Система и способ радиорелейной связи с электронной подстройкой луча
Изобретение относится к области радиосвязи, в частности к системам связи типа "точка-точка" миллиметрового диапазона длин волн, обеспечивающим высокоскоростное соединение. Система содержит два удаленных друг от друга приемопередатчика миллиметрового диапазона длин волн, обеспечивающие высокоскоростную передачу данных в дуплексном режиме и содержащие высоконаправленные антенны, способные обеспечить электронное сканирование в некотором непрерывном диапазоне углов. Также каждый приемопередатчик содержит модуль управления, реализующий алгоритмы управления положением основного луча диаграммы направленности антенны. Кроме того, раскрывается способ обеспечения первоначальной точной настройки направлений лучей и последующей автоматической подстройки направлений лучей при необходимости, основанный на применении сканирующих антенн. Технический результат заключается в возможности обеспечения автоматического восстановления соединения при небольших изменениях ориентации РРС вследствие воздействия различных внешних факторов (ветер, вибрации, различная интенсивность нагревания несущих конструкций в различное время суток, и др.) и могут быть использованы для построения транспортных каналов между базовыми станциями сетей мобильной сотовой связи. 2 н. и 27 з.п. ф-лы, 5 ил.
Область техники
Изобретение в целом относится к области радиосвязи и, в частности, к системам связи типа "точка-точка" миллиметрового диапазона длин волн, обеспечивающим высокоскоростное соединение (системам радиорелейных станций - РРС). Изобретение представляет собой систему и способ радиорелейной связи с электронной подстройкой луча. Изобретение обеспечивает возможность как автоматической настройки лучей антенн двух РРС друг на друга при первичной юстировке, так и дальнейшей подстройки направлений лучей для компенсации небольших изменений ориентации антенн вследствие воздействия различных факторов (таких как ветер, вибрации, различный коэффициент расширения несущих конструкций вследствие изменения температуры, и т.д.).
Уровень техники
Радиорелейные станции (РРС) типа "точка-точка" широко используются в различных транспортных сетях для множества приложений, одним из наиболее перспективных из которых являются транспортные сети между базовыми станциями сетей мобильной связи. Наблюдаемое в настоящее время увеличение объема передаваемых данных в сетях мобильной связи приводит к еще большим требованиям к пропускной способности радиоинтерфейсов таких сетей и, как следствие, к пропускной способности эксплуатируемых транспортных сетей. Ожидается, что требования по пропускной способности транспортных сетей для каждой базовой станции вырастут за ближайшие несколько лет с текущих нескольких Мб/с (или даже сотен Кб/с) до сотен или даже тысяч Мб/с.
Для того чтобы удовлетворить таким растущим требованиям к пропускной способности радиорелейных станций, необходимо увеличение ширины частотной полосы передаваемого сигнала, что позволит увеличить скорость передачи данных. Но, так как имеющийся частотный диапазон практически полностью используется различными радиоэлектронными системами, необходимо увеличение несущей частоты РРС и использование новых диапазонов. В частности, в спектре миллиметровых длин волн от 30 ГГц до 300 ГГц, имеющем значительный потенциал для разработки высокоскоростных транспортных радиорелейных сетей, обеспечивающих связь типа точка-точка, во многих странах мира были выделены полосы частот 71-76 ГГц и 81-86 ГГц с отсутствующей или упрощенной процедурой лицензирования.
Увеличение несущей частоты и ширины полосы пропускания сигнала оказывает сильное влияние на практическую разработку РРС. Принимаемая мощность сигнала на 1 Гц полосы частот должна оставаться такой же, как и в низкочастотных системах, для сохранения спектральной эффективности. Это приводит к требованию большей принимаемой мощности, что может быть достигнуто за счет увеличения передаваемой мощности или увеличения коэффициентов усиления антенн на передающей и/или приемной станциях. Мощность передатчика обычно лимитирована регуляторными ограничениями, что оставляет только возможность использования антенн с большим коэффициентом усиления. В то же самое время известная формула Фрииса (Н.Т. Friis, Proceedings of IRE, vol. 34, p. 254. 1946):
показывает, что принимаемая мощность Pr в свободном пространстве (что справедливо для РРС) пропорциональна коэффициентам усиления приемной Gr и передающей Gt антенн, переданной мощности Pt и квадрату длины волны λ на несущей частоте и обратно пропорциональна квадрату расстояния между антеннами R. Таким образом, переход к более высоким несущим частотам даже при сохранении частотной полосы пропускания также требует увеличения коэффициентов усиления антенн на приемнике и передатчике для обеспечения той же пропускной способности.
Связанным с коэффициентом усиления антенны параметром является ширина основного луча диаграммы направленности (ДН) антенны по уровню половинной мощности, которая уменьшается с увеличением коэффициента усиления антенны. В соответствии с замечаниями, данными выше, коэффициент усиления антенн РРС миллиметрового диапазона длин волн обычно составляет 35-45 дБи, что эквивалентно ширине луча ДН антенны порядка 1-2° или меньше.
Использование в РРС антенн с таким узким основным лучом ДН приводит к дополнительным трудностям при их эксплуатации, которые не возникают в системах, работающих на меньших несущих частотах и использующих меньшую полосу пропускания. Устройства РРС с антеннами обычно устанавливаются вблизи базовых станций сетей передачи данных на различных высоких конструкциях, таких как вышки, башни, крыши высотных зданий. Обычно такие вышки являются жесткими металлическими конструкциями, которые, тем не менее, подвержены небольшим скручиваниям и отклонениям (особенно в их верхней части), вызванными ветром, различными коэффициентами расширения несущих конструкций вследствие нагрева/охлаждения в разное время суток и другими причинами. Высотные здания испытывают те же проблемы (хотя и в меньшей степени) вследствие небольших длительных смещений их фундаментов, что приводит к небольшим изменениям ориентации РРС, особенно установленных на вершине зданий.
