БАЗОВАЯ СТАНЦИЯ СЕТИ БЕСПРОВОДНОГО ШИРОКОПОЛОСНОГО ДОСТУПА
BASE STATION FOR WIRELESS BROADBAND ACCESS NETWORK

Изобретение относится к технике связи и может быть использовано при создании беспроводных сетей широкополосного доступа.
Известна базовая станция сети беспроводного широкополосного доступа (см. Голышко А. Часть 4. BWA в борьбе за массовость. - Мир связи. Connect! №10, 2002), содержащая точку доступа и антенну, вход-выход которой подключен к входу-выходу точки доступа.
Однако указанное устройство имеет недостаток, заключающийся в том, что производительность базовой станции ввиду особенностей протокола доступа CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance, «многостанционный доступ с контролем несущей и предотвращением конфликтов») резко снижается из-за проявления известного эффекта «скрытого узла» (hidden node), когда клиентские стации находятся вне зоны радиослышимости друг друга. Этот эффект усугубляется с ростом числа клиентских станций. Реализованный в стандарте IEEE 802.11 механизм предотвращения коллизий, основанный на RTS/CTS (Request To Send/Clear To Send, Запрос на отправку / Готовность к отправке), не способен эффективно решить проблему (см. http://www.nnn.tstu.ru/twn/hidden_node/index_k.html).
Кроме того, известна базовая станция сети беспроводного широкополосного доступа (см. патент США №7545827 B2 от 09.06.2009), являющаяся прототипом предлагаемого изобретения, содержащая точку доступа, антенну, вход-выход которой подключен к входу-выходу точки доступа, блок формирования сигнала занятости канала (IBTG, Intelligent Busy Tone Generator), встроенный в точку доступа, дополнительную передающую антенну, вход которой подключен к выходу блока формирования сигнала занятости канала. В этом устройстве решение проблемы «скрытого узла» предполагается за счет того, что блок формирования сигнала занятости канала генерирует сигнал, по структуре аналогичный сигналу, который используется в преамбуле информационных пакетов. Такой сигнал излучается дополнительной передающей антенной во время приема базовой станцией информационного пакета от какой-нибудь клиентской станции, при этом другие клиентские станции принимают его и в соответствии с протоколом CSMA/CA, считая среду занятой, откладывают собственную передачу, избегая тем самым коллизий.
Однако указанное устройство имеет следующие недостатки. Сигнал занятости канала, генерируемый устройством, не содержащий информации о передаваемом пакете и имеющий только физическую составляющую, не в состоянии скоординировать работу клиентских станций. Для нормального функционирования, как это и заложено в протоколе CSMA/CA, все клиентские станции должны принимать не только преамбулы, но и заголовки информационных пакетов, в которых содержится информация о длительности пакета, в противном случае сеть теряет полносвязность, и возникают известные проблемы. Поведение сети в случае приема клиентскими станциями только модулированной несущей (как в преамбуле пакета) становится абсолютно непредсказуемым, более того, сигнал занятости канала может заблокировать клиентские станции при интенсивном трафике. Это происходит следующим образом. Пусть есть клиентская станция, начавшая передачу первой (назовем ее 1), и любая другая клиентская станция (назовем ее N). Клиентская станция N будет принимать сигнал занятости канала. Обнаружив преамбулу (несущую), например в течении около 15 мкс для устройства стандарта IEEE 802.11b, клиентская станция N будет пытаться принять заголовок пакета в течение 192 мкс (см. IEEE Std 802.11b-1999, p.24-25). При этом, даже если сигнал несущей пропадет сразу после 15 мкс, механизм CCA (clear channel assessment, оценка занятости канала) (см. IEEE Std 802.11b-1999, p.24-25) будет индицировать, что канал занят до истечения времени приема SFD (start frame delimiter, определитель начального кадра), и только после этого произойдет сброс сигнала CCA, и клиентская станция N перейдет к стандартной процедуре CSMA/CA, на что тоже требуется какое-то время (реальное время нахождения клиентской станции в таком «слепом» состоянии, назовем его Ts, зависит от особенностей реализации, так, для клиентских станций, выполненных на базе чипсета Prism II, заявитель наблюдал время около 200 мкс, а для выполненных на чипсете Agere (брэнд Orinoco) около 300 мкс). Таким образом, прием сигнала занятости канала происходит не непрерывно, а «кусками», кратными Ts. В связи с этим клиентская станция N может находиться в фактически нерабочем состоянии (она не может