Введение.
Конструкция панельных X-pol-антенн
Конструктивные особенности X-pol антенн
Высокая повторяемость электрических параметров антенн
Коэффициент кроссполяризации
Уровень излучения назад
Многодиапазонные X-pol антенны для сетей UMTS
Устройство регулировки угла электрического наклона ДН
Антенные комплексы UMTS
Заключение
Источники.
Антенны для базовых станций сетей UMTS
Введение.
Что символизирует аббревиатура UMTS:(англ. Universal Mobile Telecommunications System — Универсальная Мобильная Телекоммуникационная Система). UMTS - это один из стандартов, разрабатываемый Европейским Институтом Стандартов Телекоммуникаций (ETSI) для внедрения 3G в Европе. Сегодня основным фактором, определяющим развитие мобильной связи, является голосовая телефония. Появление GPRS и EDGE, а затем переход к UMTS открывают дорогу ко многим дополнительным возможностям помимо голосовой связи. UMTS - это высокоскоростная передача данных, Мобильный Интернет, различные приложения на основе Интернета, интернета и мультимедиа. Ключевой технологией для UMTS является Широкополосный Многостанционный Доступ с Кодовым Разделением (WCDMA). Эта революционная технология радиодоступа, выбранная в сентябре 1998 года Европейским Институтом Стандартов Телекоммуникаций, поддерживает все мультимедийные услуги 3G. Системы WCDMA/UMTS включают усовершенствованную базовую сеть GSM и радиоинтерфейс по технологии WCDMA. Скорость передачи в радиоканале для мобильного абонента достигает 2 Мбит/с. WCDMA предназначена для использования в системах, работающих в частотном диапазоне 2 ГГц, который позволит в полной мере использовать все преимущества этой технологии. Например, всего одна несущая WCDMA шириной 5 МГц обеспечит предоставление смешанных услуг, требующих скоростей передачи от 8 кбит/с до 2 Мбит/с. А мобильные терминалы, совместимые с WCDMA смогут в соответствии с рекомендациями ITU работать сразу с несколькими услугами.
До недавнего времени основным фактором, определяющим развитие мобильных коммуникаций, была традиционная передача голоса. Однако внедрение новых технологий высокоскоростной передачи данных, включая GPRS и EDGE, и эволюция к системам UMTS/WCDMA позволит операторам сотовой связи предоставлять неограниченные беспроводные мультимедиа-услуги, например, электронные открытки, просмотр Web-страниц, доступ к корпоративным сетям.
Современные сети 2-го поколения являются основой, на которой внедряются системы 3G. UMTS - это один из стандартов в 3G, который разрабатывается под эгидой Европейского Института Стандартизации Телекоммуникаций ETSI. Он был разработан на основе самой распространенной технологий мобильной связи GSM и имеет все перспективы стать действительно глобальным стандартом персональной мультимедиа-связи.
Касаемо понятия базовой станции сети, в радиосвязи — системный комплекс приёмопередающей аппаратуры, осуществляющей централизованное обслуживание группы оконечных абонентских устройств.
(Рис. 1)
BTS (Base Transceiver Station) – базовая приёмопередающая станция применительно к сотовой связи — комплекс радиопередающей аппаратуры (ретрансляторы, приёмопередатчики), осуществляющий связь с конечным абонентским устройством — сотовым телефоном. Одна базовая станция стандарта GSM обычно способна поддерживать до 12 передатчиков, а каждый передатчик способен одновременно поддерживать связь с 8 общающимися абонентами. Комплекс расположенных рядом базовых станций образует соту. Базовые станции соединены с коммутатором сотовой сети через контроллер базовых станций. Контроллер и коммутатор устанавливаются в одном помещении и соединяются прямой оптической линией. Подключение каждой базовой станции к контроллеру осуществляется посредством транспортной сети, которая строится на базе радиорелейных, волоконно-оптических и медных линий. В некоторых странах базовые станции маскируют под растительность, что позволяет немного разукрасить железные конструкции вышек.
