План:

1. Построение сотовой связи.

2. Структура сотовой связи.

3. История развития сотовой связи.

Сотовая связь - это наиболее современная и быстро развивающаяся область телекоммуникаций. Сотовой она называется потому, что территория, на которой обеспечивается связь, разбивается на отдельные ячейки или соты.

Как правило, в каждой соте абонент получает одинаковый набор услуг и в определенных территориальных границах получает эти услуги по равной цене. Таким образом, перемещаясь от одной соты к другой абонент не чувствует территориальной привязанности и может свободно пользоваться услугами связи. Также важным моментом является непрерывность соединения.

Перемещаясь соединение, установленное абонентом (голосовой звонок, пакетная передача данных) не должны прерываться. Это обеспечивается багодаря так называемому хэндовеу (Handover). Соединение установленное абонентом как бы похватывается соседними сотами по эстафете, а абонент продолжает неподозревая разговаривать или путешествовать по просторам сети Интернет.

Итак, рассмотрим из чего же состоит сеть сотовой связи. Вся сеть делиться на две подсистемы: подсистема базовых станций и подсистема коммутации.

Основными элементами подсистемы базовых станций (как не трудно догадаться) являются сами базовые станции (BTS ). Они то как раз и создают те соты, о которых говорилось в начале. Каждая базовая станция, как правило, обслуживает три соты. Радиосигнал от базовой станции излучается через 3 секторные антенны, каждая из которых направлена на свою соту. Иногда можно встретить ситуацию, когда на одну соту направлены сразу несколько антенн одной базовой станции. Это связано с тем, что сеть сотовой связи работает в нескольких диапазонах (900 и 1800). Кроме того, на данной базовой станции может присутствовать оборудование сразу нескольких поколений связи (2G и3G ).

Наболее привычным местом размещения базовой станции является башня или мачта, построенная специально для нее. Однако, в условиях городской местности трудно найти место под размещение массивного сооружения. Поэтому в крупных городах базовые станции размещаются на зданиях. Кроме того, в последнее время появляются мобильные варианты базовых станций, размещенных на грузовиках. Их очень удобно использовать во время стихийных бедствий или во местах массового собрания людей (футбольные стадионы, центральные площади) на время праздников, концертов, футбольных матчей. Но, к сожалению, из-за проблем в законодательстве широкого применения они пока не нашли.

Базовая станция на башне

Базовая станция на крыше здания

Мобильная базовая станция

Как это ни странно, но сотовые операторы часто разрешают своим конкурентам использовать свои башенные сооружения для размещения антенн (Естественно на взаимовыгодных условиях). Это вызвано тем, что строительство башни или мачты - это дорогое удовольствие, и такой обмен позволяет сэкономить не мало средств!

От подсистемы базовых станций сигнал передается в сторону подсистемы коммутации, где и происходит установление соединения с нужным абоненту направлением. В подсистеме коммутации есть ряд баз данных, в которых хранятся сведения об абонентах. Кроме того эта подсистема отвечает за безопасность.

Мы рассмотрели основные элементы сети сотовой связи. Здесь конкретно применялись термины стандарта GSM . Однако, и в предыдущих, и в последующих стандартах присутствуют аналогичные элементы и функции, лишь под другими названиями

Радиосвязь организуется не только с помощью сетей фиксированной радиосвязи, но и с использованием сетей с подвижными объектами (СРПО).

Сеть радиосвязи с подвижными объектами – это совокупность технических средств, с помощью которых можно предоставлять подвижным объектам связь между собой и с абонентами телефонной сети. Она предназначена для обслуживания абонентов при международном, национальном и региональном передвижениях (роуминг) и позволяет обеспечивать связь между абонентами при пересечении ими границ разных географических зон.

Сети радиосвязи с подвижными объектами классифицируются по нескольким признакам (рис. 3.8) . Технологические СРПО принадлежат определённым ведомствам и службам (газовая промышленность, железнодорожный транспорт, скорая помощь, пожарная охрана и др.). Они предназначены для предоставления услуг радиосвязи ограниченному контингенту физических и юридических лиц.

Классификация сетей радиосвязи с подвижными объектами

Технологические СРПО подразделяются на диспетчерские, транкинговые и радиосети передачи данных. Диспетчерские СРПО предназначены для радиотелефонной связи должностных лиц органов управления с подчинёнными подвижными объектами, а также абонентов между собой.

