CC BY
780
138
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 11 (20), 2015 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
антенны базовых станций в сотовых сетях мобильной
СВЯЗИ. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
Попов Валентин Иванович Скудное Владимир Алексеевич Васильев Алексей Сергеевич
Рижский технический университет, г.Рига, Латвия
АННОТАЦИЯ
В обеспечении равномерного радиопокрытия зон обслуживания и связанной с этом высокой надежности систем мобильной радиосвязи в стандартах 3G и 4G большое внимание уделяется модернизации и разработке антенных систем базовых радиостанций. Существующие в настоящее время антенные системы BTS, организованные на базе вибраторных антенн уже не обеспечивают выполнение требований, предъявляемых к современным стандартам 3G и 4G. Поэтому в мобильных сетях Европы и мира внедряются новые антенные системы тапа: Vpol omni, Xpol,
XXpol, XXXpol, секторные и плоские панельные, MIMO антенны, адаптивные антенные решетки и пр., отвечающие современным техническим требованиям по устойчивому приему от мобильных станций (при минимизации помех), определению местоположения мобильных станций MS и т.п.
В работе проводится анализ существующих и оценивается перспектива антенных систем базовых станций 3G - 5G поколений сотовой системы мобильной связи.
ABSTRACT
In ensuring of uniform radio-coverage and service areas and associated with this high-reliability system, in mobile radio standards 3G and 4G a lot of attention is paid to the modernization and development of antenna systems of base stations. The current antenna systems BTS, organized based on dipole antennas will not may ensure compliance with the requirements for modern standards 3G and 4G. Therefore, in mobile networks in Europe and the world introduced new antenna systems of type: Vpol omni, Xpol, XXpol, XXXpol, sector antenna and flat panel antenna, MIMO antennas, adaptive antenna arrays, etc., To meet modern technical requirements for sustainable of reception from mobile stations (while minimizing interference), determine the location of mobile stations MS, etc.
The paper analyzes the existing and evaluated the prospect of antenna systems of base stations 3G - 5G generation cellular mobile communication systems.
Ключевые слова: антенны, вибраторные антенны, антенные фазированные решетки, MIMO антенны, параметры антенн, тенденции развития.
Keywords: antennas, dipole antennas, phased array antenna, MIMO antenna, antenna parameters, development trends.
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ АНТЕНН BTS
В настоящее время появилось большое количество различных систем мобильной связи: сотовые системы для автомобильного, железнодорожного транспорта, системы персонального вызова, системы беспроводного телефона для локального использования и пр. Поэтому возникла необходимость создания универсальной системы мобильной связи [3G(UMTS), а также 4G(LTE]. В отличии от системы первого поколения (1G), рассчитанной на облужи-вание национальных границ и использующей аналоговую частотную модуляцию для передачи речевых сигналов и системы второго поколения (2G), спроектированной с учетом роуминга и использующей цифровые устройства с программным управлением (для передачи речевых сигналов и данных), CCМC (Системы Сотовой Мобильной Связи) 3G и 4G позволяют абонентам пользоваться услугами связи в неограниченной области пространства и иметь доступ к ним с помощью любого терминала на основе присвоенного ему персонального номера. Системы 3G и 4G могут включать в себя микроячейки для пешеходов, с радиусом обслуживания до 1 км, макроячейки для автомобильного и рельсового (железнодорожный, трамвайный транспорт) - до нескольких десятков километров и гиперячейки до сотен и тысяч километров для морских, речных и воздушных судов, обслуживаемых системами мобильной спутниковой связи.
Антенно-фидерный тракт BTS [Base Transceiver Station] ССМС является важнейшим элементом сетевой инфраструктуры, от которого во многом зависит качество связи: для создания равномерного радиопокрытия территории сот (или секторов в пределах соты), устойчивого приема от мобильных станций (при минимизации помех), определения местоположения мобильных станций MS и т.п. Современные антенны BTS, при внешней простоте конструкции, представляют собой достаточно сложные СВЧ-устройства, работающие на открытом воздухе в условиях повышенной влажности и существенных перепадов температур, подверженные обледенению, повышенным ветровым нагрузкам, агрессивному воздействию городского смога и другим негативным воздействиям окружающей среды. Поэтому к антеннам BTS предъявляются достаточно высокие требования как по аппаратурным параметрам, так и по технологии антенных систем (рис.1.1).
139
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 11 (20), 2015 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Требование к антеннам BTS Технология антенн BTS
Рис.1.1. Требования к антенным системам BTS [1, 2]
В нормальных действующих сотовых системах выйгрыш по мощности за счет использования антенн BTS обычно составляет от 7 до 15 дБ, при этом должны быть выполнены следующие требования :
- излучение в соте (или в секторе с углами 1200, 600) должно быть равномерным, уменьшающимся по радиусу примерно по закону - 1/rn ( где 2<n<4-5);
- подавление межканальных помех (за счет разнесенного приема и использовании направленных антенн);
- - широкополосность (более 7%, при коэффициенте
стоячей волны КСВН Jтри разнесенные антенны с диаграммами направленности сформированными в угловых секторах 1200 в пределах соты;
- в пределах соты шесть секторных антенн, со сформированными диаграммами направленности в секторах 600.
