АРХИТЕКТУРА БАЗОВОЙ СТАНЦИИ ...vspu2014.ipu.ru/proceedings/prcdngs/8515.pdf8516 при ширине полосы 20 МГц и 108 Мбит/с в турборежиме

8515

УДК 004.71

АРХИТЕКТУРА БАЗОВОЙ СТАНЦИИСВЕРХВЫСОКОСКОРОСТНОЙ MESH-СЕТИ

МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНАРАДИОВОЛН

В.М. ВишневскийИнститут проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН

Россия, 117997, Москва, Профсоюзная ул., 65E-mail: [email protected]

С.А. ФроловЗАО Научно-производственная фирма «Информационные и сетевые технологии»

Россия, 129626, Москва, ул. Староалексеевская, 5, офис 215E-mail: [email protected]

Ключевые слова: mesh-сети, STDMA, сети миллиметрового диапазона радиоволн,построение оптимальных расписаний

Аннотация: Рассмотрено состояние и перспективы развития широкополосных бес-проводных сетей миллиметрового диапазона радиоволн. Разработана архитектурасамоорганизующейся mesh-сети миллиметрового диапазона. Дано описание логи-ческой структуры, включая протоколы MAC-уровня, протоколы маршрутизации,управления распределением ресурсов и средств построения мостов с внешними се-тями (Ethernet, WiFi, WiMax, LTE). Проведен сравнительный анализ вариантовпостроения базовой станции и выбран оптимальный вариант ее построения.

1. Введение

Широкополосные беспроводные сети доступа к информационным ресурсам, функ-ционирующие в сантиметровом диапазоне радиоволн, стали одним из основных на-правлений развития телекоммуникационной индустрии. Беспроводные сети на базетехнологий сотовой связи (UMTS и cdma-2000), WiFi (IEEE 802.11) и WiMAX (IEEE802.16) находятся вне конкуренции по оперативности развертывания, мобильности,цене и широте возможных приложений, во многих случаях представляя собой един-ственно экономически оправданное решение [1, 2].

Однако дефицитный сантиметровый диапазон радиоволн, в котором функцио-нируют существующие широкополосные беспроводные сети, накладывает жесткиеограничения на ширину частотной полосы и, соответственно, на скорость передачиинформации. В частности, WiFi-сети, аппаратура которых работает в сантиметро-вом диапазоне 2,3 ГГц – 6,4 ГГц, обеспечивают номинальную скорость 54 Мбит/с

XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯВСПУ-2014

Москва 16-19 июня 2014 г

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

8516

при ширине полосы 20 МГц и 108 Мбит/с в турборежиме при полосе 40 МГц. Ап-паратура, реализующая новый стандарт – IEEE 802.11-2012, окончательная версиякоторого утверждена в начале 2012 г., обеспечивает максимальную скорость пере-дачи информации до 600 Мбит/с при использовании технологии MIMO [3]. Однакоуказанные скорости, реализуемые на основе «традиционных технологий» уже недо-статочны для трансляции быстро и непрерывно растущих объемов мультимедийнойинформации. В связи с этим во многих исследовательских центрах мира ведутсяработы по резкому повышению производительности беспроводной связи доступа кинформационным ресурсам.

Одним из основных направлений создания сверхвысокоскоростных (свыше 1 Гби-т/с) беспроводных каналов связи и сетей передачи мультимедийной информации яв-ляется переход от традиционного сантиметрового диапазона радиоволн к миллимет-ровому (60-100 ГГц). Этот переход уже характеризуют как новую инновационнуюволну, сопоставимую с появлением стандартов сотовой связи и систем WiFi [4–6].

Несмотря на то, что миллиметровый диапазон уже давно привлекает вниманиеразработчиков аппаратуры связи, его практическое использование до последнего вре-мени ограничивалось частотами не более 40 ГГц. Сейчас многие страны начинаютосваивать Е-диапазон с целью создания беспроводных систем связи типа «точка-точка» (радиорелейных линий), работающих в коротковолновой части миллимет-рового диапазона. Однако для решения многих технических задач систем «точка-точка» оказывается недостаточно. В частности, такие системы не могут поддержи-вать мобильность базовых станций, требуют ручной настройки и слабо масштабиру-ются.

