x поляризация антенны что это
X поляризация антенны что это
Андрей Голубев, эксперт по системам
Основу антенного парка сетей GSM/UMTS в настоящее время составляют панельные антенны с кроссполяризацией (X-pol) и антенны с вертикальной поляризацией.
Антенны с вертикальной поляризацией (V-pol) в сетях UMTS используются в основном для организации покрытия внутри помещений (indoor). Антенны V-pol выпускаются как направленные, так и всенаправленные.
Спецификой сетей UMTS, в отличие от сетей GSM, является, как известно, их динамический характер, то есть изменение площади покрытия в зависимости от нагрузки, а также небольшие по площади зоны покрытия, которые при обслуживании вызывают проблему оптимизации handover-зон. При нахождении абонента в зоне действия нескольких базовых станций (БС) имеет место так называемый soft handover, когда абонентская станция использует ресурс нескольких сот, увеличивая нагрузку на сеть. Увеличение зоны «мягкого хэндовера» уменьшает общую емкость сети, а значит, снижает уровень связи ОAО «Скандинавский дом» обслуживания и качество предоставляемых услуг, особенно услуг высокоскоростной передачи данных, предъявляющих повышенные требования к качеству покрытия.
Одним из наиболее эффективных инструментов оптимизации площади покрытия является ограничение излучаемой антенной мощности и обеспечение более четкой границы зоны покрытия путем управления углом наклона диаграммы направленности (ДН) антенны в вертикальной плоскости.
В антеннах UMTS имеется возможность как механической, так и электрической регулировки угла наклона ДН. Электрический наклон предпочтителен, поскольку не вызывает искажения формы ДН в горизонтальной плоскости и азимутальной зависимости угла наклона и коэффициента усиления антенны, что позволяет достичь нужной концентрации мощности излучения по периметру зоны покрытия. В результате обеспечивается возможность четкого позиционирования краев зоны покрытия в зависимости от уровня мощности излучения для конкретной услуги, что важно при обеспечении высококачественных услуг высокоскоростной передачи данных.
Антенны выпускаются как с фиксированным углом наклона, так и с возможностью регулировки его на месте или дистанционно. Все новейшие антенные системы для сетей UMTS реализуют функции дистанционного управления углом наклона ДН с помощью специальных модулей, подключаемых ко встроенным фазовращателям. Управление такими модулями осуществляется с блока управления, располагаемого на Б С, или от общей системы управления сетью, что позволяет динамически изменять зону обслуживания в зависимости от нагрузки на конкретный сектор БС.
Конструкция панельных X-pol-антенн
Коэффициент усиления, а следовательно, и ширина ДН в вертикальной плоскости зависит от количества излучающих элементов в антенной решетке. Расстояние между излучающими элементами подбирается таким образом, чтобы получить минимальный уровень боковых лепестков, поэтому при определенной длине корпуса панельной антенны можно расположить ограниченное количество элементов. Наиболее часто встречаются длины панельных антенн 0,7, 1,3 и 2 м. Многодиапазонные антенны могут иметь длину и 2,6 м. Типовые значения коэффициента усиления и ширины ДН в вертикальной плоскости в зависимости от длины корпуса антенны приведены в табл. 1.
Возможность настройки излучателей X-pol-антенн на работу в любом диапазоне позволяет выпускать на их базе многодиапазонные антенны 900/1800/2100 МГц с заданными характеристиками и независимой регулировкой угла наклона ДН в каждом частотном диапазоне. Максимально в одном корпусе удается разместить до девяти независимых X-pol-антенн, образующих, например, полноценный антенный комплекс для трехсекторной БС.
Следует отметить, что для обеспечения необходимых градиентов мощности по краям зоны покрытия антенны для сетей UMTS имеют, как правило, более низкий уровень боковых лепестков по сравнению с X-pol-антеннами для сетей GSM.
