COFDM и MIMO IP Mesh: как устроена радиосеть беспилотного воздушного судна #

В описании радиоинтерфейса небольшого беспилотного воздушного судна встречается строка из трёх обозначений: за ними стоят помехоустойчивое кодирование с перемежением, несколько антенн и сеть без центрального узла. Ниже разобрано, что добавляет каждое из них, откуда берётся выигрыш в дальности и почему ретрансляция через несколько прыжков обходится дороже, чем следует из паспортных данных.

1. Разбор строки из описания радиоинтерфейса

Производитель описывает радиотракт коротко:

"кодированное ортогональное частотное мультиплексирование, многоканальная передача с несколькими антеннами, сеть с ячеистой топологией по протоколу IP." Строка описывает три уровня одного механизма, каждый из которых решает свою задачу.

Первый уровень отвечает за то, чтобы сигнал выжил в многолучёвом канале. Ортогональное частотное мультиплексирование делит полосу на множество поднесущих, а помехоустойчивое кодирование с перемежением превращает редкие пачки ошибок в одиночные, которые декодер исправляет. Вместе эти два средства и образуют то, что называют кодированным мультиплексированием.

Второй уровень отвечает за пропускную способность. Несколько передающих и несколько приёмных антенн позволяют передавать в одной и той же полосе два и более независимых потока данных. Полоса при этом не расширяется, а выигрыш достигается за счёт пространства, то есть за счёт разнесения антенн и разницы путей распространения.

Третий уровень отвечает за связанность. Каждый узел сети является маршрутизатором и передаёт чужие пакеты дальше, поэтому линия перестаёт быть связью только между землёй и бортом и превращается в сеть, где маршрут выбирается автоматически и меняется при потере узла.

Порядок уровней не случаен и отражает порядок, в котором разработчик добавляет средства. Сначала обеспечивают работоспособность одиночной линии, затем повышают её пропускную способность, затем объединяют линии в сеть. Если линия неустойчива, сеть лишь размножит эту неустойчивость: маршрутизация будет постоянно перестраиваться, а полезная скорость упадёт.

↑ К оглавлению

2. Термины и сокращения

↑ К оглавлению

3. COFDM: что добавляет первая буква

Само по себе ортогональное мультиплексирование решает одну задачу — борется с растянутыми во времени отражениями. Оно делит полосу на множество узких поднесущих, удлиняет каждый символ защитным интервалом и переносит эквализацию из аналоговой области в цифровую. Однако у него есть слабое место, о котором редко говорят в популярных описаниях.

Провал в частотной характеристике канала выбивает не один бит, а целую группу соседних поднесущих. Если данные передавать в том порядке, в котором они поступают, то помеха или узкополосная станция выведут из строя длинный непрерывный кусок потока. Любой декодер, рассчитанный на независимые ошибки, в такой ситуации теряет эффективность.

Первая буква C означает ответ на эту проблему: перед передачей данные кодируют и перемешивают. Полная последовательность операций показана на рисунке 1. Кодирование добавляет избыточность, а перемежение разносит соседние биты по разным поднесущим и разным символам. В результате пачка ошибок на приёме распадается на одиночные, с которыми декодер справляется.

3.1. Свёрточный код и декодер Витерби

Кодирование в таких системах обычно свёрточное. В отличие от блочного кода, который обрабатывает биты порциями, свёрточный код работает непрерывно: каждый выходной бит зависит от текущего входного бита и нескольких предыдущих. Число битов, от которых зависит каждый выходной бит, называют длиной кодового ограничения, и для типовых радиотрактов она равна семи.

При скорости кодирования 1/2 на каждый входной бит приходится два выходных, то есть половина потока является избыточной. Производитель может уменьшить избыточность, вычёркивая часть выходных битов по фиксированному правилу. Так получают скорости две третьих 2/3, три четвёртых 3/4 и пять шестых 5/6. Чем выше скорость кодирования, тем больше полезная скорость передачи и тем меньше запас помехоустойчивости.