Сотовые СРПО относятся к общедоступным сетям наземной радиосвязи с подвижными объектами, которые предоставляют абонентам все виды услуг обычной телефонной связи. Они построены в виде совокупности сетей, покрывающих обслуживаемую территорию, в которых для обеспечения эффективного использования выделенного частотного ресурса и высокой ёмкости сети применяется повторное использование частот.

Транкинговые (радиальные и радиально-зоновые) сети предназначены для предоставления услуг связи в основном абонентам ведомственных сетей на базе реализации многостанционного доступа к небольшому числу радиоканалов с ограниченным выходом или без выхода на телефонную сеть общего пользования. Транкинговые сети позволяют заменить сети радиосвязи с фиксированным распределением частот и осуществить интеграцию в рамках одной сети связи различных групп пользователей с целью повышения эффективности применения радиочастотного спектра.

С топологической точки зрения сеть сотовой связи строится в виде совокупности ячеек, или сот, покрывающих обслуживаемую территорию. Общая структура сети сотовой радиосвязи с подвижными объектами показана на рис. 3.9 .

Структура сотовой сети радиосвязи

Сотовая структура сети основана на принципе повторного использования частот – главном принципе сотовой сети. Элементами сотовой сети, кроме того, являются:

– центр коммутации;

– базовые станции;

– подвижные станции, или абонентские радиотелефонные аппараты.

Базовая станция (БС) сотовой связи обслуживает все подвижные станции в пределах своей ячейки, при этом ресурс для установления соединений базовая станция предоставляет по требованию подвижных абонентов, как правило, на равноправной основе.

При перемещении абонента из одной ячейки в другую происходит передача его обслуживания от одной базовой станции к другой. Все базовые станции сети, в свою очередь, замыкаются на центр коммутации, с которого имеется выход в единую сеть электросвязи РФ.

В настоящее время широко используется общеевропейский стандарт GSM-900. В этом стандарте передатчики подвижных станций работают в диапазоне частот 890–915 МГц, передатчики базовых станций – в диапазоне 935–960 МГц. Между диапазонами приёма и передачи предусмотрен постоянный разнос в 45 МГц. Каждый из поддиапазонов разбит на 124 частотных канала с шагом 200 кГц. Максимальная дальность связи 35 км.

В стандарте GSMобеспечивается высокая степень безопасности передаваемых сообщений за счёт их шифрования по алгоритму шифрования с открытым ключом. Функциональное сопряжение элементов системы осуществляется рядом интерфейсов.

В технологии построения транкинговой связи используется принцип, при котором конкретный канал закрепляется для каждого сеанса связи индивидуально в зависимости от распределения нагрузки в системе, а трафик нагрузки в основном замыкается внутри сетей. Выход абонентов на сеть телефонной связи общего пользования (ТфОП) ограничен.

В настоящее время используют радиальные и радиально-зоновые транкинговые сети. Такая сеть включает:

– базовую станцию, состоящую из антенно-фидерного устройства, модулей приёмопередатчиков, контроллеров для каждого модуля приёмопередатчика и базового контроллера;

– зоновое оборудование (станцию), состоящее из автономных ретрансляторов, соединительных линий с сетью общего пользования и контроллеров;

– оборудование управления, состоящее из системного терминала «менеджер системы», пультов диспетчера.

В транкинговых сетях, построенных по радиальному принципу, весь канальный ресурс закрепляется за одной центральной базовой станцией (ЦРС). Антенна такой станции размещается в наиболее высокой точке предполагаемого обслуживания рис. 3.10 . Примером такой архитектуры является советская сеть радиосвязи «Антей», созданная в 1960 г.

Структура транкинговой сети, построенной по радиальному принципу

Рассматриваемая схема имеет ряд недостатков, в частности, для расширения зоны обслуживания необходимо увеличить мощность абонентской станции (АС), что соответственно повышает общий уровень помех.

При небольшом количестве абонентов увеличения зоны обслуживания можно добиться, используя радиально-зоновый принцип. Формируется так называемая односотовая сеть с несколькими точками размещения антенн и с вещанием на общей волне. В этом случае наряду с главным пунктом размещения антенны (УКС) имеется ряд вспомогательных пунктов (ЗКС), соединённых линиями связи с главным (рис. 3.11) .

