CZ303761B6

CZ303761B6 - Distribuovaný systém pro tvarování vyzarovacího diagramu

Info

Publication number: CZ303761B6
Application number: CZ20110785A
Authority: CZ
Inventors: Mihnea Moucha@Alexandru; Kubr@Jan; Cerný@Viktor
Original assignee: Ceské vysoké ucení technické v Praze, Fakulta elektrotechnická
Priority date: 2011-12-02
Filing date: 2011-12-02
Publication date: 2013-04-24
Also published as: CZ2011785A3

Abstract

Distribuovaný vysílací systém je tvorený skupinou (clusterem) stejných a nezávislých modulu (1). Moduly mohou komunikovat v rámci skupiny (2), ale zádný z nich nemuze komunikovat s vybraným vzdáleným prijímacem (3). Aktuální geografická poloha muze a nemusí být jednotlivým modulum (1) známa. Spoluprací jednotlivých modulu (1) je mozné na principu beamformingu zalozeného na posunu fází vytvorit virtuální vysílací anténu, která umozní vyslat signál ke vzdálenému prijímaci (3). Z pohledu vzdáleného prijímace (3) je celá skupina (2) viditelná jako jeden vysílac. Resení predpokládá statické umístení vsech modulu (1). Kazdý modul (1) je tvoren blokem (12) výpocetní logiky, který sestává z pameti a procesoru, generátorem (13) nosné vlny, transceiverem (14), synchronizátorem (15) fáze, posouvacem (16) fáze, prepínacem (17) provozního rezimu, anténou (18) a zdrojem (11) energie.

Description

Oblast techniky

Předkládané řešení se týká distribuovaného systému pro tvarování vyzařovacího diagramu, který poskytuje novou metodu na vytvoření virtuální vysílací antény pomocí více identických nezávislých modulů. Tato virtuální vysílací anténa umožní vysílat radiový signál na větší vzdálenost než jednotlivé moduly.

Dosavadní stav techniky

Zvětšení dosahu vysílání lze v současnosti řešit pomocí několika způsobů.

Jedním z nich je zvýšení vysílacího výkonu. Při zvýšení vysílacího výkonu dojde k rychlejšímu vyčerpání energie u zařízení s bateriovým napájením. Při tomto řešení může také dojít k překročení maximálního EIRP, Equivalent Isotropically Radiated Power, nebo hygienických limitů pro vysílání.

Další možností je použití antén s větším ziskem na vysílací, či přijímací straně, což se řeší bud’ použitím anténního zesilovače, což má stejná omezení jako v předešlém případě, nebo použitím směrových antén. Použití směrových antén vyžaduje osazení modulu speciální anténou. Navíc je potřeba tuto anténu správně nasměrovat. Toto směrování se může v průběhu času měnit.

Jiným způsobem je použití anténního pole na vysílací straně British Patent 130 490, což je omezeno nutností znát přesnou polohu jednotlivých antén. Výsledné zvětšení dosahu je omezeno počtem antén v anténním poli. Zvýšení počtu antén v anténním polije složité.

Konečně existuje možnost použití technologie Multiple Input Multiple Output označované MIMO US Patent 5,345,599 na vysílací a přijímací straně. Při použití technologie MIMO je modul osazen několika anténami. Výsledné zvětšení dosahu vysílání je limitováno počtem těchto antén.

Je známé řešení podle patentu US 2008075033 A (SHATTIL STEVE J [US]), 27.3.2008, které řeší zvětšení propustnosti kanálu pomocí rozdělení dat na jednotlivé prvky skupiny bezdrátových vysílačů. Toto řešení vyžaduje technologii MIMO na přijímací i vysílací straně.

Patent US 2008310405 A (COX TIMOTHY [US]; KHOSHNEVIS AHMAD [US]), 18.12.2008 vytváří MIMO vysílací systém pomocí jednotlivých modulů, kde každý modul má jen jednu anténu. Řešení popsané v tomto patentu vyžaduje na přijímací straně technologii MIMO.