ни принимать, ни передавать пакеты) в течении времени от 0 до Ts после окончания пакета от станции 1. Так как механизм CSMA/CA предполагает конкурентный доступ к среде, появление дополнительного времени задержки для клиентской станции N, превышающего межкадровый промежуток DIFS (Distributed Inter Frame Space, межкадровый промежуток распределенной координационной функции) приведет к тому, что она будет постоянно «проигрывать в борьбе» за доступ к среде клиентской станции 1, и при интенсивном трафике от клиентской станции 1 будет заблокирована. Ясно, что при одновременной работе нескольких клиентских станций каждая из них будет испытывать подобные проблемы, снижая общую пропускную способность базовой станции. Это будет усугубляться при росте числа одновременно работающих клиентских станций, ограничивая потенциально возможное их количество.
Кроме того, указанное устройство имеет ограниченный радиус действия, так как может полностью заблокировать клиентскую станцию, если она окажется на значительном удалении от базовой станции. Это связано с эффектом эха. Клиентская станция, передающая пакет, получит обратно сигнал занятости канала с задержкой равной 1 мкс на 150 м удаления от базовой станции. Как было отмечено выше, если эта задержка составит около 15 мкс, клиентская станция будет заблокирована на время Ts, но в это время (в течение 10 мкс после окончания приема пакета) базовая станция должна отправить клиентской станции пакет ACK (сокр.от Acknowledge, подтверждение). Если клиентская станция его не получит, она будет пытаться повторить свой пакет. Но результат будет тот же, и в результате пакет будет потерян.
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение пропускной способности базовой станции сети беспроводного широкополосного доступа, количества одновременно работающих с ней клиентских станций и увеличение ее радиуса действия.
Поставленная задача достигается тем, что в базовую станцию сети беспроводного широкополосного доступа, содержащую точку доступа, антенну, блок формирования сигнала занятости канала, дополнительную передающую антенну, вход которой подключен к выходу блока формирования сигнала занятости канала, введены первый переключатель, вход-выход которого подключен к входу-выходу точки доступа, второй переключатель, вход которого подключен к выходу первого переключателя, вход-выход второго переключателя подключен к входу-выходу антенны, первый буферный усилитель, вход которого подключен к выходу второго переключателя, первый смеситель, сигнальный вход которого подключен к выходу первого буферного усилителя, делитель мощности, один выход которого подключен к гетеродинному входу первого смесителя, первый гетеродин, выход которого подключен ко входу делителя мощности, стробируемый предусилитель, вход которого подключен к выходу первого смесителя, первый фильтр боковой полосы, вход которого подключен к выходу стробируемого предусилителя, второй смеситель, сигнальный вход которого подключен к выходу первого фильтра боковой полосы, а гетеродинный вход второго смесителя подключен к другому выходу делителя мощности, первый ключ, вход которого подключен к выходу первого фильтра боковой полосы, а выход подключен ко входу блока формирования сигнала занятости канала, первый полосовой фильтр высокой частоты, вход которого подключен к выходу второго смесителя, второй буферный усилитель, вход которого подключен к выходу первого полосового фильтра высокой частоты, а выход подключен ко входу первого переключателя, детектор, вход которого подключен к входу-выходу точки доступа, а выход подключен к управляющим входам первого и второго переключателей, управляющему входу первого ключа и управляющему входу стробируемого предусилителя; блок формирования сигнала занятости канала выполнен в виде последовательно соединенных предусилителя, второго фильтра боковой полосы, второго ключа, усилителя с автоматической регулировкой усиления, третьего смесителя, второго полосового фильтра высокой частоты, усилителя мощности, а также второго гетеродина, выход которого подключен к соответствующему входу третьего смесителя, детектора широкополосного сигнала, вход которого подключен к выходу предусилителя, одновибратора, вход которого подключен к выходу детектора широкополосного сигнала, а выход подключен к управляющему входу второго ключа, причем вход предусилителя является входом блока формирования сигнала занятости канала, а выход усилителя мощности является выходом блока формирования сигнала занятости канала.