Структура транкинговой сети, построенной по радиально-зоновому принципу

В общем случае технология построения транкинговых сетей предусматривает следующее:

– использование метода свободного выбора незанятого канала радиодоступа из выделенного в каждой зоне обслуживания пучка каналов. Это достигается образованием общего для всех пользователей в каждой зоне служебного (сигнального) канала, по которому в соответствующую базовую станцию поступают сигналы вызовов, включая идентификацию вызываемого абонента, а также номер вызывающего абонента;

– они не обеспечивают непрерывной связи при пересечении абонентами границ зон радиоприкрытия базовых станций. «Эстафетная передача» заменена операцией повторного вхождения в сеть при ухудшении качества связи, обусловленного переходом пользователя из одной зоны в другую;

– наделение базовых станций функциями локального управления сотами путём непосредственного соединения абонентов, находящихся в зоне обеспечения, через локальный коммутатор, а также подключением подвижных пользователей к местной автоматической телефонной станцией (АТС), имеющей прямые выходы на локальный коммутатор базовой станции или через диспетчерский пункт.

Недавно Мегафон Поволжье устроил техническую презентацию передвижной базовой станции. На это мероприятие были приглашены журналисты, и вот в результате появились в том, числе и посты в блогах. Я нашел два:Обе записи объединю в одну. Во-первых пишут про одно и то же, во-вторых оба поста достаточно поверхностные и короткие, так что смысла делать две записи не вижу.
Не особо интересно для тех кто в теме, но пусть будет, может какие-то интересные детали найдете на фотографиях.

Как устроена передвижная базовая станция сотовой сети

Оригинал взят у cheger в Как устроена передвижная базовая станция сотовой сети

В начале этой недели Мегафон показал журналистам очень интересную вещь - мобильную базовую станцию, которая оборудована на базе Камаза вездехода. Я, как человек непосредственно связанный с сотовыми сетями и в частности передачей данный по каналам сотовой связи, не раздумывая принял предложение посмотреть, как это реализовано у Мегафона, тем более что таких мобильных станций во всей России раз до обчелся.

Этот мобильный комплекс обеспечивает радиопокрытие сетей 2G/3G/4G+, тем самым предоставляя абонентам надежный доступ к услугам связи и передачи данных. Она независима от стационарных объектов связи, что позволяет разворачивать ее практически на любой территории и использовать для создания покрытия там, где это необходимо. С ее помощью можно обеспечить надежный уровень сигнала в поле, лесном массиве, в местах где нет жилой инфраструктуры. Также, используя станцию можно значительно увеличить емкость сети, например, во время проведения массовых городских мероприятий, футбольных матчей, концертов и т.д. Кстати, нижегородцы могут сами посмотреть на вышку, которую хорошо видно при выезде из города в районе Щербинок, где эта конструкция развернута для тестовых нужд.

С погодой нам немного правда не повезло, но всем желающим выдали дождевики, хотя они там и не понадобились - дождь так и на начался.

Благодаря работе комплекса совершать звонки и пользоваться мобильным интернетом данных могут несколько тысяч человек. Максимальная скорость передачи данных - 300 Мбит/сек.

«Станция на колесах» оборудована телескопической антенной мачтой высотой 30 метров, которая складывается и раскладывается благодаря гидравлике. Она обеспечивает устойчивый сигнал в радиусе до 30 километров в зависимости от рельефа местности и при любых климатических условиях. Чтоб развернуть вся систему надо от 3 до 6 часов, что ну очень быстро!

Кстати, забавно, но рядом с тестовой площадкой, где развернули систему, стоят симпатичные частные домики, местная Рублевка, отчего многие решили, что это хозяева этих особняков заказали себе быстрый мобильный интернет=)

Шутки шутками, а мы давайте продолжим экскурсию по станции. Весит вся эта махина чуть больше 20 тонн

Помимо оборудования, обеспечивающего работу мобильной связи, комплекс укомплектован всем необходимым для автономной работы: топливом на 7 суток, электрогенератором, системами отопления и кондиционирования, местом и оборудованием для приготовления пищи и спальными местами для персонала. Экипаж комплекса состоит из пяти человек.

"Экипаж спит не здесь, не волнуйтесь" - шутит Олег Абрамкин, наш экскурсовод. Да, сразу хочется выразить благодарность ему и его коллегам, которые бойко оборонялись от потока наших вопросов. Кстати, в свободное время Андрей подрабатывает руководителем по эксплуатации базовых станций Центрального филиала компании "МегаФон".

Питание полностью автономное, причем если есть доступ к центральной электросети, то подключиться и к ней, а не жечь солярку.

Дизель-генератор

Здесь в сложенном состоянии вышки находятся все провода

Складывается и раскладывается вышка с помощью гидравлики, после чего укрепляется металлическими тросами за ввинченные в землю трубки

Эти тросики служат для управления запорами каждого колена вышки.