Patent WO 2009095744 A (NOKIA CORP [Fl]; NOKIA INC [US]; HOTTIEN ARI [Fl], FERTL PETER [AT]), 6.8.2009 řeší zlepšení vlastností kanálu pomocí MIMO technologie. Patent je zaměřen na kalibrování antén tvořících distribuovaný MIMO systém. Všechny moduly tvořící distribuovaný MIMO systém musí být osazeny několika anténami.

Zařízení popsané v článku G. Barriac. R. Mudumbai, U. Madhow: Distributed Beamforming for Information Transfer in Sensor Network, IPSN'04, 26-27. 04. 2004. Berkeley, Califomia, USA řeší distribuovaný systém pro tvarování vyzařovacího výkonu. Nevýhodou uvedeného řešení je nutnost přesné informace o pozici jednotlivých modulů.

Všechna uvedená řešení mají výrazné nedostatky zvláště při použití senzorových, rozměrově malých, modulů.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody odstraňuje distribuovaný systém pro tvarování vyzařovacího diagramu obsahující vícepásmové vysílací a přijímací antény podle předkládaného řešení. Jeho podstatou je, že sestává ze skupiny stejných, nezávislých a staticky umístěných modulů. Každý modul je tvořen blokem výpočetní logiky, který sestává z paměti a procesoru a slouží k výpočtu posunu fáze nosné vlny, která je použita k modulaci datového signálu. Jeden výstup bloku výpočetní logiky je propojen obousměrně s datovým vstupem transceiveru, druhý jeho výstup je propojen s řídicím vstupem přepínače provozního režimu a třetí výstup je spojen s jedním řídicím vstupem posouvače fáze. Přepínač provozního režimu je výstupem propojen s řídicím vstupem transceiveru, s druhým řídicím vstupem posouvače fáze a s řídicím vstupem synchronizátoru fáze. Systém dále obsahuje generátor nosné vlny, který vytváří nosnou vlnu a synchronizační signál s n-násobnou frekvencí. Tento generátor nosné vlny má synchronizační výstup připojen na vnitřní synchronizační vstup synchronizátoru fáze a výstup nosné vlny na vstup nosné vlny synchronizátoru fáze. Synchronizátor fáze je svým vnějším synchronizačním rozhraním obousměrně propojen s anténou a dále má propojen jeden výstup s řídicím vstupem výpočetní logiky a s řídicím vstupem transceiveru a druhý výstup má propojen se synchronizačním vstupem posouvače fáze. Posouvač fáze má propojen výstup se synchronizačním vstupem transceiveru, jehož výstup je obousměrně propojen s anténou. Všechny bloky jsou propojeny se zdrojem energie.

Výhodou uvedeného řešení je, že umožní distribuované tvarování vyzařovacího diagramu skupiny modulů. Distribuovaný systém je založen na principu sčítání radiových vln, tedy na interferenci. Předkládané řešení odstraňuje potřebu znalosti přesného umístění jednotlivých modulů. Dále odstraňuje nevýhodu nutnosti použití více antén na jednom modulu (MIMO). Toto řešení umožňuje libovolné rozšiřování počtu modulů a odstraňuje potřebu napájení antén z jediného zdroje energie a časování.

Objasnění výkresů

Distribuovaný systém pro tvarování vyzařovacího diagramu bude dále vysvětlen pomocí přiložených výkresů. Na obr. 1 je znázorněna situace umístění bezdrátových modulů, vyžadující vytvoření virtuální antény pro překlenutí velké komunikační vzdálenosti. Na obr. 2 je zobrazeno schéma modulu umožňujícího vytvářet virtuální antény.

