МОДУЛЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО ВЗАИМНОГО НАПРАВЛЕНИЯ ЛУЧЕЙ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ СОПРЯГАЕМЫХ УЗЛОВ СВЯЗИ Российский патент 2023 года по МПК H04B7/14 

Изобретение относится к области радиосвязи, в частности, к высокоскоростным соединениям типа «точка-точка» и «точка-многоточка» миллиметрового диапазона длин волн, обеспечиваемым посредством станций радиорелейной связи (РРС) с электронным сканированием лучом диаграммы направленности антенной решетки.

Радиорелейные станции миллиметрового диапазона длин волн предназначены для обеспечения высокоскоростной связи типа «точка-точка» и «точка-многоточка» в условиях прямой видимости. Такие станции используются в сетях передачи данных для обеспечения высокоскоростной передачи больших объемов данных.

Высокие скорости передачи данных приводят к необходимости освоения высоких частотных диапазонов - 50-70 ГГц, в которых возможно использовать каналы связи с широкой абсолютной полосой пропускания - 1-2 ГГц.

Работа в этих частотных диапазонах связана с большими пространственными потерями при распространении сигнала в окружающем пространстве. Для компенсации потерь при распространении сигнала используются апертурные антенны (размер антенны много больше рабочей длины волны) с большим коэффициентом направленного действия (КНД) и, как следствие, узким лучом диаграммы направленности (ДН). Узкая форма диаграммы направленности (10-15 градусов по уровню минус 3 дБ) передающей и приемной абонентских станций приводит к необходимости точного взаимного наведения их антенных систем, что приводит к трудностям при монтаже и эксплуатации оборудования. При этом в случае использования антенных систем с неуправляемой диаграммой направленности (направленных антенн без поворотного устройства) оперативное переключение абонентской станции на работу с другим абонентом сети фактически становится невозможным.

Для организации быстрого переключения между абонентскими станциями в сетях беспроводной связи используются антенные системы с управляемой диаграммой направленности - фазированные антенные решетки (ФАР) и автоматизированные фазированные антенные решетки (АФАР). Эти устройства позволяют изменять направление главного луча диаграммы направленности без организации физического разворота плоскости антенной системы, что дает возможность оперативного изменения направления осуществления приема/передачи.

Однако, в этом случае для быстрого точного взаимного наведения главных лучей диаграмм направленности передающей и приемной станций необходимо с прецизионной точностью определить координаты их взаимного расположения, включая относительную разность высот, что в большинстве случаев не представляется возможным. Для решения этой задачи используется поисковое сканирование - поэтапное изменение направления главного луча диаграммы направленности с целью определения направления наибольшей эффективности передачи данных.

Существует несколько подходов к определению оптимального направления наибольшей эффективности передачи данных и организации процесса сканирования лучом. Так в патенте RU 2643795 описан алгоритм взаимного наведения лучей диаграмм направленности узлов связи по их относительному азимутальному направлению. Существенным недостатком такого подхода является необходимость точного определения географических координат установки и пространственной ориентации узлов связи, что во многих случаях является невозможным. Кроме того, прямое азимутальное направление может оказаться не лучшим с точки зрения эффективности передачи сигнала, поскольку на этом направлении могут возникать препятствия (деревья, металлоконструкции и проч.), ослабляющие сигнал и снижающие эффективность передачи.

В патенте RU 2715520 описан алгоритм сопряжения базовой станции, имеющей узкую диаграмму направленности антенного устройства с другим устройством сети, имеющим широкую форму диаграммы направленности антенного устройства. В ходе осуществления сопряжения двух устройств алгоритмом предусмотрена процедура сканирования лучом диаграммы направленности базовой станции. В ходе сканирования базовая станция поочередно осуществляет передачу информационного сообщения в каждом из возможных направлений луча диаграммы направленности. Каждое информационное сообщение содержит уникальный идентификатор направления луча диаграммы направленности, в котором оно было передано. Устройство, сопрягаемое с базовой станцией, при получении информационного сообщения формирует и передает обратное сообщение, содержащее уникальный идентификатор направления луча, с которого было принято информационное сообщение. Таким образом, на базовой станции формируется список направлений луча, по которым сопрягаемое устройство может принимать и отправлять сообщения. Данный метод сканирования имеет ряд недостатков. Первый из них связан с тем, что абонентские устройства в обязательном порядке должны иметь форму диаграммы направленности, близкую к круговой. В противном случае, пространственная ориентация абонентского устройства может не позволить принять хотя бы одно из информационных сообщений базовой станции в виду того, что его собственное антенное устройство будет развернуто в другую сторону. Другим существенным недостатком является то, что в ходе сканирования определяется только лишь принципиальная возможность организации связи по определенным направлениям, но при этом не проводится анализ качества канала связи в этом направлении и не осуществляется выбор лучшего направления. Еще одним недостатком описанного в патенте процесса сканирования является то, что после осуществления передачи информационного сообщения базовая станция должна некоторое время ожидать поступления ответного информационного сообщения от сопрягаемого устройства прежде чем отправить информационное сообщение в другом направлении. В противном случае, информационное сообщение, отправленное сопрягаемым устройством, не будет получено из-за изменения направления луча базовой станции. Такие задержки увеличивают время проведения сканирования.