Вышка выдерживает практически любой ветер

Жилой отсек и отсек с аппаратурой находятся внутри кунга.

Внутреннее помещение поделено примерно пополам, в жилом есть две кровати, точно как в поезде, кондиционер, микроволновка, ноутбук, холодильник - в общем все, что нужно оператору для автономного существования

Собственно, оборудование станции. Оно расположено в дальней части и обычно огорожено от жилого помещения выдвижной дверью

В том месте, где сейчас развернута станция, при выключенном оборудовании, нет LTE, только 3G. Вот что показывает Speedtest у меня на телефоне

А вот что показывается Speedtest при включенной мобильной станции.

Как видно, сразу появилась LTE и скорость выросла буквально в 10 раз

«В арсенале «МегаФона» имеется несколько передвижных мобильных станций. В прошлом году мы запустили в эксплуатацию комплекс на базе микроавтобуса «Ford Transit» и активно использовали его на всей территории Центрального филиала, в том числе в Нижегородском регионе. Так, с его помощью компания обеспечила связь во время фестиваля «Alfa Future People». Между тем, технические возможности мобильных станций позволяют организовать радио покрытие сотовой сети в рамках более масштабных событий, таких как, Олимпиада в Сочи или предстоящий Чемпионат мира по футболу-2018», - добавил директор по инфраструктуре Центрального филиала компании «МегаФон» Андрей Абрамов.

А вот и второй репортаж

Мобильная базовая станция. Как это работает?

Оригинал взят у s1rus в Мобильная базовая станция. Как это работает?

Во время чрезвычайных ситуаций и массовых мероприятий, которые проводятся в лесах, полях или в других отдаленных от жилой инфраструктуры местах, может возникнуть проблема с сотовой связью или интернетом. Для решения подобных задач существует мобильная базовая станция. Она независима от стационарных объектов связи, что позволяет разворачивать ее практически на любой территории и использовать для создания покрытия связи там, где это необходимо.
В арсенале Центрального филиала компании «МегаФон» имеется несколько передвижных мобильных станций: комплекс на базе микроавтобуса «Ford Transit» и КАМАЗ-43118. Форд уже успел зарекомендовать себя во время проведения «Alfa Future People», с его помощью компания обеспечила связь на протяжении всего фестиваля. Второй же комплекс появился недавно, что дало возможность разобраться в особенностях мобильной базовой станции.

1. Так выглядит передвижная базовая станция на базе грузового автомобиля повышенной проходимости КАМАЗ-43118. Комплекс обеспечивает радиопокрытие сетей 2G/3G/4G+. Совершать звонки и пользоваться мобильным интернетом могут несколько тысяч человек. Максимальная скорость передачи данных - 300 Мбит/сек. Общий вес составляет 20.5 тонн.

2. «Станция на колесах» оборудована телескопической антенной мачтой высотой 30 метров, обеспечивающей устойчивый сигнал на 10-20 километров в зависимости от рельефа местности и климатических условий. На нее устанавливаются приемо-передающие антенны.

3. Для надежной и стабильной работы комплекса необходимо выровнять машину с помощью гидравлических платформ и закрепить мачту с помощью растяжек, дырки для которой сверлят мотобуром, а потом завинчивают метровые штыри. На развертывание станции требуется от 3 до 6 часов.

4.

5.

6. Экскурсию проводил Олег Абрамкин - руководитель по эксплуатации базовых станций Центрального филиала компании "МегаФон".

7.

8. Когда есть возможность, станция подключается к местной электросети, когда нет - работает автономно. Дизель-генератор с мощностью 19 кВт позволяет работать автономно 7(!) дней. Под максимальной нагрузкой расход топлива составляет 6 литров в час.

9.

10.

11. Станция способна работать в любую погоду, которая бывает в центральном регионе России.

12. Если развернуть МБС в районе, где покрытие уже достигло теоретического максимума по частотному распределению (центр мегаполиса, например), улучшится только уровень сигнала, но не количество одновременно звонящих абонентов.

13.

14.

15. Помимо электрогенератора мобильный комплекс укомплектован всем необходимым для автономной работы: системами отопления и кондиционирования, оборудованием для приготовления пищи и спальными местами для персонала. Экипаж комплекса состоит из пяти человек.

16.

17. Оборудование базовой станции.

18.

19.

20.

21.

