CC BY
254
Архитектура базовой станции сверхвысокоскоростной транспортной Mesh-сети миллиметрового диапазона радиоволн
Ключевые слова: Mesh-сеть, миллиметровый диапазон, базовая станция, трансивер, антенная система.
Рассмотрено состояние и перспективы развития широкополосных беспроводных сетей миллиметрового диапазона радиоволн. Проведен сравнительный анализ вариантов построения базовой станции самоорганизующейся сверхвысокоскоростной МезН-сети миллиметрового диапазона. Выбрана оптимальная архитектура базовой станции и ее компонентов, включая: антенную систему; СВЧ-трансивер и управляемый модулятор-демодулятор*.
Вишневский В.М.,
генеральный директор Научно-производственной фирмы "Информационные и сетевые технологии", дт.н, профессор, [email protected]
Фролов С.А.,
старший научный сотрудник Научно-производственной фирмы "Информационные и сетевые технологии"
Введение
Широкополосные беспроводные сети доступа к информационным ресурсам, функционирующие в сантиметровом диапазоне радиоволн, стали в настоящее время одним из основных направлений развития телекоммуникационной индустрии. Беспроводные сети на базе технологий сотовой связи (UMTS и cdma-2000), Wi-Fi (IEEE 802.11) и WiMAX (IEEE 802.16), находятся вне конкуренции по оперативности развертывания, мобильности, цене и широте возможных приложений, во многих случаях представляя собой единственно экономически оправданное решение [1, 2].
Однако, дефицитный сантиметровый диапазон радиоволн, в котором функционируют существующие широкополосные беспроводные сети, накладывает жесткие ограничения на ширину частотной полосы и, соответственно, на скорость передачи информации. В частности, сети Wi-Fi, аппаратура которых работает в сантиметровом диапазоне 2,3-6,4 ГГц, обеспечивают номинальную скорость 54 Мбит/с при ширине полосы 20 МГц и 108 Мбит/с в турборежиме при полосе 40 МГц. Аппаратура, реализующая новый стандарт — IEEE 802.11 -2012, окончательная версия которого утверждена в начале 2012 г., с использованием технологии MIMO обеспечивает максимальную скорость передачи информации до 600 Мбит/ с [3]. Указанные скорости, реализуемые на осно-
ве традиционных технологий уже недостаточны для трансляции быстро и непрерывно растущих объемов мультимедийной информации. В связи с этим во всех исследовательских центрах мира ведутся работы по резкому повышению производительности беспроводной связи доступа к информационным ресурсам.
Одним из основных направлений создания сверхвысокоскоростных (свыше 1 Гбит/с) беспроводных каналов связи и сетей передачи мультимедийной информации является переход от традиционного сантиметрового диапазона радиоволн к миллиметровому (60-100 ГГц). Этот переход уже характеризуют как новую инновационную волну, сопоставимую с появлением стандартов сотовой связи и систем Wi-Fi [4-6].
Несмотря на то, что миллиметровый диапазон уже давно привлекает внимание разработчиков аппаратуры связи, его практическое использование до последнего времени ограничивалось частотами не более 40 ГГц. После принятия в 2005 г. Федеральной комиссией по связи США ряда регламентирующих документов и введения облегченной схемы лицензирования появились первые радиосистемы1 миллиметрового диапазона. В 2006 г. Европейский институт стандартизации в области телекоммуникаций (ETSI) опубликовал технические правила, касающиеся аппаратуры, работающей в Е-диапазоне на частотах 71-76 и 81-86 ГГц. Эти правила соответствовали требованиям ЕС и разрешали коммерческое использование в Европе беспроводной аппаратуры Е-диапазона. Сейчас многие страны1 начинают осваивать Е-диапазон с целью создания беспроводных систем связи типа 11точка-точка", работающих в коротковолновой части миллиметрового диапазона.
Практическому освоению Е-диапазона в системах беспроводной связи способствовали следующие обстоятельства:
— появление электронных компонентов миллиметрового диапазона с приемлемыми параметрами и стоимостью;
— высокая загрузка наиболее активно используемого СВЧ-диапазона (2-38 ГГц) и необходимость поиска альтернативных частотных диапазонов;
— разработка нового поколения мультимедийных систем связи со сверхвысокими скоростями передачи информации.
