БАЗОВАЯ СТАНЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ РАДИОДОСТУПА

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в качестве базовой станции для организации высокоскоростных радиосетей передачи информации и пакетной дуплексной радиосвязи, обмена цифровой информацией в соответствии со стандартом IEEE 802.16е (http://standards.ieee.org/getieee802), имеющей в качестве источника цифровой информации интерфейс инфраструктуры высокоскоростной передачи данных Ethernet (стандарт организации локальных сетей IEEE 802.3 и IEEE 802.3u), со скоростью передачи данных 10/100 Мбит/сек, интерфейс управления, мониторинга и телеметрии базовой станции RS-232/RS-485 (МККТТ (CCITT) V.24/V.28, X.20bis/X.21bis и ISO IS2110) и встроенный GPS и/или GLONASS приемник с интерфейсом управления RS-232/RS-485 (МККТТ (CCITT) V.24/V.28, X.20bis/X.21bis и ISO IS2110).
Известно большое количество носимых и возимых радиостанций, например, радиостанции по патентам на полезные модели №72590, №87852, №87853, №92753 и др., выполняющих аналогичные функции.
Недостатком этих радиостанций является отсутствие встроенного GPS и/или GLONASS приемника для реализации глобальной фреймовой синхронизации в режиме базовой станции в соответствии со стандартом IEEE 802.16е;
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой базовой станции оборудования радиодоступа является базовая станция оборудования радиодоступа по патенту на полезную модель №92753, принятая за прототип.
На фиг.1 приведена обобщенная структурная схема радиостанции-прототипа, где обозначено:
1 - блок управления;
I - канал приема-передачи данных;
2 - синтезатор частот;
3 - кодер;
4 - передатчик;
5 - приемник;
6 - антенный коммутатор;
7.1 - приемопередающая антенна;
7.2 - приемная антенна;
8.1, 8.2 - первое и второе антенно-согласующие устройства (АСУ);
9 - декодер;
10 - модулятор;
11 - демодулятор;
12 - блок детектирования фреймов;
13 - блок формирования оценки CINR - (Carrier to interference plus noise ratio - отношение сигнал-шум);
14 - блок формирования оценки RSSI - (Receive Strength Signal Indicator  - индикатор уровня принимаемого сигнала);
15 - блок частотно-временной оценки принимаемого сигнала.
16 - модуль буферизации.
Устройство-прототип содержит блок управления 1, управляющий выход-вход которого соединен двунаправленной шиной управления с управляющим входом-выходом канала приема-передачи данных I, причем первый вход-выход блока управления 1 является интерфейсом сетей высокоскоростной передачи информации Ethernet, а второй и третий входы-выходы являются соответственно интерфейсом управления, мониторинга и телеметрии RS-232/RS-485 и интерфейсом RS-232/RS-485 для подключения к GPS приемнику.
Канал приема-передачи данных I содержит последовательно соединенные кодер 3, модулятор 10, передатчик 4 и антенный коммутатор 6, выход-вход которого через первое АСУ 8.1 подсоединен к приемопередающей антенне 7.1, последовательно соединенные двухканальный приемник 5, двухканальный демодулятор 11 и декодер 9, выход которого является информационным выходом канала приема-передачи данных I и соединен с информационным входом блока управления 1, информационный выход которого является информационным входом канала приема-передачи данных I и первым входом кодера 3, а также приемную антенну 7.2, которая через второе АСУ 8.2 соединена с третьим входом приемника 5, блок детектирования фреймов 12, блок формирования оценки CINR 13, блок формирования оценки RSSI 14 и блок частотно-временной оценки принимаемого сигнала 15, выполненные двухканальными, первые входы которых объединены и подсоединены к первому выходу приемника 5, а вторые входы объединены и подсоединены к его второму выходу. Кроме того, выход синтезатора частот 2 соединен со вторыми входами передатчика 4 и приемника 5, а его управляющий вход - с управляющим входом-выходом канала приема-передачи данных I и с управляющими входами кодера 3, модулятора 10, передатчика 4, приемника 5, демодулятора 11, декодера 9, антенного коммутатора 6, блока детектирования фреймов 12, блока формирования оценки CINR 13, блока формирования оценки RSSI 14 и блока частотно-временной оценки принимаемого сигнала 15. При этом выходы автоматической регулировки усиления (АРУ1 и АРУ2) и автоматической подстройки частоты (АПЧ1 и АПЧ2) первого и второго каналов демодулятора 11 соединены с соответствующими входами АРУ и АПЧ первого и второго каналов приемника 5, выход антенного коммутатора 6 соединен с первым входом приемника 5. Кроме того, выход блока детектирования фреймов 12 является первым выходом канала приема-передачи данных I, выход блока формирования оценки CINR 13 - его вторым выходом, выход блока формирования оценки RSSI 14 - третьим, выход блока частотно-временной оценки принимаемого сигнала 15 - четвертым, причем выходы с первого по четвертый канала приема-передачи данных I подсоединены к соответствующим входам блока управления 1.
