دانش مهندسی آنتن ایستگاه پایه 4G و 5G و سناریوهای کاربردی

1 نمای کلی آنتن ایستگاه پایه

این فصل به طبقه‌بندی آنتن‌های ایستگاه پایه و ظاهر انواع مختلف آنتن‌ها در ارتباطات سیار می‌پردازد.

1.1 طبقه بندی آنتن ایستگاه پایه

آنتن همه جهته:در الگوی افقی، به صورت تابش یکنواخت ۳۶۰ درجه ظاهر می‌شود که معمولاً به عنوان غیر جهت‌دار شناخته می‌شود. در الگوی عمودی، به صورت پرتویی با عرض مشخص ظاهر می‌شود. به طور کلی، هرچه عرض پرتو کمتر باشد، بهره بیشتر است. آنتن‌های همه جهته معمولاً در سیستم‌های ارتباطی سیار در انواع ایستگاه‌های حومه شهر و شهرستان با مناطق پوشش وسیع استفاده می‌شوند.

آنتن جهت‌دار:در الگوی افقی، به صورت تابش در محدوده زاویه‌ای خاصی ظاهر می‌شود که معمولاً به عنوان جهت‌گیری شناخته می‌شود. در الگوی عمودی، به صورت پرتویی با عرض مشخص ظاهر می‌شود. مانند یک آنتن همه‌جهته، هرچه عرض پرتو کمتر باشد، بهره بیشتر است. آنتن‌های جهت‌دار معمولاً در ایستگاه‌های سلولی شهری در سیستم‌های ارتباطی سیار، با پوشش کم، تراکم کاربر بالا و استفاده از فرکانس بالا استفاده می‌شوند.

انواع مختلفی از ایستگاه‌های پایه بر اساس الزامات شبکه ایجاد می‌شوند و انواع مختلف ایستگاه‌های پایه می‌توانند انواع مختلفی از آنتن‌ها را بر اساس نیاز انتخاب کنند. انتخاب بر اساس پارامترهای فنی فوق انجام می‌شود. به عنوان مثال، یک ایستگاه همه جهته از یک آنتن همه جهته با بهره تقریباً یکسان در هر جهت افقی استفاده می‌کند، در حالی که یک ایستگاه جهت‌دار از یک آنتن جهت‌دار با تغییرات قابل توجه در بهره در جهت افقی استفاده می‌کند. به طور کلی، آنتن‌هایی با پهنای پرتو افقی ۶۵ درجه در مناطق شهری انتخاب می‌شوند. آنتن‌هایی با پهنای پرتو افقی ۶۵ درجه، ۹۰ درجه یا ۱۲۰ درجه را می‌توان در مناطق حومه شهر (بسته به پیکربندی ایستگاه و محیط جغرافیایی محلی) انتخاب کرد. در مناطق روستایی، انتخاب یک آنتن همه جهته که بتواند پوشش وسیعی را به دست آورد، اقتصادی‌تر است.

آنتن مکانیکی:به آنتن موبایلی اطلاق می‌شود که از تنظیم مکانیکی زاویه شیب رو به پایین استفاده می‌کند. پس از نصب آنتن مکانیکی به صورت عمودی نسبت به زمین، در صورت نیاز به بهینه‌سازی شبکه، لازم است موقعیت براکت در پشت آنتن تنظیم شده و شیب آنتن تغییر کند. در طول فرآیند تنظیم، اگرچه فاصله پوشش در جهت لوب اصلی آنتن به طور قابل توجهی تغییر می‌کند، دامنه مؤلفه‌های عمودی و افقی آنتن بدون تغییر باقی می‌مانند، بنابراین الگوی آنتن به راحتی تغییر شکل می‌دهد.

Practice proves:The optimal downtilt angle of the mechanical antenna is 1°-5°; when the downtilt angle changes between 5°-10°, its antenna pattern is slightly deformed but not much; when the downtilt angle changes between 10°-15°, its antenna pattern changes greatly; when the mechanical antenna changes After tilting down 15°, the shape of the antenna pattern changes greatly, from a pear shape without tilting to a spindle shape. At this time, although the coverage distance in the main lobe direction is significantly shortened, the entire antenna pattern is not within the sector of the base station. The base station's signal will also be received in the sectors of adjacent base stations, causing serious intra-system interference. In addition, during daily maintenance, if you want to adjust the downtilt angle of the mechanical antenna, the entire system must be shut down, and monitoring cannot be performed while adjusting the antenna inclination. Adjusting the downtilt angle of the mechanical antenna is very troublesome, and maintenance personnel generally need to climb to the place where the antenna is placed to make adjustments. The downtilt angle of the mechanical antenna is a theoretical value calculated through computer simulation analysis software, and there is a certain deviation from the actual best downtilt angle. The number of steps for adjusting the tilt angle of the mechanical antenna is 1°, and the third-order intermodulation index is -120dBc.

