Как проверить параметры антенны бс 2. И.М. Воробьев. Оборудование и эксплуатация радиостанций. Антенны базовых станций. Заглянем внутрь

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.

Прием декаметровых волн сопровождается глубокими замира­ниями сигнала и требует смены рабочих частот во времени в за­висимости от состояния ионосферы. Для повышения надежности радиосвязи применяют сдвоенный (реже строенный) прием на два (три) приемника, работающими с разнесенными в простран­стве антеннами. В результате число антенн на приемной станции оказывается достаточно большим. Для уменьшения числа антенн, фидеров и упрощения их коммутации приемные антенны должны быть широкодиапазонными. В этих антеннах можно допустить не­сколько пониженный КПД, поскольку уровни сигнала и внешних помех при этом уменьшаются одинаково и отношение сигнал-шум не изменится. В качестве приемных применяются симметричные и несимметричные антенны бегущей волны .

Симметричные антенны бегущей волны представляют собой систему горизонтальных симметричных вибраторов (рис.17,а), равномерно расположенных в пространстве и подключенных че­рез сопротивления связи к собирательной линии.

Собирательная линия выполняется многопроводной с пониженным волновым со­противлением W=160-200 Ом. С одного конца собирательная линия посредством фидера подключается к приемнику, а с друго­го - замыкается на сопротивление R = Wo. Число и длину виб­раторов желательно брать большими, при этом увеличивается мощность, принимаемая антенной. Однако увеличение длины пле­ча более значения 0.64λ нежелательно, поскольку приводит к уве­личению уровней боковых лепестков. Для работы в диапазоне волн 12,5... 70 м длину плеча вибратора выбирают равной l = 0,64λкор = 8 м. Длина полотна антенны L (собирательной ли­нии) определяет величину КНД. Из

конструктивных соображе­ний длину антенны ограничивают значением 90 ...100 м. С увели­чением числа вибраторов увеличивается действующая длина ан­тенны и уменьшается расстояние между вибраторами. При рас­стояниях между вибраторами меньше 0,5λ. дальнейшее уменьше­ние этого расстояния слабо сказывается на уровнях боковых ле­пестков, но увеличивается шунтирующее действие вибраторов на собирательную линию. Расстояние между вибраторами выбира­ют в пределах d= (0,3 ... 0,4) λкор, а число вибраторов n= 20-30.

В общем случае входное сопротивление вибратора является комплексным. Непосредственное подключение вибраторов к со­бирательной линии изменяет ее погонные параметры, изменится и фазовая скорость в ней. Всякое подключение к линии сосредо­точенного сопротивления нарушает однородность линии и вызы­вает некоторое отражение энергии от точек подключения. Чтобы уменьшить шунтирующее действие и отражения, вибраторы к со­бирательной линии подключаются через сопротивления связи. В качестве сопротивления связи может использоваться активное со­противление (рис.17,а), конденсатор (рис.17,6) или индук­тивность (рис.17,в). В соответствии с этим антенны бегущей волны обозначаются БС, БЕ или БИ.

Из эконо­мических соображении высоту антенн уменьшают до 17... 25 м.

На рис.18 приведены ДН антенны бегущей волны. В сравнении с синфаз­ными и ромбическими антенны БС имеют меньшие уровни боко­вых лепестков. Активные сопротивления связи исключают резонансные явления, позво­ляют увеличить длины вибраторов и получить значительно боль­шее перекрытие по диапазону. Одна антенна БС практически пе­рекрывает весь диапазон декаметровых волн. С увеличением со­противления связи уменьшается влияние вибраторов на собира­тельную линию, улучшается согласование, но из-за возрастания потерь ухудшается КПД. Низкий КПД позволяет использовать антенны бегущей волны только в качестве приемных.

Для сужения ДН и увеличения КНД два полотна антенны рас­полагают рядом и соединяют параллельно с помощью экспонен­циальных фидерных трансформаторов.

В практике радиосвязи большое распространение получили антенны типа БС-2 (21/8) (200/4,5)25. Данное обозначение имеет следующую расшифровку: антенна бегущей волны (Б) с актив­ными сопротивлениями связи (С) состоит из двух параллельно соединенных полотен (2). Каждое полотно имеет по 21 симмет­ричному вибратору с длиной плеча l= 8 м и расстоянием между ними d=4,5м. Сопротивление связи в каждом плече вибратора по 200 Ом. Полотна имеют высоту подвеса над землей 25м.

