Dynamic frequency selection

Introduction

Scaling and increasing the performance of wireless communication systems in the 5 GHz frequency range required an increase in the allowed frequency channels number by using channels for military and meteorological radars data transmission. To reduce the impact of wireless broadband systems on radars, the data exchange protocol included requirements for detecting radar and immediately leaving the frequency it operates.

The radar detection mechanisms implementation was connected with the air scanning methods and transition between frequency channels. These methods were included in the requirements for wireless systems and were called dynamic frequency selection (DFS).

Dynamic frequency selection and radar detection

It is necessary to separate the mechanisms of dynamic frequency selection and radar detection:

• The dynamic frequency selection implementation require the available frequency channels scanning and the selection of the least noisy channel. Thus, the wireless data transmission systems distribution over the frequency spectrum is performed.
• A radar detection mechanism is necessary to a ban the use of frequency channels that radars operate on. Thus, the DFS technology retains the possibility of using such channels by broadband systems, in case they are immediately released when radar operation is detected.

Regulatory requirements

Regulatory requirements for wireless communication systems vary by country. The most common requirements for the implementation of dynamic frequency selection and radar detection in devices, were formed by the Federal Communications Commission (FCC) and the European Telecommunications Standards Institute (ETSI).

The limitations in InfiNet devices can be performed by the license which includes the set of frequencies used in the configuration and the presence of the radar detection option. A license may be issued in accordance with the regulations for a particular territory.

Принцип работы DFS

Алгоритм динамического выбора частоты состоит из следующих этапов:

1. Включение устройства.
2. Последовательное сканирование каналов в соответствии с частотной сеткой. Результатом сканирования является заполненная таблица DFS, в которой каждому каналу соответствует уровень обнаруженного сигнала, являющегося помехой для устройства.
   
   1. Для каждого частотного канала запоминается максимальный уровень сигнала и фиксируется в таблице DFS. Для исключения ложного срабатывания, при оценке уровня сигнала, также учитывается его спектральная плотность.
   2. По умолчанию длительность сканирование на каждом из частотных каналов составляет 3 секунды, этот параметр является настраиваемым.
   3. Общая продолжительность 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 центральной частоты беспроводного устройства.
   1. Установление канала связи с абонентскими устройствами.
   2. Передача данных.
5. Через 24 часа выполняется повторное сканирование и выбор частоты (пункты 2-4). Пользователь может вручную установить время повторного сканирование эфира.

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

Сектор базовой станции (БС) и абонентская станция (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, фиксируя в таблице DFS соответствие зафиксированного уровня сигнала. Таблица принимает следующий вид:

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

Смена центральной частоты приводит к разрыву беспроводного соединения. Устройство АС начинает перебирать список разрешённых частотных каналов, находясь в поиске устройства БС. После обнаружения БС, беспроводные устройства выполняют ассоциацию, устанавливая канал связи, после чего возобновляется обмен данными.

Принцип обнаружения радаров

Работа алгоритма обнаружения радаров может быть описана следующими этапами:

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 радарам.
   2. По умолчанию длительность сканирование на каждом из частотных каналов составляет 3 секунды, этот параметр является настраиваемым.
   3. Общая продолжительность сканирования зависит от числа каналов в частотной сетке.
3. Частотные каналы, на которых была зафиксирована работа радаров, помечаются как недоступные для использования в качестве рабочего.
   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 выполняется одновременно с работой механизма DFS.

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

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. видеоролик 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 своевременного изменения рабочей частоты при изменении обстановки в эфире. 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 Instant DFS, позволяющая получать актуальную информацию о состоянии радиоэфира без разрыва связи.

Принцип работы Instant DFS

Принцип работы Instant DFS схож с рассмотренным алгоритмом работы DFS, но имеет следующие отличия:

• Последовательное сканирование каналов 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 семейства InfiLINK XG - за счёт сканирования эфира в течение защитных интервалов (guard interval).
• В случае обнаружения более свободного частотного канала, переход на другую рабочую частоту выполняется без прерывания процесса передачи данных.
• Устройства семейств InfiLINK 2x2 и InfiMAN 2x2 с двумя радиомодулями при включении распределяют между собой набор частотных каналов, которые необходимо просканировать, поэтому сканирование выполняется в 2 раза быстрее.

Поясним работу фирменной технологии Instant DFS на примере (см. видеоролик 3):

• Устройства БС и АС установлены и настроены для организации беспроводного канала связи между двумя зданиями, на БС активирована поддержка технологии Instant DFS. Первоначальный выбор рабочей частоты соответствует алгоритму DFS (см. видеоролик 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 завершения сканирования устройство БС актуализирует таблицу состояния радиоэфира. Поскольку наиболее свободным от помех является канал F3, который используется 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. Помеховая обстановка в частотном канале F2 значительно улучшилась: уровень сигнала снизился с -80 дБм до -90 дБм. Теперь наилучшие показатели наблюдаются в канале F2, поэтому БС начинает процесс смены рабочей частоты.
• Для того, чтобы смена частоты была выполнена без разрыва 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 приводят к изменению рабочей частоты, поэтому обмен данными осуществляется в канале F2. Сканирование циклически повторяется в соответствии с установленной частотной сеткой.

Схемы использования Instant DFS

Устройства с поддержкой Instant DFS могут использоваться в топологиях "точка-точка" и "точка-многоточка". Следует понимать, что результаты сканирования справедливы только для принимаемого сигнала, поэтому:

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

Поддержка Instant DFS в устройствах Инфинет

Поддержка фирменной технологии Instant DFS реализована в устройствах семейств InfiLINK 2x2 и InfiMAN 2x2, функционирующих в частотном диапазоне 5 ГГц, 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 семейства InfiLINK XG поддержка технологии Instant DFS реализована на всех устройствах, функционирующих в частотном диапазоне 5 ГГц.

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 (web / CLI)
4. Онлайн-курс "Устройства семейства InfiLINK XG"
5. Расшифровка обозначений устройств "Инфинет"