Как устроена сотовая связь?

Сегодня речь пойдет о том, как все же работает современная сотовая связь, а также об устройстве типовых базовых станций, использующихся повсеместно. Также будет обращено внимание на характерные особенности размещения такого оборудования, особенности их конструкции, диапазона работы. Отдельного внимания заслуживает и техническая составляющая, которая и обеспечивает работу сотовой связи внутри нашей страны, а также на территории иных государств.

Базовые сведения о станциях сотовой связи.

Вероятно, вы уже видели ранее, как именно выглядят базовые станции, которые нередко можно видеть на крышах высотных зданий. Такие антенны – это лишь отдельный элемент классической базовой станции, который применяется строго для передачи и приема сигнала между абонентами. Также в этой системе присутствует и специальный усилитель, которые уже транслирует сигнал к контроллеру БС, а также иным устройствам системы. Такие антенны являются самой заметной частью конструкции, а видеть их можно практически повсеместно. Например, на территории России они встречаются на крышах домов, устанавливаются на соответствующие мачты, а также встречаются и более оригинальные виды монтажа. В России антенны сотовой связи монтируют даже на столбах освещения, а вот в Египте их даже начали маскировать под пальмы.

Что касательно подключения станции к сети оператора, то зачастую используется радиорелейный тип связи. Именно по этой причине часто можно увидеть рядом с антенными блоками и соответствующую тарелку, которая и обеспечивает эту самую связь.

Если говорить о внедрении современных технологий, сети четвертого и пятого поколения, то в этом случае подключение оборудование осуществляется исключительно с помощью волоконной оптики. Например, сегодня именно оптоволокно является основной средой передачи данных, в том числе и между различными блоками базовой станции. В интернете не составит труда отыскать схематические рисунки, наглядно демонстрирующие работу оборудования и принцип передачи данных.

Например, оптоволокно дает возможность передавать данные от выносных управляемых модулей вплоть до самой базовой станции, делая это максимально быстро и качественно.

Также обратим внимание на то, что БС устанавливаются на территории нежилых помещениях, крепятся на их стены, могут использоваться также и контейнеры. Фиксация оборудования допускается и на специально установленных столбах. Примечательно, что современное оборудование отличается минимальными размерами, а именно по этой причине расширяется спектр его использования, а монтажные работы не вызывают осложнений. Радио-модуль в большинстве случаев размещается в непосредственной близости от антенного блока, поскольку это дает возможность минимизировать потери сигнала и использовать антенну на максимальной мощности. Также вы можете изучить фотографии, на которых показано, как именно монтируется подобное оборудование на мачтах.

Зона обслуживания базовых станций

Этот вопрос вряд ли получится рассмотреть поверхностно, поэтому предлагаем углубиться в тематику. Прежде всего, стоит учитывать существование различных типов базовых станций. Например, в данном случае речь идет про макро, микро, пико и фемтосоты, а все они кардинально различаются между собой.

• Фемтосота – не является базовой станцией, а позиционируется в качестве отдельной точки доступа. Изначально оборудование производится для домашнего или офисного применения, поэтому его владельцами становятся частники или же юридические лица, не имеющего непосредственного отношения к оператору связи и его деятельности. Немаловажное преимущество такого оборудования – это полностью автоматическая конфигурация. Оно само может оценить качестве сигнала сотовой связи, подключиться к необходимой сети. Также это оборудование отличается минимальными размерами, визуально похожа на классический роутер.

 

• Пикосота – это уже полноценная базовая станция, имеющая минимальную мощность. Данное оборудование неизменно принадлежит оператору и может применяться в качестве сети транспортного типа. Такое оборудование нередко монтируется там, где предусматривается локальная концентрация абонентов в последующем. Размеры устройства также невелики и вполне сопоставимы с обычным ноутбуком.

 

• Микросота является уже приближенным вариантом к классической БС, но также и это оборудование очень часто используется на практике. В качестве преимущества также можно отметить максимальную компактность оборудования и простоту его монтажа. Практически все современные операторы связи используют данные устройства в своей практике. Основные отличия от основной базовой станции заключаются в урезанной емкости абонентов, чья поддержка может осуществляться, а также меньшая мощность излучения сигнала. Весит такое оборудование в районе пятидесяти килограмм и может работать в радиусе до пяти километров. Рационально использовать это оборудование удается там, где необходимо иметь довольно высокую емкость и мощность сети при условии, что установить большую станцию по какой-то причине нет возможности.

