Устройство базовых станций сотовой связи

Как известно, покрытие любой сети сотовой связи представляет собой ячеистую (сотовую) структуру, образованную с помощью базовых станций (БС). Каждая базовая станция может обслуживать одну и более сот в зависимости от конфигурации сети и потребности в емкости и качестве покрытия в заданной области. Оборудование базовой станции в наиболее общем случае может быть разделено на 3 составляющих: приемопередатчики, антенно-фидерное устройство (АФУ) и вспомогательное оборудование (системы кондиционирования, электроснабжения, пожаротушения, охранный комплекс и др.). Возможных способов реализации БС не счесть. В зависимости от поколения, емкости, используемого стандарта, области покрытия БС может быть выполнена как в отдельно стоящем контейнере в сочетании с 72-х метровой мачтой, так и в виде небольшого компактного кейса для покрытия внутри зданий – femto сота. Рассмотрим наиболее типичные случаи реализации полномасштабных БС для покрытия как в городских условиях, так и за городом.

Самым типичным способом размещения оборудования БС является установка специальной башни или мачты, у подножия которой располагаются один или несколько контейнеров для приемопередающего оборудования. Основная цель установки антенно-мачтового сооружения является размещение антенно-фидерного устройства. Оно включает в себя комплекс антенн для создания радио покрытия всенаправленного, но чаще секторного типа, а также фидеров, которые связывают антенны с приемопередающим оборудованием. Кроме того, в загородной местности часто вместе с антеннами используются усилители сигнала в направлении uplink – МШУ (малошумящие усилители), которые расширяют зону действия БС. Также башня необходима для размещения транспортного оборудования, если используются РРЛ (радиорелейные линии связи). В их состав обычно входит направленная параболическая антенна, радио модуль, преобразующий низкочастотный сигнал в высокочастотный для передачи к удаленной стороне и отдельный фидер, передающий низкочастотный сигнал от оборудования БС или отдельного транспортного модуля внутри аппаратной.

Контейнер вмещает приемопередатчики, транспортное оборудование, а также оборудование, предназначенное для обеспечения бесперебойной работы БС и безопасности. Приемопередающее оборудование обычно сочетает в себе блок управления, приемопередатчики (TRX) и комбайнеры, которые сочетают радиосигнал от различных антенн и TRX в разных конфигурациях. В аппаратной может быть расположено оборудование, работающее в нескольких частотных диапазонах или даже различных стандартах и поколениях (2G и 3G). На БС, расположенных вдали от крупных населенных пунктов обычно используют РРЛ для образования транспортных каналов к контроллеру базовых станций. Однако в некоторых случаях используются ВОЛС, электрические проводные линии связи или спутниковую связь. Неотъемлемым элементом оборудования БС является система энергоснабжения. Обычно это специальный источник постоянного тока 48В, запутываемый переменным напряжением 220 или 380В. Он также осуществляет переключение на АКБ (аккумуляторные батареи) в случае пропадания внешнего питания и обеспечивают их подзарядку — после возобновления. Любая аппаратная БС оборудуется системой поддержания рабочих значений температуры и влажности воздуха. Обычно это сплит-система, одна или две работающие либо попеременно, либо как активный/резервный. Обычно любое высотное сооружение должно быть обозначено специальными заградительными огнями, обеспечивающими его обнаружение пилотами авиации в условиях плохой видимости или ночью. Поэтому в аппаратной также можно найти дополнительный источник питания и комплект АКБ для питания системы освещения башни.

Для размещения БС в городах редко устанавливают отдельные башни, т.к. это и дорого, и не эффективно. Поэтому обычно антенны устанавливают на жилых и промышленных зданиях и сооружениях, а также дымовых трубах и других существующих конструкциях башенного типа. Главное требование, что место размещения соответствовало всем гигиеническим нормам установки таких объектов. Такой способ размещения оборудования обычно не меняет состав БС. Контейнер при этом обычно заменяется выгородкой на чердаке или техническом этаже или отдельным помещением в здании, а антенны и фидеры часто маскируются под облик здания, чтобы не портить его внешний вид.

Кроме контейнерного способа размещения оборудования, многие производители предлагают устанавливать специальные outdoor БС. Для их размещения не требуется отдельного помещения, а все оборудование помещается в специальных термобоксах и может крепиться в любом удобном месте: стене, крыше, чердаке и т.п. Это значительно экономит операционные затраты компании. Однако главный минус таких БС заключается в невысокой емкости и сложности расширения их емкости. Поэтому они не находят столь же широко применения как и БС с контейнером.

Также в последнее время многие производители предложили, так называемые, бесфидерные решения. При этом приемопередающее оборудование разделяется на две части: одна устанавливается в контейнере БС и служит основным блоком управления и обработки сигнализации, а также предоставляет интерфейсы к контроллеру базовых станций. Другая часть устанавливается в непосредственной близости от антенн и преобразует сигнал, принятый от блока управления в высокочастотный радио сигнал, передаваемый к антеннам по фидерам. Обе части между собой соединятся обычно с помощью оптического патчкорда или реже витой пары. При этом экономия на длине фидера может достигать десятки раз, что соответственно значительно уменьшает затухание и упрощает прокладку. Особенно широкое распространение такая схема получила для реализации БС 3G.