آنتن قابل تنظیم الکترونیکی:به آنتن موبایلی اطلاق می‌شود که از تنظیم الکترونیکی زاویه شیب رو به پایین استفاده می‌کند. اصل شیب رو به پایین الکترونیکی، کج کردن الگوی عمودی آنتن به سمت پایین با تغییر فاز نوسانگر آنتن آرایه هم‌خطی، تغییر دامنه مؤلفه عمودی و مؤلفه افقی و تغییر قدرت میدان مؤلفه کامپوزیت است. از آنجایی که قدرت میدان در تمام جهات آنتن به طور همزمان افزایش و کاهش می‌یابد، اطمینان حاصل می‌شود که الگوی آنتن پس از تغییر زاویه شیب، تغییر کمی داشته باشد و فاصله پوشش را در جهت لوب اصلی کوتاه کند و در عین حال، سطح پوشش کل الگو را در بخش سلول سرویس‌دهنده بدون ایجاد تداخل کاهش دهد. تجربه ثابت کرده است که وقتی زاویه شیب رو به پایین یک آنتن قابل تنظیم الکتریکی از 1 درجه به 5 درجه تغییر می‌کند، الگوی آنتن آن تقریباً مشابه آنتن مکانیکی است. وقتی زاویه شیب رو به پایین از 5 درجه به 10 درجه تغییر می‌کند، الگوی آنتن آن در مقایسه با آنتن مکانیکی کمی بهبود می‌یابد. وقتی زاویه شیب رو به پایین از 10 درجه به 15 درجه تغییر می‌کند، الگوی آنتن آن بهتر از آنتن مکانیکی است. این تغییر بزرگتر است؛ وقتی آنتن مکانیکی ۱۵ درجه به سمت پایین کج می‌شود، الگوی آنتن آن به طور قابل توجهی با آنتن مکانیکی متفاوت است. در این زمان، شکل الگوی آنتن تغییر زیادی نمی‌کند، فاصله پوشش جهت لوب اصلی به طور قابل توجهی کوتاه می‌شود و کل الگوی آنتن در داخل قطاع ایستگاه پایه قرار می‌گیرد. افزایش زاویه شیب به سمت پایین می‌تواند سطح پوشش قطاع را بدون ایجاد تداخل کاهش دهد. بنابراین، استفاده از یک آنتن قابل تنظیم الکتریکی می‌تواند از دست دادن تماس و تداخل را کاهش دهد. علاوه بر این، آنتن قابل تنظیم الکترونیکی به سیستم اجازه می‌دهد تا زاویه شیب پایین‌تر الگوی جهت‌گیری عمودی را بدون خاموش شدن تنظیم کند و تأثیر تنظیم را در زمان واقعی کنترل کند. دقت گام تنظیم زاویه شیب نیز بالا است (۰.۱ درجه)، بنابراین شبکه را می‌توان به طور دقیق تنظیم کرد. شاخص اینترمدولاسیون مرتبه سوم آنتن قابل تنظیم الکتریکی -۱۵۰dBc است که ۳۰dBc با آنتن مکانیکی متفاوت است، که برای از بین بردن تداخل کانال مجاور و تداخل‌های کاذب مفید است.

آنتن دو قطبی:آنتن دوقطبی نوع جدیدی از فناوری آنتن است که دو آنتن را با جهت‌های قطبش متعامد +45° و -45° ترکیب می‌کند و همزمان در حالت ارسال و دریافت دوطرفه کار می‌کند. بنابراین، برجسته‌ترین مزیت آن این است که آنتن یک ایستگاه پایه جهت‌دار را ذخیره می‌کند. تعداد؛ به طور کلی، ایستگاه پایه جهت‌دار (سه بخش) شبکه ارتباطات سیار دیجیتال LTE از 9 آنتن استفاده می‌کند و هر بخش از 3 آنتن (تنوع فضایی، یک فرستنده و دو گیرنده) استفاده می‌کند. در صورت استفاده از آنتن‌های دوقطبی، هر بخش فقط به 1 آنتن نیاز دارد. در عین حال، به دلیل وجود آنتن‌های دوقطبی، عمود بودن قطبش ±45° می‌تواند تضمین کند که ایزولاسیون بین آنتن‌های +45° و -45° الزامات اینترمدولاسیون برای ایزولاسیون بین آنتن‌ها (≥30dB) را برآورده می‌کند، بنابراین فاصله فضایی دوگانه بین آنتن‌های قطبی شده فقط به 20 تا 30 سانتی‌متر نیاز دارد. علاوه بر این، آنتن‌های دوقطبی مزایای آنتن‌های قابل تنظیم الکتریکی را دارند. استفاده از آنتن‌های دوقطبی در شبکه‌های ارتباطی تلفن همراه، مانند آنتن‌های قابل تنظیم الکتریکی، می‌تواند باعث کاهش تلفات تماس، کاهش تداخل و بهبود کیفیت خدمات کل شبکه شود. در صورت استفاده از آنتن دوقطبی، از آنجایی که آنتن دوقطبی الزامات بالایی برای نصب و راه‌اندازی ندارد، نیازی به خرید زمین برای ساخت دکل نیست. شما فقط باید یک ستون آهنی به قطر 20 سانتی‌متر برپا کنید و آنتن دوقطبی را مطابق با جهت پوشش مربوطه روی ستون آهنی ثابت کنید. این امر باعث صرفه‌جویی در سرمایه‌گذاری زیرساختی، منطقی‌تر شدن چیدمان ایستگاه پایه و آسان‌تر شدن انتخاب محل ایستگاه پایه می‌شود.

برای انتخاب آنتن‌ها، آنتن‌های موبایلی که متناسب با نیازهای شبکه‌های موبایل در منطقه باشند، باید بر اساس شرایط واقعی مانند پوشش شبکه، حجم کسب‌وکار، تداخل و کیفیت خدمات شبکه انتخاب شوند:

· در مناطق پرترافیک با ایستگاه‌های پایه متراکم، باید تا حد امکان از آنتن‌های دوقطبی و آنتن‌های قابل تنظیم الکتریکی استفاده شود؛

· آنتن‌های مکانیکی سنتی را می‌توان در مناطقی مانند مرزها و حومه شهرها که حجم ترافیک بالا نیست، ایستگاه‌های پایه پرجمعیت نیستند و پوشش فقط مورد نیاز است، استفاده کرد.

