Wi-Fi能否以340 km / h的速度工作？

在暑期实习期间，我被指示找出如果接收器相对于发送器快速移动，无线连接是否可以正常工作。 在本文中，我将讨论多普勒效应及其可怕程度。 Wi-Fi设备需要什么才能不怕它，还可以分享一项实验的结果，在该实验中，我们达到了每小时340公里的速度！



我叫Ilya Shukhman，直到最近我还是乌拉尔联邦大学无线电电子与信息技术学院（IRIT-RTF）的学生。 我的专长是纸张工程师，实际上-有一点STM-32编程，有项目计划，有无线电系统仿真，我喜欢Cisco设备。 从日常工作毕业后，我去了InfiNet Wireless实习。

指示我准备一个实验，以消除对在订户相对于基站高速移动的链路上使用该公司的无线电设备的可能性的怀疑。 例如，如果将其安装在Sapsan机车上。 这种情况下的威胁之一是多普勒效应，其中波频率随发射器和接收器的相对运动而变化。

多普勒效应

这种效应的本质是什么？ 想象一下，给您一卷纸，并指示您在其上绘制正弦波。 您负责任地开始了这项工作，但是在此过程中，您要绘制的纸张开始以一定的速度移动。 显然，如果您假装什么也没有发生，则图形中的波长将增加而频率将减少。 这种效应称为多普勒频移。

在窄带信号中，多普勒频移由以下公式[1]表示：

$$

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

在哪里 $$$f_0$-信号的载波频率， $$$v$-相对运动速度， $$$c$是光速。

例如，我们采用接近设备和任务条件的参数：速度-300 km / h，载波频率-5.3 GHz，光速-始终为3 * 10 ^ 8 m / s。

计算：

$$$$显示$$ 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 $$显示$$

为了将数据发送到无线电，可以使用QAM调制，其中基于星座图对信息进行编码。 星座图中的点越多，无线电信道的带宽越​​高。 我们将在Matlab中使用莱斯信道作为模型来模拟通常的无线电传输：


让我提醒您，一个字节对应于每个点簇。 是的，这些点散布了一点，但是在正派的范围内，并且接收器仍然可以清楚地了解每个点对应于哪个字节。 现在让我们以30 km / h的速度添加多普勒频移：


时速70公里：


时速100公里：


我们看到了点以70 km \ h的速度移动并相互重叠的区域，这立即明显增加了错误数量。 幸运的是，在无线电信道中还额外应用了OFDM调制，它对多普勒效应的容忍度更高。


在OFDM调制中，几个信号以特殊选择的频率并行传输，因此在一个信号的频率上，其余信号的功率为零。 多普勒频移将转移所有子载波的频率，因此接收机上相邻子载波之间将存在干扰，并且“信号”-“噪声”电平将降低。 多少钱 对于以253 km / h的速度运行的5.3 GHz频率，降低幅度为0.1 dB，这可以忽略不计，而在750 km / h的速度下将观察到1 dB的降级-已经很严重了，但仍不会导致通信信道中断[2]。

为了抵抗子载波在OFDM中以特殊分配的频率的扩展，通过一种简单而可靠的BPSK算法来传输先前已知的具有高幅度的序列，并对其进行调制。

接收器可以轻松地检测到它们，了解这些特殊信号中的相位和频率是如何偏移的，并根据这些数据将所有内容都向后偏移。

类似工作

看看有关此问题的其他研究。 加州大学的Pierpaolo Bergamo，Daniela Maniezzo和Kung Yao在沙漠轨道上进行了一项实验，以最高时速240 km / h的速度将两辆汽车相互驶向，并证明数据包错误和延迟的次数接近于零[4]。

来自法国的Hassan GHANNOUM，David SANZ，Bernadette VILLEFORCEIX，Henri PHILIPPE和Pascal MERCIER也获得了类似的结果，他们通过在沿铁轨的塔上安装基站进行了此实验，在该基站上，装有接收设备的火车以300 km / h的速度通过[5]。



数据传输速率的跳跃是由于这样的事实，在这些时刻，火车经过了第一个基站，然后又经过了第二个基站（BS），并且在重新连接期间丢失了通信。

实验

经过所有理论研究，进行了三个系列的实验。 它们旨在检查通信通道的稳定性。

在5 GHz的Infinet R5000-Smn设备上使用，带宽为40 MHz，在各种操作方案中放大器功率为25dBm。


实验是在叶卡捷琳堡环城公路正在建设的一段路段上进行的，坐标和地形如下：



完成了三个系列的实验：

在第一个系列中，带有23 dBi天线的基站安装在三脚架上。 另一个设备安装在汽车上，该汽车使用两个全向鳍状天线，增益为4 dBi。

在100、130、150和170 km / h的速度下进行了4个实验，在170 km / h的速度下以90 Mb / s的恒定比特率进行了1个实验。 Berkut设备在从汽车到BS的方向上产生了单向流量。 TDMA-MISO操作模式。 统计数据来自基站。



不同速度下的信号电平图显示，在此范围内，速度增加没有影响。 由于上述原因，将仅给出150 km / h和170 km / h的信道容量图。

1）150 km / h，下行


2）170 km / h，下行


这些图向我们展示了不超过一步（90-135 Mb / s）的带宽扩展，这表明我们的连接不仅稳定。

在第二系列实验中，研究了加速度对通信信道的影响。 交通也从汽车单向驶过金鹰（Golden Eagle）到BS。 数据采集​​是在汽车上进行的：我坐在笔记本电脑上的乘客座位上，看了看图表。

进行了两个实验以测试短距离的高加速度和长距离的可变加速度-减速度。 由于与正常工作模式没有明显的差异，我只给出发送侧的带宽图：

2.1高速，上行


下降的原因是，当时装有全向天线的汽车驶过固定的狭窄定向天线，并超出了其覆盖范围。

2.2加减速，上行


这些图向我们展示了加速度的影响（如果有的话）非常微不足道。

3.在第三系列实验中，使用了两辆小汽车，小汽车沿着相对的车道彼此相对，并在它们之间形成了混凝土隔板。 在这两款车上，都使用鳍片作为天线，因此在这些实验中，我们通道的能量降低了19 dB，并且通信质量明显下降。 作为参考，在第一次运行中，汽车以85 km \ h的速度行驶（总计-170 km \ h），因此我们可以将结果与以前的实验进行比较。

3.1 170 km / h，上行链路



该实验表明发生了功率下降，但是数据传输速率的扩展并不关键，这证实了该实验与先前实验的相关性。

3.2两辆汽车以170 km / h的速度彼此相对移动（总计= 340 km / h），上行链路



该实验还表明，其特性与先前的特性没有什么不同，这意味着可以这些速度操作设备。

结论

在高达340 km / h的各种速度下，对于静态链路，无线电通信信道的特性在质量和数量上都一致。 在此速度范围内，我们无法记录速度或加速度对无线电信道的任何影响。

谢谢您与我们在一起