Le Wi-Fi fonctionnera-t-il à une vitesse de 340 km / h?

Pendant le stage d'été, on m'a demandé de savoir si la connexion sans fil fonctionnera si le récepteur se déplace rapidement par rapport à l'émetteur. Dans cet article, je parlerai de l'effet Doppler et de son effroi; ce dont un appareil Wi-Fi a besoin pour ne pas en avoir peur, et aussi partager les résultats d'une expérience dans laquelle nous avons atteint une vitesse de 340 kilomètres par heure!



Je m'appelle Ilya Shukhman et, jusqu'à tout récemment, j'étais étudiante à l'Institut fédéral de radioélectronique et de technologie de l'information de l'Ural (IRIT-RTF). Ma spécialisation est ingénieur papier, en fait - il y avait un peu de programmation STM-32, il y avait la planification de projet, il y avait une simulation de système radio, j'aimais les équipements Cisco. Après avoir obtenu mon diplôme du travail quotidien, je suis allé pratiquer à InfiNet Wireless.

On m'a chargé de préparer une expérience qui dissiperait les doutes sur la possibilité d'utiliser l'équipement radio de cette société sur des liaisons où l'abonné se déplace à grande vitesse par rapport à la station de base. Par exemple, s'il est monté sur la locomotive Sapsan. Une des menaces dans ce cas est l'effet Doppler, dans lequel la fréquence des ondes change avec le mouvement relatif de l'émetteur et du récepteur.

Effet Doppler

Quelle est la nature de cet effet? Imaginez qu'on vous ait remis un rouleau de papier et qu'on vous ait demandé de dessiner une onde sinusoïdale dessus. Vous vous êtes lancé de façon responsable dans la tâche, mais au cours du processus, le papier sur lequel vous dessinez a commencé à se déplacer à une certaine vitesse. Évidemment, si vous prétendez que rien ne s'est passé, la longueur d'onde de votre dessin augmentera et la fréquence diminuera. Cet effet est appelé décalage de fréquence Doppler.

Dans un signal à bande étroite, le décalage Doppler est représenté par la formule suivante [1]:

$$

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

où $$$f_0$ - fréquence porteuse du signal, $$$v$ - vitesse relative de déplacement, $$$c$ C'est la vitesse de la lumière.

À titre d'exemple, nous prenons des paramètres proches de nos équipements et de l'état de la tâche: vitesse - 300 km / h, fréquence porteuse - 5,3 GHz, vitesse de la lumière - comme toujours 3 * 10 ^ 8 m / s.

Calculez:

$$$$ afficher $$ 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 $$ display $$

Pour transmettre des données à la radio, une modulation QAM peut être utilisée, dans laquelle les informations sont codées sur la base de constellations. Plus il y a de points dans la constellation, plus la bande passante du canal radio est élevée. Nous simulerons dans Matlab la transmission radio habituelle en utilisant le canal Rice comme modèle:


Permettez-moi de vous rappeler qu'un octet correspond à chaque groupe de points. Oui, les points se sont un peu écartés, mais dans les limites de la décence, et le récepteur peut toujours comprendre clairement à quel octet correspond chaque point. Ajoutons maintenant un décalage Doppler à une vitesse de 30 km / h:


À 70 km / h:


À 100 km / h:


Nous voyons comment, déjà à une vitesse de 70 km \ h, les points se sont déplacés et se sont chevauchés les uns les autres, ce qui augmente immédiatement le nombre d’erreurs. Heureusement, la modulation OFDM est également appliquée dans le canal radio, qui est plus tolérant à l'effet Doppler.


En modulation OFDM, plusieurs signaux sont transmis en parallèle avec une fréquence spécialement sélectionnée de sorte qu'à la fréquence d'un signal la puissance des signaux restants soit nulle. Le décalage Doppler transférera les fréquences de toutes les sous-porteuses, il y aura donc des interférences entre les sous-porteuses adjacentes sur le récepteur et le niveau «signal» - «bruit» diminuera. Combien Pour une fréquence de 5,3 GHz à une vitesse de 253 km / h, la diminution sera de 0,1 dB, ce qui est négligeable, et une dégradation de 1 dB sera observée à une vitesse de 750 km / h - elle est déjà plus grave, mais ne conduira toujours pas à une rupture du canal de communication [2].

Pour lutter contre la propagation des sous-porteuses en OFDM à des fréquences spécialement attribuées, une séquence précédemment connue avec une amplitude élevée est transmise, modulée par un algorithme BPSK simple et fiable.

Le récepteur peut facilement les détecter, voir comment la phase et la fréquence ont changé dans ces signaux spéciaux et, selon ces données, tout reculer.

Travail similaire

Jetez un œil à d'autres études sur cette question. Pierpaolo Bergamo, Daniela Maniezzo et Kung Yao de l'Université de Californie ont mené une expérience sur une piste désertique, conduisant deux voitures l'une vers l'autre à une vitesse totale allant jusqu'à 240 km / h, et ont démontré que le nombre d'erreurs et de retards de paquets était proche de zéro [4].

