Министерство общего и профессионального образования РФ
Уральский Государственный Технический Университет
Кафедра ВЧСРТ
Курсовая работа
По теме: РЕПИТЕР
Дисциплина: “СОМС ”
Екатеринбург 2002
Мобильная загородная связь
Пользователи сотовой связи часто сталкиваются с проблемой — как обеспечить связь вдали от городской черты (в загородных домах, на дачах и т.п.). Выход есть — внешние высокоподнятые антенны. Как правильно выбрать ее тип и кабельную систему к ней рассматриваeтся в статье.
В течении последних нескольких лет в Украине наблюдается значительное увеличение зоны покрытия территории cетями стандарта GSM-900.Тем не менее покрытие далеко от “идеального” и в целом составляет около 50 % территории Украины. И если в Европейских странах проблема “неуверенного приема” отсутствует, то большинство отечественных пользователей мобильной связи сталкивалось с проблемой неуверенного приема в различных местах, например загородных домах, дачах и т.д. Основным средством решения данной проблемы являются внешние направленные или ненаправленные антенны.
Особенности стандарта GSM
Основной особенностью стандарта является то, что максимальная дальность связи при стандартной конфигурации 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 связи увеличивается до 70 км (конфигурация Extended cell). К сожалению, при использовании такой конфигурации соты количество разговорных каналов уменьшается до 3. Иногда этот режим применяется на морском побережье для создания прибрежной зоны покрытия.
Одна из проблем, часто возникающая в зонах неуверенного приема, интерференция между каналами с одинаковыми частотами и соседними частотами. К сожалению, частотный ресурс, выделенный операторам GSM-900 в Украине, ограничен. Из-за этого часто в зоне неуверенного приема “видны” частоты от разных базовых станций с одинаковыми или соседними значениями. Такие частоты создают взаимные помехи, мешающие связи, а при определенных уровнях сигналов связь становится невозможной. Определить наличие такой проблемы сравнительно легко: когда сигнал от базовой станции сильный, а установить соединение не удается или удается, но с сильными пропаданиями речи. В этой ситуации “заставить” телефон выбрать принудительно другую частоту не всегда возможно. Однако специальная функция телефонов NOKIA именуемая “NETMONITOR”, позволяет это сделать.
С подобной проблемой автор столкнулся на дачном участке, расположенном в Киеве в районе Московского моста в условиях открытого пространства на весь правый берег Киева, Троещину, Оболонь, Воскресенский массив. Телефон принимал соседние частотные каналы с уровнями 70 дБм, 73 дБм и 72 дБм, но качество связи оставляло желать лучшего и только принудительный выбор другого частотного канала с меньшим уровнем - 80 дБм, решил проблему. При ограниченном частотном ресурсе даже методом частотного перепланирования сети не всегда можно решить эту проблему.
Стандартом GSM предусмотрено, что базовая станция ведет передачу в полосе 935,2-959,8 МГц, а мобильный телефон — 890,2 - 914,8 МГц. При планировании GSM-cети появляется такое понятие как бюджет восходящего (Uр-link) и нисходящего (Down-link) направлениях связи. И суть расчетов для обеспечения устойчивой связи сводится к необходимости уравнения энергетики этих двух линий. Во внимание берутся такие параметры как: чувствительность телефона, выходная мощность, коэффициент усиления антенны телефона, выходная мощность и чувствительность базовой станции, затухания в кабеле, выходных каскадах приемо-передатчика, выигрыш за счет использования разнесенного приема, а также параметры затухания радиоволн в среде 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 зонах уверенного приема разница бюджета восходящего и нисходящего направлений связи в несколько децибел не критична, то в зоне неуверенного приема это может стать критическим фактором. Зачастую мобильный телефон показывает уровень сигнала от базовой станции 1-2 кубика (по шкале), а установить соединение не может. В такие моменты особо важны такие параметры телефона, как чувствительность и выходная мощность. И хотя стандартизация ETSI регламентирует стандартные выходные мощности для различных классов телефонов, реально это значение может незначительно изменяться.