При этом используется три вида разнесения антенн:
- пространственное разнесение (расстояние между
антеннами не превышает d<
Антенны BTS Рис.1.2
Наиболее часто используется пространственное разнесение (при d/ = 5-10).
Ведущие мировые производители антенно-фидерных устройств (АФУ) предлагают сегодня антенны BTS для любых стандартов и частотных диапазонов, в том числе и для действующих в настоящее время 3G и 4G сетей. Антенны работают в диапазонах 900 МГц, 1800 МГц, 1710-2170 МГц как на открытом воздухе (outdoor), так и в закрытых помещениях (indoor). В зависимости от решаемой задачи по организации радиопокрытия проектировщики сетей используют всенаправленные (omni) и секторные антенны с вертикальной поляризацией (Vpol) или с
наклонной кросс-поляризацией (Xpol). Они могут быть как однодиапазонные, так и двухдиапазонные, трехдиапазонные и широкополосные.
1. Всенаправленные (omni-directional) и секторные (Sectorized) антенны BTS.
Основу антенного парка сетей GSM/UMTS в настоящее время составляют панельные антенны с кросс-поляризацией (XPol) и антенны с вертикальной поляризацией (Vpol).
Особенности типовых всенаправленных и секторных антенн сведены в следующей таблице 1.1:
140
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 11 (20), 2015 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Таблица 1.1
Антенны с вертикальной поляризацией
________________________(Vpol)_______________________
Особенности конструкции:
Всенаправленные антенны c вертикальной поляризацией (Vpol omni) представляют собой цепочку синфазно -запитываемых полуволновых вибраторов внутри корпуса, имеющего вид трубки. Некоторые модели предлагаются с углами электрического наклона в диапазоне от 0° до 6°. Антенны для использования внутри зданий (Vpol indoor) имеют небольшие размеры и эстетичный внешний вид (форму «шляпы») и выпускаются, как правило, в потолочном исполнении для организации покрытия внутри помещений.
Достоинства:
1. широкополосность - диапазон рабочих частот составляет от 3-10 октав;
2. малые размеры по горизонтали;
3. легкость и простота в изготовлении.
Недостатки:
1. необходимость выполнения требования по созданию многосотовых кластеров, для уменьшения уровня межканальных помех;
2. сложность формирования диаграммы направленности в меридианальной плоскости F(q
3. требование повышения мощности передатчика BTS, для создания устойчивой радиосвязи на границах соты;
4. требование увеличения отношения сигнал/помеха (S/ I=SIR) антенн;
5. требование использования разнесенного приема, для уменьшения влияния помех и увеличения отношения сигнал/шум [S/N=SNR];
6. требование обеспечения равномерного радиопокрытия территории в пределах соты (service area);
7. требование учета зоны помех, возникающих за счет излучения боковых лепестков.
Антенны с наклонной кросс-поляризацией
_______________________(Xpol)______________________
Особенности конструкции (рис 1.3):
XPol антенна представляет собой две независимые
системы излучателей, расположенных симметрично вдоль
отражающего экрана с наклоном к
нему под углом +/-45° и формирующих два типа
диаграммы направленности
с шириной основного лепестка в горизонтальной
плоскости в 65 и 90°. В одном корпусе такой антенны могут располагаться две (Xpol), четыре (XXpol), и даже шесть (XXXpol) независимых антенн. 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
Достоинства:
1. Наклон плоскости поляризации на ± 45° от вертикали. Высокие значения кроссполяризационного отношения во всем секторе углов, обеспечиваемое новыми запатентованными дипольными элементами.
2. Практически идентичные диаграммы направленности для +45°/-45° поляризаций.
3. Высокая развязка (>30 dB) между входами антенны с поляризациями +45°/-45°, благодаря применению запатентованных развязывающих элементов.
4. Высокая развязка (> 30 dB) между полосами рабочих частот в многодиапазонных антеннах.
5. Постоянство электрических характеристик при воздействии внешних условий. Дождь снег и обледенение не изменяют существенно такие параметры антенн, как КСВН, развязка, кроссполяризационное отношение.
6. Низкий уровень интермодуляционных искажений (не более -150 dBc для продуктов третьего порядка).
7. Низкие собственные потери антенн. Внутренняя разводка с помощью миниатюрных коаксиальных кабелей с малыми потерями позволила уменьшить длину антенны на 20 % по сравнению с антенной с печатной схемой разводки.