При использовании материалов ссылка на сайт обязательна

Антенно-фидерное устройство: принцип работы

Устройство антенно-фидерной системы должен знать каждый, кого интересует передача сигналов в радиотехнических системах (радиовещания, радиосвязи, телевидения). Следует отметить, что в данном случае предусматривается возможность общения в обе стороны. Фидер передает электромагнитные колебания от передатчика к антенне (которая излучает/принимает сигнал) и от нее к приемнику. Об этом и поговорим.

Про антенны

Так называют устройства, главное предназначение которых — прием или излучение электромагнитных волн. Антенны являются неотъемлемой частью любого радиопередающего и радиоприемного устройства. Следует отметить, что в зависимости от целевого назначения меняется функциональная роль. Например, передающая антенна преобразовывает ток высокой частоты в энергию электромагнитных волн. Может быть и такое, что она является многофункциональной, и может быть еще и приемной. В таком случае улавливаются электромагнитные волны и преобразовываются в энергию высокочастотных колебаний. Такая версия устройства является наиболее предпочтительной благодаря своим технико-экономическим характеристикам.

Про фидер

Это совокупность устройств, благодаря которым энергия подводится от передатчика к антенне и от нее к приемнику. Часто их еще называют фидерным трактом. Конструктивное исполнение напрямую зависит от диапазона частот, которые передаются по нему. Фидер может также излучать волны. Но это возможно только в тех случаях, когда соседние участки двух проводов обтекаются токами, которые совпадают по фазе. Их поля в таком случае взаимно усиливаются. Кстати, на этом эффекте можно реализовать антенны.

Они в таком случае называются синфазными, и следует отметить, что получили весьма широкое распространение. Также могут быть излучения фидера в тех случаях, когда расстояние между проводами по определенным направлениям приобретает существенную разность хода. Следует отметить, что можно подобрать такое значение, при котором произойдет сложение волн. На этом принципе также работают антенны, которые называются противофазными.

Возвращаемся к нашему устройству

Проектирование антенно-фидерных устройств с последующим созданием требует, чтобы отдельные понятия сложились в целостную систему. Итак, если есть радиоканал, сформированный из передающей и приемных антенн, а также тракт распространения, то его можно рассматривать как пассивный линейный четырехполюсник. В чем заключается его особенность? Если в нем электродвижущую силу и нагрузку поменять местами, то параметры системы не изменятся. То есть приемную антенну можно сделать передающей и наоборот. Это свойство называют принципом взаимности. Из него вытекает обратимость процессов передачи и приема. Именно благодаря этому можно обходиться одной антенной, которая выступает в обеих ролях. А это позитивно сказывается на технико-экономических показателях системы радиосвязи, что и способствовало массовому использованию данного принципа.

А что бы почитать по этой теме?

Забегая вперед, следует признать, что данная тема является весьма обширной. Поэтому если после прочтения статьи останутся вопросы, то лучше обратиться к толковым книгам. В качестве первого образца можно посоветовать ту, которую написал Драбкин: «Антенно-фидерные устройства». Данная книга была издана в 1961 году. Но несмотря на свой возраст и довольно существенное устаревание, она еще может быть полезной. Хотя бы тем, что в ней рассматриваются основополагающие теоретические положения, которые полезно изучить всем, кого интересует данная тема.

Книга Драбкина является учебником по антенно-фидерным устройствам. Вообще-то, она предназначена для радиоинженеров и студентов радиотехнических факультетов, но если тема действительно интересует, то разобраться в ней сможет практически любой человек. Особенно следует отметить рассмотрение теории антенн, проволочные, сверхвысокочастотные и самолетные образцы, специфику измерения электрических параметров. Хотя только этим, разумеется, перечень не ограничивается.

Из более современных авторов заслуживает упоминания Ерохин Г. А., «Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн» — это весьма современная и одновременно толковая книга. Можно посоветовать обратить внимание на второе издание, выпущенное в 2004 году. В книге излагаются теоретические положения и, что особенно хочется отметить, много внимания уделено вопросам, которые непосредственно относятся к проектированию и эксплуатации систем телевидения, радиосвязи и радиовещания. За это следует воздать хвалу, которую вполне заслуживает Ерохин. «Антенно-фидерные устройства…» этого автора — действительно полезная книга.

Какие параметры антенн необходимо знать?

Но давайте вернемся к теме статьи. Чтобы определить значение параметров, используют анализатор антенно-фидерных устройств или рассчитывают с помощью формул. Это необходимо для получения прибора с нужными характеристиками. Вот список, на что следует обращать внимание:

1. Излучающая мощность электромагнитных волн. Сила и количество волн, которые от антенны идут в свободное пространство. Подразумевается активная мощность, ведь излучение постепенно рассеивается в пространстве, что окружает антенну. Ее можно выразить через сопротивление.
2. Мощность потерь. Под этим подразумевается значение, которое бесполезно теряется передатчиком при прохождении по проводам антенны тока. Может учитываться значение земли и предметов, при условии, что они расположены вблизи антенны. Также является активным параметром и может быть выражено через сопротивление.

