Размещено на http://www.allbest.ru/

Антенны базовых станций наземных систем подвижной радиосвязи и мобильных объектов

Содержание

• Вступление
• 1. Антенны с вертикальной поляризацией
• 1.1 Секторные антенны с вертикальной поляризацией
• 1.2 Логопериодические антенны с вертикальной поляризацией
• 1.3 Всенаправленные антенны с вертикальной поляризацией
• 2. Антенны с наклонной кросс - поляризацией
• 3. Конструктивные особенности антенн БС для сетей подвижной радиосвязи
• 3.1 Антенны -RET
• 3.2 Однокорпусные трёхсекторные антенны
• 4. Основные электрические параметры антенн, декларируемые производителями
• 5. Делители мощности
• 6. Радиочастотные коаксиальные кабели
• 7. Коаксиальные разъёмы
• 8. Кабельные вставки
• 9. Грозоразрядники
• 10. Заземлители кабеля
• 11. Антенны третьего поколения "Умные антенны"
• 11.1 Этапы внедрения 3G антенн

Вступление

Ведущие мировые производители АФУ предлагают сегодня антенны БС для любых стандартов и частотных диапазонов, в том числе и для действующих в настоящее время в РФ сетей GSM900/1800/1900, UMTS, сети которого будут, как правило, базироваться на действующих сетях GSM.

Эти антенны работают как на открытом воздухе (outdoor), так и в закрытых помещениях (indoor). В зависимости от решаемой задачи по организации покрытия проектировщики сетей используют всенаправленные (omni) и секторные антенны с вертикальной поляризацией (Vpol) или с наклонной кросс-поляризацией (Xpol). Они могут быть однодиапазонные и двухдиапазонные, трехдиапазонные и широкополосные.

Несмотря на все разнообразие конкретных схем АФУ, они обязательно содержат одинаковые элементы, выполняющие определенные функции. В качестве примера на рис.1 показана одна из возможных структурных схем антенной системы базовой станции мобильной связи с указанием всех типичных АФУ. Кратко рассмотрим все составляющие указанной структурной схемы, исключая базовую станцию, которая не входит в комплекс АФУ (рис.1).

На российском рынке оборудования мобильной связи можно встретить базовые антенны многих зарубежных компаний-производителей, например: ANDREW, ANTENEX, ALLGON, CUSHCRAFT, DECIBELL, СELWAVE, TELEWAVE, HUBER&SUHNER и др. Но как показывает практика, повышенным спросом пользуются антенны известной германской компании KATHREIN. Эти антенны характеризуются высокой надежностью, механической прочностью, долговечностью (реальный срок эксплуатации антенн составляет не менее 15 лет) а также постоянством электрических характеристик в течение всего срока службы. Они успешно работают в условиях повышенной влажности, перепада температур (-55...+60о), обледенения, сильных ветровых нагрузок. Правильный выбор материалов конструкции антенн и оптимальное число внутренних соединений позволили снизить уровень интермодуляционных искажений до -150 dB.

Рис. 1 Структурная схема антенной системы: 1. Базовая станция; 2.Направленная панельная антенна; 3. Всенаправленная антенна; 4.Делитель мощности; 5. Грозоразрядник; 6. Заземлитель; 7. Главный фидер; 8. Кабельная вставка; 9. Коаксиальный разъем

Антенны KATHREIN выпускаются практически для всех перечисленных стандартов мобильной связи в двух основных модификациях: всенаправленные антенны (Omni) и направленные антенны (Panel).

1. Антенны с вертикальной поляризацией

Антенны с вертикальной поляризацией Vpol для сетей GSM поставляются в outdoor и в indoor- исполнении. Они бывают как секторные, так и всенаправленные и используются там, где организация разнесенного приема с помощью Xpol антенн менее эффективна, т.е., в основном, для организации покрытия в условиях сельской местности и в пригородах, а также внутри помещений, где разнесенный прием, как правило, не используется.

Кроме того, применение Vpol антенн может быть обусловлено спецификой организации покрытия в зонах действия радиосредств спецназначения, ограничивающих возможности использования антенн XPol. В таких случаях эффективным решением может быть использование комбинированных антенн Xpol/VPol, использующих Xpol антенну для разнесенного приема, а Vpol антенну в качестве передающей.

1.1 Секторные антенны с вертикальной поляризацией

Секторные антенны Vpol (рис. 2 и рис. 3 (А, Б)) представляют собой совокупность излучателей, расположенных в прочном радиопрозрачном герметичном корпусе

Рис.2 Директорная Vpol антенна

Корпус антенны надёжно защищает конструкцию антенны от внешней среды и механических воздействий.

