Протокол TDMA в оборудовании Mimosa

 TDMA (Time Division Multiple Access – параллельный доступ с разделением во времени) – это детерминированный протокол, в котором каждому устройству назначается временной промежуток, в течении которого ему разрешается передавать данные. Это позволяет совместно расположенным устройствам использовать одни и те же каналы, избегая помех и конфликтных ситуаций при передаче и приёме.

Подход Mimosa заключается в распределении нагрузки по двум независимым каналам с использованием TDMA, с целью поддержания высокой надежности соединения в плотных средах 5 ГГц (Рис. 1). Если один из двух каналов подвергается влиянию помехи, другой канал используется как для передачи, так и для приема всех данных.

Двухканальное TDMA соединение Mimosa

Рис.1. TDMA соединение Mimosa с двумя отдельными каналами (синий и зелёный)

.

Ещё один протокол, использующий два канала – FDD (Frequency-Division Duplex – дуплексная передача с частотным разделением каналов). Первый канал используется для отправки, а второй канал для приема (Рис. 2). Если на какой-либо канал воздействует помеха, вся передача прерывается и данные должны быть повторно отправлены. Причиной этого служит то, что для успешной передачи оба канала не должны подвергаться влиянию помех.

Двухканальное FDD соединение

Рис.2. FDD соединение с двумя отдельными каналами (не Mimosa).

.

Для своего оборудования компанией Mimosa был выбран TDMA, из-за своей высокой эффективности и повышенной устойчивости по сравнению с FDD.

Важность GPS и точности синхронизации

Для надежной работы протоколов, основанных на временном распределении, таких как TDMA, требуются высокоточные, прецизионные тактовые генераторы, особенно по сдвоенным каналам связи. Это связано с тем, что радиостанции на одном и том же объекте должны синхронизировать процесс коммуникации, не интерферируя друг с другом.

Хотя существует несколько способов синхронизации радиостанций, в том числе внеполосные беспроводные или проводные интерфейсы, которые связаны с одним GPS-приемником. Наиболее гибким подходом является установка в каждую радиостанцию внутреннего GPS-приемника.

Для транзитных соединений инженеры Mimosa, первыми в этой отрасли, разработали изделия B5 и B5c со встроенным GPS-приемником, который принимает сигналы от 24 спутников GPS и 24 спутников ГЛОНАСС. Потенциальный доступ к 48 спутникам, вдвое больше, чем у обычного GPS-приемника, повышает точность генераторов частоты, особенно в местностях с ограниченным обзором неба.

Однако, одной только GPS синхронизации времени недостаточно из-за смещения часов внутри каждого устройства. Чтобы обеспечить надежную синхронизацию времени, в B5 и B5c имеется GPS-DO (GPS-Disciplined Oscillator) с точностью 3 части на миллиард или 40 нс.

Источник синхронизации GPS + ГЛОНАСС и встроенный GPS-DO обеспечивают синхронизацию между радиостанциями, не требуя какого-либо варианта соединения между ними. Также возможно выполнить синхронизацию с другими радиостанциями Mimosa, расположенными на той же башне и находящимися под чужим контролем. Функция опроса радиостанции показывает конфигурацию TDMA других точек доступа, поэтому для прямой совместимости можно выбрать те же параметры конфигурации.

Как только радиостанции синхронизированы, они могут использовать одни и те же частоты в одном и том же месте. Это вызвано тем, что обе радиостанции одновременно либо передают, либо принимают. Синхронизация гарантирует, что первая радиостанция не будет передавать, пока вторая принимает. В противном случае, вторая радиостанция будет воспринимать сигнал от первой в качестве шума.

Структура TDMA и настройка параметров производительности

Уровень сетевой архитектуры МАС (Media Access Control), в пределах второго уровня семиуровневой модели OSI, предоставляет механизмы управления каналом для обслуживания нескольких запросов на использование физического уровня (или PHY, Layer 1).

Некоторые из этих элементов управления доступны во встроенном интерфейсе пользователя B5/B5c (Рис. 3) и дают пользователю возможность производить точную регулировку эксплуатационных характеристик TDMA.

