Базовая станция — вид изнутри
Вы, наверное, уже знаете, что я работаю в сотовой компании. Буквально вчера представилась возможность побывать внутри базовой станции и посмотреть как она устроена. Сделал несколько фотографий, решил поделиться с Хабром.
P.S. Если есть на Хабре инженеры-сотовики, то они наверняка дополнят меня спецтерминами, буду им очень благодарен.
Интересно организован вход в помещение базовой станции, в сам вагончик с оборудованием.
Мало того, что внутри установлены датчики движения, температуры, влажности, пожарная сигнализация…
Само помещение ставится на сигнализацию, информация с которой поступает на пульт Центра Управления и Мониторинга (ЦУМ) сотовой сети, как и с остальных датчиков, впрочем. Существует ряд процедур, которые инженер обязан проделать прежде, чем попадет с помещение. Просто так, «с улицы» не войдёшь. 😉
Итак, сами фото, с пояснениями.
Для начала — сама мачта БС с антеннами, их, как можно видеть, 5 штук. Почему так — будет ясно далее.
Все процедуры выполнены, идём внутрь.
Это — сердце базовой станции.
Отсюда она связывается с коммутатором, по оптоволокну. Иногда ставится релейка, но не в этом случае, т.к. БС установлена на нашей собственной территории.
Вот этот агрегат называется «кабинетом», это собственно комплекс оборудования, который составляет базовую станцию стандарта 2G.
Таких кабинетов в помещении может быть установлено несколько, в данном случае — их 2. На фото инженер показывает на блок, который связывает оборудование с антеннами, установленными на мачте. Конкретно — с тремя, что расположены выше.
Здесь видно, что в кабинете установлено 3 передатчика, каждый из которых позволяет одновременно общаться 8 абонентам, зарегистрированным на БС.
А это — самое вкусное. Вот этот блок размером с офисный принтер — базовая станция стандарта 3G. Она соединена с нижними 2 антеннами на мачте и обеспечивает скоростным интернетом все близлежащие офисы.
Что ещё располагается в помещении. Обязательно — кондиционер, который круглый год поддерживает одну и ту же температуру воздуха и степень влажности в помещении. Кроме того — шкаф с электрощитом и аккумулятором, который позволяет БС работать автономно от 4 до 8 часов в случае отключения электричества в районе.
Вы наверняка могли видеть, что вагончиков рядом с вышкой бывает 2 — во втором располагается дизельный генератор, который при необходимости также будет обеспечивать работу оборудования.
Т.е. у Вас может не работать дома электрочайник и микроволновка, но будет работать телефон, пока не сядет АКБ.
Также побывали на экскурсии в самом ЦУМ, куда стекается вся информация о состоянии базовых станций, но там, к сожалению, пофотографировать не дали.
Если у Вас есть какие-либо вопросы — прошу задавать в комментариях, постараюсь на них ответить.
Как работает мобильная связь и далеко ли «бьет» базовая станция? Просто о сложном
Есть в жизни такие технологии, которые популярны настолько, что их относят к разряду «всегда были с нами», хотя им не так много лет. Мобильная связь как раз из этой оперы, но ее отличие от привычного телевидения в том, что даже хардкорные абоненты иногда не до конца понимают, как все это работает (с телевизором как-то все проще). Вместе с МТС расскажем понятным языком о скрытых и таинственных процессах в недрах операторов связи и о том, чем отличается базовая станция от вышки. Устраиваем большую «распаковку»!
Сложно сказать, с чего начинается любое предприятие, однако наверняка есть ключевые элементы. В нашем случае — это сотрудники компании, инфраструктура, которая требуется для оказания услуг, и технологии. Значительная часть работы скрыта от глаз. Мы, например, знаем, что есть «техподдержка», которая занимается вопросами абонентов, но как насчет «внутренней техподдержки», отвечающей на вопросы, которые сложнее, чем «Как пополнить баланс?».
Наша встреча, кстати, проходила на одном из этажей в головном офисе МТС. Здесь размещаются не очень понятные для обычного человека подразделения: управление радиоподсистемы, управление ядра сети и управление той самой «внутренней техподдержки», которое, среди прочего, мониторит сеть, собирает информацию об ошибках, авариях и помогает с техническими вопросами всем остальным. Павел Ушаров, начальник управления радиоподсистемы компании МТС, раскрыл некоторые тонкости работы сети.
