І знову трохи загальноосвітнього матеріалу. Цього разу йтиметься про базові станції. Розглянемо різні технічні моменти щодо їх розміщення, конструкції та дальності дії, а також заглянемо всередину самого антенного блоку.
Базові станції Загальні відомості
Так виглядають антени стільникового зв'язкуна дахах будівель. Ці антени є елементом базової станції (БС), саме - пристроєм прийому і передачі радіосигналу від однієї абонента до іншого, і далі через підсилювач до контролера базової станції та інших пристроям. Як найбільш помітна частина БС, вони встановлюються на антенних щоглах, дахах житлових і виробничих будівель і навіть димових трубах. Сьогодні можна зустріти і більш екзотичні варіанти їх встановлення, у Росії їх уже встановлюють на стовпах освітлення, а в Єгипті їх навіть маскують під пальми.
Підключення базової станції до мережі оператора зв'язку може здійснюватися через радіорелейного зв'язкутому поряд з "прямокутними" антенами блоками БС можна побачити радіорелейну тарілку:
З переходом на більш сучасні стандарти четвертого та п'ятого поколінь, для задоволення їхніх вимог підключати станції потрібно буде виключно волоконною оптикою. У сучасних конструкціях БС оптоволокно стає невід'ємним середовищем передачі навіть між вузлами і блоками самої БС. Наприклад, на малюнку нижче показано пристрій сучасної базової станції, де оптоволоконний кабель використовується передачі даних від RRU (виносні керовані модулі) антени до самої базової станції (показано помаранчевої лінією).
Обладнання базової станції розташовується в нежитлових приміщеннях будівлі, або встановлюється в спеціалізовані контейнери (закріплені на стінах або стовпах), адже сучасне обладнання виконується досить компактно і може просто поміститися в системний блоксерверного комп'ютера Часто радіомодуль встановлюють поряд з антенним блоком, це дозволяє зменшити втрати і розсіювання потужності, що передається в антену. Так виглядають три встановлені радіомодулі обладнання базової станції Flexi Multiradio, закріплені прямо на щоглі:
Зона обслуговування базових станцій
Для початку слід зазначити, що бувають різні типи базових станцій: макро, мікро, піко та фемтосоти. Почнемо з малого. І, якщо коротко, то фемтосота не є базовою станцією. Це швидше Access Point (точка доступу). Дане обладнання спочатку орієнтується на домашнього чи офісного користувача та власником такого обладнання є приватне або юр. особа, яка не належить до оператора. Головна відмінність такого обладнання полягає в тому, що воно має повністю автоматичну конфігурацію, починаючи з оцінки радіопараметрів і закінчуючи підключенням до мережі оператора. Фемтосота має габарити домашнього роутера:
Пікосота - це БС малої потужності, що належить оператору та використовує як транспортну мережу IP/Ethernet. Зазвичай встановлюється у місцях можливої локальної концентрації користувачів. Пристрій за розмірами можна порівняти з невеликим ноутбуком:
Мікростільника - це наближений варіант реалізації базової станції в компактному вигляді, дуже поширене в мережах операторів. Від "великої" базової станції її відрізняє урізана ємність абонентів, що підтримуються, і менша випромінююча потужність. Маса зазвичай до 50 кг і радіус радіопокриття - до 5 км. Таке рішення використовується там, де не потрібні високі ємності та потужності мережі, чи немає можливості встановити велику станцію:
І нарешті, макростільника - стандартна базова станція, на базі якої будуються мобільні мережі. Вона характеризується потужностями близько 50 W та радіусом покриття до 100 км (у межі). Маса стійки може досягати 300 кг.
Зона покриття кожної БС залежить від висоти підвісу антеної секції, від рельєфу місцевості та кількості перешкод по дорозі до абонента. При встановленні базової станції далеко не завжди на перший план виноситься радіус покриття. У міру зростання абонентської бази може не вистачити максимальної пропускної спроможностіБС, у разі на екрані телефону з'являється повідомлення " мережа зайнята " . Тоді оператор згодом на цій території може свідомо зменшити радіус дії базової станції та встановити кілька додаткових станцій у місцях найбільшого навантаження.
Коли потрібно збільшити ємність мережі та знизити навантаження на окремі базові станції, тоді й приходять на допомогу мікростільники. В умовах мегаполісу зона радіопокриття однієї мікростільники може становити лише 500 метрів.
В умовах міста, як не дивно, трапляються такі місця, де оператору потрібно локально підключити ділянку з великою кількістю трафіку (райони станцій метро, великі центральні вулиці та ін.). У цьому випадку застосовуються малопотужні мікростільники та пікосоти, антенні блоки яких можна розташовувати на низьких будинках та на стовпах вуличного освітлення. Коли виникає питання організації якісного радіопокриття всередині закритих будівель (торгові та бізнес-центри, гіпермаркети та ін.) тоді на допомогу приходять пікосотові базові станції.
За межами міст на перший план виходить дальність роботи окремих базових станцій, так встановлення кожної базової станції на відстані від міста стає все більш дорогим підприємством у зв'язку з необхідністю побудови ліній електропередач, доріг і вишок у складних кліматичних і технологічних умов. Для збільшення зони покриття бажано встановлювати БС на більш високих щоглах, використовувати спрямовані секторні випромінювачі, і більш низькі частоти, менш схильні до згасання.
Так, наприклад, у діапазоні 1800 МГц дальність дії БС не перевищує 6-7 кілометрів, а у разі використання 900-мегагерцового діапазону зона покриття може досягати 32 кілометрів, за інших рівних умов.
Антени базових станцій. Заглянемо всередину
У стільниковому зв'язку найчастіше використовують секторні панельні антени, які мають діаграму спрямованості шириною 120, 90, 60 і 30 градусів. Відповідно до організації зв'язку в усіх напрямках (від 0 до 360) може знадобитися 3 (ширина ДН 120 градусів) чи 6 (ширина ДН 60 градусів) антенних блоків. Приклад організації рівномірного покриття у всіх напрямках показаний на малюнку нижче:
А нижче типові діаграми спрямованості в логарифмічному масштабі.
Більшість антен базових станцій широкосмугові, що дозволяють працювати в одному, двох або трьох діапазонах частот. Починаючи з мереж UMTS, на відміну від GSM, антени базових станцій можуть змінювати площу радіопокриття залежно від навантаження на мережу. Один з найбільш ефективних методівуправління випромінюваної потужністю - це управління кутом нахилу антени, у такий спосіб змінюється площа опромінення діаграми спрямованості.
Антени можуть мати фіксований кут нахилу або мають можливість дистанційного регулювання за допомогою спеціального програмного забезпечення, що розташовується в блоці управління БС, та вбудованих фазообертачів. Існують також рішення, що дозволяють змінювати зону обслуговування від загальної системи управління мережею передачі даних. Таким чином можна регулювати зону обслуговування всього сектора базової станції.
В антенах базових станцій застосовується як механічне керування діаграмою, і електричне. Механічне керуванняпростіше реалізується, але часто призводить до спотворення форми діаграми спрямованості через вплив конструктивних елементів. Більшість антен БС має систему електричного регулювання кута нахилу.
Сучасний антенний блок є групою випромінюючих елементів антенної решітки. Відстань між елементами грат вибирається таким чином, щоб отримати найменший рівень бічних пелюсток діаграми спрямованості. Найчастіше зустрічаються довжини панельних антен від 0,7 до 2,6 метрів (для багатодіапазонних антенних панелей). Коефіцієнт посилення варіюється від 12 до 20 dBi.
На малюнку нижче (ліворуч) представлена конструкція однієї з найпоширеніших (але вже старих) антенних панелей.
