Фоновый модулятор: беспроводная связь из ничего (перевод)

6   Испытания

Испытания проводились в городской застройке Сиэттла в зоне приёма телесигнала частотой 536-542 MHz. Тестирование проводилось в шести точках, чтобы учесть затухание и многолучевые эффекты в различной обстановке. При ширине полосы 6MHz мощность сигнала находилась в диапазоне от -24 dBm до -8 dBm. В качестве полигона были выбраны следующие места:

• Первая точка (внутри и близко): в квартире на восьмом этаже многоквартирного дома в зоне интенсивной застройки на расстоянии 0.31mi (0,5км) от телевышки.

• Вторая точка (внутри и далеко): седьмой этаж конторского комплекса в 2.57mi (4,1км) от вышки.

• Третья точка (снаружи и близко): крыша того-же многоквартирного дома.

• Четвёртая точка (снаружи и далеко): крыша конторского комплекса.

• Пятая точка (снаружи и дальше): угол улицы на расстоянии 5.16mi (8,3км) от вышки.

• Шестая точка (снаружи и дальше всего): верхний уровень многоярусного гаража на удалении 6.50mi (10,5км).

Проверялись различные блоки и параметры изделия: приёмник и передатчик, сигнал контроля несущей и помехи бытовым телеприёмникам. Большая часть экспериментов проводилась в точках 1..4 из-за ограничений доступа к точкам 5 и 6. Два последних места включены для демонстрации работы устройства на большой дальности и использовались для проверки демонстрационного приложения "транспортная карта".

Испытания подтвердили, что система может работать без подвода дополнительной мощности на расстоянии до 6.50mi (10,5км) от источника телесигнала. Отметим, что рабочее расстояние определяется напряжением питания устройства. В прототипе использовался микроконтроллер с рабочим напряжением 1.8 V. Устройство, выполненное в виде заказного кристалла может функционировать при менее жёстких требованиях к питанию будет работать на больших расстояниях от телевышки.

6.1 Эффективность фонового модулятора

Эффективность переотражающего передатчика определяется степенью, в которой он влияет на внешний сигнал. Для её определения рассчитывалось отношение мощностей сигнала в отражающем и поглощающем состоянии передатчика после усреднения, то есть если P1 и P2 - уровни мощности на входе приёмника, то расчитывается отношение P1/P2. Близкий к единице результат означает, что приёмник не может различить уровни, и чем больше отклонение этой величины от единицы, тем сильнее способность приёмника различать уровни мощности.

Эксперименты: Прототип был настроен на передачу цепочки нулей и единиц, вызывающей переключение из отражающего состояния в поглощающее и обратно, на скорости 100 bps. Для других скоростей результаты такие же. Из-за того, что штатный приёмник устройства не позволяет получить точное значение мощности, для сбора данных вместо него использовался модуль цифрового радио USRP-N210. Он подключался к такой же дипольной антенне, чтобы исключить различия в антенном усилении. Прибор был настроен на приём необработанного сигнала с центральной частотой 539 MHz и полосой 6.25 MHz, совпадающей с полосой фонового телесигнала. Принятый сигнал усреднялся в соответствии со схемой из §3.3, после чего вычислялось отношение уровней мощности. Эксперименты проводились в точках 1..4 и повторялись для расстояний от 0.5ft (15см) до 3ft (0,9м) между приёмником и передатчиком.

Результаты: На рисунке 8 представлен график интегрального распределения (CDF) отношения мощностей в приёмнке. Распределение вычислялось по всем вариантам (внутри/снаружи, далеко/близко), чтобы получить общую характеристику переотражателя, с которым предстояла дальнейшая работа. На графике видно, что:

Рисунок 8. Эффективность передатчика фонового модулятора. По оси X отложены отношения усреднённых мощностей в отражающем и поглощающем состоянии. Распределение дано по всем вариантам испытаний (внутри/снаружи, далеко/близко).

• Медианное значение мощности около 1.4, что совпадает с диапазоном традиционных RFID устройств [35] и является наиболее предпочтительным. Для лучшего понимания можно представить гипотетическую ситуацию, когда передатчик и приёмник видят один и тот же по мощности внешний сигнал и передатчик отражает всю пришедшую к нему энергию в направлении приёмника. В этом случае, даже если два устройства расположены друг за другом, средняя принимаемая мощность будет в два раза выше, чем без отражения, т.е. отношение мощностей равно 2. В реальной обстановке отношение часто гораздо ниже идеального значения, т.к. только часть сдучайного сигнала отражается в направлении приёмника. Увеличение расстояния дополнительно уменьшает отношение.