Все излучатели объединены общей системой подводки к ним излучаемой мощности. Для ограничения уровня мощности, излучаемого антеннами в направлении горизонта, и обеспечения более равномерного покрытия антенны выпускают с некоторым электрическим наклоном диаграммы направленности (ДН), обеспечиваемым с помощью специального фазирования вибраторов (антенны EDT - Electrical Down Tilt).

В секторных антеннах этот наклон может обеспечиваться также механически, с помощью поставляемого дополнительно специального узла наклона. Электрический наклон ДН может быть фиксированным (устанавливаемым в заводских условиях) и регулируемым (AEDT - Adjustable Electrical Down Tilt).

В последнем случае настройка наклона ДН производится пользователем с помощью специального устройства, управляющего фазированием излучателей. Преимуществом электрического наклона перед механическим является отсутствие искажения формы ДН в горизонтальной плоскости и азимутальной зависимости угла наклона и коэффициента усиления антенны.

А) Б)

Рис.3 Директорная VVpol (двух диапазонная 1800/900 МГц) indoor (для использования внутри помещений) антенна (А) и панельная (Б) outdoor (внешняя) антенна

Секторные антенны выпускаются компаниями в широком ассортименте коэффициентов усиления (от 6,5 до 22 dBi) и значений ширины ДН в горизонтальной плоскости (65-160 градусов), для диапазонов частот от 800 до 2170 МГц, что позволяет проектировщикам формировать сети любой нужной конфигурации.

Габаритные размеры антенн варьируются в пределах от 10 см до 2,5-3 м, вес антенн может составлять от 300 грамм до 20 кг. Большим спросом пользуются легкие плоские панельные антенны, которые можно монтировать даже на стенах зданий. Максимальная подводимая мощность составляет от 350 до 1000 Вт, однако в большинстве случаев при проектировании сетей такая мощность не требуется. Обычно, подводимая к антеннам мощность составляет не более 100-150 Вт, а для антенн indoor не более 10 Вт.

1.2 Логопериодические антенны с вертикальной поляризацией

Логопериодические антенны Vpol характеризуются относительно малой шириной ДН в горизонтальной плоскости (22-65 градусов), имеют коэффициент усиления от 11-18 dBi и используются, в основном, для организации связи вдоль дорог.

Рис. 4 Вид логопериодической Vpol антенны

1.3 Всенаправленные антенны с вертикальной поляризацией

Всенаправленные антенны с вертикальной поляризацией (Vpol omni (рис. 5 (а) и рис. 5 (б))) представляют собой цепочку запитываемых синфазно полуволновых вибраторов внутри корпуса, имеющего вид трубки. Некоторые модели предлагаются с углами электрического наклона в диапазоне от 0 до 6 градусов. Антенны omni (outdoor) выпускаются как однодиапазонные для диапазонов частот 900 МГц, 1800 МГц, 1710-2170 МГц, двухдипазонные для диапазонов частот 900/1800 МГц, 900/1920-2170 МГц. В настоящее время налажен выпуск мультидиапазонных всенаправленных антенн до 60 ГГц (рис. 6). Длина всенаправленных антенн определяет их ширину ДН в вертикальной плоскости и, соответственно, коэффициент усиления, который составляет от 2 до 11 dBi для однодиапазонных антенн и 2 dBi для двухдиапазонных антенн. Уровень допустимой подводимой мощности всенаправленных антенн варьируется от 60 до 500 Вт.

Рис. 5 (а) Вид Omni (всенаправленной) антенны с вертикальной поляризацией (Vpol) и диаграммы направленности в вертикальной плоскости

Рис. 5 (б) Вид Omni (всенаправленной) антенны с вертикальной поляризацией (Vpol) и диаграммы направленности в вертикальной плоскости

Такие антенны используются операторами при необходимости организации покрытия в компактных зонах обслуживания с трафиком, локализованным вокруг БС. Это поселки, где установка секторных базовых станций экономически нецелесообразна. Другим примером использования антенн omni может быть их установка в городских условиях при организации микросот.

