Технология формирования луча

Системы связи без использования технологии формирования луча

Диаграмма направленности устройств не поддерживающих технологию формирования луча является фиксированной и не может быть изменена в процессе передачи данных. Пример работы сектора базовой станции, к которому подключены три абонентских устройства, представлены на видео 1.

Сектор базовой станции последовательно взаимодействует с абонентскими устройствами, причём обмен данными двунаправленный: сектор передаёт данные абонентскому устройству 1, и, дождавшись от него ответа, выполняет последовательное взаимодействие со вторым и третьим абонентами.

Такой подход имеет несколько недостатков:

• неэффективное использование мощности излучения (независимо от устройства-получателя, сектор выполняет передачу данных всем абонентским устройствам, попадающим в зону покрытия);
• низкий уровень безопасности (получив доступ к одному из абонентских устройств, злоумышленник может перехватить весь исходящий трафик сектора для любого из абонентов);
• появление локальной помехи на сектор оказывает влияние на работу всех абонентских устройств (см. видео 2).

На видео 2 представлена работа сектора базовой станции, к которому подключено три абонентских устройства, в условиях действия локальной помехи. В интервалы времени, выделенные для передачи данных в восходящем канале, от абонента к сектору, сектор принимает сумму сигнала абонента и помехи. В случае, если уровень помехи высок, то сектор не может выделить из полученной суммы сигналов полезную абонентскую составляющую и передачу данных необходимо повторить. На это будет затрачено дополнительное время, т.е. ресурсы системы будут использоваться неэффективно. Важно отметить, что попадание сигнала помехи в зону действия сектора, оказывает влияние на работу всех абонентов, т.к. широкий основной лепесток диаграммы направленности не позволяет выполнять избирательное пространственное подавление. Иными словами, сигнал любого устройства, попадающего в зону действия сектора, будет принят с одинаковым коэффициентом усиления.

Технология формирования луча

Описание

Одним из методов решения обозначенных выше проблем является использование сектора с поддержкой технологии формирования луча.

Технология формирования луча заключается в возможности управления диаграммой направленности устройства, т.е. устройство, в зависимости от сложившейся ситуации, сужает ширину основного лепестка диаграммы направленности и направляет его в необходимую сторону. Таким образом, для каждого из абонентских устройств может быть сформирована своя диаграмма направленности и в интервалы времени, когда выполняется передача или приём данных этого абонента, может быть использована индивидуальная конфигурация.

Пример с тремя абонентами, подключенными к одному сектору, поддерживающему технологию формирования луча, представлен на видео 3. Как можно заметить, сравнительно с видео 1, ширина диаграммы направленности сектора стала уже и, выполняется вращение основного лепестка в зависимости от абонентского устройства.

Преимущества технологии формирования луча

Основным преимуществом поддержки технологии формирования луча является увеличение энергетики канала связи. На рисунке 1 представлено сравнение диаграммы направленности для секторов с технологией формирования луча и без неё. Следует учитывать, что мощность излучения устройства не изменилась, а за счёт того, что подведённая к антенне энергия излучается только в направлении конкретного абонента, уровень принимаемого сигнала существенно увеличивается. Аналогичный эффект наблюдается и в восходящем канале. Можно выделить следующие сценарии, использующие данное преимущество:

• рост производительности (за счёт увеличения отношения сигнал/шум для абонентов, выполняющих передачу данных не на максимальном битрейте, становится возможным использование высших модуляционно-кодовых схем, определяющих пропускную способность канала связи);
• увеличение срока службы устройств (рост энергетики канала связи, при условии, что необходимая производительность уже получена, может быть использован для снижения мощности излучения сигнала, что повысит срок службы радиопередатчика устройства);
• увеличения дальности покрытия сектора (рост энергетики канала позволяет выполнять подключение новых абонентских устройств на большем расстоянии от сектора).

Увеличения направленных свойств антенны сектора позволяет снизить риски, связанных с возможностью перехвата данных всех абонентов сектора. В случае поддержки устройством технологии формирования луча, передача абонентских данных выполняется только в его направлении, а значит, при схожих действиях злоумышленника, он сможет получить доступ только к данным одного абонента.

Возможность автоматического выбора направления излучения снижает требования к юстировке антенн устройств и позволяет определить азимут местонахождения абонента, что может быть использовано в некоторых сценариях при поиске клиентского устройства.