۱.۲ ساختار داخلی و انواع آنتن‌های ایستگاه پایه ارتباطات سیار

۱.۲.۱ آنتن آرایه‌ای المان صفحه‌ای جهت‌دار

آنتن جهت‌دار صفحه‌ای رایج‌ترین نوع آنتن ایستگاه پایه بسیار مهم است. مزایای این نوع آنتن عبارتند از: بهره بالا، الگوی سکتور خوب، لوب پشتی کوچک، کنترل آسان زاویه فرورفتگی الگوی عمودی، عملکرد آب‌بندی قابل اعتماد و عمر طولانی. ظاهر آنتن در شکل زیر نشان داده شده است:

شکل 1-1 نمودار شماتیک ظاهر یک آنتن جهت‌دار صفحه‌ای

۱.۲.۱.۱ تشکیل آنتن صفحه‌ای با بهره بالا

شکل ۱-۲ از چندین نوسانگر نیم موج برای تشکیل یک آرایه خطی عمودی استفاده کنید

شکل ۱-۳ اصل اضافه کردن یک صفحه بازتابنده به یک طرف آرایه خطی برای دستیابی به جهت‌گیری افقی (به عنوان مثال، آرایه عمودی نوسانگرهای دو نیم‌موج با یک صفحه بازتابنده را در نظر بگیرید)

در حال حاضر، طرح‌های آنتن جهت‌دار ایستگاه پایه توسط تولیدکنندگان آنتن، اساساً همگی از ساختارهای آرایه نوسانگر صفحه‌ای استفاده می‌کنند. دو نوع نوسانگر انتخاب شده است که در دو بخش زیر توضیح داده شده است.

۱.۲.۱.۲ نوسانگر متقارن

آرایه متقارن نیم موج استاندارد (اضافه کردن یک نوسان‌ساز اضافی برای کاهش ارتفاع نوسان‌ساز از زمین و کاهش ضخامت آنتن)

شکل ۱-۴ آنتن صفحه‌ای جهت‌دار سنتز شده توسط چندین نوسانگر نیم‌موج

۱.۲.۱.۳ نوسان‌ساز میکرواستریپ

تغییر شکل نوسانگر نیم موج از اصل خط انتقال 1/4 طول موج برای تشکیل تابش استفاده می‌کند:

شکل 1-5 آنتن صفحه‌ای جهت‌دار سنتز شده توسط نوسانگرهای میکرواستریپ چندگانه

۱.۲.۲ آنتن دوقطبی تغذیه سری همه جهته

آنتن همه جهته از چندین نوسانگر نیم موج برای دستیابی به سنتز و افزایش بهره تابش استفاده می‌کند.

شکل ۱-۷ ساختار نوسان‌ساز تغذیه‌شده با سری و فرم حاصلضرب آنتن همه‌جهته

2 4G LTEانواع آنتن و تحلیل مقایسه‌ای

محتوای اصلی این بخش، معرفی تحلیل مقایسه‌ای پوشش و ترافیک بین آنتن‌های دوقطبی LTE و آنتن‌های تک‌قطبی است.

۲.۱ تحلیل همبستگی بین آنتن دوقطبی LTE و آنتن تک‌قطبی

معرفی فناوری چند آنتنی LTE، بُعد فضایی آزادی را به منابع بی‌سیم اضافه می‌کند و الزامات جدیدی را برای مدل‌های کانال بی‌سیم مطرح می‌کند. مدل کانال فضایی (SCM) در 3GPP TR 25.996 پیشنهاد شده است. این مدل برای سیستم‌هایی با پهنای باند 5 مگاهرتز و فرکانس حامل حدود 2 گیگاهرتز مناسب است. حداکثر تعداد چند مسیره 6 است. سیستم LTE نیاز دارد که کانال بی‌سیم بتواند تا 20 مگاهرتز را پشتیبانی کند. بنابراین، مدل SCME (SCM Extension) در گزارش فنی 36.803 برای گسترش پهنای باند کانال به 20 مگاهرتز و پشتیبانی از حداکثر تعداد چند مسیره به 9 استفاده شده است. در میان آنها، ویژگی‌های انتقال بی‌سیم بین eNB و UE یک تابع متغیر با زمان است که با تغییرات در پیکربندی آنتن، زاویه جهت آنتن، همبستگی آنتن و محیط پراکندگی تغییر می‌کند، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل 2-1 نمودار شماتیک پارامترهای زاویه SCM

تفاوت عملکرد بی‌سیم بین آنتن‌های دوقطبی و تک‌قطبی (فاصله آنتن‌ها 10λ) عمدتاً به ضریب همبستگی آنتن ایستگاه پایه بستگی دارد. وقتی ضریب همبستگی 0 باشد، نشان می‌دهد که آنتن‌ها نسبتاً مستقل هستند و همبستگی پایین است. وقتی ضریب همبستگی 1 باشد، نشان می‌دهد که همبستگی قوی بین آنتن‌ها وجود دارد. وقتی سیستم از حالت تنوع ارسال (مانند SFBC)، تنوع دریافت و حالت جریان دوگانه MIMO استفاده می‌کند، عملکرد بی‌سیم آنتن‌های با همبستگی کم بهتر از عملکرد آنتن‌های با همبستگی بالا است. شکل زیر نتایج شبیه‌سازی عملکرد SFBC را با ضرایب همبستگی 0.25، 0.5، 0.6 و 1 به ترتیب نشان می‌دهد. از نتایج شبیه‌سازی، وقتی ضریب همبستگی 0.25 است، عملکرد آن اساساً بدون تغییر است (در مقایسه با ضریب همبستگی 0). عملکرد SFBC با ضرایب همبستگی 0.5 و 0.6 حدود 0.3dB تا 0.4dB کاهش می‌یابد.

