Мікрохвильова інформаційна система надання послуг передачі даних із використанням терагерцового діапазону

Реферат: Мікрохвильова інтегрована телерадіоінформаційна система мультисервісного радіодоступу, що складається із приймально-передавальних центральної та абонентських станцій, що містять приймальні та передавальні антени, лінійні тракти та блоки обробки сигналів, як блок обробки даних використовується спеціально створений формувач групового потоку, де використовується багаточастотна модуляція OFDM, підключений до приймальних та передавальних трактів центральної (ЦС) та абонентської станцій (АС), до складу системи введено по меншій мірі один канал передачі даних від ЦС до вузла доступу Wi-Fi в форматі WiFi, в якому до складу вузла доступу введено приймальну та передавальну антени, приймальний та передавальний лінійні тракти, що включають перетворювач частоти із робочого діапазону формувача в терагерцовий діапазон в передавальному тракті та із терагерцового діапазону в робочий діапазон формувача, приймач та передавач на базі роутерів, що підтримують стандарт 802.11n (приймально-передавальний формувач інформаційного потоку в прийнятній конфігурації), а до складу ЦС введений блок, що базується на приймально-передавальному формувачі інформаційного потоку в максимальній конфігурації і виконує функції модему та блока кодування/декодування, що забезпечує обмін даними із АС, а інформаційний потік отримує по каналах опорної мережі backhaul із зовнішньої інформаційної мережі по порту Ethernet. До складу абонентської станції входить вузол доступу Wi-Fi, який є каналоутворюючим вузлом в абонентській мережі і за допомогою каналів мережі backhaul підключається до глобальної інформаційної мережі, входять канали інших служб, частотний діапазон в яких може відрізнятися від терагерцового діапазону для реалізації обслуговування гетерогенної зони, а вузол доступу Wi-Fi є базою апаратури обробки АС. UA 97537 U (54) МІКРОХВИЛЬОВА ІНФОРМАЦІЙНА СИСТЕМА НАДАННЯ ПОСЛУГ ПЕРЕДАЧІ ДАНИХ ІЗ ВИКОРИСТАННЯМ ТЕРАГЕРЦОВОГО ДІАПАЗОНУ UA 97537 U UA 97537 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 каналах радіозв'язку. У сучасному світі постійно зростає потреба в реалізації безпроводових широкосмугових каналів передачі даних із високою пропускною здатністю при прийнятній якості - високих спектральних та енергетичних характеристиках. Ця потреба викликається появою нових комунікаційних служб, наприклад телебачення надвисокої чіткості та інших, вичерпаністю частотного ресурсу, обмеженістю як смуги пропускання ліній, так і потужності в каналі зв'язку, зокрема в ліцензійних діапазонах сучасних радіорелейних ліній зв'язку. Суттєво впливають також економічні фактори, для мінімізації яких потрібно максимально знижувати вартість обладнання ліній та по можливості уникати використання ліцензійних частотних діапазонів. Канали передачі даних звичайно включають в себе прикінцеві приймально-передавальні комплекси, що дислокуються на краях лінії передачі. Між ними можуть розміщуватися проміжні, вузлові та інші станції. Сукупність каналів передачі, по яких здійснюється доступ абонентських комп'ютерів до інформаційної мережі (глобальна мережа) являє собою абонентську мережу. Канали, що зв'язують глобальну мережу із абонентською (так звана середня миля) створюють мережу каналів backhaul, за допомогою яких реалізується доведення інформації від глобальної до абонентської мережі. Наявність на сьогодні значного числа різних мереж та служб, що надаються абонентам, призводить до створення гетерогенних мереж, що суттєво ускладнює реалізацію якісної передачі. Факторами, що впливають на якість передачі, зокрема, є недостатність частотного ресурсу (недостатня ширина смуги частот, що надається, взаємний вплив каналів зв'язку, вичерпаність частотного ресурсу), значна вартість використання ліцензованого ресурсу та інші. Крім того на якість обслуговування впливають: - щільність дислокації абонентів, яка постійно підвищується - постійне підвищення вимог до трафіку (об'єму та видів) інформаційного обміну, що також потребує - -підвищення швидкості передачі, збільшення використаного частотного ресурсу. - відсутність прямої видимості до головної станції backhaul, що також погіршує якість передачі, а іноді робить передачу взагалі неможливою. Для зменшення