Сергій Лубенець
Збільшення кількості провайдерів надають послуги доступу до мережі Інтернет по радіоканалах 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. В результаті діапазон частот 2,4 ... 2,5 ГГц виявився переобтяжений і зашумлен.
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 ситуація 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 завдання 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 способу їх установки і налаштування.
Посилення корисних сигналів для виділення їх на тлі діючих полів.
Використання високочастотних фільтрів-грозорозрядників 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 та швидкості передачі даних. В основному це досягається використанням вузьконаправлених і вузькосмугових абонентських, а також секторних базових антен для вибору необхідного напрямку прийому / передачі з метою просторової селекції корисного сигналу.
Встановлення базових секторних антен можлива при покритті провайдером певного сектора території, в межах якого відсутні потужні джерела радіовипромінювання, що створюють перешкоди. Однак цей підхід неможливий в тих випадках, коли базова станція провайдера знаходиться в центрі зони покриття, і необхідно встановлювати антену з круговою діаграмою спрямованості. Правда, для кругової засвічення можна використовувати набір з декількох секторних антен з можливістю їх індивідуальної настройки як за частотою, так і за кутом місця, а також з виключенням тих антен з набору, в напрямку яких діють перешкоди. Однак таке рішення є технічно складним і дорогим, а відмова від певного сектора робить неможливим підключення до мережі розташованих у 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 і низьким, але достатнім коефіцієнтом підсилення для зниження чутливості приймального тракту і зменшення ймовірності проходження всюдисущої перешкоди;
застосування більш дорогий вузьконаправленої антени, яка дозволить просторово відбудуватися від діючої перешкоди.
Рис. 1. Зовнішній вигляд рупорної антени
У такій ситуації можна рекомендувати поетапний підхід з використанням недорогих рупорних антен, які володіють властивістю універсальності і, крім самостійного застосування, можуть бути використані також в якості опромінювача дзеркальної антени. Тоді схема підбору антени для абонента виглядає наступним чином. На першому етапі виконується установка рупорної антени з посиленням 12 ... 14дБi, зображеної на рис.1. Якщо результати роботи будуть незадовільними, на другому етапі набувається дзеркало-відбивач, і на нього встановлюється вже наявна рупорна антена як опромінювач для отримання вузьконаправленої антени з посиленням 17 або 24дБi (залежно від діаметра дзеркала). Зовнішній вигляд дзеркальної антени з рупором-опромінювачем показаний 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-випромінювача на 900 без необхідності демонтажу всієї антени і навіть її частини.
Рис. 2. Зовнішній вигляд 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 кошти вкладені.
Реалізація другого підходу з 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 прийнятого 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 зробити згубний вплив на якість її роботи і знизити швидкість передачі даних.
До складу двонаправленого підсилювача, використовуваного 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 характерно 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 внеполосного випромінювання в ланцюзі передавача і появи продуктів Інтермодуляції, що ускладнює і без того непросту електромагнітну обстановку в ефірі. Можливе застосування на виході підсилювача фільтра для придушення гармонік не сприяє повною мірою розв'язання задачі 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 у приймально-передавальному тракті антенно-фідерної системи з оптимальною налаштуванням смуги пропускання фільтра на робочу смугу діючого обладнання ( на один або групу перекриваються робочих каналів провайдера). У тому ж випадку, якщо 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 в 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 широкосмугової модуляції сигналу обумовлює деяку специфіку застосування з таких системах вузькосмугових високочастотних фільтрів для придушення перешкод. Так для обладнання, що працює з FHSS модуляцією і займає весь спектр частот у діапазоні 2,4 ... 2,485 ГГц, усунення взаємних перешкод за допомогою додаткових ВЧ-фільтрів практично неможливо. Але при наявності потужних перешкод поза зазначеного діапазону, здатних блокувати прийомні 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 потужні внедіапазонние 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 відсутні. 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 вузькосмуговими фільтрами втрати (2,5 дБ і більше), а також слабке внеполосного загасання. При цьому говорити про якість і максимальній відповідності параметрів фільтра індивідуальним вимогам замовника не доводиться.
