Об авторе и цели написания данной книги
Автор стажировался в крупных зарубежных ВУЗах с качественным образованиям: университет Пуатье и университет Кадиса. В соответствующих им лабораториях XLIM (2014—2015) и Cacytmar (2016) автором проведены относительно насыщенные работы по поиску методов повышения помехоустойчивости систем связи с OFDM-сигналами. До этого я, Евгений Николаевич Рычков, работал на Красноярском радиотехническом заводе, где также проводил эксперименты с OFDM-радиосигналами применительно к тропосферному каналу связи, участвовал в разработке модема. В Акустическом институте им. ак. Андреева такого же рода система на основе этого же принципа OFDM разрабатывалась уже для акустики.
По приезду в Россию еще из Франции я узнаю, что мой научный руководитель, Патюков Виктор Георгиевич, умирает. К сожалению, я не нашел достойного партнера для дальнейших исследований в Сибирском Федеральном университете, поэтому далее над исследованиями мы работали в Московском Государственном университете с профессором Пироговым Юрием Андреевичем и с Захаровым Петром Николаевичем.
Оказалось, что в тематике моих исследований многие друг друга знают, речь идет о разработке не столько оборудования для мирных жителей, но идет наращивание алгоритмов и методов для военных заказов. В данной работе не раскрываются мои секретные наработки, но я, с одной стороны, решаюсь на то, чтобы показать базовую теорию в призме моего осознания темы OFDM-сигналов. С другой стороны, я предлагаю в книге действительно несколько инновационных направлений, которые являются объектом моей личной интеллектуальной собственности и о которых будет сказано далее.
Ведь мой опыт не ограничивается лишь городской средой и каналом связи Накагами, имеется даже относительно бесценное воскрешение модели гидроакустического канала связи Вагина-Авилова и его переосмысление в направлении OFDM-концепции. Об OFDM подробнее напишу далее.
Актуальность систем связи с OFDM-сигналами
Появление новых алгоритмов, повышающих помехоустойчивость и быстродействие систем связи, приводит к модернизации целого поколения устройств. Ярким примером является переход от систем связи четвертого поколения к технологиям 5G, основанным на OFDM-технологии. В настоящее время актуален переход к системам связи 6-го поколения (6G или 6 Generation). Для Интернета вещей, быстрой обработки массивных фото и видеофайлов необходима скорость связи не менее 100 Мб/c, определяемая как помехоустойчивостью системы, так и качеством используемых в ней алгоритмов. Поэтому, как и прежде, главной является традиционная задача поиска новых подходов и алгоритмов, которые могли бы удовлетворить современные растущие требования к быстродействию, точности, стоимости системы связи [82, 114].
Известный факт, что если в сетях 5G скорость передачи данных составляет от 1 Гбит/сек до 10 Гбит/сек, что в 30 раз выше, чем в сетях 4G (до 300 Мбит/сек), то в сетях 6G данные могут передаваться в 100 раз быстрее – от 1 Тбит/сек. Совершенствуются алгоритмы и решения. Если еще в 2010-х годах актуальным был переход от однотональных сигналов с определенной полосой сигнала с возможностью перестройки по частоте к многотональным системам связи с OFDM-сигналами, то сейчас ученые как расширяют диапазон используемых для создания радиоканала частот, так и стремятся эффективно распределять мощность по частотному и временному спектрам, находятся в поиске оптимальных решений для тех или иных каналов связи.
В книге предлагается как базовая теория по системам связи в представляемом направлении, так и новые возможности, которые на сегодня не используются и являются элементами ноу хау по мнению автора. Такие изыскания можно обнаружить по наименьшему количеству ссылок на других авторов и на другие работы, ссылки приводятся на работы автора данной книги, а в концепции очевидны не научные факты, а последовательность логических рассуждений с авторскими экспериментами, где-то с использованием векторного оборудования.
Технология OFDM, в современном виде предложенная примерно 20 лет назад, развивалась довольно медленными темпами из-за отсутствия аппаратных возможностей в прошлом. До сих пор отсутствует теоретико-практическая база для применения OFDM-технологий в тропосферной и подводной видах связи. Вместе с тем появляются и новые работы по использованию OFDM-технологии в сферах, отличных от классической мобильной связи [53, 133], разрабатываются новые алгоритмы обеспечения систем связи с OFDM сигналами с улучшенными параметрами быстродействия и помехоустойчивости [59, 124].
Предложения по разработке и совершенствованию многочастотных систем предлагались еще в 1960-х годах. Известны американская синхронная система связи «Кинеплекс» со скоростью 3 кб/с и российская система МС-5, вышедшая немного позднее, но обладающая скоростью 4.8 кб/с. Эти системы являются первым вариантом OFDM-устройств – в них разнос между поднесущими частотами пропорционален длительности передаваемого знака и для приемопередачи используется операция БПФ [37]. Стоит отметить работы Чанга (Chang), Зальцберга (Salzberg), Вайнштайна (Weinstein) и Эберта (Ebert) в области разработок по OFDM-системам связи [17].
В 1999 году был принят первый стандарт из семейства современных документов по беспроводной связи с OFDM технологией IEEE 802.11 (WiFi) [104]. По алгоритмам синхронизации в системах связи с OFDM-сигналами известны работы таких авторов, как Т. Д. Шмидл, Д. С. Кокс, У. Д. Уорнер, Ж. Ж. ван де Бик, Пелер и Руиз (циклический префикс), а также таких российских ученых, как Ю. Б. Зубарев, Б. И. Шахтарин, А. П. Солодовников, И. А. Батырев, Г. В. Свистунов, М. С. Малютин и других [29, 128]. Cовершенствуются стандарты, алгоритмы, в настоящее время разрабатывается связь 5-го поколения (5G), которая рассчитана на широкую полосу частот, высокие скорости связи на каждой поднесущей и несущую частоту в диапазоне 50—60 ГГц.
Развивается направление широкополосных систем связи, где скорость обмена данными и помехоустойчивость достигаются за счет использования широкой полосы частот, высокой спектральной эффективности и алгоритмов, повышающих качество использования частотно-временных ресурсов. В системах связи 5G рассматриваются вопросы цифровой фильтрации поднесущих частот в передатчике, применение неклассических преобразований сигналов, таких как OQAM IOTA, больше внимания уделяется вопросам адаптации к каналу связи [114].
Сама по себе OFDM-технология является новым видом модуляции по сравнению с известными квадратурными и классическими видами, ведь за счет использования преобразования Фурье происходит повышение спектральной эффективности и появляется возможность оптимизации распределения энергии сигнала по спектру. В то время как во временной области, за счет того, что информацию можно передавать дольше, возникает устойчивость к относительно кратковременным замираниям. Очевидно, что классическая OFDM-модуляция не является единственно возможным видом на основе базиса преобразования (Фурье), если использовать следующие критерии: оптимизация энергии сигнала в частотно-временном пространстве, уменьшение внеполосных излучений и повышение спектральной эффективности.