В условиях ограниченного по размерам антенного поля сдвоен­ный прием можно осуществить, используя антенны с взаимно перпендикулярными вибраторами (поляризационно-разнесенный прием). Если одна из антенн имеет горизонтальные вибраторы, например БС, то вторая должна иметь вертикальные вибраторы. Такой антенной может быть БСВН - вертикальная несимметрич­ная антенна бегущей волны, вибраторы которой связаны с соби­рательной линией через активные сопротивления (резисторы) свя­зи (рис.19,а). Число вибраторов, их длина и расстояния меж­ду ними выбираются из тех же соображений, что и для антенны БС Собирательная линия (рис. 19,6) выполняется несиммет­ричной, многопроводной с волновым сопротивлением 140 Ом. Вне­шние провода собирательной линии под каждым вибратором за­земляются. Вибраторы через сопротивления связи 350... 800 Ом подключаются к двум внутренним проводам. Антенны БСВН по сравнению с БС имеют меньшую стоимость.

Антенна БСВН2 по сравнению с БС2 в горизонтальной плос­кости имеет несколько большие уровни боковых лепестков, по­скольку вертикальный вибратор в горизонтальной плоскости не обладает направленными свойствами. Диаграмма направленности антенны БСВН в вертикальной плоскости существенно зависит от параметров почвы. При идеально проводящей почве максимум главного лепестка ДН совпадает с направлением вдоль земли. В условиях реальной проводимости почвы волна, распространяю­щаяся вдоль земной поверхности, испытывает поглощение и на­правление главного лепестка составляет с плоскостью земли угол 10...200.

В диапазоне декаметровых волн в качестве приемной антен­ны можно использовать провод диаметром 3 ... 4 мм длиной 100... ... 300 м, расположенный на высоте 2,5... 3,5 м над землей, вытя­нутый в направлении на корреспондента. К одному концу через согласующий трансформатор подключается приемный фидер, а к другому - через нагрузочное сопротивление, равное волновому сопротивлению провода,- заземление или противовес.

Вертикальные провода в начале и конце антенны могут су­щественно ухудшить ее направленные свойства. Чтобы уменьшить длины этих проводов, нагрузочное сопротивление в конце и на­ружный проводник фидера в начале антенны подключают не к заземлениям, а к приподнятым над землей противовесам. При работе на одной частоте противовес можно выполнить из трех лу­чей, расположенных в горизонтальной плоскости, расходящихся под углами 120° и имеющих длину 0,25 λ, каждый. При работе в диапазоне противовес выполняют многолучевым, длины лучей ко­торого выбирают по логопериодическому закону Противовес представляет систему из 15 лучей, расположенных в горизонтальной плоскости, расходящихся иод углами 360/15=24° друг к другу.

Для понижения волнового сопротивления провод антенны вы­полняют из нескольких проволок, разнесенных в пространстве. При работе на трассах небольшой протяженности углы прихода волны Δ≥40° и длина антенны оказывается малой. Например, при Δ = 40° Lопт = 2к, а при Δ = 60° Lопт = λ. Такие антенны об­ладают слабыми направленными свойствами. Для улучшения на­правленных свойств антенну выполняют в виде синфазной ре­шетки из двух и более проводов.

При работе с дальними корреспондентами, когда углы прихо­да волны в вертикальной плоскости Δ≤18°, оптимальная длина антенны Lопт≥10λ. Направленные свойства такой антенны луч­ше.

Антенна, представляющая собой синфазную решетку, состоя­щую из двух проводов, разнесенных на 20... 60 м, при длине каж­дого провода 100 ...300 м, может быть использована на магист­ральных линиях связи большой протяженности как временная или резервная.

На трассах протяженностью свыше 2000 км применяют сдво­енный прием на разнесенные в пространстве антенны. Если про­странственный разнос антенн осуществить затруднительно, при­меняют поляризационно-разнесенный прием с использованием ан­тенн БС2 и БСВН2, располагая вертикальные вибраторы БСВН2 непосредственно под собирательными линиями антенны БС2.

