Методи зниження перешкод в RadioEthernet-мережах

Сергій Лубенець

Збільшення кількості провайдерів надають послуги доступу до мережі Інтернет за радіоканалам з використанням RadioEthernet і зростання числа користувачів цих послуг призвело до проблеми електромагнітної сумісності. Особливо це характерно для великих міст, де кількість RadioEthernet-провайдерів та операторів систем бездротової передачі даних досягає 5 ... 10. У результаті діапазон частот 2,4 ... 2,5 ГГц виявився перевантажений і зашумлені.

Проблема зашумленості залишається актуальною і для інших регіонів, де поблизу зазначеного діапазону інтенсивно працюють системи стільникового зв'язку GSM-1800, радіорелейний зв'язок, відомчі системи передачі даних. Кінцевим результатом подібної ситуації виявилося погіршення якості радіозв'язку і, відповідно, якості послуг, що надаються кінцевому користувачеві. Крім того, найближчим часом очікується додаткове загострення ситуації, викликане розгортанням системи широкосмугового бездротового доступу на базі технології MMDS, що працює в близькому до RadioEthernet діапазоні 2,5 ... 2,7 ГГц.

Сформована обстановка змушує операторів мереж передачі даних шукати способи і засоби для зниження рівня перешкод у радіоканалах систем. У зв'язку з цим проаналізуємо можливі шляхи вирішення задачі підвищення перешкодозахищеності, зазначимо основні підходи до поліпшення якості радіозв'язку в бездротових мережах передачі даних. На наш погляд, основними напрямами вирішення цього завдання є:

Вибір спеціальних базових і абонентських антен, а також способи їх установки і налаштування.

Посилення корисних сигналів для виділення їх на тлі діючих полів.

Використання високочастотних фільтрів-Грозоразрядник для придушення позасмугових перешкод.

Зниження рівня перешкод грамотним підбором і установкою антенного господарства провайдера розглядається багатьма фахівцями як ефективний спосіб відходу від проблеми зашумленості діапазону, підвищення надійності радіозв'язку і швидкості передачі даних. В основному це досягається використанням вузьконаправлених і вузькосмугових абонентських, а також секторальних базових антен для вибору необхідного напрямку прийому/передачі з метою просторової селекції корисного сигналу.

Установка базових секторальних антен можлива при покритті провайдером певного сектора території, в межах якого відсутні потужні джерела радіовипромінювання, що створюють перешкоди. Однак цей підхід неможливий у тих випадках, провайдера коли базова станція знаходиться в центрі зони покриття, і необхідно встановлювати антену з круговою діаграмою спрямованості. Щоправда, для кругової засвічення можна використовувати набір з декількох секторальних антен з можливістю їх персоналізації як за частотою, так і за кутом місця, а також з виключенням тих антен з набору, в напрямку яких діють перешкоди. Проте таке рішення є технічно складним і дорогим, а відмова від певного сектору унеможливлює підключення до мережі розташованих в ньому абонентів.

Використання вузьконаправлених абонентських антен може бути обмежене їх порівняно високою вартістю і небажанням або неможливістю користувача оплатити додаткові витрати. До того ж, заздалегідь може бути невідомо, що буде більш ефективно для споживача:

установка недорогий антени з широкою діаграмою спрямованості та низьким, але достатнім коефіцієнтом підсилення для зниження чутливості приймального тракту і зменшення ймовірності всюдисущої перешкоди;

застосування дорожчий вузьконаправленої антени, яка дозволить просторово відбудуватися від діючої перешкоди.

Рис. 1. Зовнішній вид рупорні антени

У такій ситуації можна рекомендувати поетапний підхід з використанням недорогих рупорних антен, які мають властивість універсальності і, крім самостійного застосування, можуть бути використані також як опромінювача дзеркальної антени. Тоді схема підбору антени для абонента виглядає наступним чином. На першому етапі виконується установка рупорні антени з посиленням 12 ... 14дБi, зображеної на рис.1. Якщо результати роботи будуть незадовільними, на другому етапі отримується дзеркало-відбивач, і на нього встановлюється вже наявна Рупорна антена як випромінювач для отримання вузьконаправленої антени з посиленням 17 або 24дБi (залежно від діаметру дзеркала). Зовнішній вигляд дзеркальної антени з рупором-опромінювачем показано на рис.2. Таким чином, вдається вибрати оптимальний варіант абонентської антени при мінімальних грошових витратах. При необхідності відходу від перешкоди шляхом зміни поляризації антени, воно виконується простим поворотом рупора-опромінювача на 900 без необхідності демонтажу всієї антени і навіть її частини.