X-pol-антенны выпускаются указанными выше производителями в достаточно широком ассортименте, позволяющем строить сети UMTS любой конфигурации. При этом двухдиапа-зонные и трехдиапазонные антенны обеспечивают возможность использования при построении сетей UMTS имеющехся БС сетей GSM.
Конструктивные особенности X-pol-антенн
Основные электрические характеристики антенн различных производителей на первый взгляд достаточно близки друг другу, однако конструктивные отличия, обусловленные различными технологиями изготовления излучателей, а также их запитки существенно различаются, что влияет на электрические характеристики антенн. Рассмотрим их более подробно.
Высокая повторяемость электрических параметров антенн
Высокая повторяемость электрических параметров антенн имеет большое значение при серийном производстве для обеспечения идентичности ДН. Печатный монтаж обеспечивает высокую точность изготовления элементов антенн, а следовательно, высокую повторяемость характеристик антенн.
В дипольных антеннах при изготовлении вибраторов, например, методом штамповки (Andrew и RFS) неизбежны некоторые неточности размеров механических элементов антенны и, как следствие, электрических характеристик. Для повышения точности геометрических размеров и формы производители (например, Kathrein) изготавливают диполи методом литья или фрезеровки (из прокатного профиля), что несколько удорожает конструкцию.
Сложность соблюдения геометрической длины отдельных отрезков кабелей в линиях запитки и их точного местоположения при пайке неизбежно приводит к некоторому рассогласованию фаз запитки отдельных элементов антенной решетки. Большое число точек пайки потенциально увеличивает риск возникновения интермодуляции. Пайка в таких антеннах выполняется вручную. Никто не застрахован, что при ручной пайке могут быть допущены ошибки, поэтому производители вынуждены проводить тщательную проверку антенн после производства, опять же удорожая процесс производства.
Высокая поляризационная развязка очень важна для обеспечения эффективного разнесенного приема. Степень эффективности поляризационной развязки между антенными системами определяется коэффициентом кроссполяризации, который должен поддерживаться во всем секторе углов излучения. Современные технологии изготовления излучателей позволяют достичь высоких (до 25 дБ) значений коэффициента кроссполяризации в направлении основного излучения, однако на краях ДН в дипольных антеннах он падает до 10 дБ, что снижает эффективность разнесенного приема, в частности, в зоне handover.
Уровень излучения назад
Особенности функционирования сетей UMTS предъявляют повышенные требования к подавлению боковых и задних лепестков ДН в горизонтальной плоскости. В идеале панельная антенна должна излучать в секторе 120°, резко снижая уровень излучения за его пределами. На практике производители добиваются подавления уровня излучения назад на 30 дБ. Однако важно подавить излучение назад в широком секторе углов.
На уровень излучения в задней полусфере ДН основную роль играет конструкция рефлектора антенны. Чаще всего производители панельных антенн применяют рефлектор, выполненный методом штамповки из алюминиевого листа, который представляет собой профиль с отогнутыми краями в виде буквы «П».
Многодиапазонные X-pol-антенны для сетей UMTS
При развертывании сетей UMTS на базе существующих сетей GSM вынуждает операторов использовать двух- и трехдиа-пазонные антенны, представляющие собой достаточно сложные электромеханические системы, как правило включающие в себя устройства регулировки электрического наклона ДН. Надежность функционирования таких антенных систем в сложных климатических условиях приобретает первостепенное значение.
Антенные комплексы UMTS
Растущие сложности с размещением новых сайтов для сетей UMTS обусловливают тенденцию к интеграции различных компонентов антенно-фидерного тракта в единую конструкцию, что обеспечивает не только повышение общей надежности антенной системы, но и улучшает ее внешний вид.
Так, все ведущие производители предлагают антенные комплексы на базе трехдиапазонных антенн, однако конструктивно они выполнены по-разному. Kathrein, например, предлагает триплексные антенны с внешними устройствами наклона луча, МШУ и фильтрами-комбайнерами.
