Використання технології цифрового діаграмоутворення в системах мобільного зв'язку (стр. 4 из 5)
Окремі учасники SUNBEAM ведуть власні проекти з освоєння технології ЦДУ. Так, французька компанія Thomson CSF Communications у кооперації з іншими європейськими фірмами здійснювала розробку ЦАР для мобільного зв’язку в рамках дворічного проекту ADAMO (Adaptive Antenna for Mobil’s) [12]. При цьому в якості антенної решітки для базової станції зв’язку використана 6-панельна ЦАР, що містить по 4 вертикально розташованих елементи в кожній панелі (рис. 1.9). Ширина променя в азимутальній площині складає 700 за рівнем -3 дБ, коефіцієнт підсилення 4-елементної панелі досягає 30 дБ, рівень перших бічних пелюстків не перевищує -12 дБ. ADAMO орієнтований на перспективні стандарти зв’язку HIPERLAN (High Perfomance Radio Local Area Network) зі швидкістю передачі 23,5 Мбіт/с на канал і центральними несучими 5,2 або 17,2 ГГц [13, 14].
Рис. 1.9. Проект ADAMO: 6-панельна ЦАР БС.
На зазначений стандарт орієнтований також проект SATURN (SmartAntennaTechnologyinUniversalRoadbandwirelessNetworks) [15]. Метою проекту є дослідження можливостей застосування ЦАР у системах мобільного зв’язку UMTS для збільшення пропускної спроможності каналів зв’язку при експлуатації в умовах завмирань.
Що ж стосується альтернативних проектів, які безпосередньо конкурують з TSUNAMI і SUNBEAM, то серед них потрібно насамперед відзначити проект SFIR (Spatial-Filtering forInterferenceReduction) [16], що проводився в 1997-99 рр. дослідницькою групою мобільних комунікацій технічного університету м. Відня в кооперації з Alcatel Telecom (м. Штуттгарт). Було розроблено демонстратор ЦАР для стандартів GSM/DCS-1800 і UMTS, у тому числі унікальний процесор просторово-часової обробки сигналів в реальному часі. Центральна частота робочого діапазону демонстратора ЦАР становить 2,45 ГГц. Антенна решітка виконана у вигляді лінійки з 9 смугових випромінювачів прямокутної форми. Серед особливостей обробки сигналів у SFIR відзначається їх цифрове розквадратурювання, ЦДУ на прийом і передачу сигналів, використання системи цифрової корекції характеристик приймальних каналів у робочій смузі.
Досить оригінальним є проект HALO (HighAltitudeLongOperations) [17] компаній MitsubishiElectric і AngelCorporation (США) [18] зі стратосферною базовою станцією мегаполісної радіомережі, розташованої на спеціальному літаку Proteus каліфорнійської фірми Scaled Composites Inc. Крім виконання задач мобільних комунікацій, ця система рекомендується до впровадження й в інтересах персонального зв’язку військового призначення.
В рамках проекту HALO передбачено розміщення ЦАР діаметром близько 6 метрів на літаку (рис. 1.10), що баражує у стратосфері по круговій траєкторії з радіусом 20-30 км на висоті 18-20 км і забезпечує послугами широкосмугового цифрового зв’язку одночасно сотні тисяч наземних користувачів на площі радіусом 120-150 км (рис. 1.11).
Рис. 1.10. Розміщення ЦАР на літаку Proteus проекту HALO.
Рис.1.11. Зона дії літака Proteus з ЦАР.
Така зона охоплення дозволяє обслуговувати територію великого мегаполіса з прилеглими містами-супутниками. Літак Proteus здатний постійно знаходитися в стратосфері протягом 15 годин з безперебійною роботою бортового джерела електроживлення потужністю 40 кВт. Надалі передбачено перевести Proteus у розряд БПЛА. Для цілодобового функціонування мережі планується використовувати три літаки, що баражують по черзі протягом 8-годинних сеансів. Робочий діапазон частот обраний у смузі 38-40 ГГц. Планується провести дослідження можливостей реалізації ЦАР у діапазоні 2 ГГц для потреб стандарту PCS (PersonalCommunicationsServices). Наземні приймачі оснащені невеликими антенами, що автоматично відслідковують положення стратосферного носія в просторі. Пропускна здатність каналів зв’язку в обох напрямках перевищує 25 Мбіт/с. У 1998 р. при відпрацюванні концептуальних засад НАLO в Каліфорнії був продемонстрований стійкий радіообмін з літаком зі швидкістю 51,8 Мбіт/с на дальності 56 км від наземної станції, при цьому загальний обсяг переданої інформації за 8 годин польоту перевищив 1,5 Терабіт.
Розглянуті концепції не охоплюють всіх робіт, що спрямовані на опанування технологією ЦДУ. Велика кількість досліджень свідчить про її важливість, яка обумовлена характером подвійного призначення. Впровадження ЦДУ дозволить отримати значні переваги над традиційними підходами щодо побудови БС СМЗ. Це стосується не тільки підвищення основних показників роботи, а й розширення функціональних можливостей.
Не дивно, що численні переваги ЦАР обумовили ріст їхньої ринкової привабливості. Пройшовши наприкінці 90-х років етап демонстраційних проектів, дана технологія уже вступила в стадію серійного виготовлення антенних систем для систем стільникового зв’язку - діючих і перспективних. Серед піонерів серійного виробництва ЦАР ведучі позиції займають компанії ArrayComm, MetawaveCommunications, AirNetCommunications, WirelessOnline (усі - США), а також Ericsson (Швеція).