Настройка элементов конфигурации MAC

Рис.3. Управление элементами конфигурации MAC

.

Режим беспроводной связи

При создании двухпунктового однопереходного (point-to-point – PTP) соединения между двумя устройствами, одно устанавливается в режиме точки доступа (ТД), а другое – станции (Рис. 4).

Двухпунктовое соединение (один переход)

Рис.4. Пример двухпунктового соединения (один переход)

.

Нужно отметить, что после выполнения настройки параметров канала (каналов), мощности и TDMA на ТД, они автоматически передаются на станцию посредством служебных сигналов 802.11.

Разделение на роды и разделение трафика

Важным понятием в TDMA протоколе Mimosa TDMA является то, что каждой радиостанции в соединении назначается род: «A» или «B». Род станции автоматически устанавливается противоположным роду ТД. Все устройства рода «A» буду одновременно выполнять передачу, при этом устройства рода «В» принимают данные, и наоборот. В одной дислокации род должен быть установлен в одно и то же значение на всех радиостанциях. Например, предположим, что необходимо связать два объекта с ретранслятором между ними. На Рис. 5 отметим, что радиостанции 2 и радиостанции 3 назначен один и тот же род «В», поскольку они расположены в одном месте.

Двухпунктовое соединение (многопереходное)

Рис.5. Пример двухпунктового соединения (многопереходного)

.

Выбор рода и разделение трафика объединены в одном элементе управления в графическом интерфейсе пользователя. Поэтому, пользователю также нужно определить баланс трафика TDMA, который задаёт процентное соотношение времени для передачи, принадлежащего каждой стороне. Существуют два фиксированных варианта: 50/50 и 75/25 (Рис. 6 и 7). Отметим, что символ косой черты в графическом интерфейсе пользователя соответствует условию местный/удалённый.

Разделение 50/50

Рис.6. Разделение трафика 50/50

.

Разделение  75/25

Рис.7. Разделение трафика 75/25

.

Третий вариант, называемый “Auto”, динамически определяет рабочий цикл (соотношение передачи и приёма) на основании использования временных слотов как точкой доступа, так и станцией. Эта опция была разработана для повышения эффективности пропускной способности и, следовательно, для максимизации совокупной пропускной способности по одному каналу. В таком варианте возможно разделить трафик между родами «A» и «B» в соотношении 25/75.

Варианты разделения трафика TDMA

Разделение трафика 50/50

Соотношение 50/50 следует выбирать для многопереходных соединений, или в том случае, если ожидается сбалансированность загрузки и выгрузки, что может подойти многим коммерческим пользователям. На Рис. 8 изображена кольцевая топология, в которой, предпочтительно использовать сбалансированное разделение трафика, так как движение трафика может происходить в любом направлении.

Топология с разделением  50/50

Рис.8. Кольцевая топология с разделением трафика 50/50

.

OSPF – протокол предпочтения кратчайшего пути (Open Shortest Path First – первыми открываются кратчайшие маршруты), BGP – пограничный межсетевой протокол (Border Gateway Protocol).

Для релейного соединения, построенного в примере на рис.5, разделение трафика произведено в соотношении 50/50 (Рис. 9). Многопереходные каналы связи не могут получить выгоду от несимметричного трафика, поскольку трансмиттеры ретранслятора синхронизированы.

Двухпунктовое соединение (многопереходное) с разделением 50/50

Рис.9. Пример двухпунктового соединения (многопереходного) с разделением трафика 50/50

.

Разделение трафика 72/25

Разделение трафика в соотношении 75/25 следует применять для однопереходных соединений (Рис. 10) или для сетей с топологией «звезда» (Рис. 11), во время которых ожидается, что большую часть времени пользователи будут скачивать данные. Эта установка будет полезной для обслуживания однонаправленных, требовательных к пропускной способности, приложений, таких как службы потокового видео. Отметим, что только радиостанции с родом «А» могут быть установлены в цикл 75% варианта соотношения разделения трафика 75/25, поэтому при планировании сетей, радиостанции с родом «А» следует располагать вблизи источников пропускной способности (то есть информационных центров), а радиостанции с родом «В» –ближе к клиентам.