Přiklad uskutečnění vynálezu

Pro tvarování vyzařovacího diagramu skupiny antén je nutné mít k dispozici modul, který umožní posouvat fáze vysílaného datového signálu oproti vysílaným signálům ostatních modulů. Zároveň je nutné, aby vysílané datové signály všech modulů používaly stejnou nosnou frekvenci. Uvedené řešení využívá vysílání synchronizačního signálu s n-násobnou frekvencí oproti frekvenci nosné vlny, kde n je větší než 1. Tento synchronizační signál vysílá jeden z modulů. Ostatní moduly si ze synchronizačního signálu odvodí nosnou frekvenci a stanoví si nulový posun fáze v daném místě. Všechny moduly potom mohou posouvat fázi vysílaného datového signálu pro dosažení optimálního vyzařovacího diagramu skupiny antén.

Distribuovaný systém pro tvarování vyzařovacího diagramu podle předkládaného řešení obsahuje vícepásmové vysílací a přijímací antény. Systém podle Obr. 1 sestává ze skupiny 2 stejných, nezávislých a staticky umístěných modulů X a vzdáleného přijímače 3, který má stejnou konstrukci jako ostatní moduly χ. Každý tento modul X, Obr. 2, je tvořen blokem 12 výpočetní logiky, který sestává z paměti a procesoru pro výpočet posunu fáze nosné vlny a slouží k výpočtu posunu fáze nosné vlny, která je použita k modulaci datového signálu. Jeden výstup bloku 12 výpočetní logiky je propojen obousměrně s datovým vstupem transceiveru 14, druhý jeho výstup je propojen s řídicím vstupem přepínače 17 provozního režimu a třetí výstup je spojen s jedním .

CZ 303761 Β6 řídicím vstupem posouvače 16 fáze. Přepínač 17 provozního režimu je výstupem propojen s řídicím vstupem transceiveru 14 a druhým řídicím vstupem posouvače 16 fáze a s řídicím vstupem synchronizátoru _L5 fáze. Dále je zde zapojen generátor J_3 nosné vlny, který vytváří nosnou vlnu a synchronizační signál s n-násobnou frekvencí. Synchronizační výstup generátoru 13 nosné vlny je připojen na vnitřní synchronizační vstup synchronizátoru 15 fáze ajeho výstup nosné vlny na vstup nosné vlny synchronizátoru 15 fáze. Synchronizátor 15 fáze je svým vnějším synchronizačním rozhraním obousměrně propojen s anténou J_8 a dále má propojen jeden výstup s řídicím vstupem bloku výpočetní 12 logiky a s řídicím vstupem transceiveru 14 a druhý výstup má propojen se synchronizačním vstupem posouvače 16 fáze. Posouvač 16 fáze má propojen výstup se synchronizačním vstupem transceiveru 14, jehož výstup je obousměrně propojen s anténou 18. Všechny uvedené bloky jsou propojeny se zdrojem J4 energie, což bývá nejčastěji baterie.

Jak bylo uvedeno, blok 12 výpočetní logiky obsahuje paměť a procesor. Úkolem tohoto bloku je vypočítat posun fáze nosné vlny, která je využita k modulaci vysílaného datového signálu. Dále blok 12 výpočetní logicky zajišťuje uložení přijímaných, nebo vysílaných dat do paměti a také volí provozní režim modulu, tedy komunikaci uvnitř skupiny nebo společné vysílání mimo skupinu.

Generátor 13 nosné vlny vytváří dva sinusové signály pomocí děliče frekvence ze společného krystalu. Sinusový signál s nižší frekvencí se používá k modulaci datového signálu, sinusový signál s vyšší frekvencí slouží k synchronizaci modulů při vysílání na velkou vzdálenost, nebo k zablokování vysílání při příjmu signálu od vzdáleného modulu. Oba vytvořené signály jsou synchronní.

Transceiver 14 zajišťuje modulaci/demodulaci datového signálu.

