ГЛАВА 7. Цифровые антенные решетки для систем сотовой подвижной связи

7.1. Влияние антенных технологий на развитие систем сотовой подвижной связи (ССПС)

Антенные системы в ССПС используются в линиях связи между базовыми станциями и абонентским терминалом Так же как и в проводных сетях связи общего пользования, в ССПС качество и надежность линий связи играют первостепенное значение. Поэтому при разработке и построении ССПС антенным технологиям придается большое значение.

Возможности антенн ограничиваются необходимостью использования компактных и легких конструкций [2]. Задача также усложняется тем, что антенны функционируют в непостредственной близости от других предметов, например, тела оператора, и испытывают их существенное влияние. Кроме того, расположение может меняться, что приводит к изменениям поляризации электромагнитного поля и изменениям формы антенны

В отличие от антенн антенны БС ССПС могут иметь большие размеры и вес, они в значительной степени изолированы от влияния окружающих предметов. Как следствие, при разработке ССПС антенны предоставляют большие возможности для внедрения новых технических решений. Они оказывают прямое влияние на основные характеристики ССПС. Действительно, способность антенн подавлять излучения, не направленные в сторону обслуживаемых позволяет снизить уровень внутрисистемных помех и, соответственно, увеличить емкость сети. Коэффициент усиления антенны влияет на дальность связи, влияя тем самым на радиус соты [I]. Таким образом, эволюция параметров ССПС находится в прямой зависимости от развития техники антенн БС.

Рис. 7.1. (см. скан) Круговая ДН антенны БС в горизонтальной плоскости

На начальном этапе развития ССПС. когда вопрос абонентской емкости еще не был актуальным, на широко применялись ненаправленные антенны с круговыми в горизонтальной плоскости (рис. 7.1), обеспечивающие равномерное покрытие территории соты.

Одной из первых технологий, примененной для снижения уровня внутрисистемных помех в ССПС было изменение угла наклона антенн в вертикальной плоскости (рис. 7.2) [3]. Изменение наклона антенны позволяет сконцентрировать излучение на территории соты и снизить уровень соканальных помех от передатчиков работающих на совпадающих частотах в разных

Рис. 7.2. Изменение угла наклона ДН антенн БС в вертикальной плоскости

Рис. 7.3. Вертикальная линейная

Широко распространенным способом построения антенн с наклоненной в вертикальной плоскости является применение линейной вертикальной вибраторов (рис. 7.3) [3]. Радиосигналы на выходе вибраторных антенн суммируются в фидерном тракте Суммарный отклик определяется конфигурацией и ее элементов. Выбирая параметры можно добиться желаемой зависимости реакции от угла прихода волны в вертикальной плоскости [2, 5].

При частотно-территориальном планировании ССПС в соседних используются разные частотные каналы [1, 6]. Применение

совпадающих частот допускается лишь в находящихся на достаточном удалении друг от друга. На рис. 7.4 приведена схема частотно-терри-ториального планирования ССПС, использующей антенны с круговой Число, соответствующее соте, указывает номер частотного канала, используемого соты. В сети задействовано семь частотных каналов, обеспечивающих повторное использование частот, примерно, через две соты. Для схемы, приведенной на рис. 7.4, доступна 1/7 часть общего частотного спектра сети.

При использовании антенн с круговой лишь часть излучения оказывается полезной, попадая в сектор расположения Остальная часть излучения теряется, рассеиваясь в пространстве и создавая помехи в соседних (рис. 7.5).

Рис. 7.4. Схема частотного планирования сети с использованием антенн с круговой ДН

Рис. 7.5. Помехи, создаваемые излучениями ненаправленных антенн

Важным направлением в технике ССПС, в котором антенны играют ключевую роль, является борьба с замираниями сигналов. Распространение сигналов и происходит в условиях многолучевости. Фазы лучей являются случайными, быстро изменяющимися величинами. Поэтому результатом сложения лучей в антенне оказывается сигнал со случайной, замирающей во времени мощностью (рис. 7.6).