Рис. 3. Зовнішній вигляд перебудованого вузькосмугового високочастотного фільтра-грозорозрядників 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, максимальне внеполосного придушення) шляхом його ретельної остаточного настроювання. Такі фільтри, за відсутності герметизації, необхідно встановлювати в приміщення, хоча, як правило, це не є недоліком. Більше того, у 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 заземлювати вже на спуску коаксіального кабелю в приміщенні біля наявних ліній заземлення радіопристроїв. Схема підключення фільтру-грозорозрядників при його внутрішньої установці показана на рис.4а. У цьому випадку обладнання буде захищено не тільки від залишкових імпульсів розряду в антені, але і 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 купувати фільтр в герметичному виконанні, або розміщувати його разом з підсилювачем в герметичному термобокси з подальшою установкою і заземленням боксу на щоглі в безпосередній близькості до антени, як показано на рис.4б. У цьому випадку для забезпечення надійного захисту устаткування 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 в процесі перебудови.
До цих пір мова йшла про використання високочастотних фільтрів з шириною смуги пропускання, яка дорівнює або більше ширини смуги одного DSSS-каналу (≥ 22МГц). При цьому передбачалося наявність перешкоди тільки поза цієї смуги, наприклад, від сигналів у сусідніх не перекриваються каналах або ж від потужних джерел випромінювання поза діапазону RadioEthernet. Але як бути з перешкодами, розташованими в самій смузі каналу, і чим при цьому може допомогти фільтрація корисного сигналу за допомогою вузькосмугових фільтрів?
Відомо, що при досить великій відстані між базовими станціями операторів мереж передачі даних, а також при порівняно низької потужності їх передавачів можливе використання операторами одного регіону (міста) сусідніх, перекриваються за спектром, каналів зв'язку. Однак, що спостерігається останнім часом масове використання базових і абонентських підсилювачів, гонитва за підвищенням потужності випромінювання корисного сигналу, з метою виділення його на тлі перешкод і збільшення дальності зв'язку, привели до ситуації, коли випромінювання навіть віддалених базових станцій провайдерів стали створювати перешкоди один одному. Зміна поляризації сигналу деякими провайдерами, загалом, не вирішило цієї проблеми. Кожного разу подібні дії з догляду від перешкод викликають ланцюгову реакцію: всі встановлюють більш потужні підсилювачі, або змінюють поляризацію, а ефект виявляється нульовим. Нові витки погоні за якістю зв'язку за допомогою збільшення потужності підсилювачів неприпустимі і здатні ще більше погіршити ситуацію. З'ясування відносин, перекроювання карти місцевості з поділом зон покриття та розподілом абонентів між провайдерами теж особливого задоволення не приносять.
Вихід з подібної ситуації можливий через зниження рівня перешкод у робочій смузі провайдера. Знизити перешкоди дозволяє використання вузькосмугових високочастотних режекторних або смугасто-проникних фільтрів з шириною смуги пропускання менше 22МГц. Їх застосування можливе завдяки існуючій надмірності даних переданих в RadioEthernet-мережах.
Як відомо, надмірність у системах з технологією DSSS викликана 11-кратним кодуванням кожного біта вихідних даних кодом Баркера. Вона забезпечує базу переданого шумоподобного сигналу рівною 11 і, відповідно, розширюючи смугу частот вихідного інформаційного сигналу в 11 разів. У зв'язку з цим виникає питання про можливість вирізання із спектру корисного вхідного сигналу потужної вузькосмуговій перешкоди за допомогою вузькосмугового режекторного фільтра, налаштованого на цю перешкоду. Після установки такого фільтру разом з перешкодою буде вирізатися і частина корисного сигналу. Однак дані, що передаються повинні бути повністю відновлені корреляторов приймача через наявної надмірності.
