Термины «базовая станция» и «вышка сотовой связи» давно и прочно вошли в наш лексикон. И если средний пользователь вспоминает об этих вещах не так часто, то уж «сотовый телефон» по привычности явно входит в десятку лидеров. Сотовой связью ежедневно пользуются сотни миллионов людей, но очень мало кто из них задумывается о том, как обеспечивается эта самая связь. И из этого меньшинства очень немногие действительно представляют всю сложность и тонкость этого инструмента связи.
С точки зрения большинства людей, установка базовой станции сотовой связи является весьма несложным делом. Достаточно повесить несколько антенн, подключить их к сети - и готово. Но такое представление в корне неверно. И поэтому мы решили рассказать о том, сколько тонкостей и нюансов возникает при монтаже базовой станции в условиях мегаполиса.
Осторожно, трафик!
Чтобы наглядно проиллюстрировать свой рассказ, мы подробно задокументировали процесс установки вышки сотовой связи на крыше здания в Москве, по адресу ул. Краснодонская, д.19, корп.2. Это двухэтажное отдельно стоящее административное здание. Мы выбрали именно этот пример потому, что на этой базовой станции не просто смонтирована маленький кронштейн для подвески антенн, а установлена 5-секционная вышка высотой 15 м. Но начнём по порядку.
Подготовка и проектирование
Работа по установке базовой станции начинается с поиска подходящего объекта. Когда он найден, с его владельцем заключается договор аренды. Определяется необходимое расположение антенн будущей станции, масса полезной нагрузки, и исходя из этого проектируются металлоконструкции. При этом учитывается несущая способность элементов конструкции самого здания.На каждую установленную базовую станцию оформляется комплект документации (толщиной почти 5 см). Помимо прочего, здесь указано множество параметров будущей конструкции: её расположение на объекте, габаритные размеры, общий вес, расположение точек опоры, потребляемые напряжение и мощность, и так далее.
В этой папке собрана исчерпывающая информация:
Проектная документация,
Копии ведомостей, лицензий, сертификатов и заключений соответствия на все элементы, вплоть до гаек и краски,
Рабочая документация на оборудование, металлические конструкции, архитектурно-строительное решение, молниезащиту.
Санитарно-эпидемиологическое заключение о безопасности станции для жителей окружающих домов.
Вернёмся к нашей вышке. После согласования и утверждения проекта, на заводе были изготовлены отдельно платформа и пять сегментов вышки. Поскольку в данном случае речь шла о довольно тяжёлой конструкции, то её необходимо было установить на несущие стены здания. Для этого в кровле были прорезаны отверстия и проведена установка опорных балок. Они играют роль свайного фундамента для платформы, на которую в дальнейшем было смонтировано оборудование станции и вышка с антеннами. Общий вес платформы составил 3857 кг.
Профиль, размеры и количество балок, из которых собирается платформа, толщина стенок, протяжённость сварных швов, используемые метизы - все эти параметры рассчитываются исходя из массы полезной нагрузки, несущей способности стен здания, а также возможных ветровых нагрузок в данном регионе. Конечно, это далеко не единственные критерии, в первую очередь вышка должна обеспечить возможность установки приёмо-передающих антенн на необходимой высоте в зоне видимости соседних базовых станций. Кроме того, конструкция должна быть достаточно жёсткой, чтобы не сбивался луч релейной связи.
Монтаж металлоконструкций
Здание небольшое, отдельного выхода на крышу у него нет, поэтому бригаде монтажников приходится залезать по пожарной лестнице. Её нижняя часть отрезана, чтобы на крышу не лазили жители окружающих домов. К сожалению, это их не слишком останавливает, поэтому с крыш часто что-нибудь пропадает - запчасти, кабели, фидеры и т.д.Несмотря на то, что каждая станция оснащается сигнализацией, служба безопасности не всегда успевает приехать вовремя.
