ידע בהנדסת אנטנות תחנות בסיס 4G ו-5G ותרחישי יישומים

1 סקירה כללית של אנטנת תחנת הבסיס

פרק זה מציג את סיווג אנטנות תחנות בסיס ואת הופעתן של סוגי אנטנות שונים בתקשורת סלולרית.

1.1 סיווג אנטנת תחנת בסיס

אנטנה רב-כיוונית:בתבנית האופקית, היא מופיעה כקרינה אחידה של 360 מעלות, הידועה בדרך כלל כלא כיוונית. בתבנית האנכית, היא מופיעה כקרן ברוחב מסוים. באופן כללי, ככל שרוחב הקרן קטן יותר, כך גדל ההגבר. אנטנות רב-כיווניות משמשות בדרך כלל במערכות תקשורת סלולריות בתחנות פרבריות ומחוזיות, עם אזורי כיסוי גדולים.

אנטנה כיוונית:בתבנית האופקית, היא מופיעה כקרינה בטווח זווית מסוים, הידוע בכינוי כיווניות. בתבנית האנכית, היא מופיעה כאלומה ברוחב מסוים. כמו אנטנה רב-כיוונית, ככל שרוחב האלומה קטן יותר, כך גדל ההגבר. אנטנות כיווניות משמשות בדרך כלל בתחנות סלולריות עירוניות במערכות תקשורת סלולרית, עם כיסוי קטן, צפיפות משתמשים גבוהה וניצול תדר גבוה.

סוגים שונים של תחנות בסיס מוקמים בהתאם לדרישות הרשת, וסוגים שונים של תחנות בסיס יכולים לבחור סוגים שונים של אנטנות בהתאם לצרכים. הבחירה מבוססת על הפרמטרים הטכניים הנ"ל. לדוגמה, תחנה רב-כיוונית משתמשת באנטנה רב-כיוונית עם אותו הגבר בעצם בכל כיוון אופקי, בעוד שתחנה כיוונית משתמשת באנטנה כיוונית עם שינויים משמעותיים בהגבר בכיוון האופקי. באופן כללי, אנטנות עם רוחב אלומה אופקי של 65° נבחרות באזורים עירוניים. אנטנות עם רוחב אלומה אופקי של 65°, 90° או 120° ניתן לבחור באזורים פרבריים (בהתאם לתצורת התחנה ולסביבה הגיאוגרפית המקומית). באזורים כפריים, עדיף לבחור אנטנה רב-כיוונית שיכולה להשיג כיסוי רחב שטח.

אנטנה מכנית:מתייחס לאנטנה ניידת המשתמשת בכוונון מכני של זווית ההטיה כלפי מטה. לאחר התקנת האנטנה המכנית אנכית לקרקע, אם נדרשת אופטימיזציה של הרשת, יש צורך לכוונן את מיקום התושבת בגב האנטנה ולשנות את נטיית האנטנה. במהלך תהליך הכוונון, למרות שמרחק הכיסוי בכיוון האונה הראשית של האנטנה משתנה באופן משמעותי, אמפליטודות הרכיבים האנכיים והאופקיים של האנטנה נשארות ללא שינוי, כך שתבנית האנטנה מתעוותת בקלות.

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.

אנטנה מתכווננת אלקטרונית:מתייחס לאנטנה ניידת המשתמשת בכוונון אלקטרוני של זווית ההטיה כלפי מטה. עקרון ההטיה האלקטרונית כלפי מטה הוא להטות את התבנית האנכית של האנטנה כלפי מטה על ידי שינוי הפאזה של מתנד האנטנה הקולינארי, שינוי האמפליטודה של הרכיב האנכי והרכיב האופקי, ושינוי עוצמת השדה של הרכיב המורכב. מכיוון שעוצמת השדה בכל כיווני האנטנה עולה ויורדת בו זמנית, מובטח שתבנית האנטנה משתנה מעט לאחר שינוי זווית ההטיה, מקצר את מרחק הכיסוי בכיוון האונה הראשית, ובמקביל מצמצם את אזור הכיסוי של התבנית כולה בתוך מגזר התא המשרת מבלי לגרום להפרעות. בפועל הוכיח שכאשר זווית ההטיה כלפי מטה של ​​אנטנה מתכווננת חשמלית משתנה מ-1° ל-5°, תבנית האנטנה שלה זהה בערך לזו של אנטנה מכנית; כאשר זווית ההטיה כלפי מטה משתנה מ-5° ל-10°, תבנית האנטנה שלה משתפרת מעט בהשוואה לזו של אנטנה מכנית; כאשר זווית ההטיה כלפי מטה משתנה מ-10° ל-15°, תבנית האנטנה שלה טובה יותר מזו של אנטנה מכנית. השינוי גדול יותר; כאשר האנטנה המכנית מוטה כלפי מטה ב-15°, תבנית האנטנה שלה שונה באופן משמעותי מזו של האנטנה המכנית. בשלב זה, צורת תבנית האנטנה אינה משתנה הרבה, מרחק הכיסוי של כיוון האונה הראשי מתקצר משמעותית, וכל תבנית האנטנה נמצאת בתוך סקטור תחנת הבסיס. הגדלת זווית ההטיה כלפי מטה יכולה להפחית את אזור הכיסוי של הסקטור מבלי לגרום להפרעות. לכן, שימוש באנטנה מתכווננת חשמלית יכול להפחית אובדן שיחות ולהפחית הפרעות. בנוסף, האנטנה המתכווננת אלקטרונית מאפשרת למערכת להתאים את זווית ההטיה התחתונה של תבנית הכיווניות האנכית מבלי להיכבות, ולנטר את השפעת ההתאמה בזמן אמת. דיוק הצעדים של כוונון זווית ההטיה גבוה גם הוא (0.1°), כך שניתן להתאים את הרשת בצורה עדינה; מדד המודולציה הבין-מודולציונית מסדר שלישי של האנטנה המתכווננת חשמלית הוא -150dBc, שהוא 30dBc שונה מהאנטנה המכנית, דבר המועיל לביטול הפרעות של ערוצים סמוכים והפרעות מזויפות.