впливу вказаних факторів запропоновані аналоги. До них відносять: 1. Використання для передачі даних системи мультисервісного доступу із одночастотною модуляцією в каналі [1], де використовується передача в прямому каналі по стандарту DVB-S, а в зворотному - модифікований протокол на базі DVB-S. Недоліками є: значна витрата частотного ресурсу при покритті територій значних розмірів при високій щільності дислокації абонентів та при високих вимогах до пропускної здатності, що надається одному абоненту; недостатня пропускна здатність прямого та зворотного каналу; використання вичерпаного частотного ресурсу; значна вартість послуги на одного абонента через складність утворення локальної проводової мережі для підключення багатьох абонентів до одної абонентської станції (АС), зокрема в умовах сільської місцевості, і значних витрат на створення прямої видимості до антени центральної "станції (ЦС), так як кожен абонент повинен оплачувати АС, щоглу для установки зовнішнього блока АС, сплачувати вартість інформаційних послуг (трафік та інше). 2. Сумісне використання в зоні обслуговування каналів із одночастотною модуляцією для обслуговування території із сільською забудовою та по протоколу 802.16 (WiMax) території із приміською та міською забудовою[2]. Відмітимо, що використання одночастотної модуляції дозволяє отримати досить значну дальність при недостатній пропускній здатності в прямому та зворотному каналах або при збільшенні пропускної здатності суттєво понижується дальність. При цьому пропускної здатності звичайно не вистачає для повного обслуговування абонентів. Абонентські комп'ютери абонентської станції в таких системах підключаються до вузла доступу по проводовій локальній мережі, що, як правило, нереально при обслуговуванні однією АС значної території, наприклад в сільській місцевості. Зовнішній блок повинен розташовуватися на високій щоглі для забезпечення прямої видимості на центральну станцію (ЦС), що суттєво підвищує вартість, що приходиться на одного абонента. Тому недоліками такого аналога є: 1 UA 97537 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 значна витрата частотного ресурсу при покритті територій значних розмірів; недостатня пропускна здатність опорного каналу; використання вичерпаного частотного ресурсу; значна вартість послуги на одного абонента. 3. Для створення безпроводової локальної мережі використовується технологія Wi-Fi (протокол 802.11) [3]. При цьому опорна мережа створюється на каналах із одночастотною модуляцією, а абонентська мережа створюється безпроводовою локальною мережею із використанням технології Wi-Fi. Для обслуговування хот-споку чи хот-зони при відсутності прямої видимості на трасі абонентський комп'ютер - ЦС обслуговування реалізується через вузол доступу, який підключається по порту Ethernet до порту АС, а до вузла доступу безпроводовими каналами підключаються абонентські комп'ютери. До головних недоліків такого аналогу слід віднести: значну витрату частотного ресурсу; недостатню пропускну здатність опорного каналу; використання вичерпаного частотного ресурсу; значна вартість послуги на одного абонента. 4. Формувач потоку в стандарті Wi-Fi із підвищеною пропускною здатністю [4]. Створений для вирішення наступних основних задач (компенсації вказаних в пп. 1, 2, 3 недоліків): підвищення пропускної здатності каналів передачі, що використовуються в різних системах доступу; підвищення ефективності використання неліцензійного частотного діапазону в терагерцовому діапазоні; підвищення щільності дислокації обслуговуваних абонентів в зоні обслуговування (ЗО), а значить і зниження питомої вартості послуг та обладнання. Основні характеристики формувача: Формувач групового сигналу 2.4 Гбіт/с 1. Принцип роботи формувача. 1.1. Вісім радіомодулів Mikrotik R52nM і суматор формують груповий сигнал прямого каналу, який складається з восьми спектрів, смугою 40 Мгц, і відстанню між центральними частотами 45 Мгц. Пропускна здатність прямого каналу 8×150 Мбіт/с=1,2 ГБіт/с / 1.2. Груповий сигнал діапазону 2.172-2,527 ГГц може бути перенесений в потрібний діапазон. 2.3. Сигнали зворотного каналу приймаються і переносяться приймальним конвертором в діапазон 2.172-2,527 ГГц. Пропускна здатність зворотного каналу 8×150 Мбіт/с=1,2 ГБіт/с. Недоліком вказаного формувача є те, що він може використовуватись лише як складова частина системи. 