На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 - структурная схема блока формирования сигнала занятости канала, на фиг.3 - амплитудно-частотная характеристика фильтра боковой полосы, на фиг.4 - спектр сигнала на выходе антенны, на фиг.5 - спектр сигнала на входе-выходе точки доступа, на фиг.6 - спектр сигнала на выходе блока формирования сигнала занятости канала. Все спектры показаны относительно центральной частоты принимаемого сигнала.
Предлагаемое устройство (фиг.1) содержит точку доступа 1, например, стандарта IEEE 802-11a/b/g, детектор 2, выполненный на микросхеме, первый 3 и второй 4 переключатели, выполненные на p-i-n диодах, антенну 5, например, коллинеарную, первый буферный усилитель 6, представляющий собой малошумящий усилитель с коэффициентом усиления 10 дБ, выполненный на транзисторе, первый 7 и второй 8 смесители, выполненные на диодах Шоттки по балансной схеме, первый гетеродин 9, представляющий собой управляемый генератор на транзисторе, выполненный по микрополосковой технологии, стабилизированный частотой опорного генератора 5 МГц методом ФАПЧ, делитель мощности 10, выполненный на микрополосковой линии, стробируемый предусилитель 11, выполненный на микросхеме, имеющий усиление 40 дБ и содержащий LC-фильтры промежуточной частоты, первый фильтр боковой полосы 12, представляющий собой высокодобротный полосовой фильтр на поверхностно-акустических волнах, первый полосовой фильтр высокой частоты 13, выполненный по микрополосковой технологии, первый ключ 14, выполненный на p-i-n диодах, второй буферный усилитель 15, выполненный на транзисторе и имеющий усиление 10 дБ, блок формирования сигнала занятости канала 16, структурная схема которого приведена на фиг.2, дополнительную передающую антенну 17, аналогичную антенне 5.
Блок формирования сигнала занятости канала 16 (фиг.2) содержит предусилитель 18, выполненный на микросхеме и имеющий усиление 40 дБ, второй фильтр боковой полосы 19, представляющий собой высокодобротный полосовой фильтр на поверхностно-акустических волнах, аналогичный 12, второй ключ 20, выполненный на p-i-n диодах, усилитель с автоматической регулировкой усиления 21, представляющий собой микросхему с усилением 40 дБ и динамическим диапазоном входных сигналов 45 дБ, второй гетеродин 22, представляющий собой управляемый генератор на транзисторе, выполненный по микрополосковой технологии, стабилизированный частотой опорного генератора 5 МГц методом ФАПЧ, третий смеситель 23, выполненный на диодах Шоттки по балансной схеме, второй полосовой фильтр высокой частоты 24, выполненный по микрополосковой технологии, усилитель мощности 25, представляющий собой выполненный на микросхемах линейный усилитель с коэффициентом усиления 50 дБ и выходной мощностью 30 дБм (по уровню сжатия 1 дБ), детектор широкополосного сигнала 26, выполненный на микросхеме, одновибратор 27.