1) Где лучше располагать базовую станцию?
Базовую станцию следует располагать на высокой точке таким образом, чтобы максимальное число клиентов могли видеть ее антенны. Это может быть крыша высокого здания, башня, заводская труба и т.д.

2) Какое оборудование необходимо для создания базовой станции (БС)?
Простейшая базовая станция (БС) состоит из:
а. беспроводного маршрутизатора РЭС «РАПИРА»
б. ВЧ кабеля с разъемами N. Для подключения к маршрутизатору используется разъем N-male. В зависимости от типа антенны на другом конце кабеля может использоваться N-male, N-female или иной разъем.
в. Антенны - секторной или всенаправленной
г. Кабеля снижения типа STP Cat.5
д. Инжектора питания (входит в комплект поставки РЭС «РАПИРА»)
БС высокой производительности может состоять из 3х или 6ти таких комплектов, обеспечивающих покрытие 360 градусов по азимуту. При использовании версии радиомаршрутизатора с двумя беспроводными интерфейсами может устанавливаться один маршрутизатор на 2 секторных антенны при условии, что частоты передачи отстоят друг от друга не менее чем на 100Мгц.

3) Как много клиентов может быть подключено к одной базовой станции?
Одна базовая станция может обслуживать до 128 клиентов на сектор. Следует помнить, что пропускная способность базовой станции делится между всеми клиентами. Таким образом, скорость, доступная каждому из клиентов зависит от общего числа клиентов, нагрузки, которую каждый из них создает, количества и активности компьютеров в локальных сетях, скрывающихся за клиентскими маршрутизаторами. Вы можете влиять на распределение ресурсов базовой станции, пользуясь средствами QoS , шейпинга и приоритезации, чтобы выделить каждому клиенту необходимую ему полосу пропускания.

4) Что мне потребуется, чтобы подключить локальную сеть клиента к БС?
Вам потребуется:
а. маршрутизатор РЭС «РАПИРА», настроенный в режиме беспроводного клиента
б. ВЧ кабель с разъемами. Для подключения к маршрутизатору используется разъем N-male. В зависимости от типа антенны на другом конце кабеля может использоваться N-male, N-female или иной разъем.
в. Антенна направленная - параболическая или планарная (панельная)
г. Кабель снижения типа STP Cat.5 (до 100м)
д. Инжектор питания (входит в комплект поставки РЭС «РАПИРА»)
В зависимости от результатов энергетического расчета выбирается антенна с необходимым коэффициентом усиления. Антенна монтируется так, чтобы до антенны базовой станции обеспечивалась прямая видимость.
Маршрутизатор является шлюзом для компьютеров ЛВС клиента. ЛВС клиента может быть защищена средствами FIREWALL, встроенными в беспроводный маршрутизатор. Вы также можете задействовать функцию DHCP - сервера для автоматической раздачи компьютерам IP адресов и функцию NAT, чтобы скрыть всю ЛВС клиента за одним IP.

5) Как много локальных сетей клиента может быть подключено к беспроводной сети посредством одного беспроводного маршрутизатора РЭС «РАПИРА»?
РЭС «РАПИРА» имеет один интерфейс в «уличной» версии и 2 интерфейса в «комнатной». Соответственно числу интерфейсов вы можете подключить 1 или 2 сети. РЭС «РАПИРА» также поддерживает VLAN. Подключив к радиомаршрутизатору коммутатор с поддержкой VLAN 802.11Q, вы можете создать до 255 виртуальных интерфейсов и подключить соответствующее количество изолированных друг от друга локальных сетей, обеспечив маршрутизацию между ними и разграничив доступ листами доступа FIREWALL.

6) Может ли быть ограничена доступная полоса пропускания для каждого из клиентов?
Да, скорость по направлению «к клиенту» может быть централизованно ограничена на БС при помощи функции шейпинга. По направлению «от клиента» скорость может быть задана на клиентских радиомаршрутизаторах.

7) Каков максимальный радиус обслуживания базовой станции?
Максимальный радиус обслуживания, т.е. расстояние от БС до самого удаленного клиента зависит в частности от следующих факторов:
а. мощности передатчика (зависит от модуляции) и чувствительности приемника, которая в свою очередь тоже зависит от выбранной скорости (модуляции).
б. усиления антенны БС и антенны клиента
в. потерь в СВЧ кабелях и разъемах (зависит от их типа и длины кабелей)
д. наличия преград для распространения волны в 1й зоне Френеля
е. помех от систем работающих на той же или близкой частоте
Обычно радиус обслуживания соты БС не превышает 10-15км. позволяет заранее оценить максимальный радиус обслуживания при использовании различных антенн и усилителей.