В пользу интегрированных комплексов говорит достигаемая высокая функциональная насыщенность, когда в одном корпусе удается разместить все дополнительное оборудование для трехсекторной БС. Одновременно сокращается время монтажа, улучшается внешний вид антенных комплексов, сводится к минимуму риск ошибки при монтаже оборудования и упрощается техническое обслуживание.
При выборе антенн UMTS проектировщики исходят из необходимости обеспечения:
Поставляемые на российский рынок антенны для сетей UMTS имеют сходные электрические параметры, однако имеющиеся конструктивные особенности оставляют почву для детального анализа всех параметров антенн с целью оптимального выбора антенной системы. Наиболее исчерпывающие результаты дает сравнение оцифрованных диаграмм направленности, которое позволяет наглядно оценить уровень первого верхнего бокового лепестка ДН и тенденцию его изменения при различных углах наклона ДН, величину провала (Null-fill) между основным и нижним боковым лепестком, а также характер излучения антенны в задней полусфере.
Наметившаяся в последнее время тенденция к передаче части функций обслуживания сторонним организациям, в основном поставщикам оборудования или их аффилированным компаниям, придает вопросу выбора антенных систем стратегический характер. При решении этого вопроса оператору приходится принимать во внимание не только собственный опыт использования того или иного оборудования, но и возможности поставщика по ведению региональных проектов развития фрагментов сетей, включая вопросы проектирования, строительства, поставки, монтажа оборудования, его технического обслуживания, обучения кадров.
Конструкция панельных X-pol-антенн
Введение.
Конструкция панельных X-pol-антенн
Конструктивные особенности X-pol антенн
Высокая повторяемость электрических параметров антенн
Коэффициент кроссполяризации
Уровень излучения назад
Многодиапазонные X-pol антенны для сетей UMTS
Устройство регулировки угла электрического наклона ДН
Антенные комплексы UMTS
Заключение
Источники.
Антенны для базовых станций сетей UMTS
Введение.
До недавнего времени основным фактором, определяющим развитие мобильных коммуникаций, была традиционная передача голоса. Однако внедрение новых технологий высокоскоростной передачи данных, включая GPRS и EDGE, и эволюция к системам UMTS/WCDMA позволит операторам сотовой связи предоставлять неограниченные беспроводные мультимедиа-услуги, например, электронные открытки, просмотр Web-страниц, доступ к корпоративным сетям.
Касаемо понятия базовой станции сети, в радиосвязи — системный комплекс приёмопередающей аппаратуры, осуществляющей централизованное обслуживание группы оконечных абонентских устройств.
BTS (Base Transceiver Station) – базовая приёмопередающая станция применительно к сотовой связи — комплекс радиопередающей аппаратуры (ретрансляторы, приёмопередатчики), осуществляющий связь с конечным абонентским устройством — сотовым телефоном. Одна базовая станция стандарта GSM обычно способна поддерживать до 12 передатчиков, а каждый передатчик способен одновременно поддерживать связь с 8 общающимися абонентами. Комплекс расположенных рядом базовых станций образует соту. Базовые станции соединены с коммутатором сотовой сети через контроллер базовых станций. Контроллер и коммутатор устанавливаются в одном помещении и соединяются прямой оптической линией. Подключение каждой базовой станции к контроллеру осуществляется посредством транспортной сети, которая строится на базе радиорелейных, волоконно-оптических и медных линий. В некоторых странах базовые станции маскируют под растительность, что позволяет немного разукрасить железные конструкции вышек.
Функции, выполняемые базовой станцией в процессе работы:
Обеспечение связи с контроллером базовых BSC по интерфейсу Abis
1. Радиоинтерфейс с MS (интерфейс Um)
2. Управление радиоканалами
3. Обработка речевого сигнала
4. Управление звеном сигнализации
5. Техническое обслуживание
БС являются приемо-передающими радиотехническими объектами, излучающими электромагнитную энергию в УВЧ диапазоне (300-3000 МГц). Кроме того, каждая БС дополнительно оснащена комплектом приемо-передающего оборудования радиорелейной связи, работающим в диапазоне 3-40 ГГц, отвечающим за интеграцию данной БС в сеть в целом.
