Мікрохвильова система широкосмугового безпроводового доступу umds-pp-mp

Реферат: Мікрохвильова система широкосмугового безпроводового доступу UMDS-PP-MP, що складається із центральної станції (ЦС) та абонентської станції (АС), причому ЦС з'єднується із АС каналами мережі backhaul, які функціонують в неліцензійному терагерцовому діапазоні, доступ до каналу backhaul реалізовано в форматі Wi-Fi, а перетворення діапазону ≈2,4…2,7 ГГц в діапазон 140 ГГц при передачі і 140 ГГц в ≈2,4…2,7 ГГц при прийманні виконується лінійними трактами, до порту маршрутизатора точки доступу підключається канал передачі в форматі прольоту радіорелейної лінії в складі як і канал від ЦС до точки доступу АС, який підключається до кінцевого вузла доступу мережі кінцевих абонентських станцій створюваного прольоту радіоканалу, а кількість таких радіоканалів складає величину, яка визначається при дослідженні зони обслуговування. UA 119146 U (54) МІКРОХВИЛЬОВА СИСТЕМА ШИРОКОСМУГОВОГО БЕЗПРОВОДОВОГО ДОСТУПУ UMDS-PP-MP UA 119146 U UA 119146 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до спеціальної техніки зв'язку, що забезпечує передачу та прийом даних по каналам радіозв'язку. В дійсному технічному рішенні пропонується технологія покриття зони обслуговування послугами широкосмугового доступу до інформаційних ресурсів із використанням неліцензійного частотного діапазону. Вичерпаність ліцензійного частотного ресурсу та стрімке підвищення потреби населення в доступі до інформаційних мереж потребує дослідження використання в мережах доступу неліцензійного частотного ресурсу, зокрема терагерцовому частотному діапазоні. Покриття послугами значної території мережею каналів терагерцового діапазону ускладнюється відсутністю на сьогодні передавальних трактів прийнятної вартості та потрібної потужності і малошумних приймальних трактів. В районних центрах є значна кількість абонентів, територіально дислокованих звичайно в центральній частині міста. Якщо в містах обласних центрів існує досить розвинута оптоволоконна мережа, по якій зазвичай реалізується доступ до інформаційних ресурсів, то в невеликих містах, в районних центрах, та в прилягаючих сільських населених пунктах, де невелика щільність потенційних абонентів, зазвичай відсутні оптоволоконні мережі, по яким може бути реалізований якісний доступ до інформаційних ресурсів. Вичерпаність ліцензійного частотного ресурсу суттєво ускладнює надання таких послуг на вказаних вище територіях. Тому пропонується для абонентського доступу в каналах мережі backhaul використовувати неліцензійний частотний ресурс. В дійсному випаду - терагерцовий діапазон (140 ГГц). Значні втрати енергії сигналу такого частотного діапазону на трасі розповсюдження потребують використання антен із коефіцієнтом підсилення до 50 дБ, в діапазоні біля 140 ГГц створює кут розкриву діаграми спрямованості менше 1°. В технічному рішенні, відображеному в патенті [1] пропонується реалізація доступу в форматі, згідно зі стандартом IEEE 802.11n і з подальшим перенесенням діапазону, в якому використовуються програмно-апаратні засоби Wi-Fi в терагерцовому діапазоні - 140 ГГц. Приймальні та передавальні лінійні тракти забезпечують перенесення частотного діапазону із виходу модему біля 2,7 ГГц в діапазон ≈140 ГГц і понижують частоту із ≈140 ГГц в ≈2,7 ГГц на прийманні. Центральна (ЦС) та абонентські станції з'єднуються каналами мережі back haul в терагерцовому діапазоні (в даному випадку ≈140 ГГц). Як АС використовується вузол доступу Wi-Fi, до якого підключені приймально-передавальні антени та лінійні тракти АС. Технічним рішенням корисної моделі UMDS-Mesh [2] розширення зони обслуговування (ЗО) точки доступу реалізується створенням однорангової мережі Mesh, доступ до якої надається через вузлову точку доступу, яка може входити до складу АС. Недоліком такого технічного рішення є недостатній розмір ЗО. Вказані вище технічні рішення вибрані як аналоги. Збільшення довжини каналу мережі backhaul реалізуються в системі-прототипі [3]. Мікрохвильова система широкосмугового безпроводового доступу UMDS-PP [3], що складається із