Công nghệ TDMA và Đồng bộ các thiết bị truyền dẫn lắp đặt cùng vị trí của Mimosa

Lựa chọn TDMA của Mimosa cho thiết bị truyền dẫn

Multiple Division Multiple Access (TDMA) là một giao thức, xác định trong đó mỗi thiết bị được gán một khe thời gian trong đó nó được phép truyền. Điều này cho phép các thiết bị vô tuyến có thể sử dụng cùng một kênh và tránh trùng Tx / Rx và tránh nhiễu.

Phương pháp tiếp cận của Mimosa, để duy trì độ tin cậy liên kết cao trong môi trường dày đặc các sóng băng tần 5 GHz, là cân bằng tải trên hai kênh độc lập sử dụng TDMA (Hình 1). Nếu một trong hai kênh gặp nhiễu, kênh kia được sử dụng để truyền và nhận tất cả dữ liệu.

Hình 1 - Kết nối Mimosa sử dụng TDMA với hai kênh riêng biệt (xanh lam và xanh lục)

Frequency-Division Duplex (FDD) là một giao thức khác cũng sử dụng hai kênh. Kênh đầu tiên được sử dụng để gửi và kênh thứ hai để nhận (Hình 2). Nếu nhiễu xuất hiện trên một trong hai kênh, toàn bộ quá trình truyền bị gián đoạn và phải truyền lại. Vậy nên cả hai kênh phải không bị nhiễu để truyền dữ liệu thành công.

Hình 2 - Liên kết FDD Non-Mimosa với hai kênh riêng biệt

Nhờ hiệu quả vượt trội và khả năng phục hồi cao hơn so với FDD, TDMA đã được lựa chọn cho các sản phẩm backhaul của Mimosa.

Tầm quan trọng của GPS và Độ chính xác của xung clock

Cần có xung clock chính xác và độ chính xác cao cho các giao thức dựa trên thời gian như TDMA để hoạt động thông suốt, đặc biệt là trên các liên kết back-to-back. Điều này là do các thiết bị vô tuyến ở cùng một địa điểm phải đồng bộ hóa thông tin liên lạc của chúng để tránh gây trở ngại cho nhau.

Mặc dù có một số cách để đồng bộ hóa các thiết bị vô tuyến, bao gồm cả giao tiếp out of band không dây hoặc có dây nối với một bộ thu GPS duy nhất, cách tiếp cận linh hoạt nhất là xây dựng bộ thu GPS bên trong vào mỗi thiết bị.

Các kỹ sư của Mimosa đã thiết kế các sản phẩm backhaul B5 và B5c với bộ nhận GPS tích hợp, nhận tín hiệu từ 24 vệ tinh GPS và 24 GLONASS, một công nghệ tiên phong. Có quyền truy cập vào 48 vệ tinh tiềm năng, gấp đôi so với bộ nhận GPS thuần túy, tăng độ chính xác của xung clock đặc biệt là ở những khu vực có giới hạn bầu trời.

Một mình bộ định thời GPS là không đủ vì có ảnh hưởng của trược xung clock trong mỗi thiết bị. Để đảm bảo đồng bộ thời gian đáng tin cậy, B5 / B5c tích hợp một bộ tạo dao động GPS-Disciplined Oscillator (GPS-DO) với 3 ppb (phần tỷ), hoặc độ chính xác 40 ns.

Nguồn định thời GPS + GLONASS và bộ GPS-DO cho phép đồng bộ hóa giữa các thiết bị mà không yêu cầu bất kỳ hình thức giao tiếp nào giữa chúng. Nó cũng có thể đồng bộ hóa với các thiết bị Mimosa khác trên cùng một tháp không nằm trong tầm kiểm soát của bạn. Tính năng khảo sát site của thiệt bị cho biết cấu hình TDMA của các điểm truy cập khác để  từ đó có thể chọn các cấu hình tương tự cho thiết bị  nhằm việc tương thích về sau.

Khi các thiết bị được đồng bộ hóa, chúng có thể chia sẻ cùng một tần số tại cùng một site. Điều này là do cả hai thiệt bị đều đang truyền hoặc nhận cùng một lúc. Đồng bộ hóa đảm bảo rằng Thiết bị 1 sẽ không truyền trong khi Thiệt bị 2 đang nhận. Nếu không, Thiết bị 2 sẽ xem tín hiệu từ Thiệt bị 1 là nhiễu.

