ГИБРИДНАЯ mesh-СЕТЬ ДЛЯ РАССРЕДОТОЧЕННЫХ ПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ Российский патент 2014 года по МПК H04W84/18 

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к технологиям построения беспроводных самоорганизующихся сетей связи в системах общего пользования, содержащих абонентские, базовые, коммутационные станции.

Известен способ доступа в беспроводную сеть связи, описанный в патенте США №6445701; 370/368, 370/443; 370/468 2002 г., "Channel access scheme for use in network communications" (Схема доступа в канал для сетевых коммуникаций), в котором экономия временного ресурса в сети на основе МДВР осуществляется за счет динамического перераспределения слотов передающим станциям в течение установленного действующего соединения. Для реализации этого способа во временном кадре выделяются специальные слоты, в которых имеющие соединения станции передают запросы на продолжение работы в установленном канале.

Недостатком данного способа является большая вероятность срыва передачи из-за неприема роутером сети запросов на продолжение передачи, а также необходимость установки высокопроизводительной (дорогой) вычислительной техники в сетевые роутеры при построении, сетей на большое число станций. Кроме того, существенный вклад в стоимость сети вносят оптоволоконные соединения между базовыми трансиверными станциями и контроллерами базовых станций (соответственно, BTS и BSC на фиг.3 патента US №6445701), между контроллерами базовых станций и мобильными коммутационными центрами (соответственно, BSC и MSC там же)

Известен способ временного уплотнения абонентских передач в сети, описанный в патенте США №7304978; 370/347, 2007 г., "Medium access control method and system" (Способ управления доступом в среду и система), в котором для более эффективного использования временного ресурса в сети с временным разделением каналов протокол отслеживает фактическое использование станциями распределенных им временных слотов. Если одна станция закончила передачу раньше назначенного ей срока, то другой станции разрешается начать свою передачу раньше, тем самым повышается эффективность заполнения временного кадра передачами абонентских станций.

Недостатком данного способа является то, что при таком методе временного уплотнения затруднено выделение гарантированного ресурса некоторой станции. Если же несколько станций запросит гарантированный ресурс, то эффективность данного способа может быть сведена к нулю.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является «Способ распределения временных интервалов в сетевых каналах радиосвязи» по патенту РФ №2350024 H04J 003/16, H04L 012/423 2009 г., принятый за прототип.

Способ-прототип заключается в следующем.

Одну из радиостанций в сети назначают работать в качестве центральной (базовой) станции. С помощью центральной станции осуществляют управление доступом в канал для остальных радиостанций сети, являющихся абонентскими станциями. При этом радиообмен между абонентскими станциями ведется через центральную станцию по способу множественного доступа с временным разделением (МДВР): канал связи делят на временные кадры, которые делят на временные интервалы (слоты), где станциям сети разрешается передавать и принимать информацию. Формирование временного кадра происходит в центральной станции.

Вышеописанную структуру сети, состоящую из одной центральной и нескольких абонентских станций, будем называть сегментом сети.

Структуру временного кадра, передаваемого центральной станцией сегмента сети, устанавливают в соответствии с временной диаграммой, представленной на фиг.1.

В начале временного кадра выделяют интервал T1 для передачи сигнала синхронизации и идентификатора сети.

Затем выделяют временной интервал T2 для передачи пакетов служебной и пользовательской информации от центральной станции к абонентским. Интервал T2 разделяют на два подынтервала: T2₁ - для передачи "вниз" пакетов служебной информации всем зарегистрированным станциям и T2₂ - для передачи "вниз" пакетов пользовательской информации активным абонентским станциям.

Затем выделяют временной интервал T3 для регистрации абонентских станций.

Затем выделяют временной интервал Т4 для передачи "вверх" пакетов служебной и пользовательской информации от абонентских станций к центральной станции. Интервал T4 разделяют на подынтервалы T4_k, которые распределяются отдельным абонентским станциям. Между подынтервалами T4_k предусматриваются небольшие защитные интервалы для предотвращения наложения передач из-за разного времени распространения сигналов от разных абонентских станций.

В течение интервала T1 центральная станция передает сигнал синхронизации и идентификатор сети. Эти сигналы могут, например, передаваться с помощью помехоустойчивой широкополосной модуляции. Длительность и кодовая структура сигнала синхронизации выбираются в соответствии с требованиями обеспечения помехоустойчивости работы сети связи.

Абонентские станции принимают сигнал синхронизации, осуществляют синхронизацию своих приемников и ожидают прихода служебных пакетов от центральной станции. В течение временного интервала Т2₁ абонентские станции выделяют из общего потока адресованные им пакеты служебной информации по заголовкам.

В течение интервала T2₂ абонентские станции, имеющие открытые информационные каналы, принимают пакеты пользовательской информации в распределенных им интервалах T2_2.k.

В течение интервала T3 абонентские станции, впервые выходящие в эфир, передают короткий служебный пакет регистрации, который содержит только идентификатор этой абонентской станции. Причем абонентская станция начинает процедуру регистрации в сети вне зависимости от наличия у нее очереди пакетов для передачи. Если центральная станция успешно приняла пакет с идентификатором, то начинается процедура регистрации абонентской станции. Центральная станция сравнивает принятый идентификатор со списком возможных абонентов сети и списком зарегистрированных абонентов сети. Если абонентская станция опознается нормально, то в ее адрес направляются соответствующие команды на открытие служебного канала: в интервале T4 выделяется короткий временной интервал для передачи пакетов служебной информации от абонентской станции к центральной.

Если при опознавании абонентской станции возникли проблемы, центральная станция отправляет отказ регистрации. Причиной отказа регистрации может быть неправильный идентификатор абонентской станции или наличие уже зарегистрированной станции с данным идентификатором. Обе ситуации принимают как попытку несанкционированного доступа в сеть.

После приема команд об открытии служебного канала абонентская станция осуществляет передачу служебных пакетов, содержащих необходимые для регистрации в сети сведения. Такими сведениями могут являться данные аутентификации (коды доступа), виды подключенного к абонентской станции оборудования, абонентские номера этого оборудования. Например, номер телефона, факса и т.п.

После процедуры регистрации служебный канал закрывается, и абонентская станция продолжает ожидать направленных ей служебных пакетов от центральной станции. Данная абонентская станция больше не будет выходить в эфир по своей инициативе, кроме случая возможного пропадания сети и необходимости перерегистрации.

Абонентская станция, которая передала пакет с идентификатором, но не получила ответа, повторяет передачу пакета с идентификатором в течение интервала регистрации T3 одного из следующих кадров, причем выбор кадра определяется датчиком псевдослучайных чисел.

Центральная станция периодически опрашивает зарегистрированные абонентские станции. Процедура опроса состоит в том, что центральная станция открывает служебные каналы для зарегистрированных абонентских станций и ожидает ответов на служебные пакеты опроса. При наличии у абонентской станции информации для передачи (запросы на открытие канала от подключенного к абонентской станции оборудования и т.д.) она передает их в открытом служебном канале перед ответом на служебный пакет опроса. Если у абонентской станции нет информации для передачи, она передает центральной станции пакет ответа на опрос.

Если в процедуре опроса абонентская станция запросила у центральной станции открытие информационного канала, то центральная станция направляет в адрес абонентской станции служебные пакеты с распределенными ей интервалами T2_2.k (одним из подынтервалов T2_2.1- T2_2.n) - для приема и T4_k (одним из подынтервалов T4₁-T4_n) - для передачи. Абонентская станция подтверждает получение распределения началом работы в выделенном ей интервале Г4^. При этом количество и длительность временных слотов, выделяемых абонентской станции для приема и передачи, определяет центральная станция в зависимости от запрошенной в процессе обмена служебными пакетами скорости передачи.

Периодичность опроса каждой абонентской станции зависит от числа зарегистрированных станций в сети: чем меньше станций зарегистрировано, тем чаще они опрашиваются.

