Будет ли работать Wi-Fi на скорости 340 км-ч?

в 12:06, , рубрики: 802.11n, OFDM, wi-fi, Научно-популярное, Сетевое оборудование, сотовая связь

Во время летней интернатуры мне поручили выяснить, будет ли работать беспроводная связь, если приёмник быстро движется относительно передатчика. В этой статье я расскажу об эффекте Доплера и насколько он страшен; что необходимо Wi-Fi устройству, чтобы его не бояться, а также поделюсь результатами эксперимента, в котором мы достигли скорости 340 километров в час!

image


Меня зовут Шухман Илья, и ещё недавно я являлся студентом Уральского Федерального Университета Института Радиоэлектроники и Информационных Технологий (ИРИТ-РтФ). Моя специализация – по бумагам радиоинженер, по факту – было немного программирования STM-32, было планирование проекта, было и моделирование системы радиосвязи, увлекался оборудованием Cisco. После окончания учебных будней я прошел на практику в компанию InfiNet Wireless.

Мне поручили подготовить эксперимент, который бы развеял сомнения о возможности использования радиооборудования этой компании на линках, где абонент движется относительно базовой станции на большой скорости. К примеру, если он закреплён на локомотиве “Сапсан”. Одной из угроз в этом случае считается эффект Доплера, при котором частота волны изменяется при относительном движении передатчика и приёмника.

Эффект Доплера

В чём природа этого эффекта? Представьте, что вам дали рулон бумаги и поручили рисовать на нём синусоиду. Вы ответственно приступили к задаче, но в процессе работы бумага, на которой вы рисуете, стала двигаться с некоторой скоростью. Очевидно, если вы будете делать вид, словно ничего не произошло, длина волны на вашем рисунке увеличится, а частота уменьшится. Этот эффект и называют доплеровским сдвигом частоты.

В узкополосном сигнале доплеровский сдвиг представляется следующей формулой [1]:

$f_d=f_0 cdot frac vc$

где $f_0$ – несущая частота сигнала, $v$ – относительная скорость движения, $c$ – скорость света.

Для примера возьмем близкие к нашему оборудованию и условию задачи параметры: скорость — 300 км/ч, несущяя частота — 5,3 ГГц скорость света – как всегда 3*108 м/с.

Посчитаем:

$$display$$f_d=5,3 cdot 10^9 Гц cdot frac{300 frac{км}{ч}}{3 cdot 10^8 fracмс}=5,3 cdot 10^9 Гц cdot frac{300 fracмс}{3,6 cdot 3 cdot 10^8 fracмс}=1472 Гц≈1,5 кГц$$display$$

Для передачи данных в радио может использоваться модуляция QAM, в которой информация кодируется на основе созвездий. Чем больше точек в созвездии, тем выше пропускная способность радиоканала. Смоделируем в Matlab обычную передачу по радиотракту, используя как модель канал Райса:

Будет ли работать Wi-Fi на скорости 340 км-ч? - 6

Напомню, что каждому скоплению точек соответствует один байт. Да, точки немного расползлись, но в пределах приличия, и приёмник всё равно может однозначно понять, какому байту соответствует каждая точка. Теперь давайте добавим Доплеровский сдвиг при скорости движения в 30 км/ч:

image

В 70 км/ч:

image

В 100 км/ч:

image

Мы видим, как уже на скорости в 70 кмч точки сдвинулись и перекрыли зоны друг друга, что сразу заметно увеличивает количество ошибок. К счастью, в радиоканале дополнительно применяется модуляция OFDM, которая более толерантна к эффекту Доплера.

image

В модуляции OFDM параллельно передаётся несколько сигналов со специально подобранной частотой таким образом, что на частоте одного сигнала мощность остальных сигналов равна нулю. Доплеровский сдвиг перенесет частоты всех поднесущих, поэтому на приёмнике возникнет интерференция между соседними поднесущими и уровень “сигнал”-”шум” снизится. Насколько? Для частоты 5.3 ГГц на скорости в 253 км/ч снижение составит 0.1 дБ, что пренебрежимо мало, а деградация на 1 дБ будет наблюдаться на скорости 750 км/ч — уже серьёзней, но всё равно не приведёт к разрыву канала связи [2].

Для борьбы с разлётом поднесущих в OFDM на специально выделенных частотах передаётся заранее известная последовательность с высокой амплитудой, модулировання простым и надёжным алгоритмом BPSK.

Приёмник легко может их обнаружить, увидеть насколько у этих спец-сигналов сдвинулась фаза и частота, и по этим данным сдвинуть всё обратно.

image

Аналогичные работы

Взглянем на другие исследования этого вопроса. Pierpaolo Bergamo, Daniela Maniezzo и Kung Yao из Университета Калифорнии провели эксперимент на трассе в пустыне разогнав два автомобиля навстречу друг другу на суммарной скорости до 240 км/ч, и продемонстрировали, что количество пакетных ошибок и задержка были близки к нулю [4].