Тут випромінювачі антеної панелі є напівхвильовими симетричними електричними вібраторами над провідним екраном, розташовані під кутом 45 градусів. Така конструкція дозволяє формувати діаграму з шириною головної пелюстки 65 або 90 градусів. У такій конструкції випускаються дво-і навіть тридіапазонні антенні блоки (щоправда, досить великогабаритні). Наприклад, тридіапазонна антенна панель такої конструкції (900, 1800, 2100 МГц) відрізняється від однодіапазонної, приблизно вдвічі більшим розміром і масою, що, звичайно ж, ускладнює її обслуговування.
Альтернативна технологія виготовлення таких антен передбачає виконання смужкових антенних випромінювачів (металеві пластини квадратної форми), на малюнку вище праворуч.
А ось ще один варіант, коли як випромінювач використовуються напівхвильові щілинні магнітні вібратори. Лінія живлення, щілини та екран виконуються на одній друкованій платі з двостороннім фольгованим склотекстолітом:
З урахуванням сучасних реалій розвитку бездротових технологій, базові станції мають підтримувати роботу 2G, 3G та LTE мереж. І якщо блоки управління базових станцій мереж різних поколінь вдається вмістити в одну комутаційну шафу без збільшення габаритного розміру, то з антеною виникають значні труднощі.
Наприклад, у багатодіапазонних антенних панелях кількість коаксіальних сполучних ліній сягає 100 метрів! Така значна довжина кабелю та кількість паяних з'єднань неминуче призводить до втрат у лініях та зниження коефіцієнта посилення:
З метою зниження електричних втрат та зменшення точок паяння часто роблять мікросмужкові лінії, це дозволяє виконати диполі та систему запитки всієї антени за єдиною друкованою технологією. Дана технологіяхпроста у виробництві та забезпечує високу повторюваність характеристик антени при її серійному випуску.
Багатодіапазонні антени
З розвитком мереж зв'язку третього та четвертого поколінь потрібна модернізація антени як базових станцій, так і стільникових телефонів. Антени повинні працювати у нових додаткових діапазонах, що перевищують 2.2 ГГц. Більше того, робота у двох і навіть трьох діапазонах має виконуватися одночасно. Внаслідок цього антенна частина включає досить складні електромеханічні схеми, які повинні забезпечувати належне функціонування в складних кліматичних умовах.
Як приклад розглянемо конструкцію випромінювачів дводіапазонної антени базової станції стільникового зв'язку Powerwave, що працює в діапазонах 824-960 МГц і 1710-2170 МГц. Її зовнішній виглядпоказаний на малюнку нижче:
Цей дводіапазонний опромінювач складається із двох металевих пластин. Та, що більшого розміру працює в нижньому діапазоні 900 МГц, над нею розташована пластина із щілинним випромінювачем меншого розміру. Обидві антени збуджуються щілинними випромінювачами і, таким чином, мають єдину лінію запитки.
Якщо в якості випромінювачів використовуються дипольні антени, необхідно ставити окремий диполь для кожного діапазону хвиль. Окремі диполі повинні мати свою лінію запитки, що, звичайно, знижує загальну надійність системи та збільшує енергоспоживання. Прикладом такої конструкції є антена Kathrein для того ж діапазону частот, що й розглянута вище:
Таким чином, диполі для нижнього діапазону частот знаходяться як би усередині диполів верхнього діапазону.
Для реалізації трьох- і більше діапазонного режимів роботи найбільшою технологічністю мають друковані багатошарові антени. У таких антена кожен новий шар працює в досить вузькому діапазоні частот. Така багатоповерхова конструкція виготовляється з друкованих антен з індивідуальними випромінювачами, кожна антена налаштовується на окремі частоти робочого діапазону. Конструкція пояснюється малюнком нижче:
Як і в будь-яких інших багатоелементних антенах у такій конструкції відбувається взаємодія елементів, що працюють у різних діапазонах частот. Само собою ця взаємодія впливає на спрямованість та узгодження антен, але дана взаємодія може бути усунена методами, що застосовуються у ФАР (фазованих антенних ґратах). Наприклад, одним з найбільш ефективних методів є зміна конструктивних параметрів елементів шляхом усунення збудливого пристрою, а також зміна розмірів самого опромінювача і товщини роздільного діелектричного шару.
Важливим моментом і те, що це сучасні бездротові технології широкосмугові, і ширина смуги робочих частот становить щонайменше 0,2 ГГц. Широку робочу смугу частот мають антени на основі взаємодоповнюючих структур, типовим прикладом яких є антени типу "bow-tie" (метелик). Узгодження такої антени з лінією передачі здійснюється підбором точки збудження та оптимізацією її конфігурації. Щоб розширити смугу робочих частот за узгодженням "метелика" доповнюють вхідним опором ємнісного характеру.
Моделювання та розрахунок подібних антен виробляють у спеціалізованих програмних пакетахСАПР. Сучасні програмидозволяють моделювати антену в напівпрозорому корпусі за наявності впливу різних конструктивних елементів антени і дозволяють цим зробити досить точний інженерний аналіз.
Проектування багатодіапазонної антени роблять поетапно. Спочатку розраховують та проектують мікросмужкову друковану антену з широкою смугою пропускання для кожного робочого діапазону частот окремо. Далі друковані антени різних діапазонів поєднують (накладенням один на одного) та розглядають їх спільну роботу, усуваючи наскільки можна причини взаємного впливу.
Широкосмугова антена типу "метелик" може бути вдало використана як основа для тридіапазонної друкованої антени. На малюнку нижче зображено чотири різні варіанти її конфігурації.
Наведені конструкції антен відрізняються формою реактивного елемента, який застосовується для розширення робочої лінії частот за погодженням. Кожен шар такої тридіапазонної антени є мікросмужковим випромінювачем заданих геометричних розмірів. Чим нижче частоти – тим більший відносний розмір такого випромінювача. Кожен шар друкованої плати відокремлений від іншого за допомогою діелектрика. Наведена конструкція може працювати в діапазоні GSM 1900 (1850-1990 МГц) – приймає нижній шар; WiMAX (2,5 – 2,69 ГГц) – приймає середній шар; WiMAX (3,3 – 3,5 ГГц) – приймає верхній шар. Подібна конструкція антени дозволить приймати і передавати радіосигнал без використання додаткового активного обладнання, не збільшуючи тим самим габаритних розмірів блоку антени.
І на закінчення трохи про шкоду БС
Іноді, базові станції операторів стільникового зв'язку встановлюють прямо на дахах житлових будинків, чим безпосередньо деморалізують деяких їх мешканців. У господарів квартир перестають "народжувати кішки", а на голові у бабусі починає швидше з'являтися сиве волосся. А тим часом від встановленої базової станції жителі цього будинку електромагнітного поля майже не отримують, бо "вниз" базова станція не випромінює. Та й, до речі, норми СанПіН для електромагнітного випромінювання в РФ на порядок нижчі, ніж у "розвинених" країнах заходу, і тому в межах міста базові станції ніколи на повну потужністьне працюють. Тим самим, шкоди від БС немає, якщо тільки ви не влаштовуєтеся позасмагати на даху за кілька метрів від них. Найчастіше, з десяток точок доступу, встановлених у квартирах мешканців, а також Мікрохвильові печіі стільникові телефони (притиснуті до голови) роблять на вас набагато більший вплив, ніж базова станція, встановлена за 100 метрів за межами будівлі.