Слабая загруженность миллиметрового частотного диапазона, возможность вы-деления широких полос частот (до 5 ГГц), упрощённая процедура выделения ча-стот во многих странах мира, включая РФ [7], делает этот диапазон уникальнымдля построения не только каналов «точка-точка», но и персональных, локальныхи городских транспортных беспроводных сетей. Другими преимуществами системпередачи информации в этом диапазоне являются сверхвысокая скорость (от 1 до10 Гбит в секунду), возможность обеспечения скрытности (необнаруживаемости) ицелостности (стойкости к прицельным помехам и несанкционированным подключе-ниям) связи, а также возможность создания миниатюрных антенных систем, вплотьдо интегрированных в чипсет антенных фазированных решеток. При этом для до-стижения узкой диаграммы направленности (т.е. для большего усиления антенны)требуются меньшие габариты самих антенн. Свойственное данному диапазону быст-рое затухание радиоволн устраняет проблему интерференции различных источниковсигнала, что позволяет автоматически решить проблему повторного использованиячастот (задачу частотного планирования).

Каналы Е-диапазона с полосой 5 ГГц допускают высокоскоростную передачуданных с использованием схем модуляции низкого уровня. Так, схемы с частотнойманипуляцией (FSK) или двоичной фазовой манипуляцией обеспечивают передачуданных со скоростью до 2 Гбит/с. Поскольку простые схемы модуляции не накла-дывают дополнительных требований на линейность, то усилители мощности пере-датчика могут работать в режиме максимальной выходной мощности. А большаявыходная мощность наряду с высоким коэффициентом усиления антенны обеспе-чивает высокую излучаемую мощность, что позволяет компенсировать возможныепотери передачи и делает системы Е-диапазона сравнимыми по характеристикам с



8517

СВЧ-системами связи «точка-точка».В настоящее время за рубежом начат выпуск аппаратуры «точка-точка» в Е-

диапазоне, ведется активный процесс стандартизации протоколов персональных се-тей миллиметрового диапазона. В сентябре 2009 г. рабочая группа 3G комитета IEEE802.15 и тесно сотрудничающий с ней альянс Wireless HD опубликовали промышлен-ный стандарт персональных сетей (спецификация Wireless HD). В октябре 2009 г.было опубликовано и дополнение IEEE 802.15.3c «Millemeter-Wave-based AlternativePhysical Layer Extension» к стандарту персональных сетей IEEE 802.15.3. В ноябре2009г. Был опубликован европейский стандарт ECMA-387 «High Rate 60 GHz PHY,MAC and HDMI PAL», ориентированный также на персональные сети [8]. 7 мая 2009г. сложился промышленный альянс Wireless Gigabit Alliance (WiGig), куда изначаль-но вошли такие компании, как Atheros, Broadcom, Dell, Intel, LG Electronics, Marvell,Microsoft, NEC, Nokia, Panasonic, Samsung Electronics и др. Позднее к ним присо-единился ряд других компаний: NXP, Realtek, STMicroelectronics, Tensorcom, Cisco,Texas Instruments и др. Разработка спецификации Wireless Gigabit Alliance была за-вершена в декабре 2009 года, в мае 2010 она была опубликована и доступна длячленов альянса. В 2012 году работа группы была завершена, результаты были вклю-чены в стандарт IEEE 802.11ad.

Несмотря на очевидные достоинства, развитию технологий связи в миллимет-ровом диапазоне препятствовало отсутствие соответствующей элементной базы. Носегодня эти проблемы в принципе решены. Даже на уровне КМОП продемонстри-рованы образцы однокристальных 60-ГГц и 77-ГГц трансиверов со встроенными ан-тенными массивами. Серийно производятся отдельные элементы трансиверов мм-диапазона: малошумящие усилители (МШУ) для приемников, усилители мощности(УМ) передатчиков, смесители, модуляторы и т.п. Развитие получили технологииширокополосных СВЧ-антенн, включая планарные антенны, чип-антенны (антен-ные решетки). В 2013 г. фирма Infineon Technologies объявила о завершении разра-ботки чипсет, являющихся основой построения базовой станции сетей в диапазоне71-76 ГГц, 81-86 ГГц. Предполагается, что указанный продукт будет представлен нарынке в 2014 г.

Таким образом, учитывая мировые тенденции по резкому повышению произво-дительности беспроводных сетей в связи с лавинообразным ростом передаваемой ин-формации, тематика настоящей статьи, посвященной исследованию нового направле-ния построения сверхвысокоскоростных транспортных mesh-сетей, является весьмаактуальной.

