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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen räumlich geschalteten Router,
der auf dem Gebiet der drahtlosen Kommunikation verwendbar ist und
insbesondere einen Router für
geschaltete Array-Antennen für
drahtlose Breitbandnetzwerke mit hoher Kapazität.
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Drahtlose
Kommunikation mit hohen Frequenzen im Bereich von 1 GHz bis über 100
GHz wird weit verbreitet für
Punkt-zu-Punkt-(PP-)
und Punkt-zu-Mehrpunkt-(PMP-)Kommunikation verwendet. Für diese
hohen Frequenzen werden gemeinhin drei Arten von Antennen für die räumlich gerichtete Datenübertragung
verwendet. Parabolreflektorantennen werden für eine festgelegte schmale
räumliche Übertragungsrichtung
verwendet. Sektorhornantennen werden für die Übertragung in einem festen breiten
Gebiet verwendet. Patchantennen werden ebenfalls für Übertragungen
mit fester Richtung verwendet. Diese Antennen weisen feste Strahlungskeulen
auf, die auf Sende-Empfangsgeräte
in einem genau festgelegten räumlichen
Sektor ausgerichtet sind. Ist die Datenverbindung einmal festgelegt,
so übertragen
und empfangen die Antennen Daten aus diesen festen Richtungen auf
der Basis der MAC-Schicht (Media-Access-Control-Schicht) entweder
in Form einer Ringverbindung, in Form eines Rundrufs oder in Form
eines Sendeaufrufs. In PP- und PMP-Systemen müssen die Antennen der Sende-Empfangsgeräte auf beiden
Seiten jeder Verbindung so ausgerichtet sein, dass sie einander
zugewandt sind, und die Ausrichtung der Antennen erfolgt für gewöhnlich von
Hand während
der ersten Inbetriebnahme der Verbindung. Wenn eine PMP-Verbindung
eingerichtet wird, müssen
die Antennenstrahlen auf beiden Seiten gleichzeitig aufeinander
ausgerichtet werden, um ein maximales Empfangssignal zu erzielen.
Bei PMP-Systemen umfasst die Basisstation oft feste Sektorantennen,
die am Anfang darauf eingestellt werden, in deutlich definierten
Sektoren auszustrahlen, z.B. vier Low-Gain-Antennen (Antennen mit
geringer Verstärkung)
von 90 Grad, die so positioniert sind, dass sie 360 Grad abdecken.
Eine Teilnehmerantenne weist eine schmalere räumliche Divergenz auf, um ihre
Verstärkung
(Gain) zu erhöhen, und
sie wird im Drehwinkel und in der Höhe auf den Standort der Basisstation
ausgerichtet, bis der maximale Empfang erreicht ist. Diese Ausrichtung
garantiert, dass auch die Basisstation maximale Übertragungssignale über ihre
große
Festsektorantenne mit geringerer Verstärkung empfängt.
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Die
von den Antennen gesendeten und empfangenen Datenpakete kommen aus
den gleichen Richtungen. Im Falle eines PMP-Systems, das FDM-B-Frequenzmultiplexierung
oder TDM-B-Zeitmultiplexierung
oder andere Modulationstechniken verwendet, kann die Basisstation
per Rundruf Informationen senden, die bestimmten Sende-Empfangsgeräten in einem
Sektor zugedacht sind. Alle anderen Sende-Empfangsgeräte in demselben
Sektor empfangen zwar die Daten, decodieren sie, ignorieren sie
aber, sobald sie feststellen, dass die Daten nicht an sie gerichtet
sind. Indem jedoch der Sektor von mehreren Sende-Empfangsgeräten gemeinsam genutzt
wird, kann nur eine begrenzte Menge von Datenpaketen gleichzeitig
zwischen den Sende-Empfangsgeräten
weitergeleitet werden, wenn auf derselben Frequenz gesendet wird.
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Der
Vorgang der Ausrichtung sowohl in PP-Verbindungen als auch im Falle
der Hinzufügung eines
neuen Teilnehmers in einem PMP-System erfolgt off-line vor der Dienstaktivierung
und umfasst eine genaue mechanische Justierung, während die Empfangssignalstärke überwacht
wird. In einem DBS (Direct Broadcast System, ein PMP-System, das
einen Satelliten verwendet) erfolgt die Antennenausrichtung auf ähnliche
Weise wie die des terrestrischen PMP-Systems. Am Teilnehmerstandort
wird die Antenne auf einen geostationären Satelliten ausgerichtet,
bis ein gutes Signal erkannt wird, und dann wird sie in diese Richtung
mechanisch fixiert. In allen oben beschriebenen Fällen wird
die Öffnung
der Antenne mechanisch auf die Sendequelle oder aufeinander ausgerichtet,
bevor die Kommunikationsverbindung hergestellt und der Dienst gestartet
wird. Auf der Grundlage der Empfangssignalstärke wird die Richtung mechanisch
justiert, manchmal durch motorgetriebene Antennen, und in der spezifischen Richtung
des maximalen Empfangs und maximaler Übertragung fixiert.
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Es
werden wenige Techniken verwendet, um Daten in verschiedene Übertragungsrichtungen
zu routen oder zu richten. Die am weitesten verbreitete besteht
darin, eine Basisstation mit mehreren Sende-Empfangsgeräten, jedes
mit seiner eigenen separaten Antenne, anzuordnen, wobei jede Antenne
einen anderen Sektor abdeckt. Die MAC-Schicht der Basisstation schaltet
die Daten auf Basisband an denjenigen Sender, der den Sektor abdeckt,
welcher den Standort des Sende-Empfangsgeräts des Teilnehmers, an den
die Datenpakete gerichtet sind, enthält. An einer PMP-Basisstation sind
typische Sektorantennen wie etwa Hornantennen so ausgelegt, dass
sie feste Strahlungskeulen von 90, 45, 30 oder 15 Grad in der horizontalen
Ebene und von etwa 7 Grad in der vertikalen Ebene abdecken. Die
Teilnehmerantenne dagegen ist mit einer viel engeren Strahlempfindlichkeit,
d.h. höherer
Verstärkung,
bei ähnlicher
Divergenz in der horizontalen und vertikalen Ebene, für gewöhnlich weniger
als 7 Grad, ausgelegt. Für
das Sende-Empfangsgerät
des Teilnehmers werden gemeinhin Hornantennen, mit Linsen korrigierte
Trichter und Parabolantennen verwendet. Andere PMP-Systeme verwenden
ein Teilnehmerfunkgerät
mit einer Antenne, die die abwärts
gerichteten Daten von der Basisstation in einer Polarisation empfängt, z.B.
horizontal, und aufwärts
in einer dazu senkrechten Polyrisierung, z.B. vertikal, zur Basisstation
sendet, womit die Netzwerkkapazität erhöht wird. In allen oben genannten
Fällen
ist die räumliche
Kapazität
in einem Sektor durch die Ausrichtung der Antennen festgelegt.
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Phasengesteuerte
Antennen ermöglichen die
Strahlsteuerung durch die Steuerung der Phase jedes Antennenelements
in Bezug auf die Phase der anderen Elemente. Diese Antennen sind
in einer sehr kurzen Dauer, die durch die Beschaffenheit der Datenpakete
als Burst bedingt ist, kompliziert zu steuern. Daher werden phasengesteuerte
Antennen derzeit nur in einigen hoch entwickelten Mobilfunkbasisstationen
zum Aufbauen von Ringverbindungen für relativ lang andauernde Datenübertragungen
verwendet, wie etwa in den verbindungsorientierten Netzwerken, in
denen die Dauer gesprochener Konversation relativ viel länger als
Datenpakete ist. Phasengesteuerte Antennen werden vorwiegend bei niedrigen
Frequenzen, typisch weniger als 2,5 GHz, verwendet, um eine hohe
Bündelung
in einer mehrfach reflektierenden Umgebung zu erlangen. Die Komplexität, die hohen
Kosten und der hohe Verlust der Komponenten, namentlich der Phasenschieber, bei
hohen Frequenzen verhindern die Verwendung für kommerzielle Massenanwendungen.