Рис. 2. Зовнішній вид дзеркальної антени з рупором-опромінювачем

У загальному випадку усунення перешкод шляхом правильного підбору базових і абонентських антен, а також способу їх установки є досить ефективним, але дорогим і трудомістким методом, що вимагає від провайдера вкладення значних коштів і досить високої кваліфікації фахівців. Часто це виявляється не під силу, особливо якщо на момент появи перешкод система вже розгорнута і засоби вкладені.

Реалізація другого підходу із застосуванням базових і абонентських підсилювачів крім збільшення дальності зв'язку часто виявляється ефективним і при боротьбі з перешкодами. У першу чергу через посилення передавальних сигналів, в результаті чого корисний сигнал виділяється на тлі діючих перешкод. Ефект від посилення сигналу не такий великий, а часто навіть негативний, оскільки разом з корисним вхідним сигналом посилюються і перешкоди, що знаходяться в діапазоні 2,4 ... 2,485 ГГц. У результаті надмірне підвищення чутливості приймача системи може надати згубний вплив на якість її роботи і знизити швидкість передачі даних.

До складу двонаправленого підсилювача, що використовується для посилення сигналів в RadioEthernet-мережах, входить вбудований діапазонний високочастотний фільтр (LC-фільтр або фільтр на поверхневих акустичних хвилях), який налаштований на центральну частоту 2,45 ГГц і забезпечує фільтрацію вхідного сигналу в смузі частот близько 100МГц. Таким чином, підсилювач пригнічує перешкоди за межами діапазону RadioEthernet, але виявляється безсилим при наявності перешкод в самому діапазоні, що якраз і характерне для нинішньої ситуації. До того ж для багатьох виробників підсилювачів параметри використовуваних вбудованих фільтрів залишають бажати кращого, що негативно позначається на якості фільтрації і роботі виробу в цілому. Нарешті, відсутність фільтру в передавальному тракті підсилювача призводить до збільшення рівня позасмугового випромінювання в ланцюзі передавача і появи продуктів Інтермодуляції, що ускладнює і без того непросту електромагнітну обстановку в ефірі. Можливе застосування на виході підсилювача фільтру для придушення гармонік не сприяє повною мірою рішенням завдання придушення інтермодуляціонних перешкод.

Виходячи з вищесказаного, можна припустити, що ефективним засобом для боротьби з перешкодами в RadioEthernet-мережах може виявитися спільне використання підсилювача з високочастотним вузькосмуговим фільтром, встановленим в приймально-передавальному тракті антенно-фідерної системи з оптимальною настроюванням смуги пропускання фільтра на робочу смугу діючого устаткування (на один або групу перекриваються робочих каналів провайдера). У тому ж випадку, якщо що передається і приймається корисний сигнали мають досить високий рівень потужності, найбільш доцільним є самостійне використання фільтрів, які зазвичай вносять невеликі (близько 0,5 ... 1,5 дБ) втрати, і значно дешевше підсилювачів. У зв'язку з цим хотілося б звернути увагу фахівців на можливість використання високочастотних фільтрів у діапазоні 2,45 ГГц, детально зупинитися на проблемі їх вибору і застосування, тим більше що використання таких фільтрів в системах зв'язку з широкосмугового модуляцією часто ставиться під сумнів.

Дійсно, використання в системах стандарту IEEE 802.11 на фізичному рівні методів широкосмугового модуляції сигналу обумовлює певну специфіку застосування з таких системах вузькосмугових високочастотних фільтрів для придушення перешкод. Так для обладнання, що працює з FHSS модуляцією і займає весь спектр частот в діапазоні 2,4 ... 2,485 ГГц, усунення взаємних перешкод за допомогою додаткових ВЧ-фільтрів практично неможливо. Але за наявності потужних перешкод поза зазначеного діапазону, здатних блокувати приймальні каскади радіоапаратури і стопорити роботу системи передачі даних в цілому, цілком ефективним буде використання фільтрів з шириною смуги пропускання близько 80МГц, що покриває весь сумарний спектр робочих каналів FHSS-систем з глибоким придушенням позасмугових перешкод.