אנטנה מקוטבת כפולה:אנטנת קיטוב כפול היא סוג חדש של טכנולוגיית אנטנה המשלבת שתי אנטנות עם כיווני קיטוב אורתוגונליים של +45° ו- -45° ופועלת במצב דופלקס שידור וקליטה בו זמנית. לכן, היתרון הבולט ביותר שלה הוא שהיא חוסכת את האנטנה של תחנת בסיס כיוונית אחת. כמות; באופן כללי, תחנת הבסיס הכיוונית (שלושה סקטורים) של רשת התקשורת הניידת הדיגיטלית LTE משתמשת ב-9 אנטנות, וכל סקטור משתמש ב-3 אנטנות (גיוון מרחבי, אחת משדרת ושתיים קולטות). אם משתמשים באנטנות כפולות מקוטבות, כל סקטור דורש רק אנטנה אחת; יחד עם זאת, בשל הכפולות בין האנטנות המקוטבות, אורתוגונליות הקיטוב של ±45° יכולה להבטיח שהבידוד בין האנטנות +45° ו- -45° יעמוד בדרישות האינטרמודולציה לבידוד בין אנטנות (≥30dB), כך שהמרחק המרחבי בין האנטנות המקוטבות דורש רק 20-30 ס"מ; בנוסף, לאנטנות כפולות מקוטבות יש את היתרונות של אנטנות מתכווננות חשמלית. שימוש באנטנות דו-קוטביות ברשתות תקשורת סלולריות, כמו אנטנות מתכווננות חשמלית, יכול להפחית אובדן שיחות, להפחית הפרעות ולשפר את איכות השירות של הרשת כולה. אם משתמשים באנטנה דו-קוטבית, מכיוון שלאנטנה הדו-קוטבית אין דרישות גבוהות להקמה והתקנה, אין צורך לרכוש קרקע לבניית מגדל. צריך רק להקים עמוד ברזל בקוטר של 20 ס"מ, ולקבוע את האנטנה הדו-קוטבית על עמוד הברזל בהתאם לכיוון הכיסוי המתאים. זה חוסך השקעה בתשתית, הופך את פריסת תחנת הבסיס לסבירה יותר ומקל על בחירת אתר תחנת הבסיס.

לבחירת אנטנות, יש לבחור אנטנות סלולריות המתאימות לצרכים של רשתות סלולריות באזור בהתבסס על תנאים בפועל כגון כיסוי רשת, נפח עסקים, הפרעות ואיכות שירות הרשת:

· באזורים עם תנועה רבה ותחנות בסיס צפופות, יש להשתמש ככל האפשר באנטנות דו-קוטביות ובאנטנות מתכווננות חשמלית;

· ניתן להשתמש באנטנות מכניות מסורתיות באזורים כמו גבולות ופרברים שבהם נפח התנועה אינו גבוה, תחנות הבסיס אינן מאוכלסות בצפיפות, וכיסוי נדרש רק.

1.2 מבנה פנימי וסוגי אנטנות של תחנות בסיס לתקשורת ניידת

1.2.1 אנטנת מערך אלמנט לוח כיווני

אנטנת פלטה כיוונית היא האנטנה הנפוצה ביותר של תחנת בסיס חשובה ביותר. היתרונות של אנטנה מסוג זה הם: הגבר גבוה, תבנית סקטור טובה, אונה אחורית קטנה, שליטה קלה בזווית השקע של התבנית האנכית, ביצועי איטום אמינים וחיי שירות ארוכים. מראה האנטנה מוצג באיור שלהלן:

איור 1-1 תרשים סכמטי של מראה אנטנת לוח כיוונית

1.2.1.1 יצירת אנטנת לוחית בעלת הגבר גבוה

איור 1-2 שימוש במספר מתנדי חצי-גל ​​ליצירת מערך ליניארי אנכי

איור 1-3 עקרון הוספת לוח מחזיר אור לצד אחד של המערך הליניארי כדי להשיג כיוון אופקי (לדוגמה, ניקח את המערך האנכי של שני מתנדי חצי-גל ​​עם לוח מחזיר אור)

כיום, עיצובי האנטנות הכיווניות של תחנות הבסיס של יצרני אנטנות מאמצים בעיקרון מבני מערך מתנדים מסוג לוחית. ישנם שני סוגים של מתנדים שנבחרו, כמתואר בשני הסעיפים הבאים.

