Подвійна поляризація в сучасних засобах зв'язку

Приклади використання подвійної поляризації в сучасних засобах зв'язку

Останнім часом у зарубіжних системах зв'язку інтенсивно розвивається напрям, зв'язаний з використанням так званих MIMO- технологій (Multiple Input - Multiple Output, множинний вхід - множинний вихід). MIMO- принцип, вживаний в офісних радіокомунікаціях, дозволяє зменшити число помилок при радіообміні даними (BER) без зниження швидкості передачі в умовах множинних відбивань сигналів.

Особливість формування і прийому MIMO- сигналів дозволяє розповсюдити цей підхід і на вирішення завдань радіорелейного зв'язку. При цьому найпростіше таке масштабування технології здійснюється у разі використання сигналів подвійної поляризації.

Метою викладеного нижче матеріалу є адаптація принципів просторово-поляризаційного і поляризаційно-частотного кодування, вживаного в системах MIMO, для передачі і прийому сигналів в радіорелейній системі зв'язку з подвійною поляризацією випромінювання.

Простим прикладом антени MIMO є система з двох несиметричних вібраторів, орієнтованих, наприклад, під кутом ± 450 щодо вертикальної осі (мал. 1.12).

Мал. 1.12. Система MIMO з двох несиметричних вібраторів, орієнтованих під кутом ± 450 щодо вертикальної осі

У цьому випадку сигнали, що випромінюються кожним монополем мають ортогональну поляризацію з достатньо високою взаємною розв'язкою (до 25 дб і більш). У радіорелейному зв'язку така пара монополів може використовуватися як опромінювачі дзеркального рефлектора. На приймальній стороні повинна розміщуватися аналогічна антена, причому можлива інша конструктивна реалізація, але для простоти викладу тут вони розглядатися не будуть.

Вказаний підхід дозволяє одночасно передавати сигнали, що промодульовані різним чином. Тому використання принципу поляризаційного розділення каналів потенційно забезпечує подвоєння пропускної спроможності лінії радіозв'язку у порівнянні з випадком одиночного монополя (у ідеальних умовах прямої видимості за умови ідентичної орієнтації приймальних антен, що передають).

Саме таким умовам якнайповніше відповідає радіорелейна лінія зв'язку.

Вибір кута поляризації ± 45. обумовлений необхідністю надання обом каналам передачі рівних можливостей, оскільки при горизонтально-вертикальній орієнтації випромінювачів одна з поляризаційних компонент неминуче отримала б більше загасання при розповсюдженні уздовж земної поверхні.

Таким чином, по суті, всяку систему з подвійною поляризацією можна розглядати як систему MIMO. Для внутрішньо офісних засобів зв'язку вказаний поляризаційний варіант розділення каналів передачі, насправді, не дозволяє досягти подвоєння пропускної спроможності.

Це пояснюється наявністю множинних відбивань по трасі розповсюдження сигналів і викликаного ними зростання кросс-поляризаційних перешкод. Інша справа - радіорелейна лінія, де рівень перевідбивання може бути значно меншим, у порівнянні з умовами проходження радіохвиль усередині закритих приміщень.

Застосування подвійної поляризації випромінювання в системах MIMO може поєднуватися з ортогональним кодуванням сигналів. У разі такого комплексування кодований однаковим чином в ортогональних поляризація сигнал випромінювання має бути ортогональним за кодом другій парі антен, що передають, або третьому вібратору (мал. 1.13).

Мал. 1.13. Триплет вібраторів

Фактично в поляризаційно-частотному методі кодування в системах MIMO для кожної поляризації випромінюваного сигналу має місце формування на передачу своєї діаграми спрямованості, що залежить від різниці фаз сигналів на затисках живлення антен.

Це забезпечує незалежну трасу розповсюдження для кожної частоти випромінювання. Істотно, що в приймачі сигнали ортогональних частот можна легко розділити за допомогою цифрової фільтрації.

У даному випадку радіорелейного зв'язку рівні корисного сигналу і кросс-поляризаційної завади істотно відрізняються.

Тому матиме місце незначне по величині відхилення головного променя діаграми спрямованості, що передає, яке не приведе до завмирання сигналів. Разом з тим на гідрометеорах, таке варіювання орієнтацією максимуму випромінювання навіть у долі кутових секунд може виявитися корисним.

Для ефективнішого використання ефекту варіювання положенням максимуму головного променя діаграми спрямованості доцільно рознести фазові центри випромінювачів ортогональних поляризації на половину довжини хвилі випромінювання.

Таким чином, використання надмірності в передачі інформації шляхом трансляції ідентичних інформаційних символів на різних поляризація дозволяє підвищити надійність зв'язку в обмін на підвищення швидкості трафіку.

Існують і інші варіанти перенесення у площину вирішення завдань радіорелейного зв'язку з подвійною поляризацією випромінювання методів кодування, використовуваних в MIMO-системах. Розглянутих вище прикладів досить, щоб пояснити загальний принцип відповідної адаптації процедур кодування сигналів.