22. Какие учения без постоянной проверки скорости интернета? Мобильный комплекс показал результат, который меня удивил - 70 Мбит/c! У меня дома меньше, а тут лес и поле.

23.

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

Базовые станции. Общие сведения

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

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

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

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

Зона обслуживания базовых станций

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Антенны базовых станций. Заглянем внутрь

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

А ниже вид типовых диаграмм направленности в логарифмическом масштабе.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Многодиапазонные антенны

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

И в заключении немного о вреде БС

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

Термины «базовая станция» и «вышка сотовой связи» давно и прочно вошли в наш лексикон. И если средний пользователь вспоминает об этих вещах не так часто, то уж «сотовый телефон» по привычности явно входит в десятку лидеров. Сотовой связью ежедневно пользуются сотни миллионов людей, но очень мало кто из них задумывается о том, как обеспечивается эта самая связь. И из этого меньшинства очень немногие действительно представляют всю сложность и тонкость этого инструмента связи.

С точки зрения большинства людей, установка базовой станции сотовой связи является весьма несложным делом. Достаточно повесить несколько антенн, подключить их к сети - и готово. Но такое представление в корне неверно. И поэтому мы решили рассказать о том, сколько тонкостей и нюансов возникает при монтаже базовой станции в условиях мегаполиса.

Осторожно, трафик!

Чтобы наглядно проиллюстрировать свой рассказ, мы подробно задокументировали процесс установки вышки сотовой связи на крыше здания в Москве, по адресу ул. Краснодонская, д.19, корп.2. Это двухэтажное отдельно стоящее административное здание. Мы выбрали именно этот пример потому, что на этой базовой станции не просто смонтирована маленький кронштейн для подвески антенн, а установлена 5-секционная вышка высотой 15 м. Но начнём по порядку.

Подготовка и проектирование

На каждую установленную базовую станцию оформляется комплект документации (толщиной почти 5 см). Помимо прочего, здесь указано множество параметров будущей конструкции: её расположение на объекте, габаритные размеры, общий вес, расположение точек опоры, потребляемые напряжение и мощность, и так далее.

В этой папке собрана исчерпывающая информация:

Проектная документация,
Копии ведомостей, лицензий, сертификатов и заключений соответствия на все элементы, вплоть до гаек и краски,
Рабочая документация на оборудование, металлические конструкции, архитектурно-строительное решение, молниезащиту.
Санитарно-эпидемиологическое заключение о безопасности станции для жителей окружающих домов.

Вернёмся к нашей вышке. После согласования и утверждения проекта, на заводе были изготовлены отдельно платформа и пять сегментов вышки. Поскольку в данном случае речь шла о довольно тяжёлой конструкции, то её необходимо было установить на несущие стены здания. Для этого в кровле были прорезаны отверстия и проведена установка опорных балок. Они играют роль свайного фундамента для платформы, на которую в дальнейшем было смонтировано оборудование станции и вышка с антеннами. Общий вес платформы составил 3857 кг.

Профиль, размеры и количество балок, из которых собирается платформа, толщина стенок, протяжённость сварных швов, используемые метизы - все эти параметры рассчитываются исходя из массы полезной нагрузки, несущей способности стен здания, а также возможных ветровых нагрузок в данном регионе. Конечно, это далеко не единственные критерии, в первую очередь вышка должна обеспечить возможность установки приёмо-передающих антенн на необходимой высоте в зоне видимости соседних базовых станций. Кроме того, конструкция должна быть достаточно жёсткой, чтобы не сбивался луч релейной связи.

Монтаж металлоконструкций

Несмотря на то, что каждая станция оснащается сигнализацией, служба безопасности не всегда успевает приехать вовремя.

На крыше уже установлена базовая станция другого сотового оператора, но её размеры не идут ни в какое сравнение с нашей.

После монтажа платформы, подготавливаются площадки для установки первой секции вышки:

После установки секции, начинается «закручивание гаек»:

Установка вышки на шпильки делается для того, чтобы можно было компенсировать отклонения от вертикали в ходе монтажа и дальнейшей эксплуатации.

Вертикальность конструкции постоянно контролируется с двух точек с помощью теодолитов. Причём измерения проводятся отдельно для каждой секции вышки, и потом журнал измерений будет включён в комплект документов. Впоследствии проводится периодические измерения положения вышки, поскольку под собственным весом и весом оборудования может происходить небольшое спиралеобразное скручивание конструкции (до 50 мм на 72 м высоты).

