Антенны сотовой связи: Базовые станции сотовой связи и их антенная часть

alexxlabРазное

Содержание

Базовые станции сотовой связи и их антенная часть

И вновь немного общеобразовательного материала. На этот раз речь пойдет о базовых станциях. Рассмотрим различные технические моменты по их размещению, конструкции и дальности действия, а также заглянем внутрь самого антенного блока.

 

Базовые станции. Общие сведения

Так выглядят антенны сотовой связи, установленные на крышах зданий. Эти антенны являются элементом базовой станции (БС), а конкретно – устройством для приема и передачи радиосигнала от одного абонента к другому, и далее через усилитель к контроллеру базовой станции и другим устройствам. Являясь наиболее заметной частью БС, они устанавливаются на антенных мачтах, крышах жилых и производственных зданий и даже дымовых трубах. Сегодня можно встретить и более экзотические варианты их установки, в России их уже устанавливают на столбах освещения, а в Египте их даже «маскируют» под пальмы.

Подключение базовой станции к  сети оператора связи может производиться по радиорелейной связи, поэтому рядом с «прямоугольными» антеннами блоками БС можно увидеть радиорелейную тарелку:

С переходом на более современные стандарты четвертого и пятого поколений, для удовлетворения их требований подключать станции нужно будет исключительно по волоконной оптике. В современных конструкциях БС оптоволокно становится неотъемлемой средой передачи информации даже между узлами и блоками самой БС. К примеру, на рисунке ниже показано устройство современной базовой станции, где оптоволоконный кабель используется для передачи данных от RRU (выносные управляемые модули) антенны до самой базовой станции (показано оранжевой линией).

Оборудование базовой станции располагается в нежилых помещениях здания, либо устанавливается в специализированные контейнеры (закрепленные на стенах или столбах), ведь современное оборудования выполняется довольно компактно и может запросто поместиться в системный блок серверного компьютера. Часто радиомодуль устанавливают рядом с антенным блоком, это позволяет уменьшить потери и рассеивание передаваемой в антенну мощности. Так выглядят три установленных радиомодуля оборудования базовой станции Flexi Multiradio, закрепленные прямо на мачте:

 

Зона обслуживания базовых станций

Для начала следует отметить, что бывают различные типы базовых станций: макро, микро, пико и фемтосоты. Начнем с малого. И, если кратко, то фемтосота не является базовой станцией. Это, скорее, Access Point (точка доступа). Данное оборудование изначально ориентируется на домашнего или офисного пользователя и владельцем такого оборудования является частное или юр. лицо, не относящееся к оператору. Главное отличие такого оборудования заключается в том, что оно имеет полностью автоматическую конфигурацию, начиная от оценки радиопараметров и заканчивая подключением к сети оператора. Фемтосота имеет габариты домашнего роутера:

Пикосота – это БС малой мощности, принадлежащая оператору и использующая в качестве транспортной сети IP/Ethernet. Обычно устанавливается в местах возможной локальной концентрации пользователей. Устройство по размерам сравнимо с небольшим ноутбуком:

Микросота – это приближенный вариант реализации базовой станции в компактном виде, очень распространено в сетях операторов. От «большой» базовой станции ее отличает урезанная емкость поддерживаемых абонентом и меньшая излучающая мощность. Масса, как правило, до 50 кг и радиус радиопокрытия — до 5 км. Такое решение используется там, где не нужны высокие емкости и мощности сети, или нет возможности установить большую станцию:

И наконец, макросота – стандартная базовая станция, на базе которой строятся мобильные сети. Она характеризуется мощностями порядка 50 W и радиусом покрытия до 100 км (в пределе). Масса стойки может достигать 300 кг.

Зона покрытия каждой БС зависит от высоты подвеса антенной секции, от рельефа местности и количества препятствий на пути до абонента. При установке базовой станции далеко не всегда на первый план выносится радиус покрытия. По мере роста абонентской базы может не хватить максимальной пропускной способности БС, в этом случае на экране телефона появляется сообщение «сеть занята». Тогда оператор со временем на этой территории может сознательно уменьшить радиус действия базовой станции и установить несколько дополнительных станций в местах наибольшей нагрузки.