центральної станції (ЦС) та абонентської станції (АС), причому ЦС містить приймально-передавальні блоки, які підключені до маршрутизатора по інтерфейсу Ethernet для передачі в магістральну мережу запитного потоку від АС чи приймання від інформаційної мережі інформації, яка передається до АС по каналам мережі backhaul, а вихід передавального тракту і вхід приймального підключаються до передавальних та приймальних трактів відповідно, та блоків обробки сигналів на базі формувача ЦС, приймально-передавальні блоки якого будуються на базі формувача інформаційного потоку, який містить n складових потоків, згідно зі стандартом 802.11n, із яких створено m мультиплексів, що включають в себе приймальні та передавальні лінійні тракти, в яких реалізується перетворення частоти та підсилення потужності і до яких підключено m приймальних та m передавальних антен, які обслуговують наданням інформаційного ресурсу створеними формувачем мультиплексами відповідні ділянки зони покриття, а АС представляють собою вузли доступу Wi-Fi, які створюють локальні комп'ютерні мережі, що обслуговуються відповідним мультиплексом і до яких підключені лінійні тракти та приймально-передавальні антени, а до складу системи вводиться абонентська станція в складі якої як точка транзитного з'єднання використовується вузлова (транзитна) точка доступу, до якої підключаються вузли доступу мережі Mesh. До абонентської точки доступу мережі Mesh підключається створений на базі технології радіорелейного прольоту канал передачі, який включає в себе приймально-передавальний блок, що підключається до точки доступу мережі Mesh і складається із приймальних та передавальних трактів, що включають в себе приймальні та передавальні радіомодулі на базі 1 UA 119146 U 5 10 15 20 25 30 35 Mikrotik R52nM, приймальні та передавальні лінійні тракти, якими реалізується перенесення частотного діапазону, який використовується в мережі Wi-Fi в терагерцовий частотний діапазон, формування потоку та узгодження вузлів створеного радіоканалу, а приймально-передавальний блок прикінцевої станції створеного радіоканалу такий же як і АС мережі Wi-Fi такого ж розміру потоку. Канал передачі, згідно з технічним рішенням прототипу, проілюстрований на Фіг. 1. Умовні позначення креслення: 1 - абонентська точка доступу; 2 - вхідний радіомодуль Mikrotik R52nM приймального тракту; 3 - вихідний радіомодуль Mikrotik R52nM передавального тракту; 4 - проміжний радіомодуль Mikrotik R52nM передавального тракту; 5 - проміжний радіомодуль Mikrotik R52nM приймального тракту; 6 - лінійний тракт приймального тракту; 7 - лінійний тракт передавального тракту; 8 - розподілювач приймальних та передавальних потоків; 9 - приймально-передавальна антена; 10 - кінцевий вузол доступу мережі кінцевих АС створюваного прольоту радіоканалу. Вказаний канал передачі складається із: - вхідного радіомодуля передавального тракту 2, вихідного радіомодуля приймального тракту 3. Ці радіомодулі створені на базі чипів Mikrotik R52nM; - ці радіомодулі є аналоговими портами, які підключаються до абонентського вузла доступу, а цифровими портами до цифрових портів двох інших проміжних чипів Mikrotik R52nM 4 та 5 передавального та приймального трактів; - проміжні радіомодулі 4 та 5 цифровими портами підключені до цифрових портів 2 і 3; - аналогового порту чипа передавального тракту 4, до якого підключений передавальний лінійний такт 6, який підвищує частоту до терагерцового діапазону із діапазон біля 2,7 ГГц та формує потік в передавальному тракті; - аналогового порту чипа приймального тракту 7, до якого підключений приймальний лінійний тракт 7, який понижує частоту потоку із терагерцового діапазону до діапазону 2,7 ГГц; - частоти передавального та приймального потоків, які рознесені по частоті. Для доступу таких потоків до однієї приймально-передавальної антени вони розділяються розподілювачем приймальних та передавальних потоків 8; - приймального та передавального потоку (передавальний - подається, а прийнятий надходить) підключаються до приймально-передавальної антени 9; - антени 9, яка передає запрошений потік