Отмена самоинтерференции
Самоподавление ( SIC ) — это метод обработки сигналов , который позволяет радиоприемопередатчику одновременно передавать и принимать по одному каналу, паре частично перекрывающихся каналов или любой паре каналов в одном и том же диапазоне частот. При использовании для обеспечения одновременной передачи и приема на одной и той же частоте, что иногда называют «внутриполосным полнодуплексным» или «одновременной передачей и приемом», SIC эффективно удваивает спектральную эффективность . SIC также позволяет устройствам и платформам, содержащим две радиостанции, которые используют одну и ту же полосу частот, одновременно работать с обеими радиостанциями.
Самоподавление применяется в мобильных сетях , нелицензированных диапазонах частот, кабельном телевидении , ячеистых сетях , в вооруженных силах и в сфере общественной безопасности.
Внутриполосный полнодуплексный режим имеет преимущества перед обычными схемами дуплексной связи. Система дуплексной связи с частотным разделением каналов (FDD) передает и принимает одновременно, используя два (обычно широко разнесенных) канала в одной и той же полосе частот. Внутриполосный полнодуплексный режим выполняет ту же функцию, используя половину ресурсов спектра. Система дуплексной связи с временным разделением (TDD) работает в полудуплексном режиме на одном канале, создавая иллюзию полнодуплексной связи за счет быстрого переключения между передачей и приемом. Внутриполосные полнодуплексные радиостанции обеспечивают удвоенную пропускную способность, используя те же ресурсы спектра. [1]
Техники
[ редактировать ]Радиоприемопередатчик не может подавлять собственный передаваемый сигнал, основываясь исключительно на знании того, какая информация отправляется и как формируется передаваемый сигнал. Сигнал, который видит приемник, не совсем предсказуем. Сигнал, поступающий в приемник, подвержен различным задержкам. Он состоит из комбинации утечки (сигнал, передаваемый непосредственно от передатчика к приемнику) и локальных отражений. Кроме того, компоненты передатчика (такие как смесители и усилители мощности) вносят нелинейности, которые генерируют гармоники и шум. Эти искажения должны считываться на выходе передатчика. Наконец, решение по подавлению собственных помех должно обнаруживать и компенсировать изменения в реальном времени, вызванные изменениями температуры, механическими вибрациями и движением объектов в окружающей среде. [2]
Сигнал передачи можно подавить в приемнике, создав точную модель сигнала и используя ее для генерации нового сигнала, который в сочетании с сигналом, поступающим в приемник, оставляет только желаемый принимаемый сигнал. Точная величина требуемого подавления будет варьироваться в зависимости от мощности передаваемого сигнала, который является источником собственных помех, и отношения сигнал/шум (SNR), которое, как ожидается, будет обрабатывать канал в полудуплексном режиме. Типичный показатель для приложений Wi-Fi и сотовой связи составляет 110 дБ подавления сигнала, хотя для некоторых приложений требуется большее подавление.
Для отмены локального сигнала передачи требуется сочетание аналоговой и цифровой электроники. Силу передаваемого сигнала можно немного уменьшить до того, как он достигнет приемника, используя циркуляционный насос (если используется общая антенна) или методы изоляции антенны (например, кросс-поляризация), если используются отдельные антенны. Аналоговый подавитель наиболее эффективен при обработке сильных сигналов с коротким разбросом задержки. Цифровой подавитель наиболее эффективен при обработке слабых сигналов с задержкой более 1000 наносекунд. Аналоговый подавитель должен обеспечивать подавление не менее 60 дБ. Цифровой компенсатор должен обрабатывать как линейные, так и нелинейные компоненты сигнала, обеспечивая подавление около 50 дБ. Как аналоговые, так и цифровые подавители состоят из ряда «отводов», состоящих из аттенюаторов, фазовращателей и элементов задержки. Стоимость, размер и сложность решения SIC в первую очередь определяются аналоговым этапом. Также важны алгоритмы настройки, которые позволяют компенсатору адаптироваться к быстрым изменениям. Алгоритмы отмены обычно должны адаптироваться каждые несколько сотен микросекунд, чтобы не отставать от изменений в окружающей среде. [3] [4]
SIC также может использоваться для уменьшения или устранения помех соседнего канала. Это позволяет устройству, содержащему два радиомодуля (например, точке доступа Wi-Fi с двумя радиомодулями 5 ГГц), использовать любую пару каналов независимо от разделения. Помехи в соседнем канале состоят из двух основных компонентов. Сигнал на частоте передачи, известный как блокировщик, может быть настолько сильным, что снижает чувствительность приемника, прослушивающего соседний канал. Сильный местный передатчик также создает шум, который перетекает на соседний канал. SIC может использоваться для уменьшения как блокировщика, так и шума, который в противном случае мог бы помешать использованию соседнего канала.