Таким образом, процедура установления соединения в способе-прототипе проводится в два этапа: сначала регистрация абонентской станции в сети, затем периодический опрос зарегистрированных абонентских станций, по результатам которого происходит открытие канала для передачи информации, если абонентская станция имеет очередь пакетов для передачи. При этом в нерегулируемом интервале регистрации 73 передается только идентификационный номер абонентской станции. Все остальные служебные сообщения, связанные с регистрацией абонентской станции и процедурами выделения канала для передачи информационных пакетов, передаются в специально выделяемых центральной станцией интервалах.

В течение интервала T4 абонентские станции, имеющие открытые информационные каналы, передают пакеты служебной и пользовательской информации в выделенных им временных интервалах T4_k. Каждая абонентская станция заполняет выделенный ей временной интервал T4_k следующим образом: сначала передают короткую синхропоследовательность, затем пакеты служебной информации, затем пакеты пользовательской информации до конца интервала T4k. Пакеты служебной информации могут содержать ответные сообщения на команды центральной станции, а также запросы дополнительного распределения или отмены существующего.

Например, абонентская станция АС1 имеет открытый телефонный канал с абонентской станцией АС2 (через центральную станцию). Допустим, в ходе телефонных переговоров возникает необходимость передачи от АС1 видеоинформации или данных, поступающих в АС1 через порт RS-422. В этом случае, АС1 направляет центральной станции соответствующий запрос, и центральная станция начинает процедуру изменения распределения, которая заключается в следующем. Центральная станция направляет в сторону абонентской станции пакеты служебной информации с командами открыть канал на новом распределении и поддерживает канал на старом распределении до получения сигнала от данной абонентской станции на новом распределении.

Предусмотрена также процедура изменения распределения без расширения объема канала - оптимизация использования временных интервалов в кадре. Поскольку в ходе работы сети постоянно происходит открытие и закрытие каналов различным станциям, то интервалы T2₂ и T4 становятся фрагментированными: произвольное чередование заполненных передачами и свободных интервалов Т2_2.k и T4_k. Для повышения эффективности использования временных интервалов, центральная станция периодически производит сдвиг к началу интервала T4 подынтервалов T4_k и сдвиг к началу интервала T2₂ подынтервалов Т2_2.k распределенных абонентским станциям, т.е. для передающих и принимающих информацию абонентских станций запускаются процедуры изменения распределения. Каждая из таких абонентских станций получает в составе служебной информации новое распределение и перестраивается на передачу и прием в новых временных слотах в ближайший удобный для данной абонентской станции момент времени. При этом центральная станция поддерживает оба распределения до приема сигнала данной абонентской станции в новом временном слоте. Только после установления канала на новом распределении центральная станция закрывает старое распределение. Таким образом, при смене распределения соединение не прерывается, абонент не теряет данные.

Абонентская станция, получившая распределение, сохраняет за собой открытый канал выделенного объема до тех пор, пока сама не запросит процедуру закрытия канала. При этом центральная станция не сокращает объем выделенного данной абонентской станции распределения даже в случае слабой активности передач. Для закрытия канала абонентская станция передает соответствующий служебный пакет в начале своего интервала T4_k и продолжает передавать информацию до конца этого интервала.

В способе-прототипе предусмотрено только два случая отмены распределения по инициативе центральной станции, поскольку в реальных условиях бывают аппаратные поломки или преднамеренный вывод из строя абонента. Когда центральная станция опрашивает свою группу зарегистрированных абонентских станций (пассивных и активных) и принимает ответные сообщения, то она тем самым собирает сведения о работоспособности своих абонентов. При этом допускается пропуск нескольких ответных сообщений. Например, абонентская станция заехала за какую-либо преграду и не слышит запросов. И только, в случае превышения некоторого заданного интервала, центральная станция закрывает канал, не отвечающей на запросы абонентской станции.

Предусмотрен также случай отмены распределения по инициативе центральной станции для предоставления канала абоненту с высоким приоритетом, например, предоставление скоростного канала командиру или для передачи сообщений, связанных с чрезвычайными ситуациями. В обычных условиях распределение, выделенное абонентской станции, не сокращается и не отменяется по инициативе центральной станции, т.е. абоненту гарантируется выделение канала требуемого качества.

Центральная станция анализирует принимаемые пакеты на предмет наличия ошибок и производит дальнейшую передачу испорченных пакетов в зависимости от важности передаваемой информации. Поскольку передача информации между абонентскими станциями происходит через центральную станцию, то при обнаружении ошибок во входящих пакетах информации, центральная станция выполняет следующие действия:

Если обнаружена ошибка в пакете мультимедийной информации (речь, видео), причем в информационной части пакета, то такой пакет передается адресату. Если ошибка локализована в заголовке пакета мультимедийной информации, то пакет снабжается новым заголовком и передается адресату. Если обнаружена ошибка в пакете информации наибольшей степени важности (данные), то центральная станция отказывается от передачи адресату такого пакета и такой пакет может быть передан повторно по решению вышестоящих протоколов, тем самым физический уровень освобождается от процедур повторной передачи. В результате не все испорченные пакеты передаются повторно, что обеспечивает дополнительную экономию пропускной способности сети.

Центральная станция данного сегмента сети может одновременно работать в качестве абонентской станции в сегменте сети более высокого уровня иерархии, который, в свою очередь, состоит из множества аналогичных станций. Для обеспечения надежного взаимодействия с центральной станцией другого сегмента сети, центральная станция осуществляет независимую от кадра данного сегмента сети передачу и прием информации центральной станции другого сегмента сети в отдельной полосе частот, отличающейся от полосы частот радиообмена в данного сегмента сети, при помощи другого высокочастотного тракта и другой антенны. Временной кадр обмена между центральными станциями соседних сегментов сети никак не привязан к временному кадру обмена между центральной станцией и соответствующими абонентскими станциями.

Таким образом, в описанном способе-прототипе распределения временных интервалов в сетевых каналах радиосвязи достигается повышение помехоустойчивости установления соединений путем сведения до минимума нерегулируемых выходов в эфир абонентскими станциями, а также предоставление канала требуемого качества в течение длительного промежутка времени.

Однако в прототипе имеется ряд неиспользованных возможностей, что ограничивает гибкость организации сети, способность к самовосстановлению и может приводить к неэффективному использованию потенциала высокопроизводительных радиостанций, из которых составляется сеть. В частности, не определено поведение абонентских станций сегмента сети нижнего уровня иерархии при выходе из строя станции, являющейся центральной для данного сегмента.

Таким образом, недостатками способа-прототипа являются жесткая централизация доставки сообщений и отсутствие алгоритма оперативной перестройки структуры сети.

В заявляемом изобретении решается задача построения гибридной mesh-сети для рассредоточенных пользователей, в которой обеспечивается параллельная работа сети с централизованным управлением на базе временного разделения каналов с mesh-сетью, осуществляющей децентрализованную проводку графика от станции к станции по принципу связи «каждый с каждым», а также задача самовосстановления целостности сети при выходе из строя управляющих станций.

Достигаемый технический результат - повышение способности сети к самовосстановлению, гибкой перестройки ее структуры и оперативному перераспределению графика в случае неравномерности загрузки каналов связи.