Слабая загруженность миллиметрового частотного диапазона, возможность выделения широких полос частот (до 5 ГГц), упрощенная процедура выделения частот во многих странах мира, включая Российскую Федерацию [7], делает этот диапазон уникальным для построения персональных, локальных и городских транспортных беспроводных сетей, а также каналов "точка-точка" (радиорелейных линий). Другими преимуществами систем передачи информации в этом диапазоне являются:
— сверхвысокая скорость беспроводной передачи мультимедийной информации;
— возможность создания миниатюрных антенных систем, вплоть до интегрированных в чипсет антенных фазированных решеток. При этом для достижения узкой диаграммы направленности для большего усиления антенны требуются ее меньшие габариты;
— свойственное данному диапазону быстрое затухание радиоволн устраняет проблему интерференции различных источников сигнала, что позволяет автоматически решить проблему повторного использования частот (задачу частотного планирования);
— при реализации систем связи возможны разнообразные схемы скремблирования, помехоустойчивого кодирования, простые схемы модуляции и множественного доступа;
— каналы Е-диапазона с полосой 5 ГГц допускают высокоскоростную передачу данных с использованием схем модуляции низкого уровня. Так, схемы с частотной манипуляцией (РБК) или двоичной фазовой манипуляцией обеспечивают передачу данных со скоростью до
2 Гбит/с. Поскольку простые схемы модуляции
"Работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ (контракт № 14.514.11.4071).
не накладывают дополнительных требований на линейность, то усилители мощности передатчика могут работать в режиме максимальной выходной мощности. А большая выходная мощность наряду с высоким коэффициентом усиления антенны обеспечивает высокую излучаемую мощность, что позволяет компенсировать возможные потери передачи и делает системы Е-диапазона сравнимыми по характеристикам с СВЧ-системами связи "точка-точка";
— возможность создания систем связи, обеспечивающих скрытность связи (необнару-живаемость) и целостность (стойкость к прицельным помехам и несанкционированным подключениям).
Таким образом, учитывая мировые тенденции по резкому повышению производительности беспроводных сетей в связи с лавинообразным ростом передаваемой информации, тематика настоящей статьи, посвященной исследованию нового направления построения сверхвысокоскоростных транспортных Mesh-сетей, является весьма актуальной.
1. Состояние и перспективы развития
широкополосных сетей миллиметрового диапазона радиоволн
В настоящее время имеется значительное отставание российских производителей телекоммуникационного оборудования в области беспроводной связи. Практически все создаваемые в РФ беспроводные сети сантиметрового диапазона, включая сети Wi-Fi и WiMAX, а также сотовые сети 3G и LTE базируются на зарубежных аппаратно-программных комплексах и технологиях.
Догнать передовые страны по выпуску аппаратуры сантиметрового диапазона в настоящее время нереально, т.к. ведущие мировые корпорации выпускают ее огромными тиражами, что определяет низкую стоимость этой аппаратуры. Объем продаж в 2010 г., например, чипсет для аппаратуры Wi-Fi составил порядка
3 млрд. долл.; в 2012 г. было продано свыше миллиарда чипсет. Аналитики компании ABI Research прогнозируют, что в 2013 г. этот объем составит 1,6 миллиарда штук.
Однако Российская Федерация может занять достойное место на зарождающемся рынке беспроводной телекоммуникационной аппаратуры миллиметрового диапазона радиоволн, разработкой которой в последние 3-4 года начали заниматься практически все ведущие телекоммуникационные компании передовых стран. Речь идет о принципиально новом классе сетей миллиметрового диапазона, новом уровне мобильности, принципиально новых скоростях доступа, достижимых лишь в стационарных
волоконно-оптических сетях. На фоне экспоненциально возрастающей потребности в пропускной способности каналов и сетей передачи мультимедийной информации (как в гражданских, так и оборонных отраслях) уже в ближайшие годы объемы зарождающегося рынка аппаратуры миллиметрового диапазона будут измеряться десятками миллиардов долларов. Российская Федерация имеет уникальный шанс не допустить отставания в этом новом телекоммуникационном направлении.