У системах передачі даних, що використовують модуляцію DSSS, крім широкосмугових діапазонних фільтрів цілком реальним є також застосування і канальних фільтрів з шириною смуги пропускання 25МГц і менше. Такі фільтри здатні придушити як внедіапазонние потужні перешкоди, так і взаємні перешкоди від устаткування RadioEthernet, що працює на сусідніх не перекриваються каналах.

Для зниження рівня перешкод ряд провайдерів намагаються купувати герметично виконані фільтри для їх зовнішньої установки, наприклад, разом з підсилювачем. Однак категоричну вимогу герметичності не завжди виправдано. Слід пам'ятати про те, що фільтри в герметичному виконанні зазвичай мають мінімум органів регулювання, або ж зовнішні органи налаштування взагалі можуть бути відсутніми. Це означає, що параметри високочастотного фільтра, що визначаються його конструкцією, вже неможливо змінити після його виготовлення. У кращому випадку допускається незначна їх корекція. Часто саме цим пояснюються великі вносяться вузькосмуговим фільтрами втрати (2,5 дБ і більше), а також слабке позасмугових затухання. При цьому говорити про якість та максимальній відповідності параметрів фільтра індивідуальним вимогам замовника не доводиться.

Рис. 3. Зовнішній вид перебудовується вузькосмугового високочастотного фільтра-Грозоразрядник на періодичних структурах

Якщо ж у фільтрі є можливість виконувати зовнішню настройку кожного резонатора, кількість яких може бути 6 ... 10 і більше (рис.3), то якісна і довговічна герметизація вимагає більш ретельного підходу до цього процесу зважаючи на значну кількість точок герметизації. Зате в цьому випадку після виготовлення фільтра є можливість отримання необхідних оптимальних параметрів (мінімальні прямі втрати, необхідна ширина смуги пропускання, Максимальна позасмугових придушення) шляхом його ретельної остаточної налаштування. Такі фільтри, за відсутності герметизації, необхідно встановлювати в приміщення, хоча, як правило, це не є недоліком. Більш того, в разі самостійного застосування фільтра (без використання підсилювача) його внутрішня установка є обов'язковою вимогою. Не слід забувати про те, що конструкція високочастотних фільтрів, що працюють в діапазоні 2,45 ГГц, дозволяє їм додатково виконувати функцію грозозахисту. А пристрої грозозахисту, як відомо, рекомендується встановлювати і заземляти вже на узвозі коаксіального кабелю в приміщенні біля наявних ліній заземлення радіообладнання. Схема підключення фільтра-Грозоразрядник при його внутрішньої установки показана на мал.4. У цьому випадку обладнання буде захищена не тільки від залишкових імпульсів розряду в антені, а й від статичних наведень в самому кабелі зниження. Нарешті, при внутрішній встановлення фільтрів значно збільшується термін їх служби, і виробник може дозволити собі розширити гарантійні зобов'язання. При зовнішньому ж використанні навіть герметичних фільтрів складно гарантувати їхню тривалу експлуатацію.

Рис. 4. Схеми установки високочастотного фільтра: а) без підсилювача; б) з підсилювачем

При необхідності спільного використання ВЧ-фільтра з підсилювачем слід або набувати фільтр в герметичному виконанні, або розміщувати його разом з підсилювачем в герметичному Термобокс з подальшою установкою і заземленням боксу на щоглі в безпосередній близькості до антени, як показано на ріс.4б. У цьому випадку для забезпечення надійного захисту обладнання від грозових розрядів рекомендується встановлювати додаткове грозозахисні пристрій у приміщенні біля радіообладнання і наявних ліній контуру заземлення. Зовнішній вигляд такого пристрою показаний на рис.5.

Рис. 5. Зовнішній вигляд пристрою грозозахисту

Для забезпечення можливості перебудови апаратури провайдера з одного каналу на інший замість одноканального високочастотного фільтра необхідно встановлювати фільтр з широкою смугою пропускання, що дорівнює сумарній ширині робочої смуги провайдера з урахуванням діапазону перебудови. Можлива також паралельна установка декількох суміжно-налаштованих фільтрів з почерговим їх підключенням у процесі перебудови.

До цих пір мова йшла про використання високочастотних фільтрів з шириною смуги пропускання, рівною або більше ширини смуги одного DSSS-каналу (