شکل 2-2 مقایسه عملکرد سطح لینک SFBC با ضرایب همبستگی مختلف

چاینا موبایل ضرایب همبستگی پیکربندی‌های مختلف آنتن را در ژوئیه ۲۰۰۸ آزمایش کرد. ضرایب همبستگی خاص در جدول زیر نشان داده شده است:

جدول 2-1 ضرایب همبستگی مربوط به پیکربندی‌های مختلف آنتن

توجه: ضرایب همبستگی در جدول فوق توسط چاینا موبایل و بر اساس آزمایش مدل SCME در مناطق شهری متراکم به دست آمده است. در مناطق شهری متراکم، این ضریب همبستگی تا حدودی نمایانگر است. با این حال، این بدان معنا نیست که این ضریب همبستگی را می‌توان به یک پروژه خاص نسبت داد و همچنین به این معنی نیست که این ضریب همبستگی برای همه مدل‌های مناطق شهری متراکم قابل اجرا است.

۲.۲ مقایسه عملکرد بین آنتن دوقطبی LTE و آنتن تک‌قطبی

LTE هفت حالت انتقال چند آنتنه را تعریف می‌کند، از جمله تنوع انتقال، MIMO مبتنی بر پیش کدگذاری، شکل‌دهی پرتو و غیره. هفت حالت انتقال تعریف شده توسط LTE عمدتاً برای در نظر گرفتن انتخاب انعطاف‌پذیر حالت‌های انتقال تحت سناریوهای مختلف و مدل‌های کانال مختلف است. معمولاً تنگناها و کاستی‌های عملکرد شبکه ارتباطات بی‌سیم تلفن همراه به سه دسته زیر تقسیم می‌شوند:

سیستم‌های با محدودیت توان:

سناریوهای کاربردی معمول: هدف اصلی افزایش پوشش و غلبه بر محوشدگی است، مانند مناطق مؤثر، پوشش گسترده در مناطق روستایی و غیره.

نوع فناوری آنتن مورد استفاده: دایورسیتی ارسال، دایورسیتی دریافت

شکاف عملکرد: بهبود عملکرد آنتن تک قطبی 10λ در مقایسه با آنتن دو قطبی کمتر از 5٪ است و شکاف عملکرد بین این دو زیاد نیست.

سیستم‌های محدود تداخل:

سناریوهای کاربردی معمول: عمدتاً در مناطق شهری متراکم که فاصله بین ایستگاه‌ها نسبتاً کم است، استفاده می‌شود. تداخل عامل اصلی مؤثر بر عملکرد شبکه است.

نوع فناوری آنتن اتخاذ شده: RANK=2 MIMO دو جریانی، RANK=1 MIMO تک جریانی، RANK تطبیقی

شکاف عملکرد: الگوریتم تطبیقی ​​RANK به طور قابل توجهی بهتر از دو جریان اجباری MIMO است؛ در عین حال، عملکرد آنتن‌های دوقطبی اساساً مشابه آنتن‌های تک‌قطبی 10λ است.

سیستم‌های با محدودیت پهنای باند:

سناریوهای کاربردی معمول: شرایط کانال (CQI) نسبتاً خوب است، پوشش پیوسته‌ای بین ایستگاه‌های پایه وجود ندارد، فاصله بین ایستگاه‌های پایه نسبتاً زیاد است و تعداد کاربران نسبتاً پراکنده است. به عنوان مثال: پوشش تک سلولی در مراحل اولیه شبکه آزمایشی و غیره.

نوع فناوری آنتن: RANK=2 MIMO dual stream

مقایسه عملکرد: عملکرد آنتن تک قطبی 10λ بهتر از آنتن دو قطبی است و بهبود عملکرد حدود 20٪ است.

جدول 2-2 جدول نتیجه گیری سناریوهای کاربرد آنتن

موارد فوق عمدتاً شکاف عملکرد بین آنتن‌های تک قطبی و آنتن‌های دو قطبی را تجزیه و تحلیل می‌کند. با این حال، باید توجه داشت که آنتن‌های دو قطبی از مزیت نصب آسان در مهندسی برخوردارند. از جمله امکان استفاده از یک قطب، تنظیم یکنواخت زاویه شیب رو به پایین، آسان کردن زیباسازی آنتن و غیره. در شرایط فعلی که انتخاب و نصب محل شبکه بی‌سیم روز به روز دشوارتر می‌شود، مزایای فوق در مورد آنتن‌های دو قطبی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

3 4G LTEسناریوهای کاربرد و انتخاب آنتن ایستگاه پایه

محتوای اصلی این بخش، طبقه‌بندی مناطق پوشش شبکه بی‌سیم و انتخاب آنتن مربوطه را بر اساس سناریوهای استقرار شبکه واقعی توضیح می‌دهد.

3.1 انتخاب آنتن ایستگاه پایه شهری

ویژگی‌های محیط کاربرد: ایستگاه‌های پایه به طور متراکم توزیع شده‌اند و به یک منطقه پوشش کوچک از یک ایستگاه پایه واحد نیاز دارند. امید است که پوشش متقاطع به حداقل برسد، تداخل بین ایستگاه‌های پایه کاهش یابد و نرخ دانلود افزایش یابد.

اصول انتخاب آنتن:

انتخاب حالت قطبش: با توجه به دشواری انتخاب محل ایستگاه‌های پایه در مناطق شهری و محدودیت فضای نصب آنتن، توصیه می‌شود از آنتن‌های دوقطبی و آنتن‌های پهن باند استفاده شود؛

انتخاب الگوی جهت: در مناطق شهری، نکته اصلی بهبود استفاده مجدد از فرکانس است، بنابراین معمولاً از آنتن‌های جهت‌دار استفاده می‌شود.