Thiết lập và hiệu chỉnh hiệu năng TDMA

Lớp Media Access Control (MAC), trong Lớp 2 của mô hình OSI bảy lớp, cung cấp các cơ chế điều khiển kênh để phục vụ nhiều yêu cầu sử dụng lớp vật lý (hoặc PHY, Lớp 1).

Một số các điều khiển này có sẵn trong giao diện người dùng B5 / B5c (Hình 3) và cho phép người dùng tinh chỉnh hiệu năng TDMA.

Hình 3 - Các điều khiển cấu hình MAC

Chế độ không dây (Wireless mode)

Khi tạo một liên kết Point to Point (PTP) đơn giữa hai thiết bị, một thiết bị được đặt làm Access Point (AP) và một thiết bị khác làm Station (STA) (Hình 4).

Hình 4 - Liên kết ví dụ PTP (Single Hop)

Lưu ý rằng sau khi cài đặt kênh, nguồn và TDMA được đặt trên Điểm truy cập, chúng sẽ được tự động truyền đến Trạm thông qua đèn hiệu 802.11.

Phân chia loại và lưu lượng truy cập

Một khái niệm quan trọng trong giao thức Mimosa TDMA là mỗi thiết bị trong một link được gán một loại: A hoặc B. Loại của Station được đặt tự động ở phía đối diện của Access Point. Tất cả các thiết bị loại A sẽ truyền cùng một lúc, trong khi các thiết bị loại B đang nhận và ngược lại. Loại phải được đặt thành cùng một giá trị trên tất cả các thiết bị tại cùng một site. Ví dụ: giả sử bạn muốn kết nối hai site với một điểm chuyển tiếp ở giữa. Trong Hình 5 bên dưới, hãy lưu ý cách Thiết bị 2 và Thiết bị 3 được chỉ định cùng loại “B” vì chúng nằm ở cùng một vị trí.

Hình 5 - Link ví dụ PTP (Multi-hop)

Cả lựa chọn phân chia loại và lưu lượng truy cập được kết hợp trong một giao diện điều khiển trên GUI. Do đó, bạn cũng phải quyết định phân chia lưu lượng TDMA (Traffic Balance), xác định phần trăm thời gian được phân bổ cho mỗi bên để truyền. Có hai tùy chọn cố định: 50/50 hoặc 75/25 (Hình 6 và 7). Lưu ý rằng ký hiệu gạch chéo trong GUI theo quy ước (đầu gần / đầu xa).

Hình 6 - Phân chia lưu lượng truy cập 50/50

Hình 7 - Phân chia lưu lượng truy cập 75/25 

Một tùy chọn thứ ba được gọi là, "Tự động" tự động thay đổi luân phiên (tỷ lệ Truyền sang Nhận) dựa trên hiện thực việc sử dụng các khe truyền qua cả AP và Station. Tùy chọn này được thiết kế để cải thiện hiệu suất thông lượng và do đó tối đa hóa thông lượng tổng hợp qua một link duy nhất. Nó có khả năng thay đổi phân chia lưu lượng giữa Loại A và B thành 25/75.

Các tùy chọn chia tách lưu lượng truy cập TDMA

Phân chia lưu lượng 50/50

Chọn 50/50 cho các liên kết nhiều hop, cho cấu trúc liên kết vòng ring hoặc nếu bạn mong muốn tải xuống và tải lên sẽ được cân bằng, điều này có thể phù hợp với các người dùng doanh nghiệp. Hình 8 dưới đây cho thấy cấu trúc liên kết vòng ring, nơi lưu lượng truy cập cân bằng được mong muốn vì lưu lượng truy cập có thể di chuyển theo bất kỳ hướng nào.

OSPF - Đường dẫn ngắn nhất mở đầu tiên 
BGP - Giao thức cổng nối

Hình 8 - Cấu trúc liên kết vòng ring (Phân chia lưu lượng 50/50)

Xây dựng link chuyển tiếp như ví dụ Hình 5, chúng ta sẽ thiết lập một phân chia lưu lượng 50/50 (Hình 9). Các liên kết multi-hop không thể tận dụng lợi thế của các phân chia lưu lượng không đồng đều vì các truyền dẫn chuyển tiếp cần đồng bộ hóa.