Антенны с вертикальной поляризацией для использования внутри зданий (Vpol indoor) выпускаются как однодиапазонные для диапазонов частот 900 МГц, 1800 МГц, 1710-2170 МГц, так и двухдиапазонные антенны для диапазонов 900/1800 МГц, 900/1710-2170 МГц, а также широкополосные, перекрывающие диапазон от 800 МГц до 2500 МГц. Они могут быть как секторные, так и всенаправленные, имеют небольшие размеры и эстетичный внешний вид (форму «шляпы») и выпускаются, как правило, в потолочном исполнении для организации покрытия внутри помещений (рис. 6).

Небольшие размеры антенн indoor определяют ширину ДН, которая может достигать 70-80 градусов в обеих плоскостях и коэффициент усиления в 5-7 dBi. Всенаправленные антенны indoor имеют коэффициент усиления 2 dBi.

Рис. 6 Мультидиапазонные Omni Vpol антенны indoor (для размещения внутри помещений)

Предлагаются также двунаправленные антенны indoor-outdoor с шириной ДН 65 градусов и формой ДН, имеющей вид «восьмерки».

2. Антенны с наклонной кросс - поляризацией

Антенны с наклонной кросс - поляризацией представляют собой, в отличие от антенн с вертикальной поляризацией со строго вертикальным расположением излучателей, совокупность излучателей, симметрично расположенных вдоль вертикальной оси антенны и наклоненных к ней под углом +/- 45 градусов (рис. 7).

Рис. 7 Вид антенны и диаграмм направленности с наклонной (Xpol) кросс - поляризацией

В одном корпусе такой антенны могут располагаться две (Xpol), четыре (XXPol), и даже шесть (XXXPol) независимых антенн. Каждая пара антенн с кросс - поляризацией обслуживает один из рабочих диапазонов - 900 МГц, 1800 МГц, или 1710-2170 МГц. Такая конструкция антенн упрощает их размещение (на крышах домов, башнях, стенах зданий), что особенно важно в условиях дефицита места, а также позволяет снизить затраты на аренду площади. Некоторые такие многодиапазонные антенны имеют встроенные фильтры, позволяющие обеспечить их работу всего через 2 разъема. Трёхдиапазонные антенны могут размещаться как в одном таки в трёх корпусах (рис. 8).

Рис. 8 Трёхдиапазонная антенна

Симметричное расположение систем излучателей относительно оси антенны гарантирует симметричность и идентичность ДН в горизонтальной плоскости. Очень важно, что ДН полностью ортогональны друг другу, а требуемая поляризационная развязка между двумя антеннами и коэффициент кросс - поляризации сохраняются в заданном секторе азимутальных углов и обеспечивают условия для эффективного разнесенного приема. Однодиапазонные антенны с кросс-поляризацией выпускаются для диапазонов частот 900 МГц, 1800 МГц, 1710-2170 МГц, Ширина ДН в горизонтальной плоскости составляет у них 65 и 90 градусов, коэффициент усиления колеблется от 5 до 22 dBi. Двухдиапазонные антенны XXPol выпускаются для диапазонов частот 900/1800 МГц, 900/1710-2170 МГц, 1710-2170/1710-2170, их коэффициент усиления составляет от 12 до 19 dBi.

Строенные антенны XXXPol (900/1710-2170/1710-2170 МГц) предполагают их совместное использование в сетях GSM900/1800 и UMTS. Группа излучателей, обеспечивающая работу антенны в сетях UMTS, имеет. как правило, более высокий, по сравнению с антеннами GSM, коэффициент усиления (18-22 dBi) и, соответственно, более узкую ДН в вертикальной плоскости для компенсации высоких потерь при распространении сигналов UMTS. Трехдиапазонные антенны, работающие сразу в нескольких диапазонах, имеют независимые системы электрической регулировки угла наклона ДН для каждого из диапазонов, что обеспечивает необходимую гибкость при оптимизации сетей.

3. Конструктивные особенности антенн БС для сетей подвижной радиосвязи

Конструкция антенн БС играет исключительно важную роль в обеспечении стабильности основных электрических параметров антенн при их эксплуатации в сложных климатических условиях. Используемые компаниями современные прецизионные технологии изготовления элементов антенн (рефлекторов, системы излучателей и схем их запитки, корпуса антенны) и способов их соединения (минимизация числа внутренних соединений), позволяют обеспечить высокую повторяемость параметров в условиях серийного производства.

Для обеспечения физического угла наклона антенное оборудование комплектуется специальными узлами наклона антенн (рис. 9).