8. Наличие прочного корпуса из фибергласа без отверстий и щелей с герметизацией швов обеспечивают антенне высокую прочность, надежность и долговечность.
141
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 11 (20), 2015 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
продолжение таблици 1.1
Недостатки:
1. при выделении диапазона для функционирования сети сотовой радиосвязи на вторичной основе, BTS могут создавать непреднамеренные радиопомехи недопустимого уровня радиоэлектронным средствам, работающим в данном диапазоне частот на первичной основе. BTS стандарта GSM, UMTS, LTE функционирующие в диапазоне 900 МГц, могут создавать непреднамеренные помехи недопустимого уровня РЭС воздушной радионавигации и посадки, использующим антенны с горизонтальной поляризацией.
2. большие потери на передачу (заявленное значение составляет ~3.6 дБ), обусловленные использованием гибридного моста, имеющего потери более 3 дБ
Использование:
для организации покрытия вдоль дорог, в пригородах, а также внутри помещений. VPol-антенны незаменимы при организации сетей в зонах действия радиосредств спецназначения. Антенны для помещений выпускаются как однополосные (VPol Indoor singleband), многополосные (VPol Indoor multiband) и двухдиапазонные (VPol Indoor dualband).
Основные типы антенн UMTS:
1. Всенаправленные антенны outdoor (VPol singleband omni), диапазон частот 1710-2220 МГц
2. Направленные антенны outdoor (VPol single-band), диапазон частот 1710-2180 МГц
3. Направленные двухдиапазонные антенны outdoor (VPol dual-band omni), диапазон частот 806 (824) -960 / 1710 -2170 МГц
4. Всенаправленные многополосные антенны outdoor (VPol multi-band omni), диапазон частот 870-960 / 1710-1880 / 1920-2170 МГц
5. Всенаправленные двухдиапазонные антенны outdoor (VPol dual-band omni), диапазон частот 870-960 / 1920-2170 МГц
6. Всенаправленные антенны indoor (VPol singleband indoor), диапазон частот 1710-2500 МГц
7. Всенаправленные двухдиапазонные антенны indoor (VPol dual-band omni indoor), диапазон частот 806-960 / 1710-2700 МГц
Использование:
для организации покрытия вне помещений. Антенны ыпускаются как однополосные (XPol single-band), многополосные (XPol multi-band), сдвоенные многополосные (XPol 2-multi-band) и трехсекторные антенны (XPol Tri-sector), а также двухдиапазонные (XXPol 2-dual-band) и трехдиапазонные антенны (ХХXPol triple-band).
Основные типы антенн UMTS (рис.1.4 и 1.5):
1. Многополосные антенны UMTS (XPol multi-band), диапазон частот 1710-2170 МГц
2. Однополосные антенны UMTS (XPol single-band), диапазон частот 1710-2170 МГц
3. Двухдиапазонные антенны UMTS (XPol 2 x multiband), диапазон частот 824-960 / 1710-2170 МГц
4. Сдвоенные многополосные антенны (XXPol 2-multi-band), диапазон частот 1710-2170 / 17102170 МГц
5. Трехдиапазонные антенны UMTS (ХХXPol tripleband), диапазон частот 824-960 / 1710-1880 / 17102170 МГц или 824-960 / 1710-2170 / 1710-2170 МГц
Трехсекторные антенны (XPol Tri-sector), диапазон частот 1710-2170 МГц
Многополосные антенны UMTS (XPol multi-band) Рис.1.3
142
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 11 (20), 2015 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Двухдиапазонная антенна XXPol Рис.1.4
Irfjilv-hnnti 1﹫г)гин
Трехдиапазонная антенна XXXPol Рис.1.5
Сравнение типовых антенн по диаграмме направленности:
Всенаправленные антенны BTS (omni-directional) Секторные антенны BTS (Sectorized antenna)
Для таких антенн для получения равномерного радиопокрытия территории соты, необходимо иметь: в вертикальной плоскости диаграмму направленности (ДН) антенны BTS в виде F(6) = cos е 2 6 , при минимальном уровне и числе боковых лепестков, а в горизонтальной плоскости всенаправленную ДН, т.е. F {ff>) = 1. Для таких антенн обычно выполняются два основных условия: в вертикальной плоскости диаграмма направленности должна быть типа F(q
Антенны этого типа используются операторами при необходимости организации покрытия в компактных зонах обслуживания с трафиком, локализованным вокруг BTS, например, в коттеджных поселках, где установка секторных BTS антенн экономически нецелесообразна в условиях небольшого трафика. Другим примером использования omni-антенн может быть их установка в городских условиях при организации микросот. Антенны этого типа представляют собой обычно совокупность излучателей, расположенных в прочном радиопрозрачном герметичном корпусе, защищающем их 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 (рис.1.7), обеспечиваемым с помощью специального фазирования вибраторов (антенны EDT - Electrical Down Tilt)
143
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 11 (20), 2015 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Уголковая антенна (CRA - Comer Reflector Antenna) Рис.1.6.