Кроме того, базовая станция оборудования радиодоступа содержит двухканальный модуль буферизации 16, первый и второй входы которого являются соответственно входами опорной частоты и опорного импульса секундной метки, причем первый выход модуля буферизации - выход опорной частоты - соединен с пятым входом блока управления 1 и первым входом синтезатора частот 2, а второй выход - выход опорного импульса секундной метки - соединен с шестым входом блока управления 1 и вторым входом синтезатора частот 2, при этом первый и второй входы синтезатора частот 2 являются соответствующими входами канала приема-передачи данных I, кроме того, третий и четвертый выходы модуля буферизации 16 являются дополнительными выходами опорной частоты и опорного импульса секундной метки соответственно и зарезервированы для возможности наращивания количества канальных карт базовой станции.
Недостатком устройства-прототипа является отсутствие встроенного GPS и/или GLONASS приемника для реализации глобальной фреймовой синхронизации в режиме базовой станции в соответствии со стандартом IEEE 802.16е;
Задачей предлагаемого устройства является расширение функциональных возможностей базовой станции, за счет введения в ее состав встроенного GPS и/или GLONASS приемника для реализации глобальной фреймовой синхронизации в режиме базовой станции в соответствии со стандартом IEEE 802.16е.
Для решения поставленной задачи в базовую станцию оборудования радиодоступа, содержащую блок управления, управляющий выход-вход которого соединен двунаправленной шиной управления с управляющим входом-выходом канала приема-передачи данных, причем первый вход-выход блока управления является интерфейсом сетей высокоскоростной передачи информации Ethernet, второй и третий входы-выходы являются соответственно интерфейсом управления, мониторинга и телеметрии RS-232/RS-485 и интерфейсом RS-232/RS-485 для подключения к GPS приемнику, канал приема-передачи данных содержит последовательно соединенные кодер, модулятор, передатчик и антенный коммутатор, выход-вход которого через первое антенно-согласующее устройство подсоединен к приемопередающей антенне, а также последовательно соединенные двухканальный приемник, двухканальный демодулятор и декодер, выход которого является информационным выходом канала приема-передачи данных и соединен с информационным входом блока управления, информационный выход которого является информационным входом канала приема-передачи данных и первым входом кодера, а также приемную антенну, которая через второе антенно-согласующее устройство соединена с третьим входом приемника, модуль буферизации, блок детектирования фреймов, блок формирования оценки CINR - (Carrier to interference plus noise ratio), блок формирования оценки RSSI - (Receive Strength Signal Indicator) и блок частотно-временной оценки принимаемого сигнала, выполненные двухканальными, первые входы которых объединены и подсоединены к первому выходу приемника, вторые входы объединены и подсоединены к его второму выходу, кроме того, выход синтезатора частот соединен со вторыми входами передатчика и приемника, а его управляющий вход - с управляющим входом-выходом канала приема-передачи данных и с управляющими входами кодера, модулятора, передатчика, приемника, демодулятора, декодера, антенного коммутатора, блока детектирования фреймов, блока формирования оценки CINR, блока формирования оценки RSSI и блока частотно-временной оценки принимаемого сигнала, при этом выходы автоматической регулировки усиления (АРУ1 и АРУ2) и автоматической подстройки частоты (АПЧ1 и АПЧ2) первого и второго каналов демодулятора соединены с соответствующими входами АРУ и АПЧ первого и второго каналов приемника, выход антенного коммутатора соединен с первым входом приемника, при этом выход блока детектирования фреймов является первым выходом канала приема-передачи данных, выход блока формирования оценки CINR - его вторым выходом, выход блока формирования оценки RSSI - третьим, выход блока частотно-временной оценки принимаемого сигнала - четвертым, причем выходы с первого по четвертый канала приема-передачи данных подсоединены к соответствующим входам блока управления, кроме того, вход модуля буферизации является входом опорного импульса секундной метки, его первый выход соединен с пятым входом блока управления и первым входом синтезатора частот, являясь при этом первым входом канала приема-передачи данных, а второй выход модуля буферизации является дополнительным выходом опорного импульса секундной метки, согласно полезной модели, введены встроенный GPS и/или GLONASS приемник, выход которого через коммутатор опорного импульса секундной метки соединен с входом модуля буферизации, при этом модуль буферизации выполнен одноканальным, а второй вход коммутатора является внешним входом опорного импульса секундной метки, причем третий вход-выход блока управления соединен с входом-выходом встроенного GPS и/или GLONASS приемника при помощи интерфейса RS-232/RS-485.
Структурная схема предлагаемой базовой станции оборудования радиодоступа приведена на фиг.2, где обозначено:
1 - блок управления;
I - канал приема-передачи данных;
2 - синтезатор частот;
3 - кодер;
4 - передатчик;
5 - приемник;
6 - антенный коммутатор;
7.1 - приемопередающая антенна;
7.2 - приемная антенна;
8.1, 8.2 - первое и второе антенно-согласующие устройства (АСУ);
9 - декодер;
10 - модулятор;
11 - демодулятор;
12 - блок детектирования фреймов;
13 - блок формирования оценки CINR - (Carrier to interference plus noise ratio - отношение сигнал-шум);
14 - блок формирования оценки RSSI - (Receive Strength Signal Indicator - индикатор уровня принимаемого сигнала);
15 - блок частотно-временной оценки принимаемого сигнала;
16 - модуль буферизации;
17 - коммутатор опорного импульса секундной метки;
18 - GPS и/или GLONASS приемник;
Предлагаемое устройство содержит блок управления 1, управляющий выход-вход которого соединен двунаправленной шиной управления с управляющим входом-выходом канала приема-передачи данных I, причем первый вход-выход блока управления 1 является интерфейсом сетей высокоскоростной передачи информации Ethernet, а второй и третий входы-выходы являются соответственно интерфейсом управления, мониторинга и телеметрии RS-232/RS-485 и интерфейсом RS-232/RS-485 для подключения к встроенному GPS и/или GLONASS приемнику 18.
Канал приема-передачи данных I содержит последовательно соединенные кодер 3, модулятор 10, передатчик 4 и антенный коммутатор 6, выход-вход которого через первое АСУ 8.1 подсоединен к приемопередающей антенне 7.1, последовательно соединенные двухканальный приемник 5, двухканальный демодулятор 11 и декодер 9, выход которого является информационным выходом канала приема-передачи данных I и соединен с информационным входом блока управления 1, информационный выход которого является информационным входом канала приема-передачи данных I и первым входом кодера 3, а также приемную антенну 7.2, которая через второе АСУ 8.2 соединена с третьим входом приемника 5, блок детектирования фреймов 12, блок формирования оценки CINR 13, блок формирования оценки RSSI 14 и блок частотно-временной оценки принимаемого сигнала 15, выполненные двухканальными, первые входы которых объединены и подсоединены к первому выходу приемника 5, а вторые входы объединены и подсоединены к его второму выходу. Кроме того, выход синтезатора частот 2 соединен со вторыми входами передатчика 4 и приемника 5, а его управляющий вход - с управляющим входом-выходом канала приема-передачи данных I и с управляющими входами кодера 3, модулятора 10, передатчика 4, приемника 5, демодулятора 11, декодера 9, антенного коммутатора 6, блока детектирования фреймов 12, блока формирования оценки CINR 13, блока формирования оценки RSSI 14 и блока частотно-временной оценки принимаемого сигнала 15. При этом выходы автоматической регулировки усиления (АРУ1 и АРУ2) и автоматической подстройки частоты (АПЧ1 и АПЧ2) первого и второго каналов демодулятора 11 соединены с соответствующими входами АРУ и АПЧ первого и второго каналов приемника 5, выход антенного коммутатора 6 соединен с первым входом приемника 5. Выход блока детектирования фреймов 12 является первым выходом канала приема-передачи данных I, выход блока формирования оценки CINR 13 - его вторым выходом, выход блока формирования оценки RSSI 14 - третьим, выход блока частотно-временной оценки принимаемого сигнала 15 - четвертым, причем выходы с первого по четвертый канала приема-передачи данных I подсоединены к соответствующим входам блока управления 1.
