THE WAYS OF COVERAGE PROVIDING AT CREATION OF CORPORATE WLAN NET

Abstract

The main ways of ensuring coverage are discussed when deploying WLAN at objects of a complex structure and topography. Grounded approaches to choosing the best combination of options to ensure coverage.

Full Text

Введение. Локальные беспроводные сети широкополосного доступа (Wireless Local Area Network -WLAN) находят все более широкое применение в практике построения корпоративных систем связи и управления [1]. Сеть WLAN как составная часть упомянутых систем выполняет функции сети доступа в Internet общего назначения, либо промышленной сети обмена телеметрической информацией, либо ведомственной сети обмена служебной информацией, а чаще всего - совмещает все перечисленные функции [2]. «Локальным» (Local Area) уровень подобной корпоративной сети является лишь относительно, так как область локализации оборудования сети определяется особенностями объекта. Для сложных объектов эта область достаточно обширна и включает: - места постоянного и временного размещения персонала, производственного, лабораторного (испытательного) и офисного оборудования, средств охраны и сигнализации, места складирования материалов, сырья и готовой продукции и т.п., то есть значительное число зданий, сооружений и точечных объектов различных типов и конфигураций; - корпоративную транспортную инфраструктуру и входящие в нее подвижные средства (строительная техника, внутризаводской авто- и электротранспорт и др.); - окружающую (прилегающую) местность и передвигающиеся по ней в автотранспорте и пешим порядком пользователи корпоративной сети. Таким образом, сложный объект развертывания корпоративной сети WLAN в общем случае содержит: - открытые участки местности, для которых РП может осуществляться средствами типовой базовой станции (БС) в пределах ее радиуса действия (внутриобъектовые и прилегающие территории, внутриобъектовые и прилегающие автодороги, помещения в зданиях со слабым экранированием); - участки с существенным экранированием (помещения в зданиях со значительной плотностью проводящих несущих и ограждающих конструкций, помещения с высокой плотностью крупногабаритного оборудования, полуподвальные помещения и др.); - участки с сильным экранированием (подземные помещения, помещения со сплошными ограждающими металлоконструкциями, транспортные тоннели и др.). Номенклатура абонентских (терминальных) устройств сети может включать: - стационарные терминальные устройства (персональные компьютеры, универсальные и специализированные терминалы, технологические контроллеры, WEB-камеры, датчики и контроллеры охранной и пожарной сигнализации, средства оповещения и т.п.). Эти терминалы по классификации [3] относятся к неподвижным абонентским устройствам (fixed wireless); - портативные абонентские устройства (планшеты, смартфоны и т.п.), которые могут передвигаться со скоростью до 5 км/ч, что соответствует «полумобильному» доступу [3] (portable, nomadic); «Инфокоммуникационные технологии» Том 12, № 3, 2014 Белицкий А.М. 67 - мобильные абонентские устройства (универсальные и специализированные терминалы, установленные на транспортных средствах и иных мобильных объектах, абонентские устройства пассажиров автотранспорта и т.п.), которые могут передвигаться вместе с абонентом на транспортных средствах со скоростью до 120 км/ч. Это соответствует «мобильному» варианту (mobile) [3]. Очевидно, что универсального решения по обеспечению РП для подобного сложного объекта в связи с многообразием условий размещения оборудования, распространения радиоволн и т.