Anulowanie samozakłóceń
Eliminacja zakłóceń własnych ( SIC ) to technika przetwarzania sygnału , która umożliwia nadajnikowi-odbiornikowi radiowemu jednoczesne nadawanie i odbieranie na jednym kanale, parze częściowo nakładających się kanałów lub dowolnej parze kanałów w tym samym paśmie częstotliwości. Gdy jest używany do jednoczesnej transmisji i odbioru na tej samej częstotliwości, czasami określany jako „pełny dupleks w paśmie” lub „jednoczesna transmisja i odbiór”, SIC skutecznie podwaja wydajność widmową . SIC umożliwia również urządzeniom i platformom zawierającym dwa radia korzystające z tego samego pasma częstotliwości jednoczesną obsługę obu radiotelefonów.
Anulowanie samozakłóceń ma zastosowanie w sieciach komórkowych , pasmach nielicencjonowanych, telewizji kablowej , sieciach kratowych , wojsku i bezpieczeństwie publicznym.
Pełnodupleks w paśmie ma przewagę nad konwencjonalnymi schematami dupleksowania. System dupleksowania z podziałem częstotliwości (FDD) nadaje i odbiera w tym samym czasie, wykorzystując dwa (zwykle szeroko oddzielone) kanały w tym samym paśmie częstotliwości. Pełnodupleks w paśmie wykonuje tę samą funkcję, wykorzystując połowę zasobów widma. System dupleksowania z podziałem czasu (TDD) działa w trybie półdupleksu na pojedynczym kanale, tworząc iluzję komunikacji w trybie pełnego dupleksu poprzez szybkie przełączanie między nadawaniem a odbiorem. Radiotelefony pracujące w paśmie z pełnym dupleksem osiągają dwukrotnie większą przepustowość przy użyciu tych samych zasobów widmowych.
Techniki
Nadajnik-odbiornik radiowy nie może anulować własnego sygnału nadawanego wyłącznie na podstawie wiedzy o tym, jakie informacje są wysyłane i jak zbudowany jest sygnał nadawczy. Sygnał, który widzi odbiornik, nie jest do końca przewidywalny. Sygnał, który pojawia się w odbiorniku podlega różnym opóźnieniom. Składa się z kombinacji wycieku (sygnał przechodzący bezpośrednio z nadajnika do odbiornika) i lokalnych odbić. Ponadto elementy nadajnika (takie jak miksery i wzmacniacze mocy) wprowadzają nieliniowości, które generują harmoniczne i szumy. Te zniekształcenia muszą być próbkowane na wyjściu nadajnika. Wreszcie, rozwiązanie do eliminacji zakłóceń własnych musi wykrywać i kompensować zmiany w czasie rzeczywistym spowodowane zmianami temperatury, wibracjami mechanicznymi i ruchem przedmiotów w otoczeniu.
Sygnał nadawczy można anulować w odbiorniku, tworząc dokładny model sygnału i wykorzystując go do generowania nowego sygnału, który w połączeniu z sygnałem docierającym do odbiornika pozostawia tylko pożądany sygnał odbiorczy. Dokładna wymagana wielkość anulowania będzie się różnić w zależności od mocy sygnału nadawczego, który jest źródłem zakłóceń własnych, oraz stosunku sygnału do szumu (SNR), który łącze ma obsłużyć w trybie półdupleksowym. Typowa wartość dla aplikacji Wi-Fi i komórkowych wynosi 110 dB tłumienia sygnału, chociaż niektóre aplikacje wymagają większego tłumienia.
Anulowanie lokalnego sygnału nadawczego wymaga połączenia elektroniki analogowej i cyfrowej. Siła nadawanego sygnału może być nieznacznie zmniejszona, zanim dotrze do odbiornika, za pomocą cyrkulatora (jeśli używana jest wspólna antena) lub technik izolacji anteny (takich jak polaryzacja krzyżowa), jeśli używane są oddzielne anteny. Anulator analogowy jest najbardziej skuteczny w przypadku silnych sygnałów z krótkim opóźnieniem. Cyfrowy moduł anulujący jest najskuteczniejszy w przypadku słabych sygnałów z opóźnieniami większymi niż 1000 nanosekund. Analogowy tłumik powinien mieć co najmniej 60 dB tłumienia. Cyfrowy anulator musi przetwarzać zarówno liniowe, jak i nieliniowe składowe sygnału, wytwarzając około 50 dB anulowania. Zarówno analogowe, jak i cyfrowe tłumiki składają się z szeregu „odczepów” składających się z tłumików, przesuwników fazowych i elementów opóźniających. Koszt, rozmiar i złożoność rozwiązania SIC zależy przede wszystkim od stopnia analogowego. Niezbędne są również algorytmy strojenia, które umożliwiają kasatorowi dostosowanie się do szybkich zmian. Algorytmy anulowania zazwyczaj muszą dostosowywać się z szybkością raz na kilkaset mikrosekund, aby nadążyć za zmianami w środowisku.