 

• Макросота – базовая станция стандартного типа, на основе которой и построены все современные мобильные сети. Мощность такого оборудования составляет около пятидесяти Ватт, а радиус работы достигает отметки в сто километров на пике.Масса такого устройства составляет около трехсот килограмм. Что касательно зоны покрытия каждой такой станции, то она во многом зависит от высоты размещения устройства, используемых антенн, а также от рельефа местности. Каждое препятствие для прохождения сигнала будет негативно сказываться на качестве связи. Когда представители оператора монтируют подобное оборудование, далеко не всегда они в первую очередь акцентируют внимание на радиусе покрытия.

 

С течением времени может не хватить пропускной способности используемого оборудования, а в данном случае на дисплее смартфона будет отображаться соответствующий значок. В этом случае оператор имеет возможность на отдельном участке свести к минимуму радиус действия базовой станции и дополнительно установить оборудование в тех местах, где просматривается пиковая нагрузка. В каждой отдельной ситуации представители оператора связи вынуждены действовать в индивидуальном порядке.

В ситуациях, когда важно повысить емкость сети и при этом снизить нагрузку на разные базовые станции, приходится использовать микросоты. Если говорить о ситуации на территории мегаполисов, то такое оборудование зачастую обеспечивает покрытие в радиусе до пятисот метров, а поэтому их приходится использовать часто. Бывают и такие места, подключение которых требуется выполнить в локальном формате, обеспечив максимальное количество трафика. Например, это актуально для станций метро, центральных улиц.

Если предстоит решение таковой задачи, то необходимо использовать микросоты и пикосоты, а также дополнительные антенные блоки. Последние размещаются на низких зданиях, а также на осветительных столбах. Нередко нужно обеспечить максимально качественное покрытие на территории закрытых зданий, а в этом случае рациональнее всего использовать пикосотовые БС, обеспечивающие довольно высокую производительность. Если говорить про относительно открытую территорию вдали городов, то здесь уже требуется добиться максимальной дальности работы станции. Установка каждой БС – это существенные расходы для оператора, так как само по себе это оборудование имеет высокую стоимость. Монтажные работы – часть дополнительных расходов, как и ввод оборудования в эксплуатацию.

Важно понимать, что для обеспечения работоспособности БС вдали от городов приходится прокладывать дополнительные линии электропередач, а это еще одна статья существенных расходов. Зачастую приходится работать в довольно сложных климатических условиях.

Если необходимо максимально увеличить зону покрытия, то стоит монтировать БС на специальных мачтах с увеличенной высокой. Также практикуется использование секторных излучателей. Практика задействования низких частот тоже распространена, поскольку они в минимальной степени подвержены затуханию. Например, если станция работает в диапазоне 1800 МГц, то дальность ее действия не будет превышать отметку в 6-7 километров. Если же использовать диапазон в 900 МГц, то зона покрытия достигнет отметки в 32 километра. Как видите, разница ощутимая, поэтому данную методику не планируется списывать со счетов.

Как устроены антенны базовых станций?

Если анализировать современную методику обустройства сотовой связи, то можно заметить преимущественное использование панельных антенн секторного типа, которые имеют диаграмму направленности шириной в 120, 90, 60 и 30 градусов. На практике приходится использовать от 3 (ширина ДН 120 градусов) до 6 (ширина ДН 60 градусов) антенных блоков, чтобы перекрыть все диаграммы направленности. На фото показано, как именно добиться равномерного покрытия сети.

Львиная доля современных антенн для БС являются широкополосными, поэтому появляется возможность их эксплуатации сразу в нескольких частотных диапазонах.

Также стоит отметить, что при организации сетей UMTS применяются прогрессивные станции, которые автоматически меняют площадь покрытия в зависимости от того, какая именно нагрузка приходится н сеть в данный момент времени. Угол наклона используемой антенны – это один из наиболее эффективных методов корректировки излучаемой мощности. Например, это дает возможность менять площадь облучения в сжатые сроки и с максимально возможной точностью. Также существуют и антенны с фиксированным углом наклона, оснащаются модулями, позволяющими дистанционно корректировать их положение, производя точную регулировку. Разработано соответствующее программное обеспечение, которое дает возможность настраивать работу БС удаленно. Наличие встроенных фазовращателей также является характерной особенностью оборудования, которое актуально в настоящее время. Популярными становятся решения, которые дают возможность изменять и зону обслуживания, однако в данный момент они только начинают активно использоваться операторами.