д. не существует. Для различных типов участков должны применяться разные способы и средства, поэтому оптимальный (или близкий к оптимальному) вариант должен представлять собой некое комбинированное решение. Целью настоящей работы является анализ основных вариантов обеспечения РП и обоснование подходов к выбору оптимальных комбинированных вариантов. Способы обеспечения РП Рассматривая вопрос о способах обеспечения РП, мы в данном случае не будем конкретизировать используемый стандарт широкополосного беспроводного доступа [1-5], поскольку во всех случаях имеют место сходные проблемы и решения. Следует отметить одно важное обстоятельство, которое обязательно должно учитываться при разработке решений по РП корпоративного объекта. Дело в том, что обычно при расчете трасс уровнем индустриальных помех в диапазонах, выделенных для широкополосного радиодоступа, удается пренебречь, так как даже в условиях мегаполиса соответствующий типичный уровень напряженности электрического поля для этих диапазонов не превосходит 0,1 мкВ/м [6]. Однако для корпоративного объекта ситуация может в корне измениться, если в непосредственной близости от оборудования сети WLAN располагается производственное или иное оборудование, являющееся источником помех в диапазоне рабочих частот сети. Поэтому при расчете дальности радиосвязи [7-8] необходимо исходить из реальной помеховой обстановки в конкретной точке (зоне) объекта и требуемые напряженности поля полезного сигнала определять с учетом обеспечения заданного отношения «сигнал/шум» (SNR), которое в большинстве случаев [3-5] должно быть не менее 20.. .24 дБ. Напомним, что в большинстве случаев ограничение, связанное с недостаточным уровнем полезного сигнала, воз никает в направлении от терминального устройства к базовому («up-link»). Рис. 1. РП сложного объекта БС с всенаправленной антенной Рассмотрим в укрупненном виде основные варианты обеспечения РП. 1. Базовая станция (БС) с всенаправленной антенной (см. рис. 1) формирует круговую зону обслуживания. В пределах радиуса зоны уверенного приема обеспечивается радиодоступ для стационарных и мобильных терминальных устройств, расположенных на открытой местности или на участках со слабым экранированием. Участки с существенным (а тем более сильным) экранированием оказываются вне радиодоступа. Для них возможно решение, рассмотренное ниже, с ретрансляцией сигналов и их распределением через сеть точек доступа (роутеров). Рис. 2. РП сложного объекта по схеме точка-многоточка с использованием направленных антенн и подачей сигнала через сеть точек доступа «Инфокоммуникационные технологии» Том 12, № 3, 2014 68 Белицкий А.М. 2. БС с системой направленных антенн и при-емо-передающие ретрансляторы с направленными антеннами, реализующие статичную структуру «точка-многоточка», с последующей подачей сигнала через сеть точек доступа ТД - см. рис. 2, представляют собой весьма распространенное решение. Все необходимые для его реализации компоненты широко представлены на рынке телекоммуникационной продукции [9]. Использование направленных антенн позволяет при той же пространственной геометрии сети существенно снизить (по сравнению с вариантом на рис. 1) выходную мощность передатчиков. Однако и этот вариант далеко не универсален. В частности, он не обеспечивает связь с мобильными абонентами, а внутренняя (indoor) структура в виде набора точек доступа не слишком удобна для протяженных экранированных зон (сооружений), особенно при наличии в них мобильных абонентов. 3. Проблема обеспечения радиодоступа для мобильных абонентов, в принципе, может быть решена за счет использования адаптивных («smart») антенн БС [10] с секторными ДН и функцией оперативного автоматического сопровождения подвижного абонента по азимуту (см. рис. 3). Рис. 3. Использование адаптивных («smart») антенн для предоставления радиодоступа подвижным абонентам К сожалению, подобная структура реализуема лишь при относительно небольшом количестве одновременно обслуживаемых мобильных абонентов. Кроме того, в отличие от удаляющегося от БС абонента, сопровождение которого лучом возможно вплоть до предельной дальности, для абонента, приближающегося к объекту, захват на максимальных дальностях и последующее сопровождение, вообще говоря, крайне проблематичны, если БС «не знает», где его искать. Однако в частном случае, когда к объекту ведет небольшое количество автодорог, по которым только и могут двигаться абоненты, может быть реализован режим «ожидания» с ориентацией лучей ДН в соответствующих направлениях. Рис. 4. Формирование зоны доступа в сильно экранированном сооружении с помощью радиоизлучающего кабеля Следует отметить, что значительный интерес представляет вариант с использованием адаптивных антенн в составе оборудования мобильного объекта [10], что позволит существенно расширить зону радиодоступа для мобильных абонентов, в том числе - при круговой зоне обслуживания. 