Hình 9 - Ví dụ PTP Link (Multi-hop) với phân chia lưu lượng 50/50

Chia tách lưu lượng truy cập tỉ lệ 75/25

Chọn 75/25 cho các liên kết đơn hop (Hình 10) hoặc các mạng hình sao (Hình 11) nếu bạn cho rằng người dùng sẽ tải xuống phần lớn thời gian. Các cài đặt này hữu ích cho việc phân phát các ứng dụng một chiều, băng thông như dịch vụ phát trực tuyến video. Lưu ý rằng chỉ có thiệt bị loại A có thể được đặt thành 75% với tùy chọn chia tách lưu lượng 75/25 cố định, do đó khi lập kế hoạch mạng của bạn, thiết bị phân loại A nên được đặt gần nguồn băng thông của bạn hơn (tức là trung tâm dữ liệu), với loại B đặt đầu gần khách hàng.

Hình 10 - Liên kết ví dụ PTP (Single Hop) với  Chia tách lưu lượng truy cập 75/25

Hình 11 - Mạng sao có chia tách lưu lượng truy cập 75/25

Tách lưu lượng truy cập tự động

Nếu tùy chọn Tự động được chọn, phần tách lưu lượng sẽ tự động chuyển giữa 75/25, 50/50 và 25/75 dựa trên mức sử dụng cửa sổ truyền của từng bên của liên kết. Giống như tùy chọn 75/25, tùy chọn Tự động chỉ có lợi cho một liên kết PTP.

Cửa sổ TDMA (TDMA Window)

Cửa sổ TDMA mô tả lượng thời gian được phân bổ cho từng thiết bị để truyền. Điều chỉnh giá trị này để tối ưu hóa cho độ trễ hoặc hiệu quả. Chọn tám mili giây để tối đa hóa thông lượng thô, hai mili giây để giảm thiểu độ trễ hoặc bốn mili giây để cân bằng giữa hai thời gian.

Bảng 1 - Tùy chọn cửa sổ TDMA

Mỗi bước trong kích thước cửa sổ TDMA giảm từ tám mili giây (giá trị tham chiếu) phát sinh tác động hiệu suất thông lượng xấp xỉ 10%. Điều này là do thực tế là các cửa sổ TDMA nhỏ hơn yêu cầu lượng data quản lý cao hơn theo tỷ lệ phần trăm của tổng số dữ liệu được chuyển.

Có một số hạn chế về khoảng cách đối với các tùy chọn này vì độ trễ truyền giữa máy phát và bộ thu trong khoảng cách dài có thể ngăn dữ liệu đến máy thu trước cửa sổ truyền của nó. Free Space Path Loss (FSPL) giới hạn khoảng cách với tùy chọn 8 ms.

Các toán tử cũng nên tính đến số bước nhảy khi thiết lập kích thước cửa sổ TDMA để đảm bảo tổng thời gian đáp ứng các yêu cầu. Ví dụ: 5 bước nhảy và kích thước cửa sổ TDMA 2 mili giây sẽ dẫn đến độ trễ trung bình của vòng 25 ms (5 bước nhảy * 2 ms * 2,5 = 25 mili giây).

Tất cả các link trong một mạng multi-hop, và tất cả các thiết bị phát trên cùng một tháp cho vấn đề đó, nên được cấu hình với cùng một cửa sổ TDMA để tránh nhiễu.

Đề xuất cho việc lắp các thiết bị cùng 1 site

Khi cài đặt nhiều hơn một thiết bị thu phát tại một site, bạn sẽ phải đảm bảo khoảng cách và đặc biệt chú ý đến hướng ăng-ten. Điều này đặc biệt đúng đối với các thiết bị thu phát không đồng bộ. Phần này sẽ bao gồm việc lắp đặt cùng chỗ với thiết bị thu phát Mimosa và Non-Mimosa.