(Рис. 2)
Функции, выполняемые базовой станцией в процессе работы:
Обеспечение связи с контроллером базовых BSC по интерфейсу Abis
1. Радиоинтерфейс с MS (интерфейс Um)
2. Управление радиоканалами
3. Обработка речевого сигнала
4. Управление звеном сигнализации
5. Техническое обслуживание
6. Синхронизация
БС являются приемо-передающими радиотехническими объектами, излучающими электромагнитную энергию в УВЧ диапазоне (300-3000 МГц). Кроме того, каждая БС дополнительно оснащена комплектом приемо-передающего оборудования радиорелейной связи, работающим в диапазоне 3-40 ГГц, отвечающим за интеграцию данной БС в сеть в целом.
Мощность передатчиков БС обычно не превышает 5-10 Вт на несущую. Возникает вопрос о безопасности установки оборудования близ мест деятельности людей.
Активными источниками излучения электромагнитной энергии является оборудование сотовой связи. Это базовые радиорелейные станции и их приёмные и передающие антенны, устанавливаемые на высоте 15-50 м от поверхности земли, чаще всего на крышах зданий или на высоких мачтах в густонаселённой местности.
(Рис. 3)
Специалисты центров санитарно-гигиенического надзора утверждают, что безопасна, если соблюдать установленные правила.
Основная энергия электромагнитного излучения (более 90%) сосредоточена в узком потоке, направленном выше прилегающих построек и в сторону от сооружений, на которых находятся антенны и не имеет обратного луча. С увеличением расстояния от передающей антенны плотность потока электромагнитной энергии снижается. Но для наибольшей эффективности и надёжности операторы связи стремятся максимально увеличить, напряженность электромагнитного поля в используемом диапазоне частот. Естественно, при этом повышается уровень ЭМП и может превышать установленные нормы.
По нормативам санитарно-гигиенического надзора от места установки антенн до близ лежащих жилых домов должно быть расстояние 30-70 метров и это расстояние, в основном, соблюдается.
(Рис. 4)
В основном применяются два типа передающих (приемо-передающих) антенн БС: слабонаправленные с круговой диаграммой направленности (ДН) в горизонтальной плоскости - тип "Omni" (Рис. 5)
(Рис. 5) Диаграмма направленности антенны типа "Omni"
направленные (секторные) с углом раствора (шириной) основного лепестка ДН в горизонтальной плоскости обычно 60 или 120 градусов (Рис. 6).
(Рис. 6) Диаграмма направленности секторной антенны (угол раскрыва основного лепестка в горизонтальной плоскости 60
Подберёмся ближе к антеннам. Основу антенного парка сетей GSM/UMTS в настоящее время составляют панельные антенны с кроссполяризацией (X-pol) и антенны с вертикальной поляризацией (V-Pol).
Антенны с кроссполяризацией используются в основном для организации покрытия вне помещений. Антенны с вертикальной поляризацией (V-pol) в сетях UMTS используются в основном для организации покрытия внутри помещений (indoor). Антенны V-pol выпускаются как направленные, так и всенаправленные.
Основной парк антенн для UMTS составляют широкополосные антенны (X-pol broadband 1710 – 2170 МГц), сдвоенные широкополосные (XX-pol Quadpol broadband), позволяющие одновременно работать в UMTS и GSM1800, двухдиапазонные (XX-pol dualband), для одновременной работы в UMTS и в GSM900 и трехдиапазонные антенны (ХХX-pol tripleband), работающие в диапазонах UMTS/GSM900/1800. Кроме того, на рынке представлены трехсекторные антенны (X-pol Tri-sector), которые выпускаются как одно-, двух- и трёхдиапазонные.
Спецификой сетей UMTS, в отличие от сетей GSM, является, как известно, их динамический характер, т.е. изменение площади покрытия в зависимости от нагрузки, а также небольшие по площади зоны покрытия, которые при обслуживании вызывают проблему оптимизации handover зон.
