В России еще не началась выдача лицензий для систем 3G. Вместе с тем, очевидно, что так или иначе, но системы 3G все же проложат себе дорогу на российский рынок. Будет ли это перспективный стандарт CDMA2000 1x и его EV-DO, EV-DV реализации или европейский WCDMA, будущее которого не столь уж радужно. В любом случае новым системам понадобятся новые антенны. Какими им быть рассуждает Николай Касаткин, специалист компании RayCom Wireless (по материалам статьи «Adjustable Electrical Beam Tilt on Base Station Antennas”, by Mikael Ahlberg, Erik Lindquist and Peter Nystrom, LGP Allgon AB, Sweden).
Введение
Переход операторов 2G к сетям 3G требует скрупулезного учета специфики этих сетей, использующих всю полосу частот в каждой соте, а значит являющихся динамическими сетями с изменяющейся зоной покрытия.
Особенности эксплуатации таких сетей заключаются в том, что базовые станции (БС) имеют относительно низкий уровень мощности, а достаточно большой процент абонентов находится в режиме постоянного переключения между 2-мя и более сотами. Уменьшение излишнего перекрытия между ними за счет регулировки покрытия в зависимости от нагрузки на соту (число абонентов, объем трафика данных и т.д.), во-первых, уменьшает интерференцию от соседних БС (работающих на одной и той же частоте), а во-вторых, исключает избыточные переключения смежных базовых станций и дает возможность избежать общей хронической перегрузки сети.
Одним из эффективных методов решения указанных выше проблем является, как известно, использование антенн БС с электрически регулируемым углом наклона диаграммы направленности (ДН), обеспечивающих более четкие границы вдоль зоны покрытия и, тем самым, уменьшающих негативные эффекты от взаимного влияния соседних сот.
Системы регулирования угла наклона претерпели существенную эволюцию в течение последних лет. Используемые достаточно широко механические системы MDT (Mechanical Down Tilt) имеют существенные недостатки, выражающиеся в искажении при наклоне луча формы ДН антенны в горизонтальной плоскости и проявлении азимутальной зависимости угла наклона и коэффициента усиления (КУ) антенны,
Этот недостаток удалось преодолеть в системах с электрической регулировкой углов наклона EDT (Electrical Down Tilt). В этих антеннах угол наклона не зависит от азимута, а форма ДН антенны остается неизменной (см.рис.1). Необходимый наклон луча обеспечивается кабельной разводкой (фиксированный наклон луча), либо фазовращателями (регулируемый вручную наклон луча).
На рисунке показана разница между антеннами MDT (левый) и EDT (правый) для типовой UMTS антенны с шириной ДН 65° в горизонтальной плсокости (half-power) и КУ 18 dBi (Allgon 7520.00:
- черная линия – без регулировки угла наклона
- красная линия - механическая регулировка с дискретом 2,4,6,8 градусов
- синяя линия - электрическая регулировка с дистретом 2,4,6,8 градусов
При сравнении ДН хорошо видно, что уменьшение площади ДН по мере увеличения угла наклона происходит с эффектом закрывающегося зонтика. В механической системе полный эффект от наклона ДН наблюдается только в одном (основном) направлении. В системах с электрическим наклоном эффект от наклона ДН почти одинаков во всех азимутальных направлениях, что позволяет сохранять форму ДН при изменении углов наклона.
Более четкая форма ДН позволяет частично решить проблему хэндовера. Так, применение антенн EDT позволяет, при расстоянии между базовыми станциями до 2 км, уменьшить зону хэндовера на 200 м. (см.рис.2).
Рис. 2.
На рисунке показана степень уменьшения зоны хэндовера по мере увеличения угла наклона ДН. Измерения проводились для 2 БС, удаленных друг от друга на 2 км и использующих антенну Allgon EDT 7520.00 с 0° и 8°. Уменьшение зоны хэндовера составило 200 m. (была использована модель распространения COST 231 WILOS).
Системы EDT позволили улучшить эксплуатационные параметры антенн, однако они имеют тот недостаток, что жестко заданные при изготовлении антенн углы наклона не всегда удобны при установке антенн в холмистой местности, где бывает необходима более точная настройка ДН. Антенны с возможностью ручной подстройки угла наклона в полевых условиях устранили это ограничение. Они получили обозначение антенн MET (Manual Electrical Down Tilt).
Дальнейший прогресс в этом направлении связан с переходом к дистанционному управлению углами наклона, что особенно актуально для сетей 3G.
Использование антенн с регулируемым углом наклона в сетях 3G
Как было сказано выше, специфика сетей 3G заключается в необходимости организации динамического покрытия, которое бы позволило оптимизировать энергетическое параметры сети в зависимости от нагрузки. Такое покрытие предполагает использование принципиально новых антенн с дистанционным управлением углом наклона, позволяющих поддерживать оптимальный уровень мощности за счет динамического изменения площади покрытия в процессе эксплуатации, в частности, адаптировать мощность к нагрузке на отдельных участках покрытия в течение дня в часы "пик", а также подстраивать покрытие при существенном увеличении нагрузки без выезда специалистов на место.
При проектировании сетей 3G необходимо принимать во внимание и такой аспект проблемы обеспечения покрытия, как необходимость изменения ДН в зависимости от вида предоставляемого сервиса, что предполагает организацию покрытия с четким очертанием ДН и достаточно гибкой системой управления этим покрытием.
Дело в том, что в сетях 3G проектировщикам приходится искать компромисс между необходимостью обеспечения достаточно большой зоны мягкого хэндовера (при уменьшении зоны хэндовера уменьшается параметр количества и качества предоставляемых услуг - service level), и требуемого коээффициента использования емкости сети (т.е.объема трафика).
Проблема установления оптимальной величины зоны мягкого хэндовера потребовала от проектировщиков и поставщиков оборудования обеспечения существенно более четких, а главное, динамично регулируемых границ зон покрытия.
Ответом на этот вызов стали антенны следующего поколения c электрической ручной и/или дистанционной системой регулирования угла наклона – RET (Remote Electrical Down Tilt). Блок дистанционного управления таких антенн RET имеет высокоточный шаговый электродвигатель, соединенный с приводом, управляющим установленными в теле антенны фазовращателями. Достигаемый в антеннах RET более крутой градиент мощности сигнала на границах зоны облучения позволяет ввести параметр позиционируемой площади покрытия соты (cell border position) для сервисов, требующих разных уровней мощности сигнала.
В самом общем случае, для обеспечения требуемого эффекта от регулирования угла наклона необходимы узконаправленные ДН, поскольку более широкий луч не сможет обеспечить требуемого эффекта roll-off (передачи управления соседней соте на границе зоны покрытия). С другой стороны, луч с небольшим углом излучения в вертикальной плоскости может вызвать проблемы при проектировании сети и инсталляции антенн.
Для обеспечения требуемого эффекта в сетях 3G достаточно эффективны антенны RET диаметром 0.3 м для диапазона частот 1710-2170 МГц с лучом 6-8 градусов половинной мощности (6-8 half power beam width). Такие антенные системы с гибкой регулировкой зоны покрытия обеспечивают преимущества как по улучшению коэффициента использования емкости сети (capacity utilisation), так и по улучшению параметра объема предоставляемых услуг (service distribution).
Системный подход
При разработке антенн следующего поколения для сетей 3G их создатели, например, компании Kathrein (Германия), LGP Allgon (Щвеция) и др., учитывали в полной мере рекомендации AISG (Antenna Interface Standard Group) – международной организации, созданной компаниями-производителями антенн для разработки открытых стандартов в области антенных технологий. В частности, системы управления и мощности антенн RET удовлетворяют требованиям стандарта AISG1. Этот стандарт использует 3 уровня из 7-и уровневой модели интерфейсов открытых систем (OSI), а именно, уровни 1, 2, 7.
• Уровень 1 (физический уровень) определяет электрические характеристики передаваемого сигнала. В стандарте AISG1, антенны этого уровня могут использовать в качестве среды передачи две системы (обе допускают скорость передачи данных в 9.6 кбит/сек, с опциями 38.4 и 115.2 кбит/сек):
- заземленный 3-проводный кабель со сбалансированным интерфейсом передачи данных RS485, с питанием +12, +24 В или, в качестве опции, -48 В (см.рис.3, правый)
- коаксиальный кабель (фидер), используемый антеннами AISG1 при работе в диапазоне частот 4.5 или 9 МГц. (см.рис.3 средний и правый)
• Уровень 2 (уровень передачи данных) определяет доступ к физическому уровню (доступ к данным и к среде передачи данных), т.е., практически, минимальный набор требований протокола асинхронной передачи данных (HDSL – High Level Data Link Control protocol).
• Уровень 7 (application layer - уровень приложений) определяет требования к протоколу конечного пользователя и приложениям. Он же описывает формат нагрузки и требуемый набор команд. Типовыми командами этого уровня являются команды инициации системы/устройства, установки начальных параметров, калибровки, входного контроля, подключения устройств управления и мониторинга.
Системы RET, удовлетворяющие требованиям стандарта AISG1, предполагают два варианта управления системой наклона ДН. Если не требуется частого изменения площади зоны покрытия, что характерно для сетей 2G, блок управления углом наклона может устанавливаться непосредственно на БС, а запитываться или по трехпроводному фидеру (см.рис.3, левый), или по сигнальному фидеру с токовым инжектором (рис.3. центральный). Техническое обслуживание такой антенны может быть организовано по интернет-каналу, при этом все корректировки производятся с помощью обычного WEB-браузера.
Во втором случае, наиболее употребительном для сетей UMTS, блок MCU подключается непосредственно к общей системе управления сетью NMS. При этом NMS начинает воспринимать параметр «угол наклона антенны» как обычный параметр БС, такой же, как «выходная мощность передатчика», «время хэндовера» и другие.
Таким образом, обеспечивается возможность централизованного (по сети TCP/IP через локальную сеть LAN или по Интернет) индивидуального управления электрическим наклоном луча каждой антенны, входящей в состав сети 3G. Если БС AISG совместима, блок MCU не нужен (см.рис.3, правый).
Рис.3
На схеме приведены 3 варианта конфигурации антенн RET для трехсекторной БС - три RET модуля соединены вместе по каскадной схеме:
- левый рисунок - блок управления подключается к RET модулям по 3-проводному кабелю
- центральный рисунок –- питание к модулю RET подается по сигнальному фидеру с токовым инжектором
- правый рисунок - вариант подключения RET антенны к AISG совместимой базовой станции.
Измерения
Для проверки эффективности концепции RET-антенн компания Allgon (Швеция) провела серию измерений в кооперации с одним из шведских операторов UMTS. Измерения были проведены летом 2002 г. в Стокгольме.
Инсталляция RET-антенны
Измерения проводились на базе 3 БС, отстоящих друг от друга на расстояние от 530 до 960 м. По одному из секторов каждой БС были оборудованы антеннами Allgon 7520.00, ориентированными в направлении между двумя другими БС. Параметры антенны 7520.00: 1900-2170 МГц, радиус 1.3 м, коэффициент усиления 18 dBi, ширина ДН 65 градусов, система MET с диапазоном углов наклона от 0 до 8 градусов, возможность использования с блоком дистанционного управления RET. Антенны RET были смонтированы на крышах домов без применения механической системы регулировки угла наклона и рассматривались в качестве отдельно стоящего устройства (см. рис.4).