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Eine
einfache Lösung
zum Schalten von Datenpaketen auf verschiedene Sende-Empfangsgeräte in verschiedenen
Richtungen besteht im Schnellschalten der Endausgabeenergie zwischen
verschiedenen Sektorantennen, die in verschiedenen Winkeln, z.B.
in der horizontalen Ebene, angeordnet sind und so einen großen Sichtbereich
abdecken. Diese Anordnung jedoch erfordert eine Vielzahl von Antennen,
von denen jede in eine andere Richtung gerichtet ist, mit einer
Vielzahl von Sendegeräten
und Anschlussleitungen, um diese Antennen zu speisen. Hochfrequenzenergie
muss geschaltet und dann über
lange Wellenleiter oder Koaxialkabel zu jeder Antenne transportiert
werden. Die Entfernung von den Schaltern zu den Antennen erzeugt
eine große Signalabschwächung, die
sich bei höheren
Frequenzen erhöht,
und erfordert erhöhte
Abmessungen und Kosten der Antennenkonstruktion und kann umwelttechnisch
unzulässig
sein. Somit besteht eine Aufgabe darin, einen sehr schnellen Schalter
für Millimeterwellen mit
Hilfe einer geschalteten Hochfrequenzantennengruppe zu steuern,
wobei sich der Schalter in großer
Nähe zur
Antennengruppe befindet. Dies ist notwendig, um das effiziente Schalten
von Hochfrequenz, die Pakete mit hohen Bitraten moduliert, auf verschiedene
Sende-Empfangsgeräte
in verschiedene räumliche
Richtungen zu ermöglichen.
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US-A-5,736,959
offenbart ein Satellitenkommunikationssystem, das Lüneberglinsen
verwendet.
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EP-A-0
755 093 offenbart eine Richtantenne für drahtlose Netzwerke, bei
der eine HF-Schaltungsanordnung das Schalten von Signalen zu und
von integrierten Patchantennen steuert.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein räumlich
geschalteter Router wie in Anspruch 1 definiert für Knoten
eines Netzwerks bereitgestellt, das mehrere räumlich getrennte Netzwerkknoten
aufweist, wobei eine Anzahl von Knoten Routinginformationen bezüglich der
Sende- und Empfangszeitsteuerung und einer entsprechenden Sende-
und Empfangsrichtung für
Datenpakete aufweist, und wobei jeder Knoten einen lokalen Sendeport
und einen lokalen Empfangsport aufweist, wobei der räumlich geschaltete
Router Folgendes umfasst: eine Schaltungsanordnung zum Richten von
Datenpaketen an andere Netzwerkknoten, eine HF-Optik-Fokussierungs- und Parallelrichtungsantenne,
die mit der Schaltungsanordnung gekoppelt ist, und HF-Optik-Zuführungsports,
die zwischen der Schaltungsanordnung und der HF-Optik-Fokussierungs-
und Parallelrichtungsantenne geschaltet sind, und der Router verwendet
Steuersignale, die die Schaltungsanordnung gleichzeitig aktivieren,
um Datenpakete zu routen, indem ein HF-Signal von einem lokalen
Sendeport an die HF-Optik-Zuführungsports
und von den HF-Optik-Zuführungsports
an einen lokalen Empfangsport moduliert wird, wobei die Steuersignale
auf den Routinginformationen für
die Datenpakete basieren, einschließlich Sende- und Empfangszeitsteuerung
und Sende- und Empfangsrichtung,
dadurch gekennzeichnet, dass: die Schaltungsanordnung eine HF-Schaltungsanordnung
ist und dass: die gleichen Zuführungsports
zu einem Zeitpunkt zum Senden der Datenpakete und zu einem anderen
Zeitpunkt zum Empfangen der Datenpakete verwendet werden.
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Ein
Beispiel für
das räumliche
Routen von Datenpaketen im Raum zwischen willkürlich verteilten drahtlosen
Knoten wird von Berger u.a. in WO-A-00/25485 beschrieben (das der
US-Patentschrift
Seriennr. 09/187,665 mit dem Titel „Broadband Wireless Mesh Topology
Networks" entspricht, eingereicht
am 5. November 1998). Die Knoten des drahtlosen Netzwerks sind dafür ausgelegt,
eine Senderichtung und eine Empfangsrichtung auf der Basis der Routingadresse
der zu sendenden und/oder zu empfangenden Datenpakete auszuwählen. Die
Auswahl einer Sende- oder Empfangsrichtung erfolgt unverzögert, um
kurzen Datenpaketbursts Rechnung zu tragen, die von Knoten eintreffen,
welche sich in verschiedenen Richtungen befinden, oder zu Konten
gesendet werden, die sich in verschiedenen Richtungen befinden,
wie vom Zeitsteuerungsprogramm der MAC-Schicht der Netzwerkknoten
definiert, wie in den Anwendungen nach dem Stand der Technik erläutert. Ein
Kommunikationsprotokoll, das dafür
ausgelegt ist, die Zeitplanung räumlich
gerouteter Pakete zwischen Netzwerkknoten in einer beliebigen generischen
Topologie wie etwa einem Netz, Baum oder Zweig und PMP zu unterstützen, wird
von Aaronson u.a. in EP-A-1 059 773 beschrieben (das der US-Patentschrift
Seriennr. 09/328,105 mit dem Titel „Communication Protocol for
Packet Data Particularly in Mesh Topology Wireless Networks" entspricht, eingereicht
am 8. Juni 1999). Die Beschreibung der MAC-Schicht (Media-Access-Control-Schicht)
ist besonders aufschlussreich.
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Der
vorliegend offenbarte räumlich
geschaltete Router (SSR) beschreibt eine Art und Weise, eine Vorrichtung
zum Schalten von Datenpaketen und zum Routen zu konstruieren, die
in der Lage ist, Datenpakete zu schalten und sie räumlich zwischen Knoten
eines drahtlosen Netzwerks zu senden. Die MAC-Schicht bestimmt in
Echtzeit die Richtung und Zeit der HF-Schaltung und leitet somit
die Datenpakete auf der Grundlage der Routen und Bestimmungsorte
der Pakete und des räumlichen
Standorts des Netzwerkknotens. Die Anwendungen nach dem Stand der
Technik erklären,
dass HF-Schaltung durch
Zeitpläne,
die an jedem Knoten unterhalten werden, hergestellt wird, wobei
Paket von festgelegten, räumlich
getrennten Knoten zu festgelegten Zeiten gerichtet und empfangen
werden. Dieses MAC-Protokoll wird in der bevorzugten Ausführungsform
derart übernommen,
dass die Sende- und Empfangszeitsteuerung und die entsprechende
Richtung des Sendens und Empfangens im Voraus bekannt sind. Es können jedoch
auch andere Paketprotokolle mit Adressen-Decodierung und Routinginformationen,
die durch das Decodieren der Pakete erlangt wird, verwendet werden.