Конструктивні характеристики антен 3бс-2 та про-2
Антена типу ПРО-2, зокрема, за допомогою ізоляторів може бути встановлена на такелажі антени типу БС-2 (рис. 7.45) з дуже незначними витратами сил та засобів. У цьому антени можуть працювати незалежно друг від друга, будучи взаємним резервом. Антени мають лінійні взаємноортогональні поляризації, тому дроти полотна та такелажу антени БС майже не впливають на характеристики антени ПРО. Антени дозволяють здійснити здвоєний прийом радіосигналів методом поляризаційного рознесення.
Антени типу ПРО мають відносно широку пелюсток діаграми спрямованості, що знижує їхню перешкодостійкість. Цього недоліку позбавлена антена типу ПРО-Е.
Рис 7.45. Схема розміщення антени типу ОБ-2 на такелажі
антени типу БС-2
Антена типу ПРО-Е
При розробці антена ОБ-Е передбачалася для використання на приймальних радіоцентрах магістрального радіозв'язку замість антен типу БС-2, 2 БС-2, 3 БС-2, найкращих за ефективністю з наявних, але громіздких, дорогих, ненадійних в експлуатації та трудомістких в обслуговуванні. Антена ОБ-Е має високий коефіцієнт ефективність/вартість З .
Схема антени ПРО-Е наведено на рис. 7.46. Вона має маркування ПРО-Е, де L- Довжина полотна антени; h- Висота підвісу полотна антени. На рис. 7.46 позначено: 1 – поверхню «землі»; 2, 8 – провідники противаг; 3-джерело ЕРС (радіопередавач, ГСС); 5 – провідник з хвилею, що біжить; 7 – резистор – навантаження.
Антена отримала маркування ОБ-Е (однопровідна, хвилі, що біжить), де літера Е вказує на присутність ще однієї хвилі на провіднику, схожій за структурою на хвилю Е 0 у круглому хвилеводі, якщо дивитися в торець провідника.
Антена ПРО-Е мала довжину L= 300 м; еквівалентний діаметр провідника з хвилею, що біжить dекв = 280 мм.; номінал навантажувального резистора Rн = 200 Ом; висота підвісу h= 3 м. Діапазон робочих частот антени ОБ-Е становить Δ f= 3 ÷ 30 МГц.
Мал. 7.46. Антена ПРО-Е
Дослідження виявили важливі розбіжності у принципах роботи антен ПРО та ПРО-Е. Вони дозволяють вважати, що в навколопровідному просторі антени ПРО-Е відбувається перерозподіл енергії випромінювання, що призвело до створення нової, простої конструкції і дуже компактної в поперечнику антени для магістральних ДКМ радіозв'язків, що є «рупорною антеною без видимих стінок».
Результати розрахунків ДН у горизонтальній та вертикальній площинах та експериментальних досліджень, отриманих за допомогою обльоту на однакових частотах, наведено на рис 7.47 та рис.7.48. Експериментальні точки показані хрестиками.
Мал. 7.47. Розрахункові та експериментальні діаграми спрямованості антени ОБ-Е у горизонтальній площині
Мал. 7.48. Розрахункові та експериментальні діаграми спрямованості антени ПРО-Е у вертикальній площині
З аналізу діаграм спрямованості випливає, що антена ПРО-Е має високу завадостійкість.
Антенний комплекс ПРО-Е
Для прийому сигналів, що приходять під різними кутами в кутомісній площині, створено антенний комплекс ПРО-Е. Він включає три антени ПРО-Е різної довжини L= 60; 120; 240 м, які орієнтовані біля одного загальному азимуті.
Комплекс розрахований на прийом радіохвиль в діапазоні 10 м λ 100 м, (3 ÷ 30 МГц) з іоносферним характером поширення на трасах великої протяжності R > 1000 км. Рекомендації щодо вибору прийомних антен наведені в табл. 7.22. Параметри іоносфери нестабільні в часі і неоднорідні у просторі, тому в точці прийому радіохвиль, спостерігаються нестабільність кутів пр по відношенню до горизонту та коливання рівнів поля.
Таблиця 7.22
| " |
Прийом декаметрових хвиль супроводжується глибокими завмираннями сигналу та потребує зміни робочих частот у часі залежно від стану іоносфери. Для підвищення надійності радіозв'язку застосовують здвоєний (рідше будовений) прийом на два (три) приймачі, що працюють з рознесеними в просторі антенами. В результаті число антен на приймальній станції виявляється досить великим. Для зменшення числа антен, фідерів та спрощення їх комутації приймальні антени мають бути широкодіапазонними. У цих антена можна допустити кілька знижений ККД, оскільки рівні сигналу і зовнішніх перешкод при цьому зменшуються однаково і відношення сигнал-шум не зміниться. Як приймальні застосовуються симетричні та несиметричні антени хвилі, що біжить..
Симетричні антени хвилі, що біжить, являють собою систему горизонтальних симетричних вібраторів (рис.17,а), рівномірно розташованих в просторі і підключених через опори зв'язку до збірної лінії.
Збірна лінія виконується багатопровідною зі зниженим хвильовим опором W=160-200 Ом. З одного кінця збірна лінія за допомогою фідера підключається до приймача, а з іншого замикається на опір R = Wo. Число і довжину вібраторів бажано брати великими, при цьому збільшується потужність, яка приймається антеною. Однак збільшення довжини плеча більше значення 0.64λ небажано, оскільки призводить до збільшення рівнів бічних пелюсток. Для роботи в діапазоні хвиль 12,5... 70 м довжину плеча вібратора вибирають рівною l = 0,64 кор = 8 м. Довжина полотна антени L (збірної лінії) визначає величину КНД. З
конструктивних міркувань довжину антени обмежують значенням 90 ... 100 м. Зі збільшенням числа вібраторів збільшується діюча довжина антени і зменшується відстань між вібраторами. При відстанях між вібраторами менше 0,5? подальше зменшення цієї відстані слабо позначається на рівнях бічних пелюсток, але збільшується дія вібраторів, що шунтує, на збірну лінію. Відстань між вібраторами вибирають в межах d = (0,3 ... 0,4) кор, а число вібраторів n = 20-30.
У випадку вхідний опір вібратора є комплексним. Безпосереднє підключення вібраторів до збірної лінії змінює погонні параметри, зміниться і фазова швидкість в ній. Будь-яке підключення до лінії зосередженого опору порушує однорідність лінії та викликає деяке відображення енергії від точок підключення. Щоб зменшити шунтуючу дію та відображення, вібратори до збірної лінії підключаються через опір зв'язку. Як опір зв'язку може використовуватися активний опір (рис.17, а), конденсатор (рис.17,6) або індуктивність (рис.17, в). Відповідно до цього антени хвилі, що біжить, позначаються БС, БЕ або БІ.
З економічних міркувань висоту антен зменшують до 17...25 м-коду.
На рис.18 наведені ДН антени хвилі, що біжить. У порівнянні з синфазними та ромбічними антени БС мають менші рівні бічних пелюсток. Активні опори зв'язку унеможливлюють резонансні явища, дозволяють збільшити довжини вібраторів і отримати значно більше перекриття по діапазону. Одна антена БС перекриває весь діапазон декаметрових хвиль. Зі збільшенням опору зв'язку зменшується вплив вібраторів на збірну лінію, покращується узгодження, але через зростання втрат погіршується ККД. Низький ККД дозволяє використовувати антени хвилі, що біжить, тільки як приймальні.
Для звуження ДН та збільшення КНД два полотна антени розташовують поруч і з'єднують паралельно за допомогою фідерних експонентних трансформаторів.