Приложения
[ редактировать ]Внутриполосный полнодуплексный режим
[ редактировать ]Передача и прием на одной и той же частоте в одно и то же время преследуют несколько целей. Внутриполосный полнодуплексный режим потенциально может удвоить спектральную эффективность. Это обеспечивает настоящий полнодуплексный режим работы, когда доступна только одна частота. И это позволяет работать в режиме «слушай во время разговора» (см. «Когнитивное радио» ниже).
Интегрированный доступ и транзитная связь
[ редактировать ]Хотя ожидается, что питание большинства небольших ячеек будет осуществляться с использованием оптоволоконного кабеля, прокладка оптоволокна не всегда практична. Повторное использование частот, используемых малой сотой для связи с пользователями («доступ») для связи между малой сотой и сетью («обратная связь»), будет частью стандартов 5G 3GPP. При реализации с использованием SIC сигнал передачи местной транзитной радиосвязи подавляется в приемнике малой соты, а сигнал передачи малой соты подавляется в приемнике местной транзитной радиосвязи. Никаких изменений в устройствах пользователей или удаленной транзитной радиосвязи не требуется. Использование SIC в этих приложениях было успешно протестировано компаниями Telecom Italia Mobile и Deutsche Telekom . [5] [6]
Спутниковые ретрансляторы
[ редактировать ]SIC позволяет спутниковым ретрансляторам расширять покрытие помещений, городских ущелий и других мест, повторно используя одни и те же частоты. Этот тип ретранслятора по существу представляет собой два радиоприемника, соединенных последовательно друг за другом. Одно радио обращено к спутнику, а другое — в зону, не имеющую прямого покрытия. Два радиопередатчика передают сигналы (а не биты данных с промежуточным хранением) и должны быть изолированы друг от друга, чтобы предотвратить обратную связь. Радиостанция, обращенная к спутнику, слушает спутник и должна быть изолирована от передатчика, повторяющего сигнал. Аналогичным образом, радиостанция, обращенная в помещение, прослушивает пользователей внутри помещения и должна быть изолирована от передатчика, ретранслирующего их сигналы на спутник. SIC может использоваться для подавления сигнала передачи каждой радиостанции в приемнике другой радиостанции.
Полнодуплексный DOCSIS 3.1
[ редактировать ]Кабельные сети традиционно отдавали большую часть своей мощности нисходящей передаче. Недавний рост объема пользовательского контента требует увеличения пропускной способности. Компания Cable Labs разработала стандарт Full Duplex DOCSIS 3.1, обеспечивающий симметричное обслуживание на скоростях до 10 Гбит/с в каждом направлении. В DOCSIS 3.1 для восходящей и нисходящей передачи выделяются разные частоты, разделенные защитной полосой. Полнодуплексный DOCSIS устанавливает новый диапазон, позволяющий смешивать восходящие и нисходящие каналы на соседних каналах. Головная станция должна поддерживать одновременную передачу и прием в полнодуплексном диапазоне, для чего требуется технология SIC. Кабельные модемы не обязаны передавать и принимать по одним и тем же каналам одновременно, но они должны использовать разные комбинации восходящих и нисходящих каналов в соответствии с инструкциями головного узла. [7]
Беспроводные ячеистые сети
[ редактировать ]Ячеистые сети используются для расширения покрытия (охватывают целые дома) и для создания специальных сетей (экстренная связь). Беспроводные ячеистые сети используют ячеистую топологию для обеспечения желаемого покрытия. Данные перемещаются от одного узла к другому, пока не достигнут пункта назначения. В ячеистых сетях, использующих одну частоту, данные обычно пересылаются с сохранением и пересылкой, причем каждый переход добавляет задержку. SIC может позволить узлам беспроводной сети повторно использовать частоты, чтобы данные повторно передавались (ретранслировались) по мере их получения. В ячеистых сетях, использующих несколько частот, таких как общедомовые сети Wi-Fi с использованием «трехдиапазонных» маршрутизаторов, SIC может обеспечить большую гибкость в выборе каналов. Трехдиапазонные маршрутизаторы имеют один радиомодуль 2,4 ГГц и один радиодиапазон 5 ГГц для связи с клиентскими устройствами, а также второй радиомодуль 5 ГГц, который используется исключительно для межузловой связи. Большинство трехдиапазонных маршрутизаторов используют одну и ту же пару каналов 80 МГц (на противоположных концах диапазона 5 ГГц) для минимизации помех. SIC может позволить трехдиапазонным маршрутизаторам использовать любой из шести каналов по 80 МГц в диапазоне 5 ГГц для координации как внутри сетей, так и между соседними сетями.
