Адаптивная антенная система базовой станции стандарта GSM 900

М.А. Дурманов, И.Б. Широков, канд. техн. наук

Севастопольский национальный технический уни- верситет


Источник: Электроника и связь 1’ 2009, стр.79-81


Представлены аспекты построения адап- тивной антенной системы базовой станции. Предложено использовать вместо одной стандартной панельной антенны решетку из трех таких панелей. Управление диаграммой направленности антенной системы осуще- ствляется с помощью фазирующего устрой- ства. При этом происходит увеличение ра- диуса зоны действия базовой станции и ка- чество связи для отдаленных абонентов улучшается. Адаптивная антенная система обеспечивает работу в динамическом режи- ме и формирует диаграмму направленности в соответствии с расположением абонентов в зоне обслуживания.
Aspects of design of adaptive antenna system of base station are considered. It is proposed to use the array with three panel antennas instead of one standard panel antenna. The controlling of array system pattern is carried out by means of the phasing device. Thus there is an increasing of operative zone radius of base station and the communication quality for the remote subscribers improves. The adaptive antenna system ensures functioning in a dynamic mode and one forms the pattern according to location of subscribers in a service zone.

Введение

При организации мобильной связи покрытие обслуживаемой территории определяется ме- стом расположения базовых станций мобиль- ной связи (БС) и диаграммами направленности (ДН) ее антенн. При этом каждая станция об- служивает, как правило, три азимутальных сек- тора по 120? каждый. Охватываемая зона об- служивания составляет 360?. В отдельных слу- чаях механическим разворотом антенн в гори- зонтальной плоскости и наклоном главного ле- пестка ДН в вертикальной, искусственно созда- ют увеличение усиления в одних направлениях и снижение в других. В любом случае взаимное положение антенн БС статично, соответственно зоны обслуживания каждой БС также статичны. При подобном подходе неизбежно возникает проблема обслуживания абонентов, находя- щихся на краю зоны обслуживания БС. Уровень сигнала от этих абонентов мал, причем этот уровень одинаково мал для обеих (или несколь- ких) БС, в результате возникает проблема под- ключения абонента к той или иной БС [1, 2].

Кроме этого, распределение абонентов по территории обслуживания носит случайный ха- рактер, соответственно не представляется воз- можным рассчитать уровень сигнала от або- нентской станции в зоне покрытия.

С другой стороны, внедрение адаптивной антенной системы в состав оборудования БС мобильной связи позволит не только повысить уровень сигнала от абонентов, находящихся на краю зоны обслуживания, существенно улуч- шив этим качество связи, но и позволит при этом увеличить радиус зоны обслуживания пу- тем трансформации диаграммы направленно- сти антенн таким образом, чтобы усиление ан- тенн БС в направлении удаленных абонентов стало больше, а усиление в направлении або- нентов, находящихся в непосредственной бли- зости от БС – стало меньше. Такое решение не повлечет за собой ухудшение качества связи, так как трансформация диаграммы направлен- ности антенн БС будет осуществляться только в пределах одного из секторов обслуживания. Как правило, базовая станция, обеспечиваю- щая типичное покрытие, имеет три сектора об- служивания и все изменения в диаграмме на- правленности антенны осуществляются в пределах 120?.

Формирование ДН любой антенной решетки обеспечивается путем создания требуемого ам- плитудного и фазового соотношения сигналов возбуждения каждого из ее элементов. В нашем случае было принято отказаться от взвешива- ния амплитуд возбуждающих сигналов, а фор- мировать требуемую диаграмму направленно- сти исключительно фазовыми методами. Это решение продиктовано тем, что взвешивание сигналов без нарушения работы каналообра- зующего оборудования БС возможно только лишь введением в тракт управляемых аттенюа- торов, которые принципиально могут только ухудшить энергетику линии связи. Кроме этого, наличие аттенюаторов в фидерах антенн, рабо- тающих на передачу, приводит к выделению те- пла. Если учесть тот факт, что мощность пере- датчиков значительна, могут возникнуть опре- деленные проблемы с кондиционированием помещения БС.