На крыше уже установлена базовая станция другого сотового оператора, но её размеры не идут ни в какое сравнение с нашей.
После монтажа платформы, подготавливаются площадки для установки первой секции вышки:
После установки секции, начинается «закручивание гаек»:
Установка вышки на шпильки делается для того, чтобы можно было компенсировать отклонения от вертикали в ходе монтажа и дальнейшей эксплуатации.
Вертикальность конструкции постоянно контролируется с двух точек с помощью теодолитов. Причём измерения проводятся отдельно для каждой секции вышки, и потом журнал измерений будет включён в комплект документов. Впоследствии проводится периодические измерения положения вышки, поскольку под собственным весом и весом оборудования может происходить небольшое спиралеобразное скручивание конструкции (до 50 мм на 72 м высоты).
Аппаратный шкаф, подготовленный к установке на платформу:
Итак, первая секция установлена и выровнена. Монтажники готовятся к приёму второй секции:
Безопасности и комфортности работ уделяется очень большое внимание не только при монтаже, но и при дальнейшем обслуживании. Размер рабочих площадок подобран таким образом, чтобы у инженеров было достаточно места для работы. Установлены ограждения лестниц, проёмы в площадках на вышке закрываются люками, чтобы предотвратить случайное падение. Платформа поднята над плоскостью крыши, чтобы в зимнее время аппаратуру не заметало снегом и не блокировало льдом.
Монтаж остальных секций вышки:
Очередь аппаратного шкафа:
Вышка смонтирована, произведены последние измерения с помощью теодолитов. Отклонения минимальны и строго в пределах допусков. Масса вышки составила 2827 кг, а общая масса всех металлоконструкций - 6684 кг.
Цвета секций стандартные: нижняя и верхняя всегда красные, промежуточные чередуются с белым. На вершине вы можете видеть 4 штыря, являющихся продолжением рёбер вышки - это элементы молниезащиты.
Аппаратура
Следующим этапом стал монтаж всей необходимой аппаратуры и прокладка кабелей. Полный список установленного оборудования:
В результате станция приобрела довольно величественный вид, особенно в сравнении с самим зданием:
На станцию подаётся питание напряжением 380 В (3 фазы), которое потом преобразовывается в 48 В. Мощность взята с запасом - до 10 кВт. Питание подводится в отдельный шкафчик.
Откроем дверцу аппаратного шкафа. В неё встроен кондиционер (сверху) и обогреватель (снизу).
В шкафу в течение всего года поддерживается температура 18…20 градусов Цельсия. Это необходимо для бесперебойной работы оборудования и длительной службы аккумуляторов (они расположены внизу).
Аккумуляторы предназначены для обеспечения работы станции в течение примерно суток в случае отключения внешнего питания.
Сверху находится коммутационный блок и преобразователь напряжения.
Передача информации между системными модулями и приёмо-передатчиками (о них ниже) осуществляется через оптоволоконные кабели. Вот так выглядит разъём в коммутационном блоке. Его ни в коем случае нельзя трогать руками, волокно очень чувствительно к повреждениям и загрязнению.
Все базовые станции сотовой связи подключены к единой информационно оптоволоконной сети, протянутой по всей Москве. Белая бухта под аппаратным шкафом - это как раз кабель, через который подключена данная станция.
Справа от шкафа расположены системные модули GSM, CDMA и LTE:
Эти модули являются сердцем базовой станции, они принимают сигнал с антенн и осуществляют его преобразование и сжатие с дальнейшей пересылкой. Им не страшны осадки, все разъёмы герметизированы, а рабочий диапазон температур от +60 до -50.
Под системными модулями расположены грозоразрядники, которые предотвращают выгорание аппаратуры в случае удара молнии:
Справа над модулями расположены бухты оптоволоконного кабеля, с помощью которого они соединяются с приёмо-передатчиками на вышке.