Рассмотренные изменения ориентации конструкций, на которые установлены РРС, могут приводить к потере взаимной ориентации приемной и передающей антенн друг на друга и разрыву соединения. Данная проблема становится сейчас актуальной для миллиметровых РРС, в которых используются антенны с шириной луча менее 1-2° вследствие причин, рассмотренных выше.
Частотные и временные интервалы изменения ориентации РРС, установленных на различных конструкциях, сильно зависят от причины таких изменений. Вариации могут составлять от долей Гц (или даже нескольких Гц) для колебаний, вызванных ветром, до часов для отклонений вследствие нагрева солнцем различных частей конструкций и даже годов для небольших смещений фундаментов зданий.
Используемые в настоящее время способы решения рассмотренной проблемы включают в себя установку РРС на более низких частях вышек и башен (а не на их верхней части), невысоких крышах зданий, а также механическую перенастройку антенн в случае медленных изменений их ориентаций.
Системы РРС для транспортных каналов сотовых систем связи
Системы радиорелейной связи широко используются для организации транспортных каналов в сотовых системах связи. В сравнении с традиционными оптоволоконными линиям связи, РРС обеспечивают значительно меньшие затраты на введение в эксплуатацию при достижении в последнее время сравнимой пропускной способности. Указанные преимущества стимулируют развитие технологий и техник для создания эффективных приемопередатчиков миллиметрового диапазона длин волн.
В соответствии с вышесказанным в настоящее время предлагается множество вариантов и модернизаций систем связи типа точка-точка и точка-многоточка для транспортных каналов систем сотовой связи. Так, в патенте США №7,769,347 "Wireless communication system" рассматривается беспроводная система связи, обеспечивающая передачу данных между мобильными пользователями посредством множества сотовых базовых станций. При этом между базовыми станциями напрямую или с помощью дополнительных точек соединения устанавливаются линии связи в миллиметровом диапазоне длин волн выше 60 ГГц. Стоит отметить, что авторы изобретения особо выделяют диапазоны 71-76 ГГц и 81-86 ГГц, преимущества которых ранее были рассмотрены в настоящем описании. Также оговаривается, что антенна для такой радиорелейной связи должна обеспечивать узкий луч и высокий коэффициент усиления.
В описании к рассматриваемому патенту США №7,769,347 особо подчеркивается важность точности настройки луча и приведены некоторые известные способы такой настройки.
Способы настройки луча, рассмотренные в указанном патенте, включают в основном методы механического сканирования для больших зеркальных антенн и электронные методы сканирования с помощью фазированных антенных решеток. Однако реализация таких антенных решеток для миллиметровых РРС представляется непрактичной на сегодняшний день в силу требования большого количества синхронизованных антенных элементов. Рассмотренные современные способы механического сканирования включают как поворот всей антенны с помощью прецизионных механизмов, так и перемещение или вращение первичных облучателей больших зеркал, перемещение вторичного небольшого зеркала, например, в антенне Кассегрена, использование многоапертурных антенн совместно с решеткой переключаемых антенных элементов. Недостатками всех указанных методов механического сканирования являются длительность настройки и необходимость привлечения квалифицированного персонала для осуществления такой настройки.
Вариант реализации системы РРС представлен, например, в заявке на патент США №20080153549 "Wireless millimeter wave communication system". В частности в данной патентной заявке описан полнодуплексный приемопередатчик для РРС рассматриваемых частотных диапазонов 71-76 ГГц и 81-86 ГГц, в котором в качестве антенны используется линзовая антенна с вынесенным облучателем в виде рупорной антенны. Применение линзовой антенны в данном случае обеспечивает меньший уровень боковых лепестков по сравнению с традиционными для данного приложения зеркальными антеннами. Также в описании отдельно уделяется внимание грубой и точной настройкам антенн друг на друга, однако никаких решений для реализации такой настройки не предлагается.
Достаточно большое число способов грубой и точной настройки положения луча известно из других источников в уровне техники. Грубая настройка осуществляется с помощью некоторых простых, но точных оптических приборов, например оптического или лазерного прицела. Точная же настройка может осуществляться большим разнообразием предложенных способов. Некоторые из них предусматривают использование дополнительного оборудования, например детектора мощности для оценки уровня принимаемого сигнала, а некоторые используют для этого обычный режим работы приемопередатчика. К последним, например, относится способ, предложенный в патенте США №7,501,982 "Antenna alignment method", который заключается в максимизации бюджета мощности в зависимости от направления антенн. При этом в описании данного патента также указано, что поворот антенны осуществляется либо обслуживающим персоналом, либо специализированным мотором.
Системы и способы удаленной настройки антенн
Одним из предложенных решений является система удаленной настройки и/или слежения направления луча, обладающая некоторыми преимуществами. Такие системы позволяют проводить настройку и/или слежение за направлением луча антенны в автоматическом режиме без длительного разрыва соединения.
Пример удаленной системы позиционирования антенны представлен в патенте США №7,642,961 "Remote control antenna positioning system". Указанное изобретение основано на использовании электрического точного мотора для поворота антенны в трехмерном пространстве, управляемого удаленно. Однако такая система требует применения дорогостоящего мотора и наличия некоторой компьютерной системы обработки сигналов, управляемой квалифицированным оператором.
Наиболее близким аналогом к предложенной в настоящей заявке системе и способу радиорелейной связи с электронной подстройкой луча является система, раскрытая в патенте США №6,587,699 "Narrow beamwidth communication link with alignment camera". Данный патент описывает систему связи типа точка-точка, включающую 2 удаленных друг от друга высокоскоростных приемопередатчика с высоконаправленными антеннами, на каждом из которых установлены телескопические камеры, а также процессор для обработки получаемого камерами изображения (фиг. 1). Указанная система обеспечивает не только точную настройку антенн друг на друга, но и автоматическую подстройку лучей при смещениях и отклонениях несущей конструкции. Принцип действия системы подстройки лучей заключается в получении некоторых опорных изображений с камер, при которых обеспечивается наилучшее качество передачи сигнала. При отклонении луча изображение, получаемое с камеры, также изменяется. Таким образом, отклонение луча можно отследить и скорректировать по изменению изображения по сравнению с опорным. Также в указанном изобретении раскрыт способ подстройки луча с помощью описанной системы.
