АссистентНовый вопросИсторияОбласти знаний
Партнёрские проектыСпецпроектыСтать автором
Сменить язык
О РУВИКИ

Компенсация самовоздействия

Компенсация самовоздействия — это метод обработки сигналов, позволяющий радиотрансиверу одновременно передавать и принимать данные на одном канале, на паре частично перекрывающихся каналов или на любых двух каналах в одном и том же частотном диапазоне. При использовании для одновременной передачи и приёма на одной частоте, также называемой «полным дуплексом в полосе» или «одновременной передачей и приёмом», компенсация самовоздействия практически удваивает спектральную эффективность. Эта технология также даёт возможность устройствам и платформам с двумя радиомодулями, работающими в одном частотном диапазоне, функционировать одновременно.

Применение

Компенсация самовоздействия применяется в мобильных сетях, в незарегистрированных (нелицензированных) диапазонах, в кабельном телевидении, ячеистых сетях, а также в военных и аварийных (гражданская безопасность) целях.

Технология полного дуплекса в полосе предоставляет преимущества по сравнению с традиционными схемами дуплексирования. В системе с частотным дуплексом, передача и приём осуществляются одновременно по двум (обычно далеко разнесённым) каналам в одном диапазоне частот. В полном дуплексе в полосе та же функция реализуется с использованием лишь половины спектральных ресурсов. В системах с временным дуплексом, работа ведётся в полу-дуплексном режиме по одному каналу, при этом быстрым переключением между передачей и приёмом имитируется эффект двунаправленного обмена. В результате радиомодули с полным дуплексом в полосе достигают двукратной пропускной способности при тех же спектральных ресурсах[1].

Методы

Радиотрансивер не может компенсировать собственный передаваемый сигнал, полагаясь только на информацию о содержании и структуре сигнала. Сигнал, который принимает приёмник, не полностью предсказуем: он может иметь различные задержки, быть комбинацией прямой утечки (сигнал напрямую от передатчика к приёмнику) и локальных отражений. Кроме того, компоненты передатчика вносят нелинейные искажения, создающие гармоники и шум. Эти искажения должны быть отслежены на выходе передатчика. Также алгоритм компенсации должен учитывать и корректировать изменения, вызванные перепадами температуры, механическими вибрациями и движением объектов в окружающей среде в реальном времени[2].

Для компенсации самовоздействия на стороне приёмника формируется точная модель переданного сигнала, на её основе генерируется сигнал, который при сложении с принимаемым сигналом оставляет только полезный приёмный сигнал. Необходимая степень компенсации определяется мощностью самовоздействующего сигнала и ожидаемым отношением сигнал/шум, которое требуется линии связи при полу-дуплексном обмене. В типичных приложениях Wi-Fi и сотовых сетей требуется гашение сигнала на 110 дБ, однако в отдельных случаях эта величина бывает больше.

Для подавления собственного сигнала требуется сочетание аналоговых и цифровых схем. Мощность передаваемого сигнала может быть снижена до приёмника с помощью циркулятора (при использовании общей антенны) или с помощью методов изоляции антенн при раздельных антеннах. Аналоговые цепи лучше справляются с сильными сигналами с коротким временным размахом задержек. Цифровые компенсаторы наиболее эффективны для слабых сигналов с задержкой более 1000 наносекунд. Аналоговое устройство компенсации обеспечивает по меньшей мере 60 дБ ослабления, цифровое добавляет ещё около 50 дБ, при этом обрабатываются как линейные, так и нелинейные составляющие сигнала. И аналоговые, и цифровые компенсаторы состоят из набора «тапов» из аттенюаторов, фазовращателей и элементов задержки. Основные затраты, размеры и сложность решения SIC определяются аналоговой частью. Также ключевое значение имеют алгоритмы настройки, обеспечивающие корректировку параметров с темпом до нескольких сотен микросекунд для адаптации к быстро меняющейся среде[3][4].

SIC может использоваться также для уменьшения или полной компенсации помех на соседних каналах. Это позволяет точкам доступа Wi-Fi с двумя радиомодулями в диапазоне 5 ГГц использовать любые пары каналов независимо от степени их разделения. Соседние помехи включают два главных компонента: сигналы на частоте передачи (называемые блокирующими), достаточно мощные, чтобы загрубить приёмник на соседнем канале, а также локальные помехи, просачивающиеся с передающего канала на соседний. SIC применяется для снижения обоих компонентов — блокирующей помехи и шума, который может препятствовать использованию соседнего канала.