У практиці радіозв'язку велике поширення набули антени типу БС-2 (21/8) (200/4,5)25. Це позначеннямає наступну розшифровку: антена хвилі (Б), що біжить, з активними опорами зв'язку (С) складається з двох паралельно з'єднаних полотен (2). Кожне полотно має 21 симетричному вібратору з довжиною плеча l= 8 м і відстанню між ними d=4,5м. Опір зв'язку у кожному плечі вібратора по 200 Ом. Полотна мають висоту підвісу над землею 25м.
В умовах обмеженого за розмірами антенного поля здвоєний прийом можна здійснити, використовуючи антени з перпендикулярними взаємно вібраторами (поляризаційно-рознесений прийом). Якщо одна з антен має горизонтальні вібратори, наприклад, БС, то друга повинна мати вертикальні вібратори. Такою антеною може бути БСВН - вертикальна несиметрична антена хвилі, що біжить, вібратори якої пов'язані зі збірною лінією через активні опори (резистори) зв'язку (рис.19,а). Число вібраторів, їх довжина та відстані між ними вибираються з тих же міркувань, що й для антени БС. Зовнішні дроти збірної лінії під кожним вібратором заземлюються. Вібратори через опір зв'язку 350... 800 Ом підключаються до двох внутрішніх дротів. Антени БСВН у порівнянні з БС мають меншу вартість.
Антена БСВН2 порівняно з БС2 у горизонтальній площині має дещо більші рівні бічних пелюсток, оскільки вертикальний вібратор у горизонтальній площині не має спрямованих властивостей. Діаграма спрямованості антени БСВН у вертикальній площині суттєво залежить від параметрів ґрунту. При ідеальному грунті максимум головної пелюстки ДН збігається з напрямком вздовж землі. В умовах реальної провідності грунту хвиля, що розповсюджується вздовж земної поверхні, відчуває поглинання та напрямок головної пелюстки становить з площиною землі кут 10...200.
У діапазоні декаметрових хвиль як приймальна антена можна використовувати провід діаметром 3...4 мм завдовжки 100......300 м, розташований на висоті 2,5...3,5 м над землею, витягнутий у напрямку на кореспондента . До одного кінця через узгоджуючий трансформатор підключається приймальний фідер, а до іншого - через опір навантаження, рівне хвильовому опору проводу,- заземлення або противагу.
Вертикальні дроти на початку та в кінці антени можуть суттєво погіршити її спрямовані властивості. Щоб зменшити довжини цих проводів, опір навантаження в кінці і зовнішній провідник фідера на початку антени підключають не до заземлень, а до піднятих над землею противаг. При роботі на одній частоті противагу можна виконати з трьох променів, розташованих у горизонтальній площині, що розходяться під кутами 120° і мають довжину 0,25 λ, кожен. При роботі в діапазоні противагу виконують багатопроменевим, довжини променів якого вибирають за логоперіодичним законом Противага представляє систему з 15 променів, розташованих в горизонтальній площині, що розходяться йод кутами 360/15=24° один до одного.
Для зниження хвильового опору провід антени виконують із кількох дротів, рознесених у просторі. При роботі на трасах невеликої протяжності кути приходу хвилі Δ≥40° та довжина антени виявляється малою. Наприклад, при Δ = 40° Lопт = 2к, а при Δ = 60° Lопт = λ. Такі антени мають слабкі спрямовані властивості. Для поліпшення спрямованих властивостей антену виконують у вигляді синфазних грат з двох і більше проводів.
При роботі з далекими кореспондентами, коли кути приходу хвилі у вертикальній площині Δ≤18° оптимальна довжина антени Lопт≥10λ. Спрямовані властивості такої антени кращі.
Антена, що є синфазною решіткою, що складається з двох проводів, рознесених на 20... 60 м, при довжині кожного проводу 100 ...300 м, може бути використана на магістральних лініях зв'язку великої протяжності як тимчасова або резервна.
На трасах довжиною понад 2000 км застосовують здвоєний прийом на рознесені у просторі антени. Якщо просторовий рознесення антен здійснити важко, застосовують поляризаційно-рознесений прийом з використанням антен БС2 і БСВН2, маючи вертикальні вібратори БСВН2 безпосередньо під збірними лініями антени БС2.
2.5. АНТЕННИ ДЛЯ ЛІНІЙ РАДІЗВ'ЯЗКУ З ВИКОРИСТАННЯМ ПРОСТОРНИХ РАДІОВОЛН
Загальні відомості.
При роботі ліній радіозв'язку з використанням просторових радіохвиль випромінювання електромагнітних хвиль здійснюється по відношенню до поверхні землі під кутом 7...20°. Таке випромінювання забезпечується горизонтально підвішеними антенами декаметрового діапазону хвиль.
Діаграма спрямованості у вертикальній площині у цих антен має нульове випромінювання у напрямку поверхні землі, чим досягається зниження втрат енергії у землі та підвищення ККД.
На лініях радіозв'язку малої R1 і великої R2 протяжностей потрібно випромінювання енергії відповідно під великими і малими кутами по відношенню до поверхні землі (рис. 2.7).
Найбільш поширеними типами антен, які встановлюються на радіостанціях під час роботи просторовими радіохвилями, є: ВГ - вібратор горизонтальний; ВГД -
вібратор горизонтальний; ВГДШ - вібратор горизонтальний діапазонний шунтовий, РГД - ромб горизонтальний подвійний і БС2 - антена хвилі, що біжить, з активними елементами зв'язку. Зазначені типи антен, виключаючи БС2, використовуються як випромінювання, так прийому електромагнітних хвиль. Фізичні процеси, що відбуваються в цих антенах, їх технічні характеристики та конструкції розглянуті нижче.
Симетричний горизонтальний вібратор ВГ.
Симетричний горизонтальний вібратор є найпростішим і найпоширенішим типом антени (рис. 2.8).
При підведенні до вібратора радіочастотних коливань від передавача вздовж дротів створюються стоячі хвилі, причому на кінцях вібратора створюються вузли струму / та пучності заряду q (напруги).
Симетричний вібратор складається з двох рівних відрізків дроту 1 довжиною I кожен, симетричних точках яких струми рівні і збігаються у напрямку. Висота підвісу вибирається з урахуванням кута випромінювання діаграми спрямованості вертикальної площині, необхідного для забезпечення заданої напруженості поля в пункті прийому. Хвильовий опір такого вібратора дорівнює 1000 Ом. Вібратор має умовне позначення
L
ВГ = ---.
h
Для зменшення наведення великих струмів у канатах 3, що підтримують вібратор, на відстані 3 м від кінців вібратора встановлюють паличні ізолятори 4. Відстань між щоглами антени L=2l+ (5 ... 6) м. Зниження вібратора 5 - двопровідне і виконане тим же проводом, як і вібратор (біметал діаметром 3 ... 6 мм), з відстанню між проводами 300 мм. Вібратор підвішений на ізоляторах 2 і підключається до передавача через двопровідний фідер з хвильовим опором 600 Ом і використовується для роботи на фіксованій хвилі 0 = 4l але реально експлуатується в діапазоні хвиль 1,6l≤λ≤4l тобто λmin=1,6l , а λmax = 4l.
На рис. 2.9 представлені діаграми спрямованості симетричного вібратора в горизонтальній площині, з яких видно, що вони визначаються ставленням l / λ .
Вібратор випромінює в обидві сторони своєї осі: найбільше випромінювання перпендикулярно осі, вздовж осі випромінювання дорівнює нулю. Діаграма випромінювання формою нагадує вісімку (див. рис. 2.9 а, б).
Симетричний вібратор при l =0,63λ або λ =1,6l має найбільший КНД (рис. 2.9,в), має більш гостру діаграму спрямованості в горизонтальній площині, малі рівні бічних пелюсток, тому при роботі на одній фіксованій хвилі є найбільш придатним для експлуатації . Приl >0,63? спрямованість антени погіршується.