в кінцевий вузол доступу мережі кінцевих абонентських станцій створюваного прольоту радіоканалу 10; - позначення а та ц на Фіг. 1 - аналоговий та цифровий порти радіомодуля 2, 3, 4, 5; каналу зв'язку абонентської точки доступу 1 із приймальним та передавальними трактами; 40 45 50 55 60 - каналу зв'язку передавального та приймального тракту із прикінцевим вузлом доступу мережі кінцевих абонентських станцій створюваного прольоту радіоканалу. Структура приймального тракту прикінцевого вузла доступу створеного прольоту і каналу передачі від антени 9 до вузла 10 співпадає із структурою абонентського вузла доступу системи-аналога. Недоліком системи-прототипу UMDS-PP [3] є малий розмір зони покриття, який обмежується розміром зони обслуговування точки доступу, яка як абонентська станція підключена до кінцевого вузла доступу мережі кінцевих абонентських станцій створюваного прольоту радіоканалу. При використанні антен із коефіцієнтом підсилення 50 дБ на частоті ≈140 ГГц розмір зони покриття променем антени на відстані біля 10 км практично буде такий же як розмір зони обслуговування при стандарті 802.11n. Тобто, радіус зони складе біля 170…200 м при відсутності завад на трасі розповсюдження. Також недоліком системи-аналога UMDS-PP [3] є недостатня кількість кінцевих вузлів доступу мережі кінцевих АС створюваного прольоту радіоканалу. Оскільки розглядається покриття послугами жителів територій, де відсутні розвинуті швидкісні проводові мережі надання послуг (наприклад центральна станція дислокується в районному центрі і обслуговується прилягаюча територія), то щільність абонентів низька і вони можуть дислокуватися на відстані один від одного до 1…1,5 км і більше. В цьому випадку розширення зони обслуговування створенням мереж Mesh виявляється неефективним як з точки зору економіки, так із точки зору енергетики. Потреба в швидкості інформаційного ресурсу різних сусідніх абонентських мереж також суттєво відрізняється. Тобто, надавши до однієї АС 2 UA 119146 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 потік 150 Мбіт/с такий потік може бути ефективно використаний користувачами на території радіусом 150 м до 15 % (якщо на цій території обслуговувати 10 абонентів, надаючи кожному по 2 Мбіт/с) і значна частина ресурсу залишається неефективною. Як вказано вище створення більшої зони обслуговування в даному випадку неефективне або і технічно недоцільно. В дійсному технічному рішенні вказаний недолік компенсується підключенням до маршрутизатора абонентської точки доступу кількох прольотів радіоканалу. Потрібна кількість створених радіоліній, а, значить, використаних цифрових портів маршрутизатора визначається по результатам дослідження зони обслуговування. Функції інших вузлів співпадають із вузлами, показними в технічному рішенні UMDS-PP [3]. Таке технічне рішення дозволяє підключити до обслуговування територіально відділені абонентські мережі та підвищити ефективність використання інформаційного ресурсу. Суть корисної моделі пояснюється схемою (кресленням) системи каналів передачі, показаною на Фіг. 2. В цьому технічному рішенні 2, 3… n канали створеної радіолінії аналогічно як в [3] для зв'язку абонентської точки доступу 1 із кінцевим вузлом доступу мережі кінцевих абонентських станцій створюваних прольотів радіоканалу. Створені канали передачі направлені в сторони виявлених абонентських мереж і кожен із них підтримує один кінцевий вузол доступу мережі кінцевих абонентських станцій створеного прольоту радіоканалу. За допомогою маршрутизатора точки доступу сумарний інформаційний потік розподіляється між створеними каналами. Так при наданні в кожну абонентську мережу по 20 Мбіт/с то сумарний потік 150 Мбіт/с можна передати по 7 каналам із сумарним запасом 10 Мбіт/с. Цей запас може бути використаний для регулювання якості передачі кожного із створених каналів, або для підвищення швидкості потоку до інших мереж, підключених до точки доступу UMDS-Mesh. Кількість створюваних потоків, їх направленість визначаються по результатам дослідження території обслуговування. У процесі розгортання такої системи