Однако для системы, раскрытой в патенте США №6,587,699, требуется использование дополнительного дорогостоящего оборудование, интегрированного в структуру РРС, а также вовлечение специального квалифицированного персонала при начальной юстировке антенн, что также увеличивает расходы.
Таким образом, анализ рассмотренных систем, известных из уровня техники, показывает, что существует необходимость в обеспечении полностью электронной точной подстройки направления луча и слежения за этим направлением в дальнейшем. Это значительно ускорит процессы установления радиосоединения и его восстановления, а также избавит от необходимости выполнения работ на месте установки РРС квалифицированным персоналом.
Сущность изобретения
Задачей изобретения является преодоление или устранение как минимум одного из недостатков вышерассмотренных систем.
Другой задачей изобретения является обеспечение в системе радиорелейной связи возможности полностью электронной подстройки направлений луча для поддержки высокой скорости передачи данных с встроенной коррекцией и восстановлением соединения при необходимости.
Указанные задачи решены за счет применения электронного сканирования для настройки направлений антенн, что позволяет исключить необходимость использования дорогостоящего оборудования в радиорелейной станции (например, камер, детекторов мощности, и т.п.), а также и устройств для точной механической юстировки (моторов). Дополнительно электронное сканирование луча обеспечивает намного более простую процедуру начального позиционирования антенн и автоматического слежения и подстройки направлений лучей антенн без длительного разрыва соединения.
Соответственно изобретение раскрывает радиорелейную станцию с антеннами с электронным сканированием, выполненную с возможностью автоматической подстройки направлений антенн.
Более того, в соответствии с изобретением использование антенн с электронной подстройкой луча в некотором диапазоне углов позволяет значительно облегчить точную взаимную настройку антенн двух радиорелейных станций.
Необходимо также отметить, что несмотря на то, что в изобретении раскрыты система и способ радиорелейного соединения с электронной подстройкой направлений лучей, начальное позиционирование и автоматическая подстройка направлений луча при необходимости могут быть выполнены любым известным из уровня техники способом.
В соответствии с изобретением начальная юстировка антенн и последующее автоматическое слежение и подстройка направлений луча осуществляется за счет введения в состав РРС модуля управления, выполняющего алгоритмы контроля и изменения диаграммы направленности антенны на основе информации, получаемой от РРС. Указанный модуль управления выполняет также генерацию управляющих сигналов для антенны на основе полученных параметров производительности системы связи. Реализация модуля управления и интегрирование его в состав РРС является понятной для специалиста в области техники из технического описания, представленного в настоящей заявке. Модуль управления содержит блок мониторинга, выполненный с возможностью измерения параметров производительности системы связи.
Таким образом, в одном примере реализации разработанного нового технического решения радиорелейная система содержит два разнесенных в пространстве приемопередатчика (станции) миллиметрового диапазона длин волн, которые обеспечивают прием и передачу данных с высокой пропускной способностью в режиме частотного дуплексирования. Каждый приемопередатчик содержит антенну с высоким коэффициентом усиления, способную осуществлять электронное сканирование в некотором непрерывном угловом пространстве.
Контроль антенны осуществляется модулем управления с использованием контрольных алгоритмов с целью подстройки направления основного луча диаграммы направленности. Каждый модуль управления дополнительно выполнен с возможностью генерирования инструкций по выбору оптимального направления луча антенны на противоположной стороне системы связи, а каждый приемопередатчик выполнен с возможностью передачи инструкций по выбору оптимального направления луча антенны на противоположной стороне системы связи.
Различные варианты реализации предложенных системы и способа для подстройки луча антенны, адаптированные для конкретных типов антенн и радиорелейных систем, также рассматриваются в рамках настоящего описания.
Еще один аспект изобретения относится к способу точной начальной настройки направлений лучей и последующего слежения и подстройки направлений лучей при возникновении необходимости.
Соответственно в одном из вариантов реализации изобретения представлена миллиметровая система радиосвязи типа точка-точка с электронной подстройкой антенн, которая содержит первый приемопередатчик, установленный в первом месте расположения, и второй приемопередатчик, установленный во втором месте расположении, причем первый приемопередатчик выполнен с возможностью передачи и приема данных от второго приемопередатчика, а второй приемопередатчик выполнен с возможностью передачи и приема данных от первого приемопередатчика. Каждый приемопередатчик содержит антенну с узким основным лучом диаграммы направленности, способную переключать направление основного луча электронным образом между по меньшей мере двумя направлениями, и модуль управления, который управляет диаграммой направленности антенны на основе контрольной информации, получаемой от приемопередатчика, и генерирует выходные управляющие сигналы для антенны.
Рассмотренная выше двунаправленная система передачи данных в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения обеспечивает радиосоединение с большой пропускной способностью и автоматической подстройкой направлений лучей, когда это необходимо в процессе передачи данных с помощью антенн с электронным сканированием, управляемых модулем управления, анализирующим контрольную информацию. Также новое использование таких антенн с электронным сканированием и модуля управления в радиорелейной системе позволяет осуществлять полностью автономную подстройку антенн без необходимости привлечения квалифицированного персонала.
Согласно одному из вариантов реализации блоки мониторинга параметров производительности системы связи реализованы в виде блоков цифрового модема.
Предпочтительно указанная система используется для организации транспортных каналов сотовых систем связи и указанные антенны имеют коэффициент усиления более 30 дБи.