При експлуатації симетричного вібратора як діапазонної антени хвильовий опір антени і фідера не вдається узгодити у всьому робочому діапазоні хвиль, що знижує коефіцієнт хвилі, що біжить, у фідері. Ця неузгодженість впливає вихідний контур передавача: режим роботи передавача стає нестійким, знижується потужність, випромінювана у простір.
Діаграма спрямованості у вертикальній площині симетричного горизонтального вібратора при висоті підвісу /i=A,/4 має один пелюстка з максимумом, спрямованим перпендикулярно поверхні землі (рис. 2.Щ,а). У міру наближення висоти підвісу антени до робочої довжинихвилі кут максимального випромінювання зменшується, максимум випромінювання «притискається» до поверхні землі, діаграма спрямованості у вертикальній площині при /г = 0,5л має дві бічні пелюстки (рис. 2.10,6). Однак при /г = А, і подальшому збільшенні відношення АТ кількість бічних пелюсток зростає і спрямованість антени ВГ погіршується.
Горизонтальний вібратор при висоті підвісу h=Q,25X використовується на лініях радіозв'язку малої довжини (до 250 км), а при /i=0,65X - велику довжину (до 1500 км).
Вібратор горизонтальний діапазон ВГД.
У декаметровому діапазоні хвиль широко використовується симетричний вібратор зі зниженим хвильовим опором, який називається диполем Надененко (рис. 2.11).
Антена підвішується на двох щоглах на висоті 13...22 м, плече вібратора виконується у вигляді циліндра діаметром 1...2м, за утворюючим якого натягнуто шість дротів. Для антени використовується біметалічний провід діаметром 4 мм. Для полегшення конструкції антени 2 кільця виконуються з мідних або алюмінієвих труб. Проводи до цих кільцях припаюються або кріпляться спеціальними болтами.
Конструкція антени із збільшеним діаметром вібратора дозволяє отримати хвилевий опір у межах 200...400 Ом.
У місці підключення зниження через взаємний вплив вібраторів утворюється підвищена розподілена ємність, що призводить до погіршення узгодження хвильових опорів вібратора та зниження. Для усунення цього кінці циліндрів виконуються як конусів довжиною l 1 = 1 м, l 2 = 3 м.
Діаграми спрямованості антени ВГД мають самі форми, як і в антен ВГ. На лініях радіозв'язку довжиною до 400 км антена ВГД можна використовувати як направлена.
Антена застосовується при роботі з передавачами потужністю 1...5 і більше кВт. Для перекриття діапазону хвиль від 13 до 120 м застосовується комплект із трьох антен ВГД. Діапазон хвиль, в якому антена може бути ефективно використана, визначається ставленням 1,6l≤λ≤4l. Умовне позначення антени -
L
ВГД = --- d.
h
де l - Довжина плеча вібратора, м; h - висота підвісуантени над землею, м; d – діаметр кільця вібратора, м.
Симетричний вібратор шунтового живлення.
Симетричний вібратор шунтового живлення (рис. 2.12) застосовується для роботи
на фіксованій частоті, що дорівнює резонансній частоті вібратора, коли 2l=0,47λ . Антена виконується з цілого дроту, до якого підключається фідер двопровідний з хвильовим опором 600 Ом.
У середній точці вібратора утворюються пучність струму та вузол заряду (U =0), тому активна складова вхідного опору R вх у цій точці дорівнює нулю. У крайніх точках вібратора В, В1 є пучність заряду q і вузол струму I тому при хвильовому опорі вібратора W =800 Ом активна складова вхідного опору в цих точках Rвх=W 2 /R Σ = 800 2 /73,1=8750 Ом. Отже, на вібраторі між точками, В1 можна знайти дві симетричні точки А, А 1 в яких активна складова вхідного опору при відповідному підборі відстані l 2 дорівнювала б хвильовому опору фідерної лінії двопровідної. Завдяки цьому у фідерній лінії забезпечується режим хвилі, що біжить.
При виконанні вібратора з дроту діаметром 1,5...5 мм найкраще узгодження виходить за наступних розмірів: /, де λ - фіксована робоча хвиля.
Точне значення довжини l 1 підбирається шляхом її регулювання і одночасного вимірювання коефіцієнта хвилі, що біжить. Вибирається таке значення l 1 при якому коефіцієнт хвилі, що біжить, виходить найбільшим.
Як діапазонну антену застосовується дротяний шунтовий симетричний вібратор ВГДШ (рис. 2.13), запропонований Г. 3. Айзенбергом і В. Д. Кузнєцовим. Вібратор виконується з шести дротів, двопровідне зниження підключається тільки до чотирьох дротів вібратора, а два дроти утворюють шлейф. Антена підвішується на двох щоглах.
Шунтовий симетричний вібратор експлуатується в діапазоні хвиль від 1,6l до 6l розширення діапазону виходить у бік довгих хвиль. Хороше узгодження хвильового опору вібратора з хвильовим опором фідера забезпечується в широкій смузі частот при коефіцієнті хвилі, що біжить, у фідері не гірше 0,3.
Для ліній радіозв'язку завдовжки до 400 км антена ВГДШ має кругове випромінювання. Щоб не створювати значних перешкод роботі інших ліній радіозв'язку через слабку спрямованість, антену рекомендується використовувати при роботі з передавачами потужністю 5...20 кВт.
Для перекриття діапазону хвиль від 12 до 150 м-код застосовується
комплект із п'яти антен ВГДШ 6/9* 1,2; ВГДШ8/12 * 1,5; ВГДШ 12/18 * 2,4; ВГДШ 16/24*3,0; ВГДШ 24/22*3,5. У цій конструкції вібраторів довжина шунта прийнята рівною довжиною плеча вібратора: l ш = l.
Антени ВГДШ з довжиною вібратора l дорівнює 6, 8, 12 і 16 м, виготовляються з шести проводів, а антени ВГДШ з довжиною вібратора l =24 м для зниження діаметра вібратора і збереження хвильового опору виготовляються з дев'яти проводів; при цьому живлення підводиться до шести дротів. Для виготовлення вібраторів застосовується біметалічний дріт d=4 мм.
У районах із підвищеною грозовою діяльністю середня частина шунту антени ВГДШ заземлюється в точці А металевим дротом d=6 мм (див. рис. 2.13).
Антени ромбічні горизонтальні РГ та РГД.
Гостроспрямованою широкодіапазонною антеною в декаметровому діапазоні хвиль є ромбічна антена, випромінюючими елементами якої служать дроти, розташовані в горизонтальній площині по сторонах ромба. Антена підвішується на чотирьох щоглах та орієнтується на кореспондента великою діагоналлю ромба (рис. 2.14). Принцип роботи антени заснований на обтіканні хвилею струму довгого проводу, що біжить. Відомо, що діаграма спрямованості дроту з біжучою хвилею струму в будь-якій площині, що проходить через вісь дроту, має дві головні пелюстки. Ці пелюстки розташовані симетрично щодо дроту та нахилені у бік руху хвилі струму.
Представимо на елементах А, В, А, В проводів ромба пелюстки випромінювання (рис. 2.15, а). Якщо дроти досить довгі, то випромінювання елементів A та Б, розташованих на відстані l , будуть
перебувати у фазі. Отже, випромінювання пелюсток a1 і a2, a3 і a4 складаються, а пелюсток b1 і b2, b3 і b4 - взаємно віднімаються. Через війну утворюється сумарна діаграма спрямованості випромінювання ромбічної антени (рис. 2.15,6). Діаграма має гостру спрямованість, і максимальне випромінювання зосередженого напрямку великої діагоналі ромба. Однак повна взаємна компенсація випромінювань пелюсток b1 і b2, b3 і b4 відсутня, і в діаграмі спрямованості з'являються бічні пелюстки. На випромінювання бічними пелюстками марно витрачається близько 40% енергії передавача, тому КНД одинарної ромбічної антени не перевищує 125...150.
