Дистрибутор сетевого
и телекоммуникационного оборудования
Наш телефон:
+7 495 789-65-65
Мы работаем:
с 10:00 до 19:00 (MSK)

Как правильно выбрать антенну для базовой станции

Рапопорт Александр Александрович

Ошибочное мнение

При выборе антенно-фидерных устройств (АФУ) многие основываются на широко распространенном, но ошибочном мнении, что чем выше усиление антенны, чем меньше затухание в кабелях и переходах, тем лучше. Это справедливо для традиционных видов радиосистем, но для ШПС систем CSMA/CA это совсем не так. В чем же разница?

Традиционные системы функционируют в установившемся режиме: передатчик постоянно передает несущую частоту, следовательно приемник имеет возможность, спокойно сформировав сигнал АРУ, установить такой минимальный уровень усиления, чтобы помехи не принимались, а полезный сигнал был бы еще достаточно силен. В этих условиях - чем сильнее полезный сигнал, тем больше можно "задавить" помеху. Все просто и понятно.

Системы с CSMA/CA для своей эффективной работы требуют очень тщательного выбора усиления АФУ. Это определено причинами, которые будут описаны ниже. Грубо говоря, системы с CSMA/CA находятся в трех основных состояниях - передача пакета, прослушивание эфира, прием пакета от своего корреспондента.

Первое состояние понятно и традиционно: чем сильнее передаваемый сигнал, чем он выше уровня помехи в точке приема, тем меньше вероятность поражения уже отправленного пакета.

Последние два состояния для устройства технически идентичны. Приемник принимает имеющийся сигнал и в это время не может начать передачу своего пакета, даже если это не сигнал его корреспондента, а помеха. В этом заключен принцип совместного использования частотного ресурса: кто-то работает где-то близко - не мешай! Принятие решения приемником: "близко или нет" зависит от общей чувствительности приемной системы. В паузе между полезными сигналами приемник вынужден устанавливать максимально возможную чувствительность и единственным средством заставить приемник не слышать помеху - это уменьшить усиления АФУ для помехи. В этом и есть особенность и противоречие систем CSMA/CA в радиосреде: чтобы иметь более сильный сигнал при передаче, нужно иметь возможно большее усиление АФУ, а чтобы уменьшить влияние помехи при приеме - нужно снижать усиление АФУ.

Последствие поражения передаваемого сигнала в точке приема - потеря пакета, последствие наличия помехи в интервале между пакетами - невозможность передачи, стопор системы. В последнем случае пакеты не теряются, но скорость системы может падать до предельно низких значений. А это значит, что даже если вы довели АФУ до совершенства и заставили сигнал вашего передатчика еще "греметь" многие километры после того, как он достиг своего адресата, вы не достигли оптимума функционирования вашей системы, вы не учли второй стороны проблемы, ваши усилия напрасны - скорость передачи будет, скорее всего, минимальной.

Как быть?

