Усиление сигнала WiMAX | Введение
На сегодняшний день беспроводные сети WiMAX набирают всё большую популярность. WiMAX предлагает мобильность по сравнению с технологиями xDSL и большую скорость, чем 3G в сотовых сетях GSM или CDMA (сеть SkyLink). Декларируемая максимальная скорость WiMAX составляет десять мегабит, и наша практика показывает, что в идеальных условиях это возможно. Но, эти идеальные условия, к сожалению, встречаются не так уж часто. Расстояния и рельеф играют против беспроводных операторов и их пользователей, ведь покрытие WiMAX очень невелико. Например, у самого популярного WiMAX-оператора Yota заявлена возможность подключения всего в пяти крупнейших городах России: Москве, Санкт-Петербурге, Уфе, Сочи и Краснодаре. За пределами этих городов поймать WiMAX тоже можно, но недалеко. Даже в Москве, зачастую уже в двух километрах за МКАД, модем "не видит" радиосигнал.
Вторая проблема - внутри помещений сигнал WiMAX теряет в мощности значительно сильнее, чем сигнал сотовой связи. За счёт этого в подвальных помещениях и длинных туннелях сигнал и вовсе пропадает. Последняя проблема, чаще всего сказывающаяся на скорости передачи данных по WiMAX - большая загруженность базовых станций. Прирост абонентской базы у Yota оказался таким быстрым, что в некоторых местах города на одной базовой станции сидит слишком много абонентов, и скорость скачивания начинает напоминать GPRS.
Все эти проблемы так или иначе решаемы. Последняя из описанных выше, связанная с перегрузкой базовых станций, в меньшей степени может быть решена абонентом (разве что он переместится в пространстве, благо мобильный WiMAX это позволяет, и модем подключится к менее загруженной базовой станции), а о двух первых поговорим подробнее.
Следует понимать, что не существует способа поймать сигнал WiMAX там, где его нет. Не стоит надеяться, что в ста километрах от Москвы, Уфы или другого города, где не установлены базовые станции Yota , вы сможете что-нибудь скачать. Но на разумном удалении от базовых станций, даже если модем не видит сигнала, а также в случаях, когда устройство видит слабый сигнал и не соединяется (либо качает слишком медленно не из-за перегрузки базовой станции), есть способы улучшить приём и даже получить устойчивый сигнал. Суть заключается в том, что сигнал в этих местах есть, но слишком слабый.
Для усиления сигнала в сети WiMAX можно использовать специальные антенны. Они подключаются либо к соответствующему разъёму на WiMAX-роутере, типа ZyXEL MAX-206, либо к USB-модему. В отличие от роутера, модемы не оснащены доступными разъёмами для внешних антенн. Их приходится модифицировать, монтируя на модем так называемые "пигтейлы". Такая операция лишает владельца модема гарантии, но позволяет в ряде случаев существенно улучшить скорость приёма и отправки данных, а иногда даже подключиться к WiMAX там, где до этого модем сети "не видел".
Как же определиться с тем, что, действительно, нужно конечному пользователю, и как после этого сделать правильный выбор самого оборудования и связующих компонентов? Так, если, например, требуется подобрать подходящий маршрутизатор, то всегда было возможно обратиться к обзорам и тестам оборудования, как печатным, так и электронным; изучить установленные разъёмы, выяснить скорости, удостовериться в наличии той или иной возможности. Иначе обстоит дело в случае, когда речь заходит о соединительных кабелях, патч-кордах, пигтейлах. Найти какую-либо подробную информацию бывает крайне затруднительно, а порой не удаётся даже установить и самого производителя. Столь малый интерес к параметрам электрических и оптических кабелей среди продавцов, покупателей, компаний-интеграторов и журналистов вызван, вероятно, кажущейся простотой обсуждаемых изделий. Мы решили изменить эту ситуацию и доказать читателям, что качественные линии связи не менее важны, чем само активное сетевое оборудование. В этой статье мы расскажем о пигтейлах и фидерах, а также коснёмся темы ряда их параметров. Компания , выступившая инициатором темы, провела для нас специальный мастер-класс, на котором при помощи весьма дорогостоящего оборудования наглядно демонстрировалась разницу между качественными и не очень качественными пигтейлами, кабелями снижения и их разъёмами.
Усиление сигнала WiMAX | USB-модемы Samsung SWC-U200: универсальное решение
Здесь же следует заметить, что указанная компания продаёт качественные пигтейлы для подключения внешних антенн также и к модемам BM325
, обеспечивающих доступ стационарных ПК и ноутбуков к WiMAX
-сети Comstar
.
Рассматриваемые образцы имели различные разъёмы для подключения к модему, что нас несколько удивило. Разъёмы отличались друг от друга размерами и формой.
Нам было любопытно сравнить КСВ качественного пигтейла (последний график) и тех, что выполнены кустарно (первые два измерения). Маркерами М1 (2,5 ГГц) и М2 (2,7 ГГц) отмечены границы частотного диапазона WiMAX . Полный диапазон частот измерений располагался от 0 Гц до 3 ГГц. По представленным ниже графикам видно, что КСВ качественного пигтейла находится заметно ниже 1.5 единиц, в то время как менее качественные образцы показывают величины КСВ от 1.75 до 2.75, что является совершенно неприемлемым, ведь производство таких ВЧ кабелей не является технологически сложной задачей. Большое значение КСВ плохо не только тем, что до антенны доходит меньшее количество энергии, но ещё и тем, что большая часть энергии возвращается обратно в модем, не рассчитанный на работу в таких условиях. Большое значение КСВ может приводить к ощутимому нагреву оборудования.