• Отношение мощностей может достигать 4.3, что является следствием многолучевого распространения, которое приводит к разной мощности телесигнала в разных точках пространства. Таким образом, передатчик, находящийся в зоне сильного сигнала, может отражать заметно большую мощность, чем энергия прямого телесигнала, видимого приёмником.

6.2 Вероятность ошибки (BER) в приёмнике в зависимости от расстояния

Испытания приёмника, описанного в §3.3.

Эксперименты: Были проведены те же эксперименты, что и на предыдущем этапе, но теперь с приёмником. Измерялась вероятность появления ошибок (BER) в приёмнике как функция расстояния между устройствами. Для компенсации эффектов многолучевого распространения для каждого конкретного расстояния проводилось десять опытов с разным взаимным расположением приёмника и передатчика. В каждом из десяти опытов пересылалось 10⁴ бит. Величина BER рассчитывалась по разнице передаваемых и принимаемых на выходе демодулятора данных. Число передаваемых бит задавало нижнюю границу в 10⁻⁴ BER. Кроме того, из-за того, что BER зависит от скорости передачи, эксперименты проводились с тремя парами устройств, работающих на скоростях 100 bps, 1 kbps и 10 kbps. Всего было проведено 1020 измерений в различных точках, на разных расстояниях, с разным расположением и скоростью.

Результаты: Результаты приведены на рисунках 9a..9d по всем вариантам испытаний (внутри/снаружи, далеко/близко) для трёх скоростей передачи и расстояний в пределах 3.5ft (1м).

Рисунок 9a. Вероятность появления ошибки (BER) в зависимости от расстояния между приёмником и передатчиком для точки 1 (внутри и близко).

Рисунок 9b. Вероятность появления ошибки (BER) в зависимости от расстояния между приёмником и передатчиком для точки 3 (снаружи и близко).

Рисунок 9c. Вероятность появления ошибки (BER) в зависимости от расстояния между приёмником и передатчиком для точки 2 (внутри и далеко).

Рисунок 9d. Вероятность появления ошибки (BER) в зависимости от расстояния между приёмником и передатчиком для точки 4 (снаружи и далеко).

• BER растёт с ростом расстояния между устройствами и увеличением скорости передачи. На открытой местности BER лучше, чем в помещении, т.к. телесигнал в помещении заметно слабее, чем вне его. Существенно слабее и его отражение.

• Результаты для точек 1 и 3 чуть хуже, чем для 2 и 4, притом даже, что они ближе к телестанции. Объясняется это тем, что антенна телепередатчика не является идеальным излучателем: излучаемая мощность ниже на малых углах, слабее и принимаемый сигнал [* профиль излучения напоминает бублик, одетый на вертикально стоящую антенну; угол отсчитывается от вертикали].

• Для целевого значения BER 10⁻² (*6) возможен приём на скорости 1 kbps на расстоянии до 1.5ft (0,45м) в помещении и до 2.5ft (0,75м) вне его. Такое расстояние достаточно для создания всепроникающей связи в различных ситуациях и множестве применений, включая предлагаемые ниже примеры.

6.3 Получение сигнала "Контроль несущей"

Контроль несущей реализован с использованием сравнения преамбулы и определения энергии сигнала. Определение энергии проводится вычислением величины

где "#zeros" и "#ones" - число нулей и единиц на 10-битном интервале, а преамбула сравнивается с известной 64-битной константой.

Опыты проводились точках 1 и 2 (в помещении). Пара устройств, работающих на скорости 1 kbps, располагались в случайных местах на расстоянии 2ft (0,6м) друг от друга. Таких условий достаточно, чтобы приёмник слышал передачу, но с очень высокой вероятностью (>10%) ошибок. Величина BER колебалась в диапазоне от 10⁻⁴ до 0.17. Эксперименты проходили с работающим и неработающим передатчиком и повторялись для 300 различных положений в трёх вариантах: отсутствие движения возле приёмника, перемещение человека возле приёмника и приёмник зажат в руке, а другая рука совершает движения перед ним.