Мощность передатчиков БС обычно не превышает 5-10 Вт на несущую. Возникает вопрос о безопасности установки оборудования близ мест деятельности людей.
Специалисты центров санитарно-гигиенического надзора утверждают, что безопасна, если соблюдать установленные правила.
Основная энергия электромагнитного излучения (более 90% ) сосредоточена в узком потоке, направленном выше прилегающих построек и в сторону от сооружений, на которых находятся антенны и не имеет обратного луча. С увеличением расстояния от передающей антенны плотность потока электромагнитной энергии снижается. Но для наибольшей эффективности и надёжности операторы связи стремятся максимально увеличить, напряженность электромагнитного поля в используемом диапазоне частот. Естественно, при этом повышается уровень ЭМП и может превышать установленные нормы.
По нормативам санитарно-гигиенического надзора от места установки антенн до близ лежащих жилых домов должно быть расстояние 30-70 метров и это расстояние, в основном, соблюдается.
(Рис. 4)
(Рис. 5) Диаграмма направленности антенны типа «Omni»
направленные (секторные) с углом раствора (шириной) основного лепестка ДН в горизонтальной плоскости обычно 60 или 120 градусов (Рис. 6).
(Рис. 6) Диаграмма направленности секторной антенны (угол раскрыва основного лепестка в горизонтальной плоскости 60
Конструкция панельных X-pol-антенн
Возможность настройки излучателей X-pol антенн на работу в любом диапазоне позволяет выпускать на их базе многодиапазонные антенны 900/1800/2100 МГц с заданными характеристиками и независимой регулировкой угла наклона ДН в каждом частотном диапазоне. В пределе, в одном корпусе удаётся разместить до девяти независимых X-pol антенн, образующих, например, полноценный антенный комплекс для трехсекторной БС.
Для обеспечения эффективного разнесённого приёма, вектора поляризации X-pol антенн должны быть ортогональны друг другу, а требуемая поляризационная развязка между двумя антеннами (коэффициент кроссполяризации) сохраняться в широком секторе азимутальных углов.
Следует отметить, что для обеспечения необходимых градиентов мощности по краям зоны покрытия, антенны для сетей UMTS имеют, как правило, более низкий уровень боковых лепестков, по сравнению с X-pol антеннами для сетей GSM.
X-pol антенны выпускаются указанными выше производителями в достаточно широком ассортименте, позволяющем строить сети UMTS любой конфигурации. При этом двухдиапазонные и трехдиапазонные антенны обеспечивают возможность использования при построении сетей UMTS имеющиеся БС сетей GSM.
Характеристики WiFi (часть 2)
В прошлой статье мы подробно рассмотрели, что такое:
А также на том, можно ли с их помощью определить производительность устройства и выбрать WiFi точку доступа с повышенной пропускной способностью.
Одиночная поляризация
Что лучше — горизонтальная или вертикальная поляризация?
Двойная поляризация ( dual-pol)
При соединении устройств с одиночной поляризацией и двойной ( например, абонентских точек доступа и базовой станции), нужно учитывать, что пропускная способность соединения упадет до уровня однополяризационной точки, т. е. потенциал базовой станции не будет использоваться в полной мере.
Количество антенн
Некоторые пользователи полагают, что между пропускной способностью WiFi точки доступа и количеством ее антенн существует прямая зависимость: чем больше антенн, тем выше пропускная способность.
Но не все так однозначно.
Максимальная пропускная способность беспроводной точки доступа напрямую не зависит от количества антенн в нем. Хотя, конечно же, большее число антенн имеет положительное значение:
В результате пропускная способность все-таки улучшается, но, как мы уже сказали, далеко не прямо пропорционально количеству антенн.
Возможно именно поэтому в технических характеристиках оборудования данные о количестве антенн часто не указываются вообще, ввиду бесполезности этой информации.