Тому у подальшому основна увага буде приділена використанню антенних випромінювачів, що являють собою лише одну пару антен ортогональних поляризації, складених або елементарних.

При необхідності, синтезовані в подальшому методи обробки сигналів для таких антенних систем можуть бути узагальнені на випадок більшої кількості незалежних випромінювачів, спираючись на представлений вище підхід для MIMO- подібних систем.

Останнім часом у ряді зарубіжних публікацій наголошується увага на можливість не тільки двократного підвищення швидкості передачі даних за допомогою сигналів подвійної поляризації, але і істотнішого приросту даного показника. В основі відповідних концепцій лежить використання запропонованого R. T. Compton, Jr трипольного антенного елементу.

Прикладом такого роду є запатентований Andrews в 2001 р. спосіб передачі сигналів, що використовує трипольні антенні елементи і віддзеркалення сигналів по трасі розповсюдження.

На мал. 1.18 пояснений принцип розповсюдження сигналів з віддзеркаленням від перешкод по трасі розповсюдження, що забезпечує чутливість приймачів до співвідношень амплітуд і фаз сигналів, що живлять три пари плечей триполя.

Завдяки використанню як електричної, так і магнітної компоненти результуючого електромагнітного поля і тривимірної траси розповсюдження сигналів, за допомогою трипольних MIMO- антен може бути досягнуте триразове підвищення швидкості передачі в порівнянні з турнікетною антеною, використаною як опромінювач.

На жаль, такі перспективні рішення стосовно радіорелейного зв'язку поки ніяк не можуть реалізуватися на практиці.

Мал. 1.18. Траси проходження радіохвиль в системі MIMO з триплетним випромінювачем

Разом з тим, підвищення швидкості передачі інформації може досягатися поєднанням подвійного поляризаційного базису представлення сигналів з їх багаторівневою амплітудною модуляцією квадратури (ML-QAM).

У практиці радіорелейного зв'язку використовуються варіанти цієї спектрально-ефективної модуляції типу 16qam, 64qam, 128qam і навіть 256qam (цифри указують на кількість символьних рівнів, використовуваних для модуляції комплексних амплітуд сигналів).

Проте для реалізації таких високих порядків модуляції ML-QAM необхідно забезпечити низький рівень кросс-поляризаційних перешкод. У разі OFDM- сигналів це завдання може вирішуватися в рамках двох основних методів розподілу частот несучих сигналів подвійної поляризації, приведених на мал. 1.20. Детальніше на їх специфіці зупинимося в наступному підпункті.

а)

б)

Мал. 1.20. Методи розстановки частот несучих сигналів подвійної поляризації: а) ACDP - на сусідніх частотних каналах, б) CCDP - на суміщених частотних каналах [47]

Методи розподілу частот сигналів, що піднесуть при подвійній поляризації. Cистеми придушення кросс-поляризаційної завади (XPIC)

Метод ACDP (Adjacent Channel Dual Polarized) припускає використання різних частот сигналів (сусідніх або суміжних по частотній сітці) на ортогональній поляризації. Тому його практична реалізація простіша в технічному і алгоритмічному стосунках, а розв'язка між сигналами різної поляризації додатково підвищується за рахунок частотно-селективної дії амплітудно-частотних характеристик частотних фільтрів. Проте при OFDM- методі модуляції сигналів технологія ACDP не дозволяє ефективно використовувати відведений спектральний діапазон, стикаючись з необхідністю розстановки що піднесуть в ортогональній поляризації в шаховому порядку.

Даного недоліку позбавлений метод підвищення пропускної спроможності в радіорелейних системах за рахунок використання поляризаційної розв'язки в одному (суміщеному) частотному каналі (Co-channel Dual Polar system - CCDP). Він відомий достатньо давно і активно використовується виробниками магістральних радіорелейних систем на частотах від 4 до 8 Ггц. Експериментально було підтверджено його ефективність для діапазону 13 - 18 Ггц, використовуваного стільниковими операторами для внутрішньо зонових радіорелейних магістралей.

Результативність застосування CCDP багато в чому визначається коефіцієнтом кросс-поляризаційної розв'язки антен (XPD). Проте, навіть, якщо величина відповідного параметра буде недостатньою, проблема мінімізації кросс-поляризаційних перешкод при методі CCDP може бути успішно вирішена за допомогою введення до складу апаратури спеціальної системи придушення кросс-поляризаційної перешкоди (Cross-polarization Interference Cancellation, XPIC).

Подібна обробка може бути вирішена в аналоговому вигляді, проте ефективнішим рішенням є виконання відповідних операцій в цифровому вигляді. Основна ідея методу XPIC у варіанті цифрової реалізації пояснена на мал. 1.21.

Рис. 1.21. Принцип реализации метода XPIC.

Застосування компенсатора кросс-поляризаційних перешкод (XPIC) в діапазоні несучих частот ] 18 Ггц при модуляції 128 MLQAM дозволяє використовувати одну і ту ж частоту тих, що піднесуть в обох поляризаціях, що подвоює пропускну спроможність лінії зв'язку.