Для отримання односпрямованого випромінювання і режиму хвилі, що біжить в антені до проводів гострого кута ромба, зверненого в бік кореспондента, підключається навантажувальний опір (поглинаюча лінія). До іншого гострого кута ромба підключається двопровідне зниження, яким подаються через горизонтальний фідер від передавача радіочастотні коливання. Зниження має хвильовий опір, що дорівнює хвильовому опору ромбічної антени (600...700 Ом). Коефіцієнт корисної дії антени становить 60...80%- Основними розмірами ромбічної антени є: довжина сторони ромба /, половина тупого кута Ф і висота підвісу h. Необхідний рівень сигналу в місці прийому при заданій потужності передавача залежить від кута випромінювання енергії, останній
визначається висотою підвісу антени h. Набір робочих частот для лінії радіозв'язку визначає оптимальну довжину хвилі 0, а отже, і довжину сторони ромба l .
Для ліній радіозв'язку малої протяжності (600 ... 2000 км) застосовуються ромбічні антени розмірами l = 1,7 0, Ф = 57º і l = 2,8 0, Ф = 65 ; для ліній середньої протяжності (2000 ... ... 4000 км) - l = 4λ0, Ф = 65º; для ліній великої протяжності (4000 ... 6000 км і більше) l = 6λ 0 Ф = 70º.
Умовне позначення ромбічних антен-
де РГ – ромб горизонтальний одинарний; Ф – половина тупого кута; a=l/λ 0 -, b-h/λ 0; I – довжина сторони ромба; h – середня висота підвісу антени над землею; 0 - оптимальна довжина хвилі.
Г. 3. Айзенбергом була запропонована вдосконалена конструкція антени-подвійна ромбічна антена РГД (рис. 2.16). Ця антена є паралельним з'єднанням двох одинарних ромбічних антен. Великі діагоналі ромбів зсунуті відносно один одного в горизонтальній площині на величину (0,8...1) Ко- Вся конструкція полотна антени підвішується на шести щоглах. Зниження антен запаралельуються, завдяки чому вхідний опір антени стає рівним 300...350 Ом.
Для роботи з подвійними ромбічними антенами застосовують фідер з хвильовим опором 300 Ом. Проводи гострих кутів ромбів, звернених у бік кореспондента, синфазно запаралелюються і підключаються до одного опору навантаження (фехралевої лінії). Паралельне з'єднанняромбів зменшує випромінювання антени через бічні пелюстки, збільшує коефіцієнти посилення та спрямованої дії в 1,5...2 рази.
Умовне позначення подвійної ромбічної антени.
Діаграми спрямованості в горизонтальній та вертикальній площинах ромбічної антени залежать від її геометричних розмірів.
рів (l, Ф, h). Для забезпечення цілодобової дії лінії радіозв'язку на весь період 11-річної сонячної діяльності застосовується комплект із двох-трьох ромбічних антен. У цьому випадку кожна антена використовується в обмеженій ділянці діапазону радіохвиль (0,8...2) 0 , тобто одна антена працює в денні, інша - в нічні і третя - в проміжні години доби.
Для збереження величини хвильового опору антени за її довжиною одиночний провід ромба замінюється двома проводами, що розходяться біля вершин тупих кутів (рис. 2.16). Провід у тупих кутів підвішується один над одним на відстані 2,5 м.
Ромбічні антени використовуються при роботі з передавачами потужністю 1 кВт та вище.
Антена хвилі, що біжить, з активним елементом зв'язку БС2.
Антена хвилі, що біжить, з активними елементами зв'язку БС2 широко застосовується на приймальних радіостанціях. Вона є горизонтально підвішеною чотирипровідною збірною лінією, орієнтованою в напрямку на кореспондента і з'єднаною через резистори з горизонтальними симетричними вібраторами (рис. 2.17). Кінець збірної лінії з боку кореспондента навантажується на резистор Ru, рівний за величиною хвильового опору лінії, другий кінець через зниження і фідер з'єднується з приймальним пристроєм. Збірна лінія дозволяє довести енергію від усіх вібраторів до приймального пристрою, тому вона отримала назву збірної. Число вібраторів та їх довжина вибираються в залежності від протяжності лінії радіозв'язку та діапазону частот, що перекривається антеною. Для підвищення спрямованих властивостей застосовують два, рідше три паралельно з'єднані полотна антен хвилі, що біжить.
Умовне позначення антени - 
де БС2 - антена здвоєна хвилі, що біжить з активним елементом зв'язку; N – число симетричних вібраторів; l – довжина плеча симетричного вібратора, м; г – опір елемента зв'язку, Ом; l 1 - відстань між сусідніми вібраторами м; h – висота підвісу антени, м.
Розглянемо принцип дії антени. Електромагнітні хвилі, що надходять з боку кореспондента, перетинаючи симетричні вібратори 1 , 2, 3, ..., 20, 21, наводять у кожному з них відповідно ЕРС е1, е2, е з, ..., е20 , е21 . Ці ЕРС через резистори зв'язку R св створюють у збірній лінії дві хвилі струму, одна з яких прямує до навантажувального резистори R н, інша - у бік приймального пристрою.
Припустимо, що швидкість поширення електромагнітних коливань у просторі від вібратора 1 до вібратора 21 дорівнює швидкості поширення хвилі струму у збірній лінії від вібратора 1 до вібратора 21.
Спочатку, коли струм i1 від ЕРС е1 індуктованої у вібраторі 1 електромагнітними коливаннями, дійде до вібратора 2, то в другому вібраторі буде індуктована ЕРС е2 і в бік вібратора 3 потече струм i1+i2 +"V Коли ця сума струмів то в ньому буде індуктована ЕРС е3. Далі в бік вібратора 4 потече струм i1+i2+i3 і т. д. Таким чином, струми, що направляються в бік приймального пристрою від вібраторів, сумуються і створюють у вхідному ланцюгу цього пристрою напруга сигналу. по збірній лінії у бік навантажувального опору поглинаються цим опором.
Якщо ж електромагнітні хвилі будуть приходити з боку вібратора 21 і поширюватися у бік вібратора 1 , то у всіх вібраторах після 21-го будуть наводитися ЕРС із запізненням по відношенню до ЕРС вібратора 21. Так, в точку підключення вібратора 21 струм від вібратора 20 запізненням часу на шлях електромагнітних хвиль від вібратора 21 до 20 і на шлях проходження струму по збиральній лінії від вібратора 20 до 21 і т. д. Отже, струми i21, i20, i19 .... i1 від ЕРС вібраторів будуть мати різні фази . В результаті зсуву фаз результуюча величина струму у напрямку до вхідного ланцюга приймального пристрою буде мінімальною. Струми, що прямують у бік навантажувального опору, поглинатимуться цим опором. Таким чином, у вхідному ланцюзі приймального пристрою отримуємо максимальний рівень сигналу тільки у разі приходу електромагнітних хвиль з боку вібратора 1 тобто створюється односпрямований прийом електромагнітних хвиль.
