Особенности антенных систем базовых станций.

3.4.   Особенности антенных систем базовых станций

Одним из важных элементов аппаратуры в системах сотовой мобильной связи является антенная система, используемая в BTS для создания равномерного радиопокрытия территории соты (или сектора в пределах соты), устойчивого приема от мобильных станций (при минимизации помех), определения местоположения MS и т.п. Поэтому к антеннам BTS предъявляются достаточно высокие требования как по аппаратурным параметрам, так и по технологии антенных систем (рис. 3.8).

 
В нормальных действующих сотовых системах выигрыш по мощности за счет использования антенн BTS составляет от 7 до 15 дБ. При этом должны быть выполнены следующие требования:
 
- излучение в соте (или в секторе с углами 120°, 60°) должно быть равномерным, уменьшающимся по радиусу по закону 1/г" (2 <п< 4);
- подавление межканальных помех (за счет разнесенного приема и использовании направленных антенн);
- широкополосность (более 7% при коэффициенте стоячей волны КСВН £ 1,5) для одновременной передачи/приема большого числа каналов (одновременно до 30...60 каналов);
- диаграмма направленности (в идеальном случае: в вертикальной плоскости: cosec20, в горизонтальной: либо F(cp) = 1, либо F(cp) = sincp в пределах сектора), обеспечивающая равномерное радиопокрытие зоны при уверенном уровне приема и минимальном уровне боковых лепестков;
- минимальное время задержки при распространении электромагнитных волн;
- малые размеры, вес и стоимость.
 
Рис. 3.8. Требования к антенным системам BTS

 

С точки зрения технологии создания антенн, отвечающих выше рассмотренным требованиям, в последние годы в сотовых системах мобильной связи США, Великобритании и Японии используются:
 
- в США и Японии — 3 разнесенные антенны с диаграммами направленности, сформированными в угловых секторах 120° в пределах соты;
- в Великобритании — в пределах соты 6 секторных антенн со сформированными диаграммами направленности в секторах 60°.
 
При этом используется три вида разнесения антенн:
 
- пространственное разнесение (расстояние между антеннами не превышает d < 10 к);
- разнесение по диаграмме направленности;
- разнесение по поляризации электромагнитных волн.
 

Особенности типовых антенн BTS
 
Всенаправленные антенны BTS в горизонтальной плоскости
 
Для получения равномерного радиопокрытия территории соты, необходимо иметь: в вертикальной плоскости диаграмму направленности антенны BTS в виде F(0) = cosec20, при минимальном уровне и числе боковых лепестков, а в горизонтальной плоскости всенаправленную диаграмму, то есть F(cp) = 1.
 
К основным недостаткам таких антенных систем можно отнести:
 
- необходимость выполнения требования по созданию многосотовых кластеров для уменьшения уровня межканальных помех;
- сложность формирования диаграммы направленности в меридианальной плоскости F(0), вплоть до синтезирования F(0) близкой к cosec20;
- необходимость повышения мощности передатчика BTS для создания устойчивой радиосвязи на границах соты;
- требование увеличения отношения сигнал/помеха (С/I) антенн;
- требование использования разнесенного приема для уменьшения влияния помех и увеличения отношения сигнал/шум C/N = CNR;
- обеспечение равномерного радиопокрытия в пределах соты;
- учет зоны помех, возникающих за счет излучения боковых лепестков.
 
Секторные антенны BTS
 
Для создания секторных антенн (sectorized antenna) необходимо выполнить два основных условия:
 
- в вертикальной плоскости диаграмма направленности должна быть типа F(0) - cosec20;
- в горизонтальной плоскости: F(cp) должна иметь однолепестковый характер (например, иметь вид кардиоиды) или более узкую диаграмму направленности. Для этого целесообразно использовать уголковые отражатели, которые формируют ДН в горизонтальной плоскости F(cp) в определенном секторе излучения. В качестве примера можно указать на уголковую рефлекторную антенну (CRA — Corner Reflector Antenna), у которой ширина диаграммы направленности по половинной мощности 2<p[j>5
 
зависит от частоты, угла апертуры ф0, глубины dfk, и длины 1А уголка. На средней частоте /=900 МГц, при dfk = 0,28 и lAfk = 0,56 при угле апертуры ф0 = 120° ширина сформированного лепестка для такой антенны составляет 2ф° 5 > 60°, при ф0 = 225°-
 
2ф° 5 ~ 120°, при фо = 180°- 2ф° 5 ~ 90°.
 
Следует отметить, что варьируя отношением d/X, можно уменьшить уровень боковых лепестков, но при этом увеличивается угол 2ф° 5. Как показали эксперименты, эффективным параметром для управления шириной главного лепестка в горизонтальной плоскости является не угол апертуры ф0, а длина уголка 1А. Так для двухчастотного секторного луча (GSM 900, 1800) изменение угла 2ф°5 от 60° до 120° может быть реализовано путем варьирования параметра 1А/Х: 2ф[] 5 = xp(iyX), при ф0 = const.
 
Как правило в качестве всенаправленных активных излучателей в секторных антеннах используют полуволновые вибраторы, диаграмма направленности в вертикальной плоскости которых F(0) — sin0, то есть отличается от необходимой cosec20. Это ухудшает условия равномерного радиопокрытия территории соты, при этом зона помех может возрастать.
Основы проектирования разнесенных антенн в BTS
 
При проектировании разнесенных антенн в BTS главными параметрами являются:
 
- коэффициент корреляции, определяющий условия приема, а значит и отношение сигнал/шум (C/N = CNR) и сигнал/помеха (С//);
- антенный интервал d/X, как отношение расстояния между разнесенными антеннами d и длиной волны X;
- высота подъема антенной системы BTS над землей (hi).
 