Thiết bị thu phát Mimosa

Một câu hỏi thường gặp là “Có bao nhiêu thiết bị thu phát Mimosa của sử dụng đồng bộ hóa GPS trên cùng một tháp”? Câu trả lời phụ thuộc vào một số yếu tố bao gồm sự tách biệt góc giữa anten và sự khác biệt về cường độ tín hiệu Rx. Một câu hỏi hay hơn có thể là, "Chỉ số MCS dự kiến ​​cho hai anten ở một góc cho trước và với sự khác biệt về đầu vào công suất" là gì?

Để giải thích thêm, mỗi anten có độ lợi đặc trưng trong đó các tín hiệu được khuếch đại theo cả hai hướng (tức là khi được gửi từ bộ phát đầu gần và khi nhận được từ bộ phát đầu xa). Theo thiết kế, búp sóng chính của ăng-ten có độ lợi cao hơn so với phía hông và phía sau. Lưu ý: Trong các ví dụ sắp tới, chúng tôi giả định rằng cường độ tín hiệu Rx là giống nhau đối với tất cả các thiết bị thu phát trên tháp và bao gồm tác động của sự mất cân bằng sau đó.

Trong Hình 12 dưới đây, một kẻ đường bao (đường viền màu xanh lá cây) được áp dụng cho một pattern ăng ten Mimosa B5. Pattern này sau đó được phủ lên một la bàn 360 ° đại diện cho tất cả các góc có thể giữa các ăng-ten được phân bổ. Các vòng đồng tâm màu xanh biểu thị độ lợi trong dBi từ -25 dBi đến +25 dBi. Đường chấm chấm ở trung tâm của pattern ăng-ten đại diện cho chỉ số tín hiệu trên nhiễu Signal to Noise Ratio (SNR).

Hình 12 - Pattern ăng ten B5 trên la bàn 360 °

Khi một pattern ăng-ten thứ hai được phủ lên (Hình 13), chúng ta có thể tưởng tượng cách mà anten lân cận có thể khuếch đại tín hiệu đến dành cho thiết bị thu phát khác, do đó giảm SNR. Lưu ý cách đường màu xanh chấm chấm bị che khuất một phần trong cả hai pattern. Phải tách biệt hoàn toàn góc giữa các búp sóng chính để tránh tình huống trong hình bên dưới.

Hình 13 - Hai pattern ăng ten B5 chồng chéo

Bằng cách xoay ăng ten thứ hai ra khỏi ăng-ten đầu tiên đủ để búp sóng chính không bị che khuất, chúng ta có thể bắt đầu thấy các tùy chọn nào có sẵn để đạt được hiệu suất tối đa trên cả hai liên kết. Với hai ăng-ten, ăng ten thứ hai có thể ở bất kỳ đâu trong một trong hai vùng màu xanh lá cây, cả hai đều cho phép khoảng cách góc là 80 độ (Hình 14).

Hình 14 - Hai pattern ăng ten B5 không chồng chéo

Nếu ba thiết bị thu phát được lắp đặt trên một tháp, các vùng màu xanh lá cây sẽ trở nên hẹp hơn. Có thể đặt thiết bị thu phát thứ hai và thứ ba trong khu vực bóng râm màu xanh mà không ảnh hưởng đến thiết bị thu phát đầu tiên, nhưng phải cẩn thận để ngăn thiết bị thu phát thứ hai và thứ ba che khuất lẫn nhau (Hình 15).

Hình 15 - Ba pattern ăng ten B5 không chồng chéo

Có thể lắp đặt tối đa bốn thiết bị thu phát sử dụng cùng một kênh cho mỗi tháp theo phương pháp này (ở mức 0, 85, 165 và 245 độ), trong khi vẫn đạt được hiệu suất tối đa như trong Hình 16 bên dưới.

Hình 16 - Bốn pattern ăng ten B5 không chồng chéo

Trong thực tế, địa lý và tháp sẵn có thường quyết định cho các góc có thể chỉnh. Nếu thiết kế của bạn chấp nhận tín hiệu SNR thấp hơn và tốc độ thấp hơn, các thiết bị thu phát bổ sung có thể được thêm vào và / hoặc chúng có thể được lắp đặt ở các góc gần hơn.