Использование сектора с технологией формирования луча позволяет снизить влияние локальной помехи. На видео 4 представлен механизм влияния помехи на сектор, поддерживающий технологию формирования луча. Поскольку, при обслуживании второго и третьего абонентов, помеха попадает в боковой лепесток диаграммы направленности, то не оказывает существенного влияния на полезный сигнал. Т.к. направление на первого абонента и источник помехи совпадают, то использование технологии формирования луча не позволяет снизить влияние локальной помехи для этого устройства. Несмотря на то, что поддержка технологии формирования луча не позволяет полностью нивелировать влияние помехи, её использование может существенно улучшить производительность и надёжность сектора в некоторых сценариях.

Реализация

Современные устройства включают в себя несколько элементов излучения. Одной конструкций, используемой в современной радиосвязи, является фазированная антенная решётка (см. рисунок 2), представляющая из себя матрицу проводящих элементов. Форма проводящих элементов и их взаимное положение определяют частотную избирательность и направленные свойства антенны.

К каждому из элементов антенны подводится копия модулированного сигнала от радиомодуля. Помимо конструкции антенной решётки, диаграмма направленности определяется характеристиками сигналов каждого из излучающих элементов: по умолчанию сигналы синфазны, однако, если осознанно вносить задержку по фазе, можно изменить форму и направление основного лепестка.

Описанный выше эффект используется в устройствах с технологией формирования луча. Подход к управлению диаграммой направленности делит такие устройства на две большие группы:

• устройства с набором шаблонов диаграммы направленности (в память устройства вносят несколько шаблонов диаграммы направленности, которые, как правило, отличаются азимутом основного лепестка. Взаимодействие с конкретным абонентским устройством подразумевает использование одного из шаблонов, которое лучше всего подходит по заданному критерию. Недостатком подхода является то, что конечный набор шаблонов не всегда позволяет выбрать максимально эффективную диаграмму направленности для клиентского устройства);
• устройства без шаблонов диаграммы направленности (в соответствии с принимаемым от клиентского устройства сигнала, устройство формирует индивидуальную диаграмму направленности, руководствуясь одним из заложенных алгоритмов. Недостатком подхода являются высокие требования к вычислительным ресурсам).

Реализация в устройствах Инфинет

В продуктовом портфеле компании Инфинет устройства, поддерживающие технологию формирования луча, имеют маркировку Qmxb и представляют из себя устройства серии Mmxb, дополненные контролером, управляющим диаграммой направленности антенны.

Устройства серии Qmxb включают 15 встроенных шаблонов диаграмм направленности с шириной главного лепестка 20º, расположенных со смещением 5º друг от друга. Механизм, устанавливающий соответствие между абонентской станцией и шаблоном диаграммы направленности представлен на видео 5. Сектор базовой станции выполняет широковещательную рассылку, последовательно используя каждый из шаблонов. В широковещательном запросе содержится информация о номере шаблона. Абонентская станция, оценивает уровень каждого из полученных сигналов широковещательной рассылки и, выбрав максимальный, отправляет номер шаблона сектору. Получив информацию от абонентской станции, сектор заполняет таблицу соответствия и, при взаимодействии с конкретным клиентским устройством, использует шаблон из сформированной таблицы. Периодически, в ходе работы, сектор инициирует обновление таблицы соответствия, адаптируясь к возможным изменениям внешней среды.

Переход на систему с поддержкой технологии формирования луча не является трудозатратным - достаточно выполнить замену сектора базовой станции, причём может быть использована конфигурация прежнего устройства, т.к. они совместимы между собой, а технология формирования луча не имеет настроек и выполняется прозрачно для пользователей и администраторов сети. Однако, есть два ограничения, которые требуется учитывать:

• для питания устройств серии Qmxb используются блоки питания IDU-BS-G(60W) (входят в комплект поставки);
• устройства серии Qmxb поддерживают только прошивки серии TDMA (характеристики двух типов прошивок представлены в статье TDMA и Polling: особенности применения в беспроводных сетях).

Дополнительные сценарии использования технологии формирования луча

Использование BF с двух сторон.

Мобильные абоненты

Дополнительные материалы:

1. Онлайн-курс "Основа беспроводных сетей"
2. Вебинар "Сектор базовой станции R5000-Qmxb с beamforming-антенной"
3. Вебинар ""Точка-точка" с технологией формирования луча и другие трюки Qmxb"
4. Секторная антенна с технологией формирования луча
5. Спецификация Qmxb/5.300.2x300.2x21