5. Канал передачі даних в терагерцовому діапазоні з пропускною здатністю більше 1 Гбіт/с [5] Вказані аналоги дозволяють практично компенсувати вплив спотворюючих факторів та створити умови для реалізації прийнятного значення частотного ресурсу, що використовується в запропонованій корисній моделі. Останнє вказане рішення дозволяє використовувати неліцензійний частотний ресурс та реалізувати досить високу частотну смугу каналу передачі. Аналоги [1, 2, 3] використовують створену мережу backhaul як опорну, в яку підключаються вузли доступу Wi-Fi. В аналозі [4] використовується в каналі передачі даних технологія згідно з стандартом 802.11n, модуляція OFDM, що передбачено стандартом і дозволяє забезпечити прийнятну якість функціонування в умовах впливу луна-сигналів, тобто в умовах непрямої видимості (в каналах моделі Райса). Найбільш близьким аналогом "Канал передачі даних в терагерцовому діапазоні з пропускною здатністю більше 1 Гбіт/с" [5]. Він складається із приймально-передавальних станцій, що містять приймальні та передавальні антени, лінійні тракти та блоки обробки сигналів, відрізняється тим, що як блок обробки даних використовується спеціально створений формувач групового потоку [4], де використовується багаточастотна модуляція OFDM. Недоліком є те, що: канал зв'язку призначений лише для передачі інформації між двома точками; засоби такого каналу не дозволяють ефективно реалізувати обслуговування гетерогенної зони; 2 UA 97537 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 канал не дозволяє створити кілька хот-спотів чи хот зон. Задачею корисної моделі є: передача не лише між двома точками, а забезпечення доступу до інформаційних ресурсів багатьох абонентів, дислокованих в зоні обслуговування системи, а не лише передача між двома точками. Поставлена задача вирішується реалізацією системи широкосмугового абонентського доступу та реалізацією безпроводової локальної комп'ютерної мережі за допомогою технології Wi-Fi. При цьому створена таким чином локальна мережа за допомогою вузла доступу Wi-Fi, який є базовою складовою частиною абонентської станції, підключається до терагерцового каналу передачі, який є каналом мережі backhaul і по інтерфейсах центральної станції підключається до глобальної інформаційної мережі. Забезпечення ефективного обслуговування на лише гомогенної, а і гетерогенної зони реалізується наданням служб передачі даних до ділянок обслуговування різних розмірів та інших інформаційних послуг: телебачення, відео по замовленню та інших). Забезпечення якісного підключення прийнятної кількості абонентів в хот-споті Wi-Fi реалізується використанням у абонентській станції вузла стандарту 802.1 In, який дозволяє надати в зону такого хот-споту (розмір до 500 м без використання антен із великим коефіцієнтом направленості) до 150 Мбіт/с на канальному рівні. збільшення числа абонентів реалізується створенням додаткових хот-споків, кожен із яких використовує частотний ресурс відповідного каналу, створеного формувачем потоку в стандарті Wi-Fi із підвищеною пропускною здатністю [4]. Цей частотний ресурс на передавальній стороні піднімається по частоті в терагерцовий діапазон (як показано в [5]), а на приймальній - частота понижується до рівня функціонування вузла на базі Wi-Fi (тобто в діапазон 2 ГГц чи 5 ГГц). Наявність достатнього неліцензійного ресурсу в терагерцовому діапазоні дозволяє створювати досить значну потрібну кількість хот-спотів в кожному секторі ЗО. Вказані хот-споти можуть створюватися в різних ділянках ЗО, а швидкість передачі в кожному реалізується в залежності від розмірів такої ділянки та від кількості абонентів. При необхідності створення хот зони вузли доступу дислокуються так, щоб території створених хот-спотів перекривалися. Інші служби можуть надаватися як в ліцензійних діапазонах, так і доставлятися до абонента по каналу в терагерцовому діапазоні. Таким чином, 1. Мікрохвильова інтегрована телерадіоінформаційна система мультисервісного радіодоступу, що складається із приймально-передавальних центральної та абонентських станцій, що містять приймальні та передавальні антени, лінійні тракти та блоки обробки сигналів, як блок обробки даних використовується спеціально створений формувач групового потоку, де