Динамический выбор частоты

Введение

Масштабирование и рост производительности беспроводных систем связи в частотном диапазоне 5 ГГц сопровождался увеличением числа разрешённых частотных каналов за счёт использования каналов, используемых для обмена данными с военными и метеорологическими радарами. Для снижения влияния БШПД-систем на радары, в требования протокола обмена данными были включены требования по детектированию систем радаров и запрету использования этих частот.

Реализация инструмента детектирования радаров сопровождалась внедрением методов сканирования эфира и перехода между частотными каналами. Перечисленные методики были включены в требования к беспроводным системам и получили название динамического выбора частоты (DFS - dynamic frequency selection).

Динамический выбор частоты и обнаружение радаров

Говоря о DFS следует разделять механизмы динамического выбора частоты и обнаружения радаров:

• требования к реализации динамического выбора частоты предусматривают обязательное сканирование доступных частотных каналов и выбора канала с минимальной загрузкой. Таким образом выполняется равномерное распределение беспроводных систем передачи данных по частотному спектру;
• механизм обнаружения радаров подразумевает запрет на использование частотных каналов, на которых обнаружена работа известных систем радаров. Выполнение данного требования позволяет использовать дополнительный частотный ресурс на объектах, вблизи которых отсутствуют радиосистемы радаров, а на остальных объектах избежать влияния беспроводных широкополосных систем передачи данных на военные и научные радиосистемы, используемые государственными структурами.

Регуляторные требования

Требования государственного регулятора к эксплуатации беспроводных систем связи зависит от страны. Две основные организации, сформировавшие требования к реализации в устройствах динамического выбора частоты и обнаружения радаров, федеральная комиссия по связи (FCC) и европейский институт телекоммуникационных стандартов (ETSI).

Требования, предъявляемые FCC и ETSI, отличаются, поэтому, в зависимости от пожеланий клиента, устройства Инфинет могут поставляться с лицензией, соответствующей тому или иному набору требований регулятора.

Важно отметить, что, несмотря на отсутствие требований регулятора, механизм DFS может быть использован в оборудовании Инфинет, работающем в частотном диапазоне, отличном от 5 ГГц.

Принцип работы DFS

Алгоритм динамического выбора частоты состоит из следующих этапов:

1. Включение устройства.
2. Последовательное сканирование частотных каналов. Устройство, в соответствии с установленной частотной сеткой, прослушивает эфир.
   
   1. Для каждого частотного канала фиксируется максимальный уровень сигнала и запоминается в таблицу DFS. Для исключения ложного срабатывания, при оценки уровня сигнала также учитывается его спектральная плотность.
   2. По-умолчанию сканирование на каждом из частотных каналов длится 3 секунды, этот параметр является настраиваемым.
   3. Длительность сканирования зависит от числа каналов в частотной сетке.
3. Анализ таблицы DFS и выбор частотного канала с минимальным уровнем сигнала.
4. Установка центральной частоты выбранного канала в качестве рабочей частоты радиоустройства.
   1. Ассоциация абонентских устройств.
   2. Передача данных.
5. Через 24 часа выполняется повторное сканирование и выбор частоты (пункты 2-4). Пользователь может вручную установить время, в которое устройство будет выполнять сканирование эфира.

Поясним алгоритм динамического выбора частоты на примере (см. видео 1).

Устройства БС и АС установлены и настроены для организации беспроводного канала связи между двумя зданиями, на БС активирована поддержка динамического выбора частоты. После включения, БС начинает выполнять последовательное сканирование доступных частотных каналов, ставя каждому каналу в соответствие зафиксированный уровень сигнала. Устройство формирует следующую таблицу соответствия:

Устройство БС анализирует полученную таблицу и выбирает частотный канал с минимальным значением уровнем сигнала, т.е. канал F3. Центральная частота выбранного канала устанавливается в качестве рабочей.

Устройство АС перебирает список разрешённых частотных каналов, находясь в поиске устройства БС. После обнаружения БС, радиоустройства выполняют ассоциацию, устанавливая канала связи, и начинают обмен данными.

Принцип работы radar detection

Алгоритм обнаружения радаров состоит из следующих этапов:

1. Включение устройства.
2. Последовательное сканирование частотных каналов. Устройство, в соответствии с установленной частотной сеткой, прослушивает эфир.
   1. Сигналы в эфире проверяются на принадлежность известным системам радаров.
   2. По-умолчанию сканирование на каждом из частотных каналов длится 3 секунды, этот параметр является настраиваемым.
   3. Длительность сканирования зависит от числа каналов в частотной сетке.
3. Каналы, на которых зафиксирована деятельность радаров, исключаются из последующего выбора рабочего канала.
   1. Канал исключается из таблицы разрешённых на 30 минут.
4. При следующем сканировании повторяется выполнение процедуры обнаружения радаров (пункты 2-3).
   1. Процедура обнаружения радаров совмещена с механизмом DFS.

Поясним работу механизма обнаружения радаров на примере (см. видео 2).

Устройства БС и АС установлены и настроены для организации беспроводного канала связи между двумя зданиями, на БС активирована поддержка механизма динамического выбора частоты с обнаружением радаров. На соседнем с БС здании установлен метеорологический радар, использующий частотный канал F3.