Продолжаем перечислять параметры

Также следует помнить:

1. Мощность в антенне. Значение, что отображает энергию, подводимую от передатчика. Представляется в виде суммы двух предыдущих параметров.
2. Коэффициент полезного действия.
3. Входное сопротивление антенны. Под этим подразумевается значение, которое есть на входных зажимах. Характеризуется наличием ре/активной составляющих. Самый лучший вариант – это настройка в резонанс. В таком случае для генератора дается активная нагрузка, и устройство используется с максимальной эффективностью.
4. Направленность антенны. Под этим подразумевается способность излучать электромагнитные волны в определенную сторону. Для того чтобы судить о данном свойстве, используют диаграмму направленности.

Остальные параметры

Кроме перечисленных, следует знать:

1. Коэффициент направленного действия.
2. Рабочий диапазон. Более специализированно используется понятие полосы пропускания антенны. Так называется интервал частот, где ширина главного лепестка диаграммы направленности не выходит за установленные пределы, коэффициент усиления характеризуется как достаточно высокий, а с фидерным трактом согласование существенно не ухудшается. При этом должно быть небольшим отражение. Это требуется для снижения переходных шумов в каналах, присутствующих из-за наличия попутных потоков.
3. Коэффициент защитного действия. Он используется для определения степени ослабления сигналов антенной, которые принимаются из побочных направлений.

Работа с волнами

Монтаж антенно-фидерных устройств осуществляется исходя из того, где и в каком диапазоне они будут использоваться. При этом необходимо добиться, чтобы направленные свойства были хотя бы в одной плоскости. При малой длине антенны выходят достаточно компактные. Это позволяет делать их вращающимися и получать значительный выигрыш в мощности, понижая одновременно взаимные помехи радиостанций. Ну и куда без этого – осуществлять связь в любом желаемом направлении.

В диапазоне метровых волн для удобства использования часто применяют разнообразные не/симметричные вибраторы. Хотя это далеко не единственный вариант. Из-за размера антенны метрового диапазона довольно проблематично перемещать вручную. Давайте рассмотрим это подробнее.

Чем отличаются волны разной длины?

Отличить по предназначению можно по специфическим особенностям. Следует отметить, что в ряде случаев можно использовать однотипные антенны для работы в смежных диапазонах. Вот их список:

1. Антенны длинных волн. Обладают большими геометрическими размерами. Но несмотря на это, все же значительно меньше длины волны. Высота устройства редко когда превышает 0,2 от ее величины.
2. Антенны средневолнового диапазона. Характеризуются тем, что соразмерны с длиною волн. Отличаются более высоким сопротивлением излучению, нежели предыдущий вариант. Благодаря этому коэффициент полезного действия может достигать 80%. Диаграмма направленности для этих устройств обладает видом вытянутой вдоль поверхности земли восьмерки. Правда, из-за этого поступающие из атмосферы сигналы существенно ослаблены.
3. Антенны коротких волн. К ним предъявляют специфические требования. Но это не на пустом месте, а напрямую связано с особенностями распространения этого диапазона. Для обеспечения устойчивой связи выбирают несущую частоту передатчика в зависимости от времени года и суток.
4. Антенны ультракоротких волн. Они отличаются высоким коэффициентом полезного действия и узкой диаграммой направленности. Связано это с тем, что размеры антенн примерно равны длине рабочих волн.

Обслуживание

Чтобы устройство работало без проблем, необходимо своевременно заниматься его профилактикой. Если говорить о текущем осмотре объектов, то к ним относятся:

1. Антенны.
2. Фидеры.
3. Радиорелейная связь.
4. Фундамент (это и дальше для крупных стационарных объектов).
5. Конструкции опоры.
6. Оттяжки мачт, а также их крепления.
7. Помещения (контейнера) базовой станции.
8. Конструкции крепления основы к фундаменту.
9. Прилегающая территория.

При этом следует уделить внимание таким моментам:

1. Состоянию аппаратуры.
2. Коррозийным и механическим повреждениям.

Кроме текущего, есть еще и планово-периодическое обслуживание антенно-фидерных устройств. Оно предполагает проведение более капитальной проверки, так называемого ревизионного осмотра и осуществление ремонта.

Подведение итога

Вот и рассмотрено, что собой представляют антенно-фидерные устройства. Предоставленной информации, скорее всего, не хватит для того, чтобы соорудить собственный рабочий прибор. Но вот обеспечить необходимым теоретическим минимумом, чтобы двигаться дальше, надеемся, у нас получилось. А если читатель подкован в этих вопросах, то возможно, уже разобрался, что и как нужно делать.