Synchronizátor 15 fáze v závislosti na provozním režimu předává synchronizační signál získaný od generátoru 13 nosné vlny do antény J_8. Dále v závislosti na provozním režimu předává nosnou vlnu získanou od generátoru 13 nosné vlny, nebo vytvořenou pomocí synchronizačního signálu získaného od antény 18 do posouvače 16 fáze. Dále v závislosti na provozním režimu a příjmu synchronizačního signálu od antény j_8 vysílá blokovací signál bloku J_2 výpočetní logiky a transceiveru 14.

Posouvač 16 fáze se využívá v režimu vysílání mimo skupinu a slouží k posouvání fáze vysílaného datového signálu oproti přijímanému synchronizačnímu signálu.

Přepínač Γ7 provozního režimu zajistí přepínání mezi režimy komunikace.

Modul I může fungovat v několika režimech. První režim je režim přijímací s příjmem od blízkého modulu, kdy vysílací stanice nevyužila tvarování vyzařovacího diagramu skupiny antén 18. Do tohoto režimu je modul I přepnut na základě žádosti bloku 12 výpočetní logiky pomocí přepínače 17 provozního režimu. V tomto režimu je transceiver 14 přepnut na příjem dat a moduly posouvače 16 fáze a synchronizátoru 15 fáze jsou odpojeny pomocí přepínače 17 provozního režimu.

Druhý režim je režim přijímací s příjmem od vzdáleného modulu, kdy vysílací stanice využila tvarování vyzařovacího diagramu skupiny antén 18. Do tohoto režimu je modul i přepnut na základě žádosti bloku 12 výpočetní logiky pomocí přepínače 17 provozního režimu, který tuto skutečnost zjistí pomocí adresy vysílací stanice, případně pomocí informace obsažené v přijímaných datech. V tomto režimu je transceiver _14 přepnut na příjem dat a modul posouvače J_6 fáze je odpojen pomocí přepínače 17 provozního režimu. Pomocí přepínače 17 provozního režimu synchronizátor i fáze začne vysílat synchronizační signál získaný od generátoru 13 nosné vlny do antény 18. Tento synchronizační signál upozorní ostatní blízké moduly 1, že dochází k příjmu datového signálu od vzdáleného modulu.

Třetí režim slouží pro vysílání na krátkou vzdálenost, jedná se o vysílání uvnitř skupiny modulů, kdy není nutné vytvořit skupinu antén s upraveným vyzařovacím diagramem. Do tohoto režimu je modul J. přepnut přepínačem 17 provozního režimu na žádost bloku 12 výpočetní logiky. V tomto režimu blok 12 výpočetní logiky předá data určená k vysílání transceiveru 14. Transceiver 14 pomocí nosné vlny vytvořené generátorem 13 nosné vlny vytvoří vysílaný datový signál a pošle jej na anténu 18. Pomocí signálu z přepínače 17 provozního režimu je posouvač 16 fáze nastaven na nulový fázový posun a synchronizátor J_5 fáze předává nosnou vlnu získanou z generátoru 13 nosné vlny prostřednictvím posouvače 16 fáze do transceiveru 14. Vysílání uvnitř skupiny modulů i je méně důležité než vysílání s využitím vytvoření skupiny antén 18. Pokud synchronizátor 15 fáze začne přijímat synchronizační signál, upozorní blok 12 výpočetní logiky a vynutí okamžité ukončení vysílání na transceiveru J4 díky přímému propojení. Přímé propojení mezi synchronizátorem 15 fáze a transceiverem 14 umožní lepší využití přenosového pásma. Blok 12 výpočetní logiky naplánuje vysílání na jinou dobu.