В настоящее время за рубежом начат выпуск аппаратуры! "точка-точка" в Е-диапазоне, ведется активный процесс стандартизации протоколов персональных сетей миллиметрового диапазона. В сентябре 2009 г. рабочая группа 3G комитета IEEE 802.15 и тесно сотрудничающий с ней альянс Wireless HD опубликовали промышленный стандарт персональных сетей (спецификация Wireless HD). В октябре 2009 г. было опубликовано и дополнение IEEE 802.15.3c "Millemeter-Wave-based Alternative Physical Layer Extension" к стандарту персональных сетей IEEE 802.15.3. В ноябре 2009 г. был опубликован европейский стандарт ECMA-387 "HighRate 60 GHz PHY, MAC and HDMI PAL", ориентированный также на персональные сети
[8]. 7 мая 2009 г. сложился промышленный альянс Wireless Gigabit Alliance (WiGig), куда изначально вошли такие компании, как Atheros, Broadcom, Dell, Intel, LG Electronics, Marvell, Microsoft, NEC, Nokia, Panasonic, Samsung Electronics и др. Позднее к ним присоединился ряд других компаний: NXP, Realtek, ST Microelectronics, Tensorcom, Cisco, Texas Instruments и др. Разработка спецификации Wireless Gigabit Alliance была завершена в декабре 2009 г., в мае 2010 г. она была опубликована и доступна для членов альянса. Следует отметить, что единственным российским членом альянса WiGig является ЗАО Научно-производственная фирма "Информационные и сетевые технологии", сотрудниками которой являются авторы настоящей статьи.
Несмотря на очевидные достоинства, развитию технологий связи в миллиметровом диапазоне препятствовало отсутствие соответствующей элементной базы. Но сегодня эти проблемы в принципе решены. Даже на уровне КМОП продемонстрированы образцы однокристальных 60 ГГц и 77 ГГц трансиверов со встроенными антенными массивами. Серийно производятся отдельные элементы трансиверов мм-диапазона: малошумящие усилители
(МШУ) для приемников, усилители мощности (УМ) передатчиков, смесители, модуляторы и т.п. Развитие получили технологии широкополосных СВЧ-антенн, включая планарные антенны, чип-антенны (антенные решетки). В 2013 г.
фирма Infineon Technologies (http://www.infi-neon.com) объявила о завершении разработки чипсет, являющихся основой построения базовой станции (БС) сетей в диапазоне 71-76 Пи, 81-86 ГГц. Предполагается, что указанный продукт будет представлен на рынке в 2014 г.
2. Архитектура базовой станции Mesh-сети миллиметрового диапазона
радиоволн
Как отмечено выше, в настоящее время ведутся активные работы по созданию персональных и локальных беспроводных сетей в диапазоне 60 ГГц, а также каналов "точка-точка" в Е-диапазоне радиоволн. Начались также перспективные исследования по разработке сверхвысокоскоростных региональных, транспортных Mesh-сетей в частотном диапазоне 71-76 ГГц, 81-86 ГГц [5, 9-11]. Основное внимание в этих работах уделено логической структуре сверхвысокоскоростных Mesh-сетей.
В данном разделе приведен анализ вариантов аппаратной реализации БС сверхвысокоскоростной широкополосной беспроводной Mesh-сети миллиметрового Е-диапазона радиоволн. Выбрана оптимальная конструкция БС. Рассмотрены! алгоритмы! работы! и взаимодействия БС (узлов) сверхвысокоскоростной Mesh-сети, функционирующих в Е-диапазоне. Данный класс беспроводных сетей обеспечивает скорости до 10 Гбит/с и предназначен для построения самоорганизующихся магистральных беспроводных mesh-сетей. Высокие скорости, простота построения, отсутствие потребности в частотном планировании и лицензировании спектра, а также адаптируемость сети к изменениям позволяет отнести указанный класс сетей к одному из наиболее перспективных направлений развития телекоммуникационной индустрии.
БС транспортной Mesh-сети должна обеспечивать:
1 ) прием и дуплексную передачу пакетов данных (голос, видео, данные) со скоростями не ниже 1 Гбит/с;
2) ретрансляцию и маршрутизацию пакетов с реализацией механизма самоорганизации сети;
3) многошаговую передачу данных мультимедийной информации;
4) подключение удаленных абонентов по протоколам Wi-Fi, WiMAX и LTE.
В состав БС входят следующие основные компоненты: СВЧ-трансивер; СВЧ-фильтры; СВЧ-коммутатор; СВЧ-модем; микропроцессорный модуль и многосекторная антенная система (управляемый антенный массив).
В зависимости от реализации антенной системы могут быть рассмотрены следующие
У
варианты структур БС (рис.1, 2). Отличие этих вариантов состоит в разной степени сложности реализации и накладываемым ограничениям по использованию оборудования БС.