Примечательно, что появляется возможность корректировки зоны обслуживания всего спектра БС. Что касательно антенн и их технического устройства, то в них может использоваться механическое управление, а также электрическое для изменения диаграммы. Механический тип считается более простым в плане реализации, однако по итогу форма диаграммы оказывается существенно искаженной. Это вызван воздействием определенных конструктивных частей оборудования. В настоящее время все чаще можно встретить антенны для БС, которые оснащены системой корректировки угла наклона электрического типа. По сути – это небольшая группа излучающих элементом. Расстояние между ними выбирается так, чтобы удалось добиться минимального уровня боковых лепестков.

Если говорить о длине этого оборудования, то она может быть от 0.7 до 2.6 метров, а последний вариант применяется зачастую для многодиапазонных панелей. Что касательно коэффициента усиления, то в данном случае он может быть от 12 до 20 dBi, а на изображении продемонстрирована конструкция популярной антенной панели.

Надо признать, что данная конструкция на данный момент является устаревшей, однако продолжает до сих пор применятся операторами.

Немаловажное преимущество этого решения в том, что оно дает возможность создавать диаграмму с шириной базового лепестка в 65 и 90 градусов, что немаловажно. Примечательно, что в этом формате производятся до настоящего времени антенные блоки двухдиапазонного типа, однако они имеют довольно большие размеры, что и является их основным недостатком на данный момент.

Если говорить про трехдиапазонную панель того типа, то она будет иметь практически вдвое большие габаритные размеры по сравнению с аналогом, ориентированным на работу в двух диапазонах. Важно понимать, что такие конструктивные особенности создают существенные проблемы на этапе обслуживания оборудования и поддержания его работоспособности. Стоит отдельно поговорить также и про возможность изготовления альтернативных антенн, где излучатели выполнены в виде металлических пластин квадратной формы.

Также бывают антенные блоки, когда в виде излучателя применяются полуволновые магнитные вибраторы – это решение не является наиболее популярным, однако также используется современными операторами в некоторых случаях. Что касательно линии питания оборудования, а также щели и экран в данном случае производятся на печатной плате, которая является фольгированным с обеих сторон текстолитом. Важно также учитывать и тот факт, что последнее время популярность беспроводных технологий существенно возросла, а именно по этой причине операторы сотовой связи должны принять максимально мощное оборудование.

Стоит учитывать и тот факт, что все основные блоки управления БС, независимо от типа и поколения, могут быть помещены в рамках одного коммутационного шкафа небольшого размера. Если же говорить про антенные блоки, то здесь уже возникают проблемы, так как сделать их столь компактными на данный момент не представляется возможным. Примечательно, то в многодиапазонных антенных блоках количество соединительных линий может превышать отметку в сотню метров. Это очень большая длина кабеля, при том имеющего многочисленные паянные соединения.

Все это способствует появлению определенных потерь сигнала и в целом снижению усиления. Были разработаны определенные меры, позволяющие минимизировать элементы пайки и электрические потери. Например, уже удалось осуществить запитку антенны с помощью единой технологии печатного типа. Немаловажное преимущество данного решения – это предельная простота производства, а также одинаковость характеристик производимого антенного оборудования при серийном производстве.

Антенные модули многодиапазонного типа

По мере развития третьего, а также и четвертого поколения сотовой связи возникла необходимость модернизировать последовательно антенную часть БС. Также пришлось усовершенствовать и мобильные телефоны, которыми пользуются абоненты. Например, с недавних пор антенны стали работать в новых диапазонах, которые превышают отметку в 2.2 ГГц. Существует также немаловажное условие – антенны одновременно должны иметь возможность функционирования в разных диапазонах. Именно по этой причине в современных антеннах стали появляться весьма сложные электромеханические схемы. Только благодаря ним удается добиться желаемой работы оборудования, независимо от климатических условий и других факторов.

В качестве излучателей также могут применяться и дипольные антенны, однако в этом случае возникает необходимость установки отдельного диполя для того или иного волнового диапазона. Некоторые диполи имеют собственную линию питания, однако, это негативно сказывается на целостной системе питания, способствует повышению потребляемой энергии в процессе эксплуатации. Существуют антенны такого типа от нескольких зарубежных производителей, которые на данный момент эксплуатируются и на территории нашей страны.

Из этого следует, что диполи нижнего диапазона располагаются внутри диполей верхнего диапазона – это характерная особенность данного типа оборудования.