Близкие результаты были также получены Hassan GHANNOUM, David SANZ, Bernadette VILLEFORCEIX, Henri PHILIPPE и Pascal MERCIER из Франции, когда они проводили этот эксперимент посредством установки базовых станций на вышки вдоль железнодорожного полотна, по которому на скорости 300 км/ч проезжал поезд с приёмным оборудованием [5].

image

image

Скачки скорости передачи данных были обусловлены тем, что в эти моменты поезд проезжал мимо первой, а затем и второй базовых станций (БС), и связь терялась на период переподключения.

Эксперимент

После всех теоретических изысканий были проведены три серии экспериментов. Они были нацелены на проверку стабильности канала связи

на оборудовании Infinet R5000-Smn, 5 ГГц, с полосой пропускания в 40 МГц, мощностью усилителя 25dBm в различных сценариях работы.

image

Эксперименты проводились на строящемся участке екатеринбургской кольцевой автодороги, со следующими координатами и профилем местности:

image

image

Было сделано три серии экспериментов:

1. В первой серии базовая станция с антенной в 23 dBi была установлена на штатив. Другое устройство было установлено в автомобиль, где использовались две всенаправленные антенны-плавника с коэффициентом усиления в 4 dBi.

Провели 4 эксперимента на скоростях движения 100, 130, 150 и 170 км/ч и один эксперимент на скорости движения 170 км/ч при условии постоянного bitrate, равного 90 Мб/с. Однонаправленный трафик генерировался посредством прибора “Беркут” в направлении с автомобиля на БС. Режим работы TDMA-MISO. Съем статистических данных происходил с базовой станции.

image

image

Графики уровня сигнала при различных скоростях движения показывают нам, что увеличение скорости не оказывает никакого влияния в данном диапазоне. В силу вышеизложенных причин графики пропускной способности канала будут приведены только для 150 и 170 км/ч.

1) 150 км/ч, Downlink

image

2) 170 км/ч, Downlink

image

Эти графики демонстрируют нам разброс пропускной способности не более чем на один шаг (90-135 Мб/с), что говорит нам о том, что связь более чем устойчива.

2. Во второй серии экспериментов изучалось влияние ускорения на канал связи. Трафик также гнался однонаправленно посредством Беркута с автомобиля на БС. Съем данных происходил в автомобиле: я сидел на пассажирском сиденье с ноутбуком и смотрел на графики.

Были осуществлены два эксперимента на проверку высокого ускорения на короткой дистанции и переменного ускорения-замедления на длинной. В силу того, что сильных отклонений от обычного режима работы выявлено не было, то приведу лишь графики пропускной способности на передающей стороне:

2.1 Высокое ускорение, Uplink

image

Падение в конце произошло в силу того, что в этот момент машина с всенаправленными антеннами проехала мимо стационарной узконаправленной антенны и вышла за её зону покрытия.

2.2 Ускорение-замедление, Uplink

image

Данные графики демонстрируют нам, что влияние ускорения если и есть, то очень несущественное.

3. В третьей серии экспериментов использовалось два автомобиля, и автомобили двигались навстречу друг другу по противоположенным полосам движения с бетонной перегородкой между ними. На обоих автомобилях в качестве антенн использовались плавники, поэтому в этих экспериментах энергетика нашего канала была ниже на 19 дБ, и качество связи заметно снизилось. Для референса в первом прогоне автомобили двигались со скоростью 85 кмс (в сумме — 170 кмч), так что мы могли сравнить результаты с предыдущими экспериментами.

3.1 170 км/ч, Uplink

image

image

Данный эксперимент показывает, что падение мощности имеет место быть, но разброс скоростей передачи данных некритичен, что подтверждает корреляцию данного эксперимента с предыдущими.

3.2 движение двух машин навстречу друг другу со скоростью 170 км/ч (в сумме = 340 км/ч), Uplink

image

image

Данный эксперимент также показывает, что его характеристики не отличаются от предыдущего, что означает, что работа устройств на данных скоростях возможна.

Вывод

Характеристики радиоканала связи при различных скоростях движения до 340 км/ч и у статичного линка совпадают как качественно, так и количественно. Мы не смогли зафиксировать никакого влияния скорости или ускорения на радиоканал в этом диапазоне скоростей.

Спасибо, что были с нами )

image

Литература

1. ru.wikipedia.org/wiki/Эффект_Доплера
2.«OFDM for Wireless Multimedia Communications», RiChard van Nee, Ramjee Prasad, Artech House
3.«РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ КОРРЕКЦИИ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕДАТОЧНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ В СИСТЕМАХ С ОРТОГОНАЛЬНЫМ ЧАСТОТНЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ И МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕМ (OFDM)», Позднякова Лидия Васильевна, Владимирский государственный университет.
4. home.deib.polimi.it/cesana/publications/conferences/PDF/BergamoITC2003.pdf
5. www.railway-research.org/IMG/pdf/d3_ghannoum_hassan.pdf

Автор: drada

Источник

Поделиться

* - обязательные к заполнению поля