Приёмная сторона применяет декодер Витерби. Он не решает судьбу каждого бита отдельно, а отыскивает наиболее вероятный путь по решётчатой диаграмме кода, то есть согласованную последовательность, в которой маловероятные одиночные решения компенсируются соседними. При длине кодового ограничения семь 7 декодер хранит шестьдесят четыре 64 состояния, поэтому вычислительная нагрузка остаётся умеренной даже для бортового процессора.

3.2. Мягкое решение: примерно два децибела бесплатно

Существенная деталь, которая отличает современный демодулятор от упрощённой схемы, состоит в способе передачи данных декодеру. Жёсткое решение означает, что демодулятор выдаёт только ноль или единицу. Мягкое решение означает, что он дополнительно сообщает, насколько принятое значение далеко от порога, то есть насколько решение надёжно.

Декодер Витерби умеет использовать эту меру надёжности и работает с расстояниями до идеальных точек созвездия, а не с готовыми битами. Выигрыш заметен: при вероятности ошибки одна на миллион переход от жёсткого решения к мягкому снижает требуемое отношение энергии бита к шуму примерно с 5,5 до 3,5 децибела. Эти два децибела не требуют ни дополнительной мощности передатчика, ни расширения полосы.

3.3. Перемежение: почему пачка ошибок хуже одиночных

Перемежение работает на двух осях. Частотное перемежение распределяет соседние биты по разным поднесущим, поэтому узкополосная помеха или провал в характеристике канала задевает биты, разнесённые по кодовому слову. Временное перемежение распределяет биты по нескольким символам подряд, поэтому короткий импульс помехи или кратковременное затенение также не выбивает целую последовательность.

Рисунок 2. Перемежитель и деперемежитель: шесть подряд идущих испорченных битов попадают в шесть разных кодовых слов, по одной ошибке в каждом

Механизм удобно разобрать на простом примере, показанном на рисунке 2. Двадцать четыре бита составляют шесть кодовых слов по четыре бита в каждом. Перемежитель записывает их в матрицу по строкам, где каждая строка является кодовым словом, а считывает по столбцам. В эфир уходят биты в порядке 1, 5, 9, 13, 17, 21, затем 2, 6, 10 и так далее, то есть соседние в потоке биты принадлежат разным кодовым словам.

Теперь помеха портит шесть подряд идущих битов. Без перемежения это была бы пачка из шести ошибок внутри одного слова, и код, рассчитанный на одну ошибку, такую пачку не исправил бы. В потоке, показанном на рисунке, эти шесть битов имеют номера 1, 5, 9, 13, 17 и 21, то есть принадлежат шести разным словам. Деперемежитель записывает принятые биты по столбцам и считывает по строкам, возвращая исходный порядок. В результате в каждом слове оказывается ровно одна ошибка, и декодер исправляет её отдельно.

Именно этот приём и применяют в кодированном мультиплексировании, только вместо строк и столбцов матрицы выступают поднесущие и символы во времени. Узкополосная помеха задевает несколько соседних поднесущих, но после обратного перемежения эти ошибки распределяются по разным участкам кодового слова.

За перемежение приходится платить задержкой. Чтобы перемешать биты, передатчик должен накопить блок данных, а приёмник — дождаться его полного приёма. Глубина перемежения измеряется десятками миллисекунд, и для видеопотока такая задержка незаметна. Для канала управления она складывается с другими задержками, о которых речь пойдёт в разделе 7.

3.4. Выигрыш кодирования в числах

Выигрыш кодирования принято определять как разность отношений энергии бита к спектральной плотности шума для некодированной и кодированной передачи при одинаковой вероятности ошибки. Значения ниже относятся к вероятности одна на миллион и взяты из справочных данных по типовым кодам.

Из таблицы следуют два вывода. Во-первых, добавление кодирования к обычной передаче даёт от пяти до семи децибел, что эквивалентно увеличению дальности примерно в один и восемь десятых раза или в два и две десятых раза при законе обратных квадратов. Во-вторых, современные коды приближаются к теоретическому пределу, и дальнейшее наращивание сложности даёт уже десятые доли децибела.