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Die
SSR-Vorrichtung ermöglicht
das Schalten gesendeter und empfangener Datenpakete von einem Knoten
zu anderen benachbarten Knoten und von mehreren Knoten, die sich
in verschiedenen Richtungen und Entfernungen von anderen Knoten
in ihrer Umgebung befinden. Schnelles Schalten wird erreicht, indem
schnelle – im
Bereich von wenigen Nanosekunden bis zu einigen Mikrosekunden – Steuersignale
auf eine Gruppe von Mikrowellenschaltern angelegt werden, gleichzeitig
mit der Zeitsteuerung des Datenpaketsendens und -empfangs und gleichzeitig
mit der Richtung des Sendens und Empfangens. Die schnellen HF-Schalter
sind in einer Konfigurierung ausgelegt, die eine starke Isolierung
zwischen den Empfangs- und Sendeeingabeports schafft und die HF-Verluste
minimiert. Die Gestaltung ermöglicht
eine große
Nähe der
Schalter zu den Ausgabezuführungsports,
um Kopplungs- und Sendeverluste zu reduzieren, was besonders bei
sehr hohen Frequenzen (> 20
GHz) wichtig ist. Eine n×m-Schaltungsanordnung
(n = Anzahl der Eingabeports, m = Anzahl der Ausgabeports) ist auf
der Grundlage einer Reihe von spezialangefertigten, integrierten 2×4-HF-Schaltern
aus GaAs-Chips (MMIC), die für sehr
hohe Mikrowellenfrequenzen (> 20
GHz) ausgelegt sind, und einer Schaltergruppenanordnungsstruktur
gestaltet, die eng mit der Fokussierungs- und Parallelrichtungsantennenstruktur
gekoppelt ist.
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Ein
Hauptmerkmal der vorliegenden, räumlich
geschalteten Routervorrichtung ist die Fähigkeit ihres drahtlosen räumlichen
Paketroutings und -Schaltens, eine „verbindungslose" Kommunikationsverbindung
zwischen einer Vielzahl verteilter Knoten in einem Netzwerk mit
Netztopologie oder einem beliebigen anderen Derivat eines Netzwerks
mit Netztopologie wie etwa Baum und Zweig und/oder PMP herzustellen.
Bei den sehr hohen Mikrowellenfrequenzen kann das System möglicherweise
eine Sichtlinie (LOS) zwischen den kommunizierenden Knoten erfordern.
Die räumliche Übertragung
von Datenpaketen wie etwa Internetprotokoll-(IP-)Paketen in bestimmte
Richtungen der Zielknoten ermöglicht
es, dass viele Knoten zur gleichen Zeit, auf demselben Frequenzband
und in demselben Gebiet mit minimaler gegenseitiger Interferenz
senden. Dieses synchronisierte Netzwerk erhöht die Verfügbarkeitskapazität des Netzwerks
dramatisch gegenüber „verbindungsorientierten" Netzwerken, die
in vielen PMP-Systemen
verwendet werden. In diesen PMP-Systemen ist die Bandbreite in bestimmten Sektoren
im Voraus durch die feste Lichtstärke der Antenne festgelegt.
Die räumlich
geschaltete Routervorrichtung der bevorzugten Ausführungsform
kann eine Vielfalt schneller Routen und einen schnellen Lastausgleich
durchführen,
wobei die Burst-Beschaffenheit
des Datenverkehrs mit IP-Datenpaketen voll ausgenutzt wird.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
ist für
die sehr hohen Funkfrequenzen optimiert, wie etwa für das von
der FCC (Federal Communications Commission) zugewiesene LMDS-Spektrum (Local Multipoint Distribution
System), 27 GHz B 31 GHz, und andere Spektren, die Betreibern regional
zugewiesen werden. Diese Frequenzbänder ermöglichen große Datenmengen, die bei solchen
Frequenzen wie etwa 10,5 GHz (UK, Lateinamerika), 24,5–26,5 GHz
(Europa), 38 GHz–40
GHz (USA) usw. verteilt werden. Bei diesen Frequenzen ist die Abschwächung der Übertragungsleitungen
sehr hoch. Daher besteht die vorliegende Konstruktion aus einer
sehr kompakten Schaltergruppenmatrix, die eng an mehrere Zuführungsports
gekoppelt ist, welche dafür
ausgelegt sind, mehrere Fokussierungs- und Parallelrichtungsports
einer strahlbildenden Optikvorrichtung zu speisen, die bei Funkfrequenzen
arbeitet. Eine der vorliegend beschriebenen strahlbildenden Optikvorrichtungen
umfasst eine bekannte zylindrische Mehrschichtlinse mit abgestuftem
Index, die ein eindimensionales, z.B. horizontales, Fokussierungsgerät bildet,
wobei die Divergenz der anderen Dimension, z.B. der vertikalen,
von der Größe der Öffnung des
Zuführungsporthorns
ist. Diese Vorrichtungskonstruktion ermöglicht die Bildung von Strahlen
mit verschiedenen Divergenzen in der horizontalen Ebene, wobei die
horizontale Ebene die Vermittlungsebene ist, und in der vertikalen
Ebene.
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In
einer anderen strahlbildenden Optikvorrichtung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung speisen die Zuführungsports eine sphärische Mehrschichtlinse
mit abgestuftem Index, wie etwa eine HF-Lüneberglinse, um Strahlen mit ähnlicher
Divergenz in der horizontalen Ebene (Vermittlungsebene) und der
vertikalen Ebene zu bilden. In beiden Geräten kann die Strahlvermittlung
Winkel über
120 Grad bei sehr hoher Verstärkung
und Sammlungseffizienz aus verschiedenen Richtungen innerhalb des
Sektors abdecken. Die Datenpakete, die den HF-Träger modulieren, werden zu Brennpunkten
geschaltet, wobei Strahlen von verschiedenen Brennpunkten in Zielrichtungen
parallel gerichtet werden.
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Alle
Strahlen benutzen gemeinsam dieselbe Linse und verwenden eine überlappende Öffnung der zylindrischen
oder sphärischen
Linse, wodurch die Größe der Antenne
des drahtlosen Knotens erheblich verringert wird. Die kleinere Größe ermöglicht geringere
Verluste von HF-Energie, die durch die Antenne gekoppelt wird, ein
geringeres Gewicht und einen minimalen Eingriff in die Umwelt.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Draufsicht eines drahtlosen Knotens mit einer räumlich geschalteten Routervorrichtung
für drahtlose
Datenpakete, die eine sphärische oder
zylindrische HF-Linse mit abgestuftem Index umfasst und in einem
Netzwerk gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet werden soll;
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2 eine
Seitenansicht einer zylindrischen HF-Optik-Fokussierungs- und Parallelrichtungsantenne
mit einem Zuführungsport,
die in der räumlich geschalteten
Routervorrichtung der 1 verwendet wird;
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3 eine
Draufsicht einer HF-Schaltungsanordnung zur Verwendung in der in 1 dargestellten,
räumlich
geschalteten Routervorrichtung;
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4 eine
Draufsicht nach 3, aber mit rauscharmen Verstärkern in
der HF-Schaltungsanordnung;
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5 eine
Draufsicht nach 4, aber mit Leistungsverstärkern in
der HF-Schaltungsanordnung; und
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6 ein
elektrisches Schaltdiagramm eines HF-Schalters, der in den HF-Schaltungsanordnungen
der 3–5 verwendet
wird.