Применение

Полный дуплекс в полосе

Одновременная передача и приём на точно одной и той же частоте предоставляет сразу несколько преимуществ. Полный дуплекс в полосе может вдвое повысить спектральную эффективность, позволяет реализовать истинный полный дуплекс, когда доступна только одна частота, и реализует подход «слушать во время передачи».

Интегрированный доступ и магистраль

Хотя большинство малых сот (small cells) планируется подключать по оптоволоконным линиям, это не всегда осуществимо. В рамках стандартов 5G консорциума 3GPP будет реализован механизм повторного использования частот, которыми малая сотая связана с пользователями («доступ»), для обмена между этой сотой и сетью («магистраль»). При использовании SIC передающий сигнал магистрального радиомодуля компенсируется на приёмнике малой соты, а передачи самой соты — на приёмнике у магистрального радиомодуля. Пользовательские устройства и удалённые магистральные радиомодули не требуют изменений. Применение SIC в этой области уже прошло успешные испытания операторами Telecom Italia Mobile и Deutsche Telekom[5][6].

Спутниковые ретрансляторы

SIC позволяет спутниковым ретрансляторам расширять покрытие на закрытые помещения, «городские каньоны» и другие труднодоступные для прямого охвата места, повторно используя уже занятые частоты. Такой ретранслятор фактически представляет собой два соединённых «спина к спине» радиомодуля: один сориентирован на спутник, второй — в зону недоступного покрытия. Радиомодули передают сигналы друг другу напрямую (не прибегая к схеме store-and-forward) и должны быть изолированы, чтобы избежать обратной связи. Радиомодуль, обращённый к спутнику, должен быть изолирован от передатчика повторяющего сигнала; аналогично, модуль, обслуживающий помещение, должен быть защищён от сигнала передатчика, работающего со спутником. SIC используется для компенсации собственного сигнала каждого радиомодуля на приёмнике другого.

Full duplex DOCSIS 3.1

Традиционно кабельные сети выделяют основную часть пропускной способности под нисходящий трафик. Рост объёма создаваемого пользователями контента увеличил спрос на восходящий канал. Организация Cable Labs разработала стандарт Full Duplex DOCSIS 3.1, обеспечивающий симметричную работу на скоростях до 10 Гбит/с в каждом направлении. В DOCSIS 3.1 каналы восходящей и нисходящей передачи разделяются по частотам и изолируются защитной полосой. Full Duplex DOCSIS позволяет использовать смешанную полосу — на соседних каналах одновременно могут работать и восходящие, и нисходящие потоки. Центральное оборудование должно одновременно принимать и передавать в пределах полосы полного дуплекса, что требует технологии SIC. Кабельным модемам не нужно одновременно передавать и принимать на одном канале, но они обязаны передавать и принимать на различных комбинациях каналов по команде головного устройства[7].

Ячеистые беспроводные сети

Ячеистые (mesh) сети используются для расширения зоны покрытия и для организации временных (ад-хок) сетей, актуальных в экстренных ситуациях. Такие сети используют топологию «ячеистой» структуры, по которой данные последовательно передаются от узла к узлу, пока не достигнут цели. В сетях, использующих одну частоту, данные обычно store-and-forward'ятся, а каждый переход между узлами вносит задержку. SIC позволяет беспроводным ячеистым узлам повторно использовать частоты, осуществляя ретрансляцию и приём одновременно. При многодиапазонном построении SIC расширяет возможности выбора каналов: имеется две радиосекции (2,4 ГГц и 5 ГГц) для связи с клиентами и дополнительный 5-ГГц-радиомодуль только для связи узлов между собой. Обычно такие маршрутизаторы используют одну и ту же пару 80-МГц каналов (на противоположных краях диапазона), чтобы минимизировать интерференцию. SIC позволяет использовать любые шесть 80-МГц каналов в 5-ГГц диапазоне для координации как внутри сети, так и между соседними сетями.

Военная связь

В военных применениях требуется одновременная работа нескольких мощных радиомодулей на одной авиационной, наземной или морской платформе для оперативного взаимодействия. Эти устройства должны быть устойчивыми к помехам и попыткам подавления связи противником. Благодаря SIC возможно одновременное функционирование нескольких радиомодулей на одной платформе. Технология также может применяться в военных и автомобильных радиолокационных системах, что позволяет им вести передачу и приём непрерывно, а не переключаться между режимами, что увеличивает разрешающую способность. Эти возможности рассматриваются как потенциальное «супероружие» для армий и предпосылка смены парадигмы в тактической связи и радиоэлектронной борьбе[8][9].