8) Могу ли я использовать усилители чтобы увеличить радиус обслуживания или длину канала точка - точка?
Да, вы можете использовать усилитель внешний усилитель. Модификации РЭС «РАПИРА» PA400 содержат встроенный двунаправленный усилитель. Использование версии PA400 позволяет до 10dB поднять уровень сигнала на передачу, чувствительность на 2-3dB и помогает увеличить радиус обслуживания в 2 - 4 раза. Использование версии PA400 со встроенным усилителем обеспечивает существенную экономию и дополнительны эксплуатационные преимущества.

9) Как выбирать антенну для клиентской станции или канала точка - точка?
Помните старое и мудрое правило «антенна - лучший усилитель». В отличие от усилителя, антенна не вносит дополнительных шумов и не усиливает помехи вместе с полезным сигналом на приеме. Хорошая направленная антенна позволяет «отстроиться» от помех по направлению за счет использования узкого луча. Например, параболическая антенна диаметром 0,9м обеспечивает усиление 30dB и обеспечивает ширину луча порядка 3 градусов. На расстоянии 5 километров такая антенна дает «пятно» излучения с радиусом всего около 130метров. В диапазоне 5-6 ГГц размеры антенны, требуемые для достижения соответствующего усиления меньше, чем для 2.3 - 2.5 ГГц. Помните, что параболические антенны имеют лучшие характеристики по уровню заднего и боковых лепестков по сравнению с планарными антеннами.

10) Как выбирать антенны для базовой станции?
Антенны для базовой станции лучше использовать секторные. Чем меньше угол (сектор) обслуживания, тем меньше помех будет «собирать» такая антенна, но тем больше маршрутизаторов и частотных каналов потребует такая БС для покрытия нужного сектора. Наиболее распространены антенны с шириной основного лепестка 60, 90 и 120 градусов c усилением от 15 до 13dB. Обычно в вертикальной плоскости ширина лепестка составляет 6-8 градусов, то есть излучение «прижато» к земле и распространяется вдоль горизонта. Чем меньше ширина главного лепестка антенны , тем больше ее усиление, обусловленное концентрацией излучаемой энергии. При выборе и юстировке антенны следует пользоваться соответствующим расчетом, чтобы вычислить необходимый наклон антенны по углу места. Слишком малый угол излучения в вертикальной плоскости может ограничить подключение клиентов вблизи от базовой станции, особенно если последняя расположена слишком высоко.

Использование антенн с круговой диаграммой направленности 360 градусов не рекомендуется при создании БС с большим планируемым радиусом обслуживания и числом клиентов, особенно в условиях помех. Кроме того, плоскость излучения всенаправленной антенны направлена строго горизонтально и близкие абоненты, расположенные ниже БС будут испытывать затруднения со связью.

12) Нужна ли «прямая видимость»?
Да, прямая видимость необходима в большинстве случаев. Это означает, что на воображаемой прямой линии между антеннами устройств не должно быть физических препятствий (деревьев, зданий и пр). Следует также учитывать природу распространения волн и делать запас на дифракцию ().

13) Что такое Зоны Френеля?
Зоны Френеля - это пространство вокруг воображаемой линии «прямой видимости», в котором распространяется радиоволна. Хотя бы 80% этой зоны, в которых сосредоточена основная мощность излучения, должны быть также свободны от препятствий, в противном случае сигнал будет ослаблен. Если вы хотите «стрельнуть» в щель между двух домов, сначала диаметра 1й зоны Френеля. Например, для канала 5.8ГГц длиной 16км зона Френеля в середине линка - это круг с радиусом 14м. Промежуток между домами должен составлять не менее 28м. Для 2.4ГГц радиус зоны Френеля будет уже 34м.