Из чего состоит базовая станция
Приемом и передачей сигнала занимается базовая станция, это один из основных узлов сети. Она состоит из антенны, радиомодуля и системного модуля. Высота размещения антенны влияет на зону покрытия базовой станции: чем выше, тем больше зона (но влияет и частотный диапазон).
В непосредственной близости от антенны размещаются радиомодули — это делается для обеспечения минимального затухания сигнала (антенны подключаются высокочастотными коаксиальными джамп-кабелями). Радиомодуль по оптическому кабелю подключается к системному модулю, который обычно размещают в аппаратной внизу для удобства обслуживания базовой станции, специалистам лишний раз не приходится подниматься на высоту.
Основные элементы базовой станции:
Высота размещения влияет на зону покрытия базовой станции: чем выше, тем больше зона, также на это влияет частотный диапазон.
Антенны бывают совмещенного диапазона (2G, 3G, 4G), а также многолучевые, позволяющие повысить производительность сети за счет использования нескольких узконаправленных лучей.
Радиомодуль предназначен для приема, передачи, обработки и преобразования радиосигналов, а также их усиления.
Системный модуль базовой станции — ее мозг и сердце. Он управляет БС, синхронизирует ее с другими элементами сети, обрабатывает данные от радиомодуля и отправляет их через транспортную сеть к ядру сети.
Антенна базовой станции осуществляет прием и передачу радиосигнала, а также за счет физических и конструктивных свойств усиливает его и формирует область передачи в пространстве. Антенны бывают совмещенного диапазона: в одну можно подключать несколько стандартов (2G, 3G, 4G). Но бывают и отдельные — все зависит от конфигурации и технического решения. Также существуют и многолучевые антенны, которые направляют сигналы по разным секторам.
«На одной вышке могут быть расположены от одного до шести секторов, стандартно у нас 3—4 сектора, бывает и больше. Использование многосекторных базовых станций позволяет увеличить емкость для предоставления сервиса большему количеству абонентов. Построенные ранее базовые станции можно модернизировать, добавляя дополнительные сектора», — пояснил Павел.
По его словам, такая модернизация позволяет в ряде случаев обойти некоторые подводные камни. Например, отказаться от строительства новой базовой станции: это и дорого, и не всегда есть возможность, подобрать место для ее размещения, особенно в городе. «Можно добавить сектор и более узкими лучами обеспечить покрытие, это решение хорошо себя зарекомендовало», — поясняет специалист.
Что такое вышка (сотовой связи)?
«Мне это словосочетание режет слух, — смеется Павел. — Вышка — народное слово. Правильно называть антенно-мачтовым сооружением».
И вот какие «вышки» бывают. Например, бывают металлические башни высотой от 40 до 70 метров. Башни встречаются разные: трехногие, четырехногие, с площадкой обслуживания или без. Есть железобетонные столбы: если для металлической башни нужен участок до 300 квадратных метров, то для столба — до 10 квадратных метров. Столбы чаще устанавливаются на застроенных территориях и в городах, в Минске их очень много.
Важные вопросы:)
Вышка или башня?
«Вышками» базовые станции и иные элементы системы лучше не обзывать.
Есть мачты, башни, триподы, столбы (и некоторые другие конструкции), на которые крепится оборудование. Есть также различные типы антенн для установки на улице или в помещениях: в перегонах метро, например, используют фидер — излучающий кабель.
Есть мачты. Они устанавливаются на крышах зданий, но могут ставиться и на земле — с растяжками на нескольких уровнях в зависимости от высоты, что придает конструкции дополнительную устойчивость и страхует от опрокидывания.
На крышах домов и другие конструкции встречаются: если кровля плоская, а высота обеспечивается достаточная за счет этажности, ставятся триподы — конструкции, похожие на штатив. Используются и столбы освещения, поскольку не везде есть возможность построить «свой» железобетонный.
Есть индор-объекты (наш собеседник показывает на фото один из вариантов, а затем указывает на белый конус на потолке).
Владельцев шапочек из фольги спешим успокоить: такие антенны (как и все остальные, прошедшие обязательную сертификацию) работают в соответствии с санитарными нормами, мощность у них минимальная — у смартфона рядом с вашим ухом она выше.