Для решения поставленной задачи, в известном способе, включающем назначение одной из станций сети центральной станцией, на стороне центральной станции деление канала связи на временные кадры, передачу сигнала синхронизации, деление временных кадров на временные интервалы, где станциям сети разрешается передавать и принимать информацию, распределение абонентским станциям временных подынтервалов (слотов), где каждая абонентская станция может передавать и принимать информацию, обмен передачами с центральной станцией другой сети данной системы в полосе частот, отличающейся от полосы частот, в которой работают абонентские станции данной сети, а на стороне абонентской станции - установление синхронизации с центральной станцией, прием и выделение служебной информации о распределении временных интервалов для передачи и приема пакетов пользовательской информации, прием пакетов пользовательской информации в соответствии с распределением временных интервалов и передачу пакетов пользовательской информации в соответствии с распределением временных интервалов, причем во временном кадре центральной станции после передачи сигнала синхронизации выделяют временной интервал для передачи пакетов служебной информации от центральной станции к абонентским станциям, затем выделяют временной интервал, поделенный на временные слоты, для передачи пакетов пользовательской информации от центральной станции к абонентским станциям, затем выделяют временной интервал для регистрации абонентских станций, затем выделяют временной интервал, поделенный на временные слоты, для приема пакетов служебной и пользовательской информации от абонентских станций в соответствии с распределенными им слотами, при этом на стороне абонентской станции устанавливают синхронизацию с центральной станцией, принимают пакеты служебной информации от центральной станции в течение всего интервала передачи служебной информации и выделяют адресованные им команды на открытие служебных каналов; на стороне абонентской станции, впервые выходящей в эфир, после установления синхронизации с сигналом центральной станции, в течение интервала регистрации передают пакет с идентификатором в направлении центральной станции и ожидают прихода команд на открытие служебного канала от центральной станции; на стороне центральной станции принимают пакет с идентификатором от абонентской станции в течение интервала регистрации и в интервале для передачи пакетов служебной информации в последующих кадрах передают команды на открытие служебного канала абонентской станции, идентификатор которой был успешно принят; на стороне абонентской станции, получившей команды на открытие служебного канала, осуществляют передачу пакетов служебной информации в распределенных ей временных слотах; на стороне абонентской станции, передавшей идентификатор, но не получившей команд на открытие служебного канала, повторяют передачу идентификатора в интервале регистрации следующих случайно выбранных кадров; на стороне центральной станции периодически передают служебные пакеты опроса в направлении зарегистрированных абонентских станций, открывая служебные каналы для передачи ответов на пакеты опроса и, при необходимости, запросов распределения от зарегистрированных абонентских станций; на стороне центральной станции передают пакеты служебной информации с командами на открытие каналов для передачи пакетов пользовательской информации от абонентских станций, запросивших распределения; на стороне центральной станции принимают пакеты пользовательской информации от абонентских станций в распределенных им временных слотах в течение одного или нескольких кадров; на стороне центральной станции периодически проводят оптимизацию использования временных интервалов в кадре, при этом активной, абонентской станции выделяют новое распределение и продолжают прием сигналов на старом распределении до установления связи на новом распределении, после чего закрывают канал на старом распределении; на стороне центральной станции закрывают канал для передачи пакетов пользовательской информации по соответствующему сообщению от абонентской станции или при отсутствии ответа от абонентской станции на заданное число опросов; на стороне центральной станции анализируют ошибочно принятые пакеты информации по степени важности сообщений и осуществляют передачу адресату безошибочных и испорченных пакетов с информацией низшей степени важности и только безошибочных пакетов информации высшей степени важности; кроме того, из центральной станции осуществляют радиообмен с центральной станцией другого сегмента сети, входящего в состав системы, независимо от временных кадров своего сегмента сети, а любая из абонентских станций при необходимости осуществляет управление группой станций, образующих сегмент сети нижнего уровня, согласно изобретению, в диапазоне частот системы выделяют несколько резервных частотных полос для служебных или аварийных передач; на стороне абонентских станций сегментов сети нижнего уровня осуществляют связь с центральной станцией своего сегмента сети в частотной полосе своего сегмента сети при помощи первого тракта приемопередачи и сканирование резервных частотных полос при помощи второго тракта приемопередачи этой абонентской станции; при обнаружении незанятой резервной частотной полосы на стороне абонентской станции сегмента сети нижнего уровня осуществляют передачу кадра-маяка в незанятой резервной полосе частот при помощи второго тракта приемопередачи независимо от кадров первого тракта приемопередачи этой абонентской станции; в случае пропадания сигнала станции, являющейся центральной станцией в некотором сегменте сети нижнего уровня и в то же время абонентской станцией в сегменте сети верхнего уровня, в каждой из абонентских станций сегмента сети нижнего уровня, ставшего изолированным, производят сканирование резервных частотных полос и частотной полосы сегмента сети верхнего уровня; в случае пропадания сигнала станции, являющейся центральной станцией в некотором сегменте сети нижнего уровня и в то же время абонентской станцией в сегменте сети верхнего уровня, в каждой из абонентских станций сегмента сети нижнего уровня, ставшего изолированным, производят отсчет времени пропадания сигнала этой центральной станции; по достижении заданного значения времени пропадания сигнала этой центральной станции τ1, абонентскую станцию изолированного сегмента сети, у которой задано время таймаута, равное τ1, назначают центральной в этом сегменте сети, и проводят процедуру регистрации этой центральной станции в сегменте сети верхнего уровня в качестве абонентской станции;

в случае успешной регистрации в сегменте сети верхнего уровня, восстанавливают связь изолированного сегмента сети нижнего уровня с сегментом сети верхнего уровня через эту зарегистрированную станцию;

при неудаче регистрации в сегменте сети верхнего уровня проводят процедуру регистрации в любом сегменте сети нижнего уровня;

в случае успешной регистрации в сегменте сети нижнего уровня, восстанавливают связь изолированного сегмента сети нижнего уровня с сегментом сети верхнего уровня через эту зарегистрированную станцию и сегмент сети нижнего уровня;

при неудаче регистрации в сегменте сети нижнего уровня проводят процедуру временной регистрации с абонентской станцией любого соседнего сегмента сети нижнего уровня, передавшей кадр-маяк, и восстанавливают связь изолированного сегмента сети нижнего уровня с сегментом сети верхнего уровня через абонентскую станцию, передавшую кадр-маяк, и сегмент сети нижнего уровня;

по достижении заданного значения времени пропадания сигнала центральной станции τ2, и при неудаче восстановления связи между изолированным сегментом сети нижнего уровня с сегментом сети верхнего уровня через эту станцию повторяют вышеописанные действия по восстановлению связи между сегментом сети нижнего уровня с сегментом сети верхнего уровня через другую абонентскую станцию этого изолированного сегмента сети, у которой задано время таймаута, равное τ2;

по достижении заданного значения времени пропадания сигнала центральной станции τ3, и при неудаче процедур восстановления связи между сегментом сети нижнего уровня с сегментом сети верхнего уровня через станцию, у которой задано время таймаута, равное τ2, вышеописанные действия по восстановлению связи между сегментами сети нижнего уровня с сегментом сети верхнего уровня через другую станцию этого изолированного сегмента сети, у которой задано время таймаута, равное τ3, и так далее;

в случае восстановления работоспособности вышедшей из строя центральной станции по достижении времени, когда связь между изолированным сегментом сети нижнего уровня и сегментом сети верхнего уровня восстановлена через одну из абонентских станций этого сегмента сети нижнего уровня, для восстановленной центральной станции проводят процедуру регистрации в сегменте сети верхнего уровня в качестве абонентской станции, проводят процедуру регистрации в сегменте сети нижнего уровня в качестве абонентской станции и, при необходимости, проводят процедуру передачи управления от станции данного сегмента сети, принявшей на себя обязанности центральной станции, к восстановленной станции;

на стороне центральной станции во временных кадрах сегментов нижнего уровня выделяют интервалы для проводки графика mesh-сети;

на стороне абонентской станции любого из сегментов сети нижнего уровня принимают пакеты служебной информации в течение всего интервала передачи служебной информации и сохраняют адреса всех станций, которым направляются пакеты, для формирования списка станций участников mesh-сети;

на стороне абонентской станции любого из сегментов сети нижнего уровня прослушивают интервал для проводки графика mesh-сети, принимают пакеты графика mesh-сети и направляют эти пакеты станциям из списка станций участников mesh-сети;

в случае большой активности абонентов некоторого сегмента сети нижнего уровня на стороне центральной станции этого сегмента в интервале служебной информации передают отказ на запрос открытия канала абонентской станции; на стороне абонентской станции, получившей отказ открытия канала, производят сканирование резервных частотных полос и прием кадра-маяка от любой из абонентских станций в зоне радиовидимости; далее осуществляют временную регистрацию абонентской станции, имеющей запрос на открытие канала, в абонентской станции, передавшей кадр-маяк; в случае успешной регистрации и открытия канала передают очередные пакеты и закрывают канал; при неудаче регистрации в абонентской станции повторяют процедуры запроса открытия канала в центральной станции этого сегмента и сканирование резервных частотных полос.