Зниження впливу кросполяризаційних завад шляхом використання антен з високими значеннями XPD і пристроїв XPIC, як наголошується в [52], навіть при установці стандартної антени CCDP з поляризацією 00/900, забезпечує практично такі ж характеристики, що і в системі з однією поляризацією. При цьому додатковий розворот настановного кута антени обробки сигналів, що включається в приймальний сегмент відразу після аналогового тракту для реалізації процедури придушення кросс-поляризаційної завади (XPIC).

Можливо проводити ефективну модернізацію на цій основі, перш за все, РРС Р-416г і Р-414, а подальшому і Р-450, тим паче, що при крайній необхідності, одну з поляризацій випромінювання завжди можливо відключити, повернувшись до апаратурного резервування за принципом “1+1”.

Як вже наголошувалося, одним з перспективних напрямів розвитку радіорелейних систем є використання для підвищення їх пропускної спроможності ортогональної частотної дискретної модуляції (OFDM) . Цей метод широко застосовується у WiMAX - мережах і дозволяє забезпечити зв'язок на відстанях прямої видимості (десятки кілометрів). Подальшим розвитком даного підходу став метод не ортогональної частотної дискретної модуляції (N-OFDM), що дозволяє ущільнити спектральну смугу, займану сигналом (мал. 1.24), адаптивно «відійти» від вузько смугових перешкод і ефективно працювати в умовах допплерівського зрушення несучих частот при зв'язку з мобільними абонентами. Істотно також, що така модуляція дозволяє підвищити стійкість радіоліній до несанкціонованого доступу до інформації, що передається, у разі її перехоплення супротивником. З урахуванням перерахованих можливостей, модернізацію вітчизняного парку РРС доцільно проводити саме з орієнтацією на застосування N-OFDM сигналів.

Проте роботи по розвитку методу N-OFDM до цих пір проводилися стосовно лише до однієї поляризації випромінюваних сигналів. В той же час, як випливає з приведеного вище огляду, використання двох ортогональних поляризацій випромінювання дозволяє майже в два рази збільшити пропускну спроможність радіолінії, що широко використовується для методу OFDM.

Тому метою досліджень є удосконалення методу N-OFDM шляхом використання двох поляризаційного сигналу з не ортогональними несучими. При цьому основним завданням досліджень є синтез процедури демодуляції N-OFDM сигналів з урахуванням впливу кросполяризаційної завади.

Для цього на додаток до проведеного вище аналізу відомих підходів до застосування сигналів подвійної поляризації потрібно вирішити наступні завдання досліджень:

-синтезувати методи обробки ортогонально поляризованих сигналів по відліках АЦП при використанні N-OFDM сигналів, які базувалися б на відомих співвідношеннях для оцінок амплітудних складових;

-досліджувати характеристики і аналітичні оцінки потенційної точності запропонованих методів обробки ортогонально-поляризованих сигналів;

-обгрунтувати пропозиції по удосконаленню системи радіорелейного зв'язку за рахунок використання цифрових засобів обробки ортогонально-поляризованих сигналів на основі N-OFDM-модуляции.

Висновки

1. Аналіз тенденцій розвитку зарубіжних систем тактичного зв'язку свідчить про революційні зміни, в даній області, продиктованих необхідністю приведення їх у відповідність з вимогами здійснення сети центричних операцій, подальшого підвищення ємкості бойових мереж і збільшення їх пропускної спроможності. Серед ключових підходів, використовуваних в засобах зв'язку для реалізації нових вимог, слід зазначити застосування різних варіантів OFDM сигналів у поєднанні з подвійною поляризацією випромінювання.

2. Використання сигналів подвійної поляризації забезпечує збільшення ефективності використання спектру, а також підвищує кратність використання частотного ресурсу, демонструючи майже двократний приріст швидкості передачі. Крім того, запропоновані претендентом поляризаційні версії узагальнення методів кодування, використовуваних в MIMO системах, у разі радіорелейних ліній засобів зв'язку дозволяють підвищити надійність передачі повідомлень. Тому їх впровадження можна розглядати як важливий напрям вдосконалення радіорелейних станцій.

3. Аналіз тих, що перебувають на озброєнні в Україні засобів зв'язку дозволяє зробити вивід про доцільність проведення модернізації окремих з них для забезпечення можливості використання подвійної поляризації випромінювання. Найбільш відповідними претендентами для такої модернізації є РРС Р-416г і Р-414, а також ТРС Р-423-1. Виконання аналогічних робіт з РРС Р-410 і Р-412 є небажаним. Враховуючи можливості N-OFDM сигналів по підвищенню перешкодозахисної радіорелейних ліній зв'язку, застосування подвійної поляризації випромінювання при створенні нових зразків і модернізації обумовлених представників існуючого парку РРС слід пов'язати із застосуванням N-OFDM модуляції повідомлень. Проте для цього необхідно вирішити цілий ряд теоретичних завдань.