Прототипом описываемой системы является станция радиоэлектронной связи со сканирующей антенной (патент RU 2530330). В конструкции этой станции присутствуют элементы формирования диаграммы направленности - фазовращатели, перестраиваемые усилители мощности, делители и объединители сигнала. Важным элементом конструкции станции является то, что модули обработки принимаемого и передаваемого сигнала электрически разделены. Это дат возможность более точной обработки принимаемого сигнала и снижает возможные интерференционные потери радиотракта. В качестве недостатков станции, описанной в патенте RU 2530330, следует отметить следующее - не предусмотрен элемент, позволяющий проводить измерение и оценку параметров принятого сигнала, доступные для последующего анализа. Таким образом, выбор направления луча диаграммы направленности после осуществления сканирования возможен только на основе установления факта получения сигнала по каким-либо направлениям, но не в результате количественной оценки параметров принятого сигнала.

Таким образом, определение эффективности передачи сигнала по радиолинии путем измерение физических параметров принятых сигналов в ходе осуществления сканирования лучом диаграммы направленности является актуальной задачей.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в обеспечении автоматического сопряжения двух узлов сети связи с узкой диаграммой направленности путем определения взаимного направления наибольшей эффективности передачи.

Указанный технический результат достигается тем, что в модуле определения оптимального взаимного направления лучей диаграмм направленности сопрягаемых узлов связи, содержащем приемный тракт, включающий тракт управления амплитудой и фазой сигналов, приемный тракт включает элементы антенной решетки 1, не имеющие электродинамических связей между собой, фазовращатели 2, усилители с управляемым коэффициентом усиления 3, объединитель сигналов 4, число входов которого равно числу элементов антенной решетки 1, направленный ответвитель 5, имеющий, по меньшей мере, два направленных выхода и один прямой выход, аналогово-цифровой детектор 6, согласованную нагрузку 7, нормирующий усилитель 8 и линию передачи высокочастотного сигнала 9, причем, фазовращатели 2 и усилители с управляемым коэффициентом усиления 3 образуют тракт управления амплитудой и фазой сигналов, поступающих с элементов антенной решетки 1, при этом выходы элементов антенной решетки 1 подключены к входам фазовращателей 2, выходы которых в свою очередь подключены последовательно к входам усилителей с управляемым коэффициентом усиления 3, выходы усилителей с управляемым коэффициентом усиления 3 подключены ко входам объединителя сигналов 4, выход объединителя сигналов 4 подключен ко входу направленного ответвителя 5, один из направленных выходов которого обеспечивает подачу малой части полезного сигнала антенной решетки на вход аналогово-цифрового детектора 6, другой направленный выход направленного ответвителя 5 подключен ко входу согласованной нагрузки 7, а прямой выход направленного ответвителя 5 подключен ко входу нормирующего усилителя 8, выход которого подключен ко входу линии передачи высокочастотного сигнала 9.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена функциональная схема модуля определения оптимального взаимного направления лучей диаграмм направленности сопрягаемых узлов связи; на фиг. 2 - графическая схема, поясняющая сущность определения оптимального взаимного направления лучей диаграмм направленности узлов связи; на фиг. 3 - графическая схема первой стадии алгоритма определения оптимального взаимного направления лучей диаграмм направленности узлов связи, на которой один из узлов связи формирует широкую диаграмму направленности антенной системы и осуществляет непрерывную передачу сигнала, а второй узел связи осуществляет сканирование узким лучом диаграммы направленности своей антенной системы по всему доступному диапазону углов с целью определения направления приема сигнала с максимальной мощностью; на фиг. 4 - графическая схема второй стадии алгоритма определения оптимального взаимного направления лучей диаграмм направленности узлов связи, на которой узел связи, осуществлявший прием сигнала на первой стадии работы алгоритма формирует узкую диаграмму направленности антенной системы в направлении приема сигнала максимальной мощности, определенной на предыдущей стадии работы алгоритма и осуществляет непрерывную передачу сигнала, а второй узел связи осуществляет сканирование узким лучом диаграммы направленности своей антенной системы по всему доступному диапазону углов с целью определения направления приема сигнала с максимальной мощностью; на фиг. 5 - блок-схема алгоритма определения оптимального взаимного направления лучей диаграмм направленности сопрягаемых узлов связи.

