система стационарного цифрового широкополосного радиодоступа

Формула изобретения

Система стационарного цифрового широкополосного радиодоступа, содержащая базовую (центральную) радиостанцию СВЧ с антенной, имеющей круговую либо секторную диаграмму направленности, и размещенные в пределах прямой радиовидимости, на разных удалениях от базовой (центральной) станции СВЧ, групповые абонентские (оконечные) радиостанции СВЧ с высоконаправленными антеннами, ориентированными на базовую (центральную) станцию СВЧ, отличающаяся тем, что в состав базовой станции введен делитель мощности СВЧ на N направлений, введены N-1 остронаправленные антенны, работающие с двумя ортогональными поляризациями, групповой выход широкополосного передатчика (передатчиков) базовой станции СВЧ подключен ко входу делителя мощности, к одному из выходов которого присоединен одномодовый вход селектора поляризации антенны с круговой либо секторной диаграммой направленности в горизонтальной плоскости, а другие N-1 выходов делителя мощности присоединены к соответствующим входам селекторов поляризации N-1 остронаправленных антенн, при этом в состав базовой радиостанции СВЧ введен сумматор принимаемых от абонентских станций сигналов СВЧ с N направлений, имеющий в составе N преселекторов, N малошумящих усилителей СВЧ и схему сложения, выход которой соединен с групповым входом приемника (приемников СВЧ) базовой радиостанции СВЧ, а каждый отдельный вход сумматора сигналов соединен с выходом селектора поляризации соответствующей антенны.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике стационарной радиосвязи на СВЧ, преимущественно к оборудованию сельских и пригородных распределительных транспортных систем фиксированной сети связи, представляющему разновидность цифрового радиорелейного оборудования систем прямой видимости. Эти же распределительные радиосистемы, в зависимости от места в сети связи, называют также системами абонентского, либо сетевого радиодоступа, системами типа «точка - много точек».

Известно цифровое оборудование радиодоступа, использующееся в зависимости от конфигурации и размера территории обслуживания, от потребности в обслуживании и объема выделенного радиочастотного ресурса в многолучевой, либо сотовой структуре сети закрепленных либо коммутируемых цифровых потоков, функционирующее в одном из режимов многостанционного доступа (Например TDM/TDMA), состоящее из контролеров обеспечивающих функционирование системы по принятому протоколу, базовых (центральных) радиостанций (антенн, приемников, передатчиков, модемов,) на которых используется антенна имеющая, в большинстве случаев, круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости, либо антенна с секторной диаграммой направленности и значительного количества размещенных по обслуживаемой территории групповых либо индивидуальных абонентских (оконечных) радиостанций, направленные антенны которых ориентированы по азимутам на базовую станцию.

(См., например, рекламно справочные материалы «Система Rurtel», «Аппаратура Alcatel 9800», фирмы Alcatel, Беспроводный абонентский шлейф DRMASS», фирмы NEC и других фирм поставляющих оборудование для линий связи типа «точка - много точек»).

Развитие распределительных радиосистем подачи сигналов на станции сетей кабельного телевидения и конвергенция услуг на этой основе, привели к появлению и распространению широкополосных систем радиодоступа среди который наиболее известна в России система MMDS (См.ТСС: «Технологии и средства связи», отраслевой каталог, 2001 г.).

Основным недостатком всех видов оборудования радиосистем типа «точка - много точек», является слабая энергетика радиолиний, обусловленная использованием на базовой станции антенн с пониженным коэффициентом усиления, что при заданной достоверности передачи информации существенно уменьшает их радиус действия, а стремление компенсировать потери слабо направленных антенн повышением мощности передатчиков не всегда реализуемо в связи с возникновением значительной нелинейности тракта и всегда существенно снижает надежность передатчиков и устройств их электропитания. Кроме того, повышение мощности излучаемой слабо направленной антенной базовой станции увеличивает трудности обеспечения электромагнитной совместимости станций в сети и с другими радиосредствами. Антенны с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости и повышенным до 13-14 дБ усилением, за счет сокращения ширины диаграммы направленности по углу места, применяются мало по ряду причин, среди которых высокая стоимость, узкая рабочая полоса частот, возможные выпадения некоторых абонентских станций по высоте расположения из плоскости максимального усиления антенны базовой станции.

Известны такие элементы радиооборудования, как линейные делители и сумматоры мощности колебаний СВЧ (см. «Микроэлектронные устройства СВЧ» под ред. проф. Г.И.Веселова. М.: Высшая школа, 1988), ранее в оборудовании радиодоступа, с теми же взаимосвязями и целями, не применявшиеся.