На рис. 1 показан вариант исполнения БС с управляемой антенной системой и возможностью пространственной селекции радиосигнала. В варианте рис. 2, БС имеет более простую антенную систему и, соответственно, имеет ограничение по дальности работы и возможности пространственной селекции. Применение вышеуказанного варианта описано в подраз-
деле по антенной системе.
В качестве конечного варианта реализации БС предполагается использование структуры изображенной на рис. 1, обеспечивающей наилучшее решение задачи построения МєбЬ-сети в миллиметровом диапазоне.
БС имеет следующие основные режимы функционирования: режим инициализации;
режим приема и режим передачи.
В режиме инициализации микропроцессорный модуль по программе подготовки устройства через шину управления включает при-
емник СВЧ-трансивера. Одновременно по шине управления на СВЧ-трансивер и СВЧ-ком-мутатор подаются управляющие сигналы для реализации режима определения рабочей дуплексной пары частот, и выполняется инициализация всех узлов БС. Устройство переходит в рабочий режим, СВЧ-трансивер включается в режим приема/передачи на выбранной паре частот.
В режиме приема, принятый антенной системой модулированный СВЧ-сигнал, через СВЧ-фильтр и СВЧ-коммутатор поступает на
Рис. 1. Структурная схема БС МезЬ-сети миллиметрового диапазона радиоволн с пространственной селекцией
Рис. 2. Структурная схема БС МезЬ-сетиі миилиметрового диапазона радиоволн без возможности пространственной селекции
приемную часть СВЧ-трансивера. Демодули-рованный полезный сигнал с СВЧ-трансивера через шину данных поступает на микропроцессорный модуль. После анализа принятых данных в микропроцессорном модуле пакет данных направляется в шлюзовое устройство или сохраняется в памяти микропроцессорного модуля для последующей передачи.
В режиме передачи, пакеты данных со шлюзового устройства и/или из памяти микропроцессорного модуля через шину данных поступают на СВЧ-трансивер. В СВЧ-трансивере выполняется модуляция с последующей передачей через СВЧ-коммутатор и СВЧ-фильтры в антенную систему. При выключении/включении устройства, изменении топологии сети, изменении внешних факторов среды цикл инициализации повторяется, и устройство переходит в дуплексный режим приема/передачи.
В каждом из вышеперечисленных режимов, микропроцессорный модуль обеспечивает управление всеми функциональными элементами узла сети. Модуль участвует в поддержке радио протокола магистральной сети. Осуществляет коммутацию пакетов на уровне — "магистральная сеть — проводной сегмент — абонентская сеть". Контролирует частоты приема и передачи в зависимости от положения узла в магистральной сети. Микропроцессорный модулы постоянно обменивается служебной информацией с другими узлами и содержит в памяти актуальную информацию о конфигурации всей магистральной сети. Это необходимо для корректной работы протоколов передачи между узлами МезЬ-сети.
3. Антенная система базовой станции
Антенная система узла формирует круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости и 10-12 градусов в вертикальной плоскости. Таким образом обеспечивается возможность работы БС без предварительной юстировки, как в режиме оконечной станции так и в режиме ретранслятора. Для обеспечения решения проблемы частотного планирования антенная система автоматически по команде микропроцессорного модуля меняет частоты дуплексной пары в зависимости от положения БС внутри магистральной сети. Тем самым исключается механическая замена СВЧ фильтров и необходимость иметь несколько видов частотно зависимых компонентов в системе. Для получения усиления системы, необходимого для устойчивой работы на расстояниях до500 м, как передающая так и приемная часть антенной системы формируется из управляемых антенных массивов, образующих от 4-х до 8-ми
секторов. Диаграмма направленности каждого антенного массива управляется контроллером. Массивы на прием и передачу независимы, т.к. в зависимости от расписания передача может вестись в одном направлении, а прием в другом. Причем не только внутри одного сектора, но и в разных секторах. Количество секторов зависит от конструкции управляемого массива антенн и количества антенных элементов в массиве. Каждый сектор обслуживает отдельный канал СВЧ-трансивера и состоит из полосовых СВЧ-фильтров, антенного переключателя, ма-лошумящего усилителя (МШУ), усилителя мощности (УМ) и смесителей. Антенный переключатель, МШУ, УМ и смесители сформированы на одном кристалле, который в свою очередь установлен на печатной плате и работает на линии питания антенных элементов. Такая конструкция позволяет не только унифицировать все узлы антенной системы, но и синтезировать необходимую диаграмму направленности, концентрируя излучение в пространстве в нужном направлении и ослабляя сигналы с мешающих направлений. Антенный переключатель является управляющим элементом выбора дуплексной пары частот для каждого узла.