При производстве антенн одни компании (Kathrein) предпочитают, в основном, традиционную дипольную конструкцию излучателей (в качестве излучателей используются диполи из металлических проводников - латунь, алюминий) и кабельную схему подводки мощности с помощью отрезков полужесткого кабеля. Компания LGP Allgon использует в ряде антенн также щелевые (печатные) излучатели, мощность к которым подводится с помощью микрополосковых линий. Это позволяет, по заявлению производителей, уменьшить потери, увеличить коэффициент усиления антенны, упрощает процесс изготовления и обеспечивает более высокую воспроизводимость электрических параметров при серийном производстве антенн. Как видно, и та и другая технологии имеют определенные преимущества, которые компании используют при совершенствовании конструкции антенн.

Рис. 9 Узел наклона антенны в сборе с антенной

Среди новых конструктивных решений можно отметить выпускаемые в последние годы модели антенн с асимметричной ДН. В этих антеннах, для уменьшения паразитного излучения в горизонтальном направлении, четко выражен провал между 1-м верхним боковым и главным лепестками ДН, а также сглажены провалы нижних боковых лепестков с целью обеспечения лучшего покрытия непосредственно под антенной.

3.1 Антенны -RET

Антенны -RET (рис. 10) это антенны с возможностью дистанционного изменения угла электрического наклона ДН (антенны RET - Remote Electrical Down Tilt).

Рис. 10 Внешний вид приставки RET к антенному комплексу (антенне) и структурная схема его подключения

Такие антенны имеют специальный блок дистанционного управления с высокоточным шаговым электродвигателем, соединенным с приводом, управляющим установленными в корпусе антенны фазовращателями, что позволяет подстраивать электрический наклон ДН без выезда специалистов на место установки антенны. Антенны RET будут особенно востребованы при развертывании сетей GSM/UMTS, где организация совместной работы двух стандартов становится возможной только с помощью ручной подстройки углов электрического наклона.

3.2 Однокорпусные трёхсекторные антенны

Однокорпусные трёхсекторные антенны предназначены для минимизации расходов по установке антенного оборудования и простоты её монтажа в случае, когда оператору нет необходимости в уникальной ориентации каждого сектора. Это необходимо в том случае, когда оператору сотовой связи необходимо сплошное плотное радиопокрытие без, так называемых, «просветов» (рис. 11 (А) и (Б)). Предусмотренная предварительная установка азимутов излучения - через 120 градусов. То есть 0, 120 и 240 градусов соответсвенно.

Рис. 11 А) Внешний вид однокорпусной трёхсекторной антенны и азимуты её излучения

Рис. 11 Б) Структура однокорпусной трехсекторной антенны

4. Основные электрические параметры антенн, декларируемые производителями

Основными электрическими параметрами являются: частотный диапазон, ширина диаграмм направленности (ДН) в горизонтальной и вертикальной плоскостях, коэффициент усиления (КУ) антенны, угол электрического наклона главного лепестка ДН. А также: максимально допустимая входная мощность, коэффициент стоячей волны (КСВ), коэффициент развязки по поляризации. К основным параметрам следует отнести также: коэффициент подавления 1-го верхнего бокового лепестка (1-st upper side lobe suppression), отношение значений ДН в направлениях «вперед-назад» (front-to-back), коэффициент заполнения провала между основным лепестком и 1-м нижним боковым лепестком (null fill), коэффициент развязки между входами, коэффициент кросс - поляризации.

Значения параметров взяты из каталогов компаний Kathrein, LGP Allgon AB, RFS Celwave, Andrew-Decibel и охватывают диапазон между минимальным и максимальным значениями каждого из параметров.

Технические параметры антенн трех наиболее распространённых в России производителей достаточно близки, что свидетельствует о высоком уровне производства, не позволяющем отдать однозначное предпочтение той или иной технологии.

5. Делители мощности

Делители мощности предназначены для распределения мощности между несколькими антеннами (в сложных антенных системах) для создания диаграмм направленности требуемой формы в зависимости от поставленной задачи.

Они могут быть также использованы для формирования разветвленных кабельных сетей как внутри, так и вне помещений. Компания KATHREIN предлагает модели делителей на все требуемые частотные диапазоны, на уровни подводимой мощности от 100 до 1000 Вт. Делители выпускаются с равным делением на 2/3/4 канала (splitter) и неравным делением на 2 канала (tapper) с потерями на деление 6/10/15 dB. Коаксиальная конструкция делителей и совершенная технология производства обеспечивают уровень собственных потерь не более 0,05 dB, а герметичный корпус позволяет использовать их в сложных погодных условиях при температурах +55...-60оС (рис. 12).

