Теория антенн

Теория антенн для 4g Lte

Что такое радиоволны

Радиово́лны - электромагнитные волны с частотами до 3 ТГц, распространяющиеся в пространстве без искусственного волновода. Радиоволны в электромагнитном спектре располагаются от крайне низких частот вплоть до инфракрасного диапазона. С учётом классификации Международным союзом электросвязи радиоволн по диапазонам, к радиоволнам относят электромагнитные волны с частотами от 0,03 Гц до 3 ТГц, что соответствует длине волны от 10 млн километров до 0,1 миллиметра.

Для мобильной связи в России используются радиовольны в диапазонах от 450 / 800 / 1800 / 2100 / 2600 МГц с дилнной волны (λ) 0,7 / 0,4 / 0,18 / 0,16 / 0,13 метра соответственно.

Что такое коэффициент усиления антенны

Коэффициент усиления (КУ) антенны — отношение мощности на входе эталонной ненаправленной антенны к мощности, подводимой ко входу рассматриваемой антенны, при условии, что обе антенны создают в данном направлении на одинаковом расстоянии равные значения напряженности поля или такой же плотности потока мощности.

КУ является безразмерной величиной, чаще всего выражаться в децибелах (дБ, дБи, дБд). Для обозначения КУ используют латинскую букву G (от англ. Gain).

У узконаправленных антенн коэффициент усиления в определенном направление выше чем у широконаправленных, так как "мощность" антенны у последних "размазывается по всем направлениям а не концентрируется в узкий луч, при прочих равных.

Что такое поляризация антенн

Поляризация — это направленность вектора электрической составляющей электромагнитной волны в пространстве.
Различают: вертикальную, горизонтальную и круговую поляризацию.

Круговая поляризация "съедает" 3Дб мощности по сравнению с линейной.

Антенны горизонтальной поляризации дают больший эффект, т.к. природные и индустриальные помехи, имеют в основном вертикальную поляризацию.
Горизонтально поляризованные волны, отражаются от препятствий менее интенсивно, чем вертикально.
При распространении вертикально поляризованных волн, земная поверхность поглощает на 25% меньше их энергии.

Какие поколения и стандарты связи бывают

1G - первое поколение мобильной связи, разработанное в 1970х годах и внедренное в 1984 году. Представляет из себя аналоговый сигнал.

2G - второе поколение мобильной связи, использующее уже цифровой сигнал. Стандарт был введен в 1991 году.

3G - стандарт, основанный на методе множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA), соединяет в себе как пакетную коммутацию, так и коммутацию каналов. Внедрен в России в 2002 году.

LTE (4G) - первоначально LTE разрабатывался в рамках 3GPP (The 3rd Generation Partnership Project) как развитие CDMA и UMTS, и относился к третьему поколению и расшифровывается как Long Term Evolution. Отличается от 3G в первую очередь тем, что полностью основан на пакетных протоколах передачи данных. Первая коммерческая сеть 4G Была запущена в 2009 году в Швеции.

В соответствии со стандартами, чтобы считаться сетью 4го поколения, скорость передачи данных для мобильных пользователей должна быть выше 100 МБит/сек, для стационарных - до 1Гбит/сек

WiMAX (IEEE 802.16) - является продолжением протокола Wi-Fi. Подразделяется на фиксированный и мобильный. Преимуществом WiMAX стало то, что он раньше чем 4G стал пригоден к коммерческой эксплуатации (в 2004 -2005 годах).

5G - отличается в первую очередь режимом device-to-device, т.е. связь непрямую между устройствами, что удобно для технологии интернета вещей (IoT). Так же имеет большую энергоэффективность и как следствие большее время автономной работы мобильных устройств и меньшее влияние излучения на организм.

На базовых станциях применяются многоэлементные цифровые антенные решетки с числом элементов от 128 и более для увеличения ширины канала (т.н. Massive MIMO)

Использует диапазон частот FR1 (600–6000МГц) и FR2 (24–100ГГц).

Что такое технология MIMO

MIMO (Multiple Input Multiple Output) — метод пространственного кодирования сигнала, позволяющий увеличить полосу пропускания канала, в котором передача данных и прием данных осуществляются системами из нескольких антенн. Передающие и приёмные антенны разносят так, чтобы корреляция между соседними антеннами была слабой.

Технология MIMO нашла практическое применение в беспроводных локальных сетях стандарта IEEE 802.11n, IEEE 802.11ac, а также в беспроводных сетях мобильной связи WiMAX и LTE.