При нахождении абонента в зоне действия нескольких базовых станций (БС) имеет место так называемый soft handover, когда абонентская станция использует ресурс нескольких сот, увеличивая нагрузку на сеть. Увеличение зоны "мягкого хэндовера" уменьшает общую емкость сети, а значит, снижает уровень обслуживания и качество предоставляемых услуг, особенно услуг высокоскоростной передачи данных, предъявляющих повышенные требования к качеству покрытия.
Одним из наиболее эффективных инструментов оптимизации площади покрытия является ограничение излучаемой антенной мощности и обеспечения более чёткой границы зоны покрытия путём управления углом наклона диаграммы направленности (ДН) антенны в вертикальной плоскости.
В антеннах UMTS имеется возможность как механической, так и электрической регулировки угла наклона ДН. Электрический наклон предпочтителен, поскольку не вызывает искажения формы ДН в горизонтальной плоскости и азимутальной зависимости угла наклона и коэффициента усиления антенны, что позволяет достичь нужной концентрации мощности излучения по периметру зоны покрытия. В результате, обеспечивается возможность четкого позиционирования краёв зоны покрытия в зависимости от уровня мощности излучения для конкретной услуги, что важно при обеспечении высококачественных услуг высокоскоростной передачи данных.
Антенны выпускаются как с фиксированным углом наклона, так и с возможностью регулировки его на месте или дистанционно. Все новейшие антенные системы для сетей UMTS реализуют функции дистанционного управления углом наклона ДН с помощью специальных модулей подключаемых ко встроенным фазовращателям. Управление такими модулями осуществляется с блока управления, располагаемого на БС, или от общей системы управления сетью, что позволяет динамически изменять зону обслуживания в зависимости от нагрузки на конкретный сектор БС.
В предлагаемом обзоре рассматриваются X-pol антенны UMTS мировых лидеров в области разработки и производства антенно-фидерного оборудования - компаний Andrew, Kathrein, Powerwave и RFS. Большинство антенн UMTS имеет систему электрической регулировки угла наклона диаграммы направленности (ДН).
Конструкция панельных X-pol-антенн
X-pol панельная антенна представляет собой две независимые системы излучателей, расположенные симметрично вдоль отражающего экрана с наклоном к +45° и -45° и формирующих ДН с шириной основного лепестка в горизонтальной плоскости 65° или 90°.
Коэффициент усиления (КУ), а следовательно и ширина ДН в вертикальной плоскости, зависит от количества излучающих элементов в антенной решетке. Расстояние между излучающими элементами подбирается так, что бы получить минимальный уровень боковых лепестков, Поэтому при определенной длине корпуса панельной антенны можно расположить ограниченное количество элементов. Наиболее часто встречаются длины панельных антенн 0,7, 1,3 и 2,0 м. Многодиапазонные антенны могут иметь длину и 2,6 м. Типовые значения КУ и ширины ДН в вертикальной плоскости в зависимости от длины корпуса антенны приведены в таблице:
Возможность настройки излучателей X-pol антенн на работу в любом диапазоне позволяет выпускать на их базе многодиапазонные антенны 900/1800/2100 МГц с заданными характеристиками и независимой регулировкой угла наклона ДН в каждом частотном диапазоне. В пределе, в одном корпусе удаётся разместить до девяти независимых X-pol антенн, образующих, например, полноценный антенный комплекс для трехсекторной БС.
Для обеспечения эффективного разнесённого приёма, вектора поляризации X-pol антенн должны быть ортогональны друг другу, а требуемая поляризационная развязка между двумя антеннами (коэффициент кроссполяризации) сохраняться в широком секторе азимутальных углов.
Следует отметить, что для обеспечения необходимых градиентов мощности по краям зоны покрытия, антенны для сетей UMTS имеют, как правило, более низкий уровень боковых лепестков, по сравнению с X-pol антеннами для сетей GSM.
X-pol антенны выпускаются указанными выше производителями в достаточно широком ассортименте, позволяющем строить сети UMTS любой конфигурации. При этом двухдиапазонные и трехдиапазонные антенны обеспечивают возможность использования при построении сетей UMTS имеющиеся БС сетей GSM.