На рисунке 10(a) приводится распределение по уровню энергии ("D"). По графику видно, что:

Рисунок 10a. Чувствительность контроля несущей. Рисунок показывает, что в фоновом модуляторе возможно надёжное определение энергии передачи - первого из двух ключевых компонентов CSMA.

• В отсутствие передачи "D" в точности равно нулю в 98%. Это происходит, потому что в отсутствие сигнала компаратор выдаёт постоянный уровень (см. §4.1) и таким образом приёмник видит один и тот же уровень в течение 10-битного промежутка времени.

• Движения человека не создают заметной разницы в значениях "D". Это происходит, потому что, несмотря на возможность снижения сигнала возле приёмника и изменения соответствующих бит на выходе компаратора, поток изменений не сравним со скоростью данных 1 kbps и не создаёт заметной разницы на 10-битном интервале.

• В более чем 99% опытов разница в наличии и отсутствии передатчика была хорошо видна.

На рисунке 10(b) показано распределение состояний "преамбула обнаружена" для переданных и непереданных пакетов с преамбулой. Цифры нормализованы с учётом длины преамбулы (64 бита). Результаты показывают чёткое разделение фактов наличия и отсутствия преамбулы в более чем 99,5% экспериментов. Причина, опять же, в том, что постоянный уровень на выходе компаратора в отсутствие передачи трудно спутать с псевдослучайной последовательностью бит преамбулы.

Рисунок 10b. Надёжность обнаружения преамбулы. Рисунок показывает, что в фоновом модуляторе возможно надёжное обнаружение преамбулы - второго из двух ключевых компонентов CSMA.

6.4 Помехи бытовым телеприёмникам

Переотражённый сигнал является копией уже имеющегося телесигнала. Теоретически, можно было бы синхронизовать его с телесигналом или модулировать данными с достаточно низкой скоростью, чтобы сделать телеприёмники нечувствительными к интерференции. Но даже без таких ухищрений отражённый сигнал слишком слаб, чтобы помешать телеприёмнику, исключая очень специальные случаи. В данной секции описываются тесты, позволяющие определить верхнюю границу возможного воздействия на телеприёмник. По этой же причине проверки проводились на расстояниях меньших 1ft (0,3м) от телевизионной антенны в точке 2 - внутри конторского комплекса - в условиях самого слабого телесигнала. (*7)

В опытах использовался экран Panasonic Plasma HDTV (Модель:TC-P42G25), подключённый к дешёвому тюнеру (Coby DTV102) с внутренней антенной начального уровня с RCA соединителями (Модель: ANT111). Приёмник был настроен на канал 539 MHz. Для моделирования наихудшего случая фоновый модулятор был подсоединён к внешнему питанию и включён на непрерывную передачу случайного потока данных. Передающая антенна располагалась параллельно приёмной телевизионной антенне для максимизации воздействия на телеприёмник. Передатчик помещался в случайную позицию на расстоянии 1ft (0,3м) от антенны, после чего пододвигался к ней до появления заметных помех на изображении. Полученное расстояние фиксировалось. Отметим, что в цифровом телевидении интерференцию довольно легко распознать по повреждению части изображения. В противоположность этому в аналоговой системе она воспринималась бы как постепенное зашумление картинки. Для фиксации видимых помех (появления случайных квадратов) за изображением постоянно следили два человека.

На рисунке 11 дано распределение полученных расстояний для различных скоростей передачи. Глядя на рисунок, можно отметить следующее:

Рисунок 11. Помехи бытовым телеприёмникам. Интегральное распределение расстояний, на которых фоновый отражатель перестаёт мешать работе телеприёмника.

• На скорости 100 bps передатчик не создаёт каких-либо заметных искажений в телеприёмнике когда находится дальше 2.3in (6см) от антенны. Причина в том, что переотражение создаёт новый путь распространения сигнала от передатчика к телеприёмнику. Современные телеприёмники учитывают параметры многолучевого распространения и могут скомпенсировать его при декодировании. На расстояниях меньших 2.3in (6см) эффекты ближней зоны начинают доминировать и схема компенсации перестаёт работать, допуская помехи на изображении.

• Для больших скоростей расстояние появления сбоев заметно больше: медианное расстояние для 1 kbps - 4.1in (10см), а для 10 kbps - 3.7in (9,5см). На высоких скоростях передачи новые сигналы появляются чаще и схема компенсации не успевает их учесть.

• При любой скорости передачи любые помехи исчезают на расстоянии большем 7.2in (18см).