А вот в метро «вышек» не бывает: в перегонах проложен излучающий кабель (он же фидер), на станциях подвешивают компактные антенны.
Встречаются и другие варианты размещения оборудования — все, как говорилось выше, зависит от условий и требований.
Далеко ли «бьет» базовая станция? И что влияет на дальность
Зависит от высоты размещения антенны, от мощности самой базовой станции, от коэффициента усиления антенны, от диапазона рабочих частот (чем он ниже, тем дальше распространение радиоволн). Поэтому в высокочастотных диапазонах 3G 2100 МГц, в 4G 2600 МГц или планируемом 5G 3500 МГц «дальность» связи меньше.
А в 2G есть технологическое ограничение: максимальная дальность связи в этом стандарте составляет 35 км.
Важные вопросы:)
Когда нужна шапочка из фольги?
На самом деле никогда.
Существуют строгие санитарные нормы, которые обеспечивают безопасность с запасом. Антенны, устанавливаемые в помещении, и вовсе излучают меньше, чем современный смартфон рядом с вашим ухом.
«Но фактически расстояний более 35 км, наверное, нигде и нет, поскольку базовые станции строятся чаще», — отметил Павел.
Закономерно влияет рельеф и густая растительность. Влияет погода и даже наличие так называемой подстилающей поверхности (Павел рассказал о том, как базовая станция на берегу Заславского водохранилища «била» по водной глади на десятки километров, хоть от нее такого и не ждали).
«Другой пример: недалеко от моей дачи демонтировали базовую станцию, до момента строительства новой разместили передвижную БС с относительно низкой высотой подвеса антенны — 16 метров (было 55 метров). Осенью и зимой связь была устойчивая. Пришла весна, распустились листья — изменились условия распространения радиоволны, сигнал ухудшился. Сейчас для увеличения скоростей использую роутер и антенну, обеспечивающую усиление 3G/4G-сигнала».
«Не забываем и про абонентский трафик: когда абоненты начинают качать, они могут создавать интерференцию по обратному каналу, да и по аплинку мешают друг другу, снижая радиус. Очень много вопросов к самостоятельно выбранному и купленному усилительному оборудованию. Часто покупают такое (неясного происхождения и качества. — Прим. Onlíner), которое самоусилением начинает процесс положительной обратной связи и просто шумит на всю округу», — вступил в разговор Алексей Алдошин, ведущий инженер-системотехник телекоммуникационных сетей МТС.
Своими действиями такие абоненты себя и выдают: от других поступают жалобы, потом в дело может включиться служба ГП «БелГИЭ», которая контролирует излучения средств связи и может выдать предписание на отключение неисправного оборудования.
Что касается использования мобильного интернета в местах массового скопления абонентов наподобие дачных застроек и пляжей у водоемов, здесь работает простой принцип: абоненты съезжаются, вся мощность предоставляется ближайшим к базовой станции абонентам, а те, кто находится на краю сот, получают оставшийся ресурс. При этом голосовая связь в приоритете, поэтому даже в этих случаях и на краю сот абоненты могут совершать звонки.
Современное оборудование стало сложнее?
«Что-то усложняется, что-то упрощается. Во времена запуска 2G один шкаф с оборудованием (базовая станция «все в одном») был в несколько раз больше современного, причем он был набит модулями и весил столько, что, чтобы поднять его, требовалось четыре человека.
Теперь оборудование стало компактное, его масса и габариты уменьшились. Что касается технологий передачи данных, тут, наверное, все усложнилось: аппаратная часть — из-за применения новых подходов, в том числе к обработке сигналов, появления новых стандартов. Да и компоновка (начинка) базовой станции теперь более сложная.
Важные вопросы:)
Что мешает моему мобильному интернету?
Радиосигнал умеет пробиваться сквозь некоторые материалы и даже огибать препятствия, но, конечно, с ограничениями.
Сигналу может мешать рельеф, погода, растительность, постройки и даже большое количество одновременно подключившихся абонентов.
За городом свою лепту может внести усилительное оборудование неизвестного происхождения: в эфире появляется шум, который мешает всем.
А вот архитектура сети, если взять в целом, отчасти упрощается, начиная со стандарта 4G. К примеру, для 3G используются контроллеры базовых станций, которые управляют ими. В 4G контроллеров нет, базовые станции общаются с пакетным ядром непосредственно через транспортную сеть», — пояснил Павел.
