Selama magang musim panas, saya diperintahkan untuk mencari tahu apakah koneksi nirkabel akan berfungsi jika penerima bergerak relatif cepat ke pemancar. Pada artikel ini saya akan berbicara tentang efek Doppler dan seberapa menakutkannya; apa yang dibutuhkan perangkat Wi-Fi agar tidak takut padanya, dan juga berbagi hasil percobaan di mana kami mencapai kecepatan 340 kilometer per jam!
Nama saya Ilya Shukhman, dan hingga baru-baru ini saya adalah mahasiswa Institut Radioelektronika dan Teknologi Informasi Universitas Federal Ural (IRIT-RTF). Spesialisasi saya adalah insinyur kertas, sebenarnya - ada sedikit pemrograman STM-32, ada perencanaan proyek, ada simulasi sistem radio, saya menyukai peralatan Cisco. Setelah lulus dari pekerjaan sehari-hari, saya pergi berlatih di InfiNet Wireless.
Saya diperintahkan untuk menyiapkan percobaan yang akan menghilangkan keraguan tentang kemungkinan menggunakan peralatan radio perusahaan ini pada tautan di mana pelanggan bergerak dengan kecepatan tinggi relatif terhadap stasiun pangkalan. Misalnya, jika sudah dipasang di lokomotif Sapsan. Salah satu ancaman dalam kasus ini adalah efek Doppler, di mana frekuensi gelombang berubah dengan gerakan relatif dari pemancar dan penerima.
Efek Doppler
Apa sifat dari efek ini? Bayangkan bahwa Anda diberi gulungan kertas dan diperintahkan untuk menggambar gelombang sinus di atasnya. Anda secara bertanggung jawab memulai tugas, tetapi dalam prosesnya, kertas yang Anda gambar mulai bergerak dengan kecepatan tertentu. Jelas, jika Anda berpura-pura tidak terjadi apa-apa, panjang gelombang dalam gambar Anda akan meningkat dan frekuensinya akan berkurang. Efek ini disebut pergeseran frekuensi Doppler.
Dalam sinyal narrowband, pergeseran Doppler diwakili oleh rumus berikut [1]:
dimana
- Frekuensi pembawa sinyal,
- kecepatan gerakan relatif,
Apakah kecepatan cahaya.
Misalnya, kami membawa parameter mendekati peralatan kami dan kondisi tugas: kecepatan - 300 km / jam, frekuensi pembawa - 5,3 GHz, kecepatan cahaya - seperti biasa 3 * 10 ^ 8 m / s.
Hitung:
$$ menampilkan $$ 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 \ Hzā1,5 \ kHz $$ tampilan $$
Untuk mengirimkan data ke radio, modulasi QAM dapat digunakan, di mana informasi dikodekan berdasarkan rasi bintang. Semakin banyak titik di rasi bintang, semakin tinggi bandwidth saluran radio. Kami akan mensimulasikan dalam Matlab transmisi radio biasa menggunakan saluran Rice sebagai model:
Biarkan saya mengingatkan Anda bahwa satu byte sesuai dengan setiap kelompok poin. Ya, poin telah menyebar sedikit, tetapi dalam batas kesusilaan, dan penerima masih dapat dengan jelas memahami byte mana yang sesuai dengan masing-masing titik. Sekarang mari kita tambahkan shift Doppler dengan kecepatan 30 km / jam:
Pada 70 km / jam:
Pada 100 km / jam:
Kita melihat bagaimana sudah pada kecepatan 70 km \ titik bergerak dan tumpang tindih zona satu sama lain, yang segera meningkatkan jumlah kesalahan. Untungnya, modulasi OFDM juga diterapkan di saluran radio, yang lebih toleran terhadap efek Doppler.
Dalam modulasi OFDM, beberapa sinyal ditransmisikan secara paralel dengan frekuensi yang dipilih secara khusus sehingga pada frekuensi satu sinyal kekuatan sinyal yang tersisa adalah nol. Pergeseran Doppler akan mentransfer frekuensi semua subcarrier, sehingga akan ada interferensi antara subcarrier yang berdekatan pada penerima dan tingkat "sinyal" - "noise" akan berkurang. Berapa banyak Untuk frekuensi 5,3 GHz pada kecepatan 253 km / jam, penurunannya menjadi 0,1 dB, yang dapat diabaikan, dan degradasi sebesar 1 dB akan diamati pada kecepatan 750 km / jam - ini sudah lebih serius, tetapi masih tidak akan menyebabkan gangguan pada saluran komunikasi [2].
Untuk memerangi penyebaran subcarrier di OFDM pada frekuensi yang dialokasikan secara khusus, urutan yang sebelumnya dikenal dengan amplitudo tinggi ditransmisikan, dimodulasi oleh algoritma BPSK yang sederhana dan andal.
Penerima dapat dengan mudah mendeteksi mereka, melihat bagaimana fase dan frekuensi telah bergeser dalam sinyal khusus ini, dan menurut data ini, menggeser semuanya kembali.
Pekerjaan serupa
Lihatlah studi lain tentang masalah ini. Pierpaolo Bergamo, Daniela Maniezzo, dan Kung Yao dari University of California melakukan percobaan di lintasan gurun, mengendarai dua mobil satu sama lain dengan kecepatan total hingga 240 km / jam, dan menunjukkan bahwa jumlah kesalahan paket dan keterlambatan mendekati nol [4].