Разница в качестве изготовления кабелей снижения ещё более заметна для невооружённого глаза. В качественном разъёме фидера (на фотографии сверху) экран припаивается к разъёму, в менее качественном же – просто зажимаются волоски.
Естественно, разница в разделке кабеля сказывается и на его передающих свойствах, но она не столь существенна, как в случае с пигтейлами. Правда, на оригинальных фидерах (нижний график) отсутствуют выбросы КСВ для определённых частот.
Кроме проблем с отражёнными сигналами существует ещё и рассеиваемая в линиях передачи энергия. Мы также решили провести соответствующее измерение для кустарных (сверху) и оригинальных (снизу) кабелей снижения. Полученные показатели затухания различаются приблизительно на 1дБ, то есть где-то в 1.25 раза. Потери и отражения в некачественных пигтейлах, разъёмах и фидерах могут быть настолько велики, что сам эффект от применения внешней антенны может быть нивелирован.
Некачественные части ВЧ-трактов несут в себе и ещё одну не столь очевидную на первый взгляд проблему: в домашних условиях диагностика работоспособности пигтейла или фидера невозможна, поэтому собрав схему подключения к Yota с использованием внешней антенны абонент может получить не те скорости, которые могли бы быть достигнуты в принципе в данном месте с использованием ВЧ-компонентов с предсказуемыми параметрами. Кустарно изготовленные пигтейлы и фидеры даже в одной партии могут существенно отличаться друг от друга по отражению и затуханию, что приведёт к совершенно разным результатам даже в полностью аналогичных точках использования WiMAX . Плохая разделка кабеля в разъёмах приводит к потере кабелем его гидрофобных свойств, что с течением времени приводит к полной или частичной неработоспособности частей ВЧ-тракта, монтированного наружно. И коль скоро наш читатель решится на применение внешних антенн для усиления сигнала WiMAX -модема, мы могли бы лишь порекомендовать приобретение всего активного и пассивного сетевого оборудования от известных и проверенных поставщиков, предлагающих качественную по всем параметрам продукцию, чтобы не было обидно за бесцельно потраченные средства.
Усиление сигнала WiMAX | Заключение
Какое оборудование покупать, каждый потребитель, конечно же, решает для себя сам, мы же в данной статье лишь хотели осветить те подводные камни, которые могут встретиться в процессе выбора, приобретения, настройки и эксплуатации; указать на ряд малоизвестных рядовому пользователю параметров выбираемого WiMAX оборудования. К сожалению, кустарно произведённые комплектующие не проходят должного тестирования на соответствие всем требованиям ВЧ-траков, поэтому гарантировать стабильную работу во всех допустимых условиях не возможно. В качестве же серийно выпускаемых пигтейлов и фидеров можно быть уверенными, так как кроме автоматизированной разделки с соблюдением технологии изготовления все ВЧ-компоненты проходят обязательную проверку, используемые же разъёмы были специально сконструированы, а не подобраны среди геометрически подходящих.
Также хотелось бы напомнить читателю, что указанная в статье "доводка" модема приводит к потере гарантии производителя, но в том случае, когда это единственная возможность подключиться к сети, принимаемый риск может стать оправданным.
Итак, наш дорогой друг и читатель, ты решил сделать себе беспроводной
Интернет. Или беспроводную сеть с другом, живущим далеко. Первая проблема,
встающая перед тобой, – плохой уровень сигнала. И причиной этому может быть все
что угодно! Деревья, здания, расстояние от одной точки до другой. Есть много
разных способов увеличить мощность сигнала: пододвинуть комп ближе к окну,
вынести девайс на USB-удлинителе и, наконец, спилить деревья и сломать преграды.
Но бывают такие случаи, что ничего уже не помогает. И у тебя остается один
выход. Усиливать сигнал другими способами. Например, внешней антенной. Сегодня
мы хотим тебе предложить конструкцию простой, недорогой и надежной антенны,
которую можно собрать практически из подножного хлама!
Немного теории
Частоты работы Wi-Fi и WiMAX абсолютно идентичны и равняются 2.4-2.7 ГГц.
Отличие кроется в кодировке сигнала и мощности передатчика, но для нашей антенны
это совершенно неважно. Чтобы изготовить антенну, нам требуется знать длину
волны. По формуле из курса физики ее довольно просто рассчитать. Достаточно
разделить скорость света в вакууме на частоту волны. Не будем утруждать тебя
долгими вычислениями. Скажем лишь, что ее длина составляет приблизительно 124 мм
при 2.4 ГГц (начало рабочей частоты) и 111 мм в конце диапазона на частоте 2.7
ГГц. Чтобы создать антенну, работающую одинаково на всем диапазоне частот, мы
сделаем сторону квадрата равной 30.5 мм, что составляет четвертьволновой
диапазон.
Антенна состоит как бы из двух частей: рефлектора и резонатора. Резонатор –
это сам двойной квадрат со стороной в четверть длины волны, а рефлектор – это
металлическая часть, к которой все крепится. Естественно, что среди
радиолюбителей этот простой и доступный вариант антенны используется уже не
первый год, а сама эта система придумана очень давно. Данная антенна способна
дать усиление от +6 до +10 дБ. Некоторые источники также сообщают, что если ее
использовать вместе с параболическим зеркалом (обычной спутниковой тарелкой), то
можно добиться усиления до +20 Дб. Для WiMAX это означает халявный Интернет на
даче. Однако мы таких экспериментов пока не ставили.