Военная связь
[ редактировать ]Военным часто требуется несколько радиостанций высокой мощности на одной воздушной, наземной или морской платформе для тактической связи. Эти радиостанции должны быть надежными даже в условиях помех и помех противника. SIC позволяет нескольким радиостанциям одновременно работать на одной платформе. SIC также имеет потенциальное применение в военных и автомобильных радарах, позволяя радиолокационным системам передавать и принимать непрерывно, а не постоянно переключаться между передачей и приемом, обеспечивая более высокое разрешение. Эти новые возможности были признаны потенциальной «сверхдержавой» для вооруженных сил, которая может привести к смене парадигмы в тактических коммуникациях и электронной войне. [8] [9]
Совместное использование спектра
[ редактировать ]Национальные регулирующие органы, такие как Федеральная комиссия по связи в США, часто решают проблему увеличения ресурсов спектра, разрешая совместное использование недостаточно используемого спектра. Например, миллиарды устройств Wi-Fi и Bluetooth конкурируют за доступ к диапазонам ISM . Смартфоны, маршрутизаторы Wi-Fi и концентраторы умного дома часто поддерживают Wi-Fi, Bluetooth и другие беспроводные технологии на одном устройстве. Технология SIC позволяет этим устройствам одновременно работать с двумя радиостанциями в одном диапазоне. Совместное использование спектра является темой, представляющей большой интерес для индустрии мобильных телефонов, поскольку она начинает развертывать системы 5G.
Когнитивное радио
[ редактировать ]Радиостанции, которые динамически выбирают свободные каналы для более эффективного использования ресурсов ограниченного спектра, являются предметом серьезных исследований. Традиционные схемы совместного использования спектра основаны на протоколах «прослушивай перед разговором». Однако, когда две или более радиостанции решают вести передачу по одному и тому же каналу одновременно, возникает коллизия. Для обнаружения и разрешения коллизий требуется время. SIC позволяет слушать во время разговора, обеспечивая немедленное обнаружение и более быстрое разрешение конфликтов. [10]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Хонг, Стивен; Брэнд, Джоэл; Чой, Юнг; Джайн, Маянк; Мельман, Джефф; Катти, Сачин; Левис, Филип (2014). «Применения подавления собственных помех в 5G и за его пределами» (PDF) . Журнал коммуникаций IEEE . 52 (2): 114–121. дои : 10.1109/mcom.2014.6736751 . S2CID 21235888 . Архивировано из оригинала (PDF) 28 мая 2020 г. Проверено 23 апреля 2018 г.
- ^ Бхарадия, Динеш; Макмилин, Эмили; Катти, Сачин (2013). «Полнодуплексное радио» (PDF) . Обзор компьютерных коммуникаций ACM SIGCOMM . 43 (4): 375–386. дои : 10.1145/2534169.2486033 . Проверено 23 апреля 2018 г.
- ^ Чой, Юнг Иль; Джайн, Маянк; Шринивасан, Каннан; Льюис, Филип; Катти, Сачин (2010). Обеспечение одноканальной полнодуплексной беспроводной связи (PDF) . MobiCom, 2010. Чикаго, Иллинойс, 20–24 ноября 2010 г.
- ^ Корпи, Д.; Агабабаи Тафреши, М.; Пиилила, М.; Анттила, Л.; Валкама, М. (2016). Усовершенствованные архитектуры для подавления собственных помех в полнодуплексной радиосвязи: алгоритмы и измерения (PDF) . 50-я Асиломарская конференция по сигналам, системам и компьютерам, 2016 г. Пасифик-Гроув, Калифорния, 6–9 ноября 2016 г.
- ^ Энн Моррис (25 января 2016 г.). «Итальянские компании TIM и Kumu тестируют технологию полнодуплексной ретрансляции, чтобы удвоить пропускную способность LTE» . www.fightwireless.com . Жестокая беспроводная связь . Проверено 24 апреля 2018 г.
- ^ Моника Аллевен (28 сентября 2015 г.). «Deutsche Telekom завершает полевые испытания полнодуплексной сети 5G совместно с Kumu Networks» . www.fightwireless.com . Жестокая беспроводная связь . Проверено 24 апреля 2018 г.
- ^ Белал Хамзе, вице-президент по исследованиям и разработкам (16 февраля 2016 г.). «Полнодуплексная технология DOCSIS® 3.1: повышение ставки с помощью симметричного гигабитного сервиса» . Cablelabs.com . Проверено 24 апреля 2018 г.
{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Кимберли Андервуд (1 октября 2019 г.). «Финляндия развивает коммуникационные сверхспособности» . www.afcea.org . АФСЕА Интернэшнл . Проверено 15 октября 2019 г.
- ^ Риихонен, Танели; Корпи, Дэни; Рантула, Олли; Рантанен, Хейкки; Саарелайнен, Тапио; Валкама, Микко (2017). «Внутриполосные полнодуплексные радиопередатчики: сдвиг парадигмы в тактической связи и электронной войне?». Журнал коммуникаций IEEE . 55 (10): 30–36. дои : 10.1109/MCOM.2017.1700220 . S2CID 24275978 .
- ^ Ченг, В.; Чжан, X.; Чжан, Х. (2013). «Полнодуплексная беспроводная связь для сетей когнитивного радио». arXiv : 1105.0034 [ cs.IT ].
Ю. Хуа, Ю. Ма, А. Голиан, Ю. Ли, А. Чирик и П. Лян, «Подавление радиопомех путем формирования диаграммы направленности при передаче, полностью аналоговое подавление и слепая цифровая настройка», Signal Processing, Vol. 108, с. 322–340, 2015.