2. Архитектура самоорганизующейся mesh-сетимиллиметрового диапазона радиоволн

Самоорганизующаяся mesh-сеть состоит из унифицированных базовых станций,работающих в диапазоне миллиметровых волн. Особенностью исполнения базовыхстанций является наличие полнодуплексного радиочастотного трансивера, позволя-ющего одновременно работать как на прием, так и на передачу. Подобная системнаяорганизация позволяет значительно уменьшить время на буферизацию данных, вследствии занятости физической радиосреды, и тем самым увеличивая пропускнуюспособность mesh-сети и уменьшая время задержки распространения информации



8518

через конечную цепочку узлов ретрансляции.Для обеспечения возможности обмена данными между собой, базовые станции

автоматически выбирают частоты приема и передачи из дуплексной пары, исключаянеобходимость физической замены частотно зависимых элементов. Таким образом,в процессе самоорганизации сети с помощью однотипных устройств можно будеторганизовывать дуплексные каналы связи. В случае добавления новых, удаления илиперемещения существующих базовой станций, будут автоматически и оптимальноперестроены все дуплексные пары частот на участке ближайших базовых станцийили всех базовых станций входящих в mesh-сеть.

Базовые станции mesh-сети имеют по два радиочастотных выхода, работающихнезависимо, один из которых реализует передачу данных, другой – прием. Конкрет-ное назначение частот определяет соседей, с которыми станция может установитьсоединение.

В качестве механизма доступа к среде передачи используется пространствен-ная схема разделения времени (Spatial Time Division Multiple Access, STDMA) [12].Для ее эффективной реализации требуется точная синхронизация времени станций.Точность достигается с помощью использования в каждой станции ГЛОНАСС/GPSприемника.

Поскольку в один момент времени каждая станция может вести единственнуюпередачу и принимать данные от соседних узлов, в сети вводится ограничение намаксимальное количество соединений каждой станции.

Для обеспечения возможности работы базовой станции в качестве ретранслято-ра данных без потери виртуального соединения, служат механизмы распределениявременных ресурсов. Частично механизм распределения временных ресурсов выпол-няется локально, посредством взаимодействия соседних станций. Так, станции мо-гут «договориться» о временном выделении дополнительного времени для передачиданных от одного соседа к другому. Более сложные задачи распределения ресурсов,охватывающие всю сеть, доверяются динамически определяемой центарльной стан-ции – корню сети. В его функции входит построение остовного дерева и выделениересурсов для передачи по нему, а также прокладка виртуальных каналов, соединяю-щих конечные станции mesh-сети. Пользовательские данные могут передаваться какв общем потоке, используя маршруты, строящиеся с помощью протокола маршру-тизации MLSR, так и по выделенным виртуальным каналам, которые строятся позапросу станций корнем сети. Данные, передаваемые в общем потоке, равно переда-ваемые по виртуальным каналам, классифицируются. Для разных классов трафикав сети определяются различные приоритеты, что позволяет реализовать QoS. Бо-лее того, протокол маршрутизации MLSR обеспечивает одновременное построениенескольких маршрутов для различных видов трафика.

Согласно схеме доступа STDMA, все время работы сети делится на атомарныеинтервалы фиксированной длины – такты. Такт – это минимальная порция времени,которая может быть выделена паре станций для передачи данных. Группы последо-вательных тактов одинакового размера объединяются в слоты. Такты внутри слотанумеруются, и все слоты состоят из одинакового количества тактов. Множества так-тов, имеющих одинаковые номера, образуют временной канал. Набор из каналов 1 –N образуют группу распределенного доступа – в тактах этих каналов станции осу-ществляют передачу данных друг другу в дуплексном режиме. Остальные времен-ные каналы образуют группу адаптивного доступа и распределяются динамически,



8519

либо по договоренности соседей, либо согласно расписаниям, составленным корнем.Так, если ограничение на количество соседей равняется четырем, а количество так-тов в слоте – десяти, то можно сказать, что первые четыре канала образуют группураспределенного доступа, а каналы с номерами 5—10 образуют группу адаптивногодоступа, см. Рис. 1.

Рис. 1. Структура суперкадра

Кроме того, выделяется специальный нулевой канал, образованный тактами ка-налов распределенного доступа каждого сотого слота. Он используется для скани-рования станциями эфира, подключения новых станций и формирования новых со-единений.

