O Wi-Fi funcionará a uma velocidade de 340 km / h?

Durante o estágio de verão, fui instruído a descobrir se a conexão sem fio funcionaria se o receptor se mover rapidamente em relação ao transmissor. Neste artigo, falarei sobre o efeito Doppler e como é assustador; o que um dispositivo Wi-Fi precisa para não ter medo dele e também compartilhar os resultados de um experimento em que atingimos uma velocidade de 340 quilômetros por hora!



Meu nome é Ilya Shukhman e, até recentemente, eu era aluno do Instituto de Rádioeletrônica e Tecnologia da Informação da Universidade Federal de Ural (IRIT-RTF). Minha especialização é engenheiro de papel, de fato - houve um pouco de programação STM-32, houve planejamento de projeto, houve uma simulação de sistema de rádio, eu gostava de equipamentos da Cisco. Depois de me formar no trabalho diário, fui praticar na InfiNet Wireless.

Fui instruído a preparar um experimento que dissipasse dúvidas sobre a possibilidade de usar o equipamento de rádio dessa empresa em links onde o assinante se move em alta velocidade em relação à estação base. Por exemplo, se estiver montado na locomotiva Sapsan. Uma das ameaças nesse caso é o efeito Doppler, no qual a frequência das ondas muda com o movimento relativo do transmissor e receptor.

Efeito Doppler

Qual é a natureza desse efeito? Imagine que você recebeu um rolo de papel e foi instruído a desenhar uma onda senoidal nele. Você embarcou com responsabilidade na tarefa, mas, no processo, o papel no qual você está desenhando começou a se mover a uma certa velocidade. Obviamente, se você fingir que nada aconteceu, o comprimento de onda no seu desenho aumentará e a frequência diminuirá. Esse efeito é chamado de desvio de frequência Doppler.

Em um sinal de banda estreita, o deslocamento Doppler é representado pela seguinte fórmula [1]:

$$

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

onde $$$f_0$ - frequência portadora do sinal, $$$v$ - velocidade relativa de movimento, $$$c$ É a velocidade da luz.

Por exemplo, levamos parâmetros próximos ao nosso equipamento e à condição da tarefa: velocidade - 300 km / h, frequência portadora - 5,3 GHz, velocidade da luz - como sempre 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 dados ao rádio, pode ser usada a modulação QAM, na qual as informações são codificadas com base em constelações. Quanto mais pontos na constelação, maior a largura de banda do canal de rádio. Simularemos no Matlab a transmissão de rádio usual usando o canal Rice como modelo:


Deixe-me lembrá-lo de que um byte corresponde a cada cluster de pontos. Sim, os pontos se espalharam um pouco, mas dentro dos limites da decência, e o receptor ainda pode entender claramente a qual byte cada ponto corresponde. Agora vamos adicionar um deslocamento Doppler a uma velocidade de 30 km / h:


A 70 km / h:


A 100 km / h:


Vemos como, a uma velocidade de 70 km \ h, os pontos se moveram e se sobrepuseram nas zonas um do outro, o que imediatamente aumenta visivelmente o número de erros. Felizmente, a modulação OFDM é aplicada adicionalmente no canal de rádio, que é mais tolerante ao efeito Doppler.


Na modulação OFDM, vários sinais são transmitidos em paralelo com uma frequência especialmente selecionada, de modo que, na frequência de um sinal, a potência dos sinais restantes seja zero. O deslocamento Doppler transferirá as frequências de todas as subportadoras, para que haja interferência entre as subportadoras adjacentes no receptor e o nível "sinal" - "ruído" diminuirá. Quanto Para uma frequência de 5,3 GHz a uma velocidade de 253 km / h, a diminuição será de 0,1 dB, o que é desprezível, e a degradação de 1 dB será observada a uma velocidade de 750 km / h - já é mais grave, mas ainda não levará a uma interrupção no canal de comunicação [2].

Para combater a propagação de subportadoras no OFDM em frequências especialmente alocadas, é transmitida uma sequência previamente conhecida com alta amplitude, modulada por um algoritmo BPSK simples e confiável.

O receptor pode detectá-los facilmente, ver como a fase e a frequência mudaram nesses sinais especiais e, de acordo com esses dados, mudar tudo de volta.

Trabalho semelhante

Dê uma olhada em outros estudos sobre esse assunto. Pierpaolo Bergamo, Daniela Maniezzo e Kung Yao, da Universidade da Califórnia, conduziram um experimento em uma pista deserta, dirigindo dois carros um em direção ao outro a uma velocidade total de até 240 km / h, e demonstraram que o número de erros e atraso de pacotes era próximo de zero [4].