Совместное использование спектра

Национальные органы регулирования, такие как Федеральная комиссия по связи США (FCC), пытаются решить проблему дефицита радиочастот, разрешая совместное использование редко используемых диапазонов. Так, миллиарды Wi-Fi- и Bluetooth-устройств конкурируют за доступ к ISM-диапазонам. Смартфоны, Wi-Fi-роутеры и домашние хабы часто одновременно поддерживают Wi-Fi, Bluetooth и другие беспроводные протоколы в одном устройстве. Технология SIC позволяет таким устройствам одновременно работать с двумя радиомодулями в одном диапазоне. Совместное использование спектра — ключевая тема для индустрии мобильной связи по мере внедрения 5G.

Когнитивное радио

Радиомодули, способные динамически выбирать незанятые частоты для повышения эффективности использования спектра, представляют интерес для исследователей. Традиционные схемы совместного использования спектра строятся на протоколе «слушай — прежде чем говорить», при этом при совпадении частот передачи происходит коллизия, для разрешения которой требуется время. Технология SIC обеспечивает подход «слушай во время передачи», позволяя определять и устранять коллизии практически мгновенно[10].

Примечания

  1. ↑ Hong, Steven; Brand, Joel; Choi, Jung; Jain, Mayank; Mehlman, Jeff; Katti, Sachin; Levis, Philip (2014). “Applications of self-interference cancellation in 5G and beyond” (PDF). IEEE Communications Magazine. 52 (2): 114—121. DOI:10.1109/mcom.2014.6736751. Архивировано из оригинала (PDF) 2020-05-28. Дата обращения 2024-06-05. Используется устаревший параметр |url-status= (справка)
  2. ↑ Bharadia, Dinesh; McMilin, Emily; Katti, Sachin (2013). “Full duplex radios” (PDF). ACM SIGCOMM Computer Communication Review. 43 (4): 375—386. DOI:10.1145/2534169.2486033. Дата обращения 2024-06-05.
  3. ↑ Choi, Jung Il; Jain, Mayank; Srinivasan, Kannan; Levis, Philip; Katti, Sachin (2010). Achieving single channel, full duplex wireless communication (PDF). MobiCom, 2010. Chicago, IL November 20–24, 2010.
  4. ↑ Korpi, D.; AghababaeeTafreshi, M.; Piilila, M.; Anttila, L.; Valkama, M. (2016). Advanced architectures for self-interference cancellation in full-duplex radios: algorithms and measurements. 50th Asilomar Conference on Signals, Systems, and Computers, 2016. Pacific Grove, CA November 6–9, 2016. DOI:10.1109/ACSSC.2016.7869639.
  5. ↑ Anne Morris. Italy's TIM, Kumu test full duplex relay technology to double LTE capacity. fiercewireless.com. Fierce Wireless (25 января 2016). Дата обращения: 5 июня 2024. Архивировано 7 августа 2022 года.
  6. ↑ Monica Alleven. Deutsche Telekom completes 5G full duplex field trial with Kumu Networks. fiercewireless.com. Fierce Wireless (28 сентября 2015). Дата обращения: 5 июня 2024. Архивировано 19 ноября 2023 года.
  7. ↑ Belal Hamzeh. Full Duplex DOCSIS® 3.1 Technology: Raising the Ante with Symmetric Gigabit Service. cablelabs.com (16 февраля 2016). Дата обращения: 5 июня 2024. Архивировано 18 февраля 2016 года.
  8. ↑ Kimberly Underwood. Finland Is Developing Communication Superpowers. www.afcea.org. AFCEA International (1 октября 2019). Дата обращения: 5 июня 2024. Архивировано 26 февраля 2021 года.
  9. ↑ Riihonen, Taneli; Korpi, Dani; Rantula, Olli; Rantanen, Heikki; Saarelainen, Tapio; Valkama, Mikko (2017). “Inband Full-Duplex Radio Transceivers: A Paradigm Shift in Tactical Communications and Electronic Warfare?”. IEEE Communications Magazine. 55 (10): 30—36. Bibcode:2017IComM..55j..30R. DOI:10.1109/MCOM.2017.1700220. S2CID 24275978.
  10. ↑ Cheng, W.; Zhang, X. & Zhang, H. (2013), Full duplex wireless communications for cognitive radio networks, arΧiv:1105.0034 [cs.IT]. 

Литература

  • Y. Hua, Y. Ma, A. Gholian, Y. Li, A. Cirik, P. Liang. Radio Self-Interference Cancellation by Transmit Beamforming, All-Analog Cancellation and Blind Digital Tuning // Signal Processing. — Vol. 108. — P. 322–340, 2015.

Ссылки

Категории