Способ применения направленной широкополосной антенны для связи устройств с беспроводными сетями передачи данных
METHOD OF USING A DIRECTIONAL BROADBAND ANTENNA FOR COMMUNICATING DEVICES WITH WIRELESS DATA COMMUNICATIONS NETWORKS

Изобретение относится к пользовательским системам беспроводной связи и, в частности, к устройствам маршрутизации, используемым в беспроводных сетях передачи данных для обеспечения более стабильного и более скоростного доступа к сетевым ресурсам, таким как сервера сети Интернет.
Впервые конструкция антенны Вивальди была предложена Гибсоном (Gibson P.J., "The Vivaldi aerial", Proceeding 9-th European Microwave Conference, 1979, pp. 101-105). Антенна Вивальди содержит диэлектрическую подложку, металлический слой, расположенный на диэлектрической подложке, щель, выполненную в металлическом слое с расширяющимися стенками вдоль ее продольного направления, образующую раскрыв антенны. Антенна типа TSA (аббревиатура от англ. Tapered Slot Antenna - антенна с расширяющейся щелью) имеет форму, напоминающую камертон, поэтому из-за музыкальной ассоциации TSA принято называть антенной Вивальди.
Конструкция антенны Вивальди в применении к беспроводным сетям передачи данных обладает следующими особенностями: небольшие габариты, возможность работы в нескольких диапазонах радиочастот, высокий коэффициент усиления, возможность расширения или сужения ширины диаграммы направленности антенны, которая может быть реализована за счет подключения нескольких антенн на общую нагрузку.
Известны технические решения, описанные в патентах США:
US 2005/0058141, М.кл. H04L 12/56, опубл. 17.03.2005,
US 2005/0058142, М.кл. H04Q 7/20, опубл. 17.03.2005,
US 2005/0068926, М.кл. H04L 12/28, H04Q 7/24, опубл. 31.03.2005.
Сущность технических решений заключается в предоставлении конечным пользователям (потребителям, оборудованию потребителей) доступа к сети Интернет и сетевым ресурсам с использованием беспроводной сотовой сети классов GPRS, 3G и аналогов за счет организации доступа через беспроводной маршрутизатор доступа. Блоки приемопередатчиков снабжены антеннами для связи процессора с беспроводными сетями и предоставления информации из сетей пользователям.
Известные устройства содержат процессор (блок управления), блок приемопередатчика (для сети WLAN), блок приемопередатчика (для сотовой сети - GPRS, 3G или внешней карты), соединенные с процессором, осуществляющим их взаимодействие между собой и с сетями связи для получения пользователем доступа к сетевым ресурсам. Блоки приемопередатчиков снабжены антеннами для связи процессора с беспроводными сетями и предоставления информации из сетей пользователям.
Известно техническое решение - устройство мобильного маршрутизатора беспроводной сети связи (см. патент США US 7778230, М.кл. H04W 4/00, опубл. 17.08.2010), содержащего набор маршрутизаторов один из которых является основным, в который входит первый процессор (блок управления), первый блок памяти, связанный с процессором, первый и второй интерфейсы проводных сетей, каждый из которых соединен с первым процессором для обеспечения доступа пользователей, использующих локальную проводную или беспроводную сеть (LAN, WLAN), к сети Интернет или иной внешней IP-сети. При этом, каждый из остальных маршрутизаторов содержит второй процессор (блок управления), второй блок памяти, связанный со вторым процессором, первый и второй интерфейсы проводных сетей, каждый из которых соединен со вторым процессором и обеспечивает связь устройств пользователей с помощью антенн с беспроводными сотовыми сетями под управлением основного процессора.
Известен маршрутизатор беспроводной связи с системой агрегирования каналов [https://www.mushroomnetworks.com/product/truffle], опубл.: 29,05.2016. Принцип работы этого устройства построен на использовании как нескольких модемов с кабельной линией для агрегирования каналов, так и беспроводных модемов, подключенных к USB-портам маршрутизатора. Беспроводные модемы данного маршрутизатора соединены также с помощью антенн с беспроводными сотовыми сетями.
Известна система маршрутизации для беспроводной системы передачи информации (патент RU 125007U, опубл.: 20.02.2013), содержащая в себе блок интерфейсов доступа, соединенный с помощью антенн к внешним беспроводным сетям. Система заявлена как обеспечивающая повышение скорости и качества передачи данных, путем снижения задержек при приеме и передаче информации при осуществлении процедур переключения частот, кодов доступа и иных процедур, имеющих место в беспроводных сетях связи.
Известен способ (патент RU 2631972, опубл. 29.09.2017), включающий в себя устройство для предоставления услуг широкополосной передачи данных, в составе которого находятся модули беспроводной сотовой связи, соединяемые с помощью антенн с беспроводными сотовыми сетями. Способ и устройство также заявлены как обеспечивающие повышение скорости и качества передачи данных, путем снижения задержек при приеме и передаче информации.
Общим недостатком всех известных устройств является увеличение количества задержек во время передачи пользовательской информации, в случае совместного использования таких и аналогичных устройств с антеннами всенаправленного типа. В этом случае, частые задержки обусловлены главным образом из-за возникновением временных интервалов при переключении модулей беспроводной сотовой связи между базовыми станциями в беспроводных сотовых сетях передачи данных. Частые задержки ведут к потерям пакетов в процессе передачи данных, что, в свою очередь, приводит к снижению стабильности и скорости загрузки и выгрузки информации из сетей пользователями.
Задачей заявленного решения является устранение недостатка всех известных решений.