Чувствительность телефона в основном определяется технологиями, используемыми при создании малошумящих входных устройств. Реально чувствительность сотовых телефонов находится в пределах от -100 дБм до -106 дБм, а выходная мощность составляет 0,5-2 Вт для портативных телефонов. Поэтому, при расчете направленной антенны типа волновой канал, желательно определиться, бюджет восходящего или нисходящего направлений связи надо повысить. Естественно, пользователь не может точно знать параметры оборудования оператора и параметры телефона. В связи с этим лучше всего сделать это таким образом: находится ближайшее место, в котором возможен прием и устанавливается соединение. Если при этом слышимость речи нормальная и абонент не слышит эффекта “выпадания частей” речи — значит энергетика обоих линий сбалансирована и можно использовать волновой канал
, настроенный на среднюю частоту между приемом и передачей. Но, если собеседника слышно с прерываниями — необходимо “подымать” нисходящее направление и наоборот. Уже на данном этапе становится очевидно, что выбор типа антенны и ее параметров желательно производить персонально, в зависимости от оператора и условий приема.
Выбор антенны
Увеличить дальность и качество связи позволяют внешние антенны. Для телефонов используются в основном внешние штыревые антенны
, логопериодические антенны
и антенны типа волновой канал
Надо заметить, что в Европе отсутствуют проблемы зон неуверенного приема. Поэтому выпуск направленных антенн для терминалов GSM-900 практически не налажен. Если производитель и предлагает направленную фирменную антенну GSM-900, то она как правило, предназначена для работы с ретрансляторами (репитерами).
В СНГ (в Украине также) и восточной Европе налажен выпуск кустарных направленных антенн. Простая автомобильная 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 собой вертикальный штырь в 3/4, 1/2 или 5/8 длины волны. Даже простая автомобильная антенна, поднятая повыше, может поправить ситуацию с неуверенной связью. Объясняется это тем, что при разговоре по телефону около 10-20 % энергии поглощается телом пользователя, а вынесение вверх штыревой антенны уменьшает влияние окружающих предметов. В практике автора был случай когда самодельный, полуволновой, вертикальный диполь вынесенный на высоту 5 метров помог решить проблему связи.
Поэтому для начала при решении проблемы неуверенного приема необходимо попроб
Распространенной направленной антенной является волновой канал.
Она позволяет получить реальное усиление до 7-15 дБ с оптимальной диаграммой направленности. Но ее недостаток — узкополосность. Разнос частот приема и передачи в GSM-900 составляет 45 МГц, а весь рабочий диапазон составляет 890-960 МГц (полоса 70 МГц). Добиться линейной или близкой к линейной характеристик в таком широком диапазоне практически затруднительно. Поэтому желательно изготавливать волновой канал в зависимости от частоты оператора в конкретном месте и сдвигать резонанс к 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 также ограничиться небольшим количеством элементов (3-12), так как при использовании большего количества элементов настроить антенну без оборудования затруднительно, кроме того рабочий диапазон антенны сужается )
Петлевой вибратор:
Автором приходилось исследовать множество волновых каналов, изготовленных кустарным методом. При этом , печально констатировать факт, что в большинстве антенн коэффициент усиления составлял менее 7 дБ, некоторые имели резонанс на частотах 700-800 МГц вместо GSM диапазона и коэффициент стоячей волны больше 3 (при передаче это может легко вывести из строя выходной каскад телефона).
Профессионально изготовленные и настроенные антенны встречаются редко. Так как антенны базовых станций GSM-900 имеют вертикальную поляризацию, волновой канал следует размещать вертикально. При юстировке антенн необходимо обратить внимание на тот факт, что приемный уровень сигнала, отображаемый на телефонном аппарате изменяется с задержкой до нескольких секунд, поэтому антенну следует поворачивать медленно и дискретно.
Автомобильная антенна.
Еще один тип антенны — логопериодическая. Она по сравнению с волновым каналом имеет более широкий рабочий диапазон. Поэтому эта антенна менее критична к точности изготовления и настройки. Реальный коэффициент усиления такой антенны достигает 10 дБ.
Теоретически при необходимости можно также соединить 2 волновых канала, один настроенный на частоту приема, а другой на частоту передачи.