Модуль определения оптимального взаимного направления лучей диаграмм направленности сопрягаемых узлов связи содержит приемный тракт, включающий тракт управления амплитудой и фазой сигналов.

Функциональная схема приемного тракта модуля приведена на фиг. 1. В состав приемного тракта входят элементы антенной решетки 1, обеспечивающие прием сигнала. Причем элементы антенной решетки не имеют электродинамических связей между собой. Выходы элементов антенной решетки 1 подключены к входам фазовращателей 2, выходы которых в свою очередь подключены последовательно к входам усилителей с управляемым коэффициентом усиления 3.

Совместно фазовращатели 2 и усилители 3 образцют тракт управления амплитудой и фазой сигналов, поступающих с элементов антенной решетки 1, что необходимо для формирования луча диаграммы направленности в нужном направлении. При этом выходы элементов антенной решетки 1 подключены к входам фазовращателей 2, выходы которых, в свою очередь, подключены последовательно к входам усилителей с управляемым коэффициентом усиления 3. Выходы усилителей с управляемым коэффициентом усиления 3 подключены ко входам объединителя сигналов 4, число которых равно числу элементов антенной решетки 1. Выход объединителя сигналов 4 подключен ко входу направленного ответвителя 5. Направленный ответвитель 5 имеет, по меньшей мере, два направленных выхода и один прямой выход. Один из направленных выходов обеспечивает подачу малой части полезного сигнала антенной решетки на вход аналогово-цифрового детектора 6, обеспечивающего измерения мощности сигнала, принятого антенной решеткой. Другой направленный выход направленного ответвителя 5 подключен ко входу согласованной нагрузки 7, обеспечивающей сбалансированность его работы. Прямой выход направленного ответвителя 5 подключен ко входу нормирующего усилителя 8, обеспечивающего выходной уровень мощности сигнала. Выход нормирующего усилителя 8 подключен ко входу линии передачи высокочастотного сигнала 9, обеспечивающей передачу сигнала для его последующей обработки в модулях демодуляции и декодирования радиорелейной станции.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Два сопрягаемых узла связи сети, приемные тракты которых организованы в соответствии со схемой, приведенной на фиг. 1, изначально не имеют информации о взаимном расположении и для установления эффективной связи друг с другом реализуют алгоритм определения оптимального взаимного направления лучей своих диаграмм направленности (фиг. 2). Для этого станции вводятся в режим определения направления луча диаграммы направленности и реализуют алгоритм поиска оптимального направления луча, при котором одна из станций инициирует изначальную передачу сигнала - базовая станция 12, а вторая осуществляет изначальный поиск оптимального направления приема - абонентская станция 10.

Базовая 12 и абонентская 10 станции назначаются оператором сети. В начале работы алгоритма базовая станция 12 при помощи модуля управления антенной решеткой (на схеме не показан) формирует максимально широкую диаграмму направленности 13 антенной решетки базовой станции 12 и осуществляет непрерывную передачу тестового сигнала (фиг. 3). Абонентская станция 10, при помощи модуля управления антенной решеткой формирует узкий луч диаграммы направленности 11 антенной решетки абонентской станции 10 направляя его поочередно в каждое из доступных направлений и осуществляет прием тестового сигнала, передаваемого базовой станцией 12.