В соответствии с другим вариантом реализации изобретения каждый приемопередатчик работает в режиме частотного дуплексирования для разделения принимаемых и передаваемых сигналов. Это обеспечивает увеличение скорости передачи данных и уменьшение ошибок при передаче информации.
Предпочтительно первый приемопередатчик передает сигналы в полосе частот 71-76 ГГц и принимает сигналы в полосе 81-86 ГГц, а второй приемопередатчик, наоборот, передает сигналы в полосе 81-86 ГГц и принимает сигналы в полосе 71-76 ГГц. Таким образом, в соответствии с изобретением могут быть использованы наиболее перспективные полосы частот для передачи данных, которые выделены в различных странах мира для радиорелейных систем связи.
В соответствии с еще одним вариантом реализации изобретения угловое расстояние между двумя соседними направлениями луча равно или меньше, чем ширина луча антенны по уровню половинной мощности. Такая конфигурация позволяет выполнять точную настройку приемопередатчиков при сканировании в непрерывной угловой области.
В соответствии с еще одним вариантом реализации по меньшей мере одна из антенн является параболической антенной с решеткой переключаемых облучателей, расположенных в фокальной плоскости основного зеркала и необходимых для электронного управления лучом, или антенной Кассегрена с решеткой переключаемых облучателей, расположенных в фокальной плоскости, или линзовой антенной с фокальной решеткой переключаемых облучателей, или интегрированной линзовой антенной с фокальной решеткой переключаемых облучателей для электронного управления лучом.
В соответствии с еще одним вариантом реализации изобретения модуль управления каждого из приемопередатчиков содержит блок начальной юстировки антенны, выполненный с возможностью осуществления начальной юстировки антенны первого приемопередатчика и антенны второго приемопередатчика в направлении друг друга, блок мониторинга для генерации сигнала для инициации подстройки и блок подстройки, выполненный с возможностью подстройки антенны первого приемопередатчика и/или антенны второго приемопередатчика в соответствии с сигналами от блока мониторинга. Такое устройство модуля управления обеспечивает качественную и быструю начальную настройку антенн приемопередатчиков и дальнейшую подстройку по меньшей мере одного приемопередатчика системы когда это необходимо.
В соответствии с еще одним вариантом реализации изобретения указанный модуль управления каждого приемопередатчика выполнен в виде программируемого микроконтроллера.
В соответствии с еще одним вариантом реализации изобретения логическая схема модуля управления реализована в блоке цифрового модема каждого приемопередатчика.
Также разработан способ для взаимной настройки антенн первого и второго приемопередатчика радиорелейной системы типа точка-точка миллиметрового диапазона длин волн с антеннами с электронным сканированием луча. Такой способ в наиболее общей реализации содержит следующие этапы: А) передача антенной первого приемопередатчика сигнала по меньшей мере в одном из возможных направлений луча; Б) прием сигнала антенной второго приемопередатчика по меньшей мере с одного из возможных направлений луча, причем в это время положение луча антенны первого приемопередатчика остается неизменным; В) определение такой комбинации направлений лучей антенн двух приемопередатчиков, которые позволяют обеспечить предварительно заданный критерий, причем каждый модуль управления генерирует инструкции по выбору оптимального направления луча антенны на противоположной стороне системы связи, а каждый приемопередатчик передает инструкции по выбору оптимального направления луча антенны на противоположной стороне системы; и затем Г) применение найденных положений лучей антенн на одном или двух приемопередатчиках.
Раскрытый способ обеспечивает точную настройку направлений лучей антенн, которые могут быть в автоматическом режиме восстановлены, используя любой соответствующий критерий при наступлении любого события, связанного с изменением ориентации антенн.
В предпочтительном варианте реализации раскрытого способа тестируются все возможные комбинации направлений лучей двух приемопередатчиков. Это обеспечивает более точную настройку, что сводит к минимуму возможные ошибки при передаче данных.
В одном из вариантов реализации способа по изобретению тестируются только соседние положения луча к некоторому направлению, на которое была настроена антенна приемопередатчика до начала процедуры подстройки луча.
В соответствии с другим вариантом реализации изобретения первым приемопередатчиком передается по меньшей мере одна тестовая последовательность, известная на стороне второго приемопередатчика. Эта тестовая последовательность принимается вторым приемопередатчиком и служит для определения комбинации наиболее эффективных направлений лучей двух антенн, при которой достигается некоторый заранее заданный критерий.
Согласно еще одному варианту реализации по меньшей мере одна тестовая последовательность передается первым приемопередатчиком, причем различные тестовые последовательности передаются антенной в различных направлениях, и второй приемопередатчик способен таким образом определить наиболее эффективное направление луча первого приемопередатчика на основе типа тестовой последовательности, принятой наилучшим образом.
В соответствии с еще одним вариантом реализации изобретения второй приемопередатчик информирует первый приемопередатчик о направлении луча антенны для последнего, которое позволяет обеспечить необходимый критерий. Такое информирование производится путем передачи индекса, ассоциированного с тестовой последовательностью, переданной в данном направлении. При этом информация об индексе луча встраивается в поток данных, передаваемых от второго приемопередатчика к первому приемопередатчику.
В соответствии с еще одним вариантом реализации изобретения сигналы, используемые для передачи данных от первого ко второму приемопередатчику, также используются и для измерения принимаемой мощности на стороне второго приемопередатчика. Это позволяет определить комбинацию направлений лучей антенн двух приемопередатчиков так, чтобы удовлетворялся необходимый критерий.
Предпочтительно требуемый критерий состоит в максимизации принимаемой мощности на стороне второго приемопередатчика. Это обеспечивает наилучшее качество передачи данных и минимальную вероятность ошибок, возникающих в системе при передаче данных.
В соответствии с еще одним вариантом реализации изобретения требуемый критерий заключается в максимизации скорости передачи данных от первого приемопередатчика ко второму приемопередатчику.