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Mit
Bezug auf 1 ist ein Beispiel eines Sende-Empfangsknotens eines
drahtlosen Routers gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargestellt, der eine HF-Schaltungsanordnung
umfasst, welche mit einer HF-Optik-Fokussierungs-
und Parallelrichtungsvorrichtung gekoppelt ist. Bei dieser Vorrichtung
handelt es sich um eine HF-Linse mit abgestuftem Index, die eine
sphärische oder
eine zylindrische Linsenform aufweisen kann. Der Begriff „HF-Optik" bedeutet in der
vorliegenden Verwendung ein Gerät,
das bei Hochfrequenzen arbeitet, aber optische Wellenwirkung auf
Funkwellen aufweist, wie etwa Linsenwirkung. Das Sende-Empfangsgerät umfasst
einen lokalen Port 23, der mit lokalen Netzwerken kommuniziert.
Der lokale Port 23 und mehrere ähnliche Ports können eine
Kabelverbindung wie etwa eine verdrillte Leitung für eine 10/100
Basis-T-Ethernetverbindung aufweisen, Sende-Empfangsgeräte mit Glasfaserverbindung
oder drahtloser Verbindung, die für den separaten lokalen Zugang über Frequenzen
wie etwa ISM-Bänder
(für industrielle,
wissenschaftliche, medizinische Anwendungen, 2,4 GHz und/oder 5,7
GHz) oder das MMDS-Spektrum zugewiesen sind.
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Eine
zentrale Recheneinheit (CPU) 22 verarbeitet Datenpakete,
die über
die lokalen Ports 23 und über die Luft von den Fernnetzwerkknoten
empfangen und gesendet werden. Die CPU 22 liefert Steuersignale,
um eine Schaltungsanordnung in einer synchronen Zeitsteuerungsabfolge
zu aktivieren, um Datenpakete, die aus verschiedenen Richtungen
eintreffen, zum richtigen Empfänger
und gesendete Datenpakete in die richtigen Fernknotenrichtungen
zu schalten. Es soll angenommen werden, dass sich die Fernknoten
in verschiedenen Richtungen befinden, z.B. Richtungen, die der Ausbreitung
des Strahls in die Richtungen 12, 13 und 14 entsprechen.
Die MAC-Schicht, die in dieser Ausführungsform beispielhaft verwendet
wird, basiert auf einem vorab erstellten Zeitplan von Routinginformationen,
insbesondere zum Routingpfad und Bestimmungsort der Datenpakete,
zur Priorität
und zur Verfügbarkeit
von Verbindungen, und bestimmt die Routingrichtung der Datenpakete
und die Sende- oder Empfangszeitsteuerung an jedem Knoten, wie in
dem oben genannten EP-A-1 059 773 ausführlicher beschrieben. Zum Beispiel
werden Pakete, die von einem zu Richtung 14 gehörenden Knoten
empfangen werden – in 1 durch
einen HF-Impuls dargestellt, der sich zur HF-Linse ausbreitet, dargestellt – gespeichert,
verarbeitet, sortiert und entweder zum lokalen Port 23 oder zu
Knoten geroutet, die zu anderen Fernknoten gehören, wie etwa Richtung 12 oder 13 (siehe
die in 1 dargestellten „HF-Impulse", die sich in die Richtungen 12 und 13 ausbreiten).
Sind vorab keine Routinginformationen bekannt, müssen die Pakete decodiert werden,
um die Informationen zu erlangen.
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Der
Empfänger 21 umfasst
einen rauscharmen HF-Verstärker,
einen Abwärtswandler,
einen IF-Empfänger,
einen Analog-zu-Digital-Wandler
und einen Demodulator. Der Sender 20 umfasst einen Modulator,
einen Digital-zu-Analog-Wandler, einen IF-Sender, einen Aufwärtswandler
und einen HF-Leistungsverstärker. Das
System 20 und 21 umfasst auch lokale Oszillatoren,
Hochfrequenzoszillatoren und Phasenregelkreise (PLLs) entsprechend der
standardmäßigen Konstruktion
von Hochfrequenz-Funksende-Empfangsgeräten.
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Die
HF-Mikrowellenschaltungsanordnung 19 umfasst eine Gruppe
von HF-Schaltern, die nachstehend mit Bezug auf 3 beschrieben
werden. Die Mikrowellenschaltungsanordnung wird von den Steuersignalen
aktiviert, die von der zentralen Recheneinheit 22 angelegt
werden. Die Steuersignale schalten Datenpakete zu einer der Vielzahl
von HF-Zuführungen,
wie etwa den Zuführungen 16, 17 oder 18,
wobei nun das vom Sender 20 erzeugte Hochfrequenzsignal
moduliert wird. Die Zuführungen
können
standardmäßige Mikrowellenhörner sein.
Diese Zuführungen
richten das HF-Signal
zum Brennpunkt der HF-Linse 11. Die Linse 11 ist bevorzugt
eine Lüneberglinse
der Art, die in der US-Patentschrift 4,309,710
dargestellt ist. Auf der Basis synchroner Steuerungseingaben von
der zentralen Recheneinheit 22 routen die schnellen Mikrowellenschalter
Datenpakete von und zu verschiedenen Ports 16, 17, 18 und
anderen. Die Zuführungen übertragen
die HF-Frequenzen zu den Brennpunkten um die Linse 11.
Die Linse 11 richtet Strahlen parallel, zum Beispiel von
der Zuführung 17,
zu dem oder den Fernknoten, die sich in Richtung 12 befinden,
oder von der Zuführung 16 in
die Richtung 13.
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Dieselben
Zuführungen
können
auch als Empfangsports für
HF-Mikrowellenenergie
dienen, die von verschiedenen Antennen eintrifft. Zum Beispiel wird
der HF-Strahl vom Fernknoten in Richtung 14 auf den Zuführungsport 18 fokussiert
und gleichzeitig von der Schaltungsanordnung 19 zum Empfänger 21 geschaltet.
Somit werden eine einzige Linse und eine Schaltergruppenanordnungsstruktur
sowohl zum Senden als auch zum Empfangen von Datenpaketen verwendet,
womit die Größe der Sende-Empfangsantenne
bei gleichzeitiger Erhöhung
des Sichtfeldes minimiert wird. In einem Zeitduplexmodus (TDD-Modus)
wird dieselbe Schaltungsanordnung 19 für die Sende- und Empfangsfunktion
verwendet, wodurch die Kosten des Sende-Empfangsgeräts reduziert
werden und eine bessere Übereinstimmung des
mit Datenpaketen verbundenen Burst-Flusses in Bezug auf die Ausgabe- und
Eingabebandbreite des Sende-Empfangsgeräts ermöglicht wird.
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Die
HF-Linse 11 weist eine Antennenkuppel 15 auf,
die dafür
ausgelegt ist, das HF-Linsenmaterial gegen die Ansammlung von Schmutz,
Eis und Regen direkt auf der Linsenoberfläche zu schützen. Ein Kühlkörper 24 leitet Wärme ab,
die von dem Sende-Empfangsgerät
und der Elektronik des Routers erzeugt wird.
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Die
Mikrowellenlinse 11 fokussiert Mikrowellenstrahlen aus
verschiedenen Richtungen, z.B. aus den Richtungen 12, 13 und 14,
in die Mikrowellenzuführungen,
z.B. die Zuführungen 17, 16 bzw. 18,
die um den Umfang der Linse angeordnet sind, um ein großes Sichtfeld
abzudecken, das sich über
mehr als 120 Grad erstrecken kann. Die Fokussierung der HF-Energie erfolgt mittels
Dielektrikumschichten mit abgestuftem Index, die eine um die andere
zentriert sind, wobei sich die Schichten mit hohem Brechungsindex
in der Mitte befinden. Der Brechungsindex nimmt mit zunehmendem
Durchmesser der Linse ab. Der Brechungsindex basiert auf dem Lüneberg-Ausdruck,
in dem der Brechungsindex einer sphärischen Linse ideale Bildgebungseigenschaften
hat.