Пальма першості в освоєнні серійних ЦАР для базових станцій стандарту CDMA належить американської компанії MetawaveCommunications, що випускає сімейство інтегрованих Smart-антен Spotlight. Перші ЦАР від Metawave Communications - Spotlight 2000 (2100) - працювали тільки в діапазоні несучих 800-900 МГц. Однак системи Spotlight 2200 підтримують ще і смугу 1800-1900 МГц. Апаратура систем Spotlight базується на використанні програмованих логічних інтегральних схемах (ПЛІС), що зайвий раз говорить про перевагу застосування ПЛІС у порівнянні з DSP при рішенні задач ЦДУ.
Рис. 1.12. Антенна система компанії Metawave.
Типова Smart-антена базової станції від Metawave складається з 12-елементного масиву випромінювачів, звичайно встановлюваних по 3-секторної схемі (рис. 1.12). Кожні секторні ґрати сформовані з чотирьох антенних елементів (рис. 1.13), приклад характеристик яких представлений на рис. 1.14. Ширина ДС кожного антенного елемента на рівні -3 дБ складає близько 300. Завдяки ЦДУ сумарна ширина основних (парціальних) променів кожного секторного сегмента ЦАР може приймати значення 180, 120 або 600. Сам сектор випромінювання (прийому) може зміщатися щодо фізичної нормалі на кут +300. Більш того, форма стільники також може змінюватися, здобуваючи 3-, 4- і навіть 6-сегментні обриси (рис. 1.15).
Рис. 1.13. Структура приймально-передавальної антенної решітки (суцільна лінія - режим прийому, пунктирна лінія - режим передачі).
Рис. 1.14. Варіант орієнтації ДС Smart-антени компанії Metawave.
Причому система Spotlight дозволяє в кожнім з 1200–секторів у реальному масштабі часу вирізувати до трьох підсекторов, уражених перешкодами (т.зв. динамічний синтез сектора - DSS). У результаті спрощується частотне планування мережі, а оператор базової станції може раціонально перерозподіляти ресурси в залежності від специфіки навколишнього ландшафту, статистики розподілу запитів за часом доби, дням тижня і при непередбачених обставинах (рис. 1.16, 1.17). Ріст числа секторів прийому з 3 до 6 дозволяє істотно збільшити ємність стільникового осередку (число абонентів, що обслуговуються,). За даними Metawave [10], такий приріст у стандарті cdma2000 на основі Spotlight-рішень може досягати 94%.
Рис. 1.15. Багатосекторна конфігурація ДС.
Рис. 1.16. Посекторна адаптація до навантаження за допомогою Smart-антени.
Рис. 1.17. Динамічний синтез секторів в залежності від часу доби.
Одна з останніх розробок Metawave - антенний комплекс Spotlight 2230 - являє собою апаратуру ЦАР, що інтегрується до складу базової станції CDMA 1 EX разом з устаткуванням Lucent Flexent Modular Cell Base Station фірми Lucent Technologies [10] (рис. 1.18, 1.19). Компанія Lucent поставляє ультралінійні підсилювачі потужності для передавального сегмента і малошумлячі підсилювальні модулі для багатоканального приймача.
Рис. 1.18. Комплект апаратури базової станції CDMA 1EX з обладнанням SpotLight 2230.
Специфіка цифрового устаткування ЦАР дозволяє “м’яко” інтегрувати її в базову станцію будь-якого стандарту з мінімумом стикувальних робіт. При цьому вартість устаткування складе порядку 10% від вартості апаратури типової базової станції CDMA, розрахованої на обслуговування 48-72 одночасних викликів [10]. З огляду на, те що застосування ЦАР істотно підвищує ємність мережі, загальна економія засобів за рахунок відмовлення від додаткових базових станцій буде дуже значною. Відповідно до даних на сайті фірми Metawave, до жовтня 2002 р. в усьому світі було розгорнуто 420 систем Spotlight, у тому числі й у Санкт-Петербурзі (Росія).
Рис. 1.19. Структурна схема обладнання базової Станції CDMA 1EX.
Компанія AirNet Communications [19] з офісом у містечку Мельбурн (шт. Флорида, США), на відміну від Metawave Communications, зосередила зусилля на розробці Smart-антен для модернізації базових станцій стандарту GSM (900, 1800, 1900МГц) з підтримкою його розширень GPRS і EDGE. Згодом буде можлива і робота з базовими станціями 36-стандарту WCDMA. В активі AirNet 69 діючих патентів, які компанія отримала з моменту появи на ринку телекомунікацій у 1994 р. Технологія ЦДУ використовується в базовій станції AdaptaCell Super Capacity (дослівно - супер’ємна адаптивна стільника). Спираючи на рекламні матеріали, нескладно припустити, що базова станція компанії AirNet обслуговує 8-елементну ЦАР, що працює в секторі 120°. Отже, повноцінна 3-секторна ЦАР буде містити 24 елемента. Примітно, що AdaptaCell Super Capacity забезпечує цифрову обробку сигналів у всій смузі сигналів GSM і сумісна з технологією “інтелектуальної стільники” IntelliCell [19], що просувається компанією ArrayCom (м. Хосе, шт. Каліфорнія) (рис. 1.20).