Пример оптимизированной зеркальной антенны с наклоном диаграммы направленности Рис.1.7. [27]
Регулируемый наклон ДН с помощью фазовых сдвигов питания элементов антенны (AEDT - Adjustable Electrical Down
Tilt)
Рис.1.8
144
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 11 (20), 2015 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Таким образом, в секторных антеннах наклон ДН может обеспечиваться механически, с помощью поставляемого дополнительно специального узла наклона. Электрический наклон ДН реализуется фиксированным (устанавливаемым в заводских условиях) и регулируемым (AEDT - Adjustable Electrical Down Tilt). В этом случае настройка наклона ДН производится пользователем с помощью специального устройства, управляющего фазированием излучателей (рис.1.8). Преимуществом электрического наклона перед механическим является отсутствие искажения формы ДН в горизонтальной плоскости и азимутальной зависимости угла наклона и коэффициента усиления антенны.
1. Плоские панельные антенны BTS
Оборудование базовых станций стандартов сотовой связи AMPS, DAMPS, CDMA, GSM, работа которых ведется в диапазонах 806-970 МГц и 1710-1890 МГц, а также для микросотовой связи стандарта DECT 1880-1930 и широкополосного доступа в Интернет на диапазонах 2,4-2,485 ГГц, 3,5-3,7 ГГц и 5,6-5,8 ГГц имеет одну общую черту - антенный тракт в большинстве случаев строится на антеннах панельного типа. Это связано в основном с тем, что частотно
территориальное распределение основано на строгом разбиении по секторам обслуживаемых территорий вокруг базовой станции. Тогда определенные группы каналов действуют на выбранных секторах и обслуживаются своей секторной антенной. Но иногда с помощью панельных антенн строят и антенные решетки с квазикруговой диаграммой направленности. Особенно в случае их размещения на радиопрозрачных опорах (трубы ТЭЦ, шпили высотных зданий, вышки РТПЦ), где применение штыревых антенн с круговой ДН невозможно. По конструктивному исполнению -это плоские квадраты или прямоугольники, у которых внутри распологается волновод из фольгированного текстолита, либо из металлических листов. Такой вид антенны 3G может обеспечить достаточно высокий коэффициент усиления, до 20 дБ. Максимальная подводимая мощность составляет от 350 до 1000 Вт, однако в большинстве случаев при проектировании сетей такая мощность не требуется.
Обычно, подводимая к антеннам BTS мощность составляет не более 50-150 Вт, а для антенн indoor не более 10 Вт.
Выносная панельная антенна для 3G, GSM1800, DECT
с высоким коэффициентом усиления. Рис.2.1 [24]
Антенны панельного типа имеют между собой много общего в смысле технических и эксплуатационных характеристик. Рассмотрим особенности панельных антенн в отличие от антенн другого типа:
1) Антенны панельного типа достаточно широкополосные. Это очень удобно в плане их применения в общих приемопередающих устройствах, работающих на один кабель через дуплексер. Это свойство вытекает из схемы построения внутренней антенной решетки, где питание всех диполей осуществляется Y-образной схемой. В результате фазовые набеги в системе питания минимальны, а это положительно влияет на согласование, диаграмму направленности и, следовательно, усиление.
2) Стандартные углы секторов ДН в 120, 90 и 60 градусов. Это связано с элементарными геометрическими расчетами, когда окружность соты необходимо обслужить соответственно 3-мя, 4-мя или 6-ю антеннами. Встречаются также антенны и с секторами в 180 и 45 градусов. Достижения того или иного угла излучения можно обеспечить двумя
физически различными принципами:
1.1. Первый метод заключается в применении рефлектора особой формы вокруг коллинеарно расположенных элементов антенной решетки
1.2. Второй метод состоит в фазовом формировании с помощью ДН двух коллинеарных рядов активных элементов
3) Наличие радиопрозрачного укрытия. Сама антенна представляет собой плоский рефлектор, на котором размещена структура активных элементов и система линий питания. Некоторые производители располагают внутри решетку из логопериодических направленных антенн. Снаружи все это закрывается стеклопластиковым или пластмассовым чехлом (ABS или поликарбонат). Главное требование к чехлам - минимум ВЧ-потерь и максимум стойкости к перепаду температур и воздействию ультрафиолетового излучения.
1. Логопериодические антенны BTS
145
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 11 (20), 2015 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
IVu еры 1К7гогК'рнлли'иск1лх нте-ш
Рис.3.1 [25]
В системах сотовой мобильной связи логопериодические антенны (рис.3.1) нашли применение в качестве донорных антенн при строительстве репитеров, т.к. они могут принимать сигналы сразу нескольких частотных диапазонов, например, 900, 1800 и 2100 МГц. Диаграмма направленности логопериодической антенны представляет собой нечто среднее между широкой диаграммой панельной антенны и игольчатой -параболической (рис.3.2).