Когда нужно увеличить емкость сети и снизить нагрузку на отдельные базовые станции, тогда и приходят на помощь микросоты. В условиях мегаполиса зона радиопокрытия одной микросоты может составлять всего 500 метров.

В условиях города, как ни странно, встречаются такие места, где оператору нужно локально подключить участок с большим количеством трафика (районы станций метро, крупные центральные улицы и др.). В этом случае применяются маломощные микросоты и пикосоты, антенные блоки которых можно располагать на низких зданиях и на столбах уличного освещения. Когда возникает вопрос организации качественного радиопокрытия внутри закрытых зданий (торговые и бизнес центры, гипермаркеты и др.) тогда на помощь приходят пикосотовые базовые станции.

За пределами городов на первый план выходит дальность работы отдельных базовых станций, так установка каждой базовой станции в удалении от города становится все более дорогостоящим предприятием в связи с необходимостью построения линий электропередач, дорог и вышек в сложных климатических и технологических условиях. Для увеличения зоны покрытия желательно устанавливать БС на более высоких мачтах, использовать направленные секторные излучатели, и более низкие частоты, менее подверженные затуханию.

Так, например, в диапазоне 1800 МГц дальность действия БС не превышает 6-7 километров, а в случае использования 900–мегагерцового диапазона зона покрытия может достигать 32 километров, при прочих равных условиях.

 

Антенны базовых станций. Заглянем внутрь

В сотовой связи чаще всего используют секторные панельные антенны, которые имеют диаграмму направленности шириной в 120, 90, 60 и 30 градусов. Соответственно для организации связи во всех направлениях (от 0 до 360) может потребоваться 3 (ширина ДН 120 градусов) либо 6 (ширина ДН 60 градусов) антенных блоков. Пример организации равномерного покрытия во всех направлениях показан на рисунке ниже:

А ниже вид типовых диаграмм направленности в логарифмическом масштабе.

Большинство антенн базовых станций широкополосные, позволяющие работать в одном, двух или трех диапазонах частот. Начиная с сетей UMTS, в отличие от GSM, антенны базовых станций умеют изменять площадь радиопокрытия в зависимости от нагрузки на сеть. Один из самых эффективных методов управления излучаемой мощностью – это управление углом наклона антенны, таким способом изменяется площадь облучения диаграммы направленности.

Антенны могут иметь фиксированный угол наклона, либо имеют возможность дистанционной регулировки с помощью специального программного обеспечения, располагаемого в блоке управления БС, и встроенных фазовращателей. Существуют также решения, позволяющие изменять зону обслуживания, от общей системы управления сети передачи данных. Таким образом, можно регулировать зону обслуживания всего сектора базовой станции. 

В антеннах базовых станций применяется как механическое управление диаграммой, так и электрическое. Механическое управление проще реализуется, но часто приводит к искажению формы диаграммы направленности из-за влияния конструктивных частей. Большинство антенн БС имеет систему электрической регулировки угла наклона.

Современный антенный блок представляет собой группу излучающих элементов антенной решетки. Расстояние между элементами решетки выбирается таким образом, чтобы получить наименьший уровень боковых лепестков диаграммы направленности. Наиболее часто встречаются длины панельных антенн от 0,7 до 2,6 метров (для многодиапазонных антенных панелей). Коэффициент усиления варьируется от 12 до 20 dBi.

На рисунке ниже (слева) представлена конструкция одной из наиболее распространенных (но уже устаревающих) антенных панелей. 

Здесь излучатели антенной панели представляют собой полуволновые симметричные электрические вибраторы над проводящим экраном, расположенные под углом 45 градусов. Такая конструкция позволяет формировать диаграмму с шириной главного лепестка 65 или 90 градусов. В такой конструкции выпускаются двух- и даже трехдиапазонные антенные блоки (правда, довольно крупногабаритные). Например, трехдиапазонная антенная панель такой конструкции (900, 1800, 2100 МГц) отличается от однодиапазонной, примерно в два раза большим размером и массой, что, конечно же, затрудняет ее обслуживание.