В рамках анализа и выбора антенных систем диапазона миллиметровых волн для использования в магистральной высокоскоростной МезЬ-сети были рассмотрены секторные, рупорные антенны, параболические антенны и планарные печатные антенны. При выборе варианта антенной системы учитывались следующие основные критерии:
— технологичность изготовления при массовом производстве;
— себестоимость изготовления антенн при массовом производстве;
— габариты и вес антенной системы, обеспечивающей круговую диаграмму направленности при коэффициенте усиления не хуже 25 Л;
— трудоемкость и стоимость узлов согласования трансивера с антенной системой;
— возможность интеграции антенных переключателей в согласованную антенную систему;
— выбор оптимальной конструкции антенного переключателя для каждого типа антенной системы;
В результате анализа рассматриваемых типов антенн сделан выбор в пользу использования планарных печатных антенн. Этот тип антенн отвечает всем вышеперечисленным критериям, а технология изготовления мало отличается от технологии изготовления традиционных печатных плат.
Антенная система БС должна обладать высоким усилением и обеспечивать необходимую энергетику канала связи. Исходя из кон-
цепции, БС должна обладать возможностью безподстроечного вхождения в сегмент Mesh-сети, как если бы использовалась всенаправленная антенна. Однако всенаправленная антенна не обладает необходимым усилением для устойчивого соединения на расстояниях до 500 м, вследствие очень широкой диаграммы направленности — 360 градусов в азимутальной плоскости. Увеличение коэффициента усиления всенаправленной антенны приведет к резкому уменьшению угла диаграммы направленности по углу места, что сделает невозможным в принципе ведение связи с другими БС Mesh сети, расположенными на разных высотах.
Таким образом, практическая реализация антенной системы на основе всенаправленной антенны не целесообразна. Однако, всенаправленный антенный излучатель можно использовать на этапе разработки БС, для построения практических экспериментов с основными узлами БС, на коротких расстояниях.
Для обеспечения возможности безподстроечного вхождения в связь и сохранения необходимого энергетического бюджета лини связи, предлагается использовать управляемый антенный массив.
Учитывая короткую длину волны, размеры такого массива будут занимать мало места. Например, массив из 16 элементов будет иметь линейные размеры всего 35 мм.
Безусловно антенные массивы требуют сложного микропроцессорного управления. Сложность управляющего элемента прямо пропорциональна количеству элементов в массиве, и чтобы с одной стороны получить необходимую энергетику системы, с другой стороны сохранить приемлемую стоимость и сложность системы, необходимо осуществлять расчет количества элементов массива и количество антенных массивов. Расчеты показывают, что для уверенной работы БС достаточно 4-х антенных массивов с углом сканирования луча ±45 градусов и по 6-8 антенных элементов в каждом массиве.
Для упрощения решения проблемы частотного планирования и самоорганизации Mesh-сети, в антенную систему введен электронный переключатель частотного дуплекса,про-граммно управляемый контроллером.
Антенный переключатель, прежде всего должен обеспечивать низкое затухание радиосигнала и обладать низкой ценой. Скоростные характеристики переключателя не являются критическими, так как переключения дуплекса будет происходить редко — при начальной конфигурации сети и при изменении топологии.
4. Архитектура СВЧ-трансивера
Трансиверный узел является важнейшей частью БС и определяет все характеристики МезЬ-сети. Трансивер, входящий в состав БС, обеспечивает высокоскоростную передачу данных и служебной информации между узлами МезЬ-сети. Энергетические характеристики трансивера, позволяют устанавливать устойчивое соединение между БС на расстояниях до 500 м на открытом пространстве. Учитывая, что БС могут располагаться на местности произвольно и оказывать взаимное влияние друг не друга, т.е. являться источниками взаимных помех, трансивер должен обладать возможностью пространственной селекции по приемному и передающему каналу. Пространственная селекция должна в значительной степени ослаблять воздействие близкорасположенных приемопередающих устройств других БС, которые ведут обмен данными между другими участками сети в том же диапазоне частот и расположены на расстояниях менее 500 м, не позволяя им интерферировать между собой. На расстояниях больше 500 м взаимное влияние между трансиверами БС будет минимальным вследст-
вие особенностей распространения радиоволн в миллиметровом диапазоне. Для упрощения решения проблемы частотного планирования трансивер должен управлять элементами антенного тракта таким образом, что бы в зависимости от месторасположения БС, обеспечивалась возможность работы в любой комбинации дуплексной пары радиочастот. То есть по команде микропроцессорного модуля, трансивер имел возможность переназначать одни и те же элементы антенного тракта из передающего режима в приемный и наоборот. Отметим также, что при реализации трансивера могут использоваться различные типы модуляции: QPSK, ASK, FSK.