Дополнительно, для объединения, по крайней мере, двух двухуровневых сетей на протяженной территории в случае отсутствия радиовидимости и невозможности регистрации в центральной станции сегмента верхнего уровня другой сети, абонентские станции соседних сегментов, находящиеся в зоне радиовидимости, регистрируют в качестве абонентских станций в соседних сегментах нижнего уровня, принадлежащих к разным сегментам верхнего уровня, и осуществляют проводку графика через эти абонентские станции как через сетевые шлюзы между двумя двухуровневыми сетями;

радиостанции, из которых составляют сегменты сети, выполняют в виде одинаковых программируемых устройств с двумя независимыми приемо-передающими модулями и программируют в зависимости от потребности сети для работы в качестве либо центральной, либо абонентской станции в каждом из двух приемо-передающих модулей, которые на физическом уровне преимущественно используют сигнально-кодовые конструкции с ортогональным кодовым мультиплексированием (OCDM);

сегменты сети верхнего уровня иерархии могут иметь выход в глобальные сети, используя для проводки графика беспроводные линии связи преимущественно по технологии LTE.

На фиг.1 представлена структура временного кадра сети с МДВР по описанию патента-прототипа.

На фиг.2 представлена структура сети из нескольких сегментов по описанию патента-прототипа.

На фиг.3 представлена структура сети по предлагаемому способу в случае выхода из строя центральной станции сегмента N2, которая в то же время является абонентской станцией АС 2₀ в сегменте N0. Абонентская станция AC k₂ сегмента N2 приняла на себя обязанности центральной станции в сегменте N2.

На фиг.4 представлена структура сети по предлагаемому способу в случае, когда абонентская станция AC k₂, принявшая на себя обязанности центральной станции в сегменте N2, не зарегистрировалась в центральной станции сегмента N0 и осуществляет попытку регистрации в станции, являющейся абонентской станцией в сегменте N0 и одновременно центральной станцией в сегменте Ns.

На фиг.5 представлена структура сети по предлагаемому способу в случае, когда абонентская станция AC k₂, принявшая на себя обязанности центральной станции в сегменте N2, не зарегистрировалась в центральной станции сегмента Ns и осуществляет попытку регистрацию в станции, передавшей кадр-маяк в одной из резервных частотных полос.

На фиг.6 представлена структура сети по предлагаемому способу в случае открытия временного канала связи между абонентскими станциями разных сегментов сети.

На фиг.7 представлена структура сети по предлагаемому способу в случае установления шлюза между двумя двухуровневыми структурами сети, расположенными на большой территории.

На фиг.8 (л.1) и фиг.8 (л.2) представлен алгоритм восстановления сети при выходе из строя центральной станции одного из сегментов нижнего уровня.

На фиг.9 представлен алгоритм проводки трафика mesh-сети.

На фиг.10 представлена структура временного кадра сети с МДВР, предусматривающая ресурс для проводки графика mesh-сети по предлагаемому способу.

На фиг.11 представлен график соотношения между удельными энергетическими β и частотными α_F затратами канала связи, необходимыми для передачи одной двоичной единицы информации.

На фиг.2-9 введены следующие обозначения:

N0, N02 - сегмент сети верхнего уровня - группа станций, одна из которых является центральной, а остальные работают как абонентские в данном сегменте сети и как центральные - в сегменте сети нижнего уровня;

N1 … Nv - сегмент сети нижнего уровня - группа станций, одна из которых является центральной в данном сегменте сети и одновременно абонентской в сегменте сети верхнего уровня; остальные станции данного сегмента работают как абонентские;

ЦС_s - центральная станция сегмента сети Ns;

ЦС 1/ЦС 0 - станция, являющаяся центральной одновременно в сегментах сети N1 и N0;

ЦСs/ACs₀ - станция, являющаяся одновременно центральной в сегменте сети Ns и абонентской в сегменте сети N0;

AC rs - r-ая абонентская станция сегмента сети Ns.

Предлагаемый способ связи между абонентами в гибридной mesh-сети для рассредоточенных пользователей заключается в следующем.

Несколько радиостанций объединяют в сеть для совместной работы. Сеть формируется преимущественно двухуровневой иерархии, где каждый сегмент сети имеет структуру типа «звезда». Одну из радиостанций в сегменте верхнего уровня N0 назначают центральной станцией, а остальные - абонентскими. В то же время каждая из станций сегмента N0 может являться центральной для сегмента нижнего уровня иерархии N1 … Ns (фиг.2). В пределах каждого сегмента управление выходами в эфир радиостанций, принадлежащих к данному сегменту сети, осуществляет центральная станция данного сегмента по способу, описанному в патенте-прототипе. То есть центральная радиостанция передает сигнал, который делит канал на временные кадры.

Структуру временного кадра устанавливают в соответствии с временной диаграммой, представленной на фиг.10. В начале временного кадра выделяют интервал Т1 для передачи сигнала синхронизации и идентификатора сети.

Затем выделяют временной интервал T2 для передачи пакетов служебной и пользовательской информации от центральной станции к абонентским. Интервал T2 разделяют на два подынтервала: T2₁ - для передачи "вниз" пакетов служебной информации всем зарегистрированным станциям и T2₂ - для передачи "вниз" пакетов пользовательской информации активным абонентским станциям.

Затем выделяют временной интервал T3 для регистрации абонентских станций.

Затем выделяют временной интервал T4 для передачи "вверх" пакетов служебной и пользовательской информации от абонентских станций к центральной станции. Интервал T4 разделяют на подынтервалы T4_k, которые распределяются отдельным абонентским станциям. Между подынтервалами T4_k предусматриваются небольшие защитные интервалы для предотвращения наложения передач из-за разного времени распространения сигналов от разных абонентских станций.

В течение интервала Т1 центральная станция передает сигнал синхронизации и идентификатор сети. Эти сигналы могут, например, передаваться с помощью помехоустойчивой широкополосной модуляции. Длительность и кодовая структура сигнала синхронизации выбираются в соответствии с требованиями обеспечения помехоустойчивости работы сети связи.

Абонентские станции принимают сигнал синхронизации, осуществляют синхронизацию своих приемников и ожидают прихода служебных пакетов от центральной станции. В течение временного интервала T2₁ абонентские станции выделяют из общего потока адресованные им пакеты служебной информации по заголовкам.

В течение интервала T2₂ абонентские станции, имеющие открытые информационные каналы, принимают пакеты пользовательской информации в распределенных им интервалах T2_2.k.

В течение интервала T3 абонентские станции, впервые выходящие в эфир, передают короткий служебный пакет регистрации, который содержит только идентификатор этой абонентской станции. Причем абонентская станция начинает процедуру регистрации в сети вне зависимости от наличия у нее очереди пакетов для передачи. Если центральная станция успешно приняла пакет с идентификатором, то начинается процедура регистрации абонентской станции. Центральная станция сравнивает принятый идентификатор со списком возможных абонентов сети и списком зарегистрированных абонентов сети. Если абонентская станция опознается нормально, то в ее адрес направляются соответствующие команды на открытие служебного канала: в интервале T4 выделяется короткий временной интервал для передачи пакетов служебной информации от абонентской станции к центральной.

Если при опознавании абонентской станции возникли проблемы, центральная станция отправляет отказ регистрации. Причиной отказа регистрации может быть неправильный идентификатор абонентской станции или наличие уже зарегистрированной станции с данным идентификатором. Обе ситуации принимают как попытку несанкционированного доступа в сеть.