Альтернативная технология изготовления таких антенн предполагает выполнение полосковых антенных излучателей (металлические пластины квадратной формы), на рисунке выше справа.

А вот еще один вариант, когда в качестве излучателя используются полуволновые щелевые магнитные вибраторы. Линия питания, щели и экран выполняются на одной печатной плате с двухсторонним фольгированным стеклотекстолитом:

С учетом современных реалий развития беспроводных технологий, базовые станции должны поддерживать работу 2G, 3G и LTE сетей. И если блоки управления базовых станций сетей разных поколений удается вместить в один коммутационный шкаф без увеличения габаритного размера, то с антенной частью возникают значительные трудности.

Например, в многодиапазонных антенных панелях количество коаксиальных соединительных линий достигает 100 метров! Столь значительная длина кабеля и количество паяных соединений неизбежно приводит к потерям в линиях и снижению коэффициента усиления:

С целью снижения электрических потерь и уменьшения точек пайки часто делают микрополосковые линии, это позволяет выполнить диполи и систему запитки всей антенны по единой печатной технологии. Данная технологиях проста в производстве и обеспечивает высокую повторяемость характеристик антенны при ее серийном выпуске.

 

Многодиапазонные антенны

С развитием сетей связи третьего и четвертого поколений требуется модернизация антенной части как базовых станций, так и сотовых телефонов. Антенны должны работать в новых дополнительных диапазонах, превышающих 2.2 ГГц. Более того, работа в двух и даже трех диапазонах должна производиться одновременно. Вследствие этого антенная часть включает в себя довольно сложные электромеханические схемы, которые должны обеспечивать должное функционирование в сложных климатических условиях.

В качестве примера рассмотрим конструкцию излучателей двухдиапазонной антенны базовой станции сотовой связи Powerwave, работающей в диапазонах 824-960, МГц и 1710-2170, МГц. Ее внешний вид показан на рисунке ниже:

Этот двухдиапазонный облучатель состоит из двух металлических пластин. Та, что большего размера работает в нижнем диапазоне 900 МГц, над ней расположена пластина с щелевым излучателем меньшего размера. Обе антенны возбуждаются щелевыми излучателями и таким образом имеют единую линию запитки.

Если в качестве излучателей используются дипольные антенны, то необходимо ставить отдельный диполь для каждого диапазона волн. Отдельные диполи должны иметь свою линию запитки, что, конечно же, снижает общую надежность системы и увеличивает энергопотребление. Примером такой конструкции является антенна Kathrein для того же диапазона частот, что и рассмотренная выше:

Таким образом, диполи для нижнего диапазона частот находятся как бы внутри диполей верхнего диапазона.

Для реализации трех- (и более) диапазонного режимов работы наибольшей технологичностью обладают печатные многослойные антенны. В таких антеннах каждый новый слой работает в довольно узком диапазоне частот. Такая «многоэтажная» конструкция изготавливается из печатных антенн с индивидуальными излучателями, каждая антенна настраивается на отдельные частоты рабочего диапазона. Конструкция поясняется рисунком ниже:

 

Как и в любых других многоэлементных антеннах в такой конструкции происходит взаимодействие элементов, работающих в разных диапазонах частот. Само собой это взаимодействие оказывает влияние на направленность и согласование антенн, но данное взаимодействие может быть устранено методами, применяемыми в ФАР (фазированных антенных решетках). Например, одним из наиболее эффективных методов является изменение конструктивных параметров элементов путем смещения возбуждающего устройства, а также изменение размеров самого облучателя и толщины разделительного диэлектрического слоя.