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Die
HF-Brechungsindexverteilung n(r) einer Lüneberg-Linse erstreckt sich über einen
endlichen Radius r und ist mit: n(r) = (2 – r2/a2)1/2,
für r < 1 (Gleichung (1) n(r) = 1, für r > 1 oder r = 1 (Gleichung (2)gegeben,
wobei r der Abstand vom Mittelpunkt der Sphäre (oder des Zylinders) und
a der Radius der Sphäre
(oder des Zylinders) ist.
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Lüneberglinsen
verwenden eine sphärische Symmetrie
und weisen maximale Konzentration an Brennpunkten nahe der sphärischen
oder zylindrischen Oberfläche
für Strahlen
auf, die aus verschiedenen Richtungen eintreffen.
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Wegen
der größeren Wellenlänge von
Mikrowellenhochfrequenzen, für
gewöhnlich
viele Millimeter, sind die Linsen für gewöhnlich durch die Bildung mehrerer
dielektrischer sphärischer
Hüllen
realisiert, die für
gewöhnlich
aus Halbhüllen
bestehen, welche ineinander eingesetzt sind und aus verschiedenen Stufen
von Brechungsindizes bestehen.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
ist auch eine zylindrische Linse beschrieben, um eine asymmetrische strahlbildende
Vorrichtung zu erreichen. Diese zylindrische Linse ist auch in 2 dargestellt. Die
zylindrische Mehrschichtmikrowellenlinse mit abgestuftem Index besteht
aus mehreren, ineinander gesetzten, zylindrischen Röhren mit
unterschiedlichem Durchmesser, wobei sich der abgestufte Index mit
zunehmendem Schichtdurchmesser verringert. Der Kern ist ein zylindrischer
Stab mit dem höchsten Brechungsindex,
der sich n(r ~ 0) ~ (2)1/2 nähert.
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Die
Umsetzung der eindimensionalen zylindrischen Mikrowellenlinse 31 der
vorliegenden Erfindung ist einfach und kostengünstig herzustellen. Das zylindrische
Design der 2 ermöglicht die Parallelrichtung
der divergierenden Zuführungsenergie
vom Zuführungsport 33 in
eine Divergenz, die auf der Variierung des abgestuften Index der
Linse gegenüber der
radialen Abmessung a des Zylinders in Gleichung (1) basiert. Die
Verwendung von zylindrischen Mehrschichtelementen zum Bilden der
Linse 31 ermöglicht
die Konstruktion von in hoher Stückzahl
hergestellten Linsen, indem lange Röhren mit verschiedenen Brechungsindizes
hergestellt werden (z.B. etwa 10 verschiedene Arten von Röhren), indem
sie ineinander eingelegt werden und dann der Zylinder auf die richtige
Längenabmessung
beschnitten wird, um Mehrfachlinsen zu erzeugen. Die Länge der
zylindrischen Linse wird von der Größe der Zuführungsöffnung bestimmt und wird mit
der vertikalen Beugung des Strahls innerhalb der zylindrischen Linse
kompatibel gemacht.
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In
der zylindrischen Konstruktion der Anordnung der 2 ist
die vertikale Öffnung
von der vertikalen Öffnung
des Horns bestimmt, die die Beugung des vertikalen Strahls 32 von
der Zuführung
aus der Quelle 33 an der länglichen Brennebene entlang
der zylindrischen Oberfläche
und parallel zur Linsenachse bestimmt. Es besteht eine gewisse Freiheit,
auf der Grundlage der Anwendungen und des Knotenabdeckungswinkels
eine andere Strahldivergenz für
die horizontale und vertikale Ebene zu konstruieren.
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Im
Falle einer sphärischen
Linsenkonstruktion wird eine ähnliche
Strahldivergenz für
die horizontale und vertikale Dimension gebildet. Der Ausgabeport
kann durch eine Wellenleiterzuführungs-
oder eine Patch-Zuführungskonstruktion
realisiert werden. Es können
andere Techniken wie etwa ausgestellte Wellenleiter verwendet werden,
um Strahlverstärkungsvariierung
in verschiedenen Ebenen zu bilden.
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In 2 speist
das Horn 33 die zylindrische Linse mit abgestuftem Index 31.
Mehrere Hörner
befinden sich in einem Sektor um den Zylinder, wie in 1 dargestellt.
Die Divergenz des Strahls in der vertikalen Ebene wird durch die
Steuerung der Strahlausdehnung vom Zuführungsport 33 mit
Hilfe des Horns 32 verringert, das den HF-Strahl nur in eine
Dimension, entlang der zylindrischen Achse der Antenne, ausdehnt.
Das Horn führt
von der Schaltergruppenanordnung zur Brennoberfläche der Linse 34.
Das Horn 32 hat eine horizontale Abmessung, die kleiner
als etwa die Größe von ~1/2
der HF-Wellenlänge
gehalten ist, wodurch der horizontale ausgesendet Strahl von der
Struktur der zylindrischen Linse mit abgestuftem Index ausgedehnt
und parallel gerichtet werden kann. Die schmale horizontale Abmessung
des Horns ermöglicht
die Positionierung mehrerer Hörner
nebeneinander, um eine hohe Auflösung
in der Vermittlungsebene zu erzielen. Die vertikale Divergenz 35 beträgt für gewöhnlich weniger als
7,5 Grad und kann auf der Grundlage der benötigten Verstärkung für jeden
Strahl in der horizontalen Ebene 36, d.h. der Schaltungs-/Führungsebene,
auf eine andere Größe ausgelegt
werden. Wie ersichtlich ist, weist die Linse 31 eine Variierung
in den Schichten mit abgestuftem Index auf. Die Linse 31 hat
eine Ausgabeöffnung 37,
die teilweise von der Vielzahl der Zuführungsports gemeinsam verwendet
wird. Der Zuführungsport 33 weist
einen polarisierten Eingabestrahl 38 auf, wobei E die Feldpolarisation
ist, der von der Schalteranordnung kommt und zum Horn 32 der
Zuführungsports
verläuft.
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Ein
Vorteil einer zylindrischen Konstruktion für die Linse besteht in Zuführungsports
mit einer schmalen Öffnung
in der horizontalen Ebene, d.h. in der Vermittlungsebene, wodurch
die gemeinsame Anordnung mehrerer Zuführungsports um die Linsenperipherie
ermöglicht
und damit die Auflösung und
Verstärkung
der Vielzahl der Strahlen erhöht wird.
Die Vielzahl schmaler Strahlen, jeder mit schmaler Divergenz und
höherer
Verstärkung
(hoher räumlicher
Auflösung)
in der Vermittlungsebene, ermöglicht
die mehrfache Verwendung derselben Frequenz in demselben Linsenabdeckungsgebiet
und ermöglicht
auch eine erhöhte
Bitrate in jeder Richtung aufgrund höherer Auflösung in dem angepeilten schmaleren
Sektor.