Chain (чейн)
Chain иногда переводится как «цепь», «канал передачи/приема» или же не переводится никак, и просто транслитерируется — «чейн». Этим понятием обозначается комплексный канал, цепь приема-передачи, включая антенну. Оно напрямую описывает реализацию MIMO в устройстве и употребляется в двух вариантах:
1. Количество chain означает «сводное» количество каналов приема/передачи MIMO. Например, в технических характеристиках точки доступа с MIMO 2×2 указывается dual chain (две цепи), а в устройстве с MIMO 3 ×3 — triple chain (три цепи).
Chain и пропускная способность
Два chain и MIMO 2×2 для устройств стандарта 802.11n вовсе не гарантирует канальную скорость в 300 Мбит/сек, а MIMO 3 ×3 с тремя цепями приема-передачи совсем не означает, что максимальная пропускная способность устройства — 450 Мбит/сек.
Все дело в том, что канальная скорость напрямую зависит не от количества приемопередающих антенн, и не от количества цепей радиопередачи, а от такого параметра, как spatial streams. Если заглянуть в таблицу скоростей передачи данных для различных модуляций и схем кодирования стандартов 802.11n и 802.11ac, мы увидим, что для расчета канальной скорости устройств по стандарту используется именно этот параметр, а не chain, количество антенн или MIMO.
Spatial streams
Наконец-то мы добрались до параметра, который действительно напрямую влияет на пропускную способность. Spatial streams (SS) переводится как пространственный поток. Это пространственное объединение данных при передаче данных в режиме MIMO.
Далеко не все подозревают о существовании этого параметра по той простой причине, что многие производители просто не указывают его в спецификациях на оборудование. Характеристики MIMO обозначаются обычно как «MIMO 2×2″ или » MIMO 3×3″, в то время как полная запись параметров MIMO должна содержать еще и количество SS.
Правильные полные характеристики MIMO в оборудовании должны быть представлены записью вида:
T x R :S
Вот как раз от количества пространственных потоков и зависит максимальная канальная скорость беспроводных устройств.
Чем chain (чейн) отличается от spatial streams?
Количество чейнов показывает, сколько каналов приема-передачи устройства используются в любой момент времени.
А вот обратная ситуация, когда устройство с MIMO 3 ×3 имеет только 2 пространственных потока, а то и вовсе 1, вполне может иметь место. То есть вполне возможна ситуация, когда в параметрах устройства написано MIMO 3×3, но его канальная скорость (максимальная пропускная способность по стандарту) будет не 450 Мбит/сек, а 300 Мбит/сек (если SS=2) или 150 Мбит/сек (если SS=1).
Определяем количество spatial streams в характеристиках WiFi оборудования
К сожалению, увидеть значение этого параметра в документации многих производителей практически нереально, причем даже для устройств операторского класса. Поэтому можно попробовать определить его его самим.
Первый способ. Посмотреть, какие MCS (схемы модуляции) поддерживает устройство. Если для стандарта 802.11n используется максимум MCS7, т. е. схемы модуляции и кодирования с одним пространственным потоком, и не используются MCS 8-15 и выше, с 2-3 SS, то понятно, что точка доступа умеет работать только с 1 пространственным потоком, а значит и канальная скорость для стандарта 802.11n составит только 150 Мбит/сек.
Например, в RB922UAGS-5HPacT-NM используется чип QCA9880-BR4A-R, и если немного погуглить, то находим, что эта модель поддерживает MIMO 3х3:3, т. е. работает с тремя пространственными потоками. Соответственно, канальная скорость такого оборудования будет составлять 150 Мбит/сек *3 = 450 Мбит/сек.
Вывод
Итак, для определения максимальной пропускной способности устройств (так называемой канальной скорости) необходимо знать количество Spatial Streams. Количество приемных и передающих антенн, а также чейнов не связаны напрямую с пропускной способностью устройства.
Кроме того, при выборе оборудования необходимо обязательно учитывать поляризацию антенн: несовпадение поляризаций точек доступа приведет к тому, что соединение установить не удастся, или же его скорость будет очень низкой.