«С приходом 3G и 4G упростилось и частотно-территориальное планирование сети. Если в 2G приходилось каждый частотный канал подбирать, чтобы они не влияли друг на друга, то теперь используются скремблинг-коды, а их очень много (по сравнению с 2G, можно сказать, никаких ограничений)», — добавил Алексей.
Еще из нового — технология Massive MIMO, которая нашла популярность в 5G, хотя активно ее применять начали еще в LTE. В одной антенне, в одном радиомодуле, может быть установлено более 64 передатчиков, которые передают информацию параллельными потоками, за счет чего достигаются более высокие скорости. Если простым языком, антенна состоит из множества излучателей, формирующих луч в направлении потребителей трафика: получается, что доступные ресурсы направляются туда, где необходимо, а не «веером».
Как идет звонок от абонента к абоненту?
Все просто: вы набираете номер, и кто-то поднимает трубку. Хотя нет, чуть сложнее.
Как пояснили специалисты, архитектура сети сотовой связи подразумевает три сегмента: это радиоподсистема, ядро сети и транспортная сеть.
В состав радиоподсистемы входят собственно базовые станции, контроллеры и пользовательские устройства (телефоны, смартфоны и другие девайсы с «симками»).
Ядро сети состоит из голосового ядра и пакетного: первое отвечает за голосовой трафик, второе — за пакетный (дата). Кроме того, ядро сети включает набор функциональных узлов, но мы не будем вдаваться в технические тонкости настолько, главное — все это отвечает за обработку и коммутацию соединений.
Транспортная сеть — это волоконно-оптические и радиорелейные линии связи.
Важные вопросы:)
Как происходит звонок?
Набрав номер и нажав кнопку вызова, вы отправляете к базовой станции сигнал на запрос соединения. Базовая станция «проверяет» абонента, выдавая ему ресурсы (соту, диапазон или стандарт). Соединение установлено, и запрос уходит в ядро сети.
Затем система проверяет вашу SIM-карту, ищет того, кому вы звоните, шифрует трафик и соединяет с тем, кого вы так ищите.
Опишем один вариант соединения: абонент звонит другому.
После набора номера и нажатия кнопки вызова телефон посылает базовой станции сигнал на запрос соединения. Базовая станция определяет радиоусловия, в которых находится абонент, и выделяет ему наилучшую соту, частотный диапазон или стандарт, где лучше установить голосовое соединение. Затем устанавливается радиосоединение и сигнал поступает в ядро сети (в данном случае — голосовое).
После проверки SIM-карты на разрешение выполнения звонка центральный коммутатор (в нем прописано множество направлений, куда могут совершаться звонки: телефонная сеть общего пользования, другие операторы сотовой сети, международная сеть и пр.) осуществляет поиск вызываемого абонента.
Параллельно центр аутентификации производит шифрование соединения и защищает канал от вторжения злоумышленника. Если вызываемый абонент находится в сети, то осуществляется поиск его местоположения и происходит отправка сигнала на необходимую базовую станцию. После того как абонент найден, ему направляется уведомление о поступающем звонке. Если абонент снимает трубку, устанавливается сквозное соединение между обеими сторонами, по которому и происходит разговор. Потом остается положить трубку.
Бывает, сигнал пропал. Основная причина: абонент покинул зону действия сигнала базовой станции (есть белые пятна). И остаются варианты с поломанным телефоном, сбойным ПО или вышедшей из строя «симкой».
Искусственный интеллект пригодился?
Куда сейчас без ChatGPT и искусственного интеллекта. Правда, традиционно возникает конфликт терминов: что есть ИИ, а что есть «обычный» анализ бигдаты.
«Пока сложно говорить по поводу искусственного интеллекта и нейросетей. Применить их для распределения нагрузки с учетом каких-то алгоритмов можно. Например, куда направить антенны заблаговременно — перед тем, как абонентский трафик переместится. Но это, скорее, работа с бигдатой, чем искусственный интеллект: мы прогнозируем исходя из данных, которые уже знаем», — добавил Алексей.