Множество последовательных слотов образуют суперкадр – интервал времени,для которого корень строит расписания: одно и то же расписание повторяется отсуперкадра к суперкадру до тех пор, пока корень не изменит его. Размер каждоготакта составляет 100 мкс, стандартное количество тактов в слоте – 10 (то есть каж-дый слот длится 1 мс), а длина суперкадра – от 1 до 40 слотов, в зависимости отразмера сети.

Каждая станция может также осуществлять функции моста по стандарту IEEE802.1D [13]. Допускается подключение любых совместимых локальных сетей, в томчисле – IEEE 802.3 (Ethernet), IEEE 802.11 (WiFi), IEEE 802.16 (WiMax). Примерсети приведен на Рис. 2.



8520

Рис. 2. Пример mesh-сети

3. Логическая структура mesh-сетимиллиметрового диапазона радиоволн

Схема логической организации базовой станции приведена на Рис. 3. Основныефункции по управлению доступом к среде и передаче данных, выбору корневой стан-ции, маршрутизации и другим важным вопросам работы базовой станции возложенына уровень MAC. Ключевые сервисы, реализуемые на этом уровне, включают:

• Службу управления очередями и классификатор пакетов — управление каче-ством обслуживания за счет поддержания нескольких очередей с различнымиприоритетами для разного типа трафика.

• Службу маршрутизации (MLSR) — специально для применения в MESH-сетимиллиметрового диапзона был разработан проактивный протокол маршрути-зации Mesh Link State Routing (MLSR), основанный на протоколах OSPF [14]и OLSR [15], но адаптированный к особенностям MESH-сети миллиметровогодиапазона.

• Службу управления соединениями (MMAN) – в функции службыMesh ManagementService (MMAN) входит управление подключениями станций к сети, созданиеновых соединений, смену временных каналов, используемых между станция-ми, протокол временного выделения каналов адаптивной группы, подстройкаантенн, механизм ARQ.

• Службу управления ресурсами сети (MRAP) — служба Mesh Resource AllocationProtocol (MRAP), содержит протоколы взаимодействия между станциями сетии корнем, реализующие механизмы построения остовного дерева и управлениявиртуальными каналами.

• Службу управления корневой станцией (MRMP) — служба Mesh Root ManagementProtocol (MRM) реализует протоколы выбора и назначения корневой станции,а также настройки резервной корневой станции и передачи ей управления.



8521

Рис. 3. Логическая структура базовой станции mesh-сети

Для доступа к среде определены четыре различных механизма: режим надежно-ый передачи данных, в котором станции передают данные выбранным соседям череззаранее определенные секторы, а после передачи обмениваются подтверждениямис номерами ожидаемых кадров, а также три служебных режима для подстройкиантенн, рассылки кадров Beacon (маяков) и передачи запросов ассоциирования с се-тью. Во всех служебных режимах передача ведется через некоторую совокупностьсекторов для того, чтобы имитировать широковещательность.

Также в станциях реализуется подуровень IEEE 802.2 (LLC) для обеспечениявозможности подключения верхних уровней стандартными средствами, а также ре-ализуется IEEE 802.1D для обеспечения прозрачного подключения внешних сетей.

4. Физическая структура базовой станцииMESH-сети миллиметрового диапазона

радиоволн

Как уже отмечалось, в настоящее время ведутся активные работы по созданиюперсональных и локальных беспроводных сетей в диапазоне 60 ГГц, а также каналов«точка-точка» в Е-диапазоне радиоволн. Начались также перспективные исследова-ния по разработке сверхвысокоскоростных региональных, транспортных mesh-сетейв частотном диапазоне 71-76 ГГц, 81-86 ГГц [5,9–11]. Отметим, что основное вниманиев этих работах уделено логической структуре сверхвысокоскоростных MESH-сетей.

В данном разделе приведен анализ вариантов аппаратной реализации базовойстанции сверхвысокоскоростной широкополосной беспроводной mesh-сети миллимет-рового Е-диапазона радиоволн. Выбрана оптимальная конструкция базовой станции.Рассмотрены алгоритмы работы и взаимодействия базовых станций (узлов) сверх-высокоскоростной mesh-сети, функционирующих в Е-диапазоне.

