The wireless broadband access systems wide spread has caused a number of problems that impede the existing systems efficient operation and the scaling of wireless networks. Within this article two main problems will be reviewed:
The antenna's radiation pattern without beamforming technology support is fixed and cannot be changed during data transfer. An example of the base station sector with three subscriber devices is shown in the video 1.
The base station sector consistently exchange data with the subscriber devices bidirectionally: the sector transmits data to the subscriber device 1, waiting for a response from it, then performs data exchange with the third and second subscribers. Downlink messages transmitted from the base station to the subscriber are received by all subscriber devices, regardless of the recipient, i.e. message sended to subscriber device 1, will be received by subscriber devices 2 and 3, but will not be processed.
Video 1 - System without a beamforming technology operation |
This approach has several disadvantages:
Video 2 shows the operation of the base station sector with three subscribers, under the local interference conditions. At time intervals allocated for uplink data transmission, the sector receives the sum of the subscriber signal and interference. In case of high interference level, the sector cannot separate the useful subscriber component from the sum of received signals and the data transmission must be repeated. It will take extra time, i.e. system resources will be used inefficiently. Note that the interference signal in the sector coverage area affects the operation of all subscribers, since the wide radiation pattern main lobe does not allow selective spatial suppression. In other words, any signal into the main lobe of the sector radiation pattern will influence the entire system operation.
Video 2 - A local interference influence on a sector without beamforming technology. |
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.
Интегрированная антенна устройства R5000-Qmxb включают в себя 15 встроенных шаблонов диаграмм направленности с шириной главного лепестка 20º (коэффициент усиления 21 dBi), расположенных со смещением 5º друг от друга и один шаблон с шириной лепестка 90º (коэффициент усиления 15 dBi). 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.