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Die
HF-Strahlpolarisation wird von der Ausrichtung und den Abmessungen
der Konstruktion der Trichterwellenleiterzuführungen oder alternativ von der
Konstruktion der Patchantennenzuführung bestimmt. Die Anordnung
der Linse mit abgestuftem Index kann in Fällen, in denen die Systemauslegung das
Senden in einer Polarisation und das Empfangen in der dazu senkrechten
(anderen) Polarisation verwendet, für beide Polarisationen verwendet
werden. In FDD-(Frequenzduplex-)PMP-(Punkt-zu-Mehrpunkt-)Systemen beispielsweise könnten sich
die Sendezuführungen
oberhalb oder unterhalb der Empfangszuführungen befinden, wobei dieselbe
zylindrische Linse benutzt wird. Auf diese Weise kann sowohl das
Senden als auch das Empfangen gleichzeitig bei verschiedenen Frequenzen
stattfinden. Dasselbe kann bei verschiedenen Frequenzen und verschiedenen
Polarisationen erfolgen, um die Isolierung zwischen Senden und Empfangen
weiter zu erhöhen,
während
das Senden und Empfangen gleichzeitig stattfindet. In diesen PMP-FDD-Systemen
ermöglicht
die Anordnung mit einer einzigen Linse eine hohe Auflösung in
Sektorauswahlen um den Standort der Basisstation.
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Statt
Wellenleiterstrahlzuführungen
kann auch eine Mehrfachpatchantenne verwendet werden, deren Zuführungen
HF-Energie zu einer gekrümmten
Oberfläche
richten, die sich an Brennpunkten der Linse befindet. Im Falle einer
Patchantennenzuführung
wird eine Zuführung
mit symmetrischer Abmessung für
die Zuführungen
einer sphärischen
Linse verwendet, oder für
die Zuführungen
einer zylindrischen Linse wird eine asymmetrische Konstruktion verwendet.
Bestimmte Linsenzuführungskonstruktionen
können
auch Strukturen umfassen, die Apodisierung für die Unterdrückung von
Seitenstrahlungskeulen einsetzen.
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Eine
weitere Konstruktion, die eine zylindrische Linse umfasst, kann
gleichzeitig für
Sende- und Empfangssignale verwendet werden, für gewöhnlich bei unterschiedlichen
Frequenzen. Diese Konstruktion platziert die Zuführungen des Empfängers in
einer Ebene um die Linse und die Zuführungen des Senders in einer
Ebene oberhalb oder unterhalb der Empfangszuführungen. In dieser Konstruktion
sind die Empfangszuführungen
von den Senderzuführungen
isoliert. So kann der Betrieb gleichzeitig erfolgen, entweder bei
derselben Frequenz mit unterschiedlicher Zeitsteuerung oder auf
separaten Frequenzen zur gleichen Zeit. Dies ermöglicht die Beseitigung eines
Sende- und Empfangsdiplexers in einer Frequenzduplex-(FDD-)Konstruktion oder
des T/R-(Sende-/Empfangs-)Schalters in der TDD-Konstruktion. Das
Empfangen und Senden aus verschiedenen Richtungen gleichzeitig kann
auch die Isolierung erhöhen.
In beiden Fällen
werden geringere HF-Verluste
zusammen mit einer Erhöhung
der Bandbreite erzielt.
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In 3 setzt
ein Datenpaketschalter 2 × 16 Ports
in einer Schaltergruppe ein. Verschiedene Schalteranordnungen wie etwa
2 × 4,
2 × 8,
2 × 32 verwenden
ein ähnliches
Konstruktionskonzept und können
verwendet werden. In der 2×m-Bezeichnung bestimmt
2 die Eingabe- und Ausgabeports, vom Sender und zum Empfänger, das
m bestimmt die Anzahl der Zuführungsports
zur und von der Antenne. Diese Ports entsprechen den verschiedenen
räumlichen
Schaltungsrichtungen. Ein Hauptvorteil der vorliegenden Konstruktion
eines geschalteten Datenpaketrouters ist die hohe Isolierung, die
zwischen dem Sendesignal am Sendereingabeport 41 und dem Empfängereingabeport 52 erzielt
wird. Diese Isolierung übersteigt
60 dB, typisch mehr als 75 dB. Dies ist erforderlich, um vom Senden
kurzer Datenpaket-Bursts zum Empfangen kurzer Datenpaket-Bursts
umschalten zu können,
ohne den Empfänger
zu sättigen
oder den Betriebspunkt des Leistungsverstärkers zu ändern. Diese große Isolierung wird
erreicht, indem die Schalter mit mehr als 30 dB Isolierung zwischen
jedem der Ports ausgelegt werden und 2×m (m > 1) Schalter 46, 45, 54, 55 zwischen
den Sendeschalter 40 und den Empfangsschalter 50 geschaltet
werden. Im Allgemeinen können
die Schalter 40 und 50 entweder 1×n- oder 2×n-Schalter
sein. Bei dem 2×n-Schalter
wird der zusätzliche
Port zu Testzwecken verwendet, um eine Überwachung der verschiedenen
Parameter der Datenpaketschalteranordnung mit externen Testanlagen
zu ermöglichen.
Es können
verschiedene Überwachungs-
und Testvorgänge
durchgeführt
werden, einschließlich
Routingsignalen von verschiedenen Ports zu den Sendetestports 42 und/oder
dem Empfängertestport 51.
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Wird
ein Zuführungsport
zum Empfänger
geschaltet, so wird der dazugehörige
Sendeport abgeschaltet. Somit wird die Isolierung durch die Doppelkaskadenisolierung
zwischen dem Sendeport und dem Empfangssignalpfad erreicht. Angenommen, ein
Signal vom Zuführungsport 49 wird
zum Port 48 des Schalters 46 geleitet. Das empfangene
Signal wird von Schalter 46 zur Leitung 47 geschaltet
und in den Empfangsschalter 50 gespeist, der wiederum so geschaltet wird,
dass Leitung 47 mit einem Port mit der Ausgabeleitung 52,
die zum Empfänger
führt, verbunden
wird. Der Senderport 41 wird zu dem Zeitpunkt, an dem die
Empfangspakete eintreffen, abgeschaltet. Somit ist Port 41 von
Port 44 durch mehr als 30 dB isoliert, und Port 44 wird
auch an Schalter 46 abgeschaltet, womit zusätzliche
Isolierung von mehr als 30 dB zwischen Port 44 und allen
anderen Ports am Schalter 46 hinzugefügt wird. Damit ist die Leitung 47 des
Schalters 46 von Port 41 durch mehr als 60 dB
isoliert. Dies führt
zu einer Isolierung von mehr als 60 dB zwischen dem Empfängerport 52 und
dem Senderport 41.
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Das
HF-Signal vom Sender wird über
den Eingabeport 41 in den Schalter 40 gespeist.
Gleichzeitig mit dem Eintreffen der Datenpakete im Eingabeport 41 wird
der Schalter 40 durch die Steuersignale auf Leitung 40a vorübergehend
aktiviert, wobei die Spannung an seinen internen, an Port 41 angeschlossenen
Eingabedioden geändert
wird, sowie eine der Dioden an einem der Ausgabeports. Die HF-Energie,
die die Datenpakete transportiert, wird über die geschalteten Dioden,
die die Ports bilden, zu einem der Schalter in der zweiten Schicht,
die die Antenne speist, übertragen.
Zum Beispiel schaltet die Steuerspannung die HF-Energie, die am
Eingabeport 41 eingegeben wird, zur Sendeleitung 74,
die die modulierte HF zum Schalter 46 überträgt. Das Steuerspannungssignal
wird gleichzeitig auch mit Hilfe der Steuersignale 46a an
den Schalter 46 angelegt, die HF-Energie zum Port 48 schalten,
der die Energie an den Wellenleiter 49 koppelt. Der Wellenleiter 49 wiederum
speist die Linse 61, die den Strahl in die Richtung 65 parallel
richtet. Am Ende der Dauer der Datenpakete wird die Steuerspannung
verändert,
um den HF-Pfad abzuschalten, der die Ports 48 und 44 des
Schalters 46 verbindet, sowie den HF-Pfad zwischen den
Ports 42 und 41 des Schalters 40. Während des
Empfangs von Datenpaketen über
den Port 49 aus der Richtung 65 wird eine Steuervorspannung an
die Schaltungsdioden am Port 48 und 44 des Schalters 46 angelegt,
und an die Dioden, die an die Sendeleitung 47 und den Port 52 am
Schalter 50 angeschlossen sind, wie nachstehend mit Bezug
auf 6 erläutert.