انتخاب پهنای پرتو نیم‌توان: به منظور کنترل بهتر پوشش سلول برای سرکوب تداخل، پهنای پرتو نیم‌توان افقی آنتن شهری 60 تا 65 درجه انتخاب می‌شود؛

انتخاب بهره آنتن: از آنجایی که ایستگاه‌های پایه در مناطق شهری عموماً به طیف وسیعی از پوشش نیاز ندارند، توصیه می‌شود از آنتن با بهره متوسط ​​استفاده شود. توصیه می‌شود در مناطق شهری از آنتنی با بهره ۱۵ تا ۱۸ دسی‌بل استفاده شود. اگر از آنتن میکروسل برای پر کردن نقاط کور در مناطق شهری استفاده می‌شود، می‌توان آنتنی با بهره پایین‌تر انتخاب کرد؛

انتخاب زاویه شیب رو به پایین: از آنجایی که زاویه شیب آنتن در مناطق شهری نسبتاً مکرر تنظیم می‌شود و برخی از آنتن‌ها باید روی زاویه شیب بزرگتری تنظیم شوند و شیب رو به پایین مکانیکی برای کنترل تداخل مفید نیست، توصیه می‌شود از یک آنتن با زاویه شیب رو به پایین از پیش تعیین شده استفاده کنید. می‌توانید آنتنی با زاویه شیب رو به پایین الکتریکی ثابت یا آنتنی با قابلیت تنظیم الکتریکی در صورت وجود شرایط انتخاب کنید.

3.2 انتخاب آنتن برای ایستگاه‌های پایه روستایی حومه شهر

ویژگی‌های محیط کاربرد: ایستگاه‌های پایه به طور پراکنده توزیع شده‌اند، حجم کسب‌وکار کم است، الزامات سرویس داده نسبتاً کم است و پوشش گسترده مورد نیاز است. در برخی مکان‌ها، فقط یک ایستگاه پایه در اطراف وجود دارد، بنابراین پوشش به مهمترین نگرانی تبدیل می‌شود. در این زمان، انتخاب آنتن باید بر اساس منطقه‌ای که باید در اطراف ایستگاه پایه پوشش داده شود، در نظر گرفته شود.

اصول انتخاب آنتن:

انتخاب الگوی جهت: اگر لازم است ایستگاه پایه منطقه اطراف را پوشش دهد و جهت‌گیری مشخصی وجود ندارد و توزیع ترافیک در اطراف ایستگاه پایه نسبتاً پراکنده است، توصیه می‌شود از پوشش ایستگاه پایه همه‌جهته استفاده شود. در عین حال، باید توجه داشت که به دلیل بهره کم ایستگاه‌های پایه همه‌جهته، فاصله پوشش به اندازه ایستگاه‌های پایه جهت‌دار نیست. در عین حال، هنگام نصب آنتن‌های همه‌جهته، به تأثیر دکل بر پوشش توجه کنید و آنتن باید عمود بر صفحه زمین نگه داشته شود. اگر مقامات محلی الزامات پوشش طولانی‌تری برای پوشش ایستگاه پایه دارند، برای دستیابی به این هدف باید از آنتن‌های جهت‌دار استفاده شود. به طور کلی، باید از آنتن‌های جهت‌دار با پهنای پرتو نیم‌توان ۹۰ درجه، ۱۰۵ درجه و ۱۲۰ درجه در صفحه افقی استفاده شود.

انتخاب بهره آنتن: بهره آنتن را مطابق با الزامات پوشش انتخاب کنید. توصیه می‌شود در مناطق حومه شهر و روستایی، یک آنتن جهت‌دار با بهره بالاتر (16-18dBi) یا یک آنتن همه‌جهته 9-11dBi انتخاب کنید.

انتخاب روش شیب نزولی: در مناطق حومه شهر و روستایی، تنظیمات زیادی برای شیب نزولی آنتن وجود ندارد و محدوده تنظیم و ویژگی‌های زاویه شیب نزولی زیاد نیست. توصیه می‌شود از آنتن شیب نزولی مکانیکی استفاده شود. در عین حال، هنگامی که آنتن بالای ۵۰ متر آویزان است و الزامات پوشش نزدیک به انتها وجود دارد، می‌توان آنتن‌های پرکننده نقطه صفر را در اولویت قرار داد تا از مشکل خاموشی زیر دکل جلوگیری شود.

3.3 انتخاب آنتن ایستگاه پایه با پوشش بزرگراهی

ویژگی‌های محیط برنامه:در این محیط، حجم کسب‌وکار کم است و کاربران با سرعت بالا حرکت می‌کنند. در این زمان، تمرکز بر حل مشکل پوشش است. به طور کلی، آنچه که می‌خواهد به آن دست یابد، پوشش نواری است، بنابراین سلول‌های دو طرفه بیشتر برای پوشش بزرگراه‌ها استفاده می‌شوند. سلول‌های همه جهته نیز در مناطقی که از شهرها و نقاط توریستی عبور می‌کنند، استفاده می‌شوند. سپس، پوشش گسترده مورد تأکید قرار می‌گیرد و نوع آنتن مورد استفاده باید بر اساس انتخاب محل و نوع محل تعیین شود. محیط‌های مختلف بزرگراه بسیار متفاوت هستند. به طور کلی، بزرگراه‌های نسبتاً مستقیمی مانند بزرگراه‌ها، راه‌آهن، بزرگراه‌های ملی، بزرگراه‌های استانی و غیره وجود دارد. توصیه می‌شود برای دستیابی به پوشش، یک ایستگاه در کنار بزرگراه با استفاده از نوع ایستگاه S1/1/1 یا S1/1 با آنتن‌های جهت‌دار با بهره بالا ساخته شود. جاده‌های پر پیچ و خم و موج‌دار مانند جاده‌های کوهستانی پر پیچ و خم، جاده‌های کوهستانی خودساخته در سطح شهرستان و غیره وجود دارد. باید با پوشش روستایی در نزدیکی بزرگراه ترکیب شود و یک مکان مرتفع برای ساخت ایستگاه انتخاب شود.

هنگام انتخاب آنتن در طول برنامه‌ریزی اولیه، سعی کنید آنتنی با بهره بالا و فاصله پوشش وسیع برای پوشش گسترده انتخاب کنید.

اصول انتخاب آنتن:

انتخاب الگوی جهت‌دار: در ایستگاه‌های پایه‌ای که هدفشان پوشش راه‌آهن و بزرگراه‌ها است، می‌توان از آنتن‌های جهت‌دار پرتو باریک و با بهره بالا استفاده کرد. شکل آنتن را می‌توان با توجه به عواملی مانند ناهمواری‌ها و پیچ‌های زمین محلی در محل استقرار، به صورت انعطاف‌پذیر انتخاب کرد.

انتخاب بهره آنتن، بهره آنتن جهت‌دار را می‌توان از 17dBi-22dBi انتخاب کرد، و بهره آنتن همه‌جهته را می‌توان از 11dBi انتخاب کرد.

انتخاب روش شیب رو به پایین: پوشش بزرگراه عموماً زاویه شیب رو به پایین ندارد. توصیه می‌شود از یک آنتن مکانیکی شیب رو به پایین ارزان‌تر استفاده شود. هنگامی که فاصله بیش از 50 متر است و الزامات پوشش نزدیک به انتها وجود دارد، آنتن‌هایی با پر شدن نقطه صفر (بیشتر از 15٪) می‌توانند برای حل مشکل نقاط سیاه زیر دکل در اولویت قرار گیرند.

نسبت جلو به عقب: از آنجایی که اکثر کاربران پوشش بزرگراه، کاربران پرسرعت هستند، برای اطمینان از انتقال سیگنال طبیعی، نسبت جلو به عقب آنتن جهت‌دار نباید خیلی زیاد باشد.

3.4 انتخاب آنتن ایستگاه پایه برای پوشش کوهستان

ویژگی‌های محیط برنامه:در مناطق دورافتاده تپه‌ای و کوهستانی، کوه‌ها به شدت امواج هوایی را مسدود می‌کنند و در نتیجه باعث تضعیف انتشار امواج رادیویی می‌شوند و پوشش را دشوار می‌کنند. این مناطق معمولاً پوشش گسترده‌ای دارند و کاربران پراکنده‌ای در شعاع پوشش وسیعی از ایستگاه پایه توزیع شده‌اند و حجم کسب‌وکار کم است. ایستگاه پایه ممکن است در بالای کوه، در دامنه کوه، در پای کوه یا در مکانی مناسب در منطقه کوهستانی ساخته شود. برای انتخاب مکان‌ها، مدل‌ها و آنتن‌های ایستگاه پایه، لازم است توزیع کاربران و ویژگی‌های مختلف زمین را از هم تشخیص دهیم. موقعیت‌های زیر نسبتاً رایج هستند: ساخت وب‌سایت در یک منطقه کوهستانی از نوع حوضه‌ای، ساخت وب‌سایت در یک کوه مرتفع، ساخت وب‌سایت در نیمه راه کوه، ساخت وب‌سایت در یک منطقه کوهستانی معمولی و غیره.

اصول انتخاب آنتن:

انتخاب الگوی جهت‌دار: انتخاب الگوی جهت‌دار به مکان، نوع ایستگاه و الزامات پوشش اطراف ایستگاه پایه بستگی دارد. می‌توانید یک آنتن همه‌جهته یا یک آنتن جهت‌دار انتخاب کنید. برای ایستگاه‌های پایه ساخته شده در کوهستان، اگر مکانی که قرار است پوشش داده شود نسبتاً کم ارتفاع باشد، باید الگویی با زاویه نیم‌توان عمودی بزرگتر انتخاب شود تا الزامات پوشش عمودی را بهتر برآورده کند.

انتخاب بهره آنتن: بسته به فاصله منطقه مورد نیاز برای پوشش، بهره آنتن متوسط، آنتن همه جهته (9-11dBi)، آنتن جهت‌دار (15-18dBi) را انتخاب کنید.

انتخاب زاویه شیب: هنگام ساخت ایستگاه روی کوه و منطقه مورد پوشش در پایین کوه، باید آنتنی با نقطه صفر یا زاویه شیب رو به پایین از پیش تعیین شده انتخاب شود. اندازه زاویه شیب رو به پایین از پیش تعیین شده باید بر اساس ارتفاع نسبی ایستگاه پایه و منطقه مورد پوشش انتخاب شود. هرچه ارتفاع نسبی بزرگتر باشد، زاویه شیب رو به پایین از پیش تعیین شده نیز باید بزرگتر باشد.