Он также упомянул платформу SON (Self-Organizing Network), которая предназначена для планирования сетей сотовой связи и которая чем-то похожа на ИИ:
«SON автоматически назначает соседские отношения между секторами. То есть инженеру уже не нужно разбираться, смотря на карте, где находятся ближайшие соты для планирования переходов между ними. Сейчас достаточно прописать конфигурацию в сеть, а SON автоматически измерит расстояния на карте, узнает лучшие соотношения и пропишет соты уже без участия человека. Достаточно только задать алгоритм: сколько этих соседей должно быть, в каких направлениях между 2G и 3G и в обратную сторону. А дальше за несколько итераций SON создаст идеальное состояние».
Помимо всего прочего, эти алгоритмы также позволяют добиться снижения мощности при отсутствии нагрузки. «Зачем нагревать воздух, когда можно снизить потребление передатчика с 20 Ватт до 2 Ватт в ночное время, а когда трафик возрастет — увеличить до разрешенной мощности», — пояснил Алексей.
SON может менять и оптимальные углы наклона на базовых станциях, однако этого пока ей не разрешают: система предлагает, а инженер смотрит и решает. Причина в том, что изменение азимутов и углов означает получение новых разрешений, перерасчет санитарных норм. Поэтому эти настройки применяются пока только под присмотром инженера.
Есть и другие автоматизированные модули для работы с сетью: проверка статистики, выдача рекомендаций, обработка ошибок и сообщений об авариях, появлении иных событий.
Когда 6G?
В 2023 году продолжается разработка требований к стандарту 6G. Что от него ждут? Бесшовной архитектуры, возможности развертывания связи там, где 4G и 5G не дотягиваются, путем интеграции со спутниковой связью. Для этого будут использовать орбитальные группировки на низкой околоземной орбите — это позволит обеспечить минимальную задержку (сейчас, если связаться через спутник, например, на геостационарной орбите, задержка будет более 1—2 секунд).
Есть вопросы, которые предстоит решить. Например, понадобятся устройства, способные работать с новым поколением сети. Диапазоны частот будут сверхвысокие: 60 ГГц, 100 ГГц и выше. При этом, как говорилось ранее, чем больше частота, тем меньше радиус обслуживания — значит, нужно устанавливать передатчики повсеместно.
Вероятно, будет микс из 5G и 6G, а может, и каких-то других технологий, предполагает эксперт.
Интересной особенностью 6G к 2030 году, когда ожидается коммерческий запуск сетей нового поколения, могут стать RIS — Reconfigurable Intelligent Surfaces (дословно: «перенастраиваемые умные поверхности»). Простым языком: это «умные» отражающие поверхности, позволяющие передавать сигнал дальше (как в примере с озером выше). В 6G будет заложена и технология виртуального mMIMO — вопрос будет решаться на программном уровне.
Но, как это бывает, новые технологии вольются в нашу жизнь незаметно: то, что сегодня кажется фантастическим будущим, тогда будет выглядеть так же привычно, как смартфоны, производительность которых сегодня в разы выше, чем у суперкомпьютеров прошлого.
Спецпроект подготовлен при поддержке СООО «МОБИЛЬНЫЕ ТЕЛЕСИСТЕМЫ», УНП 800013732.
Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!
Есть о чем рассказать? Пишите в наш телеграм-бот. Это анонимно и быстро
Перепечатка текста и фотографий Onlíner запрещена без разрешения редакции. ng@onliner.by
Базовые станции сотовой связи и их антенная часть
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.
Отчёт о техническом обслуживании базовой станции стандартов GSM и UMTS
Уважаемые Хабравчане, в виду своей трудовой деятельности на благо федерального оператора мобильной связи «на три буквы» постоянно сталкиваюсь с оборудованием радиоподсистемы сетей 2G/3G и прилегающей инфраструктурой. Соответственно, за время работы «базовиком» появилось желание поделиться с публикой информацией о том, как в реальности устроена базовая станция сети радиодоступа. Схемы устройства сетей мобильной связи приводить не буду, ибо информации в интернете достаточно и по GSM и по UMTS, а продемонстрирую вам объёмный фотоотчёт проведенного технического обслуживания объекта.
Итак, сеть радиодоступа стандартов GSM или UMTS состоит из N-го числа базовых станций. Базовыми станциями (БС) управляет контроллер BSC/RNC или несколько контроллеров. Пользовательский трафик и сигнальная информация от БС и контроллеров доставляется в Core Network, состоящую из коммутатора, транскодеров, медиашлюзов, узлов доступа в сеть с коммутацией пакетов и др.