Перейдём к вышке. На ней установлены приёмо-передатчики отдельно для каждого диапазона (GSM, CDMA и LTE). Они усиливают сигнал от крайне малых значений до 115-120 дБ. Из аппаратного шкафа к ним подводится питание:
Продолговатые вертикальные «ящики» - это и есть антенны. Сзади они экранированы, чтобы защитить обслуживающий персонал от электромагнитного излучения. Поднимемся на площадку.
Приёмо-передатчик GSM:
Приёмо-передатчик CDMA:
Приёмо-передатчик LTE:
По краям к приёмо-передатчику подключены оптоволоконные кабели, в центре - электропитание:
Заземление выведено на вышку:
Кабельные разъёмы и их заглушки на антенне:
Принципиальная схема коммутации оборудования базовой станции:
Мы уже упоминали о том, что проектирование и постройка базовой станции сотовой связи является совсем не таким простым делом, как кажется непосвящённым. Здесь множество нюансов, которые связаны и с конкретным местоположением станции. Например, передача радиосигнала над большой водной поверхностью ухудшается, хотя должно быть наоборот, ведь никаких препятствий нет. Но дело в том, что над поверхностью земли распространяется электромагнитное поле, а большой объём воды работает своеобразным конденсатором, над которым усиливаются помехи радиосигналу. И таких тонкостей множество, поэтому от профессионализма проектировщиков и монтажников напрямую зависит эффективность работы базовой станции. Например, от таких людей, как этот бригадир монтажников, высококлассный специалист-радиоинженер, и просто замечательный человек:
Вышки сотовой связи устанавливаются на открытой местности для того, чтобы на них можно было смонтировать базовые станции. Базовыми станциями называют совокупность приборов, отвечающую за прием, передачу и обработку сигнала сотовой связи.
Несмотря на то, что распространение мобильных способов общения в России идет интенсивным путем, многие города, села оказываются без этого вида коммуникаций.
Вышки операторов сотовой связи
Вышки сотовой связи используются вдали от городских массивов. В мегаполисах базовые станции размещают на крышах домов. Радиус их действия достигает 3-5 километров. А вокруг дорог, возле сельских поселений устанавливаются специальные вышки. Как правило, это бело-красные столбы, башни, на вершине которых смонтирована базовая станция. Когда на пути сигнала нет лесных массивов или железобетонных конструкций, вышки можно размещать на расстоянии 10-15 км друг от друга.
Поскольку рынок сдачи мачт в аренду растет, условия существования на нем быстро меняются.
Вышки сотовой связи МТС
Компания «МТС» занимает второе место по числу базовых станций среди крупных операторов сотовой связи в России. В 2016 году было установлено около 137 тысяч единиц. Эта компания первой стала сдавать свои вышки в аренду конкурентам и другим предприятиям, предлагая довольно льготные условия в виде отсутствия штрафов за досрочное расторжение контракта и отказа от скрытых и дополнительных платежей.
Вышки сотовой связи Билайн
Компания «Билайн» в 2016 году имела около 96 тысяч установленных базовых станций. Динамика их увеличения относительно скромная: в год появляется по 4,5 тысячи новых станций. Хотя именно установка новых вышек позволила компании предлагать 4G интернет во многих областях России.
Вышки сотовой связи Мегафон
По состоянию на 2016 год у компании «Мегафон» было установлено больше всего базовых станций: около 164 тысяч. В год эта компания увеличивает их число на 14-15 тысяч.
Вышка сотовой связи Теле2
Оператор «Теле 2» растет динамично. В 2016 году у него было около 96 тысяч базовых станций, что сравнимо по охвату с «Билайном». Это предприятие устанавливает или арендует по 12 тысяч новых вышек и станций в год. Есть основания полагать, что при таком темпе развития, этот оператор вскоре займет более прочное положение в четверке лидеров.
Как установить вышки сотовой связи, и какая цена?