Кроме того, в базовую станцию оборудования радиодоступа введены GPS и/или GLONASS приемник 18, выход опорного импульса секундной метки которого через коммутатор опорного импульса секундной метки 17 соединен с входом модуля буферизации 16, выполненного одноканальным, первый выход которого является первым входом канала приема-передачи данных I и соединен с пятым входом блока управления 1 и первым входом синтезатора частот 2, а второй выход является дополнительным выходом опорного импульса секундной метки и зарезервирован для возможности наращивания количества канальных карт базовой станции, при этом второй вход коммутатора 17 является внешним входом опорного импульса секундной метки. Кроме того, третий вход-выход блока управления 1 соединен с входом-выходом встроенного GPS и/или GLONASS приемника 18 при помощи интерфейса RS-232/RS-485.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
С включением питания базовая станция оборудования радиодоступа автоматически переходит в режим излучения служебных пакетов синхронизации согласно стандарту IEEE 802.16е. В процессе установления синхронизации с мобильными радиостанциями базовая станция оценивает помеховую обстановку и качество сигнала от мобильных станций в результате работы блока детектирования фреймов 12, блока формирования оценки CINR 13, блока формирования оценки RSSI 14 и блока частотно-временной оценки принимаемого сигнала 15. Основываясь на оценке помеховой обстановки и оценке частотно-временных и физических параметров принимаемых пакетов информации от мобильных станций может быть осуществлена процедура хэндовера, в ходе которой под управлением базовой станции происходит перестройка частоты мобильной станции на частоту другой базовой станции, а так же других параметров абонентской мобильной станции согласно стандарту IEEE 802.16e.
Базовая станция оборудования радиодоступа осуществляет передачу данных в направлении к мобильным станциям, находящимся в синхронизации с базовой станцией оборудования радиодоступа, по сигналу "Запрос передачи" от источника цифровой информации, использующего интерфейс высокоскоростной передачи информации Ethernet (стандарт организации локальных сетей IEEE 802.3 и IEEE 802.3u), со скоростью передачи данных 10/100 Мбит/сек. Данные сети Ethernet попадают на первый вход-выход блока управления 1, где реализуются методы доступа к среде, формат кадров, адресация, поддержка доступа к каналу связи, осуществляется прием и передача информационных и управляющих кадров, обнаруживаются ошибки приема-передачи, а также реализуется процедура хэндовера, позволяющая абонентским мобильным станциям переключаться между базовыми станциями, находящимися в синхронизации между собой, вследствие изменения своего местоположения и помеховой обстановки, не разрывая при этом связь и не прекращая прием-передачу цифровой информации. Все функциональные узлы и процессы, реализуемые в блоке управления 1 и синтезаторе частот 2, выполняются в строгой синхронизации с опорным импульсом секундной метки, поступающим с первого выхода модуля буферизации 16, второй выход которого зарезервирован для возможности наращивания количества канальных карт базовой станции, причем в случае наличия на входе коммутатора 17 обоих источников (опорного импульса секундной метки с GPS и/или GLONASS приемника 18 и внешнего опорного импульса секундной метки на втором входе коммутатора) коммутатор 17 будет транслировать опорный импульс секундной метки с GPS и/или GLONASS приемника 18.
