diferentes velocidades nos muestran que un aumento en la velocidad no tiene ningún efecto en este rango. Por las razones anteriores, los gráficos de capacidad del canal se darán solo para 150 y 170 km / h.
1) 150 km / h, enlace descendente
2) 170 km / h, enlace descendente
Estos gráficos nos muestran una extensión de ancho de banda de no más de un paso (90-135 Mb / s), lo que nos dice que la conexión es más que estable.
2. En la segunda serie de experimentos, se estudió el efecto de la aceleración en el canal de comunicación. El tráfico también conducía unidireccionalmente a través del Golden Eagle desde el automóvil hasta el BS. La adquisición de datos tuvo lugar en un automóvil: me senté en el asiento del pasajero con una computadora portátil y miré los gráficos.
Se llevaron a cabo dos experimentos para probar la alta aceleración a corta distancia y la aceleración-desaceleración variable a larga distancia. Debido al hecho de que no hubo desviaciones significativas del modo de funcionamiento normal, solo daré los gráficos de ancho de banda en el lado de transmisión:
2.1 Alta aceleración, enlace ascendente
La caída al final ocurrió debido al hecho de que en ese momento un automóvil con antenas omnidireccionales pasó junto a una antena estacionaria dirigida estrechamente y fue más allá de su área de cobertura.
2.2 Aceleración-desaceleración, enlace ascendente
Estos gráficos nos muestran que el efecto de la aceleración, si lo hay, es muy insignificante.
3. En la tercera serie de experimentos, se usaron dos autos, y los autos se movieron uno hacia el otro a lo largo de carriles opuestos con una división de concreto entre ellos. En ambos automóviles, las aletas se utilizaron como antenas, por lo que en estos experimentos la energía de nuestro canal fue inferior en 19 dB, y la calidad de la comunicación disminuyó notablemente. Como referencia, en la primera carrera, los automóviles se movieron a una velocidad de 85 km \ h (en total - 170 km \ h), para que pudiéramos comparar los resultados con experimentos anteriores.
3.1 170 km / h, Enlace ascendente
Este experimento muestra que se produce una caída en el poder, pero la propagación de las tasas de transferencia de datos no es crítica, lo que confirma la correlación de este experimento con los anteriores.
3.2 movimiento de dos automóviles uno hacia el otro a una velocidad de 170 km / h (total = 340 km / h), enlace ascendente
Este experimento también muestra que sus características no difieren de las anteriores, lo que significa que es posible el funcionamiento de dispositivos a estas velocidades.
Conclusión
Las características del canal de comunicación por radio a varias velocidades de hasta 340 km / hy para un enlace estático coinciden tanto cualitativa como cuantitativamente. No pudimos grabar ningún efecto de velocidad o aceleración en el canal de radio en este rango de velocidad.
Gracias por estar con nosotros)