Данный класс беспроводных сетей обеспечивает скорости до 10 Гбит/с и пред-назначен для построения самоорганизующихся магистральных беспроводных mesh-



8522

сетей. Высокие скорости, простота построения, отсутствие потребности в частотномпланировании и лицензировании спектра, а также адаптируемость сети к изменени-ям позволяет отнести указанный класс сетей к одному из наиболее перспективныхнаправлений развития телекоммуникационной индустрии. Базовая станция транс-портной MESH-сети должна обеспечивать:

• прием и дуплексную передачу пакетов данных (голос, видео, данные) со скоро-стями не ниже 1 Гбит/с;

• ретрансляцию и маршрутизацию пакетов с реализацией механизма самоорга-низации сети;

• многошаговую передачу данных мультимедийной информации;

• подключение удаленных абонентов по протоколам WiFi, WiMAX и LTE.

В состав базовой станции входят СВЧ-трансивер, СВЧ-фильтры, СВЧ-коммутатор,СВЧ-модем, микропроцессорный модуль и многосекторная антенная система (управ-ляемый антенный массив).

На Рис. 4 показан вариант исполнения базовой станции с управляемой антеннойсистемой и возможностью пространственной селекции радиосигнала. В варианте,показанном на Рис. 5, базовая станция имеет более простую антенную систему и,соответственно, имеет ограничение по дальности работы и возможности простран-ственной селекции. В качестве перспективного варианта реализации базовой станциипредполагается использование структуры изображенной на Рис. 4, обеспечивающейнаилучшее решение задачи построения mesh-сети в миллиметровом диапазоне.

Рис. 4. Структурная схема базовой станции mesh-сети миллиметрового диапа-зона радиоволн с пространственной селекцией

Базовая станция имеет следующие основные режимы функционирования: режиминициализации, режим приема, режим передачи.

В режиме инициализации микропроцессорный модуль по программе подготов-ки устройства через шину управления включает приемник СВЧ трансивера. Од-новременно по шине управления на СВЧ трансивер и СВЧ коммутатор подаются



8523

управляющие сигналы для реализации режима определения рабочей дуплексной па-ры частот, и выполняется инициализация всех узлов базовой станции. Устройствопереходит в рабочий режим, СВЧ трансивер включается в режим приема/передачина выбранной паре частот.

В режиме приема, принятый антенной системой модулированный СВЧ сигнал,через СВЧ фильтр и СВЧ коммутатор поступает на приемную часть СВЧ транси-вера. Демодулированный полезный сигнал с СВЧ трансивера через шину данныхпоступает на микропроцессорный модуль. После анализа принятых данных в микро-процессорном модуле пакет данных направляется в шлюзовое устройство или сохра-няется в памяти микропроцессорного модуля для последующей передачи. В режимепередачи, пакеты данных со шлюзового устройства и/или из памяти микропроцес-сорного модуля через шину данных поступают на СВЧ трансивер. В СВЧ трансиве-ре выполняется модуляция с последующей передачей через СВЧ коммутатор и СВЧфильтры в антенную систему.

При выключении/включении устройства, изменении топологии сети, изменениивнешних факторов среды цикл инициализации повторяется, и устройство переходитв дуплексный режим приема/передачи.

В каждом из вышеперечисленных режимов, микропроцессорный модуль обеспе-чивает управление всеми функциональными элементами узла сети. Модуль участ-вует в поддержке радиопротокола магистральной сети. Осуществляет коммутациюпакетов на уровне – «магистральная сеть – проводной сегмент – абонентская сеть».Контролирует частоты приема и передачи в зависимости от положения узла в ма-гистральной сети. Микропроцессорный модуль постоянно обменивается служебнойинформацией с другими узлами и содержит в памяти актуальную информацию оконфигурации всей магистральной сети. Это необходимо для корректной работыпротоколов передачи между узлами mesh-сети.