Диаграмма направленности логопериодической антенны Рис.3.2 [25]
Это свойство позволяет устанавливать связь с нужной базовой станцией без точной настройки пролета, как это требуется для антенн радиорелейных линий связи.
Причем расстояние до сервирующей BTS может достигать нескольких километров. 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.
1. Интеллектуальные антенны BTS
В настоящее время во всем мире ведутся активные работы по созданию так называемых умных антенн (Smart-antennas) для сетей сотовой связи. Необходимость подобных работ обусловлена высокой плотностью числа 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 оказывают влияние ограниченность частотного ресурса и высокая концентрация различных сетей и радиостредств в мегаполисах.
Как известно [19], адаптивными антеннами (АА), или интеллектуальными антеннами (Smart Antennas), называют антенны с электрическим управлением диаграммой
направленности. Чаще всего АА по структуре является адаптивной антенной решеткой (АР), состоящей из дискретных элементов (слабонаправленных вибраторов), каждый из которых осуществляет излучение/прием электромагнитных волн когерентно по отношению к остальным элементам. ДН формируется в результате интерференции волн, излучаемых элементами.Технология SDMA (пространственное уплотнение каналов) с применением многолучевых антенн управляемой диаграммы направленности позволяет либо сэкономить, либо оптимизировать распределение частотных и материальных ресурсов, одновременно улучшив качество обслуживания абонентов.
В последние годы из-за снижения цены на цифровые сигнальные процессоры (DSP - Digital Signal Processor), а также на программируемые сигнальные процессоры стало возможным использованиена практикеадаптивныхантенных систем. Следует еще раз подчеркнуть, что адаптивные антенны необходимы, так как число пользователей быстро растет, а с другой стороны — затрудняется распространение радиоволн, ухудшается помеховая обстановка. Адаптивные антенны - это объединение антенной решетки и DSP для формирования оптимальной диаграммы направленности в пространстве. Это позволяет системе менять направление излучения, адаптируясь к условиям передачи сигнала, что приводит к существенному улучшению характеристик радиосвязи.
Используя новейшие алгоритмы, реализованные
146
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 11 (20), 2015 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
в сигнальных процессорах, адаптивные антенные системы позволяют эффективно находить и отслеживать сигналы от пользовательского терминала с минимальной интерференцией и максимальным качеством приема. Адаптивная антенна для сектора в 120° содержит, как правило, от 4 до 8 элементов, входы и выходы которых объединены в диаграммо-образующей схеме с фазовращателями и аттенюаторами для адаптивного управления.
Если обычная антенна с шириной луча 1200 с двумя элементами дает 15 дБ, то адаптивная антенна с 8 элементами имеет максимальное усиление 24 дБ.
Диаграмма направленности такой сканирующей антенны изображена на рис. 4.1а. Основные элементы, образующие антенну, показаны на рис.4.1б [20]. Антенна имеет 12 рядов излучателей, в каждом из которых по 8 элементов. Каждый ряд представляет собой решетку печатных диполей. Центральные 8 рядов — с активными элементами, остальные 4 ряда — с пассивными. Узкий луч с высоким усилением образован за счет суммирования сигналов со всех рядов. Размер антенны для частоты 3,5 ГГц составляет 0,7*0,6 м.
Адаптивная антенна базовой станции:
а) диаграмма направленности с сектором сканирования 1200; б) построение антенны, состоящей из трех сканирующих панелей: 1- адаптивно сформированный луч; 2-3 — крайние положения луча в секторе перекрытия; 4 — помеховый сигнал; 5 — сектор сканирования 120; 6 — абонентский терминал;
7 — диаграммообразующая схема Рис. 4.1. [20}
В таблице 4.1.приведены основные достоинства и недостатки адаптивных антенн.
Таблица 4.1
Достоинства адаптивных антенн Недостатки адаптивных антенн
1. увеличение отношение сигнал/шум; 2. формирование нулей ДН в направлении помех; 3. формирование нескольких лучей или сканирование лучом в секторе; 4. высокая надежность за счет избыточных элементов и использование низких напряжений в активных элементах АР; 5. уменьшение массогабаритных характеристик твердотельных приемопередающих модулей элементов АР; 6. уменьшение потерь в радиотракте; 7. увеличение полосы частот и ширины сектора. 1. сложность построения; 2. высокая стоимость; 3. высокая зависимость характеристик от параметров внешней среды; 4. необходимость дополнительной защиты от внешней среды.