1. Постановка задачи

Главной идеей данной работы является за- мена одной стандартной антенны базовой стан- ции антенной решеткой, состоящей из трех из- лучателей. Число три является минимальным количеством антенн, при котором возможно преобразование профиля излучения. Необхо- димая фазировка элементов осуществляется с помощью управляемых фазовращателей. Таким образом, введя определенный фазовый сдвиг, можно добиться увеличения излучения в одном или в двух направлениях и соответственно уменьшения в других. Это позволит положи- тельно использовать эффект многолучевости в радиоканале.

Таким образом, необходимо построить адаптивную антенную систему, которая решает проблему перераспределения излучаемой энергии в пространстве в нужных направлениях. При исследованиях была использована ан- тенная панель KATHREIN 739 685 стандарта GSM 900 [3].

Аппроксимированное аналитическое выра- жение, описывающее поле излучения антенной панели KATHREIN 739 685 в азимутальной плоскости можно записать так:

где ?0,5 – это ширина главного лепестка на уровне половины мощности, или на уровне ми- нус 3 дБ. Для выбранной антенны ?0,5 = 65°.

На рис. 1 приведена аппроксимированная ДН антенной панели KATHREIN 739 685 в ази- мутальной плоскости. Рабочая полоса частот антенны лежит в диапазоне 880…960 МГц. Стандарт GSM 900, как правило, применяется в сельских районах, где присутствует небольшое количество абонентов, а площади покрытия ве- лики. На таких участках покрываемой террито- рии при передвижении абонента наиболее ве- роятна потеря связи. Вместе с тем, главной за- дачей операторов мобильной связи является обеспечение качественного приема и передачи сигналов от одного абонента к другому при наи- большей отдаленности абонентов. Предложен- ный способ построения антенной системы БС позволит решить эти задачи.

2. Расчет результирующей ДН адаптивной антенной системы

Для решения поставленной задачи анализу подверглись следующие параметры адаптивной антенной решетки:

- количество элементов решетки;

- расстояние между элементами антенной решетки;

-разворот по азимуту апертуры каждого эле- мента решетки относительно апертуры со- седнего элемента;

- минимальный дискрет изменения фазы сиг- нала возбуждения при условии, что набор дискретов должен соответствовать двоич- ному закону;

- алгоритм функционирования адаптивной решетки.

Оптимизация адаптивной антенной системы проведена для получения требуемых парамет- ров ДН, а именно ширины главного лепестка и бокового излучения результирующей или ко- нечной ДН.

Расстояние между соседними элементами решетки было решено взять равным половине длины волны излучения. Угол разворота плос- костей апертур крайних панелей относительно центральной составил +5° и -5° соответственно; дискрет фазовращателя выбран исходя из дво- ичного закона:

где ? – дискрет фазовращателя, град; n – число секций в фазовращателе. При использовании четырехсекционного фазовращателя дискрет фазовращателя будет равен 22,5°.

Здесь следует отметить, что ошибку фазы, возникающую при растройке системы в рабочей полосе частот, можно считать не существенной для данной системы, так как требования к точности фазировки антенн не велики, и они не превышают дискрет фазовращателя.

Для наглядности работы системы приведем упрощенную функциональную схему адаптив- ной антенной решетки (рис. 2). На схеме А1, А2, А3 обозначены панельные антенны KATHREIN 739 685; Ф1, Ф2, Ф3 – фазосдвигающие устрой- ства или фазовращатели. УУ – устройство управления, представляющее собой микрокон- троллер, а также трехканальный делитель мощности.

Исходя из принципа построения антенной решетки и особенностей распространения ра- диоволн выведем аналитическое выражение, характеризующее суммарную ДН антенной сис- темы [4]:

где b – нормировочный коэффициент; ? = 5° – угол поворота элементов, относительно плоско- сти их расположения; ?1,?2,?3 – искусствен- но вводимые фазовые сдвиги управляемыми фазовращателями на первом, втором и третьем элементах соответственно; k – постоянная распространения, k=2П/; d1 – расстояние ме- жду элементами излучения антенной решетки.