На рис. 3 представлена архитектура трансивера БС Mesh-сети, включающая основные функциональные узлы: программно управляемый модулятор-демодулятор (4) (далее модем) ВЧ сигналов; MAC контроллер(5); генератор опорной частоты (6) и схема управления; умножители частоты (7) и фильтры (8); тракт промежуточной частоты (усилитель ПЧ и фильтр ПЧ)
(9); смесители (10);сдвоенный тракт — усилитель мощности и МШУ приемника (2);полосо-вой фильтр СВЧ (1) (отдельный фильтр на при-
РИс. 3. Структурная схема трансивера БС
ем и на передачу);отдельный антенный массив (на прием и на передачу).
Тракт ПЧ-промежуточной частоты (9) состоит из программно управляемого модулятора-демодулятора (4) ВЧ-сигналов, генератора опорной частоты (6) и схем управления. Коммутатор-мультиплексор каналов промежуточной частоты подключает к модему только тот сектор антенной системы, по которому в данный момент происходит обмен информацией. Это позволяет обеспечивать пространственную селекцию радиосигналов и с одной стороны уменьшить нагрузку на радио среду, увеличив помехоустойчивость системы, с другой стороны ослабить влияние соседних узлов увеличивая соотношение сигнал/шум в приемном тракте. Коммутатор-мультиплексор обеспечивает независимую коммутацию каналов приема и передачи, позволяя принимать сигнал с одного сектора узла, а вести передачу другому узлу сети через другой сектор антенной системы, обеспечивая возможность ретрансляции в реальном времени, исключая существенные задержки на буферизацию данных. Генератор опорной частоты синхронизирует по фазе гетеродины СВЧ-трансиверов антенного тракта системы подключенных к всенаправленному антенному массиву (3).
Для реализации работы в дуплексном режиме, выходной узел трансивера состоит из двух идентичных приемопередатчиков (2). Каждый приемопередатчик соединен с отдельной антенной через полосовой фильтр. Во время штатной работы трансивера в каждом приемопередатчике активна только приемная или только передающая часть. В режиме прослушивания сети и выбора дуплекса, активны только приемные секции приемопередатчиков. Время подключения приемников к смесителю составляет порядка 50 мкс. В этом режиме обеспечивается временное мультиплексирование принимаемых сигналов каждой несущей дуплексной пары. Преимуществом такой конструкции выходной части трансивера является отсутствие СВЧ переключателя и соответственно отсутствие дополнительных потерь. Переключение дуплекса происходит подачей напряжения питания на соответствующие приемные или передающие секции. Кроме того, трансивер построенный по такой схеме можно программно перевести в полудуплексный режим с произвольно выбираемой несущей из двух возможных.
Критическим фактором, является высокая частота приема передачи и, соответственно, особые требования к элементной базе трансивера и аппаратной реализации. С увеличением частоты происходит уменьшение длины волны, а, следовательно, уменьшаются радиотех-
нические элементы и ужесточаются требования к точности их изготовления, монтажа и настройки готовых устройств. Элементы СВЧ на частотах в несколько десятков ГГц выполняются в виде бескорпусных интегральных микросхем (ИМС). Современные технологии изготовления ИМС позволяют создавать сложные многофункциональные элементы. В результате объединения разных по назначению устройств (например, малошумящего входного усилителя и смесителя) на чипе площадью до 5 мм2 значительно снижается уровень внутренних шумов устройства, повышается его устойчивость и линейность выходной характеристики, упрощается конструкция.
Основные задачи, стоящие при проектировании подобных устройств заключаются в создании цепей согласования соседних микросхем, цепей подвода напряжений питания и смещения к микросхемам, обеспечивающих необходимую развязку в широком диапазоне частот, а также элементов соединения с другими звеньями приемо-передающего тракта. Кроме того, подбор элементной базы трансивера должен удовлетворять экономическим критериям, таким как сложность и себестоимость разработки и серийного производства. Микросхемы миллиметрового диапазона должны обладать высокоскоростными эксплуатационными характеристиками, иметь высокую линейность, малый размер и низкую стоимость.