Рис. 12 Разновидности делителей мощности

Оптимальная форма и малые габариты делителей обеспечивают легкий монтаж и подключение.

6. Радиочастотные коаксиальные кабели

Ни одна система подвижной связи не может обойтись без коаксиального кабеля. Российским операторам мобильной связи известна кабельная продукция ряда зарубежных производителей, например: ANDREW, EUPEN, RFS, NK Cables.

По своим электрофизическим свойствам, техническим характеристикам и геометрическим размерам кабели указанных производителей практически одинаковы. Поэтому решающим факторами при выборе того или иного производителя являются, как правило, сроки поставок и ценовые показатели. Кратко рассмотрим некоторые особенности радиочастотных коаксиальных кабелей на примере продукции финской компании NK Cables. На рис.13 представлена гамма коаксиальных кабелей NK Cables, которую можно условно разбить на три основных группы: кабели общего применения, особо гибкие и излучающие.

Кабели общего применения (маркировка RF) обеспечивают трансляцию радиочастотного сигнала от базовой станции к антенне и обратно.

Рис.13 Коаксиальные кабели

Высота расположения антенн, величина передаваемой мощности и допустимый уровень потерь сигнала диктуют необходимый диаметр кабеля: 3/8", 1/2", 5/8", 7/8", 1 1/4", 1 5/8" и 2 1/4"(дюйма). Кабели характеризуются низким затуханием за счет использования в них вспененного полиэтилена высокой плотности (маркировка HD) и постоянством волнового сопротивления (50 Ом) в широком диапазоне частот. Стойкая к механическим воздействиям внешняя оболочка надежно защищает кабель от неблагоприятных внешних условий. Оболочка может быть изготовлена в негорючем варианте (с незначительным дымообразованием). Внутренний проводник кабеля выполнен из медного провода, трубки или алюминиевого провода, покрытого медью. Внешний проводник представляет собой медную гофрированную трубку, либо медную ленту, свернутую в спираль. Снаружи внутренний и изнутри внешний проводники покрыты тонкой полиэтиленовой пленкой, а пространство между проводниками заполнено вспененным полиэтиленом со степенью расширения до 80%. Такая многослойная конструкция дополнительно обеспечивает повышенную влагостойкость. Кабели NK Cables способны работать в диапазоне температур -60...+70оС при минимальной температуре монтажа -20оС и являются единственными, прошедшими в России тестирование при указанной предельной минусовой температуре.

Особо гибкие кабели (маркировка RFF) используются в кабельных вставках, соединяющих основной фидер с антенной, либо с активным оборудованием. Диаметр кабеля также стандартизован: 1/4", 3/8", 1/2", 7/8". В отличие от кабелей общего назначения, в данных кабелях применяется вспененный полиэтилен низкой плотности (маркировка LD), а внешний проводник выполнен из спиралевидной гофры с меньшим шагом. Такое техническое решение позволяет существенно уменьшить минимальный радиус многократного изгиба кабеля и повысить его гибкость. Некоторым недостатком особо гибких кабелей является повышенный, по сравнению с кабелями первой группы, коэффициент затухания.

Излучающие кабели с диаметрами 1/2", 7/8", 1 1/4", 1 5/8" (маркировка RFX) предназначены для организации связи в туннелях, метро, шахтах и внутри экранированных помещений. Конструктивно они представляют собой кабели общего назначения, в которых во внешнем проводнике методом фрезерования снята фаска. Образующиеся при этом отверстия излучают электромагнитную энергию перпендикулярно оси кабеля. Излучающий кабель, в зависимости от его диаметра и размера отверстий, имеет различные значения продольного затухания и поперечных потерь на излучение.

В заключение этого раздела отметим, что кабели NK Cables общего применения и особо гибкие сертифицированы в системе сертификации "Электросвязь" (сертификат соответствия №ОС/1-КБ-165).

7. Коаксиальные разъёмы

Качество мобильной связи неразрывно связано с качеством всех используемых компонентов, в том числе и таких широко распространенных, как коаксиальные разъемы. Из числа производителей разъемов на российском рынке представлены компании AMPHENOL, RFS-Cablewave, EUPEN, SPINNER, TERACOM, WISI. Наиболее популярными и применяемыми считаются разъемы производства компаний SPINNER и WISI (Германия), а также TERACOM (Швеция), общий вид которых представлен на (рис. 14), соответственно.