Прием осуществляется следующим образом: сигнал принимается элементами антенной решетки 1, не имеющими электродинамической связи между собой, после чего поступает на входы фазовращателей 2 и усилителей с управляемым коэффициентом усиления 3, соединенными последовательно, которые создают индивидуальные набег фазы и усиление для каждого элемента антенной решетки с целью формирования и управления лучом диаграммы направленности. Параметры работы фазовращателей 2 и усилителей 3 задаются модулем управления антенной решеткой. Обработанные сигналы поступают на вход объединителя 4, формирующего единый выходной сигнал антенной решетки. Необходимый заданный уровень выходного сигнала устройства формируется нормирующим выходным усилителем 8. Между объединителем 4 и нормирующим усилителем 8 включен направленный ответвитель 5, обеспечивающий ответвление малой части полезного сигнала антенной решетки для его последующего анализа. Анализ ответвленного сигнала осуществляется при помощи аналогово-цифрового детектора 6, который и определяет уровень мощности принятого сигнала по каждому из возможных направлений луча антенной решетки. Согласованная нагрузка 7 обеспечивает амплитудно-фазовый баланс работы направленного ответвителя. Таким образом, в ходе осуществления сканирования при помощи аналогово-цифрового детектора 6 определяется уровень мощности тестового сигнала, принятого абонентской станцией по каждому из возможных направлений луча антенной решетки. При этом лучшим считается направление, в котором мощность принятого тестового сигнала оказалась выше остальных. На втором этапе работы алгоритма абонентская станция 10 формирует узкий луч диаграммы направленности 11 антенной решетки абонентской станции 10 в направлении лучшего приема, определенного на предыдущем этапе, и осуществляет передачу тестового сигнала, а базовая станция 12 при помощи модуля управления антенной решеткой формирует узкий луч диаграммы направленности антенной решетки базовой станции 13, направляя его поочередно в каждое из доступных направлений и осуществляет прием тестового сигнала, передаваемого абонентской станцией 10, осуществляя процесс сканирования лучом диаграммы направленности антенной решетки базовой станции 13 по алгоритму, описанному выше и реализованному на первом этапе в работе абонентской станции 10 (фиг. 4). В ходе осуществления сканирования при помощи аналогово-цифрового детектора 6 определяется уровень мощности тестового сигнала, принятого базовой станцией по каждому из возможных направлений луча антенной решетки. При этом лучшим считается направление, в котором мощность принятого тестового сигнала оказалась выше остальных. Таким образом, определяются оптимальные взаимные направления лучей диаграмм направленности сопрягаемых узлов связи, по которым осуществляется дальнейшая взаимная работа устройств в режиме приема и передачи информации. Блок-схема описанного выше алгоритма приведена на фиг. 5.

Изобретение относится к области радиосвязи. Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в обеспечении автоматического сопряжения двух узлов сети связи с узкой диаграммой направленности путем определения взаимного направления наибольшей эффективности передачи. Для этого предложен модуль определения оптимального взаимного направления лучей диаграмм направленности сопрягаемых узлов связи, который содержит приемный тракт, включающий тракт управления амплитудой и фазой сигналов. Приемный тракт включает элементы антенной решетки 1, не имеющие электродинамических связей между собой, фазовращатели 2, усилители с управляемым коэффициентом усиления 3, объединитель сигналов 4, направленный ответвитель 5, имеющий, по меньшей мере, два направленных выхода и один прямой выход, аналогово-цифровой детектор 6, согласованную нагрузку 7, нормирующий усилитель 8 и линию передачи высокочастотного сигнала 9. Фазовращатели 2 и усилители с управляемым коэффициентом усиления 3 образуют тракт управления амплитудой и фазой сигналов, поступающих с элементов антенной решетки 1. 5 ил.

Модуль определения оптимального взаимного направления лучей диаграмм направленности сопрягаемых узлов связи, содержащий приемный тракт, включающий тракт управления амплитудой и фазой сигналов, отличающийся тем, что приемный тракт включает элементы антенной решетки 1, не имеющие электродинамических связей между собой, фазовращатели 2, усилители с управляемым коэффициентом усиления 3, объединитель сигналов 4, число входов которого равно числу элементов антенной решетки 1, направленный ответвитель 5, имеющий, по меньшей мере, два направленных выхода и один прямой выход, аналогово-цифровой детектор 6, согласованную нагрузку 7, нормирующий усилитель 8 и линию передачи высокочастотного сигнала 9, причем, фазовращатели 2 и усилители с управляемым коэффициентом усиления 3 образуют тракт управления амплитудой и фазой сигналов, поступающих с элементов антенной решетки 1, при этом выходы элементов антенной решетки 1 подключены к входам фазовращателей 2, выходы которых в свою очередь подключены последовательно к входам усилителей с управляемым коэффициентом усиления 3, выходы усилителей с управляемым коэффициентом усиления 3 подключены ко входам объединителя сигналов 4, выход объединителя сигналов 4 подключен ко входу направленного ответвителя 5, один из направленных выходов которого обеспечивает подачу малой части полезного сигнала антенной решетки на вход аналогово-цифрового детектора 6, другой направленный выход направленного ответвителя 5 подключен ко входу согласованной нагрузки 7, а прямой выход направленного ответвителя 5 подключен ко входу нормирующего усилителя 8, выход которого подключен ко входу линии передачи высокочастотного сигнала 9.