Рис. 5. Структурная схема базовой станции mesh-сети миллиметрового диапа-зона радиоволн без возможности пространственной селекцией



8524

5. Антенная система базовой станции

Антенная система узла формирует круговую диаграмму направленности в гори-зонтальной плоскости и 10 - 12 градусов в вертикальной плоскости. Таким образомобеспечивается возможность работы базовой станции без предварительной юстиров-ки, как в режиме оконечной станции так и в режиме ретранслятора. Для обеспечениярешения проблемы частотного планирования антенная система автоматически по ко-манде микропроцессорного модуля меняет частоты дуплексной пары в зависимостиот положения базовой станции внутри магистральной сети. Тем самым исключаетсямеханическая замена СВЧ фильтров и необходимость иметь несколько видов частот-но зависимых компонентов в системе. Для получения усиления системы, необходи-мого для устойчивой работы на расстояниях до 500 метров, как передающая так иприемная часть антенной системы формируется из управляемых антенных массивов,образующих от 4-х до 8-ми секторов. Диаграмма направленности каждого антенногомассива управляется контроллером. Массивы на прием и передачу независимы, таккак в зависимости от расписания передача может вестись в одном направлении, априем в другом, причем не только внутри одного сектора, но и в разных секторах.Количество секторов зависит от конструкции управляемого массива антенн и коли-чества антенных элементов в массиве. Каждый сектор обслуживает отдельный каналСВЧ трансивера и состоит из полосовых СВЧ фильтров, антенного переключателя,малошумящего усилителя (МШУ), усилителя мощности (УМ) и смесителей. Антен-ный переключатель, МШУ, УМ и смесители сформированы на одном кристалле,который в свою очередь установлен на печатной плате и работает на линии питанияантенных элементов. Такая конструкция позволяет не только унифицировать все уз-лы антенной системы, но и синтезировать необходимую диаграмму направленности,концентрируя излучение в пространстве в нужном направлении и ослабляя сигналыс мешающих направлений. Антенный переключатель является управляющим эле-ментом выбора дуплексной пары частот для каждого узла в сети.

В рамках анализа и выбора антенных систем диапазона миллиметровых волндля использования в магистральной высокоскоростной MESH-сети были рассмотре-ны секторные, рупорные антенны, параболические антенны и планарные печатныеантенны. При выборе варианта антенной системы учитывались следующие основныекритерии:

• технологичность изготовления при массовом производстве;

• себестоимость изготовления антенн при массовом производстве;

• габариты и вес антенной системы, обеспечивающей круговую диаграмму на-правленности при коэффициенте усиления не хуже 25 dbi;

• трудоемкость и стоимость узлов согласования трансивера с антенной системой;

• возможность интеграции антенных переключателей в согласованную антеннуюсистему;

• выбор оптимальной конструкции антенного переключателя для каждого типаантенной системы;



8525

В результате анализа рассматриваемых типов антенн сделан выбор в пользу ис-пользования планарных печатных антенн. Этот тип антенн отвечает всем вышепе-речисленным критериям, а технология изготовления мало отличается от технологииизготовления традиционных печатных плат.

Антенная система базовой станции должна обладать высоким усилением и обес-печивать необходимую энергетику канала связи. Исходя из концепции, базовая стан-ция должна обладать возможностью безподстроечного вхождения в сегмент mesh-сети, как если бы использовалась всенаправленная антенна. Однако всенаправленнаяантенна не обладает необходимым усилением для устойчивого соединения на рассто-яниях до 500 метров, вследствие очень широкой диаграммы направленности – 360градусов в азимутальной плоскости. Увеличение коэффициента усиления всенаправ-ленной антенны приведет к резкому уменьшению угла диаграммы направленностипо углу места, что сделает невозможным в принципе ведение связи с другими базо-выми станциями MESH сети, расположенными на разных высотах. Таким образом,практическая реализация антенной системы на основе всенаправленной антенны нецелесообразна. Однако всенаправленный антенный излучатель можно использоватьна этапе разработки базовой станции, для построения практических экспериментовс основными узлами базовой станции, на коротких расстояниях.

Для обеспечения возможности безподстроечного вхождения в связь и сохране-ния необходимого энергетического бюджета лини связи, предлагается использоватьуправляемый антенный массив.

Учитывая короткую длину волны, размеры такого массива будут занимать маломеста. Например, массив из 16 элементов будет иметь линейные размеры всего 35мм.

Безусловно антенные массивы требуют сложного микропроцессорного управле-ния. Сложность управляющего элемента прямо пропорциональна количеству эле-ментов в массиве. Соответственно, что бы с одной стороны получить необходимуюэнергетику системы, с другой стороны сохранить приемлемую стоимость и сложностьсистемы, необходимо осуществлять расчет количества элементов массива и количе-ство антенных массивов. Расчеты показывают, что для уверенной работы базовойстации достаточно 4-х антенных массивов с углом сканирования луча ±45 градусови по 6–8 антенных элементов в каждом массиве.