Максимальная выходная мощность БС (UMTS) составляла 20 Вт. Фидеры использовались длиной 15-30 метров. Измерительная система компании Ericsson/Erisoft (TEMS Investigator) имела небольшую всенаправленную антенну с вертикальной поляризацией и длиной волны L/4, установленную на крыше автомашины. Оборудование GPS, соединенное с TEMS, фиксировало местоположение измерительной антенны в момент приема каждой конкретной порции данных.
Площадь измерения составляла примерно 1.6 – 1.5 кв.км и состояла из типично городской застройки со средней высотой домов приблизительно 20 метров. Некоторые здания были значительно выше.
Рис. 4. (Правый) Карта района, где проводились измерения.
(Левый) Вид с южной БС в сторону двух других БС, расположенных на севере.
Измерения проводились в три этапа с различными электрическими углами наклона – 0, 6 и 8 градусов. Все три тестировавшихся сектора использовали один и тот же угол наклона. Автомобиль с измерительным комплексом перемещался по улицам в испытуемом районе, регистрируя различные параметры, используемые при определении качества канала связи в пилотном канале downlink. Среди них:
• Агрегированные мощности Eс и Eb , характеризующие общую мощность сигнала для конкретного кода скрэмблирования, приведенную к одному чипу и одному биту соответственно. Эти два параметра определяют скорость передачи данных в битах в данном канале.
• уровень интерференции - Io
Производный параметр Eс/Io, представляющий собой отношение мощности передаваемого сигнала к уровню интерференции, должен соответствовать выбранной скорости передачи данных в канале для каждого конкретного вида сервиса. Этот параметр зависит одновременно от большого числа параметров передаваемого сигнала, особенно в многолучевом окружении (multipath behaviour).
Вид сервиса ............... Скорость, кбит/с ............... Требуемое EcIo, dB
Передача видео ............... 384 ........................................ -4.5
Передача аудио ............... 128 ........................................ -8.8
Видеотелефон ................... 64 ....................................... -11.1
Голос .................................. 12 ....................................... -17.5
Из таблицы видно, что уровень интерференции на 1 чип на самом деле оказался выше, чем обычно используемый уровень. Однако, учитывая что сеть 3G имеет параметры CDMA-системы, длина и ортогональность используемого кода позволяют компенсировать этот эффект и обеспечить необходимое превышение уровня передачи над уровнем интерференции, т.е. требуемую величину так называемого коэффициента усиления процесса (processing gain).
Требуемый уровень компенсации достигнут после использования различных способов кодирования для минимизации коэффициента BER.
Возможности антенн RET по обеспечению минимальной интерференции, необходимой для обеспечения максимального коэффициента использования емкости сети, показаны на рис.5, 6. Управление углом наклона позволяет уменьшить интерференцию за счет обеспечения следующих двух факторов:
• концентрация и удерживание мощности сигнала в пределах соты, недопущение ее распространения за пределы соты. Это позволяет удержать уровень интерференции в рассматриваемой соте в приемлемых границах и обеспечить требуемый уровень хэндовера с соседними базовыми станциями.
• обеспечение четких границ соты для минимизации интерференции с соседними сотами и сокращения, тем самым, зон хэндовера типа «soft/softer» (т.е. когда мобильный телефон подключается к 2-3 базовым станциям одновременно).
Рис. 5 показывает результаты моделирования топологии сети для случая ‘best server’ между тремя сотами, измеренными в параметрах Ec. Использованные EDT антенны имели углы наклона слева направо 0°, 6° и 8°. Очерченные области зон покрытия являются более сконцентрированными в случае использования антенн с большими EDT, чем в случае отсутствия антенн EDT.
Рис.6 показывает концентрацию самой южной БС с EDT антенной – (слева, направо 0°, 6° и 8°. Границы сот острее, чем при использовании антенны с большим углом наклона EDT.
При оптимизации параметров (cell spread) и (edge roll-off) параметры «soft хэндовер” и “softer хэндовер” могут быть сбалансированы для достижения максимального эффекта от применения регулируемых углов наклона.
