Projektowanie i działanie anten MiMo dla modemów 3G i 4G

W dzisiejszym świecie dostęp do Internetu stał się integralną częścią życia. Jednak z różnych powodów operatorzy komórkowi nie mogą wszędzie instalować wież komunikacyjnych, więc w niektórych odległych miejscach jakość sygnału pozostawia wiele do życzenia. Antena 4G MIMO, kupiona lub domowa zgodnie z instrukcjami zawartymi w tym artykule, może pomóc rozwiązać ten problem.

Odbieranie i wysyłanie informacji w łączu bezprzewodowym

W łączu radiowym użyteczne informacje rozprzestrzeniają się od nadajnika do odbiornika w postaci fal elektromagnetycznych. Główne parametry sygnału, od których bezpośrednio zależy jakość komunikacji, to:

• moc;
• częstotliwość (ściśle związana z szerokością pasma kanału);
• rodzaj zastosowanej modulacji.

W celu zapewnienia dobrej jakości komunikacji nie wystarczy zwiększyć wartości jednego lub wszystkich z powyższych. Wynika to z faktu, że istnieją pewne regulacje dotyczące bezpieczeństwa elektromagnetycznego. Dlatego też w celu zwiększenia prędkości transmisji pakietów danych w ramach łącza bezprzewodowego stosuje się różne podejścia optymalizacyjne. Jednym z nich jest technologia, która wykorzystuje antenę MIMO 3G/4G LTE-band z rezonatorami, które mają niski współczynnik korelacji między sobą.

Ważne: Korelacja w najprostszym ujęciu to stopień zależności pomiędzy dwoma danymi wielkościami. Na przykład amplituda lokalnego sygnału radiowego będzie skorelowana z ilością wilgoci w powietrzu na jego drodze, ale nie z poziomem wody w oceanie.

Przechodząc przez przestrzeń, fala elektromagnetyczna z pewnością napotka na swojej drodze przeszkody z różnych materiałów, doświadczając częściowego lub całkowitego odbicia i absorpcji. W kanale zaczynają występować następujące efekty:

1. Interferencja międzysymbolowa – nakładanie się jednego lub więcej symboli w wyniku wielodrogowej propagacji sygnału.
2. Selektywność częstotliwościowa. W najprostszym przypadku selektywność częstotliwościowa to selektywność odbiornika dla danej częstotliwości (częstotliwości).

Dzięki nowoczesnym i wydajnym technikom przetwarzania sygnałów włączonym do modelu matematycznego, możliwe jest łatwe oddzielenie użytecznej informacji od artefaktów (w tym szumów) przy zastosowaniu technologii MIMO.

Technologia MIMO

Jak wspomniano powyżej, kluczowymi zagadnieniami w odbiorze i transmisji danych za pomocą łącza radiowego jest zapewnienie odporności na zakłócenia oraz wysokiej jakości końcowego przetwarzania. Aby to osiągnąć, operatorzy komórkowi stosują technologię, która jest uważana za najlepszą dostępną implementację anteny 4G LTE MIMO (Multiple Input Multiple Output).

Jej istotą jest to, że wymiana informacji w postaci fal elektromagnetycznych odbywa się nie przez pojedynczą parę nadajników, ale przez cały zestaw. Ważne jest, aby zapewnić niski współczynnik korelacji między nimi, a także podwójną (tzw. 2×2) polaryzację.

Przydatne! W najprostszym przypadku polaryzacja fali jest cechą opisującą zachowanie wektora amplitudy (w tym jego kierunek), może być podłużna, poprzeczna lub kołowa.

Z matematycznego punktu widzenia technologia 4G MIMO może być opisana w następujący sposób. Niech będzie N urządzeń antenowych nadawczych i M odbiorczych, to właściwości każdego kanału (zależność cech wielodrogowości sygnału) można opisać poprzez wyznaczenie niestacjonarnego (zmieniającego się w czasie) współczynnika złożonego hnm, którego zestaw tworzy tzw. macierz kanału H. Następnie, jeśli mamy wektor falowy danych użytecznych s i wektor falowy szumów n, to kierunek, z którego odbierany jest sygnał r można wyrazić prostym wzorem r = H*s + n.