6. Заключение

В работе рассмотрено одно из перспективных направлений развития коммуни-кационной индустрии – беспроводные транспортные mesh-сети миллиметрового Е-диапазона радиоволн.

Дано описание существующих стандартов, состояния и перспектив развития бес-проводных сетей мм-диапазона, включая электронную компонентную базу.

Исследована логическая структура MESH-сети мм-диапазона, включая протоко-лы MAC-уровня, протоколы маршрутизации, управления распределением ресурсови средств построения мостов с внешними сетями (Ethernet, WiFi, WiMax, LTE).

Предложена оригинальная конструкция базовой станции с пространственнойселекцией радиосигнала, обеспечивающая реализацию самоорганизующейся транс-портной mesh-сети со скоростями передачи мультимедийной информации до 10 Гби-т/с.



8526

Проведен анализ различных вариантов построения антенной системы базовойстанции мм-диапазона, включая спекторные, рупорные антенны, параболические ан-тенны и планарные печатные антенны. По критериям технологичности и стоимостиизготовления антенн при массовом производстве, а также величине коэффициентаусиления (не ниже 25 dbi) сделан выбор в пользу использования планарных печатныхантенн, на базе управляемых антенных массивов.

Список литературы1. Вишневский В., Портной С., Шахнович И. Энциклопедия WiMAX. Путь к 4G. М.: Техно-

сфера, 2010. 470 с.2. Vishnevsky V., Semenova O. Polling Systems: Theory and Applications for Broadband Wireless

Networks. London: LAMBERT Academic Publishing, 2012. 317 p.3. Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications.

IEEE P802.11-2012. IEEE, March 2012.4. Pitsiladis G.T., Panagopoulos A.D., Constantinou P. Improving connectivity in indoor millimeter

wave wireless networks using diversity reception // 2012 6th European Conference on Antennasand Propagation (EUCAP). Prague, 26-30 March, 2012. P. 510-514.

5. Jabbar J.P., Rohrer V.S., Frost J.P.G. Sterbenz. Survivable millimeter-wave mesh networks.Computer Communications. 2011. Vol. 34, Issue 16. P. 1942-1955.

6. Millimeter wave technology in wireless PAN, LAN, and MAN / Ed. by Xiao Shao Qiu et al. CRCPress, 2008.

7. Решение ГКРЧ 10-07-04-1 «Об упрощении процедуры выделения полос радиочастот 71-76ГГц и 81-86 ГГц для использования радиорелейными станциями прямой видимости».

8. Ecma/TC48/2010/025. ECMA387 2nd Edition: High Rate 60GHz PHY, MAC and HDMI PAL.Whitepaper. Ecma International, June 2010.

9. Vishnevsky V.M. Ultra-High Theroughput Millimeter–Wave Wireless Networks // InternationalConference (DCCN) Distributed Computer and Communication Networks. Moscow, 26-28October 2010. P. 8-12.

10. Вишневский В.М., Ларионов А.А. Об одном алгоритме распределения ресурсов в беспро-водных магистральных mesh-сетях миллиметрового диапазона радиоволн // Телекоммуни-кации и транспорт. 2011. № 7. С. 35-40.

11. Vishnevsky V., Larionov А. А Novel Approach for Scheduling in STDMA for High-ThroughputBackbone Wireless Mesh Networks Operating within 60–80 GHz // International conference onAdvances in Mesh Networks. Italy, Venice/Mestre, 18-25 July 2010.

12. Nelson R., Kleinrock L. Spatial TDMA: A Collision-Free Multihop Channel Access Protocol //IEEE Transactions on Communications. 1985. Vol. 33. P. 934-944.

13. IEEE Standard for Local and metropolian area networks. Media Access Control (MAC) Bridges.IEEE 802.1D-2004. IEEE, June 2004.

14. Moy J. OSPF Version 2. IETF RFC 2328. IETF, April 1998.15. Clausen T., Jacquet P. Optimized Link State Routing Protocol (OLSR). IETF RFC 3626. IETF,

October 2003.



Documents

АРХИТЕКТУРА БАЗОВОЙ СТАНЦИИ ...vspu2014.ipu.ru/proceedings/prcdngs/8515.pdf8516 при ширине полосы 20 МГц и 108 Мбит/с в турборежиме