1.2.1.2 מתנד סימטרי

מערך סימטרי חצי-גל ​​סטנדרטי (הוסף מתנד נוסף כדי להפחית את גובה המתנד מהקרקע ולהפחית את עובי האנטנה)

איור 1-4 אנטנת לוח כיוונית המסונתזת על ידי מספר מתנדי חצי-גל

1.2.1.3 מתנד Microstrip

העיוות של מתנד חצי הגל משתמש בעיקרון של קו תמסורת של 1/4 אורך גל כדי ליצור קרינה:

איור 1-5 אנטנת לוח כיוונית המסונתזת על ידי מספר מתנדי מיקרוסטריפ

1.2.2 אנטנת דיפול מוזנת טורית רב-כיוונית

האנטנה הרב-כיוונית משתמשת במספר מתנדי חצי-גל ​​כדי להשיג סינתזה ושיפור של רווח קרינה.

איור 1-7 מבנה מתנד הזנה טורית וצורת מוצר של אנטנה רב-כיוונית

2 4G LTEסוגי אנטנות וניתוח השוואתי

התוכן העיקרי של סעיף זה הוא להציג ניתוח השוואתי של כיסוי ותעבורה בין אנטנות LTE דו-קוטביות לאנטנות חד-קוטביות.

2.1 ניתוח קורלציה בין אנטנת LTE דו-קוטבית לאנטנה חד-קוטבית

הכנסת טכנולוגיית LTE מרובת אנטנות מוסיפה מימד מרחבי של חופש למשאבים אלחוטיים ומציגה דרישות חדשות למודלים של ערוצים אלחוטיים. מודל הערוץ המרחבי (SCM) מוצע ב-3GPP TR 25.996. מודל זה מתאים למערכות עם רוחב פס של 5 מגה-הרץ ותדר נושא של כ-2 גיגה-הרץ. המספר המרבי של ריבוי נתיבים הוא 6. מערכת ה-LTE דורשת שהערוץ האלחוטי יוכל לתמוך בעד 20 מגה-הרץ. לכן, מודל SCME (SCM Extension) משמש בדוח הטכני 36.803 כדי להרחיב את רוחב הפס של הערוץ ל-20 מגה-הרץ ולתמוך במספר המרבי של ריבוי נתיבים עד 9. ביניהם, מאפייני השידור האלחוטי בין eNB ל-UE הם פונקציה משתנה בזמן, המשתנה עם שינויים בתצורת האנטנה, זווית כיוון האנטנה, מתאם האנטנה וסביבת הפיזור, כפי שמוצג באיור למטה.

איור 2-1 תרשים סכמטי של פרמטרי זווית SCM

ההבדל בביצועים האלחוטיים בין אנטנות בעלות קיטוב כפול לאנטנות בעלות קיטוב יחיד (מרווח אנטנות 10λ) תלוי בעיקר במקדם המתאם של אנטנת תחנת הבסיס. כאשר מקדם המתאם הוא 0, זה מצביע על כך שהאנטנות עצמאיות יחסית והמתאם נמוך. כאשר מקדם המתאם הוא 1, זה מצביע על כך שיש מתאם חזק בין האנטנות. כאשר המערכת משתמשת במצב גיוון שידור (כגון SFBC), גיוון קליטה ומצב זרם כפול MIMO, ביצועי האלחוט של אנטנות בעלות מתאם נמוך טובים יותר מביצועי אנטנות בעלות מתאם גבוה. האיור שלהלן מציג את תוצאות סימולציית ביצועי SFBC עם מקדמי מתאם של 0.25, 0.5, 0.6 ו-1 בהתאמה. מתוצאות הסימולציה, כאשר מקדם המתאם הוא 0.25, הביצועים שלו כמעט ולא מושפעים (בהשוואה למקדם מתאם של 0). ביצועי SFBC עם מקדמי מתאם של 0.5 ו-0.6 יורדים בכ-0.3dB ל-0.4dB.

איור 2-2 השוואה של ביצועי SFBC ברמת קישור עם מקדמי קורלציה שונים

צ'יינה מובייל בדקה את מקדמי המתאם של תצורות אנטנה שונות ביולי 2008. מקדמי המתאם הספציפיים מוצגים בטבלה שלהלן:

טבלה 2-1 מקדמי קורלציה התואמים לתצורות אנטנה שונות

הערה: מקדמי המתאם בטבלה לעיל התקבלו על ידי צ'יינה מובייל על סמך בדיקות מודל SCME באזורים עירוניים צפופים. באזורים עירוניים צפופים, מקדם מתאם זה מייצג במידה מסוימת. עם זאת, אין פירוש הדבר שניתן למפות מקדם מתאם זה לפרויקט ספציפי, וגם אין פירוש הדבר שמקדם מתאם זה ישים לכל המודלים של אזורים עירוניים צפופים.