3. Построение и анализ возможных вариантов ДН антенной системы

Используя выражение (3), рассмотрим част- ные случаи преобразования профиля излучения антенной решетки, соответствующие вносимым фазовым сдвигам. Число вариантов ДН опре- деляется количеством направлений, по кото- рым перераспределяется энергия излучения. Таким образом, при трех направлениях имеем семь различных вариантов ДН.

Изменяя значения ?1,?2,?3 в пределах от 0 до 337,5°, можно добиться перераспределе- ния поля излучения по трем направлениям в пределах ±3 дБ.

Вариант 1. Формирование максимума излу- чения только в секторе первого элемента (рис. 3). Ниже каждого из последующих рисун- ков указаны значения вносимых фазовых сдви- гов, определяющих соответствующий профиль излучения.

Вариант 2. Формирование максимума излу- чения только в центральном направлении (рис. 4).

Вариант 3. Распределение максимума из- лучения между вторым и третьим элементами (рис. 5).

Вариант 4. Распределение максимума на- правленности только в секторе третьего эле- мента (рис. 6).

Вариант 5. Формирование максимума излу- чения крайними элементами (рис. 7).

Вариант 6. Формирование максимума излу- чения между первым и вторым элементами (рис. 8).

Вариант 7. Для фазовых соотношений ?1= 0°, ?2= 202,5°, ?3 = 0° получаем равно- мерное распределение излучения по трем на- правлениям. При этом результирующая ДН по профилю совпадает с ДН, приведенной на рис. 7.

Проанализировав рассмотренные вариан- ты ДН, сделаем следующие выводы.

1. Достоинством всех приведенных ДН яв- ляется отсутствие бокового излучения.

2. Недостатком является превышение в ре- зультирующих ДН исходного значения ширины главного лепестка на уровне минус 3 дБ.

3. Диаграммы для вариантов 5 и 7 одинако- вы, так как подавить излучение в главном на- правлении не представляется возможным.

4. Алгоритм работы адаптивной антенной системы

Рассмотрим работу адаптивной антенной системы. Исходными данными для формирова- ния оптимальной ДН являются уровни прини- маемых сигналов от всех абонентов, находя- щихся в зоне обслуживания базовой станции. Эта информация содержится в ячейках памяти устройства управления. Подобный подход к проблеме возможен, если учесть тот факт, что приемное оборудование базовой станции изме- ряет уровни принимаемых от абонентов сигна- лов и передает эту информацию на оборудова- ние коммутации. Последнее осуществляет пе- реподключение абонента к той или иной базо- вой станции. Эту же информацию использует процессор адаптивной антенной решетки для формирования требуемой ДН.

Процесс формирования требуемой ДН вы- глядит следующим образом. Предварительно выбирается значение порога уровня принимае- мого сигнала от абонентской станции. Устанав- ливая требуемые значения фазовых сдвигов ?1, ?2 , ?3 , система формирует поочередно все варианты ДН. При этом фиксируется для каждого варианта ДН число абонентских стан- ций, уровень сигнала от которых выше порого- вого. В конце операции сканирования опреде- ляем ту ДН, при которой число абонентских станций с мощным сигналом наибольшее. Во время сканирования исключено пропадание сигнала, так как изменение уровня излучения антенной системы осуществляется не более чем на 3 дБ. Сканирование осуществляется пе- риодически, отслеживая изменения положения абонентов в зоне обслуживания БС.

Далее рассмотрим некоторые аспекты тех- нического решения адаптивной антенной системы.

Как было сказано выше, в качестве излуча- телей берем стандартные панельные антенны типа KATHREIN 739 685. В качестве фазосдви- гающего устройства используем четырехсекци- онный дискретный фазовращатель, дискрет из- менения фазы которого составляет 22,5°. Дан- ный фазовращатель строится на основе микро- полоскового квадратурного моста. Его особен- ностью является то, что к двум плечам моста добавляются отрезки микрополосковой линии необходимой длины для обеспечения заданного сдвига фазы. Таким образом, управление фа- зовращателем осуществляется путем коммута- ции отрезков микрополосковой линии каждой из секций.