Двухпунктовое соединение (однопереходное) с разделением 75/25

Рис.10. Пример двухпунктового соединения (однопереходного) с разделением трафика 75/25

.

Сеть топологии «звезда»

Рис.11. Сеть топологии «звезда» с разделением трафика 75/25

.

Автоматическое разделение трафика

При выборе параметр «Auto», разделение трафика динамически переключается между значениями 75/25, 50/50 и 25/75 в зависимости от использования окна передачи каждой стороной канала. Как и вариант 75/25, опция «Auto» эффективна только для однопереходных двухпунктовых соединений.

Окно TDMA

Окно TDMA регламентирует количество времени, отведённое каждой радиостанции для передачи. Это значение регулируется для оптимизации задержек и эффективности. Восемь миллисекунд следует выбрать для максимальной необработанной пропускной способности, две миллисекунды – для минимизации задержек, а четыре миллисекунды – для балансирования между ними.

Окно TDMA

Режимы использования

Пропускная способность

Предельная дальность

8 мс

Передача файлов

100%

Ограничено по FSPL

4мс

Смешанный трафик

90%

64 км

2мс

VoIP, видео

80%

32 км

Табл. 1. Варианты окна TDMA.

Каждый шаг уменьшения размера окна TDMA, начиная с восьми миллисекунд (опорное значение), вызывает примерно десятипроцентное снижение пропускной способности. Это связано с тем, что меньшие значения окон TDMA требуют больших расходов на управление в процентном соотношении с общим объёмом передаваемых данных.

Для этих опций существуют некоторые ограничения дальности, вызванные задержками распространения сигнала между передатчиком и приёмником на больших расстояниях, что может препятствовать поступлению данных в приёмник до открытия его окна передачи. FSPL (Free Space Path Loss – потери на трассе прохождения сигнала в свободном пространстве) налагает ограничение дальности параметром 8 мс.

Также, операторы должны учитывать количество переходов при определении размера окна TDMA, чтобы обеспечить соответствие суммарных задержек требованиям. К примеру, пять переходов и размер окна TDMA 2 мс приведёт в результате к средней задержке 25 мс, при прохождении сигнала туда и обратно (5 переходов * 2 мс * 2.5 = 25 мс).

К тому же, чтобы избежать наложения помех, все соединения в многопереходной сети и все радиостанции на одной и той же вышке, должны быть настроены с одинаковым значением окна TDMA.

Рекомендации по совместному расположению

При установке более одной радиостанции на объекте, необходимо обеспечить надлежащее физическое разделение и уделить особое внимание направлению антенны. Это особенно существенно для несинхронизированных радиостанций. В этом разделе описывается совместное использование радиостанций Mimosa и других производителей.

Радиостанции Mimosa

Вот один часто задаваемый вопрос: «Сколько GPS-синхронизированных радиостанций Mimosa можно установить на одной вышке»? Ответ зависит от нескольких факторов, включая угловое разнесение между антеннами и разницу в мощности принимаемых сигналов. Более уместным будет вопрос: «Каков ожидаемый индекс MCS (Modulation and Coding Scheme – модуляция и схема кодирования) для двух антенн под заданным углом и с разницей мощности входных сигналов»? К тому же, каждая антенна обладает характерной диаграммой коэффициента усиления, в пределах которой, сигналы усиливаются в обоих направлениях, то есть, когда они отправляются локальным передатчиком и принимаются от удалённого. В соответствии с конструкцией, главный лепесток диаграммы направленности антенны (ДНА) имеет более высокий коэффициент усиления, относительно боковых и задних лепестков. Нужно отметить, что в следующем примере, предполагается, что уровень принимаемого сигнала одинаков для всех радиостанций на вышке, а влияние дисбаланса рассмотрим позже.