Изготовление
Начнем с резонатора. Для него тебе потребуется медная проволока диаметром
1.5-3 мм. Ее ты можешь достать где угодно, ибо в наше время это совсем не
дефицит. Кроме нее тебе могут пригодиться молоток, пассатижи, паяльник, припой,
линейка, канифоль или паяльный флюс, желательно ЛТИ-120, и руки, растущие из
нужных мест. Надеемся, ты достаточно хорошо усвоил школьный курс геометрии и
знаешь, как должен выглядеть квадрат. Сначала мы берем кусок проволоки длиной
244 мм и размечаем его через каждые 30.5 мм. Затем ты должен взять плоскогубцы и
изгибать проволоку под углом в 90 градусов на каждой засечке. Следи, чтобы
отклонения в разные стороны были минимальны и проволока не перегибалась никуда в
другую сторону. Для простоты смотри чертеж.
Как только у тебя получился один квадрат, сделай второй, максимально на него
похожий, с другого конца. Угол между сторонами квадратов должен составлять 90
градусов. У тебя должен получиться замкнутый контур. Концы проволоки можно
спаять вместе. Далее откладываем в стону резонатор и принимаемся за рефлектор.
Его можно изготовить вообще из чего угодно: из стенки корпуса от компа, старой
завалявшейся железки, автомобильного номера…
Однако мы рекомендуем использовать для этого плату из фольгированного
текстолита. Во-первых, там используется медь, сопротивление которой ниже, чем у
железа, а во-вторых, текстолит способен выдерживать практически любые погодные
условия, что позволяет вывешивать антенну прямо на улице. Для данной антенны
желательно использовать одностороннюю плату 120х100 мм, однако, как показывает
практика, 100х100 мм тоже вполне подходит. Тут нам понадобится еще и дрель.
Также тебе потребуется высокочастотный разъем N типа в сборе. Ты должен измерить
диаметр выбранного тобой разъема и просверлить по центру платы дырку для его
вывода. Разъем вставляется с пустой стороны, а его выход – с фольгированой.
После просверли еще дырочки маленьким сверлом по креплениям разъема и привинти
его к плате. Подобные винтики несложно найти в любом хозяйственном
магазине. К внутренней части разъема и к самой плате мы припаиваем по два куска
той же проволоки так, чтобы расстояние от рефлектора до конца любой из них
составляло 2.5 см. Далее ты должен взять резонатор и припаять его к этим ножкам.
Постарайся сделать так, чтобы рефлектор и резонатор были параллельны друг другу.
Изготовление антенны закончено, и мы приступаем к подключению и настройке.
Подключение и настройка
Само собой, тебе потребуется как-то подключить готовый девайс к модему. Учти,
все, что ты делаешь с гарантийным оборудованием, ты делаешь на свой страх и
риск! Редакция не несет за это никакой ответственности.
Для начала сними верхнюю крышку модема. Делать это надо аккуратно, желательно
тонкой отверткой или скальпелем. Начиная с одного конца, около разъема USB,
затем, медленно поддевая крышечку, продвигайся дальше, пока она не откроется с
одной стороны (автор, ты случайно в «Сексе по телефону» в суровые года не
работал? – прим. ред.). Потом повтори ту же процедуру, но с другого конца. Сняв
крышку, ты увидишь два маленьких разъема, заклеенных защитной бумажкой. Сними и
ее! Если положить модем портом USB вниз, то нам нужен левый разъем. К правому
даже не прикасайся! Теперь у тебя два пути: или покупать фирменный пикдейл
(переходник), или сделать свой. Мы выбрали второй вариант, взяв антенный
переходник от маленького горелого ТВ-тюнера и немного его модифицировав
удалением внутреннего пластикового кольца. Но если у тебя подобной вещи нет, то
лучше купи фирменный. В магазинах Москвы мы ничего подходящего не нашли, хотя,
возможно, требуемый разъем и существует в продаже. После тебе нужно подключить
его к проводу. Провод следует использовать RG-6U, как наиболее подходящий по
волновому сопротивлению. Чем меньше будет длина самого провода, тем меньше будут
потери сигнала. В данном случае мы надели на один из концов провода обычный
телевизионный штекер, идеально подходящий к нашему самодельному пикдейлу. На
второй была водружена прикручиваемая часть высокочастотного разъема для
подключения к антенне. После этого все соединяем вместе. У фирменного пикдейла
есть специальное крепление к модему, мы же использовали скрепку и две
канцелярские резинки. Несмотря на то, что выглядит конструкция достаточно
хлипкой, она держится у нас в редакции вот уже четыре месяца.
Далее следует подвесить антенну на улице. Мы использовали мачту от активной
телевизионной антенны и ее крепление. После этого надо подвести кабель к модему
и собрать все воедино. Далее мы вылезаем на карниз (будь осторожен, не свались
вниз!) и настраиваем антенну на точку доступа. Делается это просто: ты крутишь
антенну потихонечку во все стороны и следишь за уровнем сигнала. Найдя точку,
где сигнал будет максимальным, ты закрепляешь антенну как можно сильнее и
забываешь про ее существование. Нам удалось добиться сигнала в 15 дБ там, где
модем без антенны ловил 3-4, иногда 5 дБ.
Результаты
Нам удалось достичь хорошего сигнала в месте, где по карте WiMAX провайдера
приема быть не должно вообще. Методом проб и ошибок нами была сделана антенна,
по своим характеристикам не уступающая фирменным, имеющимся в продаже. К тому же
она очень универсальна и подходит как для Wi-Fi, так и для WiMAX. Разница только
в типе подключаемого оборудования. За время тестирования были и сбои, и
неполадки, однако не по вине антенны. Единственной проблемой была ворона,
которая чуть не скинула всю конструкцию с 12-го этажа. Сигнал получился
стабильным, и скорость соединения возросла в разы. Единственной бедой было то,
что мы лишились гарантии на модем. Хотя она, скорее всего, и не понадобится.