Таким образом, к радиоподсистеме относятся базовые станции и их контроллеры, обслуживанием которых я непосредственно и занимаюсь. Точка размещения БС именуется сайтом/площадкой/аппаратной. Периодически на определенных площадках выполняются работы по техническому обслуживанию БС, системы электропитания, оборудования транспортной сети, охранно-пожарной сигнализации, системы автоматического пожаротушения, антенно-мачтовых сооружений и фидерного тракта.
Система электропитания состоит из вводного щита.
Электроснабжение трёхфазное с возможностью резервного подключения от генератора.
Розетка подключения кабеля от мобильного генератора.
В щите расположены счётчик электроэнергии, дополнительные розетки, ограничители перенапряжения и автоматы различного номинала для потребителей электроэнергии: кондиционеров, ламп рабочего и аварийного освещения, источника бесперебойного питания (ИБП), охранно-пожарной сигнализации, обогревателя, вытяжной вентиляции.
Важнейшие элементы сети радиодоступа питаются от сети постоянного тока с напряжением -48 В, хотя отечественное оборудование с советских времен проектировалось под напряжение -60 В. В случае отключения электричества энергоснабжающими организациями по различным причинам существует резервирование питания от аккумуляторных батарей (АКБ).
На данном объекте установлены 3 батареи Сoslight 6-gfm-150x каждая ёмкостью 150 Ач. Кстати, нумерация аккумуляторов на фото выполнена верно от положительной клеммы к отрицательной. В ходе ТО АКБ выполняется контрольный разряд с помощью блока нагрузочных резисторов. По итогам разряда делается вывод о том, требует ли замены АКБ или нет.
Кстати, о качестве продукции из поднебесной. При проверке момента затяжки болтов перемычек аккумуляторов получилось следующее.
Преобразованием переменного тока в постоянный и содержанием АКБ управляет источник бесперебойного питания.
В данной ИБП7-48/218-7 (2,0) установлены 4 блока импульсной стабилизации.
На индикаторе ИБП наблюдаем постоянное напряжение номиналом 54,1 В, ток нагрузки 32 А, ток заряда АКБ 0 A и температуру на стеллаже с АКБ +18 градусов по Цельсию (термодатчик необходим для термокомпенсации напряжения содержания АКБ).
За крышкой ИБП находится ряд автоматов, от которых тянутся провода к базовым станциям, радиорелейным станциям (РРС), АКБ и другим потребителям постоянного тока. Там же слева видна платка с контактами под вывод внешней аварийной сигнализации об отключении электроэнергии и разряде АКБ.
В конкретном случае на сайте находилась базовая станция стандарта GSM 900 производства Alcatel.
За дверью шкафа находится основное оборудование: 10 передатчиков TRAGE, 3 комбайнера AGC9E и одна плата управления SUMA. Конфигурация БС описывается как 4/3/3, что означает: на первом секторе работают 4 передатчика, на втором и третьем по 3. Каждый передатчик соединён с комбайнером назначенного сектора. От комбайнера идут 2 фидера (jumper) к грозозащите и далее наверх к антенне выбранного сектора.
На верхней части шкафа расположены слева направо 2 плинта под внешние аварии, плинт подключения к транспортной сети по интерфейсу A-bis (потоки E1), контакты питания (синий и черный провода) и выключатели, каждый на отдельную полку шкафа.
Сверху шкафа БС выходят 6 джамперов (конкретно для трёхсекторной конфигурации), которые через грозозащиту подсоединены к внешнему фидерному тракту (диаметр фидера 7/8 дюйма).
Грозозащита
Кабельный ввод герметично изолирован от попадания влаги.
В углу установлена 19″ стойка. В ней располагаются кросс, внутренние блоки РРС и базовой станции стандарта UMTS.
Внутренний блок (IDU) РРС соединен с внешним блоком (ODU) чёрным фидером 8D-FB. В 2 разъёма IDU подключены кабели, каждый из которых выводит по 8 потоков E1 на кросс. Патчкорд порта 1 соединен с траспортным портом базовой станции UMTS.
Релейка MDP-34MB-25C способна пропускать 34 Мбит/с трафика, действительно, мало.
Ниже расположена БС Ericsson RBS 6601 стандарта UMTS (3G).