Čtvrtý režim umožňuje řízení vysílání na velkou vzdálenost, tedy vysílání mimo skupinu modulů

i. Do tohoto režimu je modul i přepnut přepínačem Γ7 provozního režimu na žádost bloku 12 výpočetní logiky. V tomto režimu blok 12 výpočetní logiky předá data určená k vysílání transceiveru 14 a pomocí režimu vysílání na krátkou vzdálenost tato data předá ostatním modulům i, které budou spolupracovat na tvarování vyzařovacího diagramu skupiny antén. Po odeslání dat ostatním modulům i transceiver 14 pomocí nosné vlny vytvořené generátorem 13 nosné vlny vytvoří vysílaný datový signál a pošle jej na anténu 18. Pomocí signálu z přepínače 17 provozního režimu je posouvač 16 fáze nastaven na nulový fázový posun a synchronizátor 15 fáze předává nosnou vlnu získanou z generátoru 13 nosné vlny prostřednictvím posouvače 16 fáze do transceiveru 14. Na požadavek přepínače 17 provozního režimu synchronizátor 15 fáze posílá na anténu 18 synchronizační signál získaný od generátoru 13 nosné vlny.

Pátý režim umožňuje podporu vysílání na velkou vzdálenost, tedy vysílání mimo skupinu modulů

i. Do tohoto režimu je modul i přepnut přepínačem 17 provozního režimu na žádost bloku 12 výpočetní logiky. V tomto režimu blok J_2 výpočetní logiky předá data určená k vysílání transceiveru 14. Tato data získá od řídicího modulu i pomocí přijímacího režimu s příjmem od blízkého modulu. Na žádost přepínače 17 provozního režimu synchronizátor 15 fáze vytvoří nosnou vlnu pomocí synchronizačního signálu přijatého anténou 18 a předá ji prostřednictvím posouvače 16 fáze do transceiveru 14 a ten pomocí ní vytvoří datový signál, který předá do antény 18. Pomocí signálu z přepínače 17 provozního režimu je posouvač 16 fáze nastaven na nenulový fázový posun. Hodnota fázového posunuje získána od bloku 12 výpočetní logiky.

Průmyslová využitelnost

Řešení je využitelné v široké oblasti radiové komunikace, kde požadovaný výkon na přenesení datového signálu převyšuje vysílaný výkon jednotlivé stanice. Typickým použitím jsou senzorové radiové sítě a radiové sítě s moduly s omezeným energetickým zdrojem. Řešení je použitelné při budování sítí v oblastech zasažených živelnou pohromou, armádních aplikacích, ve zdravotnictví a dalších aplikacích.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Distribuový systém pro tvarování vyzařovacího diagramu obsahující vícepásmové vysílací a přijímací antény, vyznačující se tím, že sestává ze skupiny (2) stejných, nezávislých a staticky umístěných modulů (1), kde každý modul (1) je tvořen blokem (12) výpočetní logiky, který sestává z paměti a procesoru pro výpočet posunu fáze nosné vlny, jehož jeden výstup je propojen obousměrně s datovým vstupem transceiveru (14), druhý jeho výstup je propojen s řídicím vstupem přepínače (17) provozního režimu a třetí výstup je spojen s jedním řídicím vstupem posouvače (16) fáze, přepínač (17) provozního režimu je výstupem propojen s řídicím vstupem transceiveru (14), s druhým řídicím vstupem posouvače (16) fáze a s řídicím vstupem synchronizátoru (15) fáze, kde modul (1) dále obsahuje generátor (13) nosné vlny, který má synchronizační výstup připojen na vnitřní synchronizační vstup synchronizátoru (15) fáze a výstup nosné vlny na vstup nosné vlny synchronizátoru (15) fáze, který je svým vnějším synchronizačním rozhraním obousměrně propojen s anténou (18) a dále má propojen jeden výstup s řídicím vstupem bloku (12) výpočetní logiky a s řídicím vstupem transceiveru (14) a druhý výstup má propojen se synchronizačním vstupem posouvače (16) fáze, který má propojen výstup se synchronizačním vstupem transceiveru (14), jehož výstup je obousměrně propojen s anténou (18), přičemž všechny bloky jsou propojeny se zdrojem (11) energie.