147
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 11 (20), 2015 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Следует отметить, что в базовых станциях фирмы «Alcatel» [22] используются 2- и 4-элементные антенны с диграммообразующими схемами и алгоритмами, увеличивающими пропускную способность каналов на 40% и уменьшающими на 80% влияние помехи. Дополнительное улучшение качества связи оборудования «Alcatel» дает система MIMO (Multiple Input-Multiple Output). Эта технология используется совместно и дополняет возможности смарт-антенн и поэтому кратко опишем эту систему. MIMO — это система пространственновременного кодирования, которая создает выигрыш за счет разделения потока данных через две или более антенны по разным пространственным путям, переключающимся на лучшее направление (по более высокому уровню сигнала), или работающим одновременно. Этот способ пространственного разделения, а затем объединения достаточно эффективен для подавления помех. Технология
MIMO была рекомендована для системы WiMax в декабре 2006 года, форум WiMax признал ее частью мобильного WiMax в качестве возможной опции. Однако, руководство крупных телекоммуникационных фирм не считает очевидным использование системы MIMO в базовых станциях в ближайшие годы [22]. Одним из главных недостатков применения системы MIMO является то, что при этом повышается цена за пользовательский терминал, требуется дополнительное место и дополнительная энергия от источника питания. И если теоретически пропускная способность в MIMO системах удваивается, то на практике, удвоения повидимому не будет, и это зависит от того, какую полосу частот будет использовать провайдер. В таблице
4.2. приведено сравнение различных вариантов построения смарт-антенн.
Таблица 4.2.[20]
Схема построения антенны Переключательная многолучевая антенна Адаптивная диграммообразующая схема MIMO система
Достоинства Простота реализации Низкая цена Высокая пропускная способность и подавление помех Наилучшим образом подходит для работы в условиях отсутствия прямой видимости Высокая скорость передачи данных Наилучшим образом подходит для условий многократных переотражений
Недостатки Ограниченные возможности по формированию луча Всего один элемент в направлении прихода сигнала Средняя сложность Высокая цена Должен быть хоть один элемент в направлении прихода сигнала Высокая сложность Высокая цена На стадии НИР/ОКР
Рассмотрим адаптивную антенну нового поколения для базовых станций сетей мобильной связи (рис.4.2).
Цифровая активная фазированная антенная решетка BTS
Рис.4.2 [21]
148
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 11 (20), 2015 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Данная адаптивная антенна представляет собой малоэлементную цифровую активную фазированную антенную решетку (ЦАФАР), использующую адаптивный безлучевой метод. Данный метод подразумевает отказ от разбиения зоны покрытия на сектора с разными частотными каналами. Антенна создает круговое покрытие для всех частот, на которых она работает. При этом сразу несколько абонентов могут одновременно использовать одну частоту. Селекция сигналов осуществляется с помощью специального алгоритма, основанного на решении обратной задачи.
Такой подход более эффективен, чем использование самых современных на сегодняшний день многолучевых адаптивных фазированных антенных решеток (МАФАР), которые способны в режиме реального времени изменять направления лучей. Так, например, в МАФАР чтобы сохранить способность разделять абонентов в смежных лучах необходимо использовать разные частоты. В безлучевом методе такого ограничения нет, что повышает эффективность использования частотного ресурса (в 2 раза по сравнению с черезлучевым чередованием, и более чем в 2 раза для остальных схем). Кроме того, при использовании МАФАР два абонента не могут работать в одном луче на одной частоте. То есть, минимальное расстояние между абонентами, работающими на одной частоте, ограничено шириной луча, которая напрямую связана с размером апертуры решетки. Безлучевой метод, использованный в предлагаемой антенне, снимает данное ограничение и позволяет разделить абонентов на любом угловом расстоянии, которое теперь ограничено только мощностью передатчиков и шумовой обстановкой. Детальное сравнение показало, что при одинаковых условиях (излучаемая мощность, шумовая обстановка, положение абонентов и т.д.) безлучевой метод позволяет разделить абонентов на значительно меньшем угловом расстоянии. Данное свойство также увеличивает емкость сети. Таким образом, данная ЦАФАР антенна обладает следующими основными
преимуществами:
1. Увеличение емкости сети в несколько раз. Кратность увеличения пропорциональна количеству элементов решетки. Например, по сравнению с 3-х секторными антенными системами предлагаемая антенна, состоящая так же из 3 элементов, повышает ёмкость сети в 3 раза.
2. Увеличение радиуса зоны покрытия или, что тоже самое, улучшение качества радиоканала при сохранении дальности.
3. Существенное повышение эффективности использования частотного ресурса сети.
4. Антенна является легко масштабируемой. Для изменения емкости достаточно добавить или удалить элементы антенны и соответствующие элементы фазора, без изменения конструкции в целом.