Передаваемые пакеты информации, представляющие собой непрерывный поток байтов, с соответствующего информационного выхода блока управления 1 через информационный вход канала приема-передачи I поступают в кодер 3, где под управлением блока 1 байтовый поток кодируется и далее, в модуляторе 10 преобразуется в символы BPSK, QPSK, 16QAM либо 64QAM, предпочтительно с ортогональным частотным разделением. По завершении модуляции сигнал подается на первый вход передатчика 4. Блок 1 управляет передатчиком 4 и его необходимым уровнем выходной мощности. Затем сигнал поступает на антенный коммутатор 6, где под управлением блока 1 через антенно-согласующее устройство 8.1 поступает на приемопередающую антенну 7.1 и с канальной скоростью до 37.2 Мбит/сек излучается в эфир.
Режим приема базовая станция оборудования радиодоступа может осуществлять как на одну антенну 7.1, так и на две антенны 7.1 и 7.2, для последующего оптимального приема сигналов и подавления помех в двухканальном демодуляторе 11, обеспечивая тем самым улучшение помехозащищенности и пропускной способности канала приема-передачи данных I. Для этого в базовой станции оборудования радиодоступа предусмотрен двухканальный приемник 5.
В режиме приема на одну антенну базовая станция оборудования радиодоступа осуществляет процедуру обратного преобразования сигнала, принятого антенной 7.1. При этом сигнал через АСУ 8.1 и под управлением блока 1 с антенного коммутатора 6 поступает на первый вход приемника 5, а затем в демодулятор 11, где аналоговый сигнал дискретизируется и подается в виде сигнала обратной связи в контур автоматической регулировки усиления (АРУ), после чего цифровой сигнал подвергается цифровой обработке и фильтруется. После этих преобразований сигнал представляет собой символы с ортогональным частотным разделением, которые подаются в петлю обратной связи автоматической подстройки частоты так, чтобы частота приема совпадала с частотой принимаемого сигнала. Далее под управлением блока 1 происходит преобразование полученных символов BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM в поток бит, поступающих на выход демодулятора 11.
В зависимости от параметров, установленных на базовой станции, последовательный поток бит под управлением блока 1 декодируется в декодере 9, а затем сформированный информационный поток поступает в блок управления 1 для его преобразования в формат принимаемых данных, соответствующих стандарту организации локальных сетей IEEE 802.3 и IEEE 802.3u Ethernet, где реализуются методы доступа к среде, формат кадров, адресация, поддержка доступа к каналу связи, осуществляется прием и передача информационных и управляющих кадров, обнаруживаются ошибки приема-передачи и подается на вход-выход блока управления 1 для дальнейшего подключения абонентской мобильной станции к оборудованию инфраструктуры сетей высокоскоростной передачи информации, использующих интерфейс высокоскоростной передачи информации Ethernet.
Базовая станция оборудования радиодоступа анализирует отношение сигнал/шум и, как следствие, качество обмена информацией на рабочей частоте. При плохом отношении сигнал/шум базовая станция оборудования радиодоступа может адаптивно изменять тип кодирования и тип модуляции для обеспечения необходимого качества обмена информацией на рабочей частоте. Кроме того, базовая станция оборудования радиодоступа формирует оценки, получаемые в результате работы блока детектирования фреймов 12, блока формирования оценки CINR 13, блока формирования оценки RSSI 14, блока частотно-временной оценки принимаемого сигнала 15. Основываясь на оценке помеховой обстановки и оценке частотно-временных и физических параметров принимаемых пакетов информации от мобильных станций, может быть осуществлена процедура хэндовера, в ходе которой происходит перестройка частоты мобильной станции на частоту другой базовой станции, а так же других параметров абонентской мобильной станции согласно стандарту IEEE 802.16e.
Все функциональные блоки базовой станции оборудования радиодоступа управляется от блока управления 1 через шину управления каналом приема-передачи данных I сигналом, поступающим на управляющий вход соответствующего блока.