Рис. 7.6. Изменение во времени нормированной мощности сигнала, принимаемого антенной БС

Уровни замираний сигналов у антенн, находящихся на достаточном удалении друг от друга (примерно 6-11 длин волн несущего колебания сигнала), оказываются практически независимыми [3]. В этих условиях верятность того, что сигналы на входах обоих антенн одновременно испытают сильные замирания мала. Комбинируя сигналы двух антенн, можно достичь значительного выигрыша в уровне результирующего сигнала, принимаемого (рис. 7.7). Такой способ борьбы с замираниями сигналов называется разнесенным приемом. Пример антенн реализующих секторизацию и прием с пространственным разнесением, представлен на рис 7 8

Рис. 7.7. Использование пространственного разнесения антенн БС для борьбы с замираниями сигналов AT

Рис. 7.8. Антенные системы: а - БС GSM 900; б - БС GSM 1800

Повысить эффективность использования частотного ресурса позволяет секторизация сот, осуществляемая с помощью использования антенн с направленными в горизонтальной плоскости (рис. 7.9). Применение секторных сот дает возможность сконцентрировать большую часть излучаемой энергии сигнала антенн в направлении обслуживаемых АТ.

Применение направленных антенн на и принцип секторизации позволяет значительно сократить расстояния между использующими в секторах совпадающие частоты. Этот эффект можно использовать как для снижения уровня соканальных помех, так и для увеличения емкости ССПС.

Рис. 7.9. ДН антенны трехсекторной соты

Рис. 7.10. Схема частотного планирования сети с использованием в каждой соте 1/4 части частотного ресурса ССПС

На рис. 7.10 приведена схема частотно-территориального планирования сети с трехсекторными сотами. Частотный спектр сети разбивается на 12 групп частотных каналов, одна из которых используется в секторе. Таким образом, всего в соте оказывается задействованным 3 группы частотных каналов, или 1/4 часть частотного ресурса сети. Это означает, что применение секторных антенн, по сравнению с антеннами с круговыми дает возможность повысить емкость соты в 7/4 раза, т.е. на 75%.

Секторная антенна строится из направленных антенных элементов, в качестве которых может применяться вибратор с уголковым отражателем (рис. 7.11,а) [2]. Так же, как и в случае ненаправленных антенн, для формирования

Рис. 7.1. Элементы секторной антенны а - вибратор с уголковым отражателем; б - вертикальная линейная АР

требуемой антенны в вертикальной плоскости используется вертикальная линейная АР (рис. 7.11,б).

Наряду с очевидными достоинствами применения секторных антенн в ССПС, необходимо также указать на некоторые возникающие при использовании этой технологии сложности. Например, при использовании секторизации необходимо дополнительно осуществлять межсекторные хэндоверы, что может отрицательно сказаться на качестве связи.

Рис. 7.12. ДН многолучевой антенны

Рис. 7.13. Применение многолучевой антенны для динамической сскторизации соты

Одним из перспективных направлений, связанным с возможностью снижения уровня соканальных помех, увеличением качества связи и емкости ССПС, является применение многолучевых антенн [3, 5]. Они способны формировать множество «лучей» с узкими которые используются для обслуживания соты (рис. 7.12). При перемещении антенна сопровождает отслеживая его переход с одного луча на другой.

Так же как и секторная антенна, многолучевая антенна позволяет снизить уровень излучений вне направления на обслуживаемый и уменьшить мощность принимаемой соканальной помехи. Однако, в отличие от секторной антенны, применение многолучевой антенны позволяет избежать межсекторных хэндоверов и дает возможность гибко использовать частотные каналы в соте при неравномерном размещении Фактически, многолучевые антенны позволяют динамически формировать секторную структуру соты с учетом плотности размещения абонентов на ее территории (рис. 7.13). Поэтому их применение также называют динамической секторизацией. Использование многолучевых антенн открывает также новые возможности обработки принимаемых сигналов. Так, раздельный прием лучей сигнала двумя различными дает возможность реализовать преимущества пространственного

разнесения (рис. 7.14) [6], что является дополнительным способом борьбы с замираниями сигналов

Отличительной особенностью многолучевых антенн, по сравнению с традиционными антеннами, используемыми на более ранних этапах развития ССПС, является способность адаптироваться к условиям работы сети. Антенны, обладающие таким свойством называются интеллектуальными [2,5].