Przydatne! Wektor falowy to wielkość określająca kierunek, w którym rozchodzi się fala.

Jak działają anteny MIMO 3G/4G

W większości przypadków, ponieważ pierwszeństwo ma schemat 2×2, antena MIMO 4G to po prostu dwa rezonatory pasmowe. Ich jedyną osobliwością jest położenie względem siebie, jest ono wykonane tak, że przy ortogonalnej polaryzacji (w płaszczyźnie pionowej przesunięcie wynosi 45 stopni, a kąt między płaszczyznami anten wynosi 90 stopni), aby wytworzyć separację kanałów. Dzięki temu, przy odbiorze dwóch sygnałów, różnica w ich zysku wyniesie do 20 dB.

Cechy konstrukcyjne anten MIMO

Poza dość skomplikowaną teorią działania technologii MIMO, stosowane w niej anteny posiadają również pewne cechy konstrukcyjne, które są niezwykle istotne przy wykonywaniu kompetentnej instalacji:

Typ anteny. Jeśli mówimy o sygnale 3G/4G, takie urządzenie będzie zdecydowanie typu ulicznego, jego instalacja powinna być przeprowadzona w optymalnym punkcie przestrzeni z widokiem na najbliższą wieżę komórkową i obecność minimum przeszkód na drodze fal elektromagnetycznych.

Rodzaj montażu. Bazą dla instalacji powinien być maszt zamontowany na własnych fundamentach (do 4m wysokości) i paskach (kabel 4mm lub więcej) lub na budynku (dach, elewacja). Samo ramię, do którego bezpośrednio montowany jest zespół antenowy, musi mieć trzy stopnie swobody (innymi słowy obracać się w trzech płaszczyznach: X, Y i Z), aby umożliwić regulację polaryzacji.

Odporność na wpływy atmosferyczne. Antena musi być dobrze zabezpieczona przed opadami atmosferycznymi, można to osiągnąć poprzez umieszczenie jej w obudowie z tworzywa sztucznego lub, w niektórych przypadkach, poprzez nałożenie na części metalowe warstwy lakieru lub farby (np. PF). Uszczelnieniu podlegają również połączenia (złącza) z kablem koncentrycznym.

Ważne: Dodatkowe uszczelnienie jest konieczne nawet w przypadku urządzeń dostępnych na rynku i zaleca się umieszczenie w obudowie substancji hydrofilowej (sorbent żel krzemionkowy w saszetkach) oraz okresową jej wymianę.

• Środki ochrony przed wyładowaniami atmosferycznymi. Oczywiście dostępne na rynku anteny posiadają taką funkcję, jest ona zapewniona poprzez zwarcie wyjść DC. Jednakże, jeśli urządzenie jest zainstalowane poprzez zamontowanie go na maszcie, uderzenie pioruna może po prostu wyparować całą strukturę, więc w takim przypadku pożądane jest zastosowanie piorunochronu.
• Dodatkowe części. Podczas instalacji mogą być wymagane dodatkowe materiały, takie jak kabel koncentryczny (zwykle o impedancji 50 omów), złącza i adaptery.

Antena panelowa

Obecnie ten typ anteny jest najbardziej rozpowszechniony w niszy handlowej (jest uważany za jedną z najlepszych anten panelowych 4G) i jest używany przez wszystkich operatorów komórkowych w celu uzyskania optymalnego zasięgu w wymaganym obszarze. Strukturalnie urządzenia te składają się z dwóch matryc dipoli (w języku potocznym “patchy”), które są ułożone w pionowych rzędach i są oddalone od siebie poprzez umieszczenie ich w różnych obudowach (w wersji sprzętu odbiorczego dla użytkownika, częściej w jednej obudowie z czterema łatami na segment).

