В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций

Интеллектуальные антенны для сетей 3G

Ильдар Хантимиров
Ведущий рубрики "Радиопокрытие"

Вот и заканчивается 2008 г., время подводить итоги. Открывая рубрику "Радиопокрытие", мы задавались целью поднимать на страницах журнала актуальные для специалистов, занимающихся развитием и эксплуатацией сети, вопросы обеспечения качественного радиопокрытия.

В первом номере журнала был подготовлен краткий обзор панельных антенн с кросс-поляризацией (XPol) для сетей UMTS. Во втором номере мы обсуждали преимущества и недостатки антенных комплексов на базе панельных антенн Xpol, которые позволяют решить проблему размещения базовых станций UMTS на сайтах GSM. Третий номер был посвящен вопросам организации радиопокрытия в метрополитене и железнодорожном транспорте. В четвертом номере в рамках рубрики освещались преимущества и недостатки совместного использования сайтов базовых станций. В пятом номере читатели журнала имели возможность познакомиться с вопросами оптимизации пропускной способности радиоканалов для организации высокоскоростной передачи данных в сетях 3G. В последнем номере мы вновь предлагаем вашему вниманию материал по антеннам, так как тема обеспечения качественного радиопокрытия чрезвычайно актуальна в настоящее время. На этот раз речь пойдет об альтернативных антенных системах (смарт-антеннах), которые обеспечивают существенную экономию частотного ресурса. Такие антенны являются неотъемлемым элементом сетей связи 3G/4G.

Символично, что последний материал этого года передает эстафету технологиям обеспечения радиопокрытия следующего поколения, на которых мы собираемся подробно остановиться в 2009 году. Мы открыты для предложений наших читателей и готовы рассмотреть в рубрике любые другие проблемы.

Елена Строганова
Доцент МТУСИ, к.т.н., эксперт ИЦ МТУСИ

Основные проблемы сетей сотовой подвижной связи и пути их решения с помощью адаптивных антенн

По мере развития сетей сотовой подвижной связи (ССПС) все большее внимание уделяется качественным показателям и надежности связи. Одновременно показатели электромагнитной "загрязненности" среды распространения радиоволн только ухудшаются из-за более интенсивного использования радиочастотного ресурса всеми видами радиосистем, увеличения плотности размещения радиооборудования в городах, а также роста количества абонентов всех видов сетей. С ростом мощности радиопомех приходится увеличивать мощность радиосигналов. В то же время большое число приложений в ССПС поколений 3G, 4G приведет к увеличению времени пользования мобильными телефонами для абонентов сетей, что без уменьшения мощности абонентских терминалов окажется вредным для здоровья. Одно из решений упомянутых проблем базируется на использовании адаптивных антенн и антенных систем в сетях СПС.

Принципы построения адаптивных антенн

Адаптивными антеннами (АА), или интеллектуальными антеннами (Smart Antennas), называют антенны с электрическим управлением диаграммой направленности (ДН).
Чаще всего АА по структуре является адаптивной антенной решеткой (АР), состоящей из дискретных элементов (слабонаправленных вибраторов), каждый из которых осуществляет излучение или прием электромагнитных волн когерентно по отношению к остальным элементам. ДН формируется в результате интерференции волн, излучаемых элементами. Если излучатели идентичны и одинаково ориентированы, то ДН адаптивной решетки, образованной изотропными излучателями, можно представить в виде произведения ДН элемента решетки на так называемый множитель решетки. Схема одномерной линейной АР показана на рис. 1.

РИС. 1. Формирование луча в схеме линейной адаптивной АР с фазовым способом управления ДН

Управление ДН АР осуществляется изменением комплексных амплитуд и фаз элементов. Для формирования луча в заданном направлении фазовые сдвиги между элементами должны соответствовать распределению фаз, создаваемому на АР плоской волной, приходящей в этом направлении. Применяются два способа управления ДН:
• изменение частоты излучаемых колебаний (частотное сканирование);
• изменение фазы элементов по определенному закону с помощью перестраиваемых фазовращателей (фазовый способ).

Также возможно сочетание этих способов управления.
АР может работать как в приемном (пассивная АР), так и в приемно-пере-дающем режиме (активная АР). В последнем случае излучение сигнала осуществляется в направлении источника принимаемой волны. И в режиме приема, и в режиме передачи принимаемый сигнал используется для управления фазами отдельных элементов активной АР. Критериями управления (адаптации) могут быть следующие:
•          максимальное отношение полезный сигнал/шум (помеха);
•          оптимальное подавление помехи;
•          наименьшее отклонение принимаемого сигнала от пилот-сигнала и другие критерии.

При адаптации по критерию максимума отношения полезный сигнал/шум (помеха) минимизируется мощность суммарных шумов, поступающих вместе с полезным сигналом. Адаптация по критерию оптимального подавления помехи применима при наличии сильной помехи, в направлении прихода которой формируется ноль ДН (рис. 2).

РИС. 2. Принцип адаптивного приема полезного сигнала (абонентская станция внутри соты) и подавления помехи (абонентская станция в соседней соте) с помощью управляемых нулей ДН

Обычно обработка сигналов помех, обеспечивающая подавление суммарного сигнала помех на выходе АР, производится до приема полезного сигнала. Аппаратура системы обработки основана на использовании устройств для автоматической регулировки амплитуд и (или) фаз весовых коэффициентов элементов. Процедура адаптации по минимуму приема помехи эквивалентна вычитанию из исходной ДН решетки компенсационной ДН, формируемой в процессе выработки оптимальных весовых коэффициентов. Результирующая ДН приобретает провалы в направлениях на источники помех. Глубина подавления помех зависит от используемого метода адаптации и его конкретной реализации, однако для любого из них степень достижения критерия адаптации пропорциональна числу элементов АР.

В АР (рис. 3) система формирования и управления положением луча создает необходимое распределение амплитуд и фаз сигнала в излучателях. Элементы АР содержат усилители мощности (в режиме передачи) или малошумящие усилители (в режиме приема). В режиме приема элементы АР соединяются с приемным устройством системой суммирования принимаемых сигналов. Если регулируются не только фазовращатели, но и усилители, то обеспечивается наиболее эффективное управление ДН за счет одновременного изменения фазовых сдвигов и амплитуд. В режиме передачи сигнал от возбудителя передается на делитель мощности, причем если система возбуждения многоканальная, то различным ее каналам соответствуют различные распределения поля на элементах, а следовательно, и различные ДН.

РИС. 3. Схема адаптивной антенны в виде АР

В АР используется фидерный или пространственный способ возбуждения элементов. В первом случае элементы соединяются с передатчиком через линии передачи, а во втором – через пространство по схемам линзовой и зеркальной антенн. Аналогично выполняются системы суммирования принимаемых сигналов.

Алгоритм управления (адаптации) может быть аналоговым (если управление осуществляется только схемным путем), цифровым (если он реализуется при цифровой обработке сигнала) или гибридным (комбинированным).

Главным достоинством применения АА является возможность создания на их основе интегрированных антенных систем, обеспечивающих многофункциональную работу базовых станций (БС) сетей связи с гибким управлением пространственными характеристиками и высоким энергетическим потенциалом и их адаптацию к быстро изменяющейся помеховой обстановке.

Приведем другие достоинства АА:
•          увеличение отношение сигнал/шум;
•          формирование нулей ДН в направлении помех;
•          формирование нескольких лучей или сканирование лучом в секторе;
•          высокая надежность за счет избыточных элементов и использование низких напряжений в активных элементах АР;
•          уменьшение массогабаритных характеристик твердотельных приемопередающих модулей элементов АР;
•          уменьшение потерь в радиотракте;
•          увеличение полосы частот и ширины сектора.

К недостаткам АА можно отнести:
•          сложность построения;
•          высокую стоимость;
•          высокую зависимость характеристик от параметров внешней среды;
•          необходимость дополнительной защиты от внешней среды.

Эволюция решений – переход к цифровым адаптивным антенным системам

В сотовых сетях 1G и 2G эволюция антенн Б С шла от антенн с фиксированной ДН к антеннам с элементами адаптации.
Одной из первых технологий, примененных для снижения уровня внутрисистемных помех в ССПС, было изменение угла наклона ДН антенн БС в вертикальной плоскости, что позволяло сконцентрировать излучение на территории соты и снизить уровень соканальных помех от передатчиков БС, работающих на совпадающих частотах в разных сотах.

РИС. 4. ДН многолучевых антенн

Применение многолучевых антенн позволило снизить уровень соканальных помех, улучшить качество связи и увеличить емкость ССПС за счет формирования множества лучей с узкими ДН, используемых для обслуживания соты. При перемещении абонентской радиостанции (АС) антенна БС сопровождает ее, отслеживая переход переключением с одного луча на другой (рис. 4, а). В отличие от секторной антенны применение многолучевой антенны позволяет избежать межсекторных хэндоверов и дает возможность гибкого использования частотных каналов БС в соте. Многолучевые антенны позволяют динамически формировать секторную структуру соты с учетом плотности размещения абонентов на ее территории (динамическая секторизация).

Дальнейшим развитием технологии многолучевых антенн стало формирование ДН с учетом направления при хода сигнала обслуживаемой АC и ДН с "нулями", ориентированными в направлениях прихода внутрисистемных помех. АА, способные адаптировать ДН в соответствии с помеховой обстановкой в окружении БС, называются АА с формированием ДН (рис. 4, б).
Многолучевые антенны с переключением лепестков могут реализовывать следующий весьма эффективный алгоритм: формирование широкого лепестка ДН при передаче сигналов вызова и управления и определение направлений на АС; а затем формирование узких лепестков ДН на передачу и прием при связи с АС (рис. 4, в). В результате за счет более высокого коэффициента усиления в режиме формирования узкого лепестка ДН устойчивая связь будет осуществляться даже с маломощными АС.
Пространственное разнесение антенн широко известно и весьма эффективно для борьбы с замираниями сигналов АС. Раздельный прием сигнала двумя различными лучами ДН дает возможность реализовать преимущества этой технологии. Многолучевые антенны позволяют применять технологию пространственного разделения и многократного доступа (SDMA – Spatial Division Multiple Access), при которой адаптивная антенна используется для пространственного мультиплексирования нескольких субканалов одновременно (рис. 4, г).

Все перечисленные выше технологии лишь частично реализуют преимущества применения адаптивных антенн в ССПС. В полной мере они реализуются только в цифровых адаптивных антенных системах (ЦААС). ЦААС, способную формировать ДН, адаптированную к помеховой обстановке в ССПС, строят на основе АР с цифровой обработкой и формированием сигнала.

Поскольку сигнал в ЦААС характеризуется двумя величинами: пространственной координатой приема и временем приема, то выделяют два типа обработки сигнала: пространственную и временную (рис. 5). Для преобразования сигнала к форме, пригодной для цифровой обработки, со спектром, расположенным в области низких частот, применяется преобразование частоты несущей входных сигналов, а операции когерентного суммирования и управления комплексными амплитудами выполняет соответствующая система обработки информации на про межуточной частоте (оптическая или цифровая). Если система обработки является многоканальной, ЦААС может осуществлять одновременный обзор некоторого сектора пространства.

РИС. 5. Схема приема сигнала БС с ЦААС

ЦААС позволяют перейти к так называемой кластерной технологии проектирования ССПС в условиях динамически меняющейся нагрузки. При кластерной технологии оптимизация площади покрытия может осуществляться за счет дистанционного изменения угла наклона и ширины ДН в горизонтальной плоскости.
Использование цифровой адаптивной антенной системы позволяет применить технологию пространственно-временного кодирования (MIMO-Multi-Input-Multi-Output – много входов и много выходов), которая создает выигрыш за счет разделения потока данных, передаваемого через канал со многими входами и многими выходами через две или более антенны по разным пространственным направлениям. Прием сигналов в каналах с МВМВ основан на разделении сигналов АС соты по параметрам, определяемым характеристиками канала распространения, – так называемым «пространственным подписям», уникальным для сигналов каждого АС, что позволяет одновременно передавать данные в одной полосе частот нескольким АС. Если антенны располагаются как на Б С, так и на отдельном АС, то появляется возможность передавать параллельно несколько потоков данных в одной полосе частот. В результате скорость передачи данных возрастает многократно. Так как на АС разместить несколько антенн зачастую невозможно, то организацию пространственного разнесения заменяют дублированием трансляции сигналов через разные антенны Б С в разные временные интервалы. В ситуациях с ограниченным частотным ресурсом использование каналов МВМВ может стать единственной возможностью для решения задачи высокоскоростной передачи данных по радиоканалу. Поэтому технология каналов МВМВ рассматривается в качестве важного компонента перспективных ССПС поколений 3G и 4G.

Улучшение эксплуатационных характеристик сети на основе применения адаптивных антенных систем

Как показывает опыт, использование адаптивных антенн и адаптивных антенных систем позволяет улучшить качество беспроводной связи в ССПС за счет:
•          уменьшения влияния помех путем максимизации    отношения    сигнал/шум при приеме сигнала от объекта;
•          изменения ДН в целях создания оптимального покрытия;
•          увеличения площади покрытия соты;
•          увеличения емкости сети;
•          улучшения электромагнитной обстановки в зоне покрытия;
•          возможности использования АС малой мощности без увеличения мощности БС.

В настоящее время в ССПС поколения 2G применяются технологии азимутального регулирования ДН, разнесенного приема, многолучевых антенн с переключением лепестков. В сетях 3G и последующих поколений адаптивные антенные системы станут неотъемлемой частью БС. В таких адаптивных антенных системах наряду с перечисленными технологиями будут использоваться технологии АА с формированием ДН, технологии MI MO, а также распределенных антенных систем (DAS – Distributed Antenna).

Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #6, 2008
Посещений: 18140

Статьи по теме

Автор

Строганова Елена Петровна

Заместитель начальника ИЦ МТУСИ по радиосвязи

Всего статей: 7