5. Адаптивный безлучевой метод разрабатывался для улучшения характеристик многолучевой АФАР. Сравнительный анализ показал, что характеристики предлагаемой антенны, использующей данный метод, в целом лучше, чем характеристики многолучевой АФАР, состоящей из такого же количества элементов.
6. Безлучевой метод одинаково эффективен как для систем с частотным (FDMA, OFDMA), так кодовым и временным (CDMA, TDMA) разделением абонентов.
7. Предлагаемая антенна практически прозрачна для стандарта сети и способна работать в любом из существующих на сегодняшний день стандартов (GSM; семейство, так называемых, стандартов 3G; LTE; WiMAX; Wi-Fi), в том числе в сетях, использующих MIMO.
5. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СОВРЕМЕННЫХ ТИПОВЫХ АНТЕНН BTS [23]
Приведем основные параметры современных типовых антенн BTS, которые широко используются в настоящее время в ССМС (таблица 5.1)
149
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 11 (20), 2015 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Таблица 5.1
Параметры антенн Резонансная частота Импеданс Диаграмма направленности Коэффициент усиления
Типы антенн
Всенаправленные антенны outdoor (VPol single-band omni) 1710-2220 МГц 50 Ом Вертикальная, 3600 2 dbi
Направленные антенны outdoor (VPol single-band) 1710-2180 МГц 50 Ом Вертикальная, 650 11 dbi
Направленные двухдиапазонные антенны outdoor (VPol dual-band omni) 806 (824) -960 / 1710 -2170 МГц 50 Ом Вертикальная, 600 8 dbi
Всенаправленные многополосные антенны outdoor (VPol multi-band omni) 870-960 / 1710-1880 / 1920-2170 МГц 50 Ом Вертикальная, 3600 8 dbi
Всенаправленные двухдиапазонные антенны outdoor (VPol dual-band omni) 870-960 / 1920-2170 МГц 50 Ом Вертикальная, 3600 8 dbi
Всенаправленные антенны indoor (VPol single-band indoor) 1710-2500 МГц 50 Ом Вертикальная, 3600 2 dbi
Всенаправленные двухдиапазонные антенны indoor (VPol dual-band omni indoor) 806-960 / 1710-2700 МГц 50 Ом Вертикальная, 900 7 dbi
Многополосные антенны UMTS (XPol multi-band) 1710-2170 МГц 50 Ом +450, -450 2 x 9 dbi
Однополосные антенны UMTS (XPol single-band) 1710-2170 МГц 50 Ом +450, -450 2 x 20 dbi
Двухдиапазонные антенны UMTS (XPol 2 x multi-band) 824-960 / 1710-2170 МГц 50 Ом +450, -450 19 dbi
Сдвоенные многополосные антенны (XXPol 2-multi-band) 1710-2170 / 17102170 МГц 50 Ом +450, -450 18 dbi
Трехдиапазонные антенны UMTS (ХХXPol triple-band), 824-960 / 1710-1880 / 1710-2170 МГц или 824-960 / 17102170 / 1710-2170 МГц 50 Ом +450, -450 18 dbi
Трехсекторные антенны (XPol Tri-sector) 1710-2170 МГц 50 Ом +450, -450 18 dbi
Панельная двухдиапазонная кроссполяризованная антенна DS900/1800-5 890-960 /1710-1880 МГц 50 Ом Линейная, вертикальная 5/6 dbi
Логопериодическая антенна (LogPer 900) 790-960МГц 50 Ом Вертикальная, 500 12 dbi
Логопериодическая антенна (LogPer omni) 2500-2700 МГц 50 Ом Вертикальная, 3600 11 dbi
150
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 11 (20), 2015 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Перспективы развития антенн BTS на ближайшие годы
Как следует из выше изложенного, наиболее перспективными антенными системами для базовых станций ССМС являются цифровые адаптивные антенные решетки, позволяющие работать в любом из существующих на сегодняшний день стандартов мобильной связи (GSM; семейство, так называемых, стандартов 3G(UMTS) ;4G(LTE); WiMAX; Wi-Fi), в том числе в сетях, использующих MIMO.
При выборе антенн UMTS проектировщики исходят из необходимости обеспечения:
• максимально высокой надежности и долговечности антенных систем:
• совместимости с имеющейся сетевой инфраструктурой и действующей в сети системой управления:
• удобства монтажа и технического обслуживания
• возможности дистанционного мониторинга и изменения основных параметров антенных систем:
• эстетичного внешнего вида.
Имеющиеся на рынке антенны для базовых станций ССМС имеют сходные электрические параметры, однако имеющиеся конструктивные особенности оставляют почву для детального анализа всех параметров антенн с целью оптимального выбора антенной системы.
Наиболее исчерпывающие результаты даёт сравнение оцифрованных диаграмм направленности, которое позволяет наглядно оценить уровень первого верхнего бокового лепестка ДН, и тенденцию его изменения при различных углах наклона ДН, величину провала (Null-fill) между основным и нижним боковым лепестком, а также характер излучения антенны в задней полусфере.