Mất cân bằng công suất

Mất cân bằng công suất giữa các link cùng lắp cùng 1 site cũng có thể làm giảm SNR và ảnh hưởng đến hiệu suất. Trong trường hợp này, mục tiêu là chọn một góc tách giữa các link để làm cho việc khuếch đại cho tín hiệu "nhiễu" đủ nhỏ sao cho có thể đạt được SNR mong muốn.

Khả năng nhận của thiết bị thu phát tại một chỉ số MCS cụ thể phụ thuộc vào SNR như trong Bảng 2 dưới đây. Trước tiên, hãy chọn MCS đáp ứng nhu cầu băng thông của khách hàng của bạn. Trong ví dụ này, chúng ta sẽ chọn 28,5 dB, đại diện cho MCS 9.

Bảng 2 - Yêu cầu SNR cho mỗi chỉ số MCS

Thứ hai, tính toán độ lợi mong muốn bằng cách lấy độ lợi anten trừ đi tổng của tin hiệu SNR bắt buộc từ bảng trên và độ mất cân bằng tín hiệu Rx:

Độ lợi Antenna - (SNR yêu cầu + Rx độ mất tín hiệu cường độ tín hiệu) = Độ lợi cần đạt

Ví dụ: 25 dBi - (28,50 dB + 10 dBm) = -13,5 dBi

Lưu ý: Độ lợi 25 dBi từ datasheet  ăng-ten. Độ mất cân bằng tín hiệu Rx 10 dBm chỉ là một giá trị mẫu.

Thứ ba, so sánh độ lợi cần đạt với pattern ăng-ten để xác định góc thích hợp. Lý tưởng nhất, điều này được thực hiện với datasheet ăng ten, như trong Bảng 3 dưới đây, nhưng nó cũng có thể được xác định bằng tay với sơ đồ pattern đầy đủ chi tiết. Sử dụng độ lợi -13,5 dBi được tính ở trên, tìm giá trị độ lợi nhỏ nhất và góc tiếp theo theo (trong trường hợp này là 80 độ).

Bảng 3 - Dữ liệu mẫu ăng-ten (một phần)

Bảng dưới đây tóm tắt chỉ số MCS rằng hai thiết bị thu phát có thể đạt được cho các góc khác nhau (0-180 độ) với độ mất cân bằng tín hiệu Rx (0-10 dBm).

Bảng 4 - Chỉ số MCS đạt được với hai B5 của Azimuth và mất cân bằng công suất

Thiết bị thu phát khác

Thiết bị thu phát Mimosa không đồng bộ hóa với thiết bị thu phát không thuộc Mimosa, mặc dù một số quy tắc chung của ngón tay cái được áp dụng để tránh nhiễu mà thiết bị thu phát không phải là Mimosa có thể gây ra.

Đảm bảo tách ít nhất ba mét (mười feet) về mặt vật lý theo cả hướng dọc và ngang, lớn hơn tách góc 30 ° và tách tần số 20-30 MHz tùy thuộc vào mặt nạ Mật độ phổ công suất  Power Spectrum Density (PSD) của thiết bị thu phát lân cận.

Công cụ phân tích phổ tích hợp trong các sản phẩm Backhaul của Mimosa có thể được sử dụng để chọn các kênh có lượng nhiễu thấp nhất.

Tóm lược

Mimosa chọn giao thức TDMA vì hiệu quả vượt trội của nó và khả năng phục hồi cao ở chế độ dual-chanel. B5 / B5c được trang bị một mạch GPS-DO có độ chính xác cao, chính xác cao, cho phép chia sẻ phổ tần số giữa các thiết bị cùng vị trí.

Giao diện người dùng Mimosa cung cấp các tùy chọn để kiểm soát các tham số TDMA để điều chỉnh hiệu năng.

Góc gữa các link và mất cân bằng công suất có thể ảnh hưởng đến hiệu năng liên kết ngay cả với TDMA, vì vậy hãy xem xét các tham số này như là một phần tác động  của của việc thiết kế link.

Vui lòng truy cập cloud.mimosa.co để truy cập các công cụ lập kế hoạch RF có thể hỗ trợ trong quá trình này.

Bài dịch từ tài liệu của Mimosa.