3.5 LTEخلاصه سناریوهای کاربرد آنتن ایستگاه پایه

بر اساس گزینه‌های فوق و در ترکیب با شرایط ویژه LTE، اصول انتخاب آنتن پیشنهادی عبارتند از:

جدول 3-1 خلاصه سناریوهای کاربرد آنتن

به طور کلی، انتخاب مکان LTE از امکانات موجود استفاده می‌کند، بنابراین اینکه آیا فضای کافی برای نصب آنتن‌های LTE وجود دارد یا خیر و اینکه آیا ارتفاع با طرح LTE مطابقت دارد یا خیر، بزرگترین مشکلات هستند. بنابراین، پروژه واقعی پارامترهای فنی مانند روش قطبش، استفاده از آنتن باند وسیع و روش زاویه شیب رو به پایین را اتخاذ می‌کند. لازم است بررسی دقیقی از امکانات موجود انجام شود و بر اساس شرایط واقعی، یک برنامه منطقی تدوین شود. با توجه به وجود فناوری MIMO در LTE، در حال حاضر معمولاً از 2T2R و 4T4R استفاده می‌شود. با در نظر گرفتن عواملی مانند هزینه‌های ساخت وب‌سایت، برای موقعیت‌های 2T2R، معمولاً از آنتن‌های دوقطبی استفاده می‌شود. برای موقعیت‌های 4T4R، معمولاً از دو آنتن دوقطبی استفاده می‌شود و فاصله بین آنتن‌ها 1-2λ است که برای 2.6G معادل حدود 30-50 سانتی‌متر است.

4 5G Massive MIMO AAUو سناریوهای کاربردی

محتوای اصلی این بخش به طور خلاصه انتخاب آنتن و سناریوی کاربردی 5G AAU را شرح می‌دهد.

4.1 5G عظیم MIMO AAU

فناوری ورودی و خروجی چندگانه (MIMO) که در دوران 4G بسیار بالغ بوده است، می‌تواند به طور مؤثر از کانال‌های فضایی چندگانه موجود بین آنتن‌های چندگانه بین سیستم‌های فرستنده-گیرنده برای انتقال چندین جریان داده متعامد متقابل استفاده کند و در نتیجه، بدون افزایش پهنای باند ارتباطی، توان عملیاتی داده‌ها و پایداری ارتباطات را بهبود بخشد.

فناوری Massive MIMO که از دوران 4G تا 5G توسعه یافته است، نسخه ارتقا یافته فناوری MIMO است. بر اساس منابع محدود زمانی و فرکانسی، صدها واحد آنتن برای سرویس‌دهی همزمان به ده‌ها ترمینال تلفن همراه استفاده می‌شوند که باعث بهبود بیشتر توان عملیاتی داده و بهره‌وری مصرف انرژی می‌شود. فرکانس ارتباطی 5G بالا است و اندازه آنتن کوتاه‌تر شده است که امکان قرارگیری آنتن‌های بیشتر در فضای اصلی را فراهم می‌کند. فناوری Massive MIMO، زمینه را برای فناوری ارتباطات در دوران 5G فراهم کرده است. بنابراین، آنتن‌ها پس از بخش جلویی فرکانس رادیویی در دوران 5G، به یکی دیگر از اجزای رشد انفجاری تبدیل شده‌اند. آنتن‌های ایستگاه پایه 20٪ و آنتن‌های ترمینال 80٪ را تشکیل می‌دهند.

با توجه به استفاده گسترده از فناوری Massive MIMO در ایستگاه‌های پایه 5G، آنتن داخلی یکپارچه از تعداد زیادی نوسان‌ساز استفاده می‌کند و واحدهای فرستنده-گیرنده را نیز ادغام می‌کند، بنابراین به آن واحد آرایه آنتن فعال (AAU) نیز گفته می‌شود. نمودار شماتیک ساختار داخلی و فرم محصول آن در شکل زیر نشان داده شده است.

Figure 4-1 Massive MIMO AAU structural schematic diagram

Figure 4-2 Exploded view of Massive MIMO AAU product form

برای AAU در باند فرکانسی <6GHz، تولیدکنندگان تجهیزات ارتباطی عموماً از 192 نوسانگر استفاده می‌کنند. 12 ردیف در جهت افقی و 8 ستون نوسانگر در جهت عمودی وجود دارد. به علاوه قطبش دوگانه 45 درجه، در مجموع 12x8x2=192 نوسانگر وجود دارد. هر گروه از سه نوسانگر، آنتن نامیده می‌شود، بنابراین AAU در مجموع 192/3=64 آنتن دارد. اگر هر 6 نوسانگر یک آنتن تشکیل دهند، AAU دارای 192/6=32 آنتن است.

شکل ۴-۳ نمودار المان آنتن ۶۵TR و ۳۲TR AAU

واحدهای AAU در باند کمتر از 6 گیگاهرتز معمولاً از شکل‌دهی پرتو تمام دیجیتال استفاده می‌کنند. می‌توان در نظر گرفت که تعداد آنتن‌ها، تعداد کانال‌های انتقال و تعداد تقویت‌کننده‌های توان یکسان است. تعداد آنتن‌ها عامل مهمی در پوشش‌دهی است. هرچه تعداد عناصر بیشتر باشد، پرتو باریک‌تر و انرژی متمرکزتر است. هرچه آنتن‌ها و کانال‌ها بیشتر باشند، تقویت‌کننده‌های توان بیشتری در داخل AAU وجود دارد، مصرف منابع باند پایه بیشتر و هزینه تجهیزات بالاتر می‌رود.

4.2 5Gمدل محو شدن سیگنال

3GPP TR 38.901 چهار سناریو ارائه می‌دهد: منطقه اداری هات‌اسپات داخلی (InH-Office)، خیابان میکروسلول شهری (UMi-Street Canyon)، سلول ماکرو شهری (Uma) و سلول ماکرو روستایی (RMa). هر نوع سناریو به سناریوهای غیرخط دید (NLOS) و خط دید (LOS) تقسیم می‌شود که در مجموع هشت مدل انتشار دارد. این مقاله مدل از دست دادن مسیر را در سناریوی ایستگاه ماکرو شهری Uma-LOS/NLOS انتخاب می‌کند. که در آن fcفرکانس کاری (گیگاهرتز)، ساعتBSارتفاع مؤثر آنتن ایستگاه پایه (متر)، ساعتUTارتفاع مؤثر آنتن ایستگاه تلفن همراه (متر)، d2Dفاصله افقی بین ایستگاه پایه و ایستگاه سیار (متر)، d3Dفاصله مستقیم بین آنتن ایستگاه پایه و آنتن ایستگاه تلفن همراه (متر).