Подбор кабеля и антенных переходников
В диапазоне 900 МГц вопрос выбора кабеля приобретает первостепенную роль. Отечественные телевизионные коаксиальные кабели можно использовать только ограничено (затухание более 30 дБ на 100 метров). Из доступных импортных образцов можно выбрать RG6 — коаксиальный кабель с двойной оплеткой. Затухание его составляет 20-24 дБ на 100 м (проверялось автором экспериментально). Промышленные штыревые автомобильные антенны обычно включают в себя кабель RG59 с затуханием 28 дБ на 100 м. При использовании антенны типа волновой канал с КУ 12 дБ и 10 метров кабеля RG6U общее усиление будет равным 9,6 дБ, а при 20 метрах — 7 дБ.
На большинстве телефонов есть разъем для внешней антенны. Кроме того, для каждого типа телефона есть так называемый антенный переходник (стоимость около 4 у.е.), который подключается в указанному разъему и представляет собой короткий кусок кабеля, с одной стороны которого специфический телефонный высокочастотный разъем, а с другой — стандартный ВЧ разъем. При включении переходника в телефон происходит автоматическая коммутация выходного каскада телефона на внешний разъем. Обычно затухание в антенном переходнике не превышает одного децибела.
Полезная функция телефона
При установке, настройке и проверке антенн особо может пригодиться пользователю функция телефонов именуемая “NETMONITOR”. В большинстве мобильных телефонов введением специального кода можно открыть служебное меню телефона. Это меню позволяет смотреть такие параметры как приемный уровень 6-8 частот, принимаемых телефоном в порядке убывания, номера частот, расстояние до базовой станции, процент ошибок в канале и другие параметры.
Размеры антенны для диапазона 850-950 МГЦ
| Номер элемента | Общая длина вибраторов, мм | Расстояние от предыдущего элемента, мм | Расстояние от конца бума, мм |
| 5 | 176 | 0 | 44 |
| 4 | 141 | 51 | 95 |
| 3 | 113 | 40 | 135 |
| 2 | 90 | 32 | 168 |
| 1 | 72 | 26 | 194 |
Теоретически параметры: Коэффициент усиления - 8,3 Дб, Волновое сопротивление - 60 Ом
Ретранслятор стандарта GSM900
Ретранслятор Repeator_GSM 1.0 предназначен для исключения "мертвых" зон в сотовых системах стандарта GSM900. Его применение целесообразно в тех местах, где при недорогой стоимости требуется обеспечить полное покрытие площади с недостаточным уровнем сигнала базовой станции, либо полностью его отсутствием. Эти зоны могут находиться внутри сотовой системы связи и быть привлекательными ее операторам из-за трафика. Некоторые из главных преимуществ Repeator_GSM 1.0 :
· нормируемая ширина полосы пропускания ретранслятора;
· "полно-дуплексная" конфигурация ретранслятора, основанная на "супергетеродинном" преобразовании частоты рабочего канала с обработкой на промежуточной частоте;
· большой запас усиления, не менее 70дБ;
· оперативное изменение коэффициента усиления в любом из направлений от 10дБ до 70дБ;
· выходная мощность до 23дБм;
· аппаратная система АРУ для подавления нежелательных радиосигналов;
· автоматический контроль и управление основными параметрами ретранслятора внутренним микроконтроллером;
· параметрическое цифровое управление репитером через внешний интерфейс RS-232 с любого компьютера или через модем;
· программное обеспечение под Windows.
Ретранслятор Repeator_GSM 1.0 основан на архитектуре преобразования частоты на промежуточную несущую, где происходит выделение и обработка основного рабочего канала. Затем, сигнал переносится на туже самую частоту, что и входной сигнал. Этот механизм обработки имеет следующие преимущества :
· возможность выбора диапазона частот, которые будут усилены;
· высокие линейные характеристики в полосе рабочих частот;
· исключение конфликтных ситуаций между соседними сотами.
Функциональная схема ретранслятора Repeater_GSM 1.0
Технические характеристики
| 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 потребляемая мощность: 12В, 18Вт (1.5А).
Побочные уровни излучений - согласно рекомендаций GSM для базовых и мобильных станций
Общая характеристика ретранслятора Repeator_GSM 1.0 : оперативная установка рабочей частоты, усиления и его контроль оператором посредством компьютера через интерфейс RS-232 с помощью внешней управляющей программы в дружеском диалоге под Windows.
Ретранслятор имеет всепогодное исполнение и предназначен для установки как в помещениях, так и на открытом воздухе ( защиты корпуса IP66) при температуре окружающего воздуха от -40....С до +50..С .
Управляющая программа