SIC można również wykorzystać do zmniejszenia lub wyeliminowania zakłóceń sąsiedniego kanału. Dzięki temu urządzenie zawierające dwa radia (takie jak punkt dostępowy Wi-Fi z dwoma radiami 5 GHz) może korzystać z dowolnej pary kanałów niezależnie od separacji. Zakłócenia sąsiedniego kanału składają się z dwóch głównych elementów. Sygnał na częstotliwości nadawczej, znany jako bloker, może być tak silny, że powoduje znieczulenie odbiornika nasłuchującego na sąsiednim kanale. Silny, lokalny nadajnik wytwarza również szum, który przenosi się na sąsiedni kanał. SIC może być użyty do zmniejszenia zarówno blokady, jak i szumu, który w przeciwnym razie mógłby uniemożliwić korzystanie z sąsiedniego kanału.
Aplikacje
Pełny dupleks w paśmie
Nadawanie i odbieranie na dokładnie tej samej częstotliwości w dokładnie tym samym czasie ma wiele celów. Pełen dupleks w paśmie może potencjalnie podwoić wydajność widmową. Pozwala na pracę w trybie pełnego dupleksu, gdy dostępna jest tylko pojedyncza częstotliwość. I umożliwia działanie „słuchaj podczas mówienia” (patrz radio kognitywne poniżej).
Zintegrowany dostęp i backhaul
Chociaż oczekuje się, że większość małych komórek będzie zasilana za pomocą kabla światłowodowego, prowadzenie światłowodu nie zawsze jest praktyczne. Ponowne wykorzystanie częstotliwości używanych przez małą komórkę do komunikacji z użytkownikami („dostęp”) do komunikacji między małą komórką a siecią („backhaul”) będzie częścią standardów 5G 3GPP. Po zaimplementowaniu przy użyciu SIC sygnał nadawczy lokalnego radia dosyłowego jest anulowany w odbiorniku małej komórki, a sygnał nadawczy małej komórki jest anulowany w odbiorniku lokalnego radia dosyłowego. Nie są wymagane żadne zmiany w urządzeniach użytkowników ani w zdalnym radiu typu backhaul. Wykorzystanie SIC w tych aplikacjach zostało pomyślnie przetestowane przez firmę Telecom Italia Mobile i Deutsche Telekom .
Przekaźniki satelitarne
SIC umożliwia przemiennikom satelitarnym rozszerzenie zasięgu na wewnętrzne, miejskie kaniony i inne lokalizacje poprzez ponowne wykorzystanie tych samych częstotliwości. Ten typ repeatera to w zasadzie dwa radia połączone plecami do siebie. Jedno radio jest skierowane w stronę satelity, podczas gdy drugie radio jest skierowane w stronę obszaru nieobjętego bezpośrednim zasięgiem. Dwa radia przekazują sygnały (zamiast bitów danych typu „zapisz i przekaż”) i muszą być od siebie odizolowane, aby zapobiec sprzężeniu zwrotnemu. Radio skierowane w stronę satelity nasłuchuje satelity i musi być odizolowane od nadajnika powtarzającego sygnał. Podobnie radio skierowane do wewnątrz nasłuchuje użytkowników w pomieszczeniach i musi być odizolowane od nadajnika, który powtarza ich sygnały do satelity. SIC może być używany do anulowania sygnału nadawanego każdego radia w odbiorniku drugiego radia.
Pełny dupleks DOCSIS 3.1
Sieci kablowe tradycyjnie przeznaczały większość swojej przepustowości na transmisje typu downstream. Niedawny wzrost treści tworzonych przez użytkowników wymaga większej przepustowości upstream. Firma Cable Labs opracowała standard Full Duplex DOCSIS 3.1, aby umożliwić symetryczną obsługę z prędkością do 10 Gbit/sw każdym kierunku. W DOCSIS 3.1 różne częstotliwości są przydzielane dla transmisji upstream i downstream, oddzielonych pasmem ochronnym. Full Duplex DOCSIS ustanawia nowe pasmo umożliwiające miksowanie kanałów upstream i downstream na sąsiednich kanałach. Stacja czołowa musi obsługiwać jednoczesną transmisję i odbiór w całym paśmie pełnego dupleksu, co wymaga technologii SIC. Modemy kablowe nie muszą jednocześnie nadawać i odbierać na tych samych kanałach, ale muszą używać różnych kombinacji kanałów upstream i downstream zgodnie z instrukcjami stacji czołowej.