Успехов тебе, радиолюбитель!
Тест данной антенны производился рядом с Савеловским рынком. При помощи
маленькой программы the dude мы сумели обнаружить примерно 2500 абонентов в
карте сети. К некоторым из них даже был доступ. Так что используй хороший
файрвол!
Технология WiMAX на текущий момент вызывает большой интерес у всех, кому нужен быстрый Интернет, и это неудивительно, ведь именно WiMAX является самой передовой технологией предоставления беспроводной связи на больших расстояниях. Новостная лента сайт привыкла знакомить своих читателей с новыми и перспективными технологиями, поэтому мы начинаем серию публикаций, которые помогут вам больше узнать о свойствах и возможностях сетей WiMAX, о способах подключения к ним и об аппаратуре, которая для этого используется.
Что такое WiMAX
Для начала - немного технической информации. WiMAX - это телекоммуникационная технология, разработанная для обеспечения универсальной беспроводной связи на больших расстояниях. Главное удобство WiMAX для конечного пользователя - это совместимость с широким спектром устройств - от настольных компьютеров и лэптопов до мобильных телефонов. WiMAX имеет ряд серьёзных преимуществ перед «проводным» Интернетом: создание беспроводных WiMAX-сетей «с нуля» происходит быстрее, да и в дальнейшем с беспроводными сетями удобнее работать как провайдеру, так и конечному пользователю.
WiMAX и Wi-Fi – в чём разница?
В какой-то мере конкурентом WiMAX в беспроводном сегменте является технология Wi-Fi, но при ближайшем рассмотрении оказывается, что WiMAX и Wi-Fi находятся в совершенно разных «весовых категориях». Точки доступа Wi-Fi способны обеспечить сигнал в пределах всего лишь нескольких сот метров, тогда как WiMAX - это система дальнего действия, покрывающая километры пространства. Наверняка у многих из вас дома стоит Wi-Fi роутер, обеспечивающий Интернетом по DSL-стандартам все устройства в границах квартиры. А технология WiMAX способна расширить эти границы до размера вашего квартала или даже целого города - только представьте, насколько это удобно!
Почему именно WiMAX?
Прежде всего, это скорость и ещё раз скорость! Технология Mobile WiMAX позволяет работать в Интернете со скоростью до 10 Мбит/с. Заключив договор, вы сможете пользоваться быстрым Интернетом в любой точке зоны покрытия - дома, на работе или в машине. Скорость до 10 Мбит/с даёт возможность смотреть мобильное телевидение, слушать радио, за считанные минуты скачивать музыкальные композиции и фильмы на ваш компьютер или коммуникатор.
WiMAX в России
Сейчас на территории Российской Федерации несколько компаний строят свои сети на основе технологии WiMAX, самой же известной и крупной сетью является Yota (торговая марка «Скартел»). Сеть Yota действует на территории Москвы и Санкт-Петербурга с сентября 2008 года, а с 1 июня 2009 г. компания начала тестирование сети в Уфе. Yota позиционирует себя не как провайдера, а как поставщика услуг по доставке мобильных сервисов, среди которых «Yota Музыка» (скачивание и прослушивание более 600 000 треков из каталога), «Yota ТВ» (онлайн-просмотр более 20 российских и иностранных телеканалов), «Yap-Yap» (фотохостинг и синхронизация контактов), «Yota Видео» (онлайн-просмотр полнометражных и мультипликационных фильмов, музыкальных клипов и короткого видео).
Установка оборудования и подключение к сети WiMAX
Настройка беспроводного Интернета в условиях крупного мегаполиса - дело непростое, поэтому лучше всего, когда этим занимается специалист. Нашим консультантом по вопросам настройки оборудования и подключения к сети Yota будет один из инженеров компании «АйТи Тривиал» .
Несмотря на то, что зона покрытия сети Yota охватывает практически всю Москву, качество сигнала зачастую страдает от железобетонных перекрытий, металлических конструкций, ЛЭП и пр. WiMAX-модем обладает всенаправленной антенной, но её, как правило, не хватает для уверенного приёма сигнала.
Мнение специалиста: Инженер, выезжающий на заявку, должен быть во всеоружии. С собой у нас всегда 2 или 3 антенны, несколько кабелей и удлинителей. Если базовая станция Yota находится в пределах прямой видимости на расстоянии до 1 км, то для уверенного приема не требуется никаких дополнительных устройств. Когда же прямой видимости нет, или расстояние больше 1 км - направление сигнала и его сила могут быть какими угодно.
В условиях слабого сигнала для его усиления используются направленные антенны. Простое подключение антенны сигнал само по себе не улучшит, а, скорее, даже ухудшит, так как антенне, в отличие от модема, необходимо точное направление на источник сигнала. Главная задача настройщика - найти это самое направление, после чего установить, направить и закрепить антенну согласно полученным данным.
Мнение специалиста: Сигнал, как правило, проще поймать рядом с окнами. Бывает, что для стабильной работы Интернета достаточно просто установить антенну на подоконник. Впрочем, такой подход практически никогда не работает в подвалах, на нижних этажах зданий или в металлических ангарах. Когда качества сигнала недостаточно - мы пробуем вынести антенну из здания наружу, просто держа ее на вытянутой из окна руке. Можно направить антенну параллельно стенам или на саму стену здания - иногда стена отражает хороший сигнал, особенно если она отделана металлом. В любом случае, направленная WiMAX антенна чрезвычайно чувствительна - отклонение на 5 градусов в сторону может ухудшить качество сигнала вдвое.