Особенно остро ощутим дефицит энергетики сигнала в оборудовании высокочастотных диапазонов цифровых систем широкополосного радиодоступа типа LMDS, MVDS (ТСС, 2001 г.) и др., где велики потери сигнала в дождях и газах атмосферы, где радиотракт имеет большую полосу пропускания, где недостаточно низок пороговый уровень сигнала на входе приемника СВЧ, несмотря на применение когерентной демодуляции и декодеров Viterbi. Этот недостаток сильно ограничивает радиус действия любой такой системы и может заставить снижать скорость передачи данных на абонентские станции и обратно. Например, в современном оборудовании серии DMS фирмы BOSCH telecom (проспект фирмы, 1997 г.), скорость передачи на терминал составляет только от 64 кбит/с до 8 Мбит/с.

Известны системы для передачи сигналов связи по каналу радиосвязи между первой станцией связи и второй станцией связи в системе связи, содержащие, по меньшей мере, одну первую станцию связи, с которой связано упомянутое устройство, и, по меньшей мере, одну вторую станцию связи, отличающиеся тем, что содержат блок определения характеристики распространения для определения характеристик распространения канала радиосвязи, по которому передаются сигналы связи между первой станцией связи и второй станцией связи, и антенное устройство, подсоединенное для приема указаний характеристик распространения, определенных упомянутым блоком определения характеристики распространения, причем антенное устройство обеспечивает формирование диаграммы направленности антенны, которая, по меньшей мере, поочередно имеет, по меньшей мере, первую конфигурацию антенного луча и вторую конфигурацию антенного луча, при этом выбор диаграммы направленности, обеспечиваемой указанным антенным устройством, определяется упомянутым блоком определения характеристики распространения. (RU 2163052, Н 04 В 7/02, 2001.02.10).

Технический результат заключается в увеличения дальности действия оборудования, надежности и экономической эффективности, а также энергетическом выигрыше по запасу на замирания и достигается тем, что система стационарного цифрового широкополосного радиодоступа, содержащая базовую (центральную) радиостанцию СВЧ с антенной, имеющей круговую либо секторную диаграмму, направленности и размещенные в пределах прямой радиовидимости, на разных удалениях от базовой станции, групповые абонентские (оконечные) радиостанции СВЧ с высоконаправленными антеннами, ориентированными на базовую станцию, отличается тем, что в состав базовой станции введен делитель мощности СВЧ на N направлений, введены N-1 остронаправленные антенны, работающие с двумя ортогональными поляризациями, групповой выход широкополосного передатчика (передатчиков) базовой станции подключен ко входу делителя мощности, к одному из выходов которого присоединен одномодовый вход селектора поляризации антенны с круговой, либо секторной диаграммой направленности в горизонтальной плоскости, а другие N-1 выходов делителя мощности присоединены к соответствующим входам селекторов поляризации N-1 остронаправленных антенн, ориентированных на максимально удаленные абонентские станции, при этом в состав базовой радиостанции СВЧ введен сумматор принимаемых от абонентских станций с N направлений сигналов СВЧ, имеющий в составе N преселекторов, N малошумящих усилителей СВЧ и схему сложения, выход которой соединен с групповым входом приемника (приемников) СВЧ базовой радиостанции СВЧ, а каждый отдельный вход сумматора сигналов соединен с выходом селектора поляризации соответствующей антенны.

В базовую радиостанцию известного комплекса оборудования введены дополнительные элементы и связи, посредством которых достигнут технический эффект увеличения дальности действия системы, без увеличения мощности передатчиков, а следовательно, без существенного снижения надежности оборудования.

К групповому выходу СВЧ-передатчика (передатчиков) базовой станции вместо слабонаправленной антенны с селектором поляризации присоединен вход делителя мощности СВЧ, без значительных потерь на N направлений (с возможностью индивидуальной установки коэффициента деления по каждому выходу), к одному из выходов делителя мощности присоединен одномодовый вход селектора поляризации антенны, имеющей круговую (секторную) диаграмму направленности в горизонтальной плоскости, другие N-1 выходов делителя мощности присоединены к соответствующим входам селекторов.

Делители мощности передачи сигналов СВЧ могут быть реализованы без значительных потерь и даже с регулируемым уровнем ответвляемой мощности. Потери мощности принимаемых сигналов СВЧ в схеме сложения сигналов предварительно компенсируются малошумящими усилителями сумматора сигналов. Электрические длины станционных соединений антенн могут обеспечивать синфазный режим антенны с круговой диаграммой направленности и каждой остронаправленной антенны в направлении ее ориентации.