2.2 השוואת ביצועים בין אנטנה כפולה מקוטבת של LTE לאנטנה חד-קוטבית

LTE מגדיר שבעה מצבי שידור מרובי אנטנות, כולל גיוון שידור, MIMO מבוסס קידוד מקדים, עיצוב אלומה וכו'. שבעת מצבי השידור המוגדרים על ידי LTE נועדו בעיקר לשקול את הבחירה הגמישה של מצבי שידור תחת תרחישים שונים ודגמי ערוצים שונים. בדרך כלל צווארי הבקבוק והחסרונות של ביצועי רשת התקשורת הניידת האלחוטית מחולקים לשלוש הקטגוריות הבאות:

מערכות עם מוגבלות צריכת חשמל:

תרחישי יישום אופייניים: המטרה העיקרית היא להגדיל את הכיסוי ולהתגבר על דהייה, כגון אזורים יעילים, כיסוי רחב באזורים כפריים וכו'.

סוג טכנולוגיית האנטנה בשימוש: גיוון שידור, גיוון קליטה

פער ביצועים: שיפור הביצועים של אנטנת 10λ בעלת קיטוב יחיד הוא פחות מ-5% בהשוואה לאנטנה בעלת הקיטוב הכפול, ופער הביצועים ביניהן אינו גדול.

מערכות מוגבלות הפרעות:

תרחישי יישום אופייניים: משמש בעיקר באזורים עירוניים צפופים שבהם המרחק בין תחנות קטן יחסית. הפרעות הן גורם עיקרי המשפיע על ביצועי הרשת.

סוג טכנולוגיית אנטנה שאומץ: RANK=2 MIMO זרם כפול, RANK=1 MIMO זרם יחיד, RANK אדפטיבית

פער ביצועים: אלגוריתם האדפטיבי של RANK טוב משמעותית מאלגוריתם הכפול-זרם הכפוי של MIMO; יחד עם זאת, ביצועי האנטנות בעלות קיטוב כפול זהים בעצם לאלו של אנטנות בעלות קיטוב יחיד של 10λ.

מערכות עם הגבלת רוחב פס:

תרחישי יישום אופייניים: תנאי הערוץ (CQI) טובים יחסית, אין כיסוי רציף בין תחנות בסיס, המרחק בין תחנות הבסיס גדול יחסית, ומספר המשתמשים דליל יחסית. לדוגמה: כיסוי של תא בודד בשלב מוקדם של הרשת הניסיונית וכו'.

סוג טכנולוגיית אנטנה: RANK=2 MIMO זרם כפול

השוואת ביצועים: ביצועי האנטנה 10λ בעלת קיטוב יחיד טובים יותר מאלה של אנטנה בעלת קיטוב כפול, ושיפור הביצועים הוא כ-20%.

טבלה 2-2 טבלת סיכום של תרחישי יישומי אנטנה

האמור לעיל מנתח בעיקר את פער הביצועים בין אנטנות בעלות קיטוב יחיד לאנטנות בעלות קיטוב כפול. עם זאת, יש לציין כי לאנטנות בעלות קיטוב כפול יש יתרון של התקנה קלה בהנדסה. כולל האפשרות להשתמש בקוטב יחיד, כוונון אחיד של זווית ההטיה כלפי מטה, הקלה על ייפוי האנטנה וכו'. במצב הנוכחי שבו בחירת אתר הרשת האלחוטית וההתקנה שלה הופכות לקשות יותר ויותר, היתרונות הנ"ל של אנטנות בעלות קיטוב כפול חשובים במיוחד.

3 4G LTEתרחישי יישום ובחירה של אנטנת תחנת בסיס

התוכן העיקרי של סעיף זה מסביר את סיווג אזורי הכיסוי של רשת אלחוטית ואת בחירת האנטנה המתאימה בהתבסס על תרחישי פריסת רשת בפועל.

3.1 בחירת אנטנה לתחנת בסיס עירונית

מאפייני סביבת היישום: תחנות בסיס מפוזרות בצפיפות, ודורשות אזור כיסוי קטן של תחנת בסיס אחת. התקווה היא למזער את הכיסוי בין האזורים, להפחית הפרעות בין תחנות בסיס ולהגדיל את קצב ההורדה.

עקרונות בחירת אנטנה:

בחירת מצב קיטוב: עקב הקושי בבחירת אתרי תחנות בסיס באזורים עירוניים ושטח התקנת אנטנות מוגבל, מומלץ להשתמש באנטנות בעלות קיטוב כפול ואנטנות פס רחב;

בחירת דפוס כיוון: באזורים עירוניים, השיקול העיקרי הוא שיפור ניצול חוזר של תדרים, ולכן בדרך כלל משתמשים באנטנות כיווניות;

בחירת רוחב קרן חצי-הספק: על מנת לשלוט טוב יותר בכיסוי התא כדי לדכא הפרעות, רוחב קרן חצי-הספק האופקי של האנטנה העירונית נבחר להיות 60~65°;