В соответствии с еще одним вариантом реализации изобретения требуемый критерий заключается в обеспечении надежной передачи данных между первым и вторым приемопередатчиками.
В соответствии с еще одним вариантом реализации изобретения предложенный способ дополнительно содержит этап непрерывного мониторинга уровня принимаемой мощности и периодического выполнения этапов А) - Г) в случае разрыва радиосоединения и прекращения обмена данными между первым и вторым приемопередатчиками.
Согласно еще одному варианту реализации способ предполагает дополнительное выполнение этапов А) - Г) каждый раз после передачи одного или более пакетов данных.
Согласно еще одному варианту реализации способ предполагает дополнительное выполнение этапов А) - Г) с регулярной периодичностью после истечения некоторого предустановленного временного интервала.
В соответствии с еще одним вариантом реализации изобретения второй приемопередатчик выполнен с возможностью определения успешной передачи данных от первого приемопередатчика, а раскрытый способ включает выполнение этапов А) - Г) в случае или последовательного приема одного или более ошибочных пакетов данных или потери синхронизации между первым и вторым приемопередатчиками.
Согласно еще одному варианту реализации второй приемопередатчик выполнен с возможностью определения уровня принимаемой мощности, а предлагаемый способ включает выполнение этапов А) - Г) в случае уменьшения уровня принимаемой вторым приемопередатчиком мощности ниже некоторого заранее определенного порогового значения.
Предпочтительно измеренная принимаемая мощность вначале усредняется в течение 10 мин или более, и затем усредненное значение сравнивается с установленным порогом.
Другие аспекты и особенности реализации изобретения могут быть более детально поняты из приложенных чертежей и подробного описания.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 проиллюстрирована подстройка направлений лучей антенны Кассегрейна в радиорелейной системе, известной из уровня техники.
На фиг. 2 показана структура интегрированной линзовой антенны с электронным управлением лучом.
На фиг. 3 схематически показана радиорелейная система с антеннами с электронным сканированием.
На фиг. 4 проиллюстрирована структура радиорелейной системы, работающей в полнодуплексном режиме с частотным разделением приема и передачи, с интегрированными линзовыми антеннами с управляемым лучом.
На фиг. 5 показана блок-схема способа настройки направлений лучей для антенн радиорелейной системы в соответствии с изобретением.
Детальное описание изобретения
В соответствии с одним из вариантов реализации раскрываемого изобретения на каждом приемопередатчике РРС используются высоконаправленные антенны с возможностью электронного переключения направления луча в некотором непрерывном диапазоне углов, превышающем ширину луча антенны. При этом такое электронное сканирование может быть обеспечено в различных антеннах, как то зеркальные антенны, линзовые антенны с вынесенным облучателем, интегрированные линзовые антенны и другие. Такие антенны должны быть разработаны так, чтобы обеспечивать переключение между первичными облучателями в решетке, расположенной в фокальной плоскости основного зеркала или линзы, что тем самым формирует луч диаграммы направленности в различных направлениях.
Наиболее перспективным является применение в предложенной системе РРС сканирующих интегрированных линзовых антенн, представляющих собой диэлектрическую линзу эллиптической или квазиэллиптической формы с интегрированной на ее заднюю (плоскую) фокальную поверхность решеткой переключаемых первичных облучателей. Примеры структур интегрированной линзовой антенны показаны на фиг. 2. Такая конфигурация антенны наиболее совместима с массовыми технологиями реализации пленарных облучателей на печатных платах и технологиями полупроводниковых микросхем, которые используются для создания приемопередатчиков и переключающих схем вплоть до миллиметрового диапазона длин волн. Это обеспечивает минимальную стоимость и максимальную эффективность РРС при массовом производстве.
Основной принцип выбора направлений лучей антенн двух РРС проиллюстрирован на фиг. 3. На данном чертеже схематически показаны две антенны 1, установленные на вышках 4 сотовых сетей связи, и набор возможных пересекающихся по некоторому заданному уровню лучей 2. Также красными линиями показаны лучи 3, которые выбираются по некоторому критерию для обеспечения наиболее эффективных приема и передачи сигнала. В одном из вариантов реализации угловое расстояние между соседними направлениями лучей в каждой антенне равны или меньше, чем ширина луча антенны по уровню половинной мощности.
Предлагаемая система РРС в наиболее предпочтительном варианте реализации обеспечивает полнодуплексную связь с частотным разнесением приема и передачи в перспективных диапазонах частот 71-76 ГГц и 81-86 ГГц, для которых во многих странах мира упразднена или установлена упрощенная процедура лицензирования. Структура предлагаемой системы РРС, работающей в режиме частотного дуплексирования, со сканирующими интегрированными линзовыми антеннами показана на фиг. 4. Основными функциональными блоками каждой радиорелейной станции в рассматриваемой системе являются линзовая антенна 10, решетка переключаемых облучателей 11, интегрированных на линзу, переключающая схема 12, модуль 13 управления, диплексер 14, передатчик 15 и приемник 16. Одна станция передает сигнал в полосе частот 71-76 ГГц, а принимает в полосе 81-86 ГГц, тогда как другая передает сигнал в полосе частот 81-86 ГГц, а принимает в полосе 71-76 ГГц. В данном случае диплексер 14 предназначен для обеспечения изоляции между приемником и передатчиком в каждой РРС. Необходимо отметить, что антенна 10 может быть представлена и другими типами сканирующих антенн, например параболической антенной, антенной Кассегрена или классической линзовой антенной с решеткой переключаемых облучателей, расположенной в фокальной плоскости фокусирующего элемента.