Des résultats similaires ont également été obtenus par Hassan GHANNOUM, David SANZ, Bernadette VILLEFORCEIX, Henri PHILIPPE et Pascal MERCIER de France, lorsqu'ils ont réalisé cette expérience en installant des stations de base sur des tours le long de la voie ferrée, sur lesquelles un train avec des équipements de réception est passé à une vitesse de 300 km / h [5].



Les sauts dans le taux de transfert de données étaient dus au fait qu'à ces moments-là, le train a dépassé la première puis la deuxième station de base (BS), et la communication a été perdue pendant la période de reconnexion.

Une expérience

Après toutes les recherches théoriques, trois séries d'expériences ont été réalisées. Ils visaient à vérifier la stabilité du canal de communication.

sur un équipement Infinet R5000-Smn, 5 GHz, avec une bande passante de 40 MHz, une puissance d'amplificateur de 25 dBm dans divers scénarios de fonctionnement.


Les expériences ont été réalisées sur un tronçon du périphérique d'Ekaterinbourg en construction, avec les coordonnées et le profil de terrain suivants:



Trois séries d'expériences ont été réalisées:

1. Dans la première série, une station de base avec une antenne de 23 dBi était montée sur un trépied. Un autre appareil a été installé dans une voiture qui utilisait deux antennes à ailettes omnidirectionnelles avec un gain de 4 dBi.

Réalisation de 4 expériences à des vitesses de 100, 130, 150 et 170 km / h et une expérience à des vitesses de 170 km / h avec un débit constant de 90 Mb / s. Un trafic unidirectionnel a été généré par le dispositif Berkut en direction de la voiture vers la BS. Mode de fonctionnement TDMA-MISO. Les statistiques proviennent de la station de base.



Les graphiques du niveau du signal à différentes vitesses nous montrent qu'une augmentation de la vitesse n'a aucun effet dans cette plage. Pour les raisons ci-dessus, les graphiques de capacité de canal ne seront donnés que pour 150 et 170 km / h.

1) 150 km / h, liaison descendante


2) 170 km / h, liaison descendante


Ces graphiques nous montrent une répartition de la bande passante ne dépassant pas une étape (90-135 Mb / s), ce qui nous indique que la connexion est plus que stable.

2. Dans la deuxième série d'expériences, l'effet de l'accélération sur le canal de communication a été étudié. Le trafic passait également unidirectionnellement par le Golden Eagle de la voiture au BS. L'acquisition des données a eu lieu dans une voiture: je me suis assis sur le siège passager avec un ordinateur portable et j'ai regardé les graphiques.

Deux expériences ont été réalisées pour tester une forte accélération à courte distance et une accélération-décélération variable à longue distance. Étant donné qu'il n'y a pas eu d'écarts significatifs par rapport au mode de fonctionnement normal, je ne donnerai que les graphiques de bande passante du côté émission:

2.1 Accélération élevée, liaison montante


La chute à la fin est due au fait qu'à ce moment-là, une voiture avec des antennes omnidirectionnelles est passée devant une antenne fixe étroitement dirigée et a dépassé sa zone de couverture.

2.2 Accélération-décélération, liaison montante


Ces graphiques nous montrent que l'effet de l'accélération, le cas échéant, est très insignifiant.

3. Dans la troisième série d'expériences, deux voitures ont été utilisées et les voitures se sont rapprochées le long de voies opposées avec une cloison en béton entre elles. Sur les deux voitures, des ailettes ont été utilisées comme antennes, de sorte que dans ces expériences, l'énergie de notre canal a été inférieure de 19 dB et la qualité de la communication a sensiblement diminué. Pour référence, lors de la première course, les voitures se sont déplacées à une vitesse de 85 km \ h (au total - 170 km \ h), afin que nous puissions comparer les résultats avec les expériences précédentes.

3.1 170 km / h, liaison montante



Cette expérience montre qu'une baisse de puissance a lieu, mais la propagation des taux de transfert de données n'est pas critique, ce qui confirme la corrélation de cette expérience avec les précédentes.

3.2 mouvement de deux voitures l'une vers l'autre à une vitesse de 170 km / h (total = 340 km / h), liaison montante



Cette expérience montre également que ses caractéristiques ne diffèrent pas de la précédente, ce qui signifie que le fonctionnement d'appareils à ces vitesses est possible.

Conclusion

Les caractéristiques du canal de radiocommunication à différentes vitesses pouvant atteindre 340 km / h et pour une liaison statique coïncident à la fois qualitativement et quantitativement. Nous n'avons pu enregistrer aucun effet de la vitesse ou de l'accélération sur le canal radio dans cette plage de vitesse.

Merci d'être avec nous)