Несмотря на указанные преимущества, технология многолучевых антенн не раскрывает всех возможностей интеллектуальных антенн (ИА) по управлению Больший эффект может быть достигнут при формировании с учетом не только направления прихода сигнала обслуживаемого но и минимизации уровня соканальных помех. Формирование с «нулями», ориентированными в направлениях прихода помех, позволяет провести пространственную режекцию помех и тем минимизировать влияние внутрисистемных помех. способные адаптировать в соответствии с помеховой обстановкой в окружении называются с формированием (рис. 7.15).

Рис. 7.14. Прием лучей сигнала различными ДН для организации пространственного разнесения

Рис. 7.15. Использование ИА с формированием ДН для пространственной режекции помех в ССПС

ИА строятся на основе горизонтальных или двумерных (рис. 7.16), в антенный тракт которых включено устройство формирования ДН. В отличие от с механическим управлением угла наклона (см. рис. 7.3) и фиксированной схемой распределения сигналов

в ИА осуществляется электронное управление АФР сигналов в антенной системе. В качестве примера на рис. 7.17 показана антенная система трех-секторной с адаптивными в каждом секторе.

Рис. 7.16. АР с адаптивным формированием ДН

Рис. 7.17. Трехсекторная антенна БС с адаптивными АР в каждом секторе

Как отмечалось, рассматривает один из сигналов в качестве полезного, а остальные - в качестве помеховых. Это вполне справедливо, когда создающие помехи, расположены в соседних Однако, в случае, если группа принадлежит одной соте, разделение на полезный и помеховые сигналы является искусственным. В этой ситуации более правильно говорить о едином потоке данных, передаваемом через канал с многими входами и многими выходами (МВМВ), в качестве которых выступают антенны и элементы на

Рис. 7.18. Формирование пространственных подписей сигналов AT соты

Прием сигналов в каналах с МВМВ основан на разделении сигналов соты по параметрам, определяемым характеристиками канала распространения, — так называемым «пространственным подписям», уникальным для сигналов каждого (рис. 7.18). Использование для

выделения сигналов их пространственных подписей позволяет одновременно передавать данные в одной полосе частот нескольким . В этом случае говорят о пространственном разделении

Помимо пространственного разделения интерес также представляет случай, когда все антенны на одной стороне канала с МВМВ располагаются на отдельном . В такой ситуации у появляется возможность передавать параллельно несколько потоков данных в одной полосе частот. В результате, скорость передачи данных возрастает многократно. В ситуациях с ограниченным частотным ресурсом, когда высокие скорости передачи данных уже не могут быть обеспечены за счет увеличения уровня многопозиционной модуляции, 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 [24, 25].

Примером практического применения технологии МВМВ в служит разнесенная передача на основе пространственно-временного кодирования. При разнесенной передаче кодирует передаваемые данные, дублируя их трансляцию через разные антенны в разные временные интервалы В свою очередь, выделяет переданные данные, комбинируя специальным образом сигналы, принимаемые в соответствующие промежутки времени. Использование разнесенной передачи позволяет решить проблему организации пространственного разнесения за счет использования разнесенных передающих антенн на без применения разнесенных антенн на где, как правило, нет возможности разместить несколько антенн на достаточном удалении друг от друга.

В табл. 7.1 перечислены основные антенные технологии и их назначение в ССПС разных поколений.

Таблица 7.1. (см. скан)

ИА и каналы с МВМВ имеют общую реализационную архитектуру, основанную на технологиях и цифровой обработки сигналов, объединяемых названием цифровые АР. Возможности цифровых по борьбе с внутрисистемными помехами и повышению эффективности использования частотных ресурсов позволяют относить их к наиболее перспективным технологиям ССПС.