Dies ermöglicht
die Verbindung des Zuführungsports 49 mit
dem Zuführungsport 52,
der zum Empfänger
führt.
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Das
Schalten der Sendepakete in die Richtung 62 erfolgt auf ähnliche
Weise, indem die Steuersignale 40a an den Schalter 40 und
Steuersignale 55a an den Schalter 55 angelegt
werden. Die Schalteranordnung verbindet somit das Signal vom Eingabeport 41 mit
Port 57 des Schalters 55, mit dem Sendeport des
Schalters 55, und dann mit dem Port 58, der zum
Zuführungsport 59 führt.
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Um
Datenpakete aus der Richtung 62 zu empfangen, schalten
die Steuersignale 50a und 55a sowohl den Empfangsschalter 50 als
auch den Zuführungsschalter 55,
um es dem modulierten HF-Signal aus der Richtung 62 zu
ermöglichen,
vom Zuführungsport 59,
Port 58 zum Empfängerport 56 des Schalters 55 zu
gelangen und von dort zum Ausgabeempfängerport 52, der zum
HF-Empfänger
führt.
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Verschiedene
Kombinationen von Schaltungsrouten sind unter anderen mit der oben
beschriebenen Gruppe möglich.
Es besteht die Möglichkeit,
gleichzeitig in mehrere Richtungen zu senden, indem die Energie
auf mehrere Zuführungsports aufgeteilt
wird.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
verwendet eine neue 2×m-Portschalteranordnung,
die Höchstgeschwindigkeitsschalter
umfasst, welche zu Antennenzuführungsports
verbinden. Diese Art von Schalterkonstruktion mit separaten Sende-
und Empfangsports ermöglicht
neben hoher Isolierung die Erzeugung einer Schleife von HF-Signalen.
Die Schleife von HF-Signalen wird beispielsweise aktiviert, indem Port 41 auf
Port 44 in Schalter 40 geschaltet wird und Port 44 auf
Leitung 47 im Schalter 46 und Leitung 47 auf
Port 52 im Schalter 50. Dies ermöglicht die
Messung der Verluste und der Funktionstüchtigkeit der verschiedenen
Abschnitte und Elemente der Datenpaketschaltergruppe.
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In
der Konstruktion der 3 liegt der Verlust vom Zuführungsport
durch die beiden Kaskadenschalter zum Empfangsport 52 typisch
zwischen 5 und 6 dB. Der hohe Rauschwert im Ergebnis dieses hohen
Verlustes kann teilweise überwunden
werden, indem mehrere rauscharme Verstärker (LNA) in den Empfangsports
der 2×m-Schalter
hinzugefügt
werden. 4 zeigt den Einbau der LNA.
LNA 66 verstärkt
das Signal von Port 56 des Schalters 55 und führt es zum
Empfangsschalter 50. Ähnliche
LNAs sind für
andere Ports des Empfangsschalters 50 vorhanden. Ein Ausgabeport
des Schalters 46 weist den LNA 76 auf. Ein Ausgabeport
des Schalters 45 weist den LNA 75 auf. Ein Ausgabeport
des Schalters 55 weist den LNA 78 auf. Da LNAs
relativ preisgünstig sind,
ist der Vorteil ihrer Hinzufügung
beträchtlich.
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5 zeigt
den Fall, in dem eine höhere Leistung
notwendig ist. Der Schaltergruppe können Leistungsverstärker zwischen
dem Schalter 40 und den Schaltern 45, 46, 54 und 55 hinzugefügt werden. Zum
Beispiel befindet sich der Leistungsverstärker 67 zwischen den
Schaltern 40 und 55. Die Leistungsverstärker 81, 83 und 85 können die
Verluste überwinden,
die vom Schalter 40 und den Sendeleitungen davor und danach
zugefügt
werden. Die Kosten für Leistungsverstärker sind
höher als
für LNAs,
und somit sollten Leistung und Kosten gegeneinander abgewogen werden.
Wegen der großen
Nähe zu
den Leistungsverstärkern
und den LNAs, sollte ein sorgfältiges
Layout angewendet werden, um Kopplung zu vermeiden.
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Mit
Bezug auf 6 ist ein spezialangefertigter
GaAs-MMIC mit einer sternenförmigen
Anordnung von 6 Dioden 91, 92, 93, 94, 95 und 96 dargestellt,
die jeweils an eine Sendeleitung angeschlossen sind, die den HF-Ports 101, 102, 103, 104, 105 und 106 entsprechen.
Alle Dioden sind so mit Vorspannung belegt, dass sie die angeschlossene HF-Sendeleitung kurzschließen, indem
sie zu Masse leiten, wobei Vorspannung in identischer Weise an die
Ports 81–86 angelegt
wird. Wird eine Steuerspannung an die entsprechenden Ports 81, 82, 83, 84, 85 und 86 angelegt,
so wird die HF-Leitfähigkeit
der Dioden reduziert, was die Sendung des HF-Signals von dem HF-Port
zum Zentrum 100 aktiviert. Wird das Steuersignal an zwei
Dioden angelegt, z.B. an 81 und 83 gleichzeitig,
so kann ein HF-Signal von Port 101 zu Port 103 fließen und
umgekehrt. Dieser Sechs-Dioden-Schalter,
der als ein GaAs-Chip hergestellt ist, wird als ein Millimeterwellenschalter
für 20–40 GHz verwendet.
Der Schalter wird als ein 2×4-Schalter verwendet,
und jeder der 4 Ausgabeports kann geschaltet werden. Der Schalter
ist ein Teil des größeren 2×16-Schalters der bevorzugten
Ausführungsform.
Eine ähnliche
Konstruktion ist auch für
Schalter anwendbar, die bei Frequenzen über ~40 GHz und unter ~20 GHz
arbeiten.
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Indem
das Steuersignal angelegt wird, um zwei beliebige Dioden, z.B. 91 und 94, „AUS" zu schalten, wird
von einem HF-Port zu einem anderen Port, z.B. Ports 101 und 104,
ein HF-Pfad mit geringem Verlust aktiviert. Der Schalter ermöglicht,
dass eine beliebige Kombination von Dioden als Schalter agieren,
wenn die Steuersignale „AUS" sind. Bei 20 GHz
bis ~40 GHz bestehen die folgenden Leistungsmerkmale. Wenn alle
Dioden „AN" sind, so ist die
Isolierung von Port zu Port größer als
60 dB. Die Isolierung zwischen einem Port, der sich in einem Zustand „AUS" befindet, und einem
Port, der sich in einem Zustand „AN" befindet, ist größer als 30 dB. Der Schaltverlust
im Bereich ~20 GHz bis ~40 GHz beträgt etwa 1,5 dB.