Сейчас для подключения к оператору Yota используется всего один тип модемов – Samsung SWC-U200. Модем имеет внутреннюю антенну и обеспечивает приемлемую скорость передачи данных даже при малом уровне сигнала. Однако стоит учитывать, что модем не предназначен для подключения внешних антенн – его технологические разъёмы можно использовать только вместе с произведёнными специально для этих целей переходниками.
Мнение специалиста: Сейчас на рынке присутствует множество переходников, изготовленных в кустарных условиях из разъемов других типов, самодельные или модифицированные разъемы которых не обеспечивают согласованного ВЧ-соединения. Подключение такого переходника может привести к перегреву модема, к отключению внутренней антенны и к поломке самого модема, поскольку фактически происходит подключение несогласованной антенны. В компании «АйТи Тривиал» используется только проверенное, качественное оборудование, поэтому таких проблем у нас не возникает.
Для доступа в Интернет с помощью сети Yota используется программа Yota Access. Она в реальном времени показывает уровни сигнала и шума, таким образом, наблюдая за показаниями Yota Access всегда можно выбрать оптимальное положение и направление для антенны. Минимальный уровень сигнала для обеспечения устойчивого соединения составляет 5-6 дБ. Сигнал на оптимальном уровне 14-18 дБ - это стабильный и быстрый Интернет.
Мнение специалиста: Максимальные уровни сигнала и шума, которых удавалось добиться - около 30/-50 дБ. Скорость доступа к Интернету прямо пропорциональна уровню сигнала, так то чем выше это число, тем лучше. С идеальным сигналом удавалось достичь скорости даже выше, чем обещает Yota - 11,8 Мбит/сек.
Около 70% от количества клиентов Yota составляют различные фирмы и компании, поэтому часто приходится сталкиваться с настройкой WiMAX в офисных условиях. В большинстве офисов выносить антенны на фасад здания или же просто за пределы оконной рамы запрещено, так что приходится решать проблему поиска стабильного сигнала другими средствами.
Мнение специалиста: Когда мы выезжаем на установку в офис, как правило, берём с собой WiMAX-комплект «Антимонопольный» . В него, помимо модема Samsung SWC-U200, модема D-Link DIR-320 и антенны ANT-1618, входит 5-метровый USB-удлинитель, который позволяет разместить модем, роутер и антенну в наиболее подходящих местах в пределах офисной комнаты. При необходимости можно соединять USB-удлинители между собой, благодаря встроенным в них усилителям гарантируется абсолютно стабильная работа при общей длине до 25 метров. Скорость работы в Интернете с таким комплектом, с учетом того, что антенна размещается внутри здания, составит порядка 2-5 Мбит/сек.
Качество сборки компонентов сети тоже влияет на скорость соединения. Некачественная сборка или настройка приводят к возникновению нештатных режимов работы, проблемам с юстировкой антенны и, как следствие, значительным (до 2,5 дБ) потерям в мощности сигнала и общей скорости соединения. Чтобы не допустить этого, необходимо пользоваться услугами специалистов и качественными комплектующими.
В статье рассказывается о последних достижениях в технике антенн для системы WiMax. Представлена информация о возможностях смарт-антенн для базовых станций и для пользовательских терминалов. Приводится сравнение однолучевых и адаптивных антенн по пропускной способности канала связи. Показаны преимущества адаптивных антенн.
Введение
В новом поколении системы связи WiMax оборудование будет содержать две основные категории антенн - это антенны базовых станций и антенны пользовательских терминалов. Работы по созданию смарт-антенн для базовых станций мобильных телефонов позволили использовать эти идеи и внедрить на практике сложные адаптивные антенны в аппаратуре четвертого поколения мобильной связи WiMax. Таким образом, кроме традиционных однолучевых, например, с сектором 120°, сегодня можно применять две новые группы базовых антенн: адаптивные антенны и антенны MIMO (multi-input, multi-output). Антенны для абонентских терминалов для начала можно разделить на две группы: для фиксированной связи и для мобильной связи с подвижными пользователями, расположенными в автомобилях, поездах и т. д. Все эти основные типы использования показаны на рис. 1.
Рис. 1. Антенны системы WiMax: а) наружная антенна фиксированного терминала, самонастраивающаяся на направление базовой станции; б) комнатная антенна, следящая за наилучшим лучом; в) внешняя антенна на автомобиле; г) антенны базовой станции
Для уточнения терминологии приведем определения различных вариантов антенн:
- Антенны с переключаемыми лучами - это набор излучателей с неподвижной диаграммой направленности и ключи для управления этими лучами. Для данного пользователя базовая станция или терминал выбирает наилучший луч. Переключение лучей позволяет уменьшать или увеличивать усиление, но только в направлении, где эти лучи существуют.
- Антенны со сканированием луча. Антенная решетка содержит фазовращатели и аттенюаторы, подключенные к антенному сигнальному процессору. Луч внутри сектора ориентируется с помощью процессора в нужном направлении. Плавное сканирование дает существенные преимущества для точного наведения на пользователя или на базовую станцию. Такие антенны используют различные математические методы для создания оптимального луча с максимумом в направлении пользователя и с минимумом в направлении помехи.
