3.4. Особенности антенных систем базовых станций стандарта GSM кратко

Привет, Вы узнаете о том , что такое особенности антенных систем базовых станций стандарта gsm, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое особенности антенных систем базовых станций стандарта gsm , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Основы сотовой связи стандарта GSM.

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.

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. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . 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 25

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.

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.

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.

Информация, изложенная в данной статье про особенности антенных систем базовых станций стандарта gsm , подчеркивают роль современных технологий в обеспечении масштабируемости и доступности. Надеюсь, что теперь ты понял что такое особенности антенных систем базовых станций стандарта gsm и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Основы сотовой связи стандарта GSM