У реальних умовах швидкість проходження хвиль струмів вздовж збірної лінії нижче швидкості поширення радіохвиль у вільному просторі. Наявність різниці у швидкостях поширення електромагнітних хвиль і проходження струмів у збірній лінії викликає фазові зрушення струмів та зменшення рівня сигналу у вхідному ланцюзі приймального пристрою, а також впливає на спрямовані властивості антени. Швидкість проходження струмів у збірній лінії залежить також від навантаження, яке вносять вібратори у цю лінію. Для ослаблення шунтуючої дії вібраторів останні підключають до збірної лінії через елементи резистори зв'язку R CB . Застосування активних, а не реактивних елементів зв'язку сприяє роботі антени хвилі, що біжить, у широкому діапазоні частот.
Діаграма спрямованості антени в горизонтальній площині має малі рівні бічних пелюстків, а головному пелюсті концентрується прийом майже всієї енергії електромагнітних хвиль.
На приймальних радіостанціях застосовуються дві типові антени:
застосовується на лініях радіозв'язку довжиною 400 мм.
1000 км, працює в діапазоні 18...135 м і складається з двох паралельно з'єднаних полотен БС, виконаних кожне з 14 вібраторів з довжиною плеча 11 м, приєднаних до збірної лінії через резистори зв'язку (200 Ом) з відстанню між сусідніми вібраторами, рівним 4,5 м, підвішеними над землею на висоті 11 м на шести щоглах.
До кінців збірних ліній з боку кореспондента підключаються чотирипровідні зниження з хвильовим опором 170 Ом. Зниження внизу закріплюються на опорах та підключаються до резисторів навантаження (170 Ом) з грозорозрядниками. Інші кінці збірних ліній навантажуються на зниження з хвильовим опором 170 Ом, з'єднані внизу паралельно і підключені до фідер з хвильовим опором 208 Ом через узгоджуючий експоненційний трансформатор 85/200 Ом.
(Рис. 2.19, 2.20) застосовується на лініях радіозв'язку протяжністю 2000 ... 4000 км і працює в діапазоні 12,5 . . . 100 м. Вона складається з двох паралельно з'єднаних полотен БС /, кожне з яких містить 21 вібратор 7 з довжиною плеча 8 м. Збиральні лінії 6 мають хвильовий опір 170 Ом і з боку кореспондента через зниження 5 навантажуються на опір 170 Ом потужністю 10. Вібратори підключаються до збірної лінії через резистори опором 200 Ом. Полотна БС підвішуються на шести щоглах 8. Кінці збиральних ліній антени, звернених до приймального пристрою, через зниження, виконані у вигляді двох узгоджувальних трансформаторів 170/200 Ом (вертикальних 2) та
двох 200/400 Ом (горизонтальних 3), з'єднуються паралельно та підключаються до фідера 4 з хвильовим опором 208 Ом. На рис. 2.21 представлений вузол кріплення вібраторів до збірної лінії. Висота підвісу полотна 11,17 і 25 м вибирається в залежності від кута нахилу головної пелюстки діаграми спрямованості у вертикальній площині.
Істотне збільшення ефективності антен хвилі, що біжить, може бути досягнуто шляхом застосування систем, що складаються з двох, трьох і більше антен БС2, встановлених один за одним (2БС2, ЗБС2 та ін). Щоб напруги від антен на вході приймача були у фазі, довжини фідерів антен підбираються та підключаються до входу приймача через лінійний фазообертач. За допомогою фазообертача можна змінювати в невеликих межах кут максимального прийому.
Коефіцієнт спрямованого дії антени ЗБС2 збільшується проти антеною БС2 приблизно 3 разу, а коефіцієнт посилення - в 1,3 разу.
Стільниковий зв'язок з недавніх пір так міцно увійшов у наше повсякденне життя, що важко уявити сучасне суспільство без нього. Як і багато інших великих винаходів, мобільний телефон сильно вплинув на наше життя, і на багато його сфер. Важко сказати, яким було б майбутнє, якби не цей зручний вид зв'язку. Напевно таким же, як і у фільмі "Назад у Майбутнє-2", де є літаючі авто, ховерборди, та багато іншого, але немає стільникового зв'язку!
Але сьогодні в спеціальному репортажі буде розповідь не про майбутнє, а про те, як влаштована і працює сучасний стільниковий зв'язок.
Для того, щоб дізнатися про роботу сучасного стільникового зв'язку у форматі 3G/4G, я напросився в гості до нового федерального оператора Tele2 і провів цілий день з їхніми інженерами, які пояснили мені всі тонкощі даних через наші мобільні телефони.
Але розповім спочатку трохи про історію виникнення стільникового зв'язку.
Принципи роботи бездротового зв'язку були випробувані майже 70 років тому - перший громадський рухомий радіотелефон з'явився в 1946 р. у Сент-Луїсі, США. У Радянському союзі досвідчений зразок мобільного радіотелефону був створений у 1957 році, потім вчені інших країн створювали подібні пристрої з різними характеристиками, і лише в 70-х роках минулого століття в Америці було визначено сучасні принципи роботи стільникового зв'язку, після чого почався її розвиток.
Мартін Купер - винахідник портативного прототипу стільникового телефону Motorola DynaTAC вагою в 1,15 кг та розмірами 22,5х12,5х3,75 см
Якщо в західних країнах до середини 90-х років минулого століття стільниковий зв'язок був поширений повсюдно і ним користувалася більша частина населення, то в Росії вона тільки почала з'являтися, і стала доступною для всіх трохи більше 10 років тому.
Громіздкі цеглоподібні мобільники, що працювали у форматах першого і другого поколінь, пішли в історію, поступившись місцем смартфонам з 3G і 4G, кращим голосовим зв'язком і високою швидкістю інтернету.
Чому зв'язок називається стільниковим? Тому що територія, на якій забезпечується зв'язок, розбивається на окремі осередки або стільники, в центрі яких розташовані базові станції (БС). У кожній сотні абонент отримує однаковий набір послуг у певних територіальних межах. Це означає, що переміщаючись від однієї "стільники" до іншої, абонент не відчуває територіальної прихильності та може вільно користуватися послугами зв'язку.
Дуже важливо, щоб безперервність з'єднання при переміщенні. Це забезпечується завдяки так званому хендоверу (Handover), при якому з'єднання встановлене абонентом як би підхоплюється сусідніми сотами по естафеті, а абонент продовжує розмовляти або копатися в соцмережах.
Вся мережа поділяється на дві підсистеми: підсистема базових станцій та підсистема комутації. Схематично це виглядає так:
У середині "стільники", як було сказано вище, знаходиться базова станція, яка зазвичай обслуговує три "стільники". Радіосигнал від базової станції випромінюється через 3 секторні антени, кожна з яких спрямована на свою сотню. Буває так, що на одну "соту" направлено відразу кілька антен однієї базової станції. Це з тим, що мережа стільникового зв'язку працює у кількох діапазонах (900 і 1800 МГц). Крім того, на даній базовій станції може бути обладнання відразу кількох поколінь зв'язку (2G та 3G).
Але на вишках БС Tele2 стоїть обладнання лише третього та четвертого покоління - 3G/4G, тому що компанія вирішила відмовитися від старих форматів на користь нових, які допомагають уникати урвищ голосового зв'язкута забезпечують більш стабільний інтернет. Завсідники соцмереж підтримають мене в тому, що в наш час швидкість інтернету дуже важлива, 100-200 кб/с вже мало, як це було пару-трійку років тому.
Найбільш звичним місцем розміщення БС є башта або щогла, побудована спеціально для неї. Напевно, ви могли бачити червоно-білі вишки БС десь на відстані від житлових будинків (у полі, на пагорбі), або там, де поблизу немає високих будівель. Як ось ця, що видно з мого вікна.
Проте, за умов міської місцевості важко знайти місце під розміщення потужного споруди. Тому у великих містах базові станції розміщуються на будинках. Кожна станція ловить сигнал від мобільних телефонівна відстані до 35 км.