4. Перспективным вариантом обеспечения РП в зонах сильного затенения является хорошо зарекомендовавший себя в ряде других случаев вариант построения излучающей системы на основе излучающего кабеля (см. рис. 4). При этом целесообразно построение сети, при котором одна БС обслуживает как зону сильного экранирования, так и прилегающее открытое пространство [11]. Комплекс с комбинированной излучающей системой Рассмотрим подробнее подобный вариант для БС со сдвоенным приемом и 100%-ым резервированием [11]. В этом случае (рис. 5) приемо-пе-редающие (I III) и приемные (П) входы БС (основной и резервной) подключены к устройству объединения и разделения сигналов (УОРС) через приемо-передающие усилители (ППУ), которые обеспечивают усиление передаваемого и принимаемого сигналов. УОРС обеспечивает передачу и сдвоенный прием сигналов как через антенную систему, так и посредством установленных в зоне затенения отрезков излучающего кабеля (приемо-пере-дающего и приемного). В состав УОРС входят неравноплечие (вообще говоря) развязанные де «Инфокоммуникационные технологии» Том 12, № 3, 2014 Белицкий А.М. 69 лители-сумматоры мощности с необходимыми коэффициентами деления, выполненные на основе направленных ответвителей с электромагнитной связью. Необходимые коэффициенты деления определяются конкретными требованиями к системе (какая часть мощности ответвляется в антенны, а какая - в излучающие кабели) и устанавливаются по результатам расчетов. Отметим, что мощность, ответвляемая в излучающий кабель, зависит от длины (потерь) соединительных и излучающих кабелей и конкретных условий размещения РК. Направленные ответвители выполняются по тонкопленочной технологии СВЧ-микросхем. Каждый из двух ППУ, включенных между БС и УОРС, содержит два усилительных тракта: двунаправленный приемо-передающий и приемный. В приемо-передающем тракте имеются усилитель мощности (усиливает сигнал «downlink» в направлении УОРС), малошумящий антенный усилитель (усиливает сигнал «uplink» в направлении БС) и два дуплексных антенных разделителя. В приемном тракте имеется малошумящий антенный усилитель, аналогичный примененному в приемо-передающем тракте, с дополнительным режекторным фильтром, настроенным на подавление частот передачи. Усилители выполняются на основе СВЧ-транзисторов и микросхем. Необходимые коэффициенты передачи усилителей определяются по результатам расчетов, исходя из конкретных требований и условий размещения данной системы. Аналогичную по назначению структуру для локального участка можно реализовать и в сочетании с подачей сигнала от БС по схеме рис. 1 или рис. 2. Фрагмент такой структуры приведен на рис. 6. Антенны на входе антенно-усилительного комплекса - направленные. Ретранслятор содержит два ППУ, обеспечивающих работу основного и резервного каналов, а также прие-мо-передающих и приемных антенн основного и резервного каналов. Приемо-передающие и приемные антенны могут иметь различную поляризацию (сдвоенный прием с поляризационным разнесением). Остальная часть комплекса аналогична приведенной на рис. 5. ППУ в составе ретранслятора по структуре близки к ППУ, включенным между БС и УОРС на рис. 5. И в этом случае имеются два усилительных тракта: двунаправленный приемо-передаю-щий и приемный. В приемо-передающем тракте присутствуют усилитель мощности (усиливает сигнал в направлении приемо-передающей антенны), малошумящий антенный усилитель (усиливает принятый приемо-передающей