В радиомодемах для БВС чаще применяют свёрточный код, а не турбокод или код с малой плотностью проверок. Причина не в эффективности, а в задержке и вычислительной нагрузке: свёрточный код декодируется с малой задержкой и не требует длинных блоков, тогда как турбокод и его более совершенные родственники работают блоками в сотни и тысячи битов.

↑ К оглавлению

4. Почему это работает в условиях полёта

Радиоканал с борта БВС отличается от канала, для которого проектировались первые системы с кодированием. Аппарат движется, антенна расположена низко над землёй или под корпусом, а вокруг находятся отражения от зданий, склонов и растительности. Все три обстоятельства действуют одновременно.

Многолучёвость создаёт провалы в частотной характеристике, и глубина этих провалов зависит от задержки отражённых лучей. При разности хода в одну микросекунду провалы следуют через один мегагерц, то есть при полосе двадцать мегагерц в неё попадает около двадцати провалов. Частотное перемежение как раз и рассчитано на то, чтобы каждый провал задевал не соседние биты, а разнесённые.

Движение добавляет второе ограничение. Из-за эффекта Доплера частота принимаемого сигнала смещается, и смещение растёт линейно со скоростью и с несущей частотой. На частоте 5,8 гигагерца при скорости сто шестьдесят километров в час сдвиг достигает восьмисот шестидесяти герц, а время, в течение которого канал остаётся неизменным, сокращается примерно до половины миллисекунды. Зависимость от скорости и от частоты показана на рисунке 3.

Отсюда следует важное ограничение для временного перемежения. Перемежение помогает только в том случае, если глубина его блока меньше времени неизменности канала. Если перемежитель растягивает биты на время, за которое канал успевает измениться, то соседние биты попадут в разное состояние канала и выигрыш пропадёт. Именно поэтому в подвижных применениях глубина перемежения выбирается компромиссно, а частотное перемежение оказывается надёжнее временного.

Есть и обратная сторона. Доплеровский сдвиг нарушает ортогональность поднесущих, из-за чего между ними возникает взаимная помеха. Чем уже поднесущая, тем чувствительнее система к этому явлению. В мобильных стандартах шаг поднесущих составляет от пятнадцати до семидесяти восьми килогерц, а в широковещательном телевидении он на порядок меньше. Выбор шага зависит от ожидаемых скоростей: чем быстрее движется аппарат, тем шире должен быть шаг. Радиомодем для БВС обычно работает с более широкими поднесущими, чем широковещательное телевидение, именно по этой причине.

↑ К оглавлению

5. MIMO: две антенны вместо одной

Второй уровень обозначения отвечает за пропускную способность. Идея проста в формулировке и сложна в реализации: если на передаче и на приёме по несколько антенн, то разные антенны видят разные комбинации путей, и по этим различиям можно разделить несколько независимых потоков, переданных одновременно в одной и той же полосе. Сравнение схем с одной и с двумя антеннами приведено на рисунке 4.

5.1. Что происходит в радиоканале с двумя потоками

Формально канал с несколькими антеннами описывается матрицей, в которой каждый элемент показывает, как сигнал от одной передающей антенны доходит до одной приёмной. Приёмник оценивает эту матрицу по пилот-сигналам, а затем решает систему уравнений и восстанавливает переданные потоки. Число потоков, которые удаётся разделить, не может превышать ранга матрицы.

Матрица в условии \( \mathbf{y} = \mathbf{H}\mathbf{x} + \mathbf{n} \) содержит все коэффициенты передачи, вектор \( \mathbf{x} \) составлен из переданных символов, а вектор \( \mathbf{n} \) описывает шум. Пропускная способность при известном канале на приёме равна \( C = \log_2 \det\left( \mathbf{I} + \frac{\rho}{N_t}\mathbf{H}\mathbf{H}^{H} \right) \), где величина \( \rho \) обозначает отношение сигнал-шум, а \( N_t \) — число передающих антенн.