Важным моментом является то, что все современные беспроводные технологии широкополосные, и ширина полосы рабочих частот составляет не менее 0,2 ГГц. Широкой рабочей полосой частот обладают антенны на основе взаимодополняющих структур, типичным примером которых являются антенны типа «bow-tie» (бабочка). Согласование такой антенны с линией передачи осуществляется подбором точки возбуждения и оптимизацией ее конфигурации. Чтобы расширить полосу рабочих частот по согласованию «бабочку» дополняют входным сопротивлением емкостного характера.

Моделирование и расчет подобных антенн производят в специализированных программных пакетах САПР. Современные программы позволяют моделировать антенну в полупрозрачном корпусе при наличии влияния различных конструктивных элементов антенной системы и позволяют тем самым произвести достаточно точный инженерный анализ.

Проектирование многодиапазонной антенны производят поэтапно. Сначала рассчитывают и проектируют микрополосковую печатную антенну с широкой полосой пропускания для каждого рабочего диапазона частот отдельно. Далее печатные антенны разных диапазонов совмещают (наложением друг на друга) и рассматривают их совместную работу, устраняя по возможности причины взаимного влияния.

Широкополосная антенна типа «бабочка» может быть удачно использована как основа для трехдиапазонной печатной антенны. На рисунке ниже изображены четыре различных варианта ее конфигурации.

    

Приведенные конструкции антенн отличаются формой реактивного элемента, который применяется для расширения рабочей полосы частот по согласованию. Каждый слой такой трехдиапазонной антенны представляет собой микрополосковый излучатель заданных геометрических размеров. Чем ниже частоты – тем больше относительный размер такого излучателя. Каждый слой печатной платы отделен от другого с помощью диэлектрика. Приведенная конструкция может работать в диапазоне GSM 1900 (1850-1990 МГц) – принимает нижний слой; WiMAX (2,5 – 2,69 ГГц)  – принимает средний слой; WiMAX (3,3 – 3,5 ГГц) – принимает верхний слой. Подобная конструкция антенной системы позволит принимать и передавать радиосигнал без использования дополнительного активного оборудования, не увеличивая тем самым габаритных размеров блока антенны.

 

И в заключении немного о вреде БС

Порой, базовые станции операторов сотовой связи устанавливают прямо на крышах жилых домов, чем конкретно деморализуют некоторых их обитателей. У хозяев квартир перестают «рожать кошки», а на голове у бабушки начинают быстрее появляться седые волосы. А тем временем, от установленной базовой станции жители этого дома электромагнитного поля почти не получают, ибо «вниз» базовая станция не излучает. Да и, к слову сказать, нормы СаНПиНа для электромагнитного излучения в РФ на порядок ниже, чем в «развитых» странах запада, и поэтому в черте города базовые станции никогда на полную мощность не работают. Тем самым, вреда от БС нет, если только вы не устраиваетесь позагорать на крыше в паре метров от них. Зачастую, с десяток точек доступа, установленных в квартирах жителей, а также микроволновые печи и сотовые телефоны (прижатые к голове) оказывают на вас намного большее воздействие, нежели базовая станция, установленная в 100 метрах за пределами здания. 

RET-моторы антенн сотовой связи. Оптимизация в радость / Хабр

Одна из важнейших задач инженера по планированию сотовой связи является оптимизация существующей сети для увеличения пропускной способности и улучшения качества обслуживания. Это включает, в первую очередь, борьбу с шумом и помехами снижающими пропускную способность на секторных антеннах. Если работа приёмопередатчика в норме, КСВ в антенно-фидерном тракте не превышает допустимого значения, отсутствует пассивная интермодуляция, а шумы и помехи не исчезают, то может помочь смена электрического угла наклона антенны. А так как подобрать сразу нужное оптимальное значение угла наклона не всегда удаётся, приходится выставлять разные значения и на основе KPI и сбора статистики основных параметров радиосигнала, искать «правильное» значение. Это требует времени, да и к тому же регулярно отправлять специалиста на базовую станцию для смены угла довольно затратно. Это можно сделать и удалённо, если на антеннах установлены RET — Remote Electrical Tilt.