каналів передачі терагерцового діапазону одне з основних місць займає розподіл канального і часового ресурсу між окремими каналами системи бездротового зв'язку, що обумовлено зміною якісних і кількісних характеристик трафіку. Особливістю таких радіосистем є те, що доступ до каналів передачі організовується за запитом, переданим передавальною стороною у службовому повідомлені. Іншими словами, маршрутизатор абонентської точки формує розклад можливих передач, тобто виробляє прогнозування канально-тимчасового ресурсу, що призводить до наступних негативних наслідків: - змагальність у передачі даних між окремими напрямками; - неоптимальне використання канально-часового ресурсу. Отже, виникає завдання оптимізації прогнозування канально-часового ресурсу в системах даного типу. Необхідність економії канально-часового ресурсу забезпечує підвищення якісних характеристик передачі і прийому сигналів. Однак, слід зазначити також і складність вирішення такого задачі, яка обумовлена відсутністю досить ефективних алгоритмів її рішення. Найбільш ефективним способом прогнозування канально-часових ресурсів є алгоритми теорії послідовних рішень [4], динамічного програмування Беллмана [5], наближений "евристичний" метод Боксу [6]. Головний недолік останнього полягає в малій вивченості питання збіжності запропонованого алгоритму. Перші два методи не завжди дозволяють отримати точне рішення, що надається для здійснення прогнозування ресурсів мережі бездротового зв'язку, побудованого за даним типом. Тому автори задачу прогнозування канально-часових ресурсів для даного технічного рішення вирішили як оптимізаційну задачу із залученням математичного апарату методу лінійного програмування [7, 8]. Мікрохвильова система широкосмугового безпроводового доступу UMDS-PP-MP працює наступним чином: - запит від станції абонентської мережі, підключеної до прикінцевого вузла доступу мережі кінцевих абонентських станцій створеної радіолінії 10 подається по каналу зв'язку передавального тракту створеної радіолінії до вузла доступу мережі UMDS-Mesh 1 і приймається приймально-передавальною антеною мережі UMDS-Mesh. Від вузла доступу мережі UMDS-Mesh засобами цієї мережі запит подається до ЦС мережі і надходить до станції оператора магістральної інформаційної мережі. Запрошена інформація по каналах мережі UMDS-Mesh надходить до вузла доступу, звідки надійшов запит і по передавальному каналу із вузла доступу мережі UMDS-Mesh за допомогою маршрутизатора IP-пакети, згідно із вказаними в них адресах, надходять на вхід радіолінії, до якої адресований даний IP-пакет. Таким чином інформація по створеній радіолінії в форматі 3 UA 119146 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 802.11n надходить на приймальний тракт підключеного блока і інформаційний сигнал в терагерцовому діапазоні подається на вхід АС (вузла доступу) створеної радіолінії. Отримана інформація переноситься в діапазон, що використовується форматом 802.11n, маршрутизується засобами вказаного вузла доступу і передається на вхід АС, звідки надійшов запит. Система використовує неліцензійний (терагерцовий) частотний діапазон в каналах мережі backhaul і не є критичною до реалізації режиму прямої видимості. Перенесення частотного діапазону в неліцензійний та назад реалізується лінійними трактами мережі backhaul. Використання неліцензійного частотного діапазону в каналах мережі backhaul, що понижує вартість послуг, спрощує процедуру отримання дозволу та знімає дефіцит частотного ресурсу. Склад та структура АС, до якої підключається створений канал передачі аналогічний абонентському вузлу доступу системи прототипу. Лінійні передавальні тракти забезпечують рівень сигналу на виході передавального тракту та перенесення частоти в використовуваний частотний діапазон. Лінійні приймальні тракти забезпечують перенесення частоти в діапазон модемного обладнання та реалізацію потрібного рівня сигналу на вході приймального модемного блока. Об'єднання або розподіл приймальних та передавальних потоків реалізується розподілювачем приймальних та передавальних потоків. Приймально-передавальна