Вышки сотовой связи используются там, где нет никаких иных вариантов размещения базовых станций. Даже вокруг деревень можно найти высокие конструкции, на которые смонтировать антенны будет дешевле, чем ставить вышку. Это могут быть трубы, элеваторы и другие варианты построек высокого типа.
Требования к установке вышки довольно непростые:
- высота оригинальной вышки должна составлять от 72 до 100 метров;
- желательно выбирать самое высокое место в округе, годятся любой холм, возвышенность;
- необходим доступ к электричеству. Если его нет, нужно устанавливать отдельный трансформатор;
- вышку надо устанавливать вблизи от населенных пунктов или дорог с большой пропускной способностью.
Интенсивность строительства вышек высока, например, в Подмосковье их устанавливают несколько десятков в течение теплого сезона.
Стоимость строительства одной вышки сотовой связи составляет около 5 миллионов рублей. В последнее время под такие конструкции принято арендовать землю не только у юридических, но и у физических лиц. Правда, ставки для частных землевладельцев являются чисто символическими - несколько сотен рублей в год.
Какая стоимость аренды вышки сотовой связи?
Большая четверка операторов сотовой связи владеет лишь 70% вышек. Даже такие компании, как «МТС», «Билайн», «Теле 2» и «Мегафон», арендуют часть мощностей у предприятий, которые специализируются на строительстве вышек. К ним относятся такие игроки, как:
- «Русская башня» (1,7 тысяч вышек);
- «Вертикаль» (1,6 тысяч вышек).
Аренда вышки сотовой связи стоит относительно недорого. У разных компаний цена может колебаться от 15 до 30 тысяч рублей в месяц.
Производители и поставщики вышек сотовой связи
Большинство задач по строительству вышек сотовой связи можно решить силами российских компаний и поставщиков.
Есть несколько предприятий, которые зарекомендовали себя в этой сфере:
- ООО «Металл-Система»: компания производит башни, мачты, трубостойки для крепления базовых станций на крышах зданий.
- ООО «Алтайстройдиагностика» помогает построить вышку на основе мачты или башни с соблюдением всех технических и законодательных требований. Эксперты компании знают, как правильно установить опоры, обеспечить бесперебойную работу оборудования.
- Завод металлоконструкций «Спецстройкомплект» может произвести вышку по стандартным чертежам или с учетом пожеланий заказчика. Здесь можно заказать дополнительные опции для вышки: молниеотвод, площадку для технического персонала.
- Компания МКТЭК считается одним из самых дешевых производителей вышек сотовой связи. Монтируемые этой фирмой вышки имеют секционное строение. В зависимости от необходимой высоты мачты или башни можно выбрать разное количество секций. Это позволяет экономить средства тем заказчикам, которые планируют поставить вышку на возвышенности, и которым не нужна максимальная высота сооружения.
Общее количество предприятий в России, которые производят и поставляют оборудование для установки вышек сотовой связи, составляет несколько десятков компаний. Рынок развит настолько, что у потребителей есть возможность выбирать фирму, которая устроит их по срокам изготовления и монтажа вышки, по стоимости работ, по особенностям технического оснащения вышки.
Обслуживание вышек
Обслуживание вышек - дело недешевое. Оборудование приходится менять с неопределенной частотой. Одни вышки дольше работают в неизменном состоянии, другие быстро выходят из строя. Это зависит от типа оборудования, средней загрузки соты.
Иногда владельцы вышек заменяют оборудование на более современное. Сети формата 4G постепенно распространяются по всей России. За этой простой фразой стоит огромный труд по модернизации оборудования.
Простое обслуживание вышек без модернизации обходится примерно в 5% стоимости в год, то есть в 250 тысяч рублей.
Большинству пользователей сотовой связи невдомек, какая огромная система обеспечивает их комфорт. Между тем это не только компьютеры-коммутаторы, специальные контроллеры, но и тысячи, нет - десятки тысяч базовых станций, чуткие антенны которых позволяют абонентам всегда оставаться на связи.
Больше «мозгов», чем «железа»
Основной элемент сотовой сети любого стандарта - это базовая станция (BSS, Base Station System), которая занимается распределением звонков и аутентификацией мобильных телефонов. В зависимости от стандарта связи базовые станции (БС) работают в диапазоне частот от 450 до 1880 МГц. БС составляют основу макроячеек, так называемых «сот». Поскольку рабочий радиус таких станций порядка 10-12 км за городом и около 5 км в городе, БС строят много и располагают относительно недалеко друг от друга. Полностью автономные и автоматизированные базовые станции представляют собой небольшие контейнеры, которые устанавливаются, как правило, на крыше зданий. Там обычно находится несколько компьютеров, источник автономного питания и кондиционер - все оборудование БС очень чувствительно к перепадам температуры. Все это богатство снабжено автоматической системой пожаротушения и сигнализацией. В обязательном порядке имеется беспроводной или кабельный канал связи с центром управления сетью, куда передается огромный поток данных - входящие и исходящие вызовы от абонентов.
Контейнер БС.
Безопасная связь
Бытует мнение, что базовые станции очень вредны для здоровья. По отечественным санитарным нормам и правилам, антенны БС размещаются на уже существующих постройках или на специальных мачтах. Есть два типа антенн: передающие (или приемопередающие), и приемные, которые вовсе не являются источниками электромагнитного поля. Основная энергия излучения передающей антенны сосредоточена в довольно узком «луче», который всегда направлен в сторону от сооружений и выше прилегающих построек. Это необходимое условие нормального функционирования сотовой связи и безопасности окружающей среды.
Начинка базовой станции.
Мощность излучения антенны БС не постоянна, она меняется в зависимости от нагрузки сети - количества активных сотовых телефонов в зоне обслуживания. При этом для станций, расположенных в различных районах города, загрузка варьируется. В ночные часы она практически равна нулю, к вечеру резко повышается.
Исследования электромагнитной обстановки на территории, прилегающей к БС, неоднократно проводились специалистами Швеции, Венгрии и России. Если изучить результаты этих измерений, видно, что в 100% случаев электромагнитная обстановка в здании, на котором установлена БС, не отличается от фоновой. На прилегающей территории в 91% случаев зафиксированный уровень электромагнитного поля был в 10 раз меньше ПДУ (предельно допустимого уровня), установленного для радиотехнических объектов в Москве. Максимально зафиксированное при измерениях значение было в 2 раза меньше установленного ПДУ, вблизи здания, на котором установлено сразу три станции разных стандартов. Таким образом, можно с уверенностью говорить, что базовые станции сотовой связи не опасны для здоровья населения.
Пришел, поставил, улетел
Базовые станции монтируются на высотных зданиях или на металлических вышках, которые строят специально. Высотные мачты (более 50 метров) обычно монтируются за чертой города с помощью вертолетов. Все конструкции привозят со специальных заводов на длинномерных тягачах и после этого собирают в 4 крупные секции, которые вертолету предстоит водрузить одну на другую. Первую секцию высотой в 20 метров ставят тяжелым автомобильным краном, а остальные - только с помощью винтокрылой машины.
Вертолеты для монтажа используются особые. С виду - обычный Ми-8, но на самом деле это кардинально модифицированная машина - летающая лаборатория стоимостью порядка $2 млн. Специально для монтажа сложных конструкций на нем предусмотрена внешняя подвеска, на которую крепят трос с блоками башни. Он управляется компьютером, который учитывает все порывы ветра и удерживает строго вертикально несколько тонн металла. Еще есть специальная прозрачная задняя кабина, из которой еще один пилот управляет монтажом. Весь процесс производится в режиме радиомолчания - управление осуществляется только по визуальным командам «флажкового» инженера с земли. Именно этот человек должен сам убедиться в том, что фланцы блоков соприкоснулись, и только после крепления секции дать команду пилоту вертолета отцепить трос с внешней подвески. Сам процесс сборки происходит очень быстро - всего лишь за 40 минут.