При таком техническом решении энергетический выигрыш по запасу на замирания сигнала G (в дБ), в сравнении с одной малонаправленной антенной на базовой станции, определяется очевидным соотношением:

G=G_напр-10Ig N-b_{неидеал.} -G_акдн (ДБ),

где введены обозначения:

G_напр - усиление направленной антенны, дБ;

N - число выходов делителя мощности (удаленных абонентских станций);

b_{неидеал.} - потери неидеальности делителя и присоединительных кабелей, дБ;

G _акдн - усиление антенны с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости, дБ.

Если, например, G _напр=41 дБ; N=10; b_{неидеал.}=7 дБ; G_акдн=7 дБ, то выигрыш по принимаемым сигналам G, по предлагаемому решению составит 17 дБ и эквивалентен увеличению мощности передатчика в 50 раз.

При использовании предложенного оборудования в диапазонах частот до 11 ГГц, для распределения мультимедийной информации по абонентским станциям сети кабельного телевидения, антенна базовой станции с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости будет обслуживать часть территории ячейки с высокой плотностью абонентов, в радиусе, например, до 5-10 км от базовой станции. N-1 групповых абонентских станций в населенных пунктах, расположенных на удалении от 10 до 30-35 км, будут обслужены остронаправленными антеннами базовой станции, при обеспечении требований по качеству передачи цифровой информации, действующих на местных линиях связи. Изучение характеристик ряда реальных районов одной из областей центральной России показало, что число групповых абонентских станций в одном административном районе, к которым целесообразно иметь широкополосный радиодоступ (учебное и заказное телевидение, Интернет, пучок соединительных линий для телефонии), не превосходит N-1=6-7. Если нет потребности в распределении мультимедийной информации в пригородной зоне вокруг районного центра, то антенну с круговой диаграммой направленности можно исключить из состава базовой станции, заменив ее еще одной направленной.

На приведенном чертеже представлена блок-схема базовой станции предлагаемого оборудования широкополосного радиодоступа.

Базовая станция предлагаемого радиооборудования имеет приемопередающую антенну 1 с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости, остронаправленные приемопередающие антенны 2; 3, а также не показанные, для упрощения и ясности чертежа, остальные N-3 остронаправленные антенны, использующиеся с двумя ортогональными поляризациями сигналов при помощи типовых селекторов поляризации 4; 5; 6 и не показанных на чертеже еще N-3 таких же селектора. Одномодовые плечи селекторов с требующейся поляризацией подключенны к N выходам делителя мощности СВЧ 7, общий вход СВЧ которого подключен к выходу широкополосного передатчика СВЧ 8, либо к объединенному выходу передатчиков. Группа плеч селекторов с другой поляризацией, соответствующей принимаемым сигналам, подключена ко входам сумматора принимаемых сигналов 9, с выхода которого объединенный сигнал, принимаемый от абонентских станций, поступает на вход широкополосного приемника 10, либо на вход объединенных приемников СВЧ. На входы передатчика (передатчиков) 9 поступают сигналы промежуточной частоты (ПЧ), сформированные модуляторами и оборудованием основной полосы из цифровых потоков, предназначенных для передачи «вниз» (на абонентские станции). С выходов ПЧ широкополосного приемника (приемников) 10 сигналы обратных стволов («вверх») поступают на демодуляторы и цифровое оборудование основной полосы, где обрабатываются в соответствии с принятым протоколом связи и многостанционного доступа. Настоящее предложение не касается непосредственно модемов и цифрового оборудования основной полосы, контролеров базовой станции. Оно направлено на повышение технической эффективности только радиотрактов, являющихся основой любой широкополосной системы радиодоступа.

Как показано выше, достаточно большая дальность связи в одной ячейке реализуется в предложенном оборудовании за счет того, что при реальном числе N разница между усилением типовой направленной антенны и всенаправленной антенны во много раз превосходит потери от деления мощности для дискретных нисходящих направлений и от суммирования мощности восходящих радиосигналов. Эффективность обслуживания абонентских станций возрастает за счет разделения их на расположенные в дальней зоне с очень малой плотностью абонентских станций, обслуживаемых посредством конечного числа направленных антенн базовой станции и близкую к базовой радиостанции зону с высокой плотностью абонентов, обслуживаемую одной антенной с круговой диаграммой направленности. При этом возрастает стоимость только базовой станции и, в основном, за счет направленных антенн, которые в высокочастотных диапазонах и при серийном производстве могут иметь приемлемую металлоемкость и небольшую цену. Главная ценность предложения в том, что оно может быть эффективным реальным средством распространения новых информационных и коммуникационных технологий (Программа «Электронная Россия 2002-2010 годы) на огромные пространства малообустроенных сельских регионов России.