Рис. 14 Коаксиальные разъёмы фирмы KATHREIN

Эти компании производят практически полную гамму разъемов (типа N; 7/16 DIN и др.) на все диаметры кабелей общего применения, особо гибких и излучающих. Кроме кабельных разъемов, поставляются панельные разъемы, используемые в различной аппаратуре, а также коаксиальные адаптеры для перехода с одного типа разъема на другой. Разъемы этих компаний характеризуются низким переходным сопротивлением контактов (менее 0,001 Ом), низким уровнем интермодуляционных составляющих (-156 dB), высокой степенью согласования с кабелем (КСВН не более 1,03), многократностью использования (до 10 000 свинчиваний). Компания SPINNER по желанию заказчика поставляет также разъемы с особыми требованиями по интермодуляции на определенную частоту с предоставлением паспорта испытаний. Разъемы указанных компаний различаются по конструкции, методу сборки и установки их на кабель, а герметизация их обеспечивается различными способами. Так, герметизация разъемов закачивается внутрь разъема в пространство между внешней частью разъема и внешним проводником кабеля, WISI - компаундом, либо термоусадочной трубкой (рис. 15).

Рис. 15 Аттенюатор с компаундом и термоусадочной трубкой фирмы KATHREIN

Разъемы TERACOM не требуют специальной защиты. Кроме того, дополнительные кольца в конструкциях этих разъемов обеспечивают их работоспособность даже при повреждении оболочки кабеля. Для облегчения процесса сборки и установки разъема на кабель к каждому разъему при поставке прилагается подробная инструкция.

8. Кабельные вставки

Как известно, кабельные вставки применяются для соединения основного фидера с антенной, либо с базовой станцией. Кроме того, вставки демпфируют механические колебания, возникающие под действием погодных факторов, и тем самым снимают механическую нагрузку с разъемов на антенне, главном фидере и базовой станции. Компании SPINNER и TERACOM поставляют готовые кабельные вставки длиной 1,2 и 3 метра из особо гибкого кабеля диаметром 1/2"с любыми прямыми или угловыми разъемами на концах (рис. 16).

Рис. 16 Кабельные вставки фирмы KATHREIN

Изготовление вставок в заводских условиях позволяет обеспечить паяное соединение разъема и кабеля, что существенно повышает электрические и механические характеристики вставки, а также герметичность разъемов. В качестве примера на рис.5 показаны кабельные вставки NK Cables, а в центре рисунка крупным планом изображена конструкция соединения кабеля с разъемом. 

Как видно, наряду с паяным соединением, в разъеме присутствуют резиновые кольца, отмеченные красным цветом, дополнительно улучшающие герметичность соединения. Кабельные вставки указанных производителей отличаются низким уровнем потерь на отражение и интермодуляции. По желанию заказчика могут быть изготовлены вставки требуемой длины, в том числе и из кабелей общего применения нужного диаметра.

9. Грозоразрядники

Грозоразрядники (рис. 17) необходимы для защиты активного оборудования от разряда молнии. Российским операторам хорошо известны устройства грозозащиты таких компаний, как POLYPHASER, TERACOM и SPINNER. Варианты разрядников этих компаний показаны на рис.6а-в и существенно различаются как по конструкции, так и по принципу действия. Так, в разряднике POLYPHASER установлены диодные вставки, закорачивающие линию при определенных значениях наведенного напряжения.

Рис. 17 Грозоразрядник фирмы KATHREIN

Принцип действия разрядника основан на использовании шунтирующего по постоянному току отрезка коаксиальной линии в четверть длины рабочей волны. Разрядники SPINNER представлены в двух модификациях. Первая имеет отрезок шунтирующей линии, а вторая содержит газовую капсулу с инертным газом, который ионизируется под действием импульса высокого напряжения. Все указанные типы разрядников имеют ряд моделей, отличающихся рабочим диапазоном частот, уровнем пропускаемой мощности, предельными величинами пробивного напряжения и тока разряда. Разрядники имеют низкие собственные потери (менее 0,2 dB) и широкий диапазон рабочих температур (-40...+50оС). Они обладают постоянством эксплуатационных характеристик в заданном частотном диапазоне, имеют прочный герметичный корпус, обеспечивающий защиту от влияния внешней среды, сохраняют работоспособность при многократном воздействии грозовых разрядов (рис. 18).

Рис. 18 Грозоразрядник "DC Stop" 800-2170 МГц

Кроме указанных типов, на практике применяются также разрядники с раздельными цепями по высокой частоте и постоянному току, которые используются в случае дистанционного управления питанием активного оборудования по центральному проводнику коаксиала.