Техническим результатом изобретения является снижение потерь пакетов в процессе передачи данных при переключении устройств маршрутизаторов между базовыми станциями в беспроводных сотовых сетях передачи данных за счет применения направленных широкополосных антенн Вивальди в качестве антенн, соединенных к модулям беспроводной сотовой связи.
Указанный технический результат достигается за счет того, что заявлен способ применения широкополосной антенны Вивальди для связи устройств маршрутизаторов с беспроводными сотовыми сетями передачи данных, характеризующийся использованием устройства маршрутизатора, выполненного с обеспечением возможности соединения к его модулям беспроводной сотовой связи направленных широкополосных антенн Вивальди, при этом соединение и работу модулей беспроводной сотовой связи осуществляют преимущественно только с теми базовыми станциями в беспроводных сотовых сетях передачи данных, которые находятся в зоне действия главного лепестка диаграммы направленности антенн, а переключение модулей беспроводной связи между базовыми станциями в беспроводных сотовых сетях передачи данных проводят в выбранных направлениях.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 показан пример конструктивной схемы реализации заявленного способа с использованием направленной широкополосной антенны Вивальди в качестве антенн, соединенных к модулям беспроводной сотовой связи устройства маршрутизатора. При этом антенны модулей расположены в разных направлениях.
На чертеже: R - устройство маршрутизатор, a, b … n - модуль/модули беспроводной сотовой связи, 1, 2…N - широкополосная антенна Вивальди (стрелкой обозначено возможное направление главного лепестка диаграммы направленности антенн).
На Фиг. 2 показан пример конструктивной схемы реализации заявленного способа с использованием направленной широкополосной антенны Вивальди в качестве антенн, соединенных к модулям беспроводной сотовой связи устройства маршрутизатора. При этом антенны модулей расположены в одном направлении.
На чертеже: R - устройство маршрутизатор, a, b … n - модуль/модули беспроводной сотовой связи, 1, 2 … N - широкополосная антенна Вивальди (стрелкой обозначено возможное направление главного лепестка диаграммы направленности антенн).
На Фиг. 3 показан пример конструктивной схемы реализации заявленного способа с использованием направленной широкополосной антенны Вивальди, соединенной к модулям беспроводной сотовой связи устройства маршрутизатора посредством делителя мощности.
На чертеже: R - устройство маршрутизатор, D - делитель мощности, a, b … n - модули беспроводной сотовой связи, А - широкополосная антенна Вивальди (стрелкой обозначено возможное направление главного лепестка диаграммы направленности антенны).
На Фиг. 4 показан пример конструктивной схемы реализации заявленного способа с использованием направленной широкополосной антенны Вивальди в качестве антенн, соединенных к модулю беспроводной сотовой связи устройства маршрутизатора посредством делителя мощности. При этом схема соединения данных антенн через делитель мощности может быть применена как к одному модулю беспроводной связи, так и к нескольким одновременно.
На чертеже: R - устройство маршрутизатор, D - делитель мощности, a, b … n - модули беспроводной сотовой связи, 1, 2 - широкополосные антенна Вивальди (стрелкой обозначено возможное направление главного лепестка диаграммы направленности антенны).
На Фиг. 5 показан пример конструктивной схемы реализации заявленного способа с использованием направленной широкополосной антенны Вивальди в качестве антенн, соединенных к модулям беспроводной сотовой связи устройства маршрутизатора по схеме MIMO (Multiple Input Multiple Output). При этом, по схеме MIMO к одному модулю беспроводной сотовой связи может быть соединено две и более антенн.
На чертеже: R - устройство маршрутизатор, a, b … n - модуль/модули беспроводной сотовой связи, 1, 2 … N, lm, 2m … Nm - широкополосные антенны Вивальди (стрелкой обозначено возможное направление главного лепестка диаграммы направленности антенн).
Испытания устройств маршрутизаторов, в составе которых находились один или несколько модулей беспроводной сотовой связи 3G/4G, соединенные к антеннам всенаправленного типа и установленные на неподвижных и подвижных объектах показали, что возникновение частых задержек в передаче пользовательской информации и, следовательно, частые потери пакетов обусловлены возможностью работы модулей со всеми, находящимися вокруг, базовыми станциями беспроводных сотовых сетей передачи данных. При этом, чем больше коэффициент усиления всенаправленных антенн, тем чаще происходят переключения между базовыми станциями, что ведет к еще большему увеличению количества задержек во время передачи данных, особенно в случаях установки на подвижных объектах, и, как следствие, к увеличению потерь пакетов. Замена всенаправленных антенн на направленные широкополосные антенны Вивальди приводит к снижению количества задержек и к сокращению потерь пакетов в процессе передачи данных, что, в свою очередь, приводит к увеличению стабильности и скорости загрузки и выгрузки информации из сетей пользователями.
Использование способа позволяет сократить количество задержек при приеме и передаче пользовательской информации, что ведет к уменьшению потерь пакетов в процессе передачи данных при переключения устройств маршрутизаторов между базовыми станциями в беспроводных сотовых сетях передачи данных за счет применения направленных широкополосных антенн Вивальди в качестве антенн для соединения модулей беспроводной сотовой связи с беспроводными сотовыми сетями.
К числу возможных используемых модулей беспроводной сотовой связи могут относиться следующие устройства: модули беспроводной сотовой связи 2G/2,5G/3G/3,5G/4G/5G для беспроводных сетей CDMA/GPRS/EDGE/WCDMA/UMTS/HSDPA/HSUPA/HSPA/HSPA+/WiMax/LTE-A.