антена випромінює сигнал на трасу розповсюдження чи отримує сигнал із траси розповсюдження. Підключення каналу по цифровому порту реалізується для мінімізації накопичування шуму в каналі та обслуговувати абонентські мережі, дислоковані на різних сторонах каналу передачі навіть одним інформаційним потоком при невеликій потребі в послугах абонентів. Таким чином, збільшується відстань до віддаленої абонентської мережі в кілька разів в залежності від співвідношення інформаційних потоків на вході вузла доступу мережі UMDSMesh [2], збільшується кількість точок доступу, дислокованих на територіях, рознесених на відстань суттєво більшу розміру зони покриття однієї точки. Крім цього, алгоритм прогнозування канального та часового ресурсів [8] даного технічного рішення дозволяє додатково поліпшити структуру мережі, підвищити швидкість обробки інформації та в цілому підвищити інформаційну ємність всієї мережі бездротового зв'язку. Джерела інформації: 1. Патент України на корисну модель № 109005 Україна, Н04В 7/00. Мікрохвильова система широкосмугового бездротового доступу з підвищеною щільністю покриття зони обслуговування UMDS-TH / Наритник Т.М., Казіміренко В.Я., Сайко В.Г., Бреславський В.О., Єрмаков А.В. Заявник і патентовласник НТУУ "КПІ"; заявл.05.02.2016; опубл. 10.08.2016 // Бюл. № 15. 2. Патент України на корисну модель № 110181 Україна, Н04В 7/165. Мікрохвильова система широкосмугового безпроводового доступу UMDS-Mesh / Наритник Т.М., Сайко В.Г., Казіміренко В.Я., Поршнєв В.Л., Лисенко Д.О., Єрмаков А.В. Заявник і патентовласник НТУУ "КПІ"; заявл.08.04.2016; опубл. 26.09.2016 // Бюл. № 18. 3. Патент України на корисну модель № 114590 Україна, Н04В 7/165. Мікрохвильова система широкосмугового доступу UMDS-PP / Наритник Т.М., Сайко В.Г., Казіміренко В.Я., Дакова Л.В., Єрмаков А.В. Заявник і патентовласник НТУУ "КПІ"; заявл. 30.09.2016; опубл. 10.03.2017 // Бюл. № 5. 4. Сосулин Ю.Г., Фишман М.М. Теория последовательных решений и ее приложения. - М.: Радио и связь, 1986. - 272 с. 5. Беллман Р. Прикладные задачи динамического проектирования. Под редакцией А.А. Первозванского. - М.: Наука. Главная редакция Физико-математической литературы, 1965. - 460 с. 6. Box F. A heuristic Technique for Assigning Frequencies to Mobile radio Networks // IEEE Transaction on Vehicular Technology, VT-27(2) - 1978. - Р. 57-64. 7. Вентцель Е.С. Исследование операций: задачи, принципы, методология. - М.: Дрофа, 2006. - 206 с. 8. Сайко В.Г. Канал широкосмугового радіодоступу в терагерцовому діапазоні для радіосистем виявлення прихованих об'єктів / Сайко В.Г., Казіміренко В.Я., Грищенко Л.М., Кравченко В.І. // Сучасний захист інформації. - 2017. - № 2. - С. 11-17. 55 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 60 1. Мікрохвильова система широкосмугового безпроводового доступу UMDS-PP-MP, що складається із центральної станції (ЦС) та абонентської станції (АС), причому ЦС з'єднується із АС каналами мережі backhaul, які функціонують в неліцензійному терагерцовому діапазоні, 4 UA 119146 U 5 10 доступ до каналу backhaul реалізовано в форматі Wi-Fi, а перетворення діапазону ≈2,4…2,7 ГГц в діапазон 140 ГГц при передачі і 140 ГГц в ≈2,4…2,7 ГГц при прийманні виконується лінійними трактами, до порту маршрутизатора точки доступу підключається канал передачі в форматі прольоту радіорелейної лінії в складі як і канал від ЦС до точки доступу АС, який підключається до кінцевого вузла доступу мережі кінцевих абонентських станцій створюваного прольоту радіоканалу, яка відрізняється тим, що кількість таких радіоканалів складає величину, яка визначається при дослідженні зони обслуговування. 2. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що кінцеві вузли доступу, до яких підключаються створені канали передачі територіально рознесені і можуть дислокуватися в різних об'єктах чи в різних населених пунктах. 3. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що в маршрутизаторі абонентської точки доступу застосовано алгоритм канального та часового прогнозування ресурсів. Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5