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