Resultados semelhantes também foram obtidos por Hassan GHANNOUM, David SANZ, Bernadette VILLEFORCEIX, Henri PHILIPPE e Pascal MERCIER da França, quando realizaram esse experimento instalando estações base em torres ao longo da ferrovia, nas quais um trem com equipamento de recepção passava a uma velocidade de 300 km / h [5]



Os saltos na taxa de transferência de dados foram devidos ao fato de que nesses momentos o trem passou pela primeira e depois pela segunda estação base (BS), e a comunicação foi perdida durante o período de reconexão.

Um experimento

Após toda a pesquisa teórica, foram realizadas três séries de experimentos. Eles visavam verificar a estabilidade do canal de comunicação.

no equipamento Infinet R5000-Smn, 5 GHz, com largura de banda de 40 MHz, potência do amplificador de 25dBm em vários cenários de operação.


As experiências foram realizadas em um trecho do anel viário de Ecaterimburgo em construção, com as seguintes coordenadas e perfil do terreno:



Foram realizadas três séries de experimentos:

1. Na primeira série, uma estação base com uma antena de 23 dBi foi montada em um tripé. Outro dispositivo foi instalado em um carro que usava duas antenas omnidirecionais com um ganho de 4 dBi.

Realizou 4 experimentos nas velocidades de 100, 130, 150 e 170 km / he um experimento nas velocidades de 170 km / h com uma taxa de bits constante de 90 Mb / s. O tráfego unidirecional foi gerado pelo dispositivo Berkut na direção do carro para o BS. Modo de operação TDMA-MISO. As estatísticas foram retiradas da estação base.



Gráficos do nível do sinal em velocidades diferentes nos mostram que um aumento na velocidade não tem efeito nesse intervalo. Pelas razões acima, os gráficos de capacidade do canal serão fornecidos apenas para 150 e 170 km / h.

1) 150 km / h, ligação descendente


2) 170 km / h, ligação descendente


Esses gráficos nos mostram um spread de largura de banda de não mais de uma etapa (90-135 Mb / s), o que indica que a conexão é mais do que estável.

2. Na segunda série de experimentos, o efeito da aceleração no canal de comunicação foi estudado. O tráfego também dirigia unidirecionalmente pela Águia Dourada, do carro para o BS. A aquisição de dados ocorreu em um carro: sentei-me no banco do passageiro com um laptop e observei os gráficos.

Foram realizadas duas experiências para testar alta aceleração a curta distância e aceleração-desaceleração variável a longa distância. Devido ao fato de não ter havido desvios significativos do modo de operação normal, apresentarei apenas os gráficos de largura de banda no lado de transmissão:

2.1 Alta Aceleração, Uplink


A queda no final ocorreu devido ao fato de que, naquele momento, um carro com antenas omnidirecionais passava por uma antena estacionária de direção estreita e ultrapassava sua área de cobertura.

2.2 Aceleração-desaceleração, Uplink


Esses gráficos nos mostram que o efeito da aceleração, se houver, é muito insignificante.

3. Na terceira série de experimentos, dois carros foram usados ​​e os carros se moveram um em direção ao outro ao longo de faixas opostas, com uma partição de concreto entre eles. Nos dois carros, as barbatanas foram usadas como antenas; portanto, nesses experimentos, a energia do nosso canal foi reduzida em 19 dB e a qualidade da comunicação diminuiu visivelmente. Para referência, na primeira corrida, os carros se moveram a uma velocidade de 85 km \ h (no total - 170 km \ h), para que pudéssemos comparar os resultados com as experiências anteriores.

3,1 170 km / h, ligação ascendente



Este experimento mostra que ocorre uma queda de energia, mas a dispersão nas taxas de transferência de dados não é crítica, o que confirma a correlação desse experimento com os anteriores.

3.2 movimento de dois carros um em direção ao outro a uma velocidade de 170 km / h (total = 340 km / h), Uplink



Este experimento também mostra que suas características não diferem das anteriores, o que significa que a operação de dispositivos nessas velocidades é possível.

Conclusão

As características do canal de radiocomunicação a várias velocidades de até 340 km / he para um link estático coincidem tanto qualitativa quanto quantitativamente. Não foi possível gravar nenhum efeito de velocidade ou aceleração no canal de rádio nessa faixa de velocidade.

Obrigado por estar conosco)