Як недолік такого підходу можна відзначити складність технічної реалізації в цьому діапазоні частот режекторних фільтрів з вузькою (≤ 5МГц) смугою режекциі. До того ж положення перешкоди на частотній сітці може з часом змінитися, в результаті чого вона може вийти із зони режекциі. Не виключено також появи нової перешкоди, знову ж таки, поза зоною режекциі встановленого фільтра.
Другий підхід передбачає використання смугасто-проникних фільтрів з шириною смуги пропускання менше 22МГц, налаштованих на пропускання з мінімальними втратами центральній частині спектру передаваного шумоподобного сигналу, де зосереджено близько 90% його спектральної потужності. При цьому бічні складові спектра можуть бути частково або повністю пригнічені разом з діючою перешкодою. На яку саме значення ширини смуги пропускання налаштувати ВЧ-фільтр, і як цю смугу розмістити щодо несучої корисного сигналу (симетрично або несиметрично), буде залежати від положення перешкоди і встановленої швидкості передачі даних. Розрахунки показують, що при швидкості передачі даних 1 ... 2Мбіт / с допустимо використання вузькосмугового ВЧ-фільтра з шириною смуги пропускання 10 ... 14МГц, який здатний пропустити основну потужність випромінювання (основний пік спектру сигналу). При цьому повне придушення бічних складових спектру, в яких зосереджені залишилися 10% спектральної потужності випромінювання, призводить до незначного викривлення форми сигналу і практично не впливає на якість передачі даних.
Перед використанням високочастотного вузькосмугового фільтра по можливості необхідно встановити, що представляє собою джерело перешкод, яке його розташування в частотній сітці щодо робочих частот провайдера. Це можна здійснити шляхом сканування досліджуваного діапазону частот з використанням відповідного обладнання. При цьому важливо з'ясувати: чи не розташована чи несуча частота сигналу, що заважає в центральній частині (основній піку спектру) робочої смуги частот діючого обладнання. Якщо ні, то провайдер отримає максимальний ефект від використання фільтра, повідомивши виробнику всю необхідну частотну інформацію для виготовлення виробів з необхідними параметрами. Але навіть у тому випадку, коли частина широкосмугового перешкоди знаходиться в робочій смузі устаткування провайдера і все ж таки потрапляє на вхід приймача, звуження смуги частот вхідного сигналу за допомогою вузькосмугового фільтра знижує загальну сумарну потужність діючих перешкод в приймальному тракті радіообладнання, що зменшує ймовірність стопоріння системи та , відповідно, збільшує надійність і швидкість передачі даних. У багатьох випадках застосування тільки високочастотного фільтра відразу дає позитивний ефект. Таким чином, провайдеру вдається вирішити завдання зниження рівня перешкод, підвищити якість надаваних послуг і поліпшити статистику відгуків про свою роботу з мінімальними матеріальними витратами.
На закінчення слід зазначити, що застосування вузькосмугових фільтрів у приймально-передавальному тракті крім придушення перешкод сприяє також і розв'язання оберненої задачі - зниження власних шумів діючого обладнання провайдера, покращуючи тим самим якість зв'язку в RadioEthernet-мережах інших провайдерів працюють на сусідніх не перекриваються каналах. Цей ефект особливо помітний у випадку використання потужних підсилювачів, здатних крім частот кратних несучої породжувати безліч інтермодуляціонних складових поблизу спектру випромінювання. Відомий випадок, коли працюючий на 6-му DSSS-каналі провайдер відзначав значне поліпшення роботи своєї системи після установки високочастотного фільтра з шириною смуги пропускання 25МГц на виході підсилювача потужністю 1Вт в першому DSSS-каналі іншого, поруч працюючого провайдера. Таким чином, застосування вузькосмугових високочастотних фільтрів сприяє підтримці принципу «не заважай іншому», і вони можуть бути рекомендовані до використання в разі наявності претензій до провайдера з боку інших користувачів частотного ресурсу, а також державних інспектуючих органів по частотного нагляду.