Из формулы видны две вещи. Первая: мощность делится между потоками, поэтому каждый поток получает меньшую энергию, чем получил бы единственный. Вторая: при большом отношении сигнал-шум пропускная способность растёт пропорционально числу потоков, то есть выигрыш достигается не мощностью, а пространством.

5.2. Сколько даёт вторая антенна

Расчёт для канала с релеевскими замираниями показывает, что идеальные представления о кратном росте нуждаются в поправке. При отношении сигнал-шум двадцать децибел система с двумя антеннами на каждой стороне даёт пропускную способность около одиннадцати бит в секунду на герц против шести с половиной у одиночной антенны, то есть множитель примерно один и семь десятых, а не два. Зависимость от отношения сигнал-шум показана на рисунке 5.

Причина расхождения состоит в том, что мощность передатчика фиксирована и делится между потоками, а канал не всегда обеспечивает полный ранг. Для четырёх антенн на каждой стороне выигрыш при том же отношении сигнал-шум составляет около трёх и трёх десятых раза вместо четырёх. Чем больше антенн, тем сильнее сказываются и корреляция, и нехватка мощности на поток.

На малых аппаратах чаще всего применяют схему с двумя передающими и двумя приёмными антеннами. Она даёт прирост скорости примерно в один и восемь десятых раза в ближней зоне и позволяет сохранить связь, когда второй поток отказывает, но остаётся один. Схемы с четырьмя антеннами встречаются на аппаратах большего размера и на наземных ретрансляторах, где проще разместить разнесённые антенны.

5.3. Дальность и скорость: плата за второй поток

Главный практический вопрос состоит не в том, сколько даёт вторая антенна в идеальных условиях, а в том, как это отражается на дальности. Ответ следует из бюджета линии: каждый дополнительный поток требует своей доли мощности, поэтому чувствительность приёмника для схемы с двумя потоками оказывается примерно на три децибела хуже, чем для такой же схемы с одним потоком.

Сравнение строк таблицы показывает главное. Схема MCS 8 с двумя потоками даёт почти вдвое большую скорость, чем MCS 0 с одним потоком, и работает при этом лишь немного ближе: четыре километра против пяти с половиной. А вот высшие схемы с двумя потоками уходят в ближнюю зону, поскольку проигрывают три децибела по чувствительности и одновременно требуют высокого отношения сигнал-шум. Сравнение дальностей приведено на рисунке 6.

5.4. Когда MIMO не работает

Выигрыш существует только при выполнении условия, о котором в описаниях упоминают редко: каналы между разными парами антенн должны различаться. Если аппарат мал, а антенны стоят рядом, корреляция между ними растёт и ранг матрицы падает до единицы. В этом случае система передаёт один поток, а вторая антенна участвует лишь в приёме, давая выигрыш около трёх децибел за счёт сложения сигналов.

Расстояние между антеннами связано с длиной волны. Для разнесения нужно не менее половины длины волны, что на частоте 2,4 гигагерца составляет около шести сантиметров, а на частоте 5,8 гигагерца — около двух с половиной сантиметров. На корпусе малого аппарата такие расстояния выдержать трудно, поэтому производители размещают антенны на противоположных лучах рамы или на разных плоскостях.

Вторая причина отказа связана с геометрией. При прямой видимости без отражений канал может иметь почти единичный ранг, если аппарат расположен строго по оси антенн. На практике отражения от земли и местных предметов всегда присутствуют, поэтому ранг сохраняется, но выигрыш оказывается меньше расчётного. Опыт показывает, что на малой высоте и в открытом поле вторая антенна чаще даёт прирост скорости, а в плотной застройке — прирост устойчивости.

↑ К оглавлению

6. IP Mesh: сеть без единого центра

Третий уровень обозначения меняет саму постановку задачи. Пока речь шла об одной линии между двумя точками, все средства работали на то, чтобы эта линия была быстрее и надёжнее. Ячеистая сеть добавляет вопрос: что делать, если прямой линии нет, а есть несколько аппаратов, каждый из которых слышит лишь часть остальных.