«Электрика» и «механика»

Наклон антенны является важным действием, контролирующим фокус радиосвязи. Самый простой способ манипуляции с наклоном антенн — это механический, когда антенна физически устанавливается под определённым углом к горизонтальной плоскости. Как правило, в зависимости от рельефа местности, антенны на базовых станциях по умолчанию устанавливаются под углом в 90 градусов (значение угла наклона будет считаться равным 0) по отношению к земле. Механическое управление проще и дешевле реализовать, но это часто приводит к искажению формы диаграммы направленности из-за влияния конструктивных частей инфраструктуры.

Пример электрических углов, выставленных вручную. 1 — стандарт GSM900, 2 — DCS1800, 3 — шток управления электрического угла

В сотовых сетях механический наклон почти всегда фиксирован, тогда как электрический угол наклона периодически меняется. Им можно управлять с помощью дистанционных механизмов и датчиков положения, что существенно снижает эксплуатационные расходы. Удаленный электрический угол наклона обозначается аббревиатурой RET и является частью открытой спецификации Antenna Interface Standards Group — интерфейса для управления антенными устройствами.

В антеннах сотовой связи наклон электрического угла предпочтителен, чем механический, поскольку не вызывает искажения формы диаграммы направленности в горизонтальной плоскости и коэффициента усиления антенны, что позволяет обеспечивать заданную концентрацию мощности излучения по периметру зоны покрытия. Использование чисто электрического наклона без механического является привлекательным выбором также и по эстетическим причинам, когда используются встроенные антенны, антенны замаскированные под деревья или как часть конструкции здания в общественных местах и т.

д.

RET смонтированный дополнительно

RET встроенный изготовителем в саму антенну

Немного об устройстве антенн

Антенны выпускаются, как с фиксированным электрическим углом наклона, так и с возможностью его регулирования на месте или дистанционно. Для дистанционного управления, как уже говорилось, используются специальные модули (RET), подключаемые ко встроенным фазовращателям. Управление модулями осуществляется с блока управления, располагаемого на БС (редко) или от общей системы управления сетью, что позволяет динамически менять значение угла наклона в зависимости от нагрузки на конкретный сектор базовой станции.

Современный антенный блок представляет собой группу излучающих элементов антенной решетки. Расстояние между элементами решетки выбирается таким образом, чтобы получить наименьший уровень боковых лепестков диаграммы направленности. Наиболее часто встречаются длины панельных антенн от 0,7 до 2,6 метров (для многодиапазонных антенных панелей).

Коэффициент усиления варьируется от 12 до 20 dBi.

Диаграмма направленности

Принципиальное отличие антенн при организации системы регулировки электрического наклона ДН состоит в конструкции регулируемого фазовращателя. Одни производители используют линейные устройства сдвига фазы, другие поворотные.


Блок-схема секторной антенны

Например, в антеннах Powerwave регулятор представляет собой параллельные полосковые линии на единой печатной плате, над которыми перемещается пластина из диэлектрика. При перемещении пластины изменяется диэлектрическая проницаемость линии, и, следовательно, – скорость распространения волны в ней. При введении диэлектрика в линию скорость волны замедляется, что приводит к запаздыванию фазы сигнала и наоборот. Шток управления жёстко соединён с пластиной, т.к. линейное перемещение пластины из диэлектрика плавно изменяет фазу питания элементов антенны.

В антеннах Andrew используется подобная система, однако устройство состоит из отдельных полосковых линий, рассредоточенных по корпусу антенны, приводимых в действие системой рычагов.


Поворотное устройство изменения фазы антенны Kathrein

В конструкции дипольных панельных антенн часто встречаются поворотные устройства изменения фазы (например, в антеннах Kathrein). Полный диапазон регулировки угла электрического наклона ДН антенны соответствует углу поворота фазовращателя примерно на 90°. Для «растяжения» шкалы регулировки, используется сложный механический привод с системой рычагов (и даже с червячной передачей). Это усложняет конструкцию антенны, снижает механическую надёжность привода, а главное, точность установки электрического угла наклона ДН антенны.