Устройство работает следующим образом. В режиме передачи на выходе точки доступа 1 появляется радиочастотный сигнал (с уровнем около 20 дБм), который детектируется детектором 2. В результате на выходе детектора 2 появляется управляющее напряжение, которое переключает вход-выход переключателя 3 на его выход, а вход-выход переключателя 4 на его вход. Таким образом точка доступа оказывается подключенной к антенне 5. Также управляющее напряжение с детектора 2 размыкает контакты первого ключа 14, отключая вход блока формирования сигнала занятости канала 16 от выхода первого полосового фильтра 13, и блокирует стробируемый предусилитель 11, предотвращая тем самым попадание части мощности радиочастотного сигнала точки доступа 1, просочившейся со входа переключателя 4 на его выход вследствие неидеальной развязки между ними, на вход блока формирования сигнала занятости канала 16. Работа базовой станции сети беспроводного широкополосного доступа в этом режиме не отличается от работы аналогов и происходит штатным для стандарта IEEE 802.11 способом.
В режиме приема информационного пакета от клиентской станции на выходе антенны 5 присутствует сигнал (с уровнем от - 80 дБм до - 35 дБм для данной реализации устройства) с центральной частотой Fs, спектр которого приведен на фиг.4 (рассмотрим работу в режиме приема DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum, расширение спектра методом прямой последовательности) сигнала, принципиально работа в режиме приема OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing, ортогональное мультиплексирование деления частоты) сигнала ничем не отличается). Сигнал с выхода антенны 5 поступает на вход-выход второго переключателя 4 и далее через его выход на вход первого буферного усилителя 6, там он усиливается и затем поступает на сигнальный вход первого смесителя 7. На гетеродинный вход первого смесителя 7 через делитель мощности 10 поступает сигнал первого гетеродина 9 с частотой Fg1. На выходе первого смесителя 7 формируется сигнал разностной частоты Fr, который после усиления стробируемым предусилителем 11 поступает на вход первого фильтра боковой полосы 12. Между частотами Fs и Fg1 должно выполняться такое соотношение, чтобы разностная частота Fr находилась на склоне амлитудно-частотной характеристики (например, правом) первого фильтра боковой полосы 12 в точке, где затухание составляет около 45 дБ, при этом Fs должна быть больше Fg1. В результате на выходе фильтра боковой полосы 12 формируется однополосный сигнал промежуточной частоты, несущая и вторая (в данном случае верхняя, боковая полоса которого подавлены на 45 дБ и более. Далее этот однополосный сигнал поступает на сигнальный вход второго смесителя 8 и через замкнутый первый ключ 14 на вход блока формирования сигнала занятости канала 16. На гетеродинный вход второго смесителя 8 через делитель мощности 10 поступает сигнал первого гетеродина 9. На выходе второго смесителя 8 формируются сигналы разностной и суммарной частоты, которые поступают на вход первого полосового фильтра 13. Первый полосовой фильтр 13 выделяет сигнал суммарной частоты, который после усиления во втором буферном усилителе 15 через первый переключатель 3 поступает на вход-выход точки доступа 1. Таким образом на входе-выходе точки доступа 1 оказывается сигнал (фиг.5), являющийся однополосной копией исходного сигнала на выходе антенны 5. Экспериментально проверено, что подобный сигнал (как DSSS, так и OFDM) без какого-либо ухудшения обрабатывается в приемных устройствах точек доступа и клиентских станций (что важно для дальнейшего рассмотрения) стандарта IEEE 802.11a/b/g, выполненных на различных чипсетах.