בחירת הגבר אנטנה: מכיוון שתחנות בסיס באזורים עירוניים בדרך כלל אינן דורשות טווח כיסוי רחב, מומלץ להשתמש באנטנה בעלת הגבר בינוני. באזורים עירוניים מומלץ להשתמש באנטנה עם הגבר של 15-18dBi. אם אנטנת המיקרו-תאים משמשת למילוי נקודות מתות באזורים עירוניים, ניתן לבחור באנטנה נמוכה יותר;

בחירת זווית הטיה כלפי מטה: מכיוון שזווית הטיה של האנטנה באזורים עירוניים מותאמת לעתים קרובות יחסית, ויש צורך לכוון חלק מהאנטנות לזווית הטיה גדולה יותר, והטיה כלפי מטה מכנית אינה תורמת לשליטה בהפרעות, מומלץ להשתמש באנטנה עם זווית הטיה כלפי מטה מוגדרת מראש. ניתן לבחור אנטנה עם זווית הטיה חשמלית קבועה, או אנטנה מתכווננת חשמלית כאשר מתקיימים התנאים.

3.2 בחירת אנטנה לתחנות בסיס כפריות בפרברים

מאפייני סביבת היישום: תחנות הבסיס מפוזרות בדלילות, נפח העסקים קטן, דרישות שירות הנתונים נמוכות יחסית, ונדרש כיסוי רחב. במקומות מסוימים, יש רק תחנת בסיס אחת בסביבה, ולכן הכיסוי הופך לדאגה החשובה ביותר. בשלב זה, יש לשקול את בחירת האנטנה על סמך השטח שיש לכסות סביב תחנת הבסיס.

עקרונות בחירת אנטנה:

בחירת תבנית כיוון: אם תחנת הבסיס נדרשת לכסות את האזור שמסביב, ואין כיווניות ברורה, ופיזור התעבורה סביב תחנת הבסיס מפוזרת יחסית, מומלץ להשתמש בכיסוי תחנת בסיס רב-כיווני. יחד עם זאת, יש לציין שבשל ההגבר הקטן של תחנות בסיס רב-כיווניות, מרחק הכיסוי אינו גדול מזה של תחנות בסיס כיווניות. יחד עם זאת, בעת התקנת אנטנות רב-כיווניות, יש לשים לב להשפעת המגדל על הכיסוי, ויש לשמור על האנטנה בניצב למישור הקרקע. אם לרשות המקומית יש דרישות כיסוי ארוכות יותר לכיסוי תחנת בסיס, יש להשתמש באנטנות כיווניות כדי להשיג זאת. באופן כללי, יש להשתמש באנטנות כיווניות עם רוחב אלומה בחצי הספק של 90°, 105° ו-120° במישור האופקי;

בחירת הגבר אנטנה: בחרו את הגבר האנטנה בהתאם לדרישות הכיסוי. מומלץ לבחור אנטנה כיוונית בעלת הגבר גבוה יותר (16-18dBi) או אנטנה רב-כיוונית בעלת הגבר של 9-11dBi באזורים פרבריים וכפריים;

בחירת שיטת הטיה כלפי מטה: באזורים פרבריים וכפריים, אין הרבה התאמות להטיית האנטנה כלפי מטה, וטווח הכוונון ומאפייני זווית ההטיה כלפי מטה אינם גבוהים. מומלץ להשתמש באנטנה מכנית כלפי מטה. יחד עם זאת, כאשר האנטנה תלויה מעל 50 מטר ויש דרישות כיסוי קרוב, ניתן לתת עדיפות לאנטנות מילוי נקודת אפס כדי למנוע בעיית הפסקת חשמל מתחת למגדל.

3.3 בחירת אנטנת תחנת בסיס לכיסוי כבישים מהירים

מאפייני סביבת האפליקציה:בסביבה זו, נפח העסקים נמוך והמשתמשים נעים במהירות גבוהה. כרגע, המוקד הוא על פתרון בעיית הכיסוי. באופן כללי, מה שרוצים להשיג הוא כיסוי רצוע, ולכן תאים דו-כיווניים משמשים בעיקר לכיסוי כבישים מהירים; תאים רב-כיווניים משמשים גם באזורים העוברים דרך ערים ואתרי תיירות; לאחר מכן, מושם דגש על כיסוי רחב, וסוג האנטנה שיש להשתמש בה חייב להיקבע על סמך בחירת האתר וסוג האתר. סביבות כבישים מהירים שונות משתנות מאוד. באופן כללי, ישנם כבישים מהירים ישרים יחסית, כגון כבישים מהירים, מסילות ברזל, כבישים מהירים לאומיים, כבישים מהירים פרובינציאלים וכו'. מומלץ לבנות תחנה ליד הכביש, באמצעות תחנה מסוג S1/1/1 או S1/1, עם אנטנות כיווניות בעלות הגבר גבוה כדי להשיג כיסוי. ישנם כבישים מפותלים וגליים כגון כבישי הרים מפותלים, כבישי הרים שנבנו באופן עצמאי ברמת המחוז וכו'. יש לשלב זאת עם כיסוי כפרי ליד הכביש ולבחור מקום גבוה לבניית התחנה.