На приведённом ниже, Рис.12, монотонная огибающая (зелёный контур) соответствует ДНА Mimosa B5. Затем ДНА была наложена на лимб компаса 360°, отображающий все возможные углы между совместно расположенными антеннами. Синие концентрические окружности представляют значения коэффициента усиления, измеренные в дБи, в пределах от -25 дБи до 25 дБи. Пунктирная линия в центре главного лепестка ДНА соответствует идеальному SNR (Signal to Noise Ratio – соотношению сигнала к шуму).

ДНА B5

Рис.12. ДНА B5 на лимбе компаса 360°

.

При наложении второй ДНА (Рис. 13), можно увидеть, как энергия соседней антенны усиливает входной сигнал, предназначенный для другой радиостанции, тем самым снижая SNR. Отметим, что пунктирная синяя линия частично скрыта на обоих ДНА. Для предотвращения ситуации, изображённой на рисунке, необходимо обеспечить соответствующее угловое разделение между главными лепестками ДНА.

ДНА двух В5

Рис.13. Наложение двух ДНА В5

.

Поворачивая вторую антенну от первой настолько, чтобы главный лепесток ДНА не был скрыт, можно увидеть условия, доступные для достижения максимальных эксплуатационных показателей обоих соединений. При наличии двух антенн, вторая антенна может находиться в любом месте в пределах одной из двух зеленых зон, которые допускают угловое расстояние 80° (Рис. 14).

Неперекрывающиеся ДНА В5

Рис.14. Две неперекрывающиеся ДНА В5

.

При установке на мачте трёх радиостанций, зелёные зоны сужаются. Вторую и третью радиостанции можно разместить в пределах зон, затушёванных синим цветом. При этом они не будут влиять на первую радиостанцию, но нужно позаботиться о том, чтобы предохранить вторую и третью радиостанции от глушения друг друга (Рис. 15).

3 неперекрывающиеся ДНА B5

Рис.15. Три неперекрывающиеся ДНА B5

.

В соответствии с этой методикой, на одной вышке можно установить до четырех радиостанций, использующих один и тот же канал, и, при этом, достичь максимальной производительности. Радиостанции следует устанавливать с углами 0°, 85°, 165° и 245°, как показано на Рис. 16.

4 неперекрывающиеся ДНА B5

Рис.16. Четыре неперекрывающиеся ДНА B5

.

В реальных условиях, рельеф и доступность места на вышке, зачастую, определяют возможные углы. Если проект выдерживает более низкое значение SNR и результирующую пропускную способность, то другие радиостанции могут быть добавлены и/или их можно установить под меньшими углами.

Дисбаланс мощности

Дисбаланс мощности между совместно размещёнными соединениями также может уменьшить SNR и повлиять на эксплуатационные показатели. В этом случае, задача состоит в выборе угла разделения, который вызовет достаточно малое усиление, применительно к входящему «шумовому» сигналу, так что желаемое значение SNR все еще может быть достигнуто.

Способность радиостанции принимать тот или иной индекс MCS зависит от значения SNR, как показано в Табл. 2, приведённой ниже. Вначале, нужно выбрать индекс MCS, в соответствии с требованиями пользователей к ширине полосы пропускания. В примере выбрано 28,5 дБ, что соответствует MCS 9.

MCS

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

SNR

3,75

6,50

9,25

12,00

14,75

17,50

20,20

23,00

25,75

28,50

Табл. 2. Значения SNR, требуемые для каждого индекса MCS.

После рассчитываем проектный показатель коэффициента усиления, добавляя требуемое значение SNR из, приведённой выше, таблицы к дисбалансу мощности принимаемого сигнала, а затем вычитая полученное значение из величины коэффициента усиления антенны:

Коэффициент усиления антенны – (желаемое SNR + дисбаланс мощности принимаемого сигнала) = проектный коэффициент усиления.

Пример: 25 дБи – (28.50 дБ + 10 дБм) = -13.5 дБи.

Примечание: Значение коэффициента усиления антенны 25 дБи взято из технических данных антенны. Дисбаланс принимаемого сигнала 10 дБм – это примерное значение.