Аппаратный шкаф, подготовленный к установке на платформу:

Итак, первая секция установлена и выровнена. Монтажники готовятся к приёму второй секции:

Безопасности и комфортности работ уделяется очень большое внимание не только при монтаже, но и при дальнейшем обслуживании. Размер рабочих площадок подобран таким образом, чтобы у инженеров было достаточно места для работы. Установлены ограждения лестниц, проёмы в площадках на вышке закрываются люками, чтобы предотвратить случайное падение. Платформа поднята над плоскостью крыши, чтобы в зимнее время аппаратуру не заметало снегом и не блокировало льдом.

Монтаж остальных секций вышки:

Очередь аппаратного шкафа:

Вышка смонтирована, произведены последние измерения с помощью теодолитов. Отклонения минимальны и строго в пределах допусков. Масса вышки составила 2827 кг, а общая масса всех металлоконструкций - 6684 кг.

Цвета секций стандартные: нижняя и верхняя всегда красные, промежуточные чередуются с белым. На вершине вы можете видеть 4 штыря, являющихся продолжением рёбер вышки - это элементы молниезащиты.

Аппаратура

В результате станция приобрела довольно величественный вид, особенно в сравнении с самим зданием:

На станцию подаётся питание напряжением 380 В (3 фазы), которое потом преобразовывается в 48 В. Мощность взята с запасом - до 10 кВт. Питание подводится в отдельный шкафчик.

Откроем дверцу аппаратного шкафа. В неё встроен кондиционер (сверху) и обогреватель (снизу).

В шкафу в течение всего года поддерживается температура 18…20 градусов Цельсия. Это необходимо для бесперебойной работы оборудования и длительной службы аккумуляторов (они расположены внизу).

Аккумуляторы предназначены для обеспечения работы станции в течение примерно суток в случае отключения внешнего питания.

Сверху находится коммутационный блок и преобразователь напряжения.

Передача информации между системными модулями и приёмо-передатчиками (о них ниже) осуществляется через оптоволоконные кабели. Вот так выглядит разъём в коммутационном блоке. Его ни в коем случае нельзя трогать руками, волокно очень чувствительно к повреждениям и загрязнению.

Все базовые станции сотовой связи подключены к единой информационно оптоволоконной сети, протянутой по всей Москве. Белая бухта под аппаратным шкафом - это как раз кабель, через который подключена данная станция.

Справа от шкафа расположены системные модули GSM, CDMA и LTE:

Эти модули являются сердцем базовой станции, они принимают сигнал с антенн и осуществляют его преобразование и сжатие с дальнейшей пересылкой. Им не страшны осадки, все разъёмы герметизированы, а рабочий диапазон температур от +60 до -50.

Под системными модулями расположены грозоразрядники, которые предотвращают выгорание аппаратуры в случае удара молнии:

Справа над модулями расположены бухты оптоволоконного кабеля, с помощью которого они соединяются с приёмо-передатчиками на вышке.

Перейдём к вышке. На ней установлены приёмо-передатчики отдельно для каждого диапазона (GSM, CDMA и LTE). Они усиливают сигнал от крайне малых значений до 115-120 дБ. Из аппаратного шкафа к ним подводится питание:

Продолговатые вертикальные «ящики» - это и есть антенны. Сзади они экранированы, чтобы защитить обслуживающий персонал от электромагнитного излучения. Поднимемся на площадку.

Приёмо-передатчик GSM:

Приёмо-передатчик CDMA:

Приёмо-передатчик LTE:

По краям к приёмо-передатчику подключены оптоволоконные кабели, в центре - электропитание:

Заземление выведено на вышку:

Кабельные разъёмы и их заглушки на антенне:

Принципиальная схема коммутации оборудования базовой станции:

Мы уже упоминали о том, что проектирование и постройка базовой станции сотовой связи является совсем не таким простым делом, как кажется непосвящённым. Здесь множество нюансов, которые связаны и с конкретным местоположением станции. Например, передача радиосигнала над большой водной поверхностью ухудшается, хотя должно быть наоборот, ведь никаких препятствий нет. Но дело в том, что над поверхностью земли распространяется электромагнитное поле, а большой объём воды работает своеобразным конденсатором, над которым усиливаются помехи радиосигналу. И таких тонкостей множество, поэтому от профессионализма проектировщиков и монтажников напрямую зависит эффективность работы базовой станции. Например, от таких людей, как этот бригадир монтажников, высококлассный специалист-радиоинженер, и просто замечательный человек:

На сегоднешний день в нашей стране почти каждый пользуется мобильной связью, но при этом далеко не все понимают, как именно она функционирует. О том, что мобильная связь и это прежде всего сеть базовых станций, мы задумываемся лишь тогда, когда замечаем возле своего дома или офиса один из таких объектов.