Połączenie następuje poprzez różne złącza do dwóch różnych podajników, odpowiednio do dwóch niezależnych wejść nadawczo-odbiorczych. Zgodnie z przedstawioną powyżej częścią teoretyczną, względne położenie płaszczyzn rezonatorów paskowych może być ustawione albo pod kątem 45 stopni względem wektora pionowego, albo ortogonalnie względem siebie.

Zastosowanie anten panelowych w sieciach 4G

Dzisiejszy rynek oferuje wiele różnych anten, których konstrukcja różni się znacznie takimi parametrami jak wzór promieniowania i zakres częstotliwości pracy. Jeśli chodzi o ten pierwszy, to kąt rozwarcia płata głównego waha się w granicach od 30 do 90 stopni, natomiast w przypadku anten komórkowych wynosi on zazwyczaj od 60 do 75 stopni. Na kierunkowość wpływa również kąt pochylenia, który może być regulowany mechanicznie (płaszczyzna pionowa) lub stały, ustawiony fabrycznie (płaszczyzna pozioma).

Drugi parametr określa selektywność częstotliwościową anteny (jak już wcześniej wspomniano) i dla sieci 4G zakres ten może być bardzo różny (od 800 MHz wzwyż), niektóre wieże komórkowe pracują na kilku wartościach jednocześnie, np. dla LTE mogą to być linie 700 MHz, 800 MHz, 2600 MHz.

Jeśli ma być włączone 3G, to dodatkowo wykorzystywane jest pasmo 2100 MHz. Oczywiście wymaga to separacji w obu płaszczyznach polaryzacyjnych i przestrzennych, a także różnej kierunkowości. Prowadzi to nieuchronnie do ogromnej różnorodności gatunkowej urządzeń, co widać na rynku.

Instalacja anten dla modemu własnymi rękami

Po dokonaniu wyboru i zakupie anteny, a także dodatkowych złączy, należy ją zainstalować. Przed wykonaniem pracy bardzo zalecane jest wykonanie co najmniej wstępnego szkicu (najlepiej rysunku w skali), na którym zaznaczone zostaną linie kabla koncentrycznego, jego długość, obliczenia strat sygnału, a także lokalizacje pobliskich wież i możliwych przeszkód. Nadajniki komórkowe i ich charakterystykę można wyszukać za pomocą specjalnych aplikacji mobilnych. Następnie należy skompletować odpowiednie narzędzia i materiały oraz przeprowadzić instalację:

Narzędzia i materiały. W zależności od rodzaju instalacji mogą być potrzebne: kruszony kamień, piasek, mieszanka cementowa, kotwy, liny, śruby napinające, wkręty samogwintujące, kołki, metalowe narożniki, uszczelniacze, farba odporna na warunki atmosferyczne. Do pracy niezbędne są szczypce, młot obrotowy, śrubokręt z zestawem bitów i wierteł, multimetr, młotek, łopata, drabina, wiadra.

Podstawa. Jeśli instalacja jest przeprowadzana na maszcie, pierwszym krokiem jest określenie miejsca, w którym zostanie zamontowana. Następnie wykopywany jest otwór, którego dno jest zasypywane niewielką ilością piasku. Jeśli miejscem ustawienia anteny jest elewacja budynku lub dach, należy wykonać proste mocowanie uchwytu za pomocą kotew lub śrub samogwintujących.

Montaż masztu. Należy pamiętać, że maszt jest montowany dopiero wtedy, gdy wszystkie urządzenia są na nim zamontowane. W tym celu zgodnie z instrukcją mocuje się antenę na wsporniku do górnego końca, podłącza się zasilacze i uszczelnia połączenia. Do pierścieni przymocowane są liny (zwykle 3 sztuki) o wymaganej długości i ze ściągaczami na drugim końcu. Następnie maszt jest podnoszony i umieszczany w wykopie z dolną podstawą pierścieni, zasypywany do połowy wysokości ścian średnim kruszonym kamieniem. Po tym, bez