Наметившаяся в последнее время тенденция к передачи части функций обслуживания сторонним организациям, в основном, поставщикам оборудования или их аффилированным компаниям, придает вопросу выбора антенных систем стратегический характер.
При решении этого вопроса оператору приходится принимать во внимание не только собственный опыт использования того или иного оборудования, но и возможности поставщика по ведению региональных проектов развития фрагментов сетей, включая вопросы проектирования, строительства, поставки, монтажа оборудования, его технического обслуживания, обучения кадров.
Литература
1. Popovs V GSM standarta sunu mobilo sakaru sistemas. Projektesanas problemas. Riga: RTU Izdevnieciba, 2003. 362
lPP.
2. Попов В.И. Основы сотовой связи стандарта GSM.
Москва: Эко-Трендз, 2005. 296 с.
3. Lee W.C.Y. Mobile Cellular Telecommunication Systems. MeGraw Hill, New Jork, 1989.
4. Mobile Antenna Systems. Hand book. Ed. K.Fujimoto,
J.R.James. Artech House, Jnc.1994.
5. Radio wave Propagation and Antennas for Personal Communications. Siwiak Kozemirz. Artech House, Jnc.1998.
6. The mobile communication. Hand book. 2d Ed. Editor. -
J.D.Gibson. IEEE PRESS, 1999.
7. Wong Kin-Lu. Planar Antennas for Wireless Communications. New York: Wiley-Inter science. 2003, 301 p.
8. K. Fujimoto, and J.R. James (editors), Mobile Antenna Systems Handbook, 2nd edition, Artech House, 2001, 710p. Плуцкий А. Интеллектуальная антенна для сотовых сетей 3G. , www.antenna.ru.
Norbert Ephan Roland Gabriel. Base-Station-Antennas for optimized. Mobile Communication Networks, KATHREIN-Werke KG, Postfach 100 444,83004 Rosenheim, Germany.
4G Americas MIMO and SMART antennas for Mobile and Broadband Systems. - October 2012 - All Rights Reserved Бакулин М. , Варукина Л., Крейнделин В. Технология MIMO. Принципы и алгоритмы . М.:: Горячая Линия -Телеком, 2014,
9. Тей За У Антенные системы базовых станций сотовой связи третьего поколения.
Диссертация на соискание ученой степени к.т.н., Москва, МАИ, 2009, 107 с.
10. UMTS The Fundamentals. B. Walke, R Seidenberg, M. P. Althoff. 2001 Schlembach Verlag, Weil der Stadt, Germany, 2003 John Wiley ft Sons, Ltd.
11. LTE, LTE-ADVANCED AND WiMAX. TOWARDS IMT-ADVANCED NETWORKS. Abd-Elhamid M. Taha and Hossam S. Hassanein, Najah Abu Ali.
2012 John Wiley & Sons, Ltd.
12. O'Shea D. MIMO on the March. Apr. 24, 2006.
13. Shekh K., Gesbert D., Gore D., Paulraj A. Smart antennas for broadband wireless access network. IEEE Communication Magazine. Nov. 1999.
14. Popovs V., Skudnovs V., Vasiljevs A. Antenna systems of base transceiver stations in cellular mobile networks. Modern state and perspective of development. In: 56nd. International Scientific Conference. October 12-14, 2015, Riga: Riga Technical University, Transport and Engineering, Railway Transport, 2015.
15. Строганова Е.П. Интеллектуальные антенны для сетей 3G. Журнал "Технологии и средства связи" #6, 2008.
16. Парнес М. Адаптивные антенны для системы связи WiMax. Журнал «Компоненты и технологии» №4, 2007.
17. Sergeev I.Yu. “Circular Multiuser Beam-Free Phased Array Antenna for Wireless Communications and Comparison with the Standard Multisector Antennas”, GEOSCAN, Moscow. IEEE 2011.
18. Flavio Boano. Alcatel WiMax. Enhanced Radio Features. CAMAD 2006 Trento.
Kathrein Antennen and Electronic catalogue, Edition: February 2012, Issue 02/12 v.1, www.kathrein.com Научно-производственное предприятие Антэкс, web-каталог, 2015, www.antex-e.ru
Летов И. Сотовая связь. История, стандарты, технологии.
Web-издание, 2015, www.celnet.ru
Голубев А. Антенны для базовых станций сетей UMTS.
Интернет журнал «Фемтосота», http://femtosota.blogspot.
co.il
Paul Jeffery CEng, MIET. Antenna quality impacts mobile network performance. Alpha Wireless Ltd., Ashgrove Business Centre, Ballybrittas, Portlaoise, Co. Laois, Ireland.