בעת בחירת אנטנה במהלך התכנון הראשוני, נסו לבחור אנטנה בעלת הגבר גבוה ומרחק כיסוי רחב לכיסוי רחב.

עקרונות בחירת אנטנה:

בחירת תבנית כיוונית: בתחנות בסיס שמטרתן לכסות מסילות ברזל וכבישים מהירים, ניתן להשתמש באנטנות כיווניות בעלות אלומה צרה ובעלות הגבר גבוה. ניתן לבחור את צורת האנטנה באופן גמיש בהתאם לגורמים כגון גליות שטח מקומיים ופניות באתר הפריסה;

בחירת הגבר אנטנה, ניתן לבחור את הגבר האנטנה הכיוונית בין 17dBi ל-22dBi, ואת הגבר האנטנה הרב-כיוונית בין 11dBi;

בחירת שיטת הטיה כלפי מטה: לכיסוי כביש מהיר בדרך כלל אין זווית הטיה כלפי מטה. מומלץ להשתמש באנטנה מכנית זולה יותר עם הטיה כלפי מטה. כאשר המרחק עולה על 50 מטרים ויש דרישות כיסוי קרוב, ניתן לתת עדיפות לאנטנות עם מילוי נקודת אפס (גדול מ-15%) כדי לפתור את בעיית הנקודות השחורות מתחת למגדל;

יחס חזית-אחורה: מכיוון שרוב המשתמשים בכיסוי כבישים מהירים הם משתמשים הנעים במהירות, כדי להבטיח העברה תקינה, יחס החזית-אחורה של האנטנה הכיוונית לא צריך להיות גבוה מדי.

3.4 בחירת אנטנת תחנת בסיס לכיסוי הרים

מאפייני סביבת האפליקציה:באזורים הרריים והגבעות מרוחקים, הרים חוסמים את גלי האוויר באופן חמור, מה שגורם לדעיכה של התפשטות גלי רדיו, מה שמקשה על הכיסוי. בדרך כלל יש כיסוי רחב, עם משתמשים מפוזרים ברדיוס כיסוי רחב של תחנת הבסיס, ונפח הפעילות קטן. תחנת הבסיס עשויה להיבנות על ראש ההר, על צלע ההר, למרגלות ההר, או במיקום מתאים באזור ההררי. יש צורך להבחין בין פיזור משתמשים ומאפייני שטח שונים כדי לבחור מיקומי תחנות בסיס, דגמים ואנטנות. המצבים הבאים נפוצים יחסית: בניית אתר אינטרנט באזור הררי מסוג אגן, בניית אתר אינטרנט על הר גבוה, בניית אתר אינטרנט באמצע הדרך במעלה ההר, בניית אתר אינטרנט באזור הררי רגיל וכו'.

עקרונות בחירת אנטנה:

בחירת תבנית כיוונית: בחירת תבנית הכיוונית תלויה במיקום, בסוג התחנה ובדרישות הכיסוי הסביבתיות של תחנת הבסיס. ניתן לבחור אנטנה רב-כיוונית או אנטנה כיוונית. עבור תחנות בסיס הבנויות על הרים, אם המיקום המיועד לכיסויו נמוך יחסית, יש לבחור תבנית עם זווית חצי-הספק אנכית גדולה יותר כדי לעמוד טוב יותר בדרישות הכיסוי האנכיות;

בחירת הגבר אנטנה: בחרו הגבר אנטנה בינוני, אנטנה רב-כיוונית (9-11dBi), אנטנה כיוונית (15-18dBi) בהתאם למרחק האזור המבוקש לכיסויו;

בחירת זווית נטייה: בעת בניית תחנה על הר והאזור המיועד לכיסויו נמצא בתחתית ההר, יש לבחור אנטנה עם מילוי נקודת אפס או זווית הטיה כלפי מטה מוגדרת מראש. יש לבחור את גודל זווית ההטיה כלפי מטה המוגדרת מראש בהתבסס על הגובה היחסי של תחנת הבסיס והאזור המיועד לכיסויו. ככל שהגובה היחסי גדול יותר, כך זווית ההטיה כלפי מטה המוגדרת מראש צריכה להיות גדולה יותר.

3.5 LTEסיכום תרחישי יישום של אנטנת תחנת בסיס

בהתבסס על הבחירות לעיל ובשילוב עם התנאים המיוחדים של LTE, עקרונות בחירת האנטנה המומלצים הם:

טבלה 3-1 סיכום תרחישי יישומי אנטנה

באופן כללי, בחירת אתר LTE משתמשת במתקנים קיימים, כך שהבעיות הגדולות ביותר הן האם יש מספיק מקום להתקנת אנטנות LTE והאם הגובה תואם את תוכנית ה-LTE. לכן, הפרויקט בפועל מאמץ פרמטרים טכניים כגון שיטת הקיטוב, האם להשתמש באנטנה רחבת פס ושיטת זווית ההטיה כלפי מטה. יש צורך לערוך סקר מפורט של המתקנים הקיימים ולגבש תוכנית סבירה המבוססת על המצב בפועל. בשל נוכחות טכנולוגיית MIMO ב-LTE, 2T2R ו-4T4R נמצאים כיום בשימוש נפוץ. בהתחשב בגורמים כגון עלויות בניית אתרים, עבור מצבי 2T2R, משתמשים בדרך כלל באנטנות דו-קוטביות; עבור מצבי 4T4R, משתמשים בדרך כלל בשתי אנטנות דו-קוטביות, והמרחק בין האנטנות הוא 1-2λ, התואם לכ-30-50 ס"מ עבור 2.6G.