10. Заземлители кабеля

антенна вертикальный поляризация базовый

Заземлитель применяется для снятия наведенного статического потенциала с внешнего проводника кабеля, а также для обеспечения эффективной работы грозоразрядника, конструкция которого не предусматривает наличие отдельного заземляющего проводника.

Рис. 19 Заземлитель

Именно тандем: заземлитель - грозоразрядник наиболее эффективно защищает базовое оборудование от электрических разрядов и статики. Наибольшую популярность на российском рынке приобрели заземлители компаний TERACOM (Рис. 19) и МTS.

Заземлители выпускаются на все диаметры кабелей. Они характеризуются высокой надежностью, легкостью установки, возможностью повторного использования, не нуждаются в дополнительной защите от атмосферных воздействий.

11. Антенны третьего поколения "Умные антенны"

В обычной сотовой системе связь между базовой станцией (БС) и находящейся в соте подвижными станциями (ПС) устанавливается при посредстве ненаправленной или секторной антенны. Типовые секторные антенны излучают и принимают сигналы в секторе 180, 120 или 60°. Большая часть энергии, излучаемой антенной базовой станции, тратится впустую, поскольку в данный момент времени подвижные станции находится в строго определенных местах. Если бы сигнал, предназначенный конкретной ПС, посылался только в ее направлении, а угол излучения уточнялся и изменялся в соответствии с перемещением подвижной станции, то это позволило бы сэкономить много энергии. Экономию энергии можно выразить через возрастание отношения сигнал/шум при передаче данных между подвижной и базовой станциями или увеличение зоны радиопокрытия базовой станции. Сильная направленность антенны также ограничивает эффект многолучевого распространения, поскольку исключает наиболее длинные пути прохождения сигнала, получаемые при отражении его от препятствий, расположенных на больших углах от нужного направления.

В настоящее время во всем мире ведутся активные работы по созданию так называемых умных антенн (Smart-antennas) для сетей сотовой связи. Необходимость таких работ обусловлена высокой плотностью абонентов в современных мегаполисах, увеличением трафика (особенно доли передаваемых данных в общем трафике по мере внедрения новых технологий), неравномерностью распределения абонентов и трафика в течение дня, недели или в связи с проведением каких-либо массовых мероприятий. Кроме того на операторов сотовых сетей давят ограниченность частотного ресурса и высокая концентрация различных сетей и радиостредств в мегаполисах.

Технология SDMA (пространственное уплотнение каналов) с применением многолучевых антенн управляемой диаграммы направленности (ДН) позволит экономить либо оптимизировать распределение частотных и материальных ресурсов, одновременно подняв качество обслуживания абонентов. В нашей стране пока реально внедряются лишь зарубежные антенны с механическим и электромеханическим управлением углом наклона луча. С помощью электропривода в первом случае изменяют наклон антенны, во втором - перестраивают фазовые сдвиги элементов антенной решетки.

11.1 Этапы внедрения 3G антенн

На первом этапе интеллектуальные антенны применяются только для нисходящего направления. Благодаря их использованию дальность действия базовых станций увеличивается. Это эквивалентно возможному уменьшению мощности, излучаемой подвижными станциями. Последнее особенно выгодно с точки зрения охраны здоровья. Другое преимущество, рассмотренное ранее в данном разделе, - уменьшение количества базовых станций, необходимого для покрытия заданного района. Оно особенно привлекательно для систем DCS 1800, PCS 1900 и других систем с меньшими сотами, чем в стандартной сотовой телефонии, и позволяет снизить стоимость развертывания и эксплуатации системы в районах с низкой плотностью трафика.

На втором этапе интеллектуальные антенны применяются на базовых станциях для работы, как в нисходящем, так и в восходящем направлениях. Основная задача этого этапа внедрения - снижение уровня помех за счет формирования лепестка ДН, передачи сигнала только в направлении базовой станции, а также отслеживания ее местоположения. Эту технологию часто называют пространственной фильтрации для снижения уровня помех (англ. Space Filtering for Interference Reduction - SFIR). Она позволяет снизить мощность, излучаемую базовой станцией. Уменьшение уровня внутриканальных помех позволяет сократить размер сотового кластера. Это, в свою очередь, оказывает влияние на емкость системы, поскольку позволяет повысить коэффициент повторного использования частоты.