Если уровень принимаемого сигнала в блоке приемных антенн подчиняется распределению Релея, то соотношение между коэффициентом корреляции разнесенных антенн и отношением сигнал/шум C/N = CNR на уровне 1% может иметь вид, показаный на рис. 3.9.

При проектировании разнесенных антенн в BTSглавными параметрами являются:
-  коэффициент корреляции, определяющий условия приема, а значит и отношение сиг­нал/шум (С/N= CNR) и сигнал/помеха (С//);
-  антенный интервал d/X,как отношение расстояния между разнесенными антеннами dи длиной волны X;
-  высота подъема антенной системы BTSнад землей (hi).
Если уровень принимаемого сигнала в блоке приемных антенн подчиняется распреде­лению Релея, то соотношение между коэффициентом корреляции разнесенных антенн и отношением сигнал/шум C/N= CNR на уровне 1% может иметь вид, показаный на рис. 3.9.

 
Рис. 3.9. Зависимость отношения сигнал шум от коэффициента корреляции
Как следует из графика рис. 3.9, максимальное значение CNR = 9,5 дБ при радиусе корреляции г = 0, а при радиусе корреляции г = 0,6 - CNR = 8 дБ.
 
Таким образом, при проектировании разнесенных антенн целесообразно получить коэффициент корреляции г = 0,6, при этом CNR-8 дБ.
 
Для обеспечения данных значений коэффициента корреляции г и отношения CNR необходимо выбрать конфигурацию антенной системы при г = 0,6.
 
Рассмотрим наиболее часто используемую антенную систему в виде пространственно разнесенных антенн в горизонтальной плоскости. На рис. 3.10 показана зависимость коэффициента корреляции r(d/X) от антенного интервала d/X при двух значениях высот антенн BTS: hi = 120 м и hi = 45 м, при условии гауссовского распределения принимаемых сигналов.
 
Из графиков рис. 3.10 следует:
 
- с увеличением высоты подъема антенн hi растет величина г при d/X = const (например, при d/X = 5, hi = 45 м - г = 0,4, при d/X = 5,hi = 120 м - г = 0,6);
- при стандартной девиации sh = 1 зависимость г (d/X) такова, что если г = 0,6, то d/X ~ 7, то есть для GSM 900 величина расстояния между разнесенными антеннами составит d = 2,31 м;
- следует отметить, что разнос d/X при г ~ 0,6 зависит от условий местности: город, предместье, лесной массив и т.п.
 
Эксперименты показывают, что при CNR^ ЮдБ и г = 0,5 величина антенного интервала составляет d/X^ 10.


Зависимость коэффициента корреляции
Рис. 3.11. PIM для стандарта GSM

Для случая т = п = 3 частота интермодуляционных волн составит:

 
//мз = 3/ - 3fj = 3(960 - 935) = 75 МГц,
 
Для случая т = п = 5 частота интермодуляционных волн составит: frns = 5(960 - 935) = 125 МГц.
 
Итак, чем выше порядок (т + п) PIM, тем выше уровень помех, при этом, оценка связи между порядком PIM и излучаемой мощностью антенной системы, показывает, что мощность помех определяется в виде Р~10 дБ/(га + п), то есть в данном случае: при (га + п) = (3 + 3) = 6, Р ~ 10/6 = 1,7 дБ, при (т + п) = (5 + 5) = 10, Р = 10/10 = 1 дБ, третий и пятый порядки PIM становятся мешающими факторами, приводящими к изменению соотношения C/N и С//, что резко ухудшает условия приема сигналов от MS и может привести к падению мощности радиосвязи.
 
Поэтому на практике применяются следующие меры подавления эффекта PIM:
 
- для антенных излучателей вместо проводного элемента используется печатная плата;
- для соединений между излучателем и фланцем используется плотная фиксация посеребренных материалов со специальными проводящими прокладками (возможно использование сварки);
- вводится запрет в использовании алюминия или никеля в контактах на стыках;
- выявляются и устраняются окиси, ржавчина и т.д.


Основы сотовой связи стандарта GSM. 
       1. ВВЕДЕНИЕ В СТАНДАРТ GSМ.
       2. ОРГАНИЗАЦИЯ СОТОВОЙ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSМ.
       3. АНТЕННЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ.

                3.1. Общие положения.
                3.2. Антенны в системах сотовой мобильной связи. 
                3.3. Антенны мобильных станций.
                3.4. Особенности антенных систем базовых станций.
                3.5. Особенности распространения радиоволн.
                3.6. Параметры систем радиосвязи.
                3.7. Влияние лесных массивов на распространение радиоволн.

       4. МОБИЛЬНЫЕ СТАНЦИИ
       5. БАЗОВЫЕ СТАНЦИИ.
       6. ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СИСТЕМ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM.
       7. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ.
       8. УСЛУГИ, ФРОД И БЕЗОПАСНОСТЬ В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ.
       9. УПРАВЛЕНИЕ СЕТЯМИ СВЯЗИ В СТАНДАРТЕ GSM.
      10. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ.

 

 
   
Стол заказов: (067)194-45-55 | Киев