А затем, сопоставляем проектное значение коэффициента усиления с ДНА для определения соответствующего угла. В идеале, это можно сделать, используя данные ДНА, как показано в Табл. 3, приведённой ниже, или же может быть выполнено вручную, с применением достаточно подробной ДНА. Используя усиление -13,5 дБи, рассчитанное выше, находим следующие наименьшие значения усиления и угла (в данном случае 80 градусов).

Угол (град.)

Коэффициент усиления (дБи)

Примечание

79

-13,07

80

-14,35

Следующее значение меньше -13,2 дБи

81

-15,96

Табл. 3. Данные ДНА (частично).

В приведённой ниже таблице, обобщены значения индекса MCS, которые можно достичь двумя радиостанциями для различных углов (0-180 градусов) с дисбалансом мощности принимаемого сигнала (0-10 дБм).

дисбаланс

азимут

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

180

8

7

7

7

6

6

6

5

5

5

4

175

9

9

9

9

9

8

8

8

7

7

6

170

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

165

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

160

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

155

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

150

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

145

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

140

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

135

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

130

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

125

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

120

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

115

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

105

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

100

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

95

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

90

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

85

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

80

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

9

75

9

9

9

9

9

9

9

8

8

7

7

70

9

8

8

8

7

7

6

6

6

5

5

65

8

7

7

7

6

6

6

5

5

4

4

60

8

7

7

7

6

6

6

5

5

4

4

55

8

7

7

7

6

6

6

5

5

4

4

50

8

7

7

7

6

6

6

5

5

4

4

45

8

7

7

7

6

6

6

5

5

4

4

40

8

7

7

7

6

6

6

5

5

4

4

35

8

7

7

7

6

6

5

5

5

4

4

30

8

7

7

7

6

6

5

5

5

4

4

25

7

7

7

6

6

6

5

5

5

4

4

20

7

7

7

6

6

6

5

5

4

4

4

15

5

5

4

4

4

3

3

3

2

2

1

10

5

5

4

4

3

3

3

2

2

2

1

0

н/д

н/д

н/д

н/д

н/д

н/д

н/д

н/д

н/д

н/д

н/д

Табл. 4. Значение индекса MCS, которое можно достичь с двумя радиостанциями B5, в зависимости от азимута и дисбаланса входной мощности.

Радиостанции других производителей

Радиостанции Mimosa не синхронизируются с радиостанциями других производителей, хотя, для предотвращения влияния помех, которые могут производить прочие радиостанции, можно применить несколько общих правил, полученных опытным путём.

Нужно обеспечить физическое удаление на расстояние не менее 3 м, как в горизонтальном, так и вертикальном направлениях; угловое расстояние более 30º; частотное разнесение 20-30 МГц в зависимости от маски PSD (Power Spectrum Density — энергетическая спектральная плотность) соседних устройств.

Встроенный в изделия транзитной связи Mimosa анализатор спектра, может быть использован для выбора каналов с самым низким количеством шумов.

Заключение

В компании Mimosa отдали предпочтение протоколу TDMA из-за его исключительной эффективности и отказоустойчивости в двухканальных режимах. B5 и B5c оснащены высокоточным узлом GPS-DO, делающим возможным совместное использование спектра радиостанциями, расположенными по соседству.

Интерфейс пользователя Mimosa предоставляет возможности управления параметрами TDMA для подстройки производительности.

Угловое разделение и дисбаланс мощности могут влиять на параметры производительности соединения даже с TDMA, поэтому при проектировании линии связи нужно учитывать эти параметры с точки зрения практического опыта.

Инструменты радиочастотного планирования, способные оказать помощь в этом процессе, доступны по адресу cloud.mimosa.co.

 

Если Вы нашли ошибку в тексте, то выделите ее мышкой и нажмите Ctrl + Enter или нажмите здесь.

Сообщение об ошибке

Ошибка:

Ваш комментарий (не обязательно):

Да Отмена

Теги: , ,

Об авторе asp24