4 5G Massive MIMO AAUותרחישי יישום

התוכן העיקרי של סעיף זה מתאר בקצרה את בחירת האנטנה ותרחישי היישום של 5G AAU.

4.1 5G Massive MIMO AAU

טכנולוגיית קלט ופלט מרובים (MIMO), אשר התפתחה מאוד בעידן ה-4G, יכולה לנצל ביעילות ערוצים מרחביים מרובים הקיימים בין אנטנות מרובות בין המשדר-מקלט למערכות המשדר-מקלט כדי להעביר זרמי נתונים מרובים אורתוגונליים זה לזה, ובכך לשפר את תפוקת הנתונים ואת יציבות התקשורת מבלי להגדיל את רוחב הפס של התקשורת.

טכנולוגיית Massive MIMO שפותחה מעידן ה-4G לעידן ה-5G היא גרסה משודרגת של טכנולוגיית MIMO. בהתבסס על משאבי זמן ותדר מוגבלים, מאות יחידות אנטנה משמשות כדי לשרת עד עשרות מסופים ניידים בו זמנית, מה שמשפר עוד יותר את תפוקת הנתונים ואת יעילות ניצול האנרגיה. תדר התקשורת של 5G גבוה וגודל האנטנה מקוצר, מה שמאפשר לארוז יותר אנטנות במרחב המקורי. טכנולוגיית Massive MIMO קבעה את הטון לטכנולוגיית התקשורת בעידן ה-5G. לכן, אנטנות הפכו למרכיב צמיחה נפיץ נוסף לאחר חזית תדרי הרדיו בעידן ה-5G. אנטנות תחנות בסיס מהוות 20%, ואנטנות טרמינל מהוות 80%.

עקב השימוש הנרחב בטכנולוגיית Massive MIMO בתחנות בסיס 5G, האנטנה המשולבת באופן פנימי משתמשת במספר רב של מתנדים וגם משלבת יחידות משדר-מקלט, ולכן היא נקראת גם יחידת מערך אנטנות אקטיבית (AAU). תרשים סכמטי של המבנה הפנימי שלה וצורת המוצר מוצגים באיור שלהלן.

Figure 4-1 Massive MIMO AAU structural schematic diagram

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

עבור מתנדים בודדים (AAU) בתחום התדרים <6GHz, יצרני ציוד תקשורת משתמשים בדרך כלל ב-192 מתנדים. ישנן 12 שורות בכיוון האופקי ו-8 עמודות של מתנדים בכיוון האנכי. בנוסף לקיטוב כפול של 45°, יש סך של 12x8x2=192 מתנדים. כל קבוצה של שלושה מתנדים נקראת אנטנה, כך של-AAU יש סך של 192/3=64 אנטנות. אם כל 6 מתנדים יוצרים אנטנה, ל-AAU יש 192/6=32 אנטנות.

איור 4-3 דיאגרמת אלמנט אנטנה 65TR ו-32TR AAU

יחידות AAU בתחום ה-<6GHz משתמשות בדרך כלל בעיצוב אלומה דיגיטלי לחלוטין. ניתן להסיק מכך שמספר האנטנות, מספר ערוצי השידור ומספר מגברי ההספק זהים. מספר האנטנות הוא גורם חשוב בכיסוי. ככל שמספר האלמנטים גדול יותר, כך האלומה צרה יותר והאנרגיה מרוכזת יותר. ככל שיש יותר אנטנות וערוצים, כך יש יותר מגברי הספק בתוך ה-AAU, כך צריכת משאבי פס הבסיס גדולה יותר ועלות הציוד גבוהה יותר.

4.2 5Gדגם דהיית אותות

תקן 3GPP TR 38.901 מספק ארבעה תרחישים: אזור משרדי עם נקודה חמה מקורה (InH-Office), רחוב מיקרו-תא עירוני (UMi-Street Canyon), תא מאקרו עירוני (Uma) ותא מאקרו כפרי (RMa). כל סוג של תרחיש מחולק לתרחישים ללא קו ראייה (NLOS) ותרחישים בקו ראייה (LOS), עם סך של שמונה מודלים של התפשטות. מאמר זה בוחר את מודל אובדן הנתיב בתרחיש Uma-LOS/NLOS של תחנת מאקרו עירונית. כאשר fcתדר פעולה (GHz), hBSגובה אפקטיבי של אנטנת תחנת הבסיס (מ'), שעהUTגובה אפקטיבי של אנטנת תחנה ניידת (מ'), ד'2Dמרחק אופקי בין תחנת בסיס לתחנה ניידת (מ'), ד'3Dהמרחק בקו ישר בין אנטנת תחנת הבסיס לאנטנת תחנת הסלולר (מ').