Делитель мощности реализуется в микро- полосковом исполнении. Коэффициент деления в диапазоне используемых частот — постоян- ный и равен 1/3 для каждого плеча. Для сниже- ния коэффициента стоячей волны со стороны трех плеч предусмотрены ступенчатые согла- сующие трансформаторы. Законом изменения волнового сопротивления трансформатора обеспечивается требуемая частотная характе- ристика делителя.

Было проведено моделирование делителя мощности в среде Microwave Office. Делитель обеспечивал развязку между выходными и входными плечами на уровне не хуже минус 20 дБ и потери энергии – не более 0,5 дБ в ра- бочей полосе частот. Топология делителя мощ- ности сформирована таким образом, чтобы обеспечивалось конструктивное сопряжение с фазовращателями.

Реализация алгоритма управления ДН ан- тенной системы предполагает использование современного микроконтроллера, предположи- тельно RISK архитектуры, обладающего высо- ким быстродействием и требуемым набором периферийных модулей.

Разработанная адаптивная антенная решет- ка может быть внедрена практически на любой базовой станции мобильной связи, работающей в диапазоне 900 МГц. При соответствующих до- работках, подобный подход приемлем и в дру- гих частотных диапазонах.

Установка оборудования предполагает за- мену одной антенной панели, обслуживающей определенный сектор на решетку из трех пане- лей. Дополнительно в состав оборудования включаются делитель мощности, управляемый фазовращатель и устройство управления диа- граммой направленности решетки, реализован- ное на микроконтроллере.

Ввод данных в устройство управления мо- жет быть осуществлен путем пассивного под- ключения микроконтроллера устройства к шине обмена данными между оборудованием базо- вой станции и центром коммутации или же не- посредственно к соответствующему порту обо- рудования базовой станции. В любом случае, подключение микроконтроллера не нарушает нормальную работу оборудования базовой станции, поскольку микроконтроллер в протоко- ле обмена данными оборудования БС мобиль- ной связи не участвует, а занимает пассивную позицию супервизора.

Формирование ДН решетки осуществляется

фазовым методом, что исключает возможные потери энергии сигнала в аттенюаторах. Алгоритм управления ДН решетки является динамическим, то есть позволяет отслеживать любые изменения электромагнитной обстановки в режиме реального времени.

Выводы

Разработанная адаптивная антенная систе- ма представляет собой антенную решетку, со- стоящую из трех элементов. Увеличения усиле- ния антенной решетки в требуемом направле- нии осуществляется исключительно путем фа- зировки каждого из ее элементов. При этом происходит взаимное сложение или вычитание энергии излучения отдельных элементов ан- тенной решетки в заданном направлении. Дру- гими словами, осуществляется «деформация» суммарной ДН в соответствии с расположением Системы телекоммуникации, связи и защиты информации 81 мобильных абонентов в зоне обслуживания БС.

Установление оптимизированной ДН антен- ной решетки позволяет получить реальный вы- игрыш в энергии сигнала до 3 дБ, что адекватно увеличению радиуса зоны обслуживания в 1,4 раза. Даже, задавшись гарантированным 25 %-м увеличением радиуса зоны обслужива- ния, можно прийти к тому, что одну из пяти станций по заданному направлению движения мобильного абонента можно сократить, полу- чив, тем самым, существенный экономический эффект от внедрения оборудования без ухуд- шения качества предоставляемых услуг.

Литература

1. Громаков Ю.А. Стандарты и системы под- вижной радиосвязи. – М.: Мобильные Теле- Системы – Эко-Трендз, 1997. – 237 с.

2. Ратынский М.В. Основы сотовой связи. – М.: Радио и связь, 1998. – 248 с.

3. 790 – 2500 MHz Base Station Antennas for Mobile Communications (01.02.07). — www.kathrein.de

4. Shirokov I.B., Durmanov M.A., Chertkov V.E. Adaptive array of base station of mobile communication // IEEE Proc. 6th Int. Conf. on Antenna Theory and Techniques ICATT’07 (17–21 september 2007). – Sevastopol, 2007. – P. 332–334.