Широкое распространение систем беспроводного широкополосного доступа создало ряд проблем, препятствующих эффективной эксплуатации существующих систем и масштабированию беспроводных сетей. В рамках этой статьи будут рассмотрены две основные проблемы:
Диаграмма направленности антенн 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, представлен на видеоролике 1.
Сектор базовой станции последовательно взаимодействует с абонентскими устройствами, причём обмен данными является двунаправленным: сектор передаёт данные абонентскому устройству 1, и, дождавшись от него ответа, выполняет обмен данными с третьим и вторым абонентами. Сообщения, передаваемые в нисходящем канале, от базовой станции к абоненту, принимаются всеми абонентскими устройствами, независимо от получателя, т.е. при передаче сообщения абонентскому устройству 1 его получат абонентские устройства 2 и 3, но не будут обрабатывать.
Видеоролик 1 - Пример работы системы без технологии формирования луча |
Такой подход имеет несколько недостатков:
На видеоролике 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 главный лепесток диаграммы направленности антенны сектора будет оказывать влияние на работу всей системы.
Видеоролик 2 - Пример влияние локальной помехи на сектор системы без технологии формирования луча |
Одним из методов решения обозначенных выше проблем является использование антенн с поддержкой технологии формирования луча (beamforming).
Технология формирования луча заключается в возможности управления диаграммой направленности антенны, т.е. антенна, в зависимости от сложившейся ситуации, сужает ширину основного лепестка диаграммы направленности и ориентирует его в необходимую сторону. Таким образом, для каждого из абонентских устройств может быть сформирована своя диаграмма направленности и при передаче данных этого абонента будет использована индивидуальная конфигурация. Следует отметить, что выбранная диаграмма направленности будет использовать при двунаправленной обмене, т.е. как на приём, так и на передачу.
Пример с тремя абонентами, подключенными к одному сектору, поддерживающему технологию формирования луча, представлен на видеоролике 3. Как можно заметить, сравнительно с обычной антенной, ширина диаграммы направленности антенны сектора стала уже и, выполняется переориентация основного лепестка в сторону абонентского устройства.
Видеоролик 3 - Пример использования сектора с технологией формирования луча |
Среди преимуществ устройств с поддержкой технологии формирования луча можно выделить следующие:
Рисунок 1 - Сравнение диаграммы направленности сектора с поддержкой технологии формирования луча и её отсутствием |
Видеоролик 4 - Пример влияния локальной помехи на сектор системы с технологией формирования луча |
Современные устройства включают в себя несколько излучателей. Одной из конструкций, используемой в современной радиосвязи, является фазированная антенная решётка (см. рисунок 2), представляющая из себя матрицу проводящих элементов. Их форма и взаимное расположение 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.
Рисунок 2 - Пример макета фазированной антенной решётки |
Описанный выше эффект используется в устройствах с технологией формирования луча. Подход к управлению диаграммой направленности делит такие устройства на две большие группы:
В продуктовом портфеле компании Инфинет технология формирования луча реализована в моделях секторов базовых станций R5000-Qmxb, входящих в семейство систем "точка-многоточка" InfiMAN 2x2 и секторов базовых станций E5-BSQ, входящих в семейство InfiMAN Evolution.
Интегрированная антенна устройств R5000-Qmxb и E5-BSQ включает в себя 15 встроенных шаблонов диаграмм направленности с шириной главного лепестка 20º (коэффициент усиления 21 дБ), расположенных со смещением 5º друг от друга и один шаблон с шириной лепестка 90º (коэффициент усиления 15 дБ). В зависимости от выбранного шаблона диаграммы направленности устройство может работать в двух режимах:
Видеоролик 5 демонстрирует работу механизма, установления соответствия между абонентской станцией и шаблоном диаграммы направленности. Сектор базовой станции выполняет рассылку запросов, адресованных всем абонентским станциям, последовательно используя каждый из узконаправленных шаблонов диаграммы направленности. В запросе содержится информация о номере шаблона. Абонентская станция оценивает уровень каждого из полученных сигналов 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.
Видеоролик 5 - Механизм выбора шаблона диаграммы направленности для абонентского устройства |
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 требует настройки и выполняется прозрачно для пользователей и администраторов сети. Замену абонентских устройств производить не нужно - устройства совместимы между собой. Однако, есть два ограничения, которые требуется учитывать:
Рассмотренные достоинства технологии формирования луча могут быть использованы в мобильных беспроводных системах связи. Подвижный характер абонентской или базовой станции оказывает сильное влияние на параметры канала связи, которые могут быть нивелированы с помощью использования устройств с технологией формирования луча. При использовании подобных устройств диаграмма направленности будет адаптироваться к изменениям внешней среды, пытаясь сохранить радиопараметры канала связи на максимальном уровне.
Следует иметь в виду, что реализация подобных проектов является нетривиальной задачей, требующей нестандартного подхода и смекалки. Одним из вариантов решения может быть использование устройств с технологией формирования луча на клиентской стороне, либо как на стороне абонента, так и на стороне базовой станции.