По аналогии с рассмотренным примером (см. видео 1), после включения БС сканирует доступные частотные каналы, формируя таблицу состояния эфира. Выполняя сканирование на частотном канале F3, БС детектирует работу системы радаров. Несмотря на том, что уровень сигнала в канале F3 ниже, чем в остальных каналах, он исключается из процесса принятия решения. Таким образом, обновлённая таблица выглядит следующим образом и БС устанавливает в качестве рабочей частоту F1:

Instant DFS

Недостатком механизма DFS является отсутствие возможности оперативной оценки радиоэфира и выбора рабочей частоты в соответствии с сложившейся ситуацией. Одним из вариантов решения этой проблемы является увеличение частоты сканирования эфира, однако следует понимать, что время, затрачиваемое на актуализацию информации о радиообстановке, не используется для передачи данных, т.е. производительность системы связи снижается.

В устройствах Инфинет используется фирменная технология InstantDFS, позволяющая получать актуальную информацию о состоянии радиоэфира без разрыва связи.

Принцип работы Instant DFS

Принцип работы InstantDFS схож с рассмотренным алгоритмом работы DFS с несколькими отличиями:

• последовательное сканирование на каналах частотной сетки выполняется постоянно, а не в выделенные моменты времени. Это позволяет устройству оперировать актуальной информацией о загрузке радиоэфира без остановки процесса передачи данных. Для устройств семейств InfiLINK 2x2 и InfiMAN 2x2 это реализуется с помощью дополнительного радиомодуля, для устройств семейств XG и XG1000 - за счёт сканирования эфира во время защитных интервалов (guard interval);
• в случае, если обнаружен частотный канал с лучшими радиопараметрами, переход на другую рабочую частоту выполняется без разрыва процесса передачи данных;
• устройства семейств InfiLINK 2x2 и InfiMAN 2x2 с двумя радиомодулями при включении делят между собой набор частотных каналов, которые необходимо просканировать, поэтому сканирование выполняется в 2 раза быстрее.

Поясним работу фирменной технологии InstantDFS на примере (см. видео 3):

• Устройства БС и АС установлены и настроены для организации беспроводного канала связи между двумя зданиями, на БС активирована поддержка технологии InstantDFS. Первоначальный выбор рабочей частоты соответствует алгоритму DFS (см. видео 1), поэтому считаем, что устройства уже установили канал связи и начали обмен данными.
• На первом этапе, БС выполняет передачу и приём данных в частотном канале F3 и сканирует канал F1. После сканирования, устройство БС актуализирует таблицу состояния радиоэфира. Поскольку наилучшие радиопараметры наблюдаются в частотном канале F3, выбранном в качестве рабочего, то никаких изменений БС не выполняет.
• На втором этапе, БС выполняет передачу и приём данных в частотном канале F3 и сканирует канал F2. Радиообстановка в частотном канале F2 значительно улучшилась: уровень сигнала снизился с -80 dBm до -90 dBm. Теперь наилучшие показатели наблюдаются в канале F2, поэтому БС начинает процесс смены рабочей частоты.
• Для того, чтобы смена частоты была выполнена без перерыва связи, БС формирует широковещательный запрос со служебным сообщением, в котором указывается новая рабочая частота F2. Установка новой рабочей частоты выполняется на БС после отправки широковещательного сообщения, а на АС после получения этого сообщения.
• На третьем этапе, БС выполняет передачу и приём данных в частотном канале F2 и сканирует канал F3. Полученные результаты сканирования не влияют на выбор канала с лучшими радиопараметрами, поэтому обмен данными осуществляется в канале F2. Сканирование циклически повторяется в соответствии с установленной частотной сеткой.

Схемы использования Instant DFS

Устройства с поддержкой InstantDFS могут использоваться в топологиях "точка-точка" и "точка-многоточка". Следует понимать, что результаты сканирования справедливы только для входящего канала передачи данных, поэтому:

• в топологиях "точка-точка" рекомендуется использовать оба устройства с поддержкой технологии InstantDFS. В процессе работы устройства будут обмениваться данными сканирования и решение о выборе частоты будет принято с учётом радиообстановки на двух устройствах;
• если в топологии "точка-точка" нет возможности использовать оба устройства с поддержкой InstantDFS, то устройство с поддержкой InstantDFS необходимо устанавливать в месте сложной радиообстановки;
• в топологиях "точка-многоточка", если нет возможности использовать все устройства с поддержкой InstantDFS, оптимальным вариантом будет установка устройства с InstantDFS в качестве сектора базовой станции.

сюда можно добавить иллюстрации возможных вариантов соединения и более подробно их расписать. не знаю, есть ли в этом смысл.

Поддержка Instant DFS в устройствах Инфинет

Поддержка фирменной технологии InstantDFS реализована в устройствах семейств InfiLINK 2x2 и InfiMAN 2x2 через установку дополнительного радиомодуля. О наличии второго радиомодуля можно судить по наличию строчной буквы "s" в названии устройства, например R5000-Mmxbs/5.300.2x500.2x16.

Среди устройств семейств XG и XG1000 поддержка технологии InstantDFS реализована на всех устройствах.

А что с Octopus? пишем про него?

Дополнительные материалы

1. Настройка DFS в устройствах семейства InfiLINK 2x2 и InfiMAN 2x2 (web / CLI)
2. Онлайн-курс "Предварительная настройка и установка устройств семейств InfiLINK 2x2 и InfiMAN 2x2"
3. Настройка DFS в устройствах семейства XG/XG1000 (web / CLI)
4. Онлайн-курс "Устройства семейства InfiLINK XG"
5. Расшифровка обозначений устройств "Инфинет"