Значительное количество базовых станций и отсутствие достоверной информации относительно установки и работы БС становятся причинами обеспокоенности населения. Ведь отсутствие информации, как известно, мгновенно порождает слухи, домыслы и мифы, приводящие в результате к панике и радиофобии - боязни возможного негативного излучения от базовых станций. Так давайте разберемся, что представляет из себя базовая станция.

Базовая станция — это комплекс радиопередающей аппаратуры (ретрансляторы, приёмо-передатчики), которые осуществляют 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-ю общающимися абонентами. Зона покрытия от антенн базовой станции образует соту, или группу сот. Базовые станции соединены с коммутатором сотовой сети через контроллер базовых станций.

Базовые станции сотовых операторовБС являются приемо-передающими радиотехническими объектами, работающими 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.

В основном применяются два типа передающих (приемо-передающих) антенн БС:

слабонаправленные с круговой диаграммой направленности (ДН) в горизонтальной плоскости — тип "Omni" и направленные (секторные) с углом раствора (шириной) основного лепестка ДН в горизонтальной плоскости обычно 60 или 120 градусов

Вредна ли сотовая связь?

В настоящее время достоверно подтвержден только косвенный вред антенн сотовой связи, установленных в населенных пунктах. Немецкие ученые протестировали работу 231 модели кардиостимуляторов при воздействии на них электромагнитного излучения сотовой связи стандартов NMT-450, GSM 900 и GSM 1800. Согласно результатам их исследования, более 30% кардиологических аппаратов испытывают помехи от телефонов, работающих в стандартах NMT-450 и GSM 900. Влияние телефонов стандарта GSM 1800 на кардиостимуляторы обнаружено не было.

Радиочастотный (РЧ) диапазон электромагнитных полей, на котором работает современная сотовая связь, лежит в пределах от 450 МГц до 1,9 ГГц. При обсуждении возможных неблагоприятных для здоровья эффектов от воздействии РЧ-полей необходимо подчеркнуть, что такие поля, в отличие от ионизирующего излучения (гамма-, рентгеновские лучи, коротковолновый ультрафиолет), независимо от их мощности не могут вызывать ионизацию или вторичную радиоактивность в организме.

Доказанным эффектом волн РЧ-диапазона с частотой выше 1 МГц является нагревание тканей, вследствие поглощения ими энергии ЭМП. Поля высокой интенсивности способны локально повышать температуру тканей на 10 °С. Даже менее значительное изменение температуры живых тканей может приводить к таким последствиям, как нарушение развития плода, понижение мужской фертильности, изменению гормонального фона. По данным ВОЗ, нагревание, вызываемое РЧ-полями с интенсивностью удовлетворяющей международным стандартам для сотовых телефонов и базовых станций, нивелируется за счет нормальной терморегуляции организма и не может вызывать какие-либо патологические изменения в клетках.

Эксперименты на кошках и кроликах показали, что РЧ-поля низкой интенсивности, не вызывая перегрева тканей, способны модулировать активность нервных клеток, за счет изменения проницаемости клеточных мембран для ионов кальция, что может негативно сказываться на работе центральной нервной системы. Имеются также данные о способности РЧ-полей повышать скорость пролиферации, изменять ферментативную активность и воздействовать на ДНК клеток.

Описанные эффекты ЭМП изучаются на животных более полувека, однако их последствия для здоровья человека остаются невыяснены. По заявлению Майка Репачоли, координатора Комитета по радиации и защите здоровья человека и окружающей среды ВОЗ, пока нет достоверных свидетельств вредного воздействия мобильной связи на здоровье человека.

SAR - удельный коэффициент поглощения

На сегодняшний день мировые стандарты, регламентирующие безопасность сотовых телефонов, характеризуют уровень излучения параметром SAR (Specific Absorption Rates - удельный коэффициент поглощения), который измеряется в ваттах на килограмм. Эта величина определяет энергию электромагнитного поля, выделяющуюся в тканях за одну секунду.