Антенна для неподвижного пользовательского терминала
При развертывании системы ставится задача надежного покрытия зон беспроводной связи и ликвидации мертвых зон. Как это всегда бывает, скорости передачи данных для Интернета и быстрой передачи аудио- и видеоинформации недостаточно. Есть два пути увеличения скорости передачи данных в беспроводных сетях – это улучшение эффективности кодирования данных на несущей частоте и снижение количества повторных передач данных, которое обычно происходит при слабом радиоприеме. Улучшить качество сигнала можно за счет увеличения мощности передатчика и повышения чувствительности приемника. Для этого нужно добавить новые усилители мощности и малошумящие усилители в приемной части. Но это не только увеличивает цену для роутеров и портов, но и противоречит нормативным документам.
Но есть другой, более эффективный и недорогой путь улучшения качества сигнала. Можно сконструировать антенну, которая передает основную мощность в заданном направлении. Такие антенны могут также принимать сигналы с заданного направления гораздо лучше, чем из всех других направлений. Теперь представим устройство с несколькими направленными антеннами, которые автоматически выбирают заданное направление, оптимизированное для передачи данных. Это и есть адаптивная антенна.
Традиционные антенны, такие как «диполь» или « пэтч», используемые в роутерах и резидентных портах, излучают энергию равномерно в горизонтальной плоскости, то есть имеют всенаправленную диаграмму направленности. Переключаемые антенны имеют 25 лучей в горизонтальной плоскости, каждый из которых дает 7 дБ усиления в пике, то есть уровень сигнала в три раза выше, чем у стандартного диполя с усилением 2 дБ. Испытания такой многолучевой антенны проводились по трем категориям:
- высокое пропускание на скорости 20–30 Мбит/с;
- средние скорости 10–20 Мбит/с;
- малые скорости 0–10 Мбит/с.
Используя статистические измерения в каждой категории (при 95-процентной надежности) терминал с многолучевой антенной давал по сравнению с дипольным на 6,7 Мбит/с большее пропускание на средних скоростях и на 90% выше пропускание в областях с малым радиосигналом.
Антенны для пользовательских терминалов с автопоиском сигнала
Для фиксированных наружных терминалов можно применить многолучевую антенну с усилением 7–10 дБ, которая обеспечивает увеличение сигнала на направлении от базовой станции и уменьшает помеховый сигнал со всех остальных направлений. Схема построения такой антенны и диаграммы направленности приведены на рис. 2. Антенна состоит из излучателей (дипольных или микрополосковых) с фиксированной диаграммой направленности и переключателя.
Рис. 2. Многолучевая переключательная антенна с сектором обслуживания 360: а) диаграмма направленности; б) структура антенны: 1 – активный луч; 2-6 - отключенные лучи; 7 - базовая станция; 8 - источник помехи; 9 - уровень сигнала в направлении на базовую станцию; 10 - переключатель лучей
Многолучевая антенна может существенно улучшить скорость передачи данных. Важной особенностью многолучевой антенны является то, что она автоматически наводится на направление базовой станции или на наилучшее направление, если нет прямой видимости, а работа проходит в условиях многолучевого распространения радиоволн. Этот режим называется автопоиск или самонастройка (self installable).
На рынке можно найти комнатные 6-лучевые и 8-лучевые антенны для работы в диапазоне 2,5 и 3,5 ГГц. Пример такой антенны приведен на рис. 3 . Антенны этого типа имеют в максимальном направлении на базу усиление до 10 дБ и подавление сигналов со всех других направлений 15–20 дБ. Это позволяет добиться увеличения пропускной способности радиоканала и иметь устойчивую связь в помещении, если происходит изменение условий радиообстановки (то есть при изменении положения компьютера, мебели и т. п.) Антенна постоянно проводит автопоиск наилучшего направления луча и дает максимальное усиление. Внешний вид комнатной антенны, располагаемой в непосредственной близости от персонального компьютера, показан на рис. 4.
Рис. 3. Наружная восьмилучевая антенна абонентского терминала фиксированной связи в диапазоне 3,5 ГГц с режимом самоинсталяции
Рис. 4. Комнатная шестилучевая антенна диапазона 3,5 ГГц с автопоиском наилучшего направления внутри помещения в условиях отсутствия прямой видимости
Антенны мобильных терминалов
Возможность автопоиска и непрерывного слежения за лучом чрезвычайно важны и для другого класса аппаратуры - мобильных абонентских терминалов. При размещении компьютера с блоком WiMax в автомобиле встроенная ненаправленная антенна дает сигнал связи с малой пропускной способностью, а дополнительная внешняя многолучевая антенна с усилением 10 дБ значительно увеличивает зону уверенного приема, улучшает качество связи и скорости передачи данных. Для обеспечения высокого усиления антенна крепится на крыше автомобиля, как показано на рис. 5. Следует учесть, что в условиях города связь с мобильными терминалами происходит преимущественно без прямой видимости на базовую станцию, и именно в этих сложных условиях распространения адаптивные антенны реализуют свои основные преимущества.
Рис. 5. Шестилучевая наружная следящая антенна, установленная на легковом автомобиле. Диапазон частот 2,3 ГГц.
Антенны базовых станций
Концепция использования антенных решеток и сигнальных процессоров в беспроводных системах связи известна уже много лет. А в последние годы из-за снижения цены на цифровые сигнальные процессоры (DSP), а также на программируемые сигнальные процессоры стало возможным использование на практике адаптивных антенных систем. Адаптивные антенны необходимы, так как число пользователей быстро растет, а с другой стороны - затрудняется распространение радиоволн, ухудшается помеховая обстановка. Адаптивные антенны - это объединение антенной решетки и DSP для формирования оптимальной диаграммы направленности в пространстве. Это позволяет системе менять направление излучения, адаптируясь к условиям передачи сигнала, что приводит к существенному улучшению характеристик радиосвязи.
