Design of HF-band radio frequency lines based on MIMO technology

Abstract


This work is concerned with design of HF-band radio frequency lines based on MIMO technology (Multiple Input - Multiple Output). We proposed algorithm for design including following stages: analyzing of types and location conditions of radio stations; selection of MIMO types and multiplicity ratio; selection of antenna system types; adjustment of technical requirements to equipment; fitting and/or development of equipment components. By using proposed algorithm, we synthesized MIMO system 6x6 based on two triple-orthogonal antenna elements for application in the field quickly installed HF-band radio frequency communication systems, described its technical specification, analyzed maximal bandwidth, concluded on ability of its application in HF-band radio frequency communication system.

Full Text

Введение В настоящее время в ДКМВ диапазоне существует проблема повышения канальной емкости при использовании фиксированного частотного ресурса. Она актуальна как для стационарных радиоцентров, так и для средств подвижной радиосвязи. Последние предназначены для связи с отдалёнными районами при чрезвычайных ситуациях или военных действиях [1]. Однако, неустойчивые каналы радиосвязи встречаются не только в ДКМВ диапазоне. Традиционно вышеописанные проблемы решаются путем передачи избыточной информации. Это могут быть как коды коррекции ошибок внутри канала, так и использование различных физических каналов (в смысле многолучевого распространения сигнала). Развитие последней методики привело к появлению технологии множественной передачи и приема MIMO. Рассмотрим разделы данной методики. Раздел 1 На основе результатов исследований [2-4] предлагается порядок проектирования радиолиний ДКМВ диапазона, использующих технологию MIMO, включающий следующие основные этапы: - анализ типов и условий размещения радиостанций; - выбор видов и кратностей множественного приема и передачи; - выбор типов антенных систем; - уточнение технических требований к оборудованию; - подбор и разработка (при необходимости) составных частей оборудования. Схематично предложенный порядок проектирования представлен на рис. 1. Рассмотрим последовательно основные его этапы. Рис. 1. Укрупненная схема порядка проектирования Первый этап выполняется на основе рассмотрения тактико-технических требований к разрабатываемой радиолинии. Он включает в себя анализ типа предполагаемой к использованию радиостанции. Радиостанции можно разделить на два типа: совмещенные и разнесенные [5]. Разнесенные радиостанции состоят из приемных и передающих центров, которые располагаются вдали друг от друга и от промышленных предприятий для уменьшения помех радиоприему. В состав радиоцентра входят антенные и фидерные устройства с аппаратурой многократного использования антенн, промежуточная и оконечная аппаратура приемного тракта, радиоприемники и радиопередатчики, аппаратура контроля, дистанционного управления, служебной связи и сигнализации. Антенные системы располагаются на антенном поле, которое обычно занимает бо́льшую часть территории радиоцентра. Рис. 2. Объекты и радиолинии ДКМВ Для коротковолновых радиоцентров применяются как узконаправленные антенны в количестве, соответствующем числу заданных направлений радиосвязи, составляющие сеть проводов, подвешиваемых на металлических или деревянных опорах высотой от 25 до 170 м, так и ненаправленные и слабонаправленные антенны. В противоположность разнесенным, совмещенные радиостанции осуществляют прием и передачу на антенные системы, расположенные компактно. Они размещаются в условиях существенно ограниченной занимаемой антеннами площади, очень часто - в городских зданиях (сооружениях) относительно небольших размеров. Приемо-передающие антенны ДКМВ диапазона при этом удается установить только на крыше здания, площадь которого, особенно с учетом присутствия антенн радиосредств других диапазонов, практически не оставляет возможностей размещения нескольких пространственно разнесенных антенн ДКМВ. Для антенных систем, реализующих прием сигнала, предлагается осуществлять выбор типа АС в пользу активных антенн на электрически коротких вибраторах. Такой выбор существенно сокращает требуемую площадь антенного поля без ухудшения прочих характеристик радиостанции. Это является особенно важным на совмещенных радиостанциях, но также имеет значение и для случая разнесенной радиостанции. По условиям размещения совмещенные радиостанции могут быть стационарными, подвижными (например, на кораблях и судах) и быстроразворачиваемыми. Для стационарных и подвижных совмещенных радиостанций может присутствовать дополнительное требование компактности размещения (например, радиосредства размещаются в одном или двух смежных зданиях, а антенны - на одной или двух смежных крышах). Антенны подвижных средств, например, боевого корабля, размещаются также компактно, причем имеются дополнительные ограничения, связанные с размещением антенн вблизи мачт, надстроек и вооружения). Вышеприведенные объекты и радиолинии ДКМВ диапазона показаны на рис. 2. Исходя из анализа требований к условиям размещения следует определить размер площадей, доступных для разворачивания АС радиостанции. Помимо этого, требуется определение необходимой мощности передатчика или ограничение на минимально допустимое отношение «сигнал/шум» для передающих и приемных радиостанций соответственно. Второй этап заключается в выборе видов и кратности применяемой технологии MIMO. В качестве входных данных на этом этапе используется заданная в техническом задании (ТЗ) ограничение на пропускную способность и определенное на предыдущем этапе соотношение «сигнал/шум». Следует отметить, что в ТЗ зачастую выдвигается требование не только к пропускной способности, но и к надежности. Последнее следует учитывать соразмерным увеличением требуемой пропускной способности, как показано в [2]. Исходя из пропускной способности и соотношения «сигнал/шум» по графикам, приведенным в [3-6] следует определить кратность технологии MIMO, достаточную для выполнения требований ТЗ. Будем различать случай высокой и низкой кратности. Для высокой кратности (более трех) рекомендуется применять комбинированные типы разнесения. В случае низкой кратности (не более трех) и наличия ограничений на пространственное размещение АС рекомендуется использовать поляризационный тип разнесения подканалов MIMO. В остальных случаях предлагается применение пространственного разнесения подканалов технологии MIMO. Алгоритм действий на первом и втором этапах в виде единого процесса изображен на рис. 3. Третий этап заключается в выборе типов антенных систем. По результатам анализа характеристик систем MIMO [2], различающихся применяемым типом АС сформирована таблица 1, в которой перечислены предлагаемые типы АС: БАЭ (биортогональный элемент из двух скрещенных вибраторов ВГДШП), ПТАЭ (полноразмерный триортогональный антенный элемент), ТАЭ (триортогональный антенный элемент из электрически коротких активных вибраторов) [7], КАР (кольцевая антенная решетка, составленная из ТАЭ). При выборе типа антенной системы радиостанции следует руководствоваться алгоритмом, показанным на рис. 4, а также таблицей 1. Рис. 3. Порядок действий на этапах 1 и 2 В случае передающих радиостанций необходимо использовать полноразмерные АС. Для таких радиостанций использование БАЭ или ПТАЭ выбирается исходя из кратности MIMO. Если MIMO кратно двум (2×2, 4×4), то следует выбирать БАЭ, если трем (3×3) - ПТАЭ. В случае, если MIMO кратно и двум, и трем (например, 6×6), то антенную систему предлагается выбирать из условий размещения, проанализированных на этапе 1. Для радиостанции, осуществляющей только прием сигнала допустимо использование любого типа антенной системы. Рекомендованы же к применению ТАЭ и КАР на их основе. Выбор между ними осуществляется из экономических соображений. При необходимости вести прием в условиях сложной помехово-шумовой обстановки, что соответствует низкому отношению «сигнал/шум», рекомендовано использование КАР с числом элементов, достаточном для «коррекции» низкого уровня сигнала. Более подробно данный процесс освещен в [8]. Раздел 2 Четвертый этап заключается в уточнении технических требований к оборудованию. На данном этапе должен быть уточнен состав технических средств (антенных систем, передатчиков приемников, каналообразующего (модемного) оборудования) для обеих радиостанций и требования к ним, связанные с выбранными видом и кратностью разнесения. Уточняются и конструктивные требования, в том числе связанные с условиями размещения. Особое внимание следует уделить по выполнению требований к соотношению «сигнал/шум», требований по числу каналов одновременной обработки, а также требований по максимальному времени обработки принятого сигнала. Данные требования следует уточнить по результатам выбора особенностей реализации технологии MIMO. Таблица 1. Рекомендации по выбору типов антенных систем Тип системы Тип АС Передающие системы Приемные системы Приемные системы для случая низкого отношения «сигнал/шум» БАЭ +++ + - ПТАЭ ++ + - ТАЭ - ++ - КАР - +++ +++ Рис. 4. Порядок действий на этапе 3 По результатам уточнения технических требований подбирается имеющееся (ранее разработанное) оборудование или, при необходимости, формулируются требования к разработке нового либо модернизации имеющегося. С использованием предложенного порядка проектирования синтезирована система MIMO 6×6 для последующего использования в составе полевых быстроразворачиваемых приемных комплексов ДКМВ радиосвязи. Исходя из условий размещения и требуемой пропускной способности была выбрана реализация системы на электрически коротких активных антеннах с комбинированным типом разнесения подканалов. Антенная система состоит из двух триортогональных антенных элементов (ТАЭ), которые представляют собой короткие (l << λ) симметричные вибраторы, расположенные в трех взаимно-перпендикулярных плоскостях. Высота подвеса ТАЭ составляет 4 м. Длины вибраторов равны также 4 м (состоящие из двух плеч длиной по 2 м каждое). Из соображений механической прочности и учета влияния опоры на электродинамические характеристики ТАЭ, расстояние между опорой и вертикальным вибратором ТАЭ было выбрано равным 0,6 м [6]. Размер металлической конструкции (сетки) составляет 18×18 м с шагом 0,6 м. Рис. 5. Электродинамическая модель системы MIMO 6×6 Рис. 6. Пропускная способность системы MIMO 6×6 в зависимости от частоты при различных расстояниях между элементами На рис. 6 приведена зависимость пропускной способности системы MIMO 6×6 для расстояний между передающими элементами равного 0,3λ и 1,0λ при высоком качестве канала. При анализе использовалась методика, изложенная в [2], дополненная в части значений канальной и корреляционных матриц, соответствующих экспериментально полученным данным [9-10]. Для реализации системы связи, использующего технологию MIMO 6×6 с комбинированным типом разнесения подканалов, будем применять два ТАЭ (см. рис. 5). На некотором расстоянии от фазового центра первого ТАЭ расположен идентичный триортогональный антенный элемент, повернутый на 45° против часовой стрелки. Взаимное расположение ТАЭ было выбрано из соображений уменьшения пространственной избирательности. Анализ пропускной способности системы MIMO 6×6, с использованием данной модели, проводился на расстояниях между ТАЭ, равных 8,99 м; 14,99 м; 22,48 м и 29,98 м. Рис. 7. Пропускная способность системы MIMO 6×6 в зависимости от частоты при различных расстояниях между элементами Рис. 8. Пропускная способность системы MIMO 6×6 в зависимости от расстояния между элементами на частоте 10 МГц На рис. 7 приведена зависимость пропускной способности системы MIMO 6×6 для расстояний между приемными элементами равного 0,3λ и 1,0λ при высоком качестве канала. Видно, что разнесение на приемной стороне оказывает слабое влияние на пропускную способность системы. Также была исследована зависимость пропускной способности от расстояния между элементами системы MIMO на нескольких частотах. Результат для частоты 10 МГц представлен на рис. 8. Ранее сделанный вывод о слабом влиянии разнесения на приемной стороне на пропускную способность системы в целом здесь вновь находит свое подтверждение. Рис. 9. Пропускная способность системы MIMO 6×6 в зависимости от соотношения «сигнал/шум» на частоте 10 МГц Заключение На рис. 9 приведена зависимость пропускной способности системы MIMO 6×6 от соотношения «сигнал/шум» для различных расстояний между передающими элементами (0,3λ и 1,0λ). Исходя из проведенных исследований, система MIMO 6×6 с комбинированным типом разнесения подканалов подходит для применения в области ДКМВ при расстояниях между антенными элементами, превышающими 0,5λ и высоком соотношении «сигнал/шум», что подтверждает работоспособность предложенного ранее порядка проектирования радиолиний ДКМВ диапазона, использующих технологию MIMO.

About the authors

Aleksandr Vladimirovich Ogloblin

Military unit

Email: homealeks@mail.ru

References

  1. Минкин М.А. Проблемы и перспективы модернизации и развития систем ДКМВ радиосвязи // Вестник СОНИИР. №4(14), 2006. - С.4-10.
  2. Оглоблин А.В. Предельно достижимые характеристики комплексов ДКМВ радиосвязи, реализующих технологию MIMO, при различных видах разнесения // Электросвязь. №5, 2015. - С. 47-51.
  3. Оглоблин А.В. Исследование характеристик систем MIMO ДКМВ диапазона с поляризационным разнесением // Материалы 25-ой Крымской МНТК «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». Севастополь, сентябрь, 2015. - С. 449-451.
  4. Оглоблин А.В. Сравнительные характеристики комплексов КВ-радиосвязи с использованием технологии MIMO на каналах среднего и высокого качества // Материалы XIII МНТК «Физика и технические приложения волновых процессов». Казань, сентябрь, 2015. - С. 84-86.
  5. Головин О.В., Простов С.П. Системы и устройства коротковолновой радиосвязи. М.: Горячая линия - Телеком, 2006. - 598 с.
  6. Оглоблин А.В. Применение приемных кольцевых антенных решеток в составе полевых комплексов ДКМВ-радиосвязи, реализующих технологию MIMO // Инфокоммуникационные технологии. Т.13, №3, 2015. - С. 312-318. doi: 10.18469/ikt.2015.13.3.12
  7. Кольчугин И.Ю., Красильников А.Д. Проектирование приемных кольцевых антенных решеток ДКМВ диапазона с управляемыми пространственными и поляризационными характеристиками // Материалы ХХ МНТК «Радиолокация, навигация, связь». Воронеж: НПФ «Саквóее», 2014. - С 494-501.
  8. Букашкин С.А., Оглоблин А.В., Шишкин Д.С. Построение и алгоритм работы радиолинии по технологии MIMO на основе адаптивных фазированных антенных решеток // Радиотехника. №4, 2015 - С. 28-31.
  9. Salous S., Feeney S.M., Warrington E.M., Gunashekar S.D., Abbasi N.M. Experimental investigations of MIMO in the HF band Ionospheric Radio Systems and Techniques (IRST 2012) // 12th IET International Conference on. May 2012. - P. 1-4.
  10. Daniels R.C.; Peters S.W. A New MIMO HF Data Link: Designing for High Data Rates and Backwards Compatibility // Military Communications Conference, MILCOM 2013 IEEE. - P. 1256-1261.

Statistics

Views

Abstract - 13

PDF (Russian) - 4

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Dimensions


Copyright (c) 2015 Ogloblin A.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies