Хаотические радиоимпульсы, если верить новому исследованию, способны не только значительно увеличить пропускную способность беспроводных каналов связи, но и покончить с помехами и шумами в них.

Беспроводная связь, что называется, решает. С этим не поспоришь: слишком уж она распространена и важна. Но как бы удобна она ни была, при равной мощности сигнала в проводном и беспроводном канале качество приёма у проводной линии всегда выше. Или нет?

Рис. 1. Обычный канал беспроводной связи (здесь и ниже иллюстрации Hai-Peng Ren et al.)…

Принципиальные ограничения беспроводной связи хорошо известны. Многолучевой эффект, рассеивание и затухание электромагнитных волн в атмосфере — всё это ведёт к тому, что сигнал на пути от источника к приёмнику сильно меняется, а это мешает передавать с его помощью информацию с высоким битрейтом.

Жэнь Хайпэн (Hai-Peng Ren) из Сианьского технологического университета (КНР), Мурило Баптиста (Murilo Baptista) из Абердинского университета (Шотландия) и Сельсо Гребоги (Celso Grebogi) из Фрайбургского университета (Германия) взялись выяснить, нельзя ли как-то повлиять на это фундаментальное ограничение беспроводной связи.

В первую очередь учёные задались вопросом: что изменяется при распространении в сложных условиях атмосферы — сигнал или передаваемая им информация?

Вопрос, наверное, может (и должен) показаться странным, поэтому остановимся на нём подробнее. Обычно используемые нехаотичные (упорядоченные) радиосигналы при их искажении во время передачи одновременно искажают и информацию, которую они несут. Так, многолучевой эффект приводит к тому, что на пути следования сигнал распространяется по нескольким траекториям слегка разной длины и попадает к приёмнику многократно, но в чуть разное время, что порождает помехи и шумы.

А вот хаотические радиосигналы такой жёсткой зависимости сигнала и информации не выказывают, поскольку содержащиеся в них данные изначально оторваны от собственно сигнала и связаны с закономерностями его хаотических изменений.

Но как проанализировать эти самые хаотические сигналы, чтобы научиться быстро считывать их информацию? В природе многие объекты подвергаются одновременному воздействию ряда неупорядоченных процессов. На здания действуют сейсмические и температурные колебания, на электромагнитные волны — изменения атмосферного давления, насыщенность воздуха водяными парами, грозы, магнитные бури и так далее.

Системы, которые подвержены хаотическому воздействию, в конечном счёте могут рассматриваться как системы с распределёнными параметрами. Их понимание требует решения задачи идентификации распределения некоторых параметров с помощью математического описания. На основе последнего и параметров системы, известных из наблюдений, составляется математическая модель.

Если процесс хорошо изучен или прост, его моделирование не представляет особых трудностей. А вот со сложными хаотическими системами всё куда хуже. Обычно их описание выполняют на основе статистических закономерностей. Но есть и альтернативный путь. Представление хаотических процессов в виде систем дифференциальных уравнений известно с XIX века. Так что математический аппарат для обработки таких радиосигналов существует, нужно лишь умело его использовать.

«Хаотический сигнал генерируется нелинейной системой, для которой характерна очень высокая чувствительность к начальным условиям, — поясняет Мурило Баптиста. — Даже минимальные возмущения в такой системе в то или иное время порождают очень большие изменения впоследствии — свойство, измеряемое экспонентой Ляпунова. Хаотический сигнал имеет как минимум одну положительную экспоненту Ляпунова (два близко расположенных начальных условия с незначительными различиями экспоненциально расходятся друг от друга [на графике]), а также отрицательные экспоненты. Хаотический сигнал также апериодичен и широкополосен, то есть использует бесконечно много частот. Последняя особенность вытекает из того, что хаотическая траектория очень близка к бесконечному набору периодических сигналов с бесконечно большим набором периодов».

В то же время, подчёркивает учёный, нехаотический сигнал имеет хорошо определённый период, генерируется системой, которая не отличается высокой чувствительностью к начальным условиям, и располагает только одной хорошо определённой частотой, попросту говоря — не является широкополосным.

Ранее другим научным группам удалось показать, что в ряде случаев для оптоволоконных проводных систем хаотические сигналы могут обеспечить передачу большего количества информации в единицу времени, нежели нехаотические за тот же срок.

Рис. 2. …И он же в присутствии многолучевого эффекта. Если для современного нехаотического сигнала множественность траекторий ведёт к шумам и помехам, то для хаотических сигналов многолучевой эффект может быть вполне полезен.

Однако для распространения электромагнитных волн в атмосфере такой метод повышения пропускной способности канала доселе не рассматривался из-за сильных модификаций, которым сигнал подвергается в тяжёлых атмосферных условиях. Исследователи же попробовали проанализировать распространение хаотических сигналов в атмосфере самостоятельно и обнаружили, что,

хотя они действительно серьёзно трансформируются по мере передачи в воздухе, информация, которую они несут, не меняется при этом вовсе.

Дело в том, что при распространении хаотического сигнала он сохраняет спектры положительных экспонент Ляпунова, которые его (сигнал) характеризуют. При достижении приёмника считывание информации ограничено не состоянием самого сигнала, который после беспроводного путешествия может быть не в лучшей форме, а состоянием его экспонент Ляпунова — оставшихся, напомним, неизменными. При этом количество переданных данных определяется именно этой положительной экспонентой, что позволяет заранее предсказать пропускную способность беспроводного канала на хаотических сигналах. А чтобы расшифровать хаотический сигнал, применяется отрицательная экспонента Ляпунова, которая также сохраняется при «порче» сигнала.

Рис. 3. Восстановление информации из хаотического сигнала не подвержено влиянию его искажений, имевших место при прохождении от излучателя к приёмнику.

Словом, хаотическому сигналу не страшен даже многолучевой эффект, поскольку на экспоненту Ляпунова он не влияет.

Более того, из практики использования сверхширокополосной связи на хаотических радиоимпульсах, некоторое время применяющейся для передачи на короткие расстояния, известно, что многолучевой эффект, напротив, помогает хаотическому носителю, усиливая ту часть сигнала, что доходит до приёмника, и в 2–6 раз наращивая дальность при той же мощности, что у обычного, нехаотического радиосигнала.

Таким образом, хаос предлагает естественный путь создания беспроводной связи с очень высокой пропускной способностью. И, главное, без шумов с помехами.

Теоретический отчёт об исследовании опубликован в журнале Physical Review Letters.

Сейчас авторы работы заняты созданием прототипа «системы беспроводной связи, основанной на хаосе» (chaos-based wireless communication system), а если менее драматично — то на хаотических радиосигналах. По их мнению, потенциально потомки этого прототипа, который они обещают испытать в ближайшее время, смогут развернуться в крупномасштабные системы передача данных не только без проводов, но и без помех.