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Zusammengefasst
stellt die bevorzugte Ausführungsform
einen „räumlich geschalteten
Datenpaketrouter" bereit,
der eine „HF-Schalteranordnung" mit mehreren Zuführungsports
in großer
Nähe zur „HF-Optik-Fokussierungs-
und Parallelrichtungsvorrichtung" umfasst
und den selektiven Empfang von Datenpaketen aus mehreren schmalen
Sektoren ermöglicht,
die ein großes
Sichtfeld abdecken, und das selektive Senden von Datenpaketen zu
mehreren schmalen Sektoren, die ein großes Sichtfeld abdecken, wobei
dieselbe HF-Optik-Vorrichtung und Schalteranordnung Datenpakete
in mehrere Richtungen schalten und Datenpakete aus mehreren Richtungen
empfangen, basierend auf deren Routinginformationen.
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Der
räumlich
geschaltete Datenpaketrouter wird entweder im Falle von drahtlosen
Zeitduplex-(TDD-)Systemen oder von Frequenzduplex-(FDD-)Modus verwendet
und kann in drahtlosen Netzwerken mit Netztopologie sowie in PMP-Systemen
(eine Untergruppe der Netztopologie) und in Baum- oder Zweigsystemen
realisiert werden, um den Datenfluss in demselben abgedeckten räumlichen
Bereich zu erhöhen.
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Aus
dem oben Dargelegten wird ersichtlich, dass eine Netzwerktopologie
auf der Basis des räumlich
geschalteten Routers der bevorzugten Ausführungsform realisiert werden
kann. Außerdem
kann, wenn der in der bevorzugten Ausführungsform beschriebene, räumlich geschaltete
Router in den drahtlosen Knoten verwendet wird, die drahtlose Datenpaketnetzwerke
umfassen, ein neuer Typ von Datenpaketnetzwerken realisiert werden,
in dem Daten in verschiedene Richtungen geroutet werden können, wobei
die Zeitsteuerung und die Richtungen auf den Routinginformationen
des Pakets basieren. Zum Beispiel sind einige der Netzwerktopologien,
die unterstützt
werden, folgende:
- (a) Netz. Die Netzwerkknoten
umfassen den „räumlich geschalteten
Router". Ein Netzwerkknoten
kann mit mehreren benachbarten Knoten kommunizieren. Die Knoten
verwenden TDD (Zeitduplexierung), um miteinander zu kommunizieren.
Die Knoten senden und empfangen zu verschiedenen Zeitpunkten. Die
Sende- und Empfangsintervalle können
mit derselben Frequenz oder mit unterschiedlichen Frequenzen erfolgen. In
einigen Netzwerkdesigns sind die Frequenzen zum Senden und Empfangen
festgelegt (z.B. durch staatliche Regulierungsbehörden. Die Ämter können bestimmte
Frequenzen für
bestimmte Netzwerke vergeben). Die Knoten können auch FDD (Frequenzduplexierung)
verwenden, um miteinander zu kommunizieren. Im Falle von FDD kann
ein Knoten zur selben Zeit senden und empfangen, verwendet aber
unterschiedliche Frequenzen, mit großem spektralen Abstand, um
zu vermeiden, dass das Signal vom Sender das Empfangssignal stört.
- (b) Netz von Basisstationen, wobei jede Basisstation auch als
ein Punkt-zu-Mehrpunkt-Verteilungsknoten zu Randknoten fungiert.
Diese Art eines gemischten Netzwerks umfasst zwei Arten von Knoten.
Eine erste Gruppe von Knoten sind die Hauptnetzwerkknoten, die den „räumlich geschalteten
Router" umfassen
und als „Basisstationen" arbeiten, um Datenpakete
zur und von der zweiten Gruppe von Knoten zu kommunizieren. Eine
zweite Gruppe von Knoten ist einfacher und im Stand der Technik
Standard. Diese sind Randknoten oder „Blattknoten", die den räumlich geschalteten
Router der vorliegenden Erfindung nicht umfassen. Diese Knoten haben
für gewöhnlich einen
einzigen Sektor, der von einer festen Antennenstrahlungskeule bestimmt
wird, und sind feststehend auf den Hauptnetzwerkknoten ausgerichtet.
Die Knoten der zweiten Gruppe empfangen jeweils Daten vom Hauptknoten
und legen die Daten an ihrem/n lokalen Knoten ab. Die Knoten der
zweiten Gruppe erhalten auch Daten von ihren lokalen Ports und senden
in eine feste Richtung der Hauptknoten. Erhalten sie erst Paketdatenverkehr
von Randknoten, können
die Hauptknoten der Gruppe Eins die Datenpakete vom Datenverkehr
direkt zum Netzwerk-Rückgrat über seinen
lokalen Port ablegen, die Datenpakete zu anderen Basisstationen
routen, mit denen sie über
eine Netzwerktopologie eines drahtlose Netztrunks wie in (a) oben
beschrieben kommunizieren, oder sie routen die Datenpakete zu anderen
Randknoten der zweiten Gruppe, die in einem ihrer Sektoren liegen.
Wie
beschrieben kommunizieren die einfacheren Knoten der zweiten Gruppe,
indem sie Daten aus einer bestimmten räumlichen Richtung des Hauptknotens,
der als eine Routing-Basisstation fungiert,
senden und empfangen. Jeder Knoten der Gruppe Zwei weist einen festen
Strahl auf, der für
gewöhnlich
mechanisch auf eine oder mehrere Basisstationen ausgerichtet ist.
In Fällen,
in denen der Hauptknoten keine Sichtlinie zu einem Teilnehmerrandknoten
hat, kann sich ein weiterer Hauptknoten, der den räumlich geschalteten
Router umfasst, an einer Position befinden, die eine Sichtlinie
zum Hauptknoten und dem Blattknoten hat und als ein drahtloser Wiederholer
dienen. Der Punkt-zu-Mehrpunkt-Abschnitt
des Netzwerks kann je nach der Systemauslegung und der Bestimmung
für die
Betriebsfrequenz im Betriebsgebiet entweder im TDD-Modus oder im
FDD-Modus arbeiten. Im FDD kommuniziert der Teilnehmer mit einem
Hauptknoten, d.h. einer Basisstation, indem er auf einer ersten
Frequenz sendet und Informationen auf einer zweiten Frequenz empfängt. Die
Basisstation der ersten Gruppe empfängt die erste Frequenz und
sendet auf einer zweiten Frequenz. Von jedem der Knoten der ersten
Gruppe können
Kombinationen von Frequenzen für
verschiedene Sektoren verwendet werden, womit gegenseitige Interferenz
vermieden wird und ein maximaler Datenpaketfluss in dem Netzwerk
gefördert
wird.
- (c) Punkt-zu-Mehrpunkt-Grundsystem – In diesem Fall der Netzwerktopologie
umfassen Angehörige
der ersten Gruppe von Hauptknoten den räumlich geschalteten Router
der bevorzugten Ausführungsform,
der als Basisstationen verwendet wird. Angehörige der Gruppe Zwei einfacherer Knoten
werden als Teilnehmerknoten verwendet. Die Hauptknoten kommunizieren
mit dem Rückgrat,
und die einfacheren Teilnehmerknoten kommunizieren zu und von den
Basisstationen zu den lokalen Teilnehmern. Der räumlich geschaltete Router in
dieser Punkt-zu-Mehrpunkt-Topologie ermöglicht das adaptive Routen
von Datenpaketen auf der Grundlage von Routinginformationen des
Datenpakets von und zu verschiedenen Sektoren, die von der Antenne
des räumlich
geschalteten Routers abgedeckt werden. Die mehreren Sektoren gestatten
einen hohen Grad an Frequenzwiederverwendung und eine größere Antennenverstärkung, die
größere Entfernungen
innerhalb jedes Sektors ermöglicht.
Verschiedenen Sektoren können
verschiedene Frequenzen zugewiesen sein, basierend auf der Systemauslegung
und den Routinginformationen der Datenpakete.