використовується багаточастотна модуляція OFDM, підключений до приймальних та передавальних трактів центральної (ЦС) та абонентської станцій (АС), до складу системи введено по меншій мірі один канал передачі даних від ЦС до вузла доступу Wi-Fi в форматі WiFi, який по суті є опорним каналом і в якому до складу вузла доступу введено приймальну та передавальну антени, приймальний та передавальний лінійні тракти, що включають перетворювач частоти із робочого діапазону формувача в терагерцовий діапазон в передавальному тракті та із терагерцового діапазону в робочий діапазон формувача, приймач та передавач на базі роутерів, що підтримують стандарт 802.11n (приймально-передавальний формувач інформаційного потокув прийнятній конфігурації), а до складу ЦС введений блок, що базується на приймально-передавальному формувачі інформаційного потоку в максимальній конфігурації і виконує функції модему та блока кодування/декодування, що забезпечує обмін даними із АС, а інформаційний потік отримує по каналах опорної мережі backhaul із зовнішньої інформаційної мережі по порту Ethernet, відрізняється тим, що до складу абонентської станції входить вузол доступу Wi-Fi, який є каналоутворюючим вузлом в абонентській мережі і за допомогою каналів мережі backhaul підключається до глобальної інформаційної мережі. Згідно з корисною моделлю, до складу системи входять канали інших служб, частотний діапазон в яких може відрізнятися від терагерцового діапазону для реалізації обслуговування гетерогенної зони, а вузол доступу Wi-Fi є базою апаратури обробки АС. Згідно з корисною моделлю, при використанні кількох терагерцових каналів передачі в секторі зони обслуговування частотні діапазони таких каналів розподіляються по частоті і канали підключаються до відповідних АС (вузлів доступу), а конфігурація ЦС та АС системи та їх складових частин визначається за результатами дослідження умов в зоні обслуговування і може використовуватися для створення як хот-споків, так і хот-зон. При цьому на фізичному рівні надається швидкість біля 300 Мбіт/с, а на канальному - до 150 Мбіт/с. 3 UA 97537 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Доступ абонентських терміналів до зворотного каналу реалізується по TDMA, із метою зниження вартості абонентського обладнання оскільки рівень пікфактору потоку OFDM дуже великий і навіть при регламентації пік-фактору складе біля 10…15 дБ в залежності від характеру траси розповсюдження. Система працює наступним чином. Надання доступу до мережі Інтернет: Запит абонента по локальній мережі, створеній за допомогою вузла доступу Wi-Fi, передається по каналу середньої милі мережі backhaul до центральної (вузлової) станції, яка підключає абонентський запит до глобальної мережі. При цьому запит в локальній мережі створюється із використанням частотного ресурсу обладнання стандарту 802.11n і в АС переноситься в терагерцовий діапазон, де не є екологічно та технічно небезпечним. Інформація у відповідь на запит із глобальної мережі передається на ЦС, де формується згідно з використовуваним стандартом, обробляється в лінійному тракті (перенесення в потрібний терагерцовий діапазон, створення потрібної потужності сигналу, формування необхідних параметрів) і по антенно-фідерному тракту випромінюється по прямому каналу в зону обслуговування. Прийнятий АС сигнал переноситься в частотний діапазон обладнання 802.11n, обробляється в вузлі доступу АС і по безпроводовій локальній мережі подається до абонентського комп'ютера. При цьому комп'ютер повинен включати до свого складу обладнання доступу до Wi-Fi стандарту 802.11n. При необхідності створення одного хот-споку в прямому каналі створюється одна смуга в терагерцовому діапазоні. Якщо потрібно створити декілька хот-спотів або хот зону в прямому каналі, створюється необхідна кількість частотних смуг в терагерцовому діапазоні, по яких інформація передається до відповідної АС. При цьому абонентські станції ідентифікуються по частотній смузі та фізичній чи мережевій адресі. Для більш повного покриття інформаційними послугами зони обслуговування, що покривається гетерогенною мережею, до складу системи можуть вводитися також канали передачі інших служб (цифрове в форматі MPEG-2 або MPEG-4 чи аналогове телебачення, обмін даними в межах даної мережі та інші) як це показано в [3]. Приклад реалізації такої системи: На кресленні показана спрощена схема частини реалізованого зразка, яка відповідає за доступ абонента до інформаційної мережі через безпроводову локальну мережу. 