антенной сигнал в направлении УОРС) и два дуплексных антенных разделителя. В приемном тракте имеется малошумящий антенный усилитель, аналогичный примененному в приемо-передающем тракте, с дополнительным режекторным фильтром, настроенным на подавление частот передачи. Дуплексные антенные разделители, как и в предыдущем случае, выполнены по фильтровой схеме на основе режекторно-полосовых филь Рис. 5. Структура антенно-усилительного комплекса, обеспечивающего РП на открытом пространстве и в зонах затенения на основе использования излучающего кабеля «Инфокоммуникационные технологии» Том 12, № 3, 2014 70 Белицкий А.М. тров; режекторно-полосовые и режекторные фильтры в составе ППУ выполнены на микропо-лосковых резонаторах по тонкопленочной технологии СВЧ-микросхем. Рис. 6. Вариант реализации антенно-усилительного комплекса с использованием ретрансляции эфирного сигнала Уровни усиливаемых сигналов и уровни выходной мощности здесь существенно отличаются от ППУ, работающих между БС и УОРС на рис. 5, поэтому при сходности основных схемотехнических и конструктивно-технологических решений усилителей и фильтров конкретные параметры (толщина и материал подложки микрополоско-вых плат, типы применяемых комплектующих изделий, номиналы элементов) могут быть несколько иными. Необходимые коэффициенты передачи усилителей, как и в предыдущем случае, определяются исходя из конкретных условий размещения данной системы. Несмотря на относительно большую (два кабеля вместо одного) стоимость, вариант со сдвоенным приемом за счет использования приемопередающего и приемного кабелей (см. рис. 5) может быть рекомендован, поскольку существенно повышает качество связи. В качестве примера на рис. 7 приведены результаты расчетной оценки относительной эффективности сдвоенного приема [11]: видно, что при прочих равных условиях относительные «провалы» уровня сигнала при использовании сдвоенного приема с автовыбором (штриховая кривая на рис. 7) не превышают -9 дБ, в то время как без сдвоенного приема они достигают -23 дБ. Имеющаяся номенклатура радиоизлучающих кабелей, пригодных для реализации широкополосного радиодоступа в экранированных сооружениях, достаточно широка. Из таблицы 1, где в качестве примера приведены основные характеристики для двух распространенных типов кабелей [12-13], следует, что радиоизлучающие кабели сечением 1 1/4.1 5/8 дюйма имеют и на частотах 2,4 ГГц вполне приемлемое погонное затухание для реализации РП в протяженных экранированных сооружениях при длине одного участка до нескольких сотен метров, что для се Таблица 1. Основные характеристики радиоизлучающих кабелей Тип радиоизлучающего кабеля (изготовитель) Особенности конструкции Марка Погонное затухание* дБ/100м (2,4 ГГц) Коэффициент связи* дБ (2,4 ГГц) по уровню 50% RFX XXX -50 (DrakaNK Cables, Финляндия) Щелевая перфорация экрана RFX 1/2"-50 14,2 83 RFX XXX -50 (Draka NK Cables, Финляндия) RFX 7/8"-50 7,5 79 RFX 1 1/4"-50 6,2 79 RFX 1 5/8"-50 5,4 76 nu-TRAC TRC-XXX (Times Microwave Systems, США ) Триаксиал TRC-1250 7,9 79 nu-TRAC TRC-xxx (Times Microwave Systems, США ) * Методики измерений согласно IEC 61196-4 «Инфокоммуникационные технологии» Том 12, № 3, 2014 Белицкий А. М. 71 тей WLAN представляется вполне достаточным. При большей протяженности объекта может быть использована ретрансляция. (Â , ih, дБ Рис. 7. Результаты оценки относительной эффективности сдвоенного приема Выводы Проведенный анализ подтвердил первоначальное предположение о необходимости использования комбинированных вариантов обеспечения РП при создании сетей WLAN для сложных объектов. Обоснована перспективность комплексов с комбинированной излучающей системой (антенна + кабель) для объектов, содержащих как открытые участки, так и локальные зоны с сильным экранированием. Применение таких комплексов расширяет возможности по выбору варианта, представляющего собой сочетание различных решений по обеспечению РП и в максимальной мере учитывающего специфику объекта.