Рассмотрим далее, что происходит с однополосным сигналом промежуточной частоты, поступившим на вход блока формирования сигнала занятости канала 16. Он усиливается предусилителем 18 и поступает на вход второго фильтра боковой полосы 19, имеющего характеристику, показанную на фиг.3. При этом на выходе детектора широкополосного сигнала 26 появляется управляющее напряжение, запускающее одновибратор 27. На выходе одновибратора 27 формируется импульс, длительность которого выбирается равной сумме времен преамбулы, и заголовка информационного пакета (для DSSS, например, 192 мкс). Этот импульс поступает на управляющий вход второго ключа 20 и замыкает его. При этом однополосный сигнал промежуточной частоты с выхода второго фильтра боковой полосы 19 проходит на вход усилителя с автоматической регулировкой усиления 21, с выхода которого затем поступает на сигнальный вход третьего смесителя 23. На гетеродинный вход третьего смесителя 23 поступает сигнал с выхода второго гетеродина 22. При этом частота Fg2 второго гетеродина 22 выбирается из соотношения Fg2=2Fs-Fg1. На выходе третьего смесителя 23 формируются сигналы разностной и суммарной частоты, которые поступают на вход второго полосового фильтра 24. Второй полосовой фильтр 24 выделяет сигнал суммарной частоты, который после усиления в усилителе мощности 25 поступает на вход дополнительной передающей антенны 17. Уровень этого сигнала составляет около 20 дБм при данных значениях приемного сигнала и указанных параметрах элементов устройства. Этот сигнал и является сигналом занятости канала в предлагаемом устройстве и излучается в эфир. Спектр сигнала на входе дополнительной передающей антенны 17 имеет вид, показанный на фиг.6. Он представляет собой однополосный сигнал, зеркальный сигналу, приходящему на вход-выход точки доступа 1. Чтобы излучаемый дополнительной передающей антенной 17 сигнал не мешал приему, между ней и антенной 5 должна быть обеспечена необходимая развязка. Эксперименты показывают, что при выбранной амлитудно-частотной характеристике фильтров 12 и 19 (фиг.3) достаточна развязка 60 дБ. Например, в случае коллинеарных антенн в диапазоне 2.4 ГГц это может быть достигнуто разнесением их по оси на расстояние около 1.5 м. При необходимости требуемая развязка может быть уменьшена за счет применения фильтров с большим значением внеполосного затухания или использования каскадированных фильтров.
Излучаемый дополнительной передающей антенной 17 однополосный сигнал принимается всеми клиентскими станциями (мы помним, что одна клиентская станция в это время ведет передачу). Как было уже отмечено, такой сигнал может быть обработан в их приемном устройстве. Так как этот сигнал содержит и преамбулу, и заголовок информационного пакета передающей клиентской станции, то другие клиентские станции, приняв его, получат полную информацию о длительности пакета и смогут скоординировать свою работу в соответствии с протоколом, таким же самым образом, как если бы они сами "слышали" передающую клиентскую станцию. Таким образом, по сравнению с базовой станцией сети беспроводного широкополосного доступа, принятой за прототип, сигнал занятости канала в предлагаемой базовой стации сети беспроводного широкополосного доступа не приводит к блокировке клиентских станций, предлагаемая базовая станция сети беспроводного широкополосного доступа действительно решает проблему "скрытого узла", за счет чего достигается увеличение ее пропускной способности и количества одновременно работающих с ней клиентских станций.
Рассмотрим, как упомянутый выше эффект эха проявляется в работе предлагаемой базовой станции сети беспроводного широкополосного доступа. В общем случае он будет иметь место при выполнении следующего соотношения: Tb-Tack+Td>Tg, где Tb - длительность сигнала занятости канала. Tack - длительность пакета ACK, передаваемого клиентской станцией, Tb - удвоенное время задержки распространения сигнала от базовой до клиентской станции, Tg - время, необходимое для обнаружения сигнала несущей приемным устройством. В базовой станции сети беспроводного широкополосного доступа, принятой за прототип, Tb=Tack, в то время как в предлагаемой базовой станции сети беспроводного широкополосного доступа Td ограничено суммой времен преамбулы и заголовка (задается в одновибраторе 27). Таким образом, легко видеть, что радиус действия предлагаемой базовой станции сети беспроводного широкополосного доступа больше на величину (в метрах) 150*(Tack-Tb), при этом времена выражены в микросекундах. Например, при рабочих скоростях 2 мбит/с это значение составит 8400 м.