Монтаж базовой станции с вертолета.
Парад необычных проектов
Экзотики в строительстве базовых станций море. Шутка ли - у каждой сотовой компании может быть несколько тысяч объектов связи, причем не все из них расположены в мегаполисах. Например, у МТС есть БС с питанием от ветрогенератора - они установлены в Краснодарском крае. Есть БС в портативных контейнерах - коробка размером с небольшой телевизор, в котором смонтирован источник бесперебойного питания и кондиционер. Такие БС можно крепить практически где угодно, например прямо на столбах. В частности, в Москве подобная БС установлена в Гостином дворе. Есть БС, смонтированные на колокольнях - в Суздале и Сергиевом Посаде, например. Это самые высокие места в округе, возводить там мачту нерентабельно - вот и пришлось просить разрешения у церкви. Но совершенно уникальная система - базовая станция в Лефортовском тоннеле в Москве. Там антенной является щелевой излучающий кабель, протянутый в трехкилометровом тоннеле.
У компании «ВымпелКом» своя гордость - для обеспечения покрытия сети «Би Лайн GSM» на оживленном участке федеральной трассы Краснодар-Сочи, проходящем через поселок Молдавановка , была запущена базовая станция, работающая на солнечной энергии. На горном перевале в районе Молдавановки оказалось сложно обеспечить качественное покрытие. Одним из возможных положений базовой станции, обеспечивающих приемлемую зону покрытия, стала естественная площадка на высоте 711 метров на горе. Дорогостоящий проект по организации традиционного электропитания было решено заменить альтернативной системой на солнечных батареях. Пиковой мощности солнечных батарей хватает для питания самой станции, двух кондиционеров и подзарядки аккумуляторов на ночь. В дополнение к солнечным батареям был установлен еще и ветрогенератор. В «ВымпелКом » подчеркивают, что это первая базовая станция на альтернативных источниках энергии в России, но не первая в мире.
Базовая станция «Би Лайн» на солнечной энергии.
В апреле 2004 года в Западной Австралии в округе Кимберли также начала работу базовая станция мобильной связи на солнечных батареях. Всего в ней используется 60 солнечных батарей общим весом 7,4 тонны.
Отличились в строительстве «экзотики» и специалисты сотового оператора СМАРТС . К примеру, БС с расширенной до 100 км зоной покрытия используются в Астраханской области. В Самарской, Пензенской и Волгоградской областях базовые станции на большой высоте. Уж очень много там холмов. Монтировать такие станции приходится с помощью специально подготовленных подразделений альпинистов.
Большая пропускная способность необходима для мобильных БС, которые развертываются всего за несколько часов. К примеру, на Грушинском фестивале работает именно такая БС.
Надо отметить, что экзотические БС - это не выдумка «загадочной русской души». К примеру, в Великобритании стали устанавливать «зеленые» базовые станции сотовой связи. Наконец-то английские «зеленые», выступавшие против строительства базовых станций сотовой связи в заповедных местах Туманного Альбиона, могут спать спокойно. В самом центре Абердинширского леса установлена вторая автономная базовая станция с источником питания на водородно-топливных элементах. Первая такая станция была установлена в Шотландии, возле всемирно известного центра по лыжному спорту. Установка обычной станции потребовала бы прокладки около пяти километров электрического кабеля, что нанесло бы непоправимый ущерб природе в этих местах.
Кстати, для любителей и специалистов: сотовая конфигурация у базовых станций, построенных на многих отечественных и зарубежных курортах, очень интересна и необычна. На таких станциях, как правило, есть только две соты, одна «стреляет» в одну сторону побережья, вторая - в противоположную. В море с телефоном не полезешь, а сфотографировать себя на пляже и послать в заснеженную столицу - милое дело.