После приема команд об открытии служебного канала абонентская станция осуществляет передачу служебных пакетов, содержащих необходимые для регистрации в сети сведения. Такими сведениями могут являться данные аутентификации (коды доступа), виды подключенного к абонентской станции оборудования, абонентские номера этого оборудования. Например, номер телефона, факса и т.п.

После процедуры регистрации служебный канал закрывается, и абонентская станция продолжает ожидать направленных ей служебных пакетов от центральной станции. Данная абонентская станция больше не будет выходить в эфир по своей инициативе, кроме случая возможного пропадания сети и необходимости перерегистрации.

Абонентская станция, которая передала пакет с идентификатором, но не получила ответа, повторяет передачу пакета с идентификатором в течение интервала регистрации 73 одного из следующих кадров, причем выбор кадра определяется датчиком псевдослучайных чисел.

Центральная станция периодически опрашивает зарегистрированные абонентские станции. Процедура опроса состоит в том, что центральная станция открывает служебные каналы для зарегистрированных абонентских станций и ожидает ответов на служебные пакеты опроса. При наличии у абонентской станции информации для передачи (запросы на открытие канала от подключенного к абонентской станции оборудования и т.д.) она передает их в открытом служебном канале перед ответом на служебный пакет опроса. Если у абонентской станции нет информации для передачи, она передает центральной станции пакет ответа на опрос.

Если в процедуре опроса абонентская станция запросила у центральной станции открытие информационного канала, то центральная станция направляет в адрес абонентской станции служебные пакеты с распределенными ей интервалами Т2_2.k (одним из подынтервалов Т2_2.1- T2_2.n) - для приема и T4_k (одним из подынтервалов Т4₁-T4_n) - для передачи. Абонентская станция подтверждает получение распределения началом работы в выделенном ей интервале T4_k. При этом количество и длительность временных слотов, выделяемых абонентской станции для приема и передачи, определяет центральная станция в зависимости от запрошенной в процессе обмена служебными пакетами скорости передачи.

Периодичность опроса каждой абонентской станции зависит от числа зарегистрированных станций в сети: чем меньше станций зарегистрировано, тем чаще они опрашиваются.

Таким образом, процедура установления соединения проводится в два этапа: сначала регистрация абонентской станции в сети, затем периодический опрос зарегистрированных абонентских станций, по результатам которого происходит открытие канала для передачи информации, если абонентская станция имеет очередь пакетов для передачи. При этом в нерегулируемом интервале регистрации T3 передается только идентификационный номер абонентской станции. Все остальные служебные сообщения, связанные с регистрацией абонентской станции и процедурами выделения канала для передачи информационных пакетов, передаются в специально выделяемых центральной станцией интервалах.

В течение интервала Т4 абонентские станции, имеющие открытые информационные каналы, передают пакеты служебной и пользовательской информации в выделенных им временных интервалах T4_k. Каждая абонентская станция заполняет выделенный ей временной интервал T4_k следующим образом: сначала передают короткую синхро-последовательность, затем пакеты служебной информации, затем пакеты пользовательской информации до конца интервала T4_k. Пакеты служебной информации могут содержать ответные сообщения на команды центральной станции, а также запросы дополнительного распределения или отмены существующего.

Например, абонентская станция АС1 имеет открытый телефонный канал с абонентской станцией АС2 (через центральную станцию). Допустим в ходе телефонных переговоров возникает необходимость передачи от АС1 видеоинформации или данных, поступающих в АС1 через порт RS-422. В этом случае АС1 направляет центральной станции соответствующий запрос и центральная станция начинает процедуру изменения распределения, которая заключается в следующем. Центральная станция направляет в сторону абонентской станции пакеты служебной информации с командами открыть канал на новом распределении и поддерживает канал на старом распределении до получения сигнала от данной абонентской станции на новом распределении.

Предусмотрена также процедура изменения распределения без расширения объема канала - оптимизация использования временных интервалов в кадре. Поскольку в ходе работы сети постоянно происходит открытие и закрытие каналов различным станциям, то интервалы T2₂ и T4 становятся фрагментированными: произвольное чередование заполненных передачами и свободных интервалов Т2_2.k и T4_k. Для повышения эффективности использования временных интервалов центральная станция периодически производит сдвиг к началу интервала Т4 подынтервалов T4_k и сдвиг к началу интервала T2₂ подынтервалов T2_2.k, распределенных абонентским станциям, т.е. для передающих и принимающих информацию абонентских станций запускаются процедуры изменения распределения. Каждая из таких абонентских станций получает в составе служебной информации новое распределение и перестраивается на передачу и прием в новых временных слотах в ближайший удобный для данной абонентской станции момент времени. При этом центральная станция поддерживает оба распределения до приема сигнала данной абонентской станции в новом временном слоте. Только после установления канала на новом распределении центральная станция закрывает старое распределение. Таким образом, при смене распределения соединение не прерывается, абонент не теряет данные.

Абонентская станция, получившая распределение, сохраняет за собой открытый канал выделенного объема до тех пор, пока сама ни запросит процедуру закрытия канала. При этом центральная станция не сокращает объем выделенного данной абонентской станции распределения даже в случае слабой активности передач. Для закрытия канала абонентская станция передает соответствующий служебный пакет в начале своего интервала T4_k и продолжает передавать информацию до конца этого интервала.

Предусмотрено только два случая отмены распределения по инициативе центральной станции, поскольку в реальных условиях бывают аппаратные поломки или преднамеренный вывод из строя абонента (в военных применениях). Когда центральная станция опрашивает свою группу зарегистрированных абонентских станций (пассивных и активных) и принимает ответные сообщения, то она тем самым собирает сведения о работоспособности своих абонентов. При этом допускается пропуск нескольких ответных сообщений. Например, абонентская станция заехала за какую-либо преграду и не слышит запросов. И только в случае превышения некоторого заданного интервала центральная станция закрывает канал не отвечающей на запросы абонентской станции.

Предусмотрен также случай отмены распределения по инициативе центральной станции для предоставления канала абоненту с высоким приоритетом, например, предоставление скоростного канала командиру или для передачи сообщений, связанных с чрезвычайными ситуациями. В обычных условиях распределение, выделенное абонентской станции, не сокращается и не отменяется по инициативе центральной станции, т.е. абоненту гарантируется выделение канала требуемого качества.

Центральная станция анализирует принимаемые пакеты на предмет наличия ошибок и производит дальнейшую передачу испорченных пакетов в зависимости от важности передаваемой информации. Поскольку передача информации между абонентскими станциями происходит через центральную станцию, то при обнаружении ошибок во входящих пакетах информации центральная станция выполняет следующие действия:

Если обнаружена ошибка в пакете мультимедийной информации (речь, видео), причем в информационной части пакета, то такой пакет передается адресату. Если ошибка локализована в заголовке пакета мультимедийной информации, то пакет снабжается новым заголовком и передается адресату. Если обнаружена ошибка в пакете информации наибольшей степени важности (данные), то центральная станция отказывается от передачи адресату такого пакета и такой пакет может быть передан повторно по решению вышестоящих протоколов, тем самым физический уровень освобождается от процедур повторной передачи. В результате не все испорченные пакеты передаются повторно, что обеспечивает дополнительную экономию пропускной способности сети.

Центральная станция данного сегмента сети (например, ЦС 2 из сегмента N2 на фиг.2) может одновременно работать в качестве абонентской станции АС 2₀ в сегменте сети более высокого уровня иерархии N0, который, в свою очередь, состоит из множества аналогичных станций. Для обеспечения такой возможности, как и в патенте-прототипе, все радиостанции имеют два независимых тракта приемопередачи. В качестве такой радиостанции может быть использован радиомодем (программируемая радиостанция) «Восход», разработанный в ОАО «Концерн «Созвездие», г.Воронеж [3].

В каждом сегменте сети станции работают на несущей частоте, отличающейся от несущих частот других сегментов. Таким образом, станция ЦС 11 АС 2₀ является шлюзом для связи станций сегмента N2 с остальными сегментами сети на фиг.2.