Це антени, саме обладнання БС знаходиться на горищі, або в контейнері на даху, яке представляє собою пару залізних шаф.
Деякі базові станції розташовані там, де ви навіть не здогадаєтеся. Як, наприклад, на даху цього паркування.
Антена БС складається з кількох секторів, кожен із яких приймає/відправляє сигнал у свій бік. Якщо вертикальна антена здійснює зв'язок із телефонами, то кругла з'єднує БС із контролером.
Залежно від характеристик кожен сектор може обслуговувати до 72 дзвінків одночасно. БС може складатися з 6 секторів і обслуговувати до 432 дзвінків, проте зазвичай на станціях встановлюють менше передавачів та секторів. Стільникові оператори, такі як Tele2, воліють ставити більше БС підвищення якості зв'язку. Як мені сказали, тут використовується найсучасніше обладнання: базові станції Ericsson, транспортна мережа – Alcatel Lucent.
Від підсистеми базових станцій сигнал передається у бік підсистеми комутації, де відбувається встановлення з'єднання з потрібним абоненту напрямом. У підсистемі комутації є низка баз даних, у яких зберігаються інформацію про абонентах. Крім того, ця підсистема відповідає за безпеку. Якщо сказати простіше, то комутатор виконав яє ті ж функції, що й дівчата оператори, які раніше руками з'єднували вас з абонентом, тільки зараз все це відбувається автоматично.
Обладнання для цієї базової станції заховано в цій залізній шафі.
Крім звичайних вишок є також мобільні варіанти базових станцій, розміщені на вантажівках. Їх дуже зручно використовувати під час стихійних лих або у місцях масового скупчення людей (футбольні стадіони, центральні площі) на час свят, концертів та різноманітних заходів. Але, на жаль, через проблеми у законодавстві широкого застосування вони поки що не знайшли.
Для забезпечення оптимального покриття радіосигналом на рівні землі базові станції проектуються спеціальним чином, тому незважаючи на дальність в 35 км. сигнал не поширюється висоту польоту літаків. Однак деякі авіакомпанії вже почали встановлювати на своїх бортах невеликі базові станції, які забезпечують стільниковий зв'язок усередині літака. Така БС з'єднується з наземною мережею за допомогою супутникового каналу. Система доповнюється панеллю управління, яка дозволяє екіпажу вмикати та вимикати систему, а також окремі типи послуг, наприклад, вимикати голос на нічних рейсах.
Також я заглянув до офісу Tele2, щоб побачити, як фахівці контролюють якість стільникового зв'язку. Якщо кілька років тому така кімната була б обвішана до стелі моніторами, що показують дані мережі (завантаженість, аварії мережі тощо), то згодом потреба в такій кількості моніторів відпала.
Технології згодом сильно розвинулися і досить ось такої невеликої кімнати з кількома фахівцями, щоб спостерігати за роботою всієї мережі у Москві.
Небагато видів з офісу Tele2.
З початку будівництва до сьогодні Tele2 встиг покрити своєю мережею всю Москву, і поступово завойовує Підмосков'я, запускаючи більше 100 базових станцій щотижня. Оскільки я зараз живу в області, мені дуже важливо. щоб ця мережа якнайшвидше прийшла в моє містечко.
У планах компанії на 2016 р. забезпечення високошвидкісного зв'язку в метро на всіх станціях, на початок 2016 року зв'язок Tele2 присутній на 11 станціях: зв'язок стандарту 3G/4G на метро «Борисове», «Діловий центр», «Котельники», «Лермонтовський проспект» , "Тропарево", "Шипилівська", "Зябликово", 3G: "Білоруська" (Кільцева), "Спартак", "П'ятницьке шосе", "Жулебіне".
Як я говорив вище, Tele2 відмовилася від формату GSM на користь стандартів третього та четвертого покоління – 3G/4G. Це дозволяє встановлювати базові станції 3G/4G з більшою частотою (наприклад, усередині МКАД БС стоять на відстані близько 500 метрів один від одного), щоб забезпечувати більш стабільний зв'язок та високу швидкість мобільного інтернету, чого не було у мережах попередніх форматів
З офісу компанії я в компанії інженерів Никифора та Володимира вирушаю на одну з точок, де їм потрібно заміряти швидкість зв'язку. Никифор стоїть навпроти однієї з щоглів, на якій встановлено обладнання для забезпечення зв'язку. Якщо придивитеся, то помітите трохи далі ліворуч ще одну таку щоглу, з обладнанням інших стільникових операторів.
Як це не дивно, але стільникові операториНерідко дозволяють своїм конкурентам використовувати свої баштові споруди для розміщення антен (природно на взаємовигідних умовах). Це викликано тим, що будівництво вежі чи щогли – дороге задоволення, і такий обмін дозволяє заощадити чимало коштів!
Поки ми заміряли швидкість зв'язку, Никифора кілька разів перехожі бабусі і дядьки запитали чи він не шпигун)) "Так, глушимо радіо "Свобода"!).
Обладнання насправді виглядає незвичайно, на його вигляд можна припустити все що завгодно.
У фахівців компанії чимало роботи, якщо врахувати, що в Москві та області у компанії більше 7тис. базових станцій: їх близько 5тыс. 3G і близько 2тис. базових станцій LTE, а останнім часом кількість БС збільшилася ще приблизно на тисячу.
Усього за три місяці в Підмосков'ї було виведено в ефір 55% загальної кількості нових базових станцій оператора в регіоні. На даний момент компанія забезпечує якісне покриття території, на якій проживає понад 90% населення Москви та Московської області.
До речі, у грудні мережу 3G Tele2 було визнано найкращою за якістю серед усіх столичних операторів.
Але я вирішив особисто перевірити наскільки гарний зв'язок у Tele2, тому придбав сімку в найближчому до мене торговому центрі на м. Войковська, з найпростішим тарифом "Дуже чорний" за 299 р (400 смс/хв і 4 ГБ). До речі, у мене був подібний білайнівський тариф, який на 100 рублів дорожчий.
Перевірив швидкість, не відходячи далеко від каси. Прийом – 6.13 Mbps, передача – 2.57 Mbps. Враховуючи, що я стою в центрі торгового центру, це непоганий результат, зв'язок Tele2 добре проникає крізь стіни великого ТЦ.
На м.Третьяківська. Прийом сигналу – 5.82 Mbps, передача – 3.22 Mbps.
І на м. Червоногвардійська. Прийом – 6.22 Mbps, передача – 3.77 Mbps. Завмер біля виходу з метро. Якщо взяти до уваги, що це окраїна Москви, дуже пристойно. Вважаю, що цілком прийнятний зв'язок, впевнено можна сказати, що стабільний, якщо враховувати, що Tele2 з'явилася в Москві лише кілька місяців тому.
У столиці стабільний зв'язок Tele2 є, це добре. Дуже сподіваюся, що вони швидше прийдуть в область і я зможу повною мірою скористатися їхнім зв'язком.
Тепер і ви знаєте як працює стільниковий зв'язок!
Якщо у вас є виробництво або сервіс, про яке ви хочете розповісти нашим читачам, пишіть пишіть мені - Аслан ( [email protected] ) і ми зробимо найкращий репортаж, який побачать не лише читачі спільноти, а й сайту http://ikaketosdelano.ru
Підписуйтесь також на наші групи в фейсбуці, вконтакті,однокласникахі в гугл+плюс, де викладатимуться найцікавіше із спільноти, плюс матеріали, яких немає тут та відео про те, як влаштовані речі у нашому світі.
Тисніть на іконку і підписуйся!