6.1. Три топологии и разница между ними

Топология точка — точка соединяет два узла направленными антеннами и даёт наибольшую дальность при той же мощности. Топология в виде звезды ставит в центр базовую станцию, и все абоненты работают только через неё. Ячеистая топология не имеет центра: каждый узел связан с несколькими соседями и передаёт их пакеты дальше.

Практическая ценность ячеистой сети для БВС состоит в двух возможностях. Первая: ретрансляция, когда аппарат выходит за пределы прямой видимости пункта управления и связь поддерживается через другой аппарат или через наземный ретранслятор. Вторая: распределение трафика, когда несколько бортов обмениваются данными напрямую, не пропуская всё через одну станцию. Пример такой сети показан на рисунке 7.

6.2. Маршрутизация: как узел узнаёт о соседях

Маршрут строит не оператор и не наземная станция, а сами узлы. Для этого служат протоколы маршрутизации, и их делят на две группы. Проактивные постоянно поддерживают таблицу маршрутов ко всем известным узлам и обмениваются служебными сообщениями даже при отсутствии трафика. Реактивные ищут маршрут только тогда, когда появился пакет, зато поиск занимает время.

В радиомодемах для БВС чаще применяют проактивные протоколы, поскольку задержка установления соединения недопустима для канала управления. Известны два подхода. Первый, называемый оптимизированной маршрутизацией по состояниям каналов, рассылает по сети информацию о соседях и вычисляет маршруты по всей топологии. Второй, известный как протокол построения сети по соседям, ограничивается сведениями о ближайшем окружении и выбирает следующий узел по качеству связи с ним.

Второй подход экономичнее. В испытаниях на сетке из сорока девяти узлов служебный обмен первого подхода достигал шести тысяч байтов в секунду, тогда как второго — около семисот байтов в секунду, при этом пропускная способность была на семнадцать процентов выше. Именно поэтому в свободных реализациях для аппаратов чаще встречается второй подход, а первый применяют там, где важнее полнота сведений о топологии.

6.3. Общая среда и скрытый узел

Все узлы сети обычно работают в одной полосе и на одном канале. Это значит, что в каждый момент передавать может только один узел в зоне слышимости, а остальные ждут. Правило доступа к среде строится на прослушивании канала и на подтверждениях, и оно порождает сразу два ограничения.

Первое ограничение состоит в накладных расходах. До передачи полезного пакета узел занимает среду служебными кадрами: запросом на передачу, разрешением и подтверждениями. Чем короче пакет, тем большая доля времени уходит на этот обмен. На малых пакетах телеметрии доля служебных кадров становится заметной, и пропускная способность падает сильнее, чем следует из расчёта по скорости модуляции. Последовательность обмена показана на рисунке 8.

Второе ограничение называют проблемой скрытого узла. Узел, который находится вне зоны слышимости передатчика, считает среду свободной и начинает передачу, создавая помеху приёмнику. Стандартное средство борьбы — предварительный обмен короткими кадрами, которые резервируют среду на время передачи. Полностью проблему это не устраняет, особенно в сети с подвижными узлами, где взаимное расположение меняется постоянно.

6.4. Цена каждого прыжка

Ретрансляция через промежуточный узел не бесплатна. Пакет проходит через среду дважды: сначала от источника к ретранслятору, затем от ретранслятора к получателю. Поскольку среда общая, эти две передачи не могут идти одновременно на одном канале, поэтому пропускная способность пути падает примерно пропорционально числу прыжков. Расчёт для скорости пятьдесят мегабит в секунду приведён на рисунке 9.

Если линия с одним прыжком даёт пятьдесят мегабит в секунду, то путь из двух прыжков даёт около двадцати пяти, из трёх — около семнадцати, из четырёх — около двенадцати. С учётом служебного трафика и повторных передач реальные значения оказываются ниже теоретической оценки примерно на пятую часть. Правило запоминается легко: три прыжка стоят примерно двух третей скорости.