Один из вариантов решения такой задачи
— это создание высокочастотных компонентов трансивера на основе материалов с высокой подвижностью электронов транзисторов (НЕМТ) или использование псевдоаморфной технологии (РНЕМТ), которая обладает относительно низкой энергией запрещенной зоны и соответственно лучшими характеристики проводимости. Такими компонентами использую-
щие технологию НЕМТ, как правило, являются: малошумящий усилитель (LNA), усилитель мощности, генератор, смеситель.
5. Выбор вариантов реализации аппаратной части управляемого модулятора-демодулятора (модема) трансивера
Конструкция модема и схемы кодирования информации в значительной степени определяют энергетические, скоростные и стоимостные параметры БС Mesh-сети. Диапазон миллиметровых волн, позволяет передавать информацию в очень широком спектре частот, до 5 ГГц, и даже при использовании самых простых схем модуляции полезного сигнала, можно получить скорость до 5 Гбит/с. Например, используя модуляцию ASK или FSK. Но в этом случае эффективность использования частотного спектра составит около 0,5 бит/ герц. С одной стороны простые виды модуляции легче реализовывать на практике, с другой стороны такая низкая эффективность не позволяет одновременно нескольким близко расположенным устройствам использовать частотный ресурс. В России, как уже отмечалось, для работы в миллиметровом диапазоне решением ГКРЧ [7] значительно упрощена процедура выделения полос радиочастот для устройств, имеющих спектральную эффективность 1 бит на герц и выше. Это дает возможность развертывания сетей в Е-диапазоне 71-76 ГГц и 81-86 ГГц в максимально короткие сроки, если будет использована схема модуляции не хуже QPSK.
Существует прямая зависимость между эффективностью схемы модуляции и сложности реализации такой схемы. Кроме того, для реализации конструкции модема, позволяющего передавать поток данных 1 Гбит/с в относи-
тельно узкой полосе спектра с модуляцией от 16 QAM необходимо использовать сложные и дорогостоящие компоненты, прежде всего сверхбыстродействующие АЦП.
Был проведен анализ возможных конструкций модема, входящего в состав трансивера БС высокоскоростной Mesh-сети. Целью анализа, было определить оптимальную схему модуляции и конструкции модема.
На рис. 4 представлена классическая схема модулятора-демодулятора, работающая в составе СВЧ-трансивера с однократным переносом частоты.
Такая схема конструкции модема хорошо отработана, но имеет один недостаток—сложность реализации модуляции выше QPSK. В данной схеме для увеличения спектральной эффективности необходимо либо уменьшать скорость передачи данных, либо использовать дорогостоящие электронные компоненты.
На рис. 5 показана реализация модема с разбиением (демультиплексированием) потока данных и передачей нескольких несущих через один трансивер.
Такая архитектура модема сложнее, чем изображенная на рис. 4. Высокоскоростной поток данных разбивается на N-каналов с низкими скоростями. Далее, после обработки N модемами, мультиплексируется по промежуточной частоте и переносится в СВЧ-спектр.
На приемной стороне после преобразования в понижающем СВЧ-смесителе, сигнал промежуточной частоты! демультиплексируется на N несущих и демодулируется N количеством демодуляторов. Затем исходный цифровой поток восстанавливается в мультиплексоре данных
Достоинством такого схемотехнического решения является доступность и дешевизна элементной базы, это компенсирует относительное усложнение конструкции и позволяет получать
Цифровой модем мм-трансивер
Рис. 4. Схема модема
Рис. 5. Схема модема с демультиплексированием
Рис. 6. Схема модема с прямым преобразованием
высокую спектральную эффективность до 64 QAM без существенного удорожания системы.
Вариант трансивера, изображенный на рис.6, реализован по схеме прямого преобразования кодированного сигнала, выделенного на выходе модема, непосредственно в СВЧ сигнал, т.е. имеющий промежуточную частоту равную 0.
Достоинством данной схемы, является низкий фазовый шум и низкие нелинейные искажения. Эти достоинства позволяют реализовывать трансивер с модуляцией 256-1024 QAM, что дает возможность увеличить скорость в беспроводной Mesh-сети до 10 Гбит/с.