Можно провести аналогию с одноколейной и двухколейной железной дорогой между двумя городами, где пропускная способность будет очевидно выше.

Для пользователя на стороне железа выглядит как 2 антенны, или одна антенна с двумя разъемами и соответственно 2 коаксиальных провода идут в модем. 

На каких частотах работает 4G LTE в России

  • LTE B7 (от абонента) 2500—2570 МГц (к абоненту) 2620—2690 МГц — 2×30 компания «Скартел», 2×10 ОАО «Ростелеком», ОАО «Мобильные ТелеСистемы», ОАО «МегаФон», ОАО «Вымпел-Коммуникации».
  • LTE B20 ↑832—862 МГц ↓791—821 МГц — 2×7,5 ОАО «Ростелеком», ОАО «Мобильные ТелеСистемы», ОАО «МегаФон», ОАО «Вымпел-Коммуникации». (план 2013—2019 г.)
  • LTE B38(TDD) 2570..2620 МГц — 1×25 ОАО «МегаФон», ОАО «Мобильные ТелеСистемы», ООО «ЕКАТЕРИНБУРГ-2000»
  • LTE B40(TDD) 2300..2400 МГц — ОАО «Ростелеком» (2013 г.), ОАО «Основа Телеком», ОАО «Вайнах Телеком»
  • LTE B3 ↑1710—1785 МГц ↓1805—1880 МГц — ООО «ЕКАТЕРИНБУРГ-2000»
  • 4G диапазон ↑720—750 МГц ↓761-791 МГц — 2×7,5 (рассмотрение в МСЭ)
  • 4G диапазон 31 ↑452.5—457.5 МГц ↓462.5—467.5 МГц — ЗАО «Скай Линк» 

Что такое диаграмма направленности антенны

графическое представление коэффициента усиления антенны, в зависимости от ориентации антенны в пространстве.

Чем более вытянутая диаграмма направленности, там больший коэффициент усиления у антенны при прочих равных, но и ширина диаграммы намного меньше. У всенаправленных антенн диаграмма напоминает сферу или тор и сила расходуется во все стороны. Следовательно для усиления сигнала в загородном доме требуется более направленная антенна, а для движущихся абонентов (автомобиль, телефон) - более широко направленная, но менее "сильная". Чем больше элементов тем уже проекция в первую очередь по вертикали.

 Диаграмма направленности антенны

Зависимость коэффициента усиления и диаграммы направленности от количества элементов Яги антенн (волновой канал)

На анимации представлено наглядно как изменяется диаграмма направленности и коэффициент усиления при изменения числа элементов. 

зависимость усиления от количества элементов Yagi

Длина траверсы и составляет 2,5l при 10 элементах и более 10l при 33-х элементах.

Характеристики базовых станций

●       MCC - код страны, для России это 250. (важно обращать на это внимание в приграничных территориях)

●       MNC - код сети, Билайн - 99, МТС - 01, Мегафон - 02, Теле2 - 20, Ростелеком - 39.

●       LAC/TAC - код местности, содержится в принимаемом сигнале.

●       CID/SAC/ECI - идентификатор соты, также содержится в сигнале.

 

Что за параметры CINR, RSSI, RSRP, RSRQ, CQI и на что они влияют

CINR (Carrier to Interference + Noise Ratio) также называемый SINR (Signal to Interference + Noise Ratio) — отношение уровня полезного сигнала к уровню шума (или просто соотношение сигнал/шум). Ждя стабильной работы интернета эанный параметр должен быть больше 10, если значения отрицательные - шума больше чем сигнала

RSSI (Received Signal Strength Indicator) — индикатор уровня мощности принимаемого сигнала. Выражается отрицательными значениями. Чем он больше тем лучше с учетом отношения к шуму. Приемлемое значение больше -85dBm (например -79dbm), совсем плохо когда этот параметр меньше -100dBm (например -110dBm)

RSRP (Reference Signal Received Power) –  уровень принимаемого сигнала с Базовой Станции по уровню пилотных сигналов (Reference Signal). Должен быть больше -120dBm (например -100dBm)

RSRQ (Reference Signal Received Quality) – характеризует качество принятых пилотных сигналов (Reference Signal).

CQI (Channel Quality Indicator) -  индикатор качества канала от 0 до 15, чем выше тем лучше. Зависит от приемного оборудования.