Hasil serupa juga diperoleh oleh Hassan GHANNOUM, David SANZ, Bernadette VILLEFORCEIX, Henri PHILIPPE dan Pascal MERCIER dari Perancis, ketika mereka melakukan percobaan ini dengan memasang stasiun pangkalan di menara di sepanjang jalur kereta api, di mana kereta dengan peralatan penerima melintas pada kecepatan 300 km / jam [5].
Lompatan dalam kecepatan transfer data adalah karena fakta bahwa pada saat-saat ini kereta melewati yang pertama dan kemudian stasiun pangkalan kedua (BS), dan komunikasi terputus selama periode penyambungan kembali.
Eksperimen
Setelah semua penelitian teoretis, tiga seri percobaan dilakukan. Mereka ditujukan untuk memeriksa stabilitas saluran komunikasi.
pada peralatan Infinet R5000-Smn, 5 GHz, dengan bandwidth 40 MHz, daya amplifier 25dBm dalam berbagai skenario operasi.
Percobaan dilakukan pada bagian jalan lingkar Yekaterinburg yang sedang dibangun, dengan koordinat dan profil medan berikut:
Tiga rangkaian percobaan telah dilakukan:
1. Pada seri pertama, stasiun pangkalan dengan antena 23 dBi dipasang pada tripod. Perangkat lain dipasang di mobil yang menggunakan dua antena sirip omnidirectional dengan gain 4 dBi.
Kami melakukan 4 percobaan pada kecepatan 100, 130, 150 dan 170 km / jam dan satu percobaan pada kecepatan 170 km / jam dengan bitrate konstan 90 Mb / s. Lalu lintas searah dihasilkan oleh perangkat Berkut dalam arah dari mobil ke BS. Mode operasi TDMA-MISO. Statistik diambil dari stasiun pangkalan.
Grafik tingkat sinyal pada kecepatan yang berbeda menunjukkan kepada kita bahwa peningkatan kecepatan tidak berpengaruh dalam kisaran ini. Untuk alasan di atas, grafik kapasitas saluran hanya akan diberikan untuk 150 dan 170 km / jam.
1) 150 km / jam, Downlink
2) 170 km / jam, Downlink
Grafik ini menunjukkan kepada kami sebaran bandwidth tidak lebih dari satu langkah (90-135 Mb / s), yang memberi tahu kami bahwa koneksi lebih dari stabil.
2. Dalam seri kedua percobaan, efek akselerasi pada saluran komunikasi dipelajari. Lalu lintas juga melaju tanpa arah melalui Golden Eagle dari mobil ke BS. Pengambilan data terjadi di dalam mobil: Saya duduk di kursi penumpang dengan laptop dan melihat grafik.
Dua percobaan dilakukan untuk menguji akselerasi tinggi pada jarak pendek dan akselerasi-deselerasi variabel pada jarak jauh. Karena kenyataan bahwa tidak ada penyimpangan yang signifikan dari mode operasi normal, saya hanya akan memberikan grafik bandwidth di sisi transmisi:
2.1 Akselerasi Tinggi, Uplink
Penurunan pada akhirnya terjadi karena fakta bahwa pada saat itu sebuah mobil dengan antena omnidirectional melaju melewati antena stasioner yang diarahkan secara sempit dan melampaui area jangkauannya.
2.2 Percepatan-perlambatan, Uplink
Grafik-grafik ini menunjukkan kepada kita bahwa efek akselerasi, jika ada, sangat tidak signifikan.
3. Dalam rangkaian percobaan ketiga, dua mobil digunakan, dan mobil-mobil bergerak ke arah satu sama lain di sepanjang jalur yang berlawanan dengan partisi beton di antara mereka. Pada kedua mobil, sirip digunakan sebagai antena, jadi dalam percobaan ini energi saluran kami lebih rendah sebesar 19 dB, dan kualitas komunikasi terasa menurun. Sebagai referensi, pada putaran pertama, mobil bergerak dengan kecepatan 85 km \ jam (total - 170 km \ jam), sehingga kami dapat membandingkan hasilnya dengan eksperimen sebelumnya.
3,1 170 km / jam, Uplink
Eksperimen ini menunjukkan bahwa penurunan daya terjadi, tetapi penyebaran dalam kecepatan transfer data tidak kritis, yang menegaskan korelasi percobaan ini dengan yang sebelumnya.
3,2 pergerakan dua mobil satu sama lain pada kecepatan 170 km / jam (total = 340 km / jam), Uplink
Eksperimen ini juga menunjukkan bahwa karakteristiknya tidak berbeda dari yang sebelumnya, yang berarti pengoperasian perangkat pada kecepatan ini dimungkinkan.
Kesimpulan
Karakteristik saluran komunikasi radio pada berbagai kecepatan hingga 340 km / jam dan untuk sambungan statis bertepatan baik secara kualitatif maupun kuantitatif. Kami tidak dapat merekam efek kecepatan atau akselerasi pada saluran radio dalam rentang kecepatan ini.
Terima kasih telah bersama kami)