طبق جدول بالا، حداکثر تلفات مجاز مسیر (MAPL) معمول کانال‌های مختلف ایستگاه‌های کلان شهری را می‌توان طبق فرمول زیر محاسبه کرد. مشاهده می‌شود که حداکثر فاصله تلفات مجاز مسیر بین آپ‌لینک و داون‌لینک 5G NR 3.5GHz به 13.65 دسی‌بل می‌رسد، پوشش شبکه در آپ‌لینک محدود است و توسط کانال PUSCH آپ‌لینک محدود می‌شود.

PLحداکثر=PTx-Lf+GTx-Mf-Ml+GRx-Lp-Lb-SR

که در آن PTxتوان ارسال ایستگاه پایه، Lfتلفات تغذیه‌کننده، GTxبهره آنتن ایستگاه پایه، Mfمحو شدن سایه و حاشیه محو شدن سریع، Mlحاشیه تداخل، GRxبهره آنتن تلفن همراه، Lpافت نفوذ ساختمان، Lbساییدگی و پارگی بدنه، SRxحساسیت دریافت تلفن همراه

4.3 5G AAUسناریوهای برنامه

در مناطق شهری متراکم، محیط بی‌سیم پیچیده منجر به تداخل بدتر می‌شود و ساختمان‌های بلندمرتبه به پوشش عمودی بالا و ظرفیت بالای کاربر نیاز دارند. تجهیزات 64TR می‌توانند شکل‌دهی پرتو MIMO انبوه بهتری را ارائه دهند، به انتقال MIMO چندکاربره با ترافیک بالا دست یابند و پوشش عمودی را به طور قابل توجهی بهبود بخشند. در حومه شهرها و مناطق روستایی، میزان موفقیت جفت‌سازی MU-MIMO کاهش می‌یابد و تجهیزات 64TR نمی‌توانند به طور کامل از مزایای ظرفیت خود استفاده کنند، بنابراین می‌توان از تجهیزات با پیکربندی پایین استفاده کرد. استفاده از 32 آنتن می‌تواند نیازها را برآورده کند. برای مناطق دورافتاده‌تر، ظرفیت مورد نیاز زیاد نیست و مشکل اصلی حل مشکل پوشش است. در حال حاضر، حتی MIMO انبوه نیز مورد نیاز نیست. فقط از RRU 8 پورت برای اتصال آنتن استفاده کنید.

شکل زیر یک راهکار پوشش شبکه مبتنی بر سناریو را نشان می‌دهد که توسط یک تولیدکننده تجهیزات پیشنهاد شده است. ماکروسایت مهمترین شکل محصول است. 64TR AAU تقاضای مداوم با ظرفیت بالا را در مرحله 4G/5G حل می‌کند و 32TR AAU با پیکربندی کم، تقاضای ساخت شبکه کم‌هزینه را در مناطق کم‌ترافیک 4G/5G حل می‌کند. محصولات سیستم توزیع داخلی شامل تجهیزات 2TR و 4TR هستند که از سیستم‌های توزیع داخلی غیرفعال در شبکه موجود یا ساخت و ساز جدید برای حل سناریوهای داخلی با ارزش بالا و ترافیک بالا استفاده می‌کنند. علاوه بر این، محصولات واحد فرکانس رادیویی 4TR (RRU) ایستگاه پایه میکرو به طور گسترده در سناریوهای شلوغ و گرمایشی مانند مناطق مسکونی و خیابان‌های عابر پیاده استفاده می‌شوند.

شکل ۴-۴ یک راهکار پوشش شبکه مبتنی بر سناریو از یک تولیدکننده تجهیزات

از نتایج محاسبات در بخش ۴.۲ می‌توان دریافت که پوشش آپ‌لینک NR باند ۳.۵ گیگاهرتزی 5G محدود است، که عمدتاً به دلیل محدودیت توان ترمینال است. با توجه به اینکه الزامات نرخ سرویس آپ‌لینک و داون‌لینک در آینده پس از راه‌اندازی 5G همچنان نامتقارن خواهد بود (الزامات نرخ داون‌لینک بسیار بالاتر از آپ‌لینک است)، به منظور حفظ ساختار شبکه موجود بدون تغییر و کاهش هزینه‌های ساخت شبکه، به طوری که اپراتورها بتوانند به سرعت 5G را روی سایت‌های فعال 4G سوار و مستقر کنند، می‌توان از جداسازی آپ‌لینک و داون‌لینک (SUL) برای حل مشکل تنگناهای پوشش آپ‌لینک استفاده کرد. یعنی از تجهیزات قدیمی LTE در آپ‌لینک استفاده می‌شود، بخشی از پهنای باند FDD 1.8 گیگاهرتز برای 5G NR مجدداً کشت می‌شود تا پوشش بهبود یابد و 5G NR در باند ۳.۵ گیگاهرتز در داون‌لینک مستقر می‌شود.

شکل ۴-۵ راه‌حل جداسازی با استفاده از باندهای فرکانسی مختلف برای آپ‌لینک و داون‌لینک

این مقاله از " Microwave Radio Frequency Network «برای حمایت از حقوق مالکیت معنوی، لطفاً هنگام چاپ مجدد، منبع اصلی و نویسنده را ذکر کنید. در صورت وجود هرگونه نقض، لطفاً برای حذف آن با ما تماس بگیرید.»