Всегда помнить: делай так, как тебе хотелось бы, чтобы это делали другие. Создавай для других как можно меньше помех. Всегда помнить: пассивная АФУ обратима: усиление на прием и передачу одинаковы (если не установлены направленные ответвители). Найти компромисс в усилении АФУ: усиление должно быть таковым, чтобы соотношение сигнал-шум было чуть-чуть выше уровня, при котором приемник данного устройства обеспечивает предельную достоверность приема информации. "Чуть-чуть" - это запас усиления на изменение погодных условий и на превышение полезного сигнала над локальной помехой на требуемый уровень для данной системы.. Уменьшить количество помех на входе приемника без изменения общего усиления АФУ. Это можно реализовать несколькими путями. Можно отстроиться от помехи по частоте, можно отстроиться по направлению, можно по поляризации. Лучше это все делать одновременно. Других альтернатив нет. Рассмотрим это подробнее. Самое первое и лобовое, но странное на первый взгляд решение: установить антенну с высоким усилением и кабель с большим затуханием , таким, чтобы выполнить требования пункта 2. Высокое усиление антенны связано с сужением ее диаграммы направленности. А чем уже диаграмма направленности, тем меньше направлений, с которых собирается помеха, меньше ее суммарный уровень, меньше вероятность наткнуться на источник мешающего сигнала. Помеха подавляется, полезный сигнал усиливается. Остается только нейтрализовать излишнее усиление затуханием кабеля. Учесть разницу ширины диаграммы направленности антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Параболические антенны и антенны типа волновой канал имеют маленькую разницу в ширине диаграмм. Некоторые специальные антенны имеют в одной из плоскостей узкую диаграмму направленности, а в другой - широкую. К таким антеннам относится FA-20 - фазированная антенная решетка. В горизонтальной плоскости она имеет ширину диаграммы направленности, сравнимую с соответствующей характеристикой зеркальных параболической 23дБ антенны, а в вертикальной - значительно большую ширину. Как следствие, эта антенна имеет меньшее усиление (17-20 дБ) и часто не требует подавления избыточного усиления, имеет меньшие габариты. Учитывая тот факт, что отстройка от помех значительно эффективнее по азимуту (в горизонтальной плоскости), а не по углу места (в вертикальной плоскости) , можно эффективно использовать эти свойства антенны FA-20, если не требуется большое усиление. Кроме того, FA-20 не имеет задних и боковых лепестков диаграммы направленности в задней полусфере, что позволяет полностью избавиться от помех с этих направлений и использовать антенны этого типа в непосредственной близости от источников помех. Широкая диаграмма направленности в вертикальной плоскости позволяет избавиться от наведения антенны по углу места. Выбрать поляризацию излучения. Если вы выполнили работы по предыдущим пунктам, а помеха осталась, попробуйте поменять поляризацию излучения поворотом обеих (!) антенн на 90 градусов. Это допустимо только для антенн с симметричными диаграммами направленности в разных плоскостях, в противном случае вы можете потерять больше из-за расширения диаграммы направленности в горизонтальной плоскости. Отстроиться от помехи по частоте. Это действие производится после осуществления предыдущих пунктов. Меняя частотную литеру, измеряйте качество канала. Тщательно подходите к выбору места установки антенн. Антенны должны устанавливаться как можно дальше от других передающих антенн, особенно антенн подобных ШПС систем. Активные элементы антенны не должны находится в створе главных лепестков диаграммы направленности других антенн или их облучателей. Балансирование системы означает достижение идентичности усиления АФУ каждой из сторон системы. Это требование следует из рекомендаций пункта 3. Если эту рекомендацию применить для рассмотрения каждой из АФУ в паре с возможным источником помехи, можно понять, что для одного и того же источника помехи условия будут менее благоприятны для АФУ с большим усилением, хотя в целом, без учета помехи, требование пункта 3 для системы в целом выполнялись. Преднамеренная разбалансировка системы необходима, когда источник(и) помехи расположен не симметрично относительно сторон вашей системы. В этом случае для той стороны вашей системы, где помеха больше, нужно установить АФУ с меньшим усилением, а с другой стороны - с большим, чтобы компенсировать уменьшение общего усиления.