В Европе допустимое значение излучения составляет 2 Вт/кг. В США ограничения более жесткие: федеральная комиссия по связи (FCC) сертифицирует только те сотовые аппараты, SAR которых не превышает 1,6 Вт/кг. Такой уровень излучения не приводит к существенному нагреванию тканей, утверждают специалисты финского Центра радиационной и ядерной безопасности. Как сообщалось ранее, проведенное в этом научном институте исследование показало, что уровень SAR у 28 протестированных моделей телефонов находится в пределах от 0,45 до 1,12 Вт/кг.

В России допустимая интенсивность электромагнитных полей регламентируется санитарными правилами и нормами. Ограничения, наложенные СанПиН, измеряются в принципиально иных единицах по сравнению с общемировыми - ваттах на квадратный сантиметр, определяя при этом энергию, «входящую» в ткань за одну секунду. Причем электромагнитные волны в зависимости от их частоты и вида живой ткани, с которой они взаимодействуют, будут поглощаться по-разному.

Нормы СанПиН нельзя перевести в единицы SAR простым расчетным путем. Для того, чтобы определить соответствие новой модели сотового телефона российским стандартам, необходимо проводить лабораторные измерения. Эксперты отмечают, что российские требования фактически устанавливают более жесткие ограничения на мощность передатчиков сотовых телефонов, чем рекомендуют нормы Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ). Однако, по мнению ВОЗ, такое завышение стандартов не имеет за собой никаких научных предпосылок.

Мобильники излучают меньше нормы

Исследование, проведенное финскими учеными, показало, что излучение самых популярных на сегодняшний день в мире мобильных телефонов примерно совпадает с уровнем, заявленным производителями, и намного ниже допустимых норм.

В ежегодном отчете финского Центра радиационной и ядерной безопасности (STUK) рассматриваются 16 новых моделей мобильников от ведущих мировых производителей, включая местную компанию Nokia, американскую Motorola, южнокорейскую Samsung Electronics, шведско-японскую Sony Ericsson и немецкую Siemens. Как пишет Reuters, в предыдущем отчете Центра, выпущенном в 2003 году, рассматривались 12 моделей телефонов.

Излучение всех рассмотренных моделей мобильников было значительно ниже так называемого удельного коэффициента поглощения (Specific Absorption Rate, SAR), допустимое значение которого в Европе составляет 2 ватта/кг. Такой уровень излучения не приводит к существенному нагреванию тканей или каким-то еще негативным последствиям для здоровья человека, утверждают специалисты STUK. По их словам, уровень SAR во всех 28 моделях, протестированных на сегодняшний день, находится в пределах от 0,45 до 1,12 ватт/кг.

В конце 2004 года были обнародованы результаты четырехлетнего исследования под названием Reflex, финансируемого Европейским союзом. Несмотря на вывод, что электромагнитное излучение в пределах SAR между 0,3 до 2 ватт/кг повреждает ДНК в лабораторных условиях, ученые не смогли однозначно доказать, что мобильники угрожают здоровью человека в реальной жизни. Они считают, что для подобных заключений необходимы дальнейшие исследования вне стен лаборатории — на животных и людях-добровольцах.

Однозначных научных доказательств вреда мобильников нет, но с каждым днем появляется все больше свидетельств того, что они все-таки представляют собой угрозу здоровью человека. Так, новые данные, опубликованные ирландскими медиками, свидетельствуют о том, что в этой стране уже каждый двадцатый ее житель стал жертвой излучения мобильных телефонов. Симптомами переоблучения, по данным ирландских специалистов, являются: усталость, спутанность сознания, головокружение, бессонница или нарушение сна, тошнота, раздражение кожи. По мнению ирландских медиков, подобная симптоматика зарегистрирована в большинстве стран, где мобильная связь получила широкое распространение.

Результаты других аналогичных исследований также внушают немалую тревогу. Так, сообщалось о том, что мобильные телефоны могут провоцировать астму и экзему, разрушают клетки крови и наносят вред мужскому здоровью. Опасность, которую мобильный телефон представляет для развивающегося организма детей, в настоящее время мало кем оспаривается — дошло до того, что в Великобритании была прекращена продажа мобильников, предназначенных специально для детей.

«Также важно, чтобы в будущем нормы излучения мобильных телефонов и базовых станций основывались на самых современных и научно доказанных данных, подтверждающих эффект от воздействия излучения на здоровье», — говорит Кари Йокела (Kari Jokela) из STUK. Финские ученые отмечают, тем не менее, что некоторые исследования Центра выявили некоторые признаки того, что СВЧ-излучение телефонов может вызывать небольшие изменения жизнедеятельности клеток, однако этих фактов недостаточно для выводов о влиянии излучения мобильников на здоровье человека.