РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА. 2006, том 51. № 10, с. 1193-1209 р^И
—-=== ОБЗОР ===========
УДК 621.391;621.396
СВЕРХШИРОКОПОЛОСНАЯ БЕСПРОВОДНАЯ СВЯЗЬ НА ОСНОВЕ ДИНАМИЧЕСКОГО ХАОСА
© 2006 г. А. С. Дмитриев, А. В. Клецов, А. М. Лактюшкин, А. И. Панас, С. О. Старков
Поступила в редакцию 03.04.2006 г.
?
Изложены основные идеи и принципы технологии сверхширокополосной беспроводной прямохао-тической связи. Рассмотрена совокупность вопросов, оказывающих решающее влияние на развитие этой коммуникационной платформы. Обсуждаются модели источников хаоса в различных частотных диапазонах. Проведен анализ влияния многолучевого распространения сверхширокополосных хаотических сигналов. Приведены результаты экспериментального исследования прямохаотиче-ских приемопередатчиков.
ВВЕДЕНИЕ
Работы по использованию хаоса в системах связи проводились еще в 1980-годы [1], однако интенсивно исследования в этом направлении стали развиваться в начале 90-х годов. Возникший интерес был во многом связан с открытием явлений хаотической синхронизации [2—4] и хаотического синхронного отклика [5].
Первые серьезные успехи были связаны с тем, что на первом этапе исследований для ряда модельных схем была продемонстрирована возможность передачи цифровых и аналоговых сообщений с использованием хаотических сигналов [6-11 ]. В схеме с нелинейным подмешиванием информационного сигнала в хаотический сигнал передача речевых и музыкальных сигналов, в низкочастотном и в радио-диапазонах была продемонстрирована экспериментально [12].
Примерно в это же время предложен и экспериментально апробирован подход, основанный на использовании неустойчивых скелетных орбит хаотических аттракторов в качестве потенциальной кодовой системы для передачи полезной информации и для формирования специальных хаотических маркеров [13].
Разработанные подходы и модели передачи информации с использованием хаотической синхронизации и их экспериментальная проверка заложили основу для дальнейшего развития хаотических коммуникаций. Вместе с тем приведенные исследования показали, что системы связи, использующие хаотическую синхронизацию (или хаотический синхронный отклик), имеют серьезные ограничения по качеству канала связи и в ближайшей перспективе вряд ли найдут практическое применение.
Возникло понимание того, что, возможно, следует отказаться от использования хаотической синхронизации, чтобы улучшить характеристики связных систем, использующих хаос [14, 15]. Отмеченные работы отрезвляюще подействовали на первоначальные радужные надежды исследователей (в первую очередь в отношении применения хаотической синхронизации), но в то же время показали, что при использовании динамического хаоса можно получить неплохие характеристики связных систем. Эти характеристики хотя и уступают характеристикам традиционных систем, но уже не в такой степени, как для систем с хаотической синхронизацией.
Анализ накопленной к этому времени информации позволил сделать вывод о том, что предложения, которые рассматривались в подавляющем большинстве публикаций, посвященных связи на основе динамического хаоса, страдали отсутствием целевой установки: как, зачем, и при каких условиях такие системы могут быть использованы. При этом даже в наиболее продвинутых работах авторы ограничивались сугубо модельными ситуациями, типа рассмотрения характеристик системы в канале с белым шумом или в канале с простейшей многолучевой структурой. Все это находится достаточно далеко от практических инженерных решений по созданию коммуникационных систем с использованием хаоса.
При построении реальных коммуникационных каналов на основе хаоса, в том числе каналов беспроводной связи, нужно отчетливо понимать, что:
а) хаотические системы связи будут применяться только там и только в том случае, когда они будут иметь совокупность свойств, делающих их конкурентоспособными по отношению к дру-
гим типам беспроводных систем (в список этих свойств мбгут входить скорость передачи информации, простота и стоимость системы, устойчивость работы в конкретных условиях, множественный доступ, возможность удовлетворения определенным правилам частотного регулирования и т.д.);
б) техника передачи информации с помощью хаотических сигналов находится в зарождающейся фазе, и эффективные инженерные решения достаточно ограничены по элементной базе.
Однако с практической точки зрения вне поля зрения долгое время оставался вопрос реализации самих источников хаоса. Неявно предполагалось, что скорость передачи не будет превышать нескольких сотен килобит в секунду, а хаос будет использоваться в качестве промежуточного носителя. При этом хаотический сигнал может быть сгенерирован в цифровом виде, а его полоса будет составлять от нескольких единиц до нескольких десятков мегагерц. Подобный подход не дает возможности использовать такие наиболее притягательные свойства хаоса, как широкая полоса и простота устройства связи на основе аналогового хаотического генератора. Именно такого типа преимущества могли бы служить причиной использования систем связи на основе динамического хаоса вместо традиционных систем с регулярными носителями информации.
В 2000 г. в ИРЭ РАН была предложена схема прямохаотической радиосвязи [16-28]. Ключевым понятием предлагаемой технологии является хаотический радиоимпульс. Он представляет собой фрагмент сигнала с длиной, превышающей длину квазипериода хаотических колебаний. Полоса частот хаотического радиоимпульса определяется полосой частоты исходного хаотического сигнала, генерируемого источником хаоса, и в широких пределах изменения длины импульса не зависит от его длительности. Это существенно отличает хаотический радиоимпульс от классического, заполненного фрагментом периодической несущей, полоса частот которого определяется его длиной. В основу прямохаотических схем связи заложены три базовые идеи: 1) источник хаоса генерирует хаотические колебания непосредственно в заданной полосе СВЧ-диапазона; 2) ввод информационного сигнала в хаотический осуществляется путем формирования соответствующего потока хаотических радиоимпульсов; 3) извлечение информации производится из СВЧ-хаогического сигнала без промежуточного преобразования частоты.
В статье рассматривается развитие прямохаотической связи от первоначальной идеи до универсальной сверхширокополосной платформы для бытовых и офисных приложений. Обсуждаются принципы формирования хаотических сигналов, приводится структура прямохаотической системы связи и ее характеристики в различных каналах, а также результаты экспериментов с макетами системы рассмотрена проблема стандартизации разрабатываемой технологии и ее применение.
1. ГЕНЕРАТОРЫ ДИНАМИЧЕСКОГО ХАОСА СВЧ-ДИАПАЗОНА -ЭФФЕКТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ШУМОПОДОБНЫХ СИГНАЛОВ
Основным элементом хаотической системы связи является генератор хаоса.
К настоящему времени известен не один десяток различных динамических систем, демонстрирующих хаотическое поведение. Что стоит взять любую из них и с учетом возможностей современной технологии создать на ее основе нужный генератор хаоса?
Однако решение не кажется столь простым и линейным.
Во-первых, нам понадобится не просто динамическая система, порождающая хаос, а система, порождающая хаос с определенными, как минимум спектральными, свойствами. Например, система, порождающая хаос с относительно равномерной спектральной плотностью в заданном диапазоне частот.
Во-вторых, это должна быть система, реализуемая на более или менее стандартных элементах, используемых в радиотехнике.
В-третьих, это должна быть система, генерирующая хаос на высоких или очень высоких частотах, возможно близких к предельным характеристикам используемой технологии.
Наконец, в-четвертых, могут быть дополнительные ограничения со стороны технологии, например, требование, чтобы система была реализована на CMOS технологии.
А. Историческая справка
История генераторов хаоса радио- и СВЧ диапазонов восходит, как минимум, к началу 60-х годов XX в. Генератор шумоподобных колебаний, использующий в качестве активного элемента лампу бегущей волны впервые был запатентован в США [29]. Однако ясного объяснения природы
этих колебаний в патенте не было. Серия теоретических и экспериментальных работ, посвященных генераторам стохастических (хаотических) колебаний на основе лампы бегущей волны, была проведена в ИРЭ АН СССР [30—33]. В этих работах было дано объяснение причинам возникновения шумоподобных колебаний, предложены устройства, названные "шумотронами", и построены простые модели на основе одномерных отображений и дифференциально-разностных уравнений, достаточно адекватно отражающие основные процессы возникновения и развития хаотической динамики. Аналогичные исследования были проведены и с генераторами на основе других электронных приборов, в частности, на основе лампы обратной волны [34, 35].
В начале 80-х годов возник естественный интерес к маломодовым генераторам хаоса радио- и СВЧ-диапазонов на основе транзисторов и других полупроводниковых активных элементов. Практические достижения в этой области отображены в обзоре [36]. Отметим, что математические модели транзисторных генераторов хаоса стали появляться уже после разработки реальных устройств и начала их практического использования [37]. Среди этих моделей удачной с теоретической точки зрения оказалась модель генератора с полутора степенями свободы, построенная на основе трехточечной схемы Колпитца. Эта модель [38] детально исследована в работе [39]. Отметим, однако, что в соответствии с существующей традицией она изучалась как система обыкновенных дифференциальных уравнений третьего порядка и поэтому принципиально была низкочастотной моделью транзисторного генератора. Ниже будет показано как на ее основе могут быть построены модели источников хаоса радио- и СВЧ-диапазонов и что представляет собой эта система как генератор хаоса.
Б. Моделирование микроволновых источников хаоса
Основные этапы перехода от упрощенной математической модели к модели источника хаоса радио- и СВЧ-диапазонов рассмотрены в [40]. Смысл процедуры заключается в переходе от упрощенной математической
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.