Механический привод устройства изменения фазы антенны Kathrein

AISG

RET-контроллер отправляет команды на моторизованный привод антенны, который изменяет электрический угол наклона, регулируя фазовращатель. Различные устройства системы RET подключены к контроллеру с помощью кабелей управления. Несколько приводов могут быть объединены либо кабелями управления с их последовательным соединением, либо с помощью распределительных коробок. К базовой станции система RET подключается либо через единственный кабель управления, либо по линии передачи RF через «умные» тройники AISG. Все выпускающиеся передатчики (RRU/RSU) сотовой связи, которые и являются контроллерами RET, имеют AISG-порта для подключения RET-моторов.

Мониторинг RET

Кабели управления AISG подают данные и питание от контроллера к составным частям. Длина кабелей варьируется от 0,50 м до 100 м, каждый кабель заканчивается разъемами типа «папа» и «мама».

Привод (actuator) RET

AISG-кабели

Иногда механический и электрический наклон могут использоваться вместе для создания большего наклона луча в одном направлении, чтобы приспособиться к необычной специфике местности. И вместе они могут создавать почти бесконечные комбинации трехмерных диаграмм направленности для любой ситуации.

Но RET не единственное, чем может похвастаться стандарт AISG. Стандарт AISG 2.0 был выпущен более 10 лет назад. За это время конструкция базовых станций и устройство антенн на площадке стали более сложными. Появилась возможность для управления и использования многодиапазонной многолинейной антенной системы для нескольких базовых станций одного или разных операторов. Есть возможность менять не только электрический угол наклона, но и менять дистанционно механический угол, а также азимут направленности антенн.
В ноябре 2018 года официально был выпущен стандарт AISG 3.0. Версия AISG 3.0 также включает функции, которые уже существовали в AISG v2.0, но и расширения типа RAE (eAntenna), GLS (датчик географического местоположения) и ASD (устройство датчика выравнивания).


На правах рекламы

Наши эпичные серверы прекрасно подойдут для любых целей и представителям любых профессий. Создание VDS любой конфигурации в течение минуты, в том числе серверов для хранения большого объёма данных до 4000 ГБ.

Присоединяйтесь к нашему чату в Telegram.

Антенны Wilson Yagi для сигналов сотовой связи

Антенны Yagi для сотовой связи

Антенны Yagi фокусируют мощность передачи и приема в одном направлении. Антенны Yagi с более высоким коэффициентом усиления зависят от частоты, поэтому вам следует учитывать диапазон частот вашего телефона, поставщика услуг и / или системы усилителя в вашем конкретном районе. Yagi лучше всего использовать для фиксированных мест, таких как дома, офисы, склады, фермы и удаленные места, пытающиеся достичь удаленных сотовых узлов в определенном направлении. Они должны быть установлены как можно выше на трубе или трубе, например, используемых для наружных телевизионных антенн. Для достижения наилучших результатов рассмотрите возможность установки с максимально коротким кабелем, но размещайте Yagi там, где он получает наилучший сигнал.

Направленные антенны Yagi: High Gain . Направленный . Простота установки

Эти антенны Yagi обычно зависят от частоты (800 МГц или 1900 МГц). Вы должны согласовать частоту антенны с частотой, которую использует ваш поставщик услуг в вашем регионе. Хотя большинство операторов (и телефонов) могут использовать несколько частот, поставщик услуг обычно использует только одну из этих частот в одной конкретной области. Антенны с более высоким коэффициентом усиления 800 МГц улучшают передачу и прием сигналов для Verizon, Alltel, US Cellular, Cellular One, Cingular, Nextel, SouthernLINC, Bell Canada, Telus, Mike и всех других операторов сотовой связи и iDEN.

  • Высокое усиление
  • Направленный
  • Простота установки
  • Здания с фиксированным местоположением

Антенны Яги