Но дальше всех пошли африканские операторы - они устанавливают базовые станции на специальных плотах посреди больших рек. В результате они «накрывают» и близлежащие селения, и саму реку. Дорог там нет, и основные транспортные пути идут по воде. Ну и украсть оборудование оттуда сложнее.
Тотальный контроль
Постоянный контроль покрытия сотовой сети, качества голосовой связи жизненно важен для любого оператора сотовой связи. Именно для этого каждый день в путь отправляются мобильные лаборатории, оснащенные по последнему слову техники. Типовой пример такой машины - микроавтобус Volkswagen Transporter или внедорожник Suzuki Grand Vitara , в них установлена измерительная аппаратура для тестирования сетей AMPS/DAMPS или GSM900/1800.
Volkswagen Transporter
В каждом регионе инженеры разрабатывают специальные маршруты для контроля сети. Как вариант - экипажи отправляются в путь по жалобам пользователей на плохое качество связи или невозможность дозвониться. Третий вариант объездов - это доскональная проверка работы новых базовых станций. Измерительный комплекс проверяет не только зону покрытия БС и сверяет ее планом, но и тестирует качество переключения между БС и соседями.
Специальное оборудование каждого автомобиля стоит десятки тысяч долларов и занимает примерно треть салона. Всего в машине может быть два комплекса, питаются они от бортовой сети. Задача первого состоит в том, чтобы в реальном режиме времени отслеживать качество покрытия сети сотовой связи. Он обычно состоит из мощного ноутбука от Toshiba , нескольких специальных устройств и трех телефонов Sagem , один из которых работает только в диапазоне GSM900, второй - GSM1800, третий - поддерживает оба стандарта связи. Каждый из телефонов непрерывно звонит на специальные технические номера в офисе компании так называемыми «длинными звонками» на 54-59 минут. В это время измерительная аппаратура анализирует качество покрытия, определяется, насколько успешно сотовый звонок передается из соты в соту, в каких случаях могут возникать обрывы связи. Все данные немедленно заносятся в компьютер для дальнейшего анализа.
Второй комплекс состоит из четырех телефонов Sagem. Два из них звонят друг другу «короткими звонками» длительностью 59 секунд. Еще один звонит на специальный сервисный номер в офис сотовой компании, еще один принимает звонки из офиса компании. После соединения передается короткое голосовое сообщение, произнесенное женским и мужским голосом. Так как эталон текста известен, полученный результат мгновенно с ним сравнивается и устанавливается мера сходства сообщения. Чем более они похожи, тем лучше качество связи. Одной из важных частей комплекса является система спутниковой навигации (GPS). С ее помощью компьютер определяет положение в городе и заносит в специальный «черный ящик» все параметры сотовой сети с привязкой к местности. Это позволяет с высокой точностью определять места сбоев.
Как известно, покрытие любой сети сотовой связи представляет собой ячеистую (сотовую) структуру, образованную с помощью (БС). Каждая базовая станция может обслуживать одну и более в зависимости от конфигурации сети и потребности в емкости и качестве покрытия в заданной области. Оборудование базовой станции в наиболее общем случае может быть разделено на 3 составляющих: приемопередатчики, антенно-фидерное устройство (АФУ) и вспомогательное оборудование (системы кондиционирования, электроснабжения, пожаротушения, охранный комплекс и др.). Возможных способов реализации не счесть. В зависимости от поколения, емкости, используемого стандарта, области покрытия БС может быть выполнена как в отдельно стоящем контейнере в сочетании с 72-х метровой мачтой, так и в виде небольшого компактного кейса для покрытия внутри зданий – . Рассмотрим наиболее типичные случаи реализации полномасштабных БС для покрытия как в городских условиях, так и за городом.
Самым типичным способом размещения оборудования БС является установка специальной или , у подножия которой располагаются один или несколько контейнеров для приемопередающего оборудования. Основная цель установки антенно-мачтового сооружения является размещение антенно-фидерного устройства. Оно включает в себя комплекс антенн для создания радио покрытия всенаправленного, но чаще секторного типа, а также фидеров, которые связывают антенны с приемопередающим оборудованием. Кроме того, в загородной местности часто вместе с антеннами используются усилители сигнала в направлении uplink – (малошумящие усилители), которые расширяют зону действия . Также башня необходима для размещения транспортного оборудования, если используются РРЛ (радиорелейные линии связи). В их состав обычно входит направленная параболическая антенна, радио модуль, преобразующий низкочастотный сигнал в высокочастотный для передачи к удаленной стороне и отдельный фидер, передающий низкочастотный сигнал от оборудования БС или отдельного транспортного модуля внутри аппаратной.
Контейнер вмещает приемопередатчики, транспортное оборудование, а также оборудование, предназначенное для обеспечения бесперебойной работы и безопасности. Приемопередающее оборудование обычно сочетает в себе блок управления, приемопередатчики (TRX) и комбайнеры, которые сочетают радиосигнал от различных антенн и TRX в разных конфигурациях. В аппаратной может быть расположено оборудование, работающее в нескольких частотных диапазонах или даже различных стандартах и поколениях ( и ). На БС, расположенных вдали от крупных населенных пунктов обычно используют для образования транспортных каналов к контроллеру базовых станций. Однако в некоторых случаях используются , электрические проводные линии связи или спутниковую связь. Неотъемлемым элементом оборудования БС является система энергоснабжения. Обычно это специальный источник постоянного тока 48В, запутываемый переменным напряжением 220 или 380В. Он также осуществляет переключение на АКБ (аккумуляторные батареи) в случае пропадания внешнего питания и обеспечивают их подзарядку - после возобновления. Любая аппаратная БС оборудуется системой поддержания рабочих значений температуры и влажности воздуха. Обычно это сплит-система, одна или две работающие либо попеременно, либо как активный/резервный. Обычно любое высотное сооружение должно быть обозначено специальными заградительными огнями, обеспечивающими его обнаружение пилотами авиации в условиях плохой видимости или ночью. Поэтому в аппаратной также можно найти дополнительный источник питания и комплект АКБ для питания системы освещения башни.
Для размещения в городах редко устанавливают отдельные башни, т.к. это и дорого, и не эффективно. Поэтому обычно антенны устанавливают на жилых и промышленных зданиях и сооружениях, а также дымовых трубах и других существующих конструкциях башенного типа. Главное требование, что место размещения соответствовало всем гигиеническим нормам установки таких объектов. Такой способ размещения оборудования обычно не меняет состав БС. Контейнер при этом обычно заменяется выгородкой на чердаке или техническом этаже или отдельным помещением в здании, а антенны и фидеры часто маскируются под облик здания, чтобы не портить его внешний вид.
Кроме контейнерного способа размещения оборудования, многие производители предлагают устанавливать специальные outdoor . Для их размещения не требуется отдельного помещения, а все оборудование помещается в специальных термобоксах и может крепиться в любом удобном месте: стене, крыше, чердаке и т.п. Это значительно экономит операционные затраты компании. Однако главный минус таких БС заключается в невысокой емкости и сложности расширения их емкости. Поэтому они не находят столь же широко применения как и с контейнером.
Также в последнее время многие производители предложили, так называемые, . При этом приемопередающее оборудование разделяется на две части: одна устанавливается в контейнере и служит основным блоком управления и обработки сигнализации, а также предоставляет интерфейсы к контроллеру базовых станций. Другая часть устанавливается в непосредственной близости от антенн и преобразует сигнал, принятый от блока управления в высокочастотный радио сигнал, передаваемый к антеннам по фидерам. Обе части между собой соединятся обычно с помощью оптического патчкорда или реже витой пары. При этом экономия на длине фидера может достигать десятки раз, что соответственно значительно уменьшает затухание и упрощает прокладку. Особенно широкое распространение такая схема получила для реализации БС .
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.