Наконец, на третьем этапе к известным технологиям множественного доступа FDMA, TDMA и CDMA добавляется многостанционный доступ с пространственным разделением каналов (англ. Space Division Multiple Access -SDMA). Формирование лепестка ДН, отслеживание местоположения подвижных станций и снижение уровня внутриканальных помех позволяет нескольким подвижным станциям использовать один и тот же канал внутри одной соты, если их разделяет достаточное угловое расстояние. Это существенно увеличивает емкость и гибкость системы.

11.2 Влияние технологии интеллектуальных антенн на ёмкость систем сотовой связи

Основная причина высокого интереса к внедрению технологии интеллектуальных антенн в системах подвижной связи заключается в ожидаемом увеличении емкости систем, измеряемой в интенсивности обслуживаемого трафика на единицу площади. Благодаря внедрению этой технологии появляется более точная мера увеличения емкости - спектральная эффективность , характеризующая величину трафика, приходящегося на единицу площади и на 1 Гц. Значение этого параметра (в Эрл/м2/Гц) рассчитывается по формуле:

, (1)

где - количество каналов в соте; - предполагаемая загрузка соты трафиком (Суммарный объём трафика, приходящего на соту в течение заданного периода времени); - площадь соты; - ширина частотного диапазона, используемого сотовой системой.

Величины ожидаемых приростов емкости системы при использовании интеллектуальных антенн зависят от способов их применения и допущений, сделанных при анализе системы. Сложная природа явления и взаимосвязь многих параметров вызывают необходимость строить подробные имитационные модели для определения преимуществ, которые приносят интеллектуальные антенны, вводя некоторые допустимые упрощения. Эти упрощения относятся к расположению подвижных станций в соте, характеру перемещения подвижных станций и влиянию подвижных и базовых станций из других сот.

Отношение сигнал/внутриканальная помеха уменьшается до уровня, не превышающего порог 9+6 = 15 дБ для системы GSM. Величина 9 дБ соответствует установленному в стандарте GSM отношению сигнал/внутриканальная помеха, необходимому для надежной работы системы. Дополнительные 6 дБ обусловлены эффектом затенения (другими словами - запас на медленные замирания). Учитывались реальные диаграммы направленности антенн. В табл. 1[63] приведены подробные результаты моделирования, взятые из работы.

Таблица 1. Сравнение спектральной эффективности систем, использующих технологии интеллектуальных антенн с системами, использующими секторные антенны

В исследовании использовалась модель распространения сигнала, при которой излучаемая мощность уменьшается пропорционально четвертой степени расстояния до базовой станции. Заметим, что размер сотового кластера составляет или , что указывает на возможность использования всего набора несущих в каждой соте. Сравните эти величины со стандартными в случае 120°- секторных антенн в системе GSM или с и в аналоговых системах. Обратите внимание на существенное повышение спектральной эффективности, особенно в случае применения технологии SDMA. Некоторые потери наблюдаются, когда регулировка мощности излучения подвижной станции неидеальна.

Цена, которую потребуется заплатить за увеличение емкости, - это не только усложнение антенного комплекса и радиочастотной части приемопередатчика, но и введение дополнительного блока цифровой обработки сигналов, управляющего диаграммой направленности антенной решетки. Из-за большого числа М принятых сигналов становятся намного сложнее и блоки предварительной обработки приемника, особенно если в каждой ветви используется детектирование по принципу максимального правдоподобия. В системах, использующих метод SDMA, также усложняется и порядок выделения каналов, поскольку алгоритм выделения каналов должен дополнительно учитывать угловое расстояние между подвижными станциями. Увеличивается частота передач соединений внутри соты (внутрисотовый хэндовер).

В целом технология SDMA может рассматриваться как значительный вклад в спектр методов много станционного доступа - FDMA, TDMA и CDMA. Это подтверждается полевыми измерениями[63].

Литература

1. Весоловский Кшиштоф Системы подвижной радисвязи/Пер. с польск. И. Д. рудинского; под ред. А. И. Ледовского. - М.: Горячая линия-Телеком, 2006. -536 с.

2. Алехин Ю.Н., Жучков Ю.А., Лазарева Е.В., Базовые антенны KATHREIN для систем связи третьего поколения стандарта UMTS, Мобильные системы, №3, 2001г.

3. Каталог фирмы KATHREIN - 2009: Base Station Antennas, Filters, Combiners and Amplifiers for Mobile Communications. Catalogue - 2009.

Размещено на Allbest.ru