Используя новейшие алгоритмы, реализованные в сигнальных процессорах, адаптивные системы позволяют эффективно находить и отслеживать сигналы от пользовательского терминала с минимальной интерференцией и максимальным качеством приема. Адаптивная антенна для сектора в 120° содержит, как правило, от 4 до 8 элементов, входы и выходы которых объединены в диаграммообразующей схеме с фазовращателями и аттенюаторами для адаптивного управления . Если обычная антенна с шириной луча 120 с двумя элементами дает 15 дБ, то адаптивная антенна с 8 элементами имеет максимальное усиление 24 дБ. Диаграмма направленности такой сканирующей антенны изображена на рис. 6а. Основные элементы, образующие антенну, показаны на рис. 6б. Антенна имеет 12 рядов излучателей, в каждом из которых по 8 элементов. Каждый ряд представляет собой решетку печатных диполей. Центральные 8 рядов - с активными элементами, остальные 4 ряда - с пассивными. Узкий луч с высоким усилением образован за счет суммирования сигналов со всех рядов. Размер антенны для частоты 3,5 ГГц составляет 0,7×0,6 м.
Рис. 6. Адаптивная антенна базовой станции: а) диаграмма направленности с сектором сканирования 120; б) построение антенны, состоящей из трех сканирующих панелей: 1- адаптивно сформированный луч; 2–3 - крайние положения луча в секторе перекрытия; 4 - помеховый сигнал; 5 - сектор сканирования 120; 6 - абонентский терминал; 7 - диаграммообразующая схема
На базовых станциях фирмы «Алкател» также используются 2- и 4-элементные антенны с диграммообразующими схемами и алгоритмами, увеличивающими пропускную способность каналов на 40% и уменьшающими на 80% влияние помехи .
Дополнительное улучшение качества связи оборудования «Алкател» дает система MIMO. Эта технология используется совместно и дополняет возможности смарт-антенн и поэтому кратко опишем эту систему.
Специфика использования системы MIMO
MIMO - это система пространственно-временного кодирования, которая создает выигрыш за счет разделения потока данных через две или более антенны по разным пространственным путям, переключающимся на лучшее направление, или работающим одновременно. Этот способ пространственного разделения, а затем объединения и эффективен для подавления помех.
Технология MIMO была рекомендована для системы WiMax в декабре 2006 года, форум WiMax признал ее частью мобильного WiMax с примечанием - как возможная опция. Руководство крупных фирм не считает очевидным использование системы MIMO в базовых станциях в ближайшие годы . Одним из главных недостатков является то, что при этом повышается цена за пользовательский терминал, требуется дополнительное место и дополнительная энергия от источника питания. И если теоретически пропускная способность в MIMO системах удваивается, то на практике, видимо, удвоения не будет, и это зависит от того, какую полосу частот будет использовать провайдер.
Таблица. Сравнение различных вариантов построения смарт-антенн
Эффективность канала связи с адаптивными антеннами
Основным параметром беспроводной связи является спектральная эффективность канала. Для повышения спектральной эффективности нужно многократное использование частоты и высокий порядок модуляции (16QAM, 64 QAM). Эффективность измеряется в бит/с/Гц/ на соту. Вторым показателем емкости канала является пропускная способность на единицу площади соты бит/с/Гц/миля². Адаптивные антенны в беспроводных сетях WiMax повышают об этих параметра, а также увеличивают зоны покрытия. Так, исследования Стэндфордского университета показали, что эффективность по спектру может подняться на 2,5 бит/с/Гц/на соту, а эффективность на единицу площади зоны - на 0,8 бит/с/Гц/ миля².
Использование адаптивных антенн как на базовых станциях, так и на абонентских терминалах может увеличить спектральную эффективность от 3 до 10 раз.
Заключение
Технология адаптивных антенн предполагает наличие антенных решеток на базовой станции и на абонентском терминале, объединенных с модуляторами и цифровыми сигнальными процессорами для улучшения следующих параметров беспроводной системы:
- увеличения зоны покрытия;
- емкости системы;
- пропускной способности.
Адаптивные антенны могут использоваться как на базовой станции, так и в абонентском терминале. Преимущества такого подхода:
- когерентное сложение сигнала, увеличивающее отношение сигнал/шум;
- пространственное разнесение излучателей в решетке помогает бороться с замиранием;
- подавление помех благодаря адаптивному объединению элементов решетки в диаграмму направленности с максимумом в направления прихода полезного сигнала и минимумом в направлении помехи;
- пространственное мультиплицирование каналов.
Литература
- www.airgain.com
- www.mpa.co.il
- www.mti-group.com
- Flavio Boano. Alcatel WiMax. Enhanced Radio Features. CAMAD 2006 Trento.
- Dan O’Shea. MIMO on the March. 2006
- Khurram Shekh, David Gesbert, Dhananjay Gore, Arogyaswami Paulraj. Smart antennas for broadband wireless access networks // IEEE Communication Magazine. Nov. 1999.
Количество базовых станций у сотовых операторов постоянно расширяется. В соответствии с этим расширяется и зона покрытия , связь проникает даже в самые удалённые уголки. Тем не менее, остаются места, где уровень покрытия остаётся слабым – в таких условиях затруднена голосовая связь и практически невозможен доступ в интернет. Это же относится и к новому оператору Yota, предоставляющему скоростной интернет Йота по технологии LTE . В некоторых удалённых от городской черты районах скорость доступа падает до нуля — абонентам приходится как-то решать проблему отвратительного покрытия. В этом обзоре мы попробуем решить данную проблему с помощью самодельных антенн для Yota.