Нюансы

Особенность построения сотовых структур заключается в использовании в качестве сотообразующих антенных систем - антенн с круговой диаграммой направленности. При этом для такой антенны очень трудно обеспечить высокий коэффициент усиления, что часто приводит к разбалансировке системы и потере ее эффективности. Для предотвращения последнего можно порекомендовать следующее: для центральной системы нужно использовать как можно более эффективную антенну с усилением порядка 10-11 дБ, короткий кабель с минимальным затуханием или внешний антенный компенсирующий усилитель. Со стороны абонента необходимо использовать антенну по возможности с меньшим, но достаточным усилением. Изучая сказанное мною в предыдущем пункте, многие, возможно, заметят некоторую "натяжку" в рассуждениях. Действительно, антенна с круговой диаграммой направленности не имеет азимутальной избирательности направленных антенн и собирает помехи со всех направлений. Вероятность поражения помехой такой антенны выше в десятки раз по сравнению с направленной антенной. Как следствие - опасность в повышении потенциала антенны центральной системы. Кроме того, у всенаправленных антенн с высоким коэффициентом усиления (более 6дБ) диаграмма направленности в вертикальной плоскости очень узкая, что приводит к появлению мертвых зон при не идеально ровной линии горизонта. Это свойство подобных антенн усугубляется еще и из-за раскачивания антенн при сильном ветре, что может вызвать полный разрыв связи с абонентами, прилежащими по своему расположению к мертвым зонам. В этом случае приходится использовать более дорогое и технически сложное, но единственно эффективное в таких случаях решение - использование секторных антенн и "игольчатых" антенных систем. При этом нужная диаграмма направленности (возможно даже круговая) строится из многих узких диаграмм секторных или остронаправленных антенн. В этом случае можно исключить из диаграммы то направление, с которого воздействует помеха, либо в данном направлении работать на частоте, возможно более отдаленной от помехи. Можно направить диаграмму направленности по углу места на линию горизонта в данном направлении. Можно для каждого сектора использовать разные частоты, что значительно (до 6 раз) повышает общую производительность базовой станции.

  1. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости всенаправленной 11 дБ антенны
  2. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости антенной системы, построенной из секторных антенн SFA-15.

Из рисунка понятно, что построение базовой станции с использованием 11дБ всенаправленной антенны приводит к появлению обширной мертвой зоны вблизи базовой станции и неэффективному использованию верхней части лепестка диаграммы направленности (проходит выше горизонта).

  1. Нужно помнить, что чем больше антенн вы подключили к разветвителю, тем меньше результирующее усиление по каждому из направлений. К примеру, если в качестве разветвителя используется коаксиальный тройник, то учитывая его симметричность, можно сделать вывод, что сигнал, поступающий на любой из входов тройника, делится пополам между двумя другими выходами, т.е. испытывает ослабление в два раза (3дБ).
  2. Особенность использования нескольких антенн в ближней зоне заключается в том, что на расстоянии единиц метров побочного излучения облучателей антенн достаточно для их взаимодействия между собой. При этом диаграмма направленности не соответствует диаграмме направленности в дальней зоне. Как следствие, антенны типа волновой канал, зеркальные антенны при работе в одном или близких диапазонах частот должны монтироваться на разных мачтах и быть разнесены на расстояние более 5 метров. При размещении на одной мачте всенаправленной антенны с вертикальной поляризацией и направленных антенн полезно направленные антенны установить в режиме горизонтальной поляризации. Антенны типа FA-20 и другие аналогичные ФАР с полным экранированием задней полусферы можно устанавливать на одной мачте в непосредственной близости друг от друга (Пример установки антенн для шестисекторной БС).
  3. Особенности использования антенн при связи окно в окно таковы, что, как правило, объекты связи находятся на разных этажах, то есть на разных уровнях и не напротив друг друга. Напрашивается выполнение следующих требований:
    • применение антенн с широкой диаграммой направленности (а значит, с низким усилением)
    • установка антенн рядом с активным устройством для укорочения кабеля
    • установка антенны внутри помещения
    • минимальное усиление антенны в задней полусфере для уменьшения влияния источников помех, расположенных внутри помещения.
  4. Расчет необходимой энергетики системы. Как читатель понял из предыдущего, для нормального оптимального функционирования системы необходимо очень четко рассчитать энергетику трассы. Причем важно как не перебрать, так и не недобрать с усилением. При расчете необходимо учитывать множество параметров антенн, кабелей, переходов и характеристик активного оборудования. В этом случае Вам не обойтись без квалифицированной помощи специалистов. Кроме этого, они помогут Вам решить еще и следующие задачи:
  5. Учет высоты подвеса антенн и наличия вблизи радиотрассы препятствий.
  6. Расчет внутрисистемной электромагнитной совместимости (ЭМС).


Другие новости Wireless: