Министерство общего и профессионального образования РФУральский ГосударственныйТехнический УниверситетКафедраВЧСРТ
КурсоваяработаПо теме: РЕПИТЕР
Дисциплина: “СОМС ”
Екатеринбург 2002
Мобильная загороднаясвязь
Пользователи сотовойсвязи часто сталкиваются с проблемой — как обеспечить связь вдали от городскойчерты (в загородных домах, на дачах и т.п.). Выход есть — внешниевысокоподнятые антенны. Как правильно выбрать ее тип и кабельную систему к нейрассматриваeтся в статье.
В течении последнихнескольких лет в Украине наблюдается значительное увеличение зоны покрытиятерритории cетями стандарта GSM-900.Тем не менее покрытие далеко от“идеального” и в целом составляет около 50 % территории Украины. И если вЕвропейских странах проблема “неуверенного приема” отсутствует, то большинствоотечественных пользователей мобильной связи сталкивалось с проблемойнеуверенного приема в различных местах, например загородных домах, дачах и т.д.Основным средством решения данной проблемы являются внешние направленные илиненаправленные антенны.
Особенности стандартаGSM
Основной особенностьюстандарта является то, что максимальная дальность связи при стандартнойконфигурации соты возможна на расстоянии не больше 35 км от базовой станции.При этом в одном частотном канале формируется 8 временных интервала(тайм-слота) — один из которых служебный, а остальные семь — разговорные.Однако в GSM предусмотрена также конфигурация соты при которой дальность связиувеличивается до 70 км (конфигурация Extended cell). К сожалению, прииспользовании такой конфигурации соты количество разговорных каналовуменьшается до 3. Иногда этот режим применяется на морском побережье длясоздания прибрежной зоны покрытия.
Одна из проблем, частовозникающая в зонах неуверенного приема, интерференция между каналами содинаковыми частотами и соседними частотами. К сожалению, частотный ресурс,выделенный операторам GSM-900 в Украине, ограничен. Из-за этого часто в зоненеуверенного приема “видны” частоты от разных базовых станций с одинаковыми илисоседними значениями. Такие частоты создают взаимные помехи, мешающие связи, апри определенных уровнях сигналов связь становится невозможной. Определитьналичие такой проблемы сравнительно легко: когда сигнал от базовой станции сильный,а установить соединение не удается или удается, но с сильными пропаданиямиречи. В этой ситуации “заставить” телефон выбрать принудительно другую частотуне всегда возможно. Однако специальная функция телефонов NOKIA именуемая“NETMONITOR”, позволяет это сделать.
С подобной проблемойавтор столкнулся на дачном участке, расположенном в Киеве в районе Московскогомоста в условиях открытого пространства на весь правый берег Киева, Троещину,Оболонь, Воскресенский массив. Телефон принимал соседние частотные каналы суровнями 70 дБм, 73 дБм и 72 дБм, но качество связи оставляло желать лучшего итолько принудительный выбор другого частотного канала с меньшим уровнем — 80дБм, решил проблему. При ограниченном частотном ресурсе даже методом частотногоперепланирования сети не всегда можно решить эту проблему.
Стандартом GSMпредусмотрено, что базовая станция ведет передачу в полосе 935,2-959,8 МГц, амобильный телефон — 890,2 — 914,8 МГц. При планировании GSM-cети появляетсятакое понятие как бюджет восходящего (Uр-link) и нисходящего (Down-link)направлениях связи. И суть расчетов для обеспечения устойчивой связи сводится кнеобходимости уравнения энергетики этих двух линий. Во внимание берутся такиепараметры как: чувствительность телефона, выходная мощность, коэффициентусиления антенны телефона, выходная мощность и чувствительность базовойстанции, затухания в кабеле, выходных каскадах приемо-передатчика, выигрыш засчет использования разнесенного приема, а также параметры затухания радиоволн всреде распространения. Пример энергетического расчета приведен в табл. 1 Базовая станция Сотовый телефон Выходная мощность PA, Вт 20.00 2.00 Потери в комбайнере, дБ 1.3 нет Потери в разъемах, дБ 0.0 нет Чувствительность, дБм -111.0 -102.0 КУ антенны, дБ 18.0 -2.0 Потери в кабеле, дБ 2.5 0.0 Потери в теле человека, дБ нет 3.0 Выигрыш за счет разнесенного приема, дБ 4.0 Overlapping Margin, дБ 0.0 Slow Mobile Margin, дБ 4.0 Рабочая частота, МГц 900 Equivalent E.I.R.P, дБм 57.9 Общий Up-link бюджет, дБ 151.7 Общий Down-link бюджет, дБ 150.8 Наихудший линк бюджет, дБ 150.8 Задаваемый минимальный уровень сигнала на улице, дБм -92.0 /> /> /> />
Но если в зонахуверенного приема разница бюджета восходящего и нисходящего направлений связи внесколько децибел не критична, то в зоне неуверенного приема это может статькритическим фактором. Зачастую мобильный телефон показывает уровень сигнала отбазовой станции 1-2 кубика (по шкале), а установить соединение не может. Втакие моменты особо важны такие параметры телефона, как чувствительность ивыходная мощность. И хотя стандартизация ETSI регламентирует стандартныевыходные мощности для различных классов телефонов, реально это значение можетнезначительно изменяться.
Чувствительность телефонав основном определяется технологиями, используемыми при создании малошумящихвходных устройств. Реально чувствительность сотовых телефонов находится впределах от -100 дБм до -106 дБм, а выходная мощность составляет 0,5-2 Вт дляпортативных телефонов. Поэтому, при расчете направленной антенны типа волновойканал, желательно определиться, бюджет восходящего или нисходящего направленийсвязи надо повысить. Естественно, пользователь не может точно знать параметрыоборудования оператора и параметры телефона. В связи с этим лучше всего сделатьэто таким образом: находится ближайшее место, в котором возможен прием иустанавливается соединение. Если при этом слышимость речи нормальная и абонентне слышит эффекта “выпадания частей” речи — значит энергетика обоих линий сбалансированаи можно использовать волновой канал, настроенный на среднюю частотумежду приемом и передачей. Но, если собеседника слышно с прерываниями —необходимо “подымать” нисходящее направление и наоборот. Уже на данном этапестановится очевидно, что выбор типа антенны и ее параметров желательнопроизводить персонально, в зависимости от оператора и условий приема.
Выбор антенны
Увеличить дальность икачество связи позволяют внешние антенны. Для телефонов используются в основномвнешние штыревые антенны, логопериодические антенны и антеннытипа волновой канал Надо заметить, что в Европе отсутствуют проблемы зоннеуверенного приема. Поэтому выпуск направленных антенн для терминалов GSM-900практически не налажен. Если производитель и предлагает направленную фирменнуюантенну GSM-900, то она как правило, предназначена для работы с ретрансляторами(репитерами).
В СНГ (в Украине также) ивосточной Европе налажен выпуск кустарных направленных антенн. Простаяавтомобильная магнитная антенна имеет усиление 1-3 дБ, волновой канал — 7-15 дБ(в зависимости от количества элементов и качества сборки и настройки антенны),а логопериодическая антенна — 7-10 дБ. Автомобильная антенна представляет собойвертикальный штырь в 3/4, 1/2 или 5/8 длины волны. Даже простая автомобильнаяантенна, поднятая повыше, может поправить ситуацию с неуверенной связью.Объясняется это тем, что при разговоре по телефону около 10-20 % энергиипоглощается телом пользователя, а вынесение вверх штыревой антенны уменьшаетвлияние окружающих предметов. В практике автора был случай когда самодельный,полуволновой, вертикальный диполь вынесенный на высоту 5 метров помог решитьпроблему связи.
Поэтому для начала прирешении проблемы неуверенного приема необходимо попробовать работу савтомобильной штыревой антенной (стоимость 5-10 у.е.).
Распространеннойнаправленной антенной является волновой канал.
/>
Она позволяет получитьреальное усиление до 7-15 дБ с оптимальной диаграммой направленности. Но еенедостаток — узкополосность. Разнос частот приема и передачи в GSM-900составляет 45 МГц, а весь рабочий диапазон составляет 890-960 МГц (полоса 70МГц). Добиться линейной или близкой к линейной характеристик в таком широкомдиапазоне практически затруднительно. Поэтому желательно изготавливать волновойканал в зависимости от частоты оператора в конкретном месте и сдвигать резонанск частоте восходящего или нисходящего направлений в зависимости от ситуаций.Также для большей широкополосности следует использовать только петлевой вибратор,согласовывая его с кабелем, например симметрирующей петлей, а такжеограничиться небольшим количеством элементов (3-12), так как при использованиибольшего количества элементов настроить антенну без оборудованиязатруднительно, кроме того рабочий диапазон антенны сужается )
Петлевой вибратор:
/>
Автором приходилосьисследовать множество волновых каналов, изготовленных кустарным методом. Приэтом, печально констатировать факт, что в большинстве антенн коэффициентусиления составлял менее 7 дБ, некоторые имели резонанс на частотах 700-800 МГцвместо GSM диапазона и коэффициент стоячей волны больше 3 (при передаче этоможет легко вывести из строя выходной каскад телефона). Профессиональноизготовленные и настроенные антенны встречаются редко. Так как антенны базовыхстанций GSM-900 имеют вертикальную поляризацию, волновой канал следуетразмещать вертикально. При юстировке антенн необходимо обратить внимание на тотфакт, что приемный уровень сигнала, отображаемый на телефонном аппарате изменяетсяс задержкой до нескольких секунд, поэтому антенну следует поворачивать медленнои дискретно.
Автомобильная антенна.
/>
Еще один тип антенны —логопериодическая. Она по сравнению с волновым каналом имеет более широкийрабочий диапазон. Поэтому эта антенна менее критична к точности изготовления инастройки. Реальный коэффициент усиления такой антенны достигает 10 дБ.
Теоретически принеобходимости можно также соединить 2 волновых канала, один настроенный начастоту приема, а другой на частоту передачи.
Подбор кабеля иантенных переходников
В диапазоне 900 МГцвопрос выбора кабеля приобретает первостепенную роль. Отечественныетелевизионные коаксиальные кабели можно использовать только ограничено(затухание более 30 дБ на 100 метров). Из доступных импортных образцов можновыбрать RG6 — коаксиальный кабель с двойной оплеткой. Затухание его составляет20-24 дБ на 100 м (проверялось автором экспериментально). Промышленные штыревыеавтомобильные антенны обычно включают в себя кабель RG59 с затуханием 28 дБ на100 м. При использовании антенны типа волновой канал с КУ 12 дБ и 10 метровкабеля RG6U общее усиление будет равным 9,6 дБ, а при 20 метрах — 7 дБ.
На большинстве телефоновесть разъем для внешней антенны. Кроме того, для каждого типа телефона есть такназываемый антенный переходник (стоимость около 4 у.е.), который подключается вуказанному разъему и представляет собой короткий кусок кабеля, с одной стороныкоторого специфический телефонный высокочастотный разъем, а с другой — стандартныйВЧ разъем. При включении переходника в телефон происходит автоматическаякоммутация выходного каскада телефона на внешний разъем. Обычно затухание вантенном переходнике не превышает одного децибела.
Полезная функциятелефона
При установке, настройке ипроверке антенн особо может пригодиться пользователю функция телефоновименуемая “NETMONITOR”. В большинстве мобильных телефонов введениемспециального кода можно открыть служебное меню телефона. Это меню позволяетсмотреть такие параметры как приемный уровень 6-8 частот, принимаемых телефономв порядке убывания, номера частот, расстояние до базовой станции, процентошибок в канале и другие параметры.
Размеры антенны длядиапазона 850-950 МГЦ
/>Номер элемента Общая длина вибраторов, мм Расстояние от предыдущего элемента, мм Расстояние от конца бума, мм 5 176 44 4 141 51 95 3 113 40 135 2 90 32 168 1 72 26 194
Теоретически параметры: Коэффициентусиления — 8,3 Дб, Волновое сопротивление — 60 Ом
Ретранслятор стандартаGSM900
Ретранслятор Repeator_GSM1.0 предназначен для исключения «мертвых» зон в сотовых системахстандарта GSM900. Его применение целесообразно в тех местах, где при недорогойстоимости требуется обеспечить полное покрытие площади с недостаточным уровнемсигнала базовой станции, либо полностью его отсутствием. Эти зоны могутнаходиться внутри сотовой системы связи и быть привлекательными ее операторамиз-за трафика. Некоторые из главных преимуществ Repeator_GSM 1.0:
· нормируемаяширина полосы пропускания ретранслятора;
· «полно-дуплексная»конфигурация ретранслятора, основанная на «супергетеродинном»преобразовании частоты рабочего канала с обработкой на промежуточной частоте;
· большой запасусиления, не менее 70дБ;
· оперативноеизменение коэффициента усиления в любом из направлений от 10дБ до 70дБ;
· выходная мощностьдо 23дБм;
· аппаратнаясистема АРУ для подавления нежелательных радиосигналов;
· автоматическийконтроль и управление основными параметрами ретранслятора внутренниммикроконтроллером;
· параметрическоецифровое управление репитером через внешний интерфейс RS-232 с любогокомпьютера или через модем;
· программноеобеспечение под Windows.
Ретранслятор Repeator_GSM1.0 основан на архитектуре преобразования частоты на промежуточную несущую, гдепроисходит выделение и обработка основного рабочего канала. Затем, сигналпереносится на туже самую частоту, что и входной сигнал. Этот механизмобработки имеет следующие преимущества:
· возможностьвыбора диапазона частот, которые будут усилены;
· высокие линейныехарактеристики в полосе рабочих частот;
· исключениеконфликтных ситуаций между соседними сотами.
Функциональная схемаретранслятора Repeater_GSM 1.0
/>
Техническиехарактеристики Наименование режимов и параметров Соединение абонент-база Соединение база-абонент Рабочая частота, МГц 890-915 935-960 Ширина полосы пропускания, MГц 1.0 1.0 Максимальное усиление, дБ 70 70 Выходная мощность, дБм, для 1-й несущей +23 +23 Выходной уровень IP3, измерено методом двух несущих, дБм +38 +38 Входной уровень насыщения, измерено для одной несущей, дБм +15 +15 Диапазон изменения коэффициента усиления, дБ 60 60 Уровень собственных шумов при максимальном усилении, дБ 10 10 Чувствительность по приему, дБм -101 -101 Волновое сопротивление входа/выхода, Ом 50 50 Потери на отражение входа/выхода, дБ -12 -12
Питание и потребляемаямощность: 12В, 18Вт (1.5А).
Побочные уровни излучений- согласно рекомендаций GSM для базовых и мобильных станций
Общая характеристикаретранслятора Repeator_GSM 1.0: оперативная установка рабочей частоты,усиления и его контроль оператором посредством компьютера через интерфейсRS-232 с помощью внешней управляющей программы в дружеском диалоге под Windows.
Ретранслятор имеетвсепогодное исполнение и предназначен для установки как в помещениях, так и наоткрытом воздухе ( защиты корпуса IP66) при температуре окружающего воздуха от-40… С до +50… С.
Управляющая программа
/>