Отметим, что в результате анализа вышеперечисленных конструкций модемов и трансиверов, на сегодняшний день наиболее предпочтителен вариант реализации трансивера изображенный на рис.5. Эта конструкция оптимально отвечает требованиям по производительности и стоимости БС миллиметрового диапазона Mesh-сети. В будущем, в рамках модернизации трансивера БС и с большой долей вероятности удешевления элементной базы и техпроцессов изготовления электронных схем, возможно, будет использование комбинации трансиверов изображенных на рис. 5 и рис. 6. Такая комбинация позволит модернизировать Mesh-сеть для получения скоростных характеристик в радиоканале до 10 Гбит/с.
Заключение
1. Рассмотрено одно из перспективных направлений развития коммуникационной индустрии — беспроводные транспортные МезЬ-сети миллиметрового Е-диапазона радиоволн.
2. Дано описание существующих стандартов, состояния и перспектив развития беспроводных сетей мм-диапазона, включая электронную компонентную базу.
3. Предложена оригинальная конструкция БС с пространственной селекцией радиосигнала, обеспечивающая реализацию самоорганизующейся транспортной МезЬ-сети со скоростями передачи мультимедийной информации до 10 Гбит/с.
4. Проведен анализ различных вариантов построения антенной системы БС мм-диапазо-на, включая спекторные, рупорные антенны, параболические антенны и планарные печатные антенны. По критериям технологичности и стоимости изготовления антенн при массовом производстве, а также величине коэффициента усиления (не ниже 25 Л) сделан выбор в пользу использования планарных печатных антенн, на базе управляемых антенных массивов.
5. Исследованы варианты реализации аппаратной части управляемого модулятора-демодулятора (модема). Предложена конструк-
ция модема с демультиплексированием потока данных Предложенное схемотехническое решение позволяет получить высокую спектральную эффективность (до 64 QAM) без существенного удорожания системы.
Литература
1. Вишневский В, Портной С, Шахнович И. Энциклопедия WiMAX. Путь к 4G. — М.: Техносфера, 2010. —470 с.
2. Vishnevsky V, Semenova O. Polling Systems: Theory and Applications for Broadband Wireless Networks. London: LAMBERT Academic Publishing, 2012, 317 p.
3. Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications // IEEE 802.11-2012. — IEEE, March 2012.
4. Pitsiladis G.T, Panagopoulos AD. Constanlinou P. Improving connectivity in indoor millimeter wave wireless networks using diversity reception //6th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP), 26-30 March 2012. — Prague, 2012. — Pp.510-514.
5. Jabbar, J.P Rohre, VS. Frost, J.PG. Sterbenz. Survivable millimeter-wave mesh networks. Comp. Comm., V34, Iss.16, Oct. 2011. — Pp.1942-1955.
6. Millimeter wave technology in wireless PAN, LAN, and MAN/ Под ред. Xiao, Shao-Qiu et al. — CRC Press, 2008.
7. Решение ГКРЧ № 10-07-04-1 "Об упрощении процедуры выделения полос радиочастот 71-76 ГГц и 81-86 Г1ц для использования радиорелейными станциями прямой видимости".
8. ECMA/TC48/2010/025. ECMA-387 2nd Edition: High Rate 60GHz PHY, MAC and HDMI PAL. Whitepaper. — ECMA Int., June 2010.
9. VishnevskyV. Ultra-High Throughput Millimeter — Wave Wireless Networks // Int. Conf. (DCCN) Distributed Computer and Communication Networks, 26-28 Oct. 2010. Moscow. — Pp.8-12.
10. Вишневский В.М, Ларионов АА. Об одном алгоритме распределения ресурсов в беспроводных магистральных Mesh-сетях миллиметрового диапазона радиоволн. Телекоммуникации и транспорт. 2011. № 7. — С.35-40.
11. Vishnevsky V, Larionov А. А Novel Approach for Scheduling in STDMA for High-Throughput Backbone Wireless Mesh Networks Operating within 60-80 GHz // Int. Gonf. "Advances in Mesh Networks". Venice/Mestre, Italy, 18-25 Jul 2010.
Architecture of base station highspeed transport network Mesh-millimeter wavelengths
Vishnevsky VA Professor, [email protected], Frolov SA, Scientific and Production Company "Information and Network Technology", Russia Abstract
The state of and prospects for the development of broadband wireless networks millimeter wavelengths. A comparative analysis of options for building ultra-high base station self-organizing network Mesh-millimeter range. Select the best base station architecture and its components, including: an antenna system; microwave transceiver and controlled modulator-demodulator.
Keywords: Mesh-network millimeter range, a base station transceiver, antenna system.