Bezprzewodowe sieci kratowe
Sieci kratowe są wykorzystywane do rozszerzania zasięgu (na pokrycie całych domów) oraz do tworzenia sieci ad-hoc (komunikacja awaryjna). Bezprzewodowe sieci kratowe wykorzystują topologię siatki, aby zapewnić pożądany zasięg. Dane przemieszczają się z jednego węzła do drugiego, aż dotrą do miejsca docelowego. W sieciach kratowych wykorzystujących pojedynczą częstotliwość dane są zwykle zapisywane i przesyłane dalej, a każdy przeskok dodaje opóźnienie. SIC może umożliwić bezprzewodowym węzłom kratowym ponowne wykorzystanie częstotliwości, dzięki czemu dane są retransmitowane (przekazywane) w miarę ich odbierania. W sieciach kratowych wykorzystujących wiele częstotliwości, takich jak ogólnodomowe sieci Wi-Fi korzystające z „trójpasmowych” routerów, SIC może zapewnić większą elastyczność w wyborze kanałów. Routery trójpasmowe mają jedno radio 2,4 GHz i jedno 5 GHz do komunikacji z urządzeniami klienckimi oraz drugie radio 5 GHz, które jest używane wyłącznie do komunikacji między węzłami. Większość routerów trójpasmowych używa tej samej pary kanałów 80 MHz (na przeciwległych końcach pasma 5 GHz), aby zminimalizować zakłócenia. SIC może pozwolić routerom trójpasmowym na użycie dowolnego z sześciu kanałów 80 MHz w paśmie 5 GHz do koordynacji zarówno w obrębie sieci, jak i między sąsiednimi sieciami.
Komunikat wojskowy
Wojsko często wymaga wielu radiotelefonów o dużej mocy na tej samej platformie powietrznej, lądowej lub morskiej do komunikacji taktycznej. Te radia muszą być niezawodne nawet w obliczu zakłóceń i zagłuszania przez wroga. SIC umożliwia jednoczesne działanie wielu radiotelefonów na tej samej platformie. SIC ma również potencjalne zastosowania w radarach wojskowych i samochodowych, umożliwiając systemom radarowym ciągłe nadawanie i odbieranie zamiast ciągłego przełączania między nadawaniem a odbiorem, co zapewnia wyższą rozdzielczość. Te nowe zdolności zostały uznane za potencjalne „supermocarstwo” dla sił zbrojnych, które może spowodować zmianę paradygmatu w komunikacji taktycznej i wojnie elektronicznej.
Udostępnianie widma
Krajowe agencje regulacyjne, takie jak Federalna Komisja ds. Łączności w Stanach Zjednoczonych, często zaspokajają potrzebę zwiększenia zasobów widma, zezwalając na współdzielenie niewykorzystanego widma. Na przykład miliardy Wi-Fi i Bluetooth konkurują o dostęp do pasm ISM . Smartfony, routery Wi-Fi i inteligentne koncentratory domowe często obsługują Wi-Fi, Bluetooth i inne technologie bezprzewodowe w tym samym urządzeniu. Technologia SIC umożliwia tym urządzeniom jednoczesną obsługę dwóch radiotelefonów w tym samym paśmie. Udostępnianie widma jest tematem bardzo interesującym dla branży telefonii komórkowej, która zaczyna wdrażać systemy 5G.
Radio kognitywne
Radia, które dynamicznie wybierają wolne kanały w celu bardziej efektywnego wykorzystania skończonych zasobów widmowych, są przedmiotem poważnych badań. Tradycyjne schematy współdzielenia widma opierają się na protokołach słuchania przed rozmową. Jednak gdy dwa lub więcej radiotelefonów zdecyduje się na nadawanie na tym samym kanale w tym samym czasie, dochodzi do kolizji. Wykrycie i rozwiązanie kolizji wymaga czasu. SIC umożliwia słuchanie podczas mówienia, zapewniając natychmiastowe wykrywanie i szybsze rozwiązywanie kolizji.
Zobacz też
Y. Hua, Y. Ma, A. Gholian, Y. Li, A. Cirik, P. Liang, „Anulowanie własnych zakłóceń radiowych przez formowanie wiązki nadawczej, anulowanie wszystkich analogów i ślepe strojenie cyfrowe”, przetwarzanie sygnału, tom. 108, s. 322-340, 2015.