לפי הטבלה לעיל, ניתן לחשב את אובדן הנתיב המרבי המותר (MAPL) הטיפוסי של ערוצים שונים של תחנות מאקרו עירוניות לפי הנוסחה הבאה. ניתן לראות כי פער אובדן הנתיב המרבי המותר בין הקישור העולה לקישור המורד של 5G NR 3.5GHz מגיע ל-13.65 dB, כיסוי הרשת מוגבל בקישור העולה, ומוגבל על ידי ערוץ PUSCH בקישור העולה.

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

איפה פTxעוצמת שידור של תחנת הבסיס, ליטרfאובדן מזין, גTxהגבר אנטנת תחנת בסיס, Mfדהיית צל ושולי דהייה מהירה, מlשולי הפרעות, GRxהגבר אנטנת טלפון סלולרי, Lpאובדן חדירה של הבניין, Lbבלאי גוף, SRxרגישות קליטה בטלפון סלולרי

4.3 5G AAUתרחישי יישום

באזורים עירוניים צפופים, סביבה אלחוטית מורכבת מובילה להחמרת ההפרעות, ובניינים רבי קומות מובילים לדרישות כיסוי אנכיות גבוהות ולדרישות קיבולת משתמש גבוהות. ציוד 64TR יכול לספק עיצוב אלומה מסיבי MIMO טוב יותר, להשיג שידור MIMO מרובת משתמשים בתעבורה גבוהה, ולשפר משמעותית את הכיסוי האנכי. בפרברים ובאזורים כפריים, שיעור ההצלחה של צימוד MU-MIMO יורד וציוד 64TR אינו יכול לנצל את מלוא יתרונות הקיבולת שלו, ולכן ניתן להשתמש בציוד בעל תצורה נמוכה. שימוש ב-32 אנטנות יכול לענות על הצרכים. עבור אזורים מרוחקים יותר, דרישות הקיבולת אינן גבוהות והבעיה העיקרית היא לפתור את בעיית הכיסוי. נכון לעכשיו, אפילו MIMO מסיבי אינו נחוץ. פשוט השתמש ב-RRU בעל 8 היציאות כדי לחבר את האנטנה.

האיור שלהלן מציג פתרון כיסוי רשת מבוסס תרחישים שהוצע על ידי יצרן ציוד. מאקרו-אתר הוא צורת המוצר החשובה ביותר. יחידת AAU 64TR פותרת את הביקוש המתמשך לקיבולת גבוהה בשלב 4G/5G, ויחידת AAU 32TR בעלת תצורה נמוכה פותרת את הביקוש לבניית רשת בעלות נמוכה באזורים בעלי תנועה נמוכה של 4G/5G. מוצרי מערכות הפצה פנימיות כוללים ציוד 2TR ו-4TR, המשתמשים במערכות הפצה פנימיות פסיביות ברשת הקיימת או בבנייה חדשה כדי לפתור תרחישים פנימיים בעלי ערך גבוה ותנועה גבוהה. בנוסף, מוצרי יחידת תדר רדיו (RRU) של תחנות בסיס מיקרו-תחנות נמצאים בשימוש נרחב בתרחישים עמוסים ומחוממים כמו אזורי מגורים ורחובות להולכי רגל.

איור 4-4 פתרון כיסוי רשת מבוסס תרחישים מיצרן ציוד

ניתן לראות מתוצאות החישוב בסעיף 4.2 שכיסוי ה-uplink של 5G NR בתדר 3.5 גיגה-הרץ מוגבל, בעיקר עקב הספק טרמינלי מוגבל. בהתחשב בכך שדרישות קצב שירות ה-uplink וה-downlink עדיין יהיו אסימטריות בעתיד לאחר השקת 5G (דרישות קצב ה-downlink גבוהות בהרבה מ-uplink), על מנת לשמור על מבנה הרשת הקיים ללא שינוי ולהפחית את עלויות בניית הרשת, כך שמפעילים יוכלו להטמיע ולפרוס במהירות 5G באתרי 4G חיים, ניתן להשתמש בניתוק uplink ו-downlink (SUL) כדי לפתור את בעיית צווארי הבקבוק בכיסוי uplink. כלומר, ציוד LTE ישן משמש ב-uplink, חלק מרוחב הפס FDD של 1.8 גיגה-הרץ מנוצל מחדש עבור 5G NR כדי לשפר את הכיסוי, ו-5G NR נפרס בפס 3.5 גיגה-הרץ ב-downlink.

איור 4-5 פתרון ניתוק באמצעות פסי תדר שונים עבור עלייה וירידה

מאמר זה משוחזר מ " Microwave Radio Frequency Network ", תומכים בהגנה על זכויות קניין רוחני, אנא ציינו את המקור המקורי ואת המחבר בעת הדפסה חוזרת. אם יש הפרה כלשהי, אנא צרו עמנו קשר כדי למחוק אותה.