В режиме приема на две антенны базовая станция оборудования радиодоступа осуществляет процедуру обратного преобразования сигнала, принятого антеннами 7.1 и 7.2. В этом случае по сигналу от блока управления 1 в работу вступают вторые каналы приемника 5, демодулятора 11, аналогичные первым, и блок взвешенного суммирования и формирования потока битов данных демодулятора 11. При этом оба канала приемника и демодулятора работают независимо друг от друга, выполняя одни и те же функции. Также независимо друг от друга работают петли обратных связей АРУ и АПЧ обоих каналов приемника 5. Таким образом, в демодулятор 11 поступает два независимых потока данных, сформированных идентичными трактами приема, что позволяет на заключительном этапе демодуляции реализовать алгоритм оптимального взвешенного суммирования независимых потоков данных с целью подавления помех и, как следствие, увеличение пропускной способности канала приема-передачи данных I. При этом комплексные весовые коэффициенты суммирования входных потоков могут быть как постоянными, так и формироваться по определенному алгоритму.
Учитывая то, что приемник 5 выполнен двухканальным, функциональные узлы блоков 12, 13, 14 и 15 также являются двухканальными, что дает возможность кроме реализации процедуры хэндовера дополнительно осуществить процедуру автовыбора, заключающуюся в подключении к приему сигнала той антенны, физические характеристики сигнала и помеховая обстановка в точке приема которой наиболее благоприятны.
Кроме того, в базовой станции оборудования радиодоступа реализована процедура управления, мониторинга и телеметрии базовой станции за счет введения в состав блока управления 1 интерфейса RS-232/RS-485 (МККТТ (CCITT) V.24/V.28, X.20bis/X.21bis и ISO IS2110).
Блоки предлагаемой базовой станции оборудования радиодоступа такие, как блок управления 1, кодер 3, декодер 9, модулятор 10, демодулятор 11, блок детектирования фреймов 12, блок формирования оценки CINR 13, блок формирования оценки RSSI 14, блок частотно-временной оценки принимаемого сигнала 15 могут быть выполнены с использованием программируемых пользавателем вентильных матриц, представляющих собой матричную БИС ПЛИС или технологии на основе специальных интегральных схем (СИС, СБИС), а так же на основе технологии цифровых сигнальных процессоров и РИСК процессоров.
Модуль буферизации 16 может быть выполнен на дискретных элементах аналоговой техники, таких как операционные усилители, а коммутатор 17 - на элементах аналоговой техники, таких как операционные усилители или дискретных логических элементах (AND, NOT, OR, XOR), либо являться частью ПЛИС. В качестве GPS и/или GLONASS приемника 18 возможно использование специализированного набора интегральных схем (ChipSet), объединенных в одну гибридную БИС, к примеру модуль GPS и/или GLONASS приемника серии МНП российского производства, такие как МНП-М3 ЦВИЯ.468157.080, МНП-М7 и др., выполняющие аналогичные функции и формирующие опорный импульс секундной метки.
В качестве источника цифровой информации может быть использован интерфейс инфраструктуры высокоскоростной передачи информации Ethernet (стандарт организации локальных сетей IEEE 802.3 и IEEE 802.3u), со скоростью передачи данных 10/100 Мбит/сек.
Таким образом, предлагаемая базовая станция оборудования радиодоступа позволяет организовать высокоскоростную радиосеть передачи информации и пакетной дуплексной радиосвязи, обмена цифровой информацией в соответствии со стандартом IEEE 802.16е, осуществлять процедуру хэндовеpa, позволяющего абонентской мобильной станции переключаться между базовыми станциями вследствие изменения своего местоположения и помеховой обстановки, не разрывая при этом связь и не прекращая прием-передачу цифровой информации, а также повысить помехозащищенность и пропускную способность канала приема-передачи данных, не прибегая при этом к использованию внешних сигналов глобальной фреймовой синхронизации, а используя встроенный в базовую станцию оборудования радиодоступа GPS и/или GLONASS приемник.