14) Могу ли я «прозрачно» объединить 2 ЛВС?
Да, вы можете обеспечить прозрачное прохождение трафика через беспроводные маршрутизаторы «РАПИРА» , настроив их для работы в режиме бриджа. При этом кадры Ethernet проходят фильтрацию по динамической таблице MAC адресов перед отправкой в эфир. Подробнее о настройке оборудования для работы в данном режиме читайте в инструкции по эксплуатации.

15) Как много времени требуется для монтажа простейшей беспроводной сети?
Совсем немного! Квалифицированной бригаде из 2х человек обычно требуется не более одного дня для монтажа канала точка - точка. Монтаж базовой станции из 3х секторов и подключение 5ти клиентов потребует 2-3 дня.

16) Какой длины и разновидности ВЧ кабель использовать?
Кратчайшей длины. Помните, что на частотах 2.3 - 2.5ГГц, а тем более 5-6ГГц кабель вносит весьма существенное затухание. РЭС «РАПИРА» специально имеет всепогодное исполнение, чтобы обеспечить возможность монтажа непосредственно рядом с антенной. При этом вы можете использовать гибкий и удобный в обращении кабель марки 8D-FB (синий или зеленый) или ему подобный. Если же вы хотите расположить антенну на удалении 10 - 20м от маршрутизатора, следует использовать либо толстый гибкий кабель с низким затуханием, например 10D-FB, либо жесткий кабель с соответствующими разъемами. Мы рекомендуем использовать кабели со сплошным вспененным диэлектриком. Эти кабели обладают более стабильными характеристиками и проще в обращении. Кабели с диэлектриком в виде воздушного промежутка, например распространенной марки DX-10 (желтый кабель) обладают рядом неприятных недостатков:
a. при монтаже разъемов пайкой, а также от нагрева при термоусаживании гидроизоляции тонкий внутренний диэлектрик плавится и кабель теряет свойства, начинает вносить огромное затухание
b. в процессе эксплуатации вследствие перепадов уличной температуры и связанного с этим периодического возникновения воздушного разрежения, в полости диэлектрика со временем накапливается влага, от которой кабель теряет работоспособность
c . кабели меняют свойства при изгибании, поскольку центральная жила слабо зафиксирована

Сотовая связь с недавних пор так прочно вошла в нашу повседневную жизнь, что трудно представить современное общество без нее. Как и многие другие великие изобретения мобильный телефон сильно повлиял на нашу жизнь, и на многие ее сферы. Трудно сказать каким было бы будущее, если бы не этот удобный вид связи. Наверняка таким же, как и в фильме "Назад в Будущее-2", где есть летающие авто, ховерборды, и многое другое, но нет сотовой связи!

Но сегодня в специальном репортаже для будет рассказ не о будущем, а о том, как устроена и работает современная сотовая связь.

Для того, чтобы узнать о работе современной сотовой связи в формате 3G/4G, я напросился в гости к новому федеральному оператору Tele2 и провел целый день с их инженерами, которые объяснили мне все тонкости передач данных через наши мобильные телефоны.

Но расскажу вначале немного об истории возникновения сотовой связи.

Принципы работы беспрводной связи были опробованы почти 70 лет назад - первый общественный подвижный радиотелефон появился в 1946 г. в Сент-Луисе, США. В Советском союзе опытный образец мобильного радиотелефона был создан в 1957 году, потом ученые других стран создавали подобные устройства с различными характеристиками, и только в 70-х годах прошлого века в Америке были определены современные принципы работы сотовой связи, после чего и началось ее развитие.

Мартин Купер - изобретатель прототипа портативного сотового телефона Motorola DynaTAC весом в 1,15 кг и размерами 22,5х12,5х3,75 см

Если в западных странах к середине 90-х годов прошлого века сотовая связь была распространена повсеместно и ей пользовалась большая часть населения, то в России она только начала появляться, и стала доступной для всех чуть более 10 лет назад.

Громоздкие кирпичеобразные мобильники работавшие в форматах первого и второго поколений ушли в историю, уступив место смартфонам с 3G и 4G, лучшей голосовой связью и высокой скоростью интернета.

Почему связь называется сотовой? Потому что территория, на которой обеспечивается связь, разбивается на отдельные ячейки или соты, в центре которых располагаются базовые станции (БС). В каждой "соте" абонент получает одинаковый набор услуг в определенных территориальных границах. Это означает, что перемещаясь от одной "соты" к другой, абонент не чувствует территориальной привязанности и может свободно пользоваться услугами связи.