Внешние передатчики соединены оптическим кабелем с внутренним блоком.
Излишки оптики аккуратно смотаны, запакованы и закреплены на стене.
Вид аппаратной со входа.
Противоположная сторона.
Кабельрост с главной заземляющей шиной (ГЗШ).
Пустой кабельрост, вытяжка, кондиционеры, слева внизу щит с автоматами для внешних передатчиков (RRU) UMTS базы.
Короб приточной вентиляции.
Собственно плинты кросса.
Обогреватель и огнетушители.
Посмотрим, что находится снаружи аппаратной БС. В качестве антенно-мачтовой опоры установлен железо-бетонный столб, про столбики можно сложить отдельную историю, ибо они не рассчитаны на реальную нагрузку. Их в близком будущем будут менять на цельнометаллические опоры.
Вид кабельного ввода снаружи. 6 фидеров от GSM к антеннам, в гофре 3 оптических кабеля, 3 черных кабеля питания передатчиков 3G, от которых тонкие черные кабелёчки заземления идут на красную шину, желто-зеленый провод — заземление внешнего блока РРС.
Далее фото внешнего кабельроста.
Антигололёдная защита.
Лестница с защитным ограждением.
На макушке столба установлена металлическая корзина с надстройкой, которую замыкает молниеотводный шпиль.
Трубостойка и установленная на ней секторная антенна БС GSM стандарта.
Маркировка сектора выполнена для простоты ориентирования в случае модернизации или устранения аварий.
Разъёмы антенны с закрепленными джамперами. Джамперы длиной от 1,5 до 3 метров и диаметром 1/2 дюйма.
Этикетка секторной антенны GSM.
Пара джамперов от фидеров к антенне.
Маркировка фидеров с помощью бирок.
Заземление фидеров.
Точки заземления фидеров на металлоконструкцию.
Трубостойка с антенной и внешним блоком РРС.
Промаркировали антенну РРС.
РРЛ пролёт, вдали видна узловая башня.
Этикетка на внешнем блоке РРС.
На верхнем фото крайний левый разъём применяется для подключения вольтметра при юстировке (настройке) пролёта, напряжение на этом разъеме пропорционально уровню принимаемого сигнала от ответной релейки. Следующий разъём для соединения ODU и IDU (outdoor unit & indoor unit) РРС коаксиальным кабелем ПЧ (промежуточной частоты). Разъём загерметизирован от попадания влаги в кабель. Крайняя правая точка для заземления блока.
Маркировка кабелей РРС.
Собственно крепеж антенны РРС. Два длинных винта/шпильки применяются для тонкой юстировки пролёта РРЛ.
Вид на площадку сверху.
RRU — remote radio unit стандарта UMTS.
Что подключено к RRU? Слева тонкий оптический кабель заходит из гофры в передатчик, внутри которого установлен обычный SFP модуль. Следующим заводится кабель питания (тоже -48 В, постоянный ток), Правее тонкий кабель для подключения к RET (Remote Electrical Tilt) — устройству, управляющему электрическим углом наклона секторной антенны. Далее 2 джампера к антенне и желто-зеленый кабель заземления.
Следует объяснить почему применяются антенны с кроссполяризацией что в GSM, что в UMTS. По сути в корпусе расположены 2 антенны с разной поляризацией (обычно углы +45 градусов и -45 градусов), поэтому подключаются 2 фидера от передатчиков. Таким образом реализуется поляризационное разнесение принимаемого от абонента сигнала.
Этикетка на антенне UMTS.
RET сзади.
RET с фронта антенны.
Вид на аппаратную сверху (30 м).
БС конкурентов с климатическим шкафом, в котором установлено всё необходимое для работы.
После окончания работы закрываем люк на площадку от «вандалов».
Закрываем ограждение площадки…
… грузимся в пепелац и едем отдыхать.
Надеюсь этот небольшой фотоотчет покажет вам как построена обычная базовая станция мобильной связи и как, примерно, все реализовано в железе. Извиняюсь за качество фото, съемка проводилась в рабочем порядке. Пост писался для инвайта на Хабр с надеждой новых интересных публикаций.
P.S. В качестве внушения: «В посте отсутствует разглашение корпоративной информации!»
P.P.S. Благодарю @FakeFactFelis за инвайт.
- Телекоммуникации
- железо
- беспроводные сети