1 - формувач групового потоку; 2 - приймальний лінійний тракт ЦС; 3 - приймальна антена ЦС; 4 - передавальний лінійний тракт ЦС; 5 - передавальна антена ЦС; 6 - маршрутизатор Microtic RB 1100 АНх2; 7 - вузол доступу Wi-Fi AC; 8 - приймальний лінійний тракт АС; 9 - приймальна антена АС; 10 - маршрутизатор вузла доступу Wi-Fi AC; 11 - передавальний лінійний тракт АС; 12 - передавальна антена АС. Джерела інформації: 1. Микроволновая интегрированная телерадиоинформационная система МИТРИС-ИНТ Деклараційний патент України № 51495 А від 15.11.02 р. з пріоритетом від 12.04.2002 р. 2. Патент України на корисну модель № 79483, дата публікації 25.04.2013 р., Бюл. № 8 з пріоритетом від 15.10.2012 "Мікрохвильова інтегрована телерадіоінформаційна система мультисервісного радіодоступу із підвищеною пропускною здатністю UMDS-K» 3. Заявка на корисну модель "Мікрохвильова інтегрована телерадіоінформаційна система широкосмугового доступу з підвищеною пропускною здатністю UMDA-DK" № u2014 04050 від 15.05.2014 р. 4. Патент України на корисну модель "Приймально-передавальний формувач для інформаційного потоку для каналу зв'язку із підвищеною спектральною ефективністю та пропускною здатністю" № 84923 від 26.03.2013 р. 5. Заявка на патент України на корисну модель "Канал передачі даних в терагерцовому діапазоні з пропускною здатністю більше 1 Гбіт/с", рішення про видачу від 16.05.2014 р. 60 4 UA 97537 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 20 25 30 1. Мікрохвильова інтегрована телерадіоінформаційна система мультисервісного радіодоступу, що складається із приймально-передавальних центральної та абонентських станцій, що містить приймальні та передавальні антени, лінійні тракти та блоки обробки сигналів, як блок обробки даних використовується спеціально створений формувач групового потоку, де використовується багаточастотна модуляція OFDM, підключений до приймальних та передавальних трактів центральної (ЦС) та абонентської станцій (АС), до складу системи введено по меншій мірі один канал передачі даних від ЦС до вузла доступу Wi-Fi в форматі WiFi, в якому до складу вузла доступу введено приймальну та передавальну антени, приймальний та передавальний лінійні тракти, що включають перетворювач частоти із робочого діапазону формувача в терагерцовий діапазон в передавальному тракті та із терагерцового діапазону в робочий діапазон формувача, приймач та передавач на базі роутерів, що підтримують стандарт 802.11n (приймально-передавальний формувач інформаційного потоку в прийнятній конфігурації), а до складу ЦС введений блок, що базується на приймально-передавальному формувачі інформаційного потоку в максимальній конфігурації і виконує функції модему та блока кодування/декодування, що забезпечує обмін даними із АС, а інформаційний потік отримує по каналах опорної мережі backhaul із зовнішньої інформаційної мережі по порту Ethernet, яка відрізняється тим, що до складу абонентської станції входить вузол доступу WiFi, який є каналоутворюючим вузлом в абонентській мережі і за допомогою каналів мережі backhaul підключається до глобальної інформаційної мережі, входять канали інших служб, частотний діапазон в яких може відрізнятися від терагерцового діапазону для реалізації обслуговування гетерогенної зони, а вузол доступу Wi-Fi є базою апаратури обробки АС. 2. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що до складу системи входять канали інших служб, частотний діапазон в яких може відрізнятися від терагерцового діапазону для реалізації обслуговування гетерогенної зони, а вузол доступу Wi-Fi є базою апаратури обробки АС. 3. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що при використанні кількох терагерцових каналів передачі в секторі зони обслуговування частотні діапазони таких каналів розподіляються по частоті і канали підключаються до відповідних АС (вузлів доступу), а конфігурація ЦС та АС системи та їх складових частин визначається за результатами дослідження умов в зоні обслуговування і може використовуватися для створення як хот-споків, так і хот-зон. Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5