Отсюда следует практический вывод для организации ретрансляции. Ретранслятор выгодно ставить так, чтобы путь до пункта управления состоял из одного или двух прыжков, а не из пяти. Видеопоток высокого разрешения через три и более прыжка передавать нецелесообразно: он займёт всю доступную полосу и лишит канал управления запаса.

6.5. Самовосстановление и его цена

Главное достоинство ячеистой сети — способность перестроиться при потере узла. Если аппарат вышел из зоны или отказал, соседи замечают пропажу служебных сообщений и через несколько секунд выбирают новый маршрут. Для внешнего пилота это выглядит как кратковременная потеря изображения, после которой связь восстанавливается, возможно, с худшим качеством.

У способности есть цена. Перестройка маршрута сопровождается всплеском служебного трафика, а в движущейся сети маршруты меняются постоянно. Чем больше узлов и чем выше их скорость, тем чаще происходят перестроения и тем больше полосы уходит на служебные сообщения вместо полезных данных. По этой причине сеть из десятков быстро движущихся аппаратов работает хуже, чем сеть из нескольких аппаратов и стационарных ретрансляторов.

↑ К оглавлению

7. Задержка: откуда берётся и что чувствует пилот

Задержка в такой сети складывается из нескольких составляющих, и складывать их нужно последовательно. Первая составляющая — кодирование и перемежение, они добавляют от единиц до десятков миллисекунд. Вторая — обработка в модеме и формирование кадра. Третья — время ожидания доступа к среде, если канал занят. Четвёртая — повторные передачи при ошибках. Пятая — обработка и маршрутизация на каждом прыжке.

К этим значениям добавляется задержка самой линии, которую производители указывают отдельно и которая для служебного канала составляет от полутора до десяти миллисекунд, а для канала данных может достигать десятков миллисекунд при высокой загрузке. При полной загрузке канала ожидание в очереди становится главным слагаемым, и задержка растёт быстрее, чем при снижении скорости.

Для практики важны два порога. Первый: пока суммарная задержка меньше пятидесяти миллисекунд, ручное управление не требует поправки. Второй: при задержке свыше ста миллисекунд пилот начинает упреждать движение, и точное маневрирование у препятствий становится затруднительным. Видеопоток переносит задержку легче, чем канал управления, поэтому в загруженной сети приоритет отдают служебному каналу.

↑ К оглавлению

8. Как всё работает вместе

Три уровня не действуют по очереди, а работают одновременно, и их реакции упорядочены по скорости и по цене. Понимание этого порядка объясняет, почему линия ведёт себя ступенчато и почему качество связи восстанавливается не сразу. Порядок реакций показан на рисунке 10.

Первой срабатывает защита на уровне кадра. Пакет не прошёл проверку контрольной суммы, и приёмник запрашивает повтор. Это самая быстрая реакция, она занимает миллисекунды и не меняет режим работы линии. Если повторов немного, дальше дело не идёт: потери исправляются, и скорость остаётся прежней.

Второй шаг — снижение скорости кодирования. Когда доля повторных передач превышает заданный порог, модем повышает избыточность кода, то есть понижает скорость кодирования, оставляя созвездие прежним. Это даёт около двух децибел запаса, а скорость передачи снижается примерно на треть.

Третий шаг — понижение порядка модуляции. Он даёт наибольший выигрыш по запасу, но и наибольшую потерю по скорости, и поэтому применяется последним. Четвёртый шаг относится уже к сети: если узел перестал отвечать, маршрут перестраивается через соседа.

Обратное движение устроено иначе. Повышение скорости происходит ступенями, каждая ступень требует подтверждения устойчивого приёма в течение нескольких секунд, а иногда и десятков секунд. Такая осторожность объясняется ценой ошибки: поспешное повышение приводит к потере пакетов, повторной передаче и новому понижению, то есть к колебаниям режима, которые вреднее стабильно заниженной скорости.

9. Что это значит на практике

Для внешнего пилота перечисленные механизмы проявляются через несколько наблюдаемых признаков. Первый признак — индикатор уровня принимаемого сигнала, он показывает запас по мощности, но не качество. Второй — индикатор скорости, он показывает текущую схему модуляции и кодирования. Третий — наличие и стабильность видеопотока, он отражает результат работы всех уровней одновременно.

Отдельного внимания требует выбор ширины канала. Широкий канал даёт большую скорость, но и большую мощность шума, поэтому при том же уровне сигнала отношение сигнал-шум оказывается ниже, а дальность меньше. Сужение канала вдвое снижает скорость вдвое, но выигрывает три децибела по запасу, что эквивалентно увеличению дальности примерно в полтора раза. На предельных дистанциях выгоднее узкий канал с низкой схемой модуляции, чем широкий с высокой.

↑ К оглавлению

10. Ограничения и типичные ошибки

Понимание технологии часто подменяется ожиданиями, которые она не может удовлетворить. Ниже перечислены наиболее распространённые.

• Ожидают, что ячеистая сеть увеличит дальность сама по себе. В действительности сеть расширяет зону связи только через ретрансляторы, каждый из которых должен иметь собственную устойчивую линию.
• Считают, что несколько антенн всегда дают кратное увеличение скорости. Кратность ограничена рангом канала и мощностью, которая делится между потоками.
• Оценивают помеховую обстановку по уровню сигнала. Помеха не повышает уровень, но резко снижает отношение сигнал-шум, и индикатор при этом выглядит благополучно.
• Передают видео максимального качества через несколько прыжков. Видеопоток занимает всю полосу, и канал управления теряет запас.
• Располагают антенны рядом на небольшой площадке. Корреляция антенн снижает выигрыш, а в предельном случае оставляет один поток.
• Забывают про загрузку канала. При загруженной среде задержка растёт не от скорости распространения сигнала, а от ожидания в очереди.
• Сравнивают изделия по одному числу — максимальной скорости. Это значение относится к ближней зоне и к идеальным условиям, а работать приходится на средней дистанции.

↑ К оглавлению

11. Расчётная оценка дальности

Чтобы перевести перечисленные механизмы в числа, выполнен расчёт бюджета линии для типового варианта. Принята эквивалентная изотропно-излучаемая мощность двадцать децибел-милливатт, что соответствует ста милливаттам и типичному ограничению для диапазона 2,4 гигагерца. Усиление приёмной антенны принято равным двум децибелам, частота — 2,4 гигагерца, потери в фидере не учитывались.

Расчёт опирается на чувствительность приёмника для каждой схемы модуляции и кодирования, приведённую в таблице 4. Дальность получена из равенства мощности принятого сигнала и чувствительности при распространении в свободном пространстве. Полученные значения относятся к открытой местности с прямой видимостью и служат ориентиром для сравнения режимов, а не разрешёнными дальностями полёта.

Из таблицы видно соотношение режимов. Самая устойчивая схема работает в восемь раз дальше самой быстрой, но передаёт в девять раз медленнее. Вторая антенна на приёме даёт выигрыш около трёх децибел, что соответствует увеличению дальности примерно в одну целую четыре десятых раза, — заметно, но не сопоставимо с переходом на низшую схему модуляции.

Для сравнения: увеличение мощности передатчика в два раза, то есть на три децибела, даёт такой же прирост дальности, как вторая антенна на приёме. Однако мощность ограничена нормами, нагревом и энергопотреблением, а вторая антенна этих ограничений не добавляет. Отсюда и происходит интерес производителей к схемам с несколькими антеннами.

↑ К оглавлению

12. Итоги

Строка из описания радиоинтерфейса описывает три уровня, которые работают совместно. Кодирование с перемежением превращает пачки ошибок в одиночные и даёт от пяти до семи децибел запаса, что равносильно увеличению дальности примерно в один и восемь десятых раза или в два и две десятых раза. Несколько антенн позволяют передавать в одной полосе два потока и повышают скорость примерно в один и семь десятых раза в ближней зоне, но требуют разноса антенн и хорошего ранга канала.

Ячеистая сеть добавляет связность и ретрансляцию, но платит за это пропускной способностью: каждый прыжок отнимает долю полосы, а служебный обмен растёт с числом узлов и с их подвижностью. Задержка складывается из кодирования, ожидания среды, повторов и обработки на прыжках; до пятидесяти миллисекунд она не мешает ручному управлению, свыше ста миллисекунд начинает мешать.

Практический вывод для внешнего пилота состоит в том, что все три механизма видны через два индикатора и один результат. Уровень сигнала показывает запас по мощности, индикатор скорости показывает текущий режим, а стабильность видеопотока показывает совместный итог. Расхождение между высоким уровнем сигнала и низкой скоростью всегда указывает на помеху, многолучёвость или корреляцию антенн, а не на недостаток мощности.

↑ К оглавлению

13. Источники

1. IEEE Standard for Information Technology 802.11-2020. Wireless LAN Medium Access Control and Physical Layer Specifications.
2. IEEE Standard for Information Technology 802.11s-2011. Mesh Networking. Amendment 10.
3. Stott J. H. Explaining some of the magic of COFDM. BBC Research and Development, Report 1997-04. Адрес: отчёт Би-би-си
4. ETSI EN 300 744. Digital Video Broadcasting. Framing Structure, Channel Coding and Modulation for Digital Terrestrial Television.
5. Proakis J. G., Salehi M. Digital Communications. McGraw-Hill, пятое издание, 2008.
6. Tse D., Viswanath P. Fundamentals of Wireless Communication. Cambridge University Press, 2005.
7. Foschini G. J., Gans M. J. On Limits of Wireless Communications in a Fading Environment when Using Multiple Antennas. Wireless Personal Communications, 1998, том 6, страницы 311–335.
8. Clausen T., Jacquet P. Optimized Link State Routing Protocol. RFC 3626, 2003.
9. Johnson D., Ntlatlapa N., Aichele C. A Simple Pragmatic Approach to Mesh Routing using BATMAN. Международный симпозиум по беспроводной связи, 2008. Адрес: текст работы
10. Gupta P., Kumar P. R. The Capacity of Wireless Networks. IEEE Transactions on Information Theory, 2000, том 46, страницы 388–404.
11. Техническое описание радиомодемов Mesh Rider. Doodle Labs, 2024. Адрес: страница изделия
12. Техническое описание радиосистем StreamCaster. Silvus Technologies, 2025. Адрес: страница изделия

↑ К оглавлению

14. Приложение. Методика расчёта

Пропускная способность для схем с несколькими антеннами вычислялась как эргодическая ёмкость канала с релеевскими замираниями по формуле \\( C = \\log_2 \\det\\left( \\mathbf{I} + \\frac{\\rho}{N_t}\\mathbf{H}\\mathbf{H}^{H} \\right) \\). Матрица канала формировалась из независимых комплексных гауссовских величин и усреднялась по четырём тысячам реализаций.

Дальность получена из уравнения бюджета линии. Мощность принятого сигнала равна \\( P_r = P_t + G_t + G_r - L \\), где потери в свободном пространстве составляют \\( L = 32{,}44 + 20\\lg f + 20\\lg d \\) при частоте в мегагерцах и расстоянии в километрах. Приравнивая принятую мощность к чувствительности приёмника, получают искомое расстояние.

Выигрыш второй антенны на приёме принят равным трём децибелам: это значение соответствует сложению сигналов двух антенн в режиме приёма с максимальным отношением и подтверждается различием чувствительностей в технических описаниях изделий. Значения чувствительности взяты из технических описаний радиомодемов и округлены до целых децибел-милливатт.

Задержка на прыжок принята равной пяти миллисекундам как ориентировочное значение для маршрутизации и обработки в сети с проактивным протоколом. Доплеровский сдвиг вычислялся по формуле \\( f_d = \\frac{v}{\\lambda} \\), а время неизменности канала оценивалось как \\( T_c \\approx \\frac{0{,}423}{f_d} \\). Все приведённые значения являются расчётной оценкой, а не паспортными данными конкретного изделия.

Проверено: 21.10.2026

↑ К оглавлению