Очень важно, чтобы была непрерывность соединения при перемещении. Это обеспечивается благодаря так называемому хэндовер (Handover), при котором соединение установленное абонентом как бы подхватывается соседними сотами по эстафете, а абонент продолжает разговаривать или копаться в соцсетях.

Вся сеть делится на две подсистемы: подсистема базовых станций и подсистема коммутации. Схематически это выглядит так:

В середине "соты", как было сказано выше находится базовая станция, которая обычно обслуживает три "соты". Радиосигнал от базовой станции излучается через 3 секторные антенны, каждая из которых направлена на свою "соту". Бывает так, что 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 МГц). Кроме того, на данной базовой станции может присутствовать оборудование сразу нескольких поколений связи (2G и 3G).

Но на вышках БС Tele2 стоит оборудование только третьего и четвертого поколения - 3G/4G, так как компания решила отказаться от старых форматов в пользу новых, которые помогают избегать обрывов голосовой связи и обеспечивают более стабильный интернет. Завсегдатаи соцсетей поддержат меня в том, что в наше время скорость интернета очень важна, 100-200 кб/с уже не достаточно, как это было пару-тройку лет назад.

Наболее привычным местом размещения БС является башня или мачта, построенная специально для нее. Наверняка вы могли видеть красно-белые вышки БС где-то в отдаленности от жилых домов (в поле, на холме), или там, где поблизости нет высоких зданий. Как вот эта, которая видна из моего окна.

Однако, в условиях городской местности трудно найти место под размещение массивного сооружения. Поэтому в крупных городах базовые станции размещаются на зданиях. Каждая станция ловит сигнал от мобильных телефонов на удалении до 35 км.

Это антенны, само оборудование БС находится на чердаке, или в контейнере на крыше, которое представляет из себя пару железных шкафов.

Некоторые базовые станции расположены там, где вы даже не догадаетесь. Как например на крыше этой парковки.

Антенна БС состоит из нескольких секторов, каждый из которых принимает/отправляет сигнал в свою сторону. Если вертикальная антенна осуществляет связь с телефонами, то круглая соединяет БС с контроллером.

В зависимости от характеристик, каждый сектор может обслуживать до 72 звонков одновременно. БС может состоять из 6 секторов, и обслуживать до 432 звонков, однако обычно на станциях устанавливают меньше передатчиков и секторов. Сотовые операторы, такие как Tele2, предпочитают ставить больше БС для улучшения качества связи. Как мне сказали, здесь используется самое современное оборудование: базовые станции Ericsson, транспортная сеть - Alcatel Lucent.

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. Если сказать проще, то коммутатор выполняет те же функции, что и девушки операторы, которые раньше руками соединяли вас с абонентом, только сейчас все это происходит автоматически.

Оборудование для этой базовой станции спрятано в этом железном шкафу.

Кроме обычных вышек есть также и мобильные варианты базовых станций, размещенные на грузовиках. Их очень удобно использовать во время стихийных бедствий или в местах массового скопления людей (футбольные стадионы, центральные площади) на время праздников, концертов и различных мероприятий. Но, к сожалению, из-за проблем в законодательстве широкого применения они пока не нашли.

Для обеспечения оптимального покрытия радиосигналом на уровне земли, базовые станции проектируются специальным образом, потому несмотря на дальность в 35 км. сигнал не распространяется на высоту полета самолетов. Однако некоторые авиакомпании уже начали устанавливать на своих бортах небольшие базовые станции, обеспечивающие сотовую связь внутри самолета. Такая БС соединяется с наземной сотовой сетью с помощью спутникового канала. Система дополняется панелью управления, которая позволяет экипажу включать и выключать систему, а также отдельные типы услуг, например, выключать голос на ночных рейсах.

Также я заглянул в офис Tele2, чтобы увидеть как специалисты контролируют качество сотовой связи. Если несколько лет назад такая комната была бы увешана до потолка мониторами показывающими данные сети (загруженность, аварии сети, и т.п.) то со временем надобность в таком количестве мониторов отпала.

Технологии со временем сильно развились и достаточно вот такой небольшой комнаты с несколькими специалистами, чтобы наблюдать за работой всей сети в Москве.

Немного видов из офиса Tele2.