В рассмотренном варианте реализации системы РРС модули 13 управления выполняют алгоритмы для управления основным лучом диаграммы направленности антенны. Причем для выполнения алгоритмов модули управления используют контрольную информацию от блока цифрового модема РРС (например, уровень мощности сигнала или максимальную скорость передачи данных по радиосоединению) и/или сетевого устройства, расположенного в сетевой топологии после РРС и выполненного с возможностью измерения скорости передачи данных и других показателей эффективности радиосоединения. На выходе модуль управления генерирует управляющие сигналы, определяющие выбор соответствующего положения луча антенны РРС. Также модуль управления одной РРС может генерировать инструкции для нахождения оптимального направления луча антенны на ответной РРС радиосоединения. Для такого сигнализирования может передаваться, например, индекс оптимального направления луча антенны на ответную сторону. Для этого модуль управления может иметь подключение к блоку цифрового модема РРС (если последний поддерживает возможность передачи индекса) или к сетевому устройству.
Дополнительно модуль управления может иметь сетевое подключение для удаленного управления и слежения за характеристиками производительности РРС.
С точки зрения аппаратной реализации, требуемый модуль управления может быть создан с использованием различных аппаратных платформ. Так как вычислительные затраты на реализацию алгоритмов электронного сканирования лучом не являются высокими, то наиболее предпочтительным вариантом является использование какого-либо программируемого микроконтроллера. Модуль управления при этом может иметь блоки для выполнения операций начальной юстировки антенн, слежения за заранее определенными параметрами РРС и подстройки антенн при необходимости. В другом варианте логическая схема модуля управления может быть реализована в блоке цифрового модема каждой РРС без использования дополнительных электронных компонентов.
Рассматриваемая система радиорелейной связи с электронной подстройкой луча позволяет значительно упростить и ускорить процедуру первичной юстировки антенн приемопередатчиков РРС, а также обеспечивает автоматическое восстановление соединения при небольших изменениях ориентации РРС вследствие воздействия различных внешних факторов (ветер, вибрации, различная интенсивность нагревания несущих конструкций в различное время суток и другие причины). С другой стороны, система РРС с электронной подстройкой луча позволяет устанавливать приемопередатчики в наиболее эффективных для передачи местах (вершины вышек, башен, высотных зданий), невзирая на более значительные и частые отклонения несущих конструкций.
В некоторых вариантах реализации представленная радиорелейная система содержит антенны с коэффициентом усиления более 30 дБи и может быть использована без ограничений для построения транспортных каналов сотовых систем связи, систем передачи данных типа точка-точка и других систем радиосвязи миллиметрового диапазона длин волн.
Для того чтобы реализовать рассмотренное выше преимущество, заключающееся в возможности автоматической компенсации отклонения ориентаций лучей, система РРС должна также реализовывать способ выполнения процедуры формирования луча и выбора оптимальной комбинации направлений антенн двух радиорелейных станций. Возможность электронной подстройки луча позволяет применить различные способы такой подстройки, которые также раскрываются в изобретении.
Критерии для оптимизации (выбора) направлений лучей могут быть различными. Наиболее обоснованный критерий это уровень принимаемой радиорелейной станцией мощности. Однако уровень мощности принимаемого сигнала может быть не всегда оценен для использования в алгоритме управления антенны. Например, такая ситуация может возникнуть в случае, когда линзовая антенна используется как внешняя антенна к РРС (и может использоваться попеременно с фиксированной неуправляемой антенной) и когда алгоритм управления не имеет доступа к внутренним параметрам РРС, таким как уровень принимаемой мощности сигнала. В таких случаях вместо уровня мощности принимаемого сигнала могут использоваться другие критерии, например скорость передачи данных, обеспечиваемая радиорелейной линией или возможность передачи данных через линию (т.е. критерием может являться существование или обрыв радиосоединения).
Поиск оптимальной комбинации направлений лучей антенн должен выполняться посредством тестирования уровня мощности принимаемого сигнала (или другой целевой характеристики как рассмотрено выше) и выбора той комбинации, которая соответствует максимуму целевой характеристики. Одним из подходов к такому поиску может быть выполнение исчерпывающего поиска по всем возможным комбинациям направлений лучей двух антенн. В другом варианте реализации тестирование выполняется только для соседних направлений лучей к тем, которые были использованы системой РРС для передачи данных до начала процесса поиска новой комбинации. Общая блок-схема предлагаемого способа настройки направлений лучей антенн РРС представлена на фиг. 5.
Представленный на фиг. 5 способ взаимной настройки направлений лучей антенн двух РРС, включает следующие этапы: А) передача первой РРС сигнала по некоторым направлениям основного луча антенны; Б) при неизменном направлении основного луча антенны первой РРС прием сигнала второй РРС с некоторых направлений основного луча антенны; В) выбор комбинации направлений основных лучей антенн обеих РРС, соответствующей максимуму заданного критерия (например, максимуму принимаемой мощности на второй РРС), и затем Г) применение выбранных направлений основных лучей антенн к одной или двум радиорелейным станциям. Все указанные этапы в рассмотренном способе могут выполняться всякий раз после передачи одного или более пакетов данных или после истечения некоторого заранее определенного временного интервала.
Для выполнения процедуры поиска направлений и формирования лучей за счет измерения уровня принимаемой мощности одна из РРС в системе может посылать специальные тестовые сигналы, известные на второй РРС, и, таким образом, облегчить измерение уровня принимаемой мощности второй станцией и обеспечить более точные и быстрые результаты измерений. Это облегчает также и определение комбинации направлений основных лучей антенн двух РРС, при которых обеспечивается выполнение некоторого критерия. Например, критерий может состоять в максимизации принимаемой второй РРС мощности, максимизации скорости передачи данных между первой и второй РРС. Тестовые сигналы могут быть различными для различных направлений лучей антенны передатчика, что обеспечит определение текущего направления передачи на приемной станции для последующей передачи индекса этого направления луча обратно на передающую станцию. Такая обратная связь может осуществляться в том же канале связи, который использовался для передачи данных, за счет встраивания этой информации в поток данных.