Эффект от регулировки угла наклона сказывается не только на уровне сигнала, как это показано на рис.5 и 6., но также и на коэффициенте Eс/Io, который может напрямую соответствовать, согласно табл.1, соответствующему сервису. На рис.6 показаны площади предоставления конкретного исследуемого сервиса в одной соте. Хорошо видно, как площади предоставления услуги передачи данных со скоростью 64,128 и 384 кбит/сек изменяются в зависимости от увеличения электрически регулируемого угла наклона.
Все измерения и результаты моделирования, представленные в данной статье, показывают, что угол наклона луча является одним из ключевых параметров при организации гибкой и высококачественной сети. Понятно, что EDT желателен с углом наклона большим, чем 0 градусов, для того чтобы добиться концентрации сигнала в пределах соты. С другой стороны, если угол наклона слишком велик, площадь засветки может стать слишком маленькой для обеспечения требуемого покрытия.
Именно возможность обеспечения оптимального баланса между площадью покрытия и качеством предоставляемого сервиса показывает все преимущества от применения систем с регулируемымм углом наклона ДН. Результаты измерений не дают возможности определить конкретные параметры этого баланса, поскольку они проводились фрагментарно и в условиях ограниченного времени проведения эксперимента, однако, очевидно, что системы с дистанционным регулированием угла наклона, вместе с другими факторами, такими как практический опыт проектирования, статистические данные эксплуатации сети, результаты моделирования, позволяют полностью оптимизировать сеть с точки зрения ее качественных параметров и функциональных возможностей. Этот уровень оптимизации, в свою очередь, варьируется в зависимости от времени суток, уровня дробления соты (cell splitting), динамики и вида трафика пользователя.
Выводы
Результаты измерений, приведенные в данной статье, подтверждают преимущества использования антенн с регулируемым углом наклона в сетях 3G. Достигаемый при этом баланс между высокой функциональностью сети и высоким качеством связи и предоставляемых услуг, в противовес к преимуществам, достигаемым при использовании упрощенного «экономичного» подхода, обеспечивает стратегические преимущества в долгосрочной перспективе.
Регулируемый угол наклона луча предоставляет проектировщику такие преимущества, как большая свобода в обозримом будущем для оптимизации сетей при увеличении абонентской базы или спроса на услуги, требующие высокой емкости сети.
Для достижения этих преимуществ, а также снижения капитальных затрат и эксплуатационных расходов используемые проектировщиками решения должны обладать способностью адаптации к будущим применениям.
Антенны для современных сетей 2G/3G должны быть инсталлированы оптимальным образом с точки зрения сети в целом, однако этот оптимум меняется со временем. В этом плане, антенны с регулируемым углом наклона с точки зрения перспективы развития сети являются прагматичным выбором, особенно учитывая тот факт, что со временем, обслуживание антенн для корректировки их ДН будет становиться все более накладным с точки зрения времени и с точки зрения денег.
В этом плане, естественным подходом для операторов при решении проблемы обеспечения высокого качества сервиса на всех этапах развития сети представляется установка антенн MET с возможностью переориентирования их в будущем на антенны RET.
Преимущества , достигаемые при использовании антенн MET и RET
MET:
- меньшее число типов антенн упрощает логистику, уменьшает капитальные затраты
- упрощение процесса проектирования, максимальная свобода за счет использования регулируемых углов наклона
- возможность оптимизации сети в нужное время с помощью удобных средств регулирования углов наклона
RER:
- простой способ регулировки углов наклона ДН
- сокращение затратных по времени и деньгам визитов на базовые станции
- возможность использования алгоритмов управление углами наклона ДН, как мощного средства оптимизации сетей
(c) Н.Касаткин, RayCom Wireless (по материалам статьи «Adjustable Electrical Beam Tilt on Base Station Antennas”, by Mikael Ahlberg, Erik Lindquist and Peter Nystrom, LGP Allgon AB, Sweden).