На совещании сотрудников компании обсуждаются планы по захвату столицы) С начала стройки до сегодняшнего дня Tele2 успел покрыть своей сетью всю Москву, и постепенно завоевывает Подмосковье, запуская более 100 базовых станций еженедельно. Так как я живу теперь в области, мне очень важно. чтобы эта сеть как можно быстрее пришла в мой городок.

В планах компании на 2016 г. обеспечение высокоскоростной связи в метро на всех станциях, на начало 2016 связь Tele2 присутствует на 11 станциях: связь стандарта 3G/4G на метро «Борисово», «Деловой центр», «Котельники», «Лермонтовский проспект», «Тропарево», «Шипиловская», «Зябликово», 3G: «Белорусская» (Кольцевая), «Спартак», «Пятницкое шоссе», «Жулебино».

Как я говорил выше, Tele2 отказалась от формата GSM в пользу стандартов третьего и четвертого поколения - 3G/4G. Это позволяет устанавливать базовые станции 3G/4G с большей частотой (например, внутри МКАД БС стоят на расстоянии около 500 метров друг от друга), чтобы обеспечивать более стабильную связь и высокую скорость мобильного интернета, чего не было в сетях предыдущих форматов.

Из офиса компании я в компании инженеров Никифора и Владимира отправляюсь на одну из точек, где им нужно замерить скорость связи. Никифор стоит напротив одной из мачт, на которой установлено оборудование для обеспечения связи. Если приглядитесь, то заметите чуть далее слева еще одну такую мачту, с оборудованием других сотовых операторов.

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 - дорогое удовольствие, и такой обмен позволяет сэкономить немало средств!

Пока мы замеряли скорость связи, Никифора несколько раз прохожие бабушки и дядьки спросили не шпион ли он)) "Да, глушим радио "Свобода"!).

Оборудование на самом деле выглядит необычно, по его виду можно предположить все что угодно.

У специалистов компании немало работы, если учесть, что в Москве и области у компании более 7тыс. базовых станций: из них порядка 5тыс. 3G и около 2тыс. базовых станций LTE, а за последнее время количество БС увеличилось еще примерно на тысячу.
Всего за три месяца в Подмосковье было выведено в эфир 55% от общего количества новых базовых станций оператора в регионе. В настоящий момент компания обеспечивает качественное покрытие территории, на которой проживает более 90% населения Москвы и Московской области.
Кстати, в декабре сеть 3G Tele2 была признана лучшей по качеству среди всех столичных операторов.

Но я решил лично проверить насколько хороша связь у Tele2, потому приобрел симку в ближайшем ко мне торговом центре на м.Войковская, с самым простым тарифом "Очень черный" за 299 р (400 смс/минут и 4 ГБ). Кстати, у меня был подобный билайновский тариф, который на 100 рублей дороже.

Проверил скорость не отходя далеко от кассы. Прием - 6.13 Mbps, передача - 2.57 Mbps. Учитывая, что я стою в центре торгового центра это неплохой результат, связь Tele2 хорошо проникает сквозь стены большого ТЦ.

На м.Третьяковская. Прием сигнала - 5.82 Mbps, передача - 3.22 Mbps.

И на м.Красногвардейская. Прием - 6.22 Mbps, передача - 3.77 Mbps. Замерил у выхода из метро. Если принять во внимание, что это окраина Москвы, очень даже прилично. Считаю, что вполне приемлемая связь, уверенно можно сказать, что стабильная, если учитывать, что Tele2 появилась в Москве всего пару месяцев назад.

В столице стабильная связь Tele2 есть, это хорошо. Очень надеюсь, что они побыстрее придут в область и я смогу в полной мере пользоваться их связью.

Теперь и вы знаете как работает сотовая связь!

Если у вас есть производство или сервис, о котором вы хотите рассказать нашим читателям, пишите пишите мне - Аслан ([email protected] ) и мы сделаем самый лучший репортаж, который увидят не только читатели сообщества, но и сайта http://ikaketosdelano.ru

Подписывайтесь также на наши группы в фейсбуке, вконтакте, одноклассниках и в гугл+плюс , где будут выкладываться самое интересное из сообщества, плюс материалы, которых нет здесь и видео о том, как устроены вещи в нашем мире.

Жми на иконку и подписывайся!