Индексы оптимальной комбинации направлений лучей антенн передатчика и приемника, определенные в ходе процедуры поиска, должны быть использованы станциями РРС для установки соответствующих направлений лучей антенн. Выбранные направления применяются как для режима передачи, так и для режима приема на каждой станции (т.е. используются для дуплексной приемопередачи) несмотря на то, что поиск оптимальных направлений, рассмотренный выше, проводился только для односторонней передачи. Оптимальность выбранной комбинации направлений опирается либо на обратимость канала распространения сигнала, либо, в противном случае, устанавливается только направление луча приемной во время процедуры тестирования станции, в то время как направление луча второй станции должно быть выбрано за счет проведения аналогичной операции в обратном направлении.
Начало процедуры поиска оптимальных направлений лучей может инициироваться на регулярной основе, например, перед передачей каждого пакета данных, после передачи некоторого определенного числа пакетов данных или по истечении заранее определенного временного интервала.
В другом варианте реализации для относительно небольших смещений направлений лучей антенн начало процедуры поиска и формирования лучей выполняется предпочтительно только при необходимости, вызванной некоторым событием. Двумя наиболее важными такими событиями являются разрыв связи (либо последовательный неудачный прием на РРС нескольких пакетов данных, либо потеря синхронизации в канале связи) и уменьшение уровня принимаемой мощности ниже некоторого заданного уровня. Таким образом, в одном из вариантов реализации способ радиорелейной связи, раскрытый в изобретении, также включает этап мониторинга уровня принимаемой мощности на второй РРС и периодического повторения этапов А) - Г) всякий раз после разрыва соединения между первой и второй РРС. В случае слежения за уровнем принимаемой мощности способ включает выполнение этапов А) - Г) всякий раз при уменьшении принимаемой мощности на второй РРС до уровня, ниже чем некоторое заранее заданное пороговое значение.
В еще одном варианте реализации вторая РРС выполнена с возможностью детектирования случаев неудачной передачи пакетов данных от первой РРС. В этом случае при либо последовательном приеме одного или более некорректных пакетов данных, либо потере синхронизации между первой и второй РРС, способ радиорелейной связи включает выполнение всех указанных этапов А) - Г).
В последнем случае колебание (уменьшение) уровня принимаемой мощности или разрыв связи могут быть вызваны различными причинами, связанными не только с потерей взаимной ориентации антенн. В качестве таких причин могут выступать наличие дождя или снега, которые приводят к потере принимаемой мощности. Поэтому желательно, чтобы приемопередатчик РРС имел возможность разделять причины ухудшения связи для проведения процедуры подстройки направлений лучей антенн только в случае потери их взаимной ориентации. Один из вариантов реализации функции определения причин ухудшения качества связи заключается в выполнении усреднения уровня принимаемой мощности по времени. Такое усреднение имеет смысл также и для определения медленных отклонений направлений лучей, вызванных, например, смещением фундамента зданий. В этом случае усреднение уровня принимаемой мощности должно проводиться по временному интервалу длительностью больше, чем типичная длительность выпадения дождя или снега. Достаточным временным интервалом в данном случае является день или несколько дней. В другом варианте реализации измеряемый уровень принимаемой мощности вначале усредняется на временном отрезке в 10 мин или более, а затем усредненное значение сравнивается с заранее установленным пороговым значением.
Изобретение не ограничено конкретными вариантами реализации, раскрытыми в данном описании лишь в иллюстративных целях, и охватывает все модификации и варианты, не выходящие за рамки объема и сущности изобретения, которые определены последующей формулой изобретения.
1. Система связи типа "точка-точка" миллиметрового диапазона длин волн с электронной подстройкой антенн, содержащая:
первую приемопередающую систему, расположенную в первом месте расположения и
вторую приемопередающую систему, расположенную во втором месте расположения,
причем первая приемопередающая система выполнена с возможностью передачи данных на вторую приемопередающую систему и приема данных от нее, а вторая приемопередающая система выполнена с возможностью передачи данных на первую приемопередающую систему и приема данных от нее,
отличающаяся тем, что каждая приемопередающая система содержит
антенну с узким лучом диаграммы направленности, выполненную с возможностью электронного переключения основного луча между по меньшей мере двумя направлениями,
модуль управления, содержащий блок мониторинга, выполненный с возможностью измерения параметров производительности системы связи, причем
каждый модуль управления выполнен с возможностью генерирования управляющих сигналов для управления положением луча антенны на основе полученных параметров производительности системы связи, причем
каждый модуль управления дополнительно выполнен с возможностью генерирования инструкций по выбору оптимального направления луча антенны на противоположной стороне системы связи,
а каждая приемопередающая система выполнена с возможностью передачи инструкций по выбору оптимального направления луча антенны на противоположной стороне системы связи.
2. Система по п. 1, в которой блоки мониторинга параметров производительности системы связи реализованы в виде блоков цифрового модема.
3. Система по п. 1, в которой каждая приемопередающая система выполнена с возможностью работы в режиме частотного дуплексирования для разделения передаваемых и принимаемых сигналов.
4. Система по п. 3, в которой первая приемопередающая система выполнена с возможностью передачи сигналов в полосе частот 71-76 ГГц и приема сигналов в полосе частот 81-86 ГГц, а вторая приемопередающая система выполнена с возможностью передачи сигналов в полосе частот 81-86 ГГц и приема сигналов в полосе частот 71-76 ГГц.
5. Система по п. 1, в которой разделение между каждыми соседними направлениями лучей для каждой антенны равно или меньше, чем ширина луча антенны по уровню половинной мощности.
6. Система по п. 1, в которой антенны обеспечивают коэффициент усиления более 30 дБи.
7. Система по п. 6, в которой по меньшей мере одна из антенн является параболической антенной с расположенной в фокальной плоскости решеткой переключаемых антенных элементов, используемой для электронного управления лучом.