Если нужно осуществить работу оборудования в трех диапазонах или большем их количестве, рациональнее всего использовать печатные антенны многослойного типа. Примечательно, что в них каждый слой ориентирован на работу в рамках отдельного и небольшого диапазона частот. Заметим, что такие вот антенные блоки производятся из печатных антенн при использовании индивидуальных излучателей. Такие антенны принудительно настраиваются на те или иные частот диапазона лицами, которые обслуживают оборудование и вводят его в эксплуатацию. Что касательно конструкции такого оборудования, то изучить ее можно по рисунку, размещенному ниже. Как и в любой сложной конструкции такого типа, здесь между собой взаимодействует большое количество элементов, адаптированных под работу в том или ином диапазоне. Именно это взаимодействие и позволяет добиться максимальной согласованности всех используемых антенн. Такие антенные модули последнее время нередко используются при организации сотовой сети.

Примечательно, что специалисты признают в качестве наиболее эффективного метода – это изменение конструктивных параметров посредством изменения местоположения возбуждающего устройства. Размеры облучателя могут корректироваться, что также отразится на работе данного оборудования. Стоит принимать во внимание, что все беспроводные технологии нашего времени относятся к категории широкополосных, а ширина полосы может быть разной. Например, довольно широкой полосой обладают те антенны, которые работают по принципу взаимодополняющих элементов.

Существуют и антенны типа «Бабочка», работающие именно по таковому принципу. Характерная особенность оборудования заключается в том, что согласование оборудование с линией передачи производится посредством выбора точки возбуждения, настройки ее конфигурации.

Когда стоит задача в расширении полосы рабочих частот, приходится дополнять конструкцию дополнительным сопротивлением. Примечательно, что предварительно нужно произвести немалое количество довольно серьезных расчетов. Для этого используется специализированное программное обеспечение, применяющееся для моделирования сети и ее характерных особенностей. Например, современные ресурсы дают возможность проектировать антенны в полупроводниковых корпусах, независимо от наличия других элементов антенной системы. Суть заключается в возможности проведения довольно тонкого инженерного анализа с помощью этого самого программного обеспечения. Важно понимать, что работы по проектированию всегда производятся в несколько отдельных этапов. Изначально создается базовый прототип, который в последующем подвергается детальной доработке.

После этого несколько печатных антенн под разные диапазоны совмещают в единую конструкцию и тестируют на практике в рабочей среде. Если прослеживаются причины взаимного влияния, то их следует незамедлительно устранить. Примечательно, что последний из рассмотренных нами типов антенн может использоваться и в качестве основы для печатных антенн. Существуют разные варианты конфигураций, отличающихся характерными особенностями. Например, такие антенны могут иметь разную форму реактивного элемента, а именно он и применяется в данном случае с целью расширения полосы используемых диапазонов частот. В любом случае, каждый из отдельных слоев внутри таковой антенны будет ориентирован на определенный частотный спектр.

Из всего выше сказанного получается, что есть непосредственная зависимость от уровня частот и размера антенного модуля. Каждый слой печатных плат обязательно должен отделяться с помощью качественного диэлектрика. Каждый из слоев работает в рамках определенного частотного диапазона и не конфликтует со смежными. Именно для этого и должен применяться диэлектрик, однако также сказывается и программные анализы на начальной стадии производства. Немаловажное преимущество в том, что антенные блоки такого типа могут осуществлять прием и передачу сигнала без использования постороннего оборудования активного типа. Именно поэтому удается обеспечивать сравнительно небольшие размеры антенного блока, что упрощает его монтаж и обслуживание.

Вредны ли базовые станции?

Нередко такое оборудование можно видеть непосредственно на крышах жилых домов, а из-за этого многие жители этих самых домов переживают о собственном здоровье. Существует огромное количество мифов на эту тему, будто бы такое оборудование крайне негативно воздействует на человеческий организм. На самом же деле, никакого критического излучения люди в данном случае не получают, так как в направлении вниз такое оборудование попросту не может работать, а поэтому нет никаких причин для беспокойства.

Существуют также и строго определенные нормы допустимого излучения на территории страны, которые берутся во внимание на этапе монтажа такого оборудования. Также важно учитывать, что такое оборудование никогда не эксплуатируется в черте города на пике своей мощностью. Именно из-за этого можно говорить, что никакого вреда от БС не может быть, если только вы не планируете длительное время находиться на крыше вблизи такого оборудования. Чаще бывает так, что внутри квартир используются многочисленные точки доступа, микроволновые печи и другое оборудование, которые также в теории могут нести не меньшую опасность. На самом деле, никакого вреда от сотовых телефонов и базовых станций для человека нет, поэтому можно не переживать по этому поводу.