Для чего нужна внешняя антенна
Внешняя антенна для Yota позволяет усилить слабый сигнал , идущий с ближайшей базовой станции, и увеличить скорость доступа к сети . Использование этих антенн актуально для тех, кто живёт в удалённых районах. Мы можем выделить два типа антенн :
- Заводского изготовления;
- Ручного изготовления.
Первые хороши тем, что они изготавливаются на точном оборудовании и могут обеспечить неплохой коэффициент усиления, достигающий до 15-20 дБ. Но стоимость таких антенн подчас превосходит все разумные пределы, хотя ничего сложного они собой не представляют – банальная решётка и приёмная часть в фокусе. В связи с этим, многие технически продвинутые абоненты предпочитают изготавливать антенны Yota своими руками.
Изготовленная самостоятельно антенна сможет усилить сигнал с базовой станции и сделать приём более стабильным. В отдельных случаях модемы начинают работать даже там, где без использования антенн приём Yota и не наблюдался. Но в процессе создания антенны нас будет подстерегать одна небольшая трудность – в большинстве модемов разъёмов под внешние антенны нет. Следовательно, придётся подпаиваться прямо к печатной плате.
Необходимый материал и инструмент
Конструируя антенны для LTE от Yota, нужно вооружиться инструментами. Здесь нам понадобятся паяльник, набор отвёрток, плоскогубцы и круглогубцы, острый нож и клеевой пистолет. Остальные инструменты достаём по мере необходимости.
Из материалов, необходимых для изготовления описываемых в нашем обзоре антенн для Yota, нам понадобятся высокочастотный антенный кабель, пивная банка (содержимое можно выпить, мечтая о хорошем приёме), медная проволока, пластиковая трубка (диаметром с сам модем), полиэтиленовый пакет, готовая параболическая спутниковая антенна (без приёмного конвертера), картон, фольга и старая кастрюля (дуршлаг, тазик).
Неплохая антенна для модема 4G LTE от Yota – это антенна Харченко . Она представляет собой «восьмёрку» из медной проволоки, размещённую внутри небольшого металлического или металлизированного отражателя (например, из фольгированного текстолита). Изготавливая такую антенну, нужно точно выдержать размеры «восьмёрки», воспользовавшись справочной информацией из интернета. Также нужно выяснить, на какой частоте ведётся вещание (в LTE много каналов).
Недостатком антенны Харченко является то, что она требует подключения кабеля к разъёму на корпусе модема, которого там может не оказаться – придётся подпаиваться прямо к печатной плате, разобрав его корпус. То же самое относится ко всем прочим антеннам, располагающимся на улице, отдельно от модемов.
Но есть и достоинства – антенны подобного типа легко поднимаются на большую высоту, где уровень сигнала значительно лучше.
Достаточно эффективную антенну можно собрать из старой кастрюли на 2-3 литра, алюминиевого тазика или из оклеенной фольгой картонной коробки. Выбрав подходящую конструкцию, мы помещаем внутрь неё модем и пробуем ориентировать антенну в сторону ближайшей базовой станции.
При необходимости, можно менять ориентацию модема внутри нашего кустарного отражателя – ближе или дальше от его задней стенки. Крепёж производим с помощью подручных материалов и клеевого пистолета. Главным достоинством антенны из кастрюли или оклеенной фольгой коробки является то, что нам не нужно издеваться над самим модемом, подпаивая к нему антенный кабель. Нужно лишь позаботиться о том, чтобы используемый USB-кабель не был излишне длинным во избежание потерь.
Если антенна будет крепиться на улице, модем можно обернуть в полиэтилен. Обычная спутниковая антенна тоже поможет нам поймать и усилить сигнал с ближайшей базовой станции. Конструкция проста – помещаем LTE-модем от Yota в пластиковую трубку и крепим в фокусе антенны (там, где размещается конвертер). После этого направляем антенну в сторону базовой станции и наблюдаем за усилением. При необходимости, передвигаем модем с отражателем в ту или иную сторону, добиваясь максимального уровня сигнала.
Можно ли построить антенну для Yota с усилителем ? Сделать это в домашних условиях будет очень трудно, так как нам нужно не только принимать, но и передавать сигнал – требуется двухстороннее усиление. Поэтому подавляющее большинство антенн для Yota работает по принципу пассивного усиления сигнала.
Внешняя антенна для Йота из алюминиевой банки
Алюминиевая банка с пивом может стать достойной антенной. Содержимое можно вылить в стакан и использовать по прямому назначению, параллельно занимаясь разработками. Далее срезаем у банки верхнюю часть, кладём её горизонтально на стол и делаем в боковой стенке прорез – в 38-40 мм от дна банки. Просовываем туда модем и закрепляем с помощью клеевого пистолета. Подключаемся к компьютеру и наблюдаем за силой сигнала и скоростью соединения.
Кроме пивных банок допускается использовать банки от любых консервов. Рекомендуемая глубина банки составляет 15-18 см.
Проверяем сигнал Yota
Для того чтобы проверить уровень сигнала необходимо посетить сервисную страницу модема, расположенную по адресу 10.0.0.1 . Здесь мы увидим скорость соединения, а также сможем проконтролировать уровень сигнала и эффективность антенны. Подробно о том, как протестировать скорость Йота , мы рассказывали ранее в одном из наших обзоров.