8. Система по п. 6, в которой по меньшей мере одна из антенн является антенной Кассегрена с расположенной в фокальной плоскости решеткой переключаемых антенных элементов, используемой для электронного управления лучом.
9. Система по п. 6, в которой по меньшей мере одна из антенн является фокусирующей линзовой антенной с расположенной в фокальной плоскости решеткой переключаемых антенных элементов, используемой для электронного управления лучом.
10. Система по п. 6, в которой по меньшей мере одна из антенн является интегрированной линзовой антенной с расположенной на задней фокальной поверхности линзы решеткой переключаемых антенных элементов, используемой для электронного управления лучом.
11. Система по п. 1, в которой модуль управления каждой из приемопередающих систем содержит
блок начальной юстировки антенны, выполненный с возможностью осуществления начальной юстировки антенн первой и второй приемопередающих систем относительно друг друга, и
блок подстройки,
причем блок мониторинга дополнительно выполнен с возможностью генерации сигнала для инициации подстройки, а
блок подстройки выполнен с возможностью подстройки антенны первой приемопередающей системы и/или антенны второй приемопередающей системы в соответствии с указанным сигналом.
12. Система по п. 1, в которой модуль управления каждой приемопередающей системы выполнен в виде программируемого микроконтроллера.
13. Система по п. 1, в которой модуль управления выполнен в блоке цифрового модема каждой приемопередающей системы.
14. Способ взаимной настройки направления антенн первой и второй приемопередающих систем миллиметрового диапазона длин волн в системе связи типа "точка-точка" миллиметрового диапазона длин волн с электронной подстройкой антенн в соответствии с любым из пп. 1-13, содержащий этапы:
A) передачи сигнала антенной первой приемопередающей системы по меньшей мере в одном направлении основного луча антенны первой приемопередающей системы;
Б) приема сигнала антенной второй приемопередающей системы по меньшей мере с одного направления основного луча антенны второй приемопередающей системы при неизменном направлении основного луча антенны первой приемопередающей системы;
B) определения комбинации направлений основных лучей антенн обеих приемопередающих систем таким образом, что достигается заданный критерий, причем каждый модуль управления генерирует инструкции по выбору оптимального направления луча антенны на противоположной стороне системы связи, а каждая приемопередающая система передает инструкции по выбору оптимального направления луча антенны на противоположной стороне системы, и
Г) применения определенных направлений основных лучей антенн к одной или двум приемопередающим системам.
15. Способ по п. 14, при котором тестируются все комбинации направлений основных лучей антенн обоих приемопередающих систем.
16. Способ по п. 14, при котором тестируются только те направления основных лучей антенн, которые являются соседними к направлениям основных лучей антенн, используемым соответствующими приемопередающими системами до начала процедуры настройки.
17. Способ по п. 14, при котором первая приемопередающая система передает по меньшей мере одну тестовую последовательность данных, известную второй приемопередающей системе, причем указанная тестовая последовательность используется для определения комбинации направлений основных лучей антенн обеих приемопередающих систем, таким образом что достигается заданный критерий.
18. Способ по п. 17, при котором первая приемопередающая система передает по меньшей мере одну тестовую последовательность данных, таким образом что различные тестовые последовательности передаются от различных направлений основного луча антенны, и вторая приемопередающая система способна определить направление основного луча антенны первой приемопередающей системы посредством детектирования типа передаваемой тестовой последовательности.
19. Способ по п. 14, при котором вторая приемопередающая система информирует первую приемопередающую систему о направлении основного луча антенны первой приемопередающей системы, обеспечивающем заданный критерий, посредством передачи индекса такого направления первой приемопередающей системе и вставки этой информации в поток данных, передаваемый от второй приемопередающей системы к первой приемопередающей системе.
20. Способ по п. 14, при котором сигналы, используемые для передачи данных от первой приемопередающей системы ко второй приемопередающей системе, также используются для измерения уровня принимаемой мощности на второй приемопередающей системе и для определения комбинации направлений основных лучей антенн обеих приемопередающих систем таким образом, что достигается заданный критерий.
21. Способ по любому из пп. 14-20, при котором заданным критерием является максимизация принимаемой мощности на второй приемопередающей системе.
22. Способ по любому из пп. 14-20, при котором заданным критерием является максимизация скорости передачи данных от первой приемопередающей системы ко второй приемопередающей системе.
23. Способ по любому из пп. 14-20, при котором заданным критерием является обеспечение надежности передачи данных между первой и второй приемопередающими системами.
24. Способ по п. 14, дополнительно содержащий этап мониторинга уровня принимаемой мощности на второй приемопередающей системе и периодического выполнения этапов А) - Г) после разрыва соединения для передачи данных между первой и второй приемопередающими системами.
25. Способ по п. 14, в котором этапы А) - Г) выполняют регулярно после передачи одного или более пакетов данных.
26. Способ по п. 14, в котором этапы А) - Г) выполняют регулярно после истечения заданного временного интервала.
27. Способ по п. 14, при котором вторая приемопередающая система отслеживает успешность передачи данных от первой приемопередающей системы ко второй приемопередающей системе, причем способ дополнительно содержит выполнение этапов А) - Г) после последовательного ошибочного приема второй приемопередающей системой одного или более пакетов данных либо потери синхронизации между первой и второй приемопередающими системами.
28. Способ по п. 14, при котором вторая приемопередающая система отслеживает уровень принимаемой мощности, причем способ дополнительно содержит выполнение этапов А) - Г) при уменьшении уровня мощности, принимаемой второй приемопередающей системой, ниже заданного порогового значения.
29. Способ по п. 28, в котором измеренный уровень принимаемой мощности сначала усредняется по временному интервалу длительностью 10 мин или более, и затем усредненное значение сравнивается с заданным пороговым значением.