Абонентские станции любого сегмента сети нижнего уровня, например, станции AC 1₁ … AC m₁ сегмента сети N1, работают в частотной полосе центральной станции своего сегмента ЦС 1 с помощью первого тракта приемо-передачи, а при помощи второго независимого тракта приемо-передачи эти станции осуществляют сканирование резервных частотных полос, специально выделенных в диапазоне частот системы. При обнаружении незанятой частотной полосы абонентская станция сегмента сети нижнего уровня осуществляет передачу кадра-маяка.

Предположим, что станция ЦС 2/АС 2₀ по каким-либо причинам вышла из строя. Тогда абонентские станции сегмента сети N2 оказываются изолированными от остальных сегментов сети и предпринимают действия по возобновлению связи с сетью.

При пропадании сигнала центральной станции некоторого сегмента сети в каждой из абонентских станций, принадлежащих к данному сегменту сети, начинается отсчет времени пропадания сигнала центральной станции. При этом у каждой станции задано некоторое определенное время таймаута, в течение которого она не должна предпринимать активных действий. Та станция, у которой заданное значение таймаута τ1 ниже всех, например, АС k₂, берет на себя роль базовой станции данного сегмента N2, то есть начинает передавать кадр (фиг.10), распределять интервалы выхода в эфир для остальных станций сегмента сети и проводку информационных пакетов.

В то же время, с помощью второго тракта приемо-передачи станция, ставшая центральной в данном сегменте, начинает поиск сегмента сети N0: синхронизируется с кадром базовой станции сегмента N0, регистрируется в сегменте N0 (фиг.3) и начинает выполнять все функции выбывшей из строя станции ЦС 2/АС 2₀ согласно алгоритму, приведенному на фиг.8.

Если ставшая центральной станция сегмента нижнего уровня не может установить связь с сегментом N0, тогда, после заданного числа неудачных попыток, она выполняет попытку установления связи с сегментом своего уровня. Если данная центральная станция успешно проходит регистрацию в сегменте своего уровня, то сеть становится трехуровневой (фиг.4).

Служебная информация о том, что сеть стала трехуровневой, может быть доставлена в центральную станцию верхнего сегмента N0, где по результатам анализа текущего состояния сети выносится решение о реконфигурации сети, приведении ее к обычной двухуровневой структуре. Анализ состояния сети может выполняться по таким параметрам как число зарегистрированных абонентских станций в каждом сегменте, данные о местоположениях абонентских станций, зарегистрированных в каждом сегменте, активность абонентских станций, зарегистрированных в каждом сегменте и т.п. По результатам анализа некоторые абонентские станции сегментов нижнего уровня могут получить команды на открытие служебных каналов для обмена служебными сообщениями по переводу в другие сегменты сети.

Регистрация станции в сегменте сети - это регистрация в центральной станции сегмента сети. Если ставшая центральной станция сегмента нижнего уровня не может установить связь с сегментом своего уровня (с центральной станцией сегмента своего уровня), то она начинает сканировать резервные частотные полосы с целью поиска кадра-маяка от любой из абонентских станций любого сегмента сети и осуществляет попытку регистрации в абонентской станции, передавшей кадр-маяк, как в «центральной» станции (фиг.5). В случае успешной регистрации в некоторой абонентской станции, ставшая центральной станция сегмента нижнего уровня осуществляет связь с сетью через абонентскую станцию, передавшую кадр-маяк, до получения соответствующих инструкций из центральной станции сегмента нижнего уровня или опосредовано - центральной станции сегмента N0.

Если станция AC k₂ не сумела в заданное время принять на себя роль центральной станции в сегменте (например, находится вне зоны радио видимости), то она прекращает передачу кадров для остальных станций сегмента и продолжает попытки зарегистрироваться в каком-либо другом сегменте.

После провала попытки станции AC k₂ стать центральной в своем сегменте наступает время активизации следующей станции данного сегмента, например, АС 1₂, которая по окончании своего таймаута τ2 выполняет те же действия, что и станция AC k₂. Как и в случае с AC k₂, станция AC 1₂ может либо успешно зарегистрироваться в сегменте верхнего уровня N0, либо в случае провала пытаться зарегистрироваться в другом сегменте своего уровня и т.д. Эту процедуру, в худшем случае, могут пройти все абонентские станции сегмента, потерявшего свою центральную станцию. В результате данный сегмент перестанет существовать, а не сумевшие принять на себя управление станции поодиночке присоединятся к другим сегментам своего уровня.

Если одна из станций сегмента сети успешно приняла на себя роль центральной станции в своем сегменте сети, успешно зарегистрировалась в сегменте верхнего уровня N0, выполняет все функции выбывшей из строя центральной станции и в это время бывшая центральная станция (ЦС 2/АС 2₀) данного сегмента восстановила свою работоспособность, то возможна (но не обязательна) процедура передачи управления от новой центральной станции этого сегмента к восстановленной. Необходимость передачи управления может быть связана с инфраструктурными подключениями восстановленной станции или субординацией владельцев станций в военных применениях.

Процедура передачи управления состоит в следующем. Восстановленная станция регистрируется в качестве абонентской станции в своем сегменте сети и в сегменте сети верхнего уровня N0. Направляет соответствующие служебные сообщения центральной станции своего сегмента сети и сегмента верхнего уровня N0. В результате обмена сообщениями назначается момент времени, когда станция, ставшая центральной, перестает передавать кадр, восстановленная станция начинает передавать кадр (фиг.10), а центральная станция сегмента верхнего уровня осуществляет соответствующую переадресацию пакетов.

Когда радикальных изменений структуры сети не происходит и абонентские станции сегментов нижнего уровня работают в соответствии с описанием патента-прототипа, то первые тракты приемопередачи этих станций используются для радиообмена в сегменте сети, а вторые оказываются недогруженными (только периодически передают кадр-маяк) и могут использоваться, для проводки сообщений по принципу mesh-сети [1, 2]. Для этого в кадре вторых трактов приемопередачи абонентских станций (в том числе и в кадре-маяке) могут быть выделены специальные интервалы на временной либо на постоянной основе (фиг.10, Т2_м и Т4_м - для передачи и приема соответственно). В качестве информации о «соседях», необходимой для работы mesh-сети, может использоваться информация о зарегистрированных абонентских станциях, которая присутствует в кадре, но не используется абонентскими станциями в обычном режиме. Абонентские станции в принципе видят все пакеты в кадре, но выбирают только «свои». Из заголовков «чужих» пакетов каждая станция может формировать для себя текущий список соседей для работы mesh-сети и осуществлять проводку пакетов. Алгоритм проводки графика mesh-сети представлен на фиг.9.

При большой активности абонентов некоторого сегмента сети нижнего уровня абонентская станция может получить отказ на запрос открытия канала. В этом случае абонентская станция начинает сканирование резервных частотных полос в поисках кадра-маяка любой абонентской станции в зоне радиовидимости (фиг.6), проводит процедуру регистрации в абонентской станции, передавшей кадр-маяк, как в центральной станции и направляет свой график через абонентскую станцию, передавшую кадр-маяк. Такие соединения создаются преимущественно для коротких сообщений.

Для построения сетей на территории большой протяженности, когда центральные станции сегментов верхнего уровня находятся на расстояниях, превышающих дальности связи, а абонентские станции сегментов нижнего уровня способны взаимно принимать сигналы, одна из абонентских станций сегмента нижнего уровня может зарегистрироваться в сегменте нижнего уровня, принадлежащем другому сегменту верхнего уровня и выполнять роль шлюза для проводки графика между этими сегментами (Фиг.7).

Трафик, поступающий в сегмент верхнего уровня, может предназначаться для абонентов сети либо для выхода в глобальные сети, например, Интернет, цифровое телевидение, электронные устройства и др. Базовые узлы могут иметь подключение к проводным сетям (кабельным или волоконно-оптическим линиям), как показано на фиг.3 патента США №6445701. В сельской местности, особенно в малонаселенных районах, проводные сети часто отсутствуют совсем либо развиты недостаточно и не развиваются из-за отсутствия экономической эффективности таких проектов [4, 5]. В такой ситуации альтернативой проводным подключениям к глобальным сетям могут служить беспроводные каналы связи. Для обеспечения выхода в глобальные сети удаленных групп абонентов, не имеющих проводных сетей, сегменты верхнего уровня могут подключаться к точкам доступа глобальных сетей с использованием преимущественно технологии LTE [4].

Радиостанции, из которых составляют сегменты сети, выполняют в виде одинаковых программируемых устройств с двумя независимыми приемо-передающими модулями и программируют для работы в качестве либо центральной, либо абонентской станции в каждом из двух приемопередающих модулей, которые на физическом уровне преимущественно используют сигнально-кодовые конструкции с ортогональным кодовым мультиплексированием (технология Orthogonal Code Division Multiplexing, OCDM) [2, 3], обеспечивающие высокую помехозащищенность каналов связи при хорошей скорости передачи и эффективном использовании полосы частот.

Физический уровень технологии LTE [4] основан на использовании сигнально-кодовых конструкций с ортогональным частотным мультиплексированием (технология Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) [2], что обеспечивает высокие скорости передачи в магистральных линиях между ретранслирующими и базовыми узлами, преимущественно стационарными и, следовательно, работающими на направленные антенны.

Выбор сигнально-кодовых конструкций осуществляется на основании зависимости между удельными энергетическими и частотными затратами канала на передачу сообщения, которая является следствием известного закона К.Шеннона о пропускной способности канала связи

C=ΔFlog₂(1+Рс/Рш),

где С - пропускная способность канала связи;

ΔF - ширина полосы пропускания радиотракта;

Рс - средняя мощность полезного сигнала на входе приемника;

Рш - средняя мощность флуктуационного шума на входе приемника (в полосе ΔF).

Если воспользоваться величинами удельного расхода полосы частот α_F=ΔF/R, где R - скорость передачи, и удельного расхода энергии сигнала на одну двоичную единицу информации β=Pc/NoR, где No - спектральная плотность мощности шума в полосе приемника, то (при R→C) формулу Шеннона можно представить в виде

Из этой формулы следует выражение, определяющее зависимость между энергетическими и частотными затратами канала связи, необходимыми для передачи информационного сообщения.

График этой функции (Фиг.11) показывает, что для непрерывного канала связи с гауссовким шумом:

- минимально возможная граница энергетических затрат (то есть минимально возможная спектральная плотность мощности излучения при заданной вероятности ошибки на приемном конце радиолинии) в канале связи, при которой обеспечивается высокое качество принимаемой информации, представлена величиной 0,693 (что соответствует отношению сигнал/шум в канале минус 1,6 дБ); при этом удельная скорость информации должна быть не менее 10;

- в частотно-ограниченных непрерывных каналах связи удельную скорость передачи информации целесообразно выбирать равной 1/α_F=R/ΔF=2 (то есть скорость передачи информации в 2 раза больше ширины полосы частот) при незначительных энергетических затратах (менее 1,8 дБ); это случай сигналов OCDM;

- реализация более высокой удельной скорости в канале связи приводит к резкому увеличению энергетических затрат. Такие системы связи обеспечивают максимальную пропускную способность канала связи, не считаясь с энергетическими потерями. Например, при удельной скорости, равной 4, затраты составят 5,19 дБ. Это относится к сигналам OFDM.

Сравнительно невысокая помехоустойчивость OFDM на ретранслирующих узлах не имеет существенного значения, поскольку эти узлы стационарны и в них используются направленные антенны, существенно повышающие ЭМС, при этом обеспечивается высокая пропускная способность, требуемая в магистральных линиях.

Таким образом, при сохранении всех положительных свойств способа-прототипа, предлагаемый способ обеспечивает восстановление целостности сети после выхода из строя какой-либо из управляющих станций, повышает эффективность использования ресурсов радиостанций, образующих сеть, повышает гибкость организации сети за счет введения параллельно работающей mesh-сети и обеспечивает беспроводные высокоскоростные магистрали к точкам доступа в глобальные сети.

Источники информации

1. Осипов И.Е. Mesh-сети: технологии, приложения, оборудование // Технологии и средства связи, 2006, №4.

2. Вишневский В. И др. Широкополосные беспроводные сети передачи информации. М.: Техносфера, 2005. - 592 с.

3. Радиостанция «Восход» ИТНЯ,464425.043, разработана в «ОАО «Концерн «Созвездие».

4. Муравицкий О. LTE: без пяти минут 4G // Домашний ПК, 26.10.2011. http://itc.ua/articles/standart_lte_56151.

5. Половников С.Дубль четвертый // Коммерсантъ, 13.12.2011. http://www.kommersant.ru/doc/1836868.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к технологиям построения беспроводных самоорганизующихся сетей связи в системах общего пользования, содержащих абонентские, базовые, коммутационные станции. Техническим результатом является повышение способности сети к самовосстановлению, гибкой перестройки ее структуры и оперативному перераспределению графика в случае неравномерности загрузки каналов связи. Сеть составляют из сегментов, содержащих центральную станцию и группу абонентских станций, причем каждая из станций имеет два тракта приемопередачи. Один из трактов используется для штатной работы в сети, а при помощи второго тракта приемопередачи абонентская станция прослушивает резервные частотные полосы из диапазона системы, специально выделенные для служебных или аварийных передач. При обнаружении незанятой резервной частотной полосы абонентская станция передает кадр-маяк, который используется станциями, потерявшими связь с сетью, для восстановления доступа в сеть при невозможности установления связи с центральной станцией любого из сегментов сети. 3 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ формирования гибридной mesh-сети для рассредоточенных пользователей, включающий назначение одной из станций сегмента сети центральной станцией, на стороне центральной станции деление канала связи на временные кадры, передачу сигнала синхронизации, деление временных кадров на временные интервалы, где станциям сети разрешается передавать и принимать информацию, распределение абонентским станциям временных подынтервалов (слотов), где каждая абонентская станция может передавать и принимать информацию, обмен передачами с центральной станцией другой сети данной системы в полосе частот, отличающейся от полосы частот, в которой работают абонентские станции данной сети, а на стороне абонентской станции - установление синхронизации с центральной станцией, прием и выделение служебной информации о распределении временных интервалов для передачи и приема пакетов пользовательской информации, прием пакетов пользовательской информации в соответствии с распределением временных интервалов и передачу пакетов пользовательской информации в соответствии с распределением временных интервалов, причем во временном кадре центральной станции после передачи сигнала синхронизации выделяют временной интервал для передачи пакетов служебной информации от центральной станции к абонентским станциям, затем выделяют временной интервал, поделенный на временные слоты, для передачи пакетов пользовательской информации от центральной станции к абонентским станциям, затем выделяют временной интервал для регистрации абонентских станций, затем выделяют временной интервал, поделенный на временные слоты, для приема пакетов служебной и пользовательской информации от абонентских станций в соответствии с распределенными им слотами, при этом на стороне абонентской станции устанавливают синхронизацию с центральной станцией, принимают пакеты служебной информации от центральной станции в течение всего интервала передачи служебной информации и выделяют адресованные им команды на открытие служебных каналов; на стороне абонентской станции, впервые выходящей в эфир, после установления синхронизации с сигналом центральной станции, в течение интервала регистрации передают пакет с идентификатором в направлении центральной станции и ожидают прихода команд на открытие служебного канала от центральной станции; на стороне центральной станции принимают пакет с идентификатором от абонентской станции в течение интервала регистрации и в интервале для передачи пакетов служебной информации в последующих кадрах передают команды на открытие служебного канала абонентской станции, идентификатор которой был успешно принят; на стороне абонентской станции, получившей команды на открытие служебного канала, осуществляют передачу пакетов служебной информации в распределенных ей временных слотах; на стороне абонентской станции, передавшей идентификатор, но не получившей команд на открытие служебного канала, повторяют передачу идентификатора в интервале регистрации следующих случайно выбранных кадров; на стороне центральной станции периодически передают служебные пакеты опроса в направлении зарегистрированных абонентских станций, открывая служебные каналы для передачи ответов на пакеты опроса и, при необходимости, запросов распределения от зарегистрированных абонентских станций; на стороне центральной станции передают пакеты служебной информации с командами на открытие каналов для передачи пакетов пользовательской информации от абонентских станций, запросивших распределения; на стороне центральной станции принимают пакеты пользовательской информации от абонентских станций в распределенных им временных слотах в течение одного или нескольких кадров; на стороне центральной станции периодически проводят оптимизацию использования временных интервалов в кадре, при этом активной абонентской станции выделяют новое распределение и продолжают прием сигналов на старом распределении до установления связи на новом распределении, после чего закрывают канал на старом распределении; на стороне центральной станции закрывают канал для передачи пакетов пользовательской информации по соответствующему сообщению от абонентской станции или при отсутствии ответа от абонентской станции на заданное число опросов; на стороне центральной станции анализируют ошибочно принятые пакеты информации по степени важности сообщений и осуществляет передачу адресату безошибочных и испорченных пакетов с информацией низшей степени важности и только безошибочных пакетов информации высшей степени важности; кроме того, из центральной станции осуществляют радиообмен с центральной станцией другого сегмента сети, входящего в состав системы, независимо от временных кадров своего сегмента сети, а любая из абонентских станций при необходимости осуществляет управление группой станций, образующих сегмент сети нижнего уровня, отличающийся тем, что
в диапазоне частот системы выделяют несколько резервных частотных полос для служебных или аварийных передач;
на стороне абонентских станций сегментов сети нижнего уровня осуществляют связь с центральной станцией своего сегмента сети в частотной полосе своего сегмента сети при помощи первого тракта приемо-передачи и сканирование резервных частотных полос при помощи второго тракта приемо-передачи этой абонентской станции;
при обнаружении незанятой резервной частотной полосы на стороне абонентской станции сегмента сети нижнего уровня осуществляют передачу кадра-маяка в незанятой резервной полосе частот при помощи второго тракта приемо-передачи независимо от кадров первого тракта приемо-передачи этой абонентской станции;
в случае пропадания сигнала станции, являющейся центральной станцией в некотором сегменте сети нижнего уровня и в то же время абонентской станцией в сегменте сети верхнего уровня, в каждой из абонентских станций сегмента сети нижнего уровня, ставшего изолированным, производят сканирование резервных частотных полос и частотной полосы сегмента сети верхнего уровня;
в случае пропадания сигнала станции, являющейся центральной станцией в некотором сегменте сети нижнего уровня и в то же время абонентской станцией в сегменте сети верхнего уровня, в каждой из абонентских станций сегмента сети нижнего уровня, ставшего изолированным, производят отсчет времени пропадания сигнала этой центральной станции;
по достижении заданного значения времени пропадания сигнала этой центральной станции τ1, абонентскую станцию изолированного сегмента сети, у которой задано время таймаута, равное τ1, назначают центральной в этом сегменте сети, и проводят процедуру регистрации этой центральной станции в сегменте сети верхнего уровня в качестве абонентской станции;
в случае успешной регистрации в сегменте сети верхнего уровня, восстанавливают связь изолированного сегмента сети нижнего уровня с сегментом сети верхнего уровня через эту зарегистрированную станцию;
при неудаче регистрации в сегменте сети верхнего уровня проводят процедуру регистрации в любом сегменте сети нижнего уровня;
в случае успешной регистрации в сегменте сети нижнего уровня, восстанавливают связь изолированного сегмента сети нижнего уровня с сегментом сети верхнего уровня через эту зарегистрированную станцию и сегмент сети нижнего уровня;
при неудаче регистрации в сегменте сети нижнего уровня проводят процедуру временной регистрации с абонентской станцией любого соседнего сегмента сети нижнего уровня, передавшей кадр-маяк, и восстанавливают связь изолированного сегмента сети нижнего уровня с сегментом сети верхнего уровня через абонентскую станцию, передавшую кадр-маяк, и сегмент сети нижнего уровня;
по достижении заданного значения времени пропадания сигнала центральной станции τ2, и при неудаче восстановления связи между изолированным сегментом сети нижнего уровня с сегментом сети верхнего уровня через эту станцию повторяют вышеописанные действия по восстановлению связи между сегментом сети нижнего уровня с сегментом сети верхнего уровня через другую абонентскую станцию этого изолированного сегмента сети, у которой задано время таймаута, равное τ2;
по достижении заданного значения времени пропадания сигнала центральной станции τ3, и при неудаче процедур восстановления связи между сегментом сети нижнего уровня с сегментом сети верхнего уровня через станцию, у которой задано время таймаута, равное τ2, вышеописанные действия по восстановлению связи между сегментами сети нижнего уровня с сегментом сети верхнего уровня через другую станцию этого изолированного сегмента сети, у которой задано время таймаута, равное τ3, и так далее;
в случае восстановления работоспособности вышедшей из строя центральной станции по достижении времени, когда связь между изолированным сегментом сети нижнего уровня и сегментом сети верхнего уровня восстановлена через одну из абонентских станций этого сегмента сети нижнего уровня, для восстановленной центральной станции проводят процедуру регистрации в сегменте сети верхнего уровня в качестве абонентской станции, проводят процедуру регистрации в сегменте сети нижнего уровня в качестве абонентской станции и, при необходимости, проводят процедуру передачи управления от станции данного сегмента сети, принявшей на себя обязанности центральной станции, к восстановленной станции;
на стороне центральной станции во временных кадрах сегментов нижнего уровня выделяют интервалы для проводки графика mesh-сети;
на стороне абонентской станции любого из сегментов сети нижнего уровня принимают пакеты служебной информации в течение всего интервала передачи служебной информации и сохраняют адреса всех станций, которым направляются пакеты, для формирования списка станций участников mesh-сети;
на стороне абонентской станции любого из сегментов сети нижнего уровня прослушивают интервал для проводки графика mesh-сети, принимают пакеты графика mesh-сети и направляют эти пакеты станциям из списка станций участников mesh-сети;
в случае большой активности абонентов некоторого сегмента сети нижнего уровня, на стороне центральной станции этого сегмента сети нижнего уровня в интервале служебной информации передают отказ на запрос открытия канала абонентской станции; на стороне абонентской станции, получившей отказ открытия канала, производят сканирование резервных частотных полос и прием кадра-маяка от любой из абонентских станций в зоне радиовидимости; далее осуществляют временную регистрацию абонентской станции, имеющей запрос на открытие канала, в абонентской станции, передавшей кадр-маяк; в случае успешной регистрации и открытия канала передают очередные пакеты и закрывают канал; при неудаче регистрации в абонентской станции повторяют процедуры запроса открытия канала в центральной станции этого сегмента сети нижнего уровня и сканирование резервных частотных полос.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для объединения, по крайней мере, двух двухуровневых сетей на протяженной территории, в случае отсутствия радиовидимости и невозможности регистрации в центральной станции сегмента верхнего уровня другой сети, абонентские станции соседних сегментов, находящиеся в зоне радиовидимости, регистрируют в качестве абонентских станций в соседних сегментах нижнего уровня, принадлежащих к разным сегментам сети верхнего уровня, и осуществляют проводку графика через эти абонентские станции как через сетевые шлюзы между двумя двухуровневыми сетями.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при передаче сообщений используют сигнально-кодовые конструкции с ортогональным кодовым мультиплексированием (OCDM).

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае невозможности выхода в глобальные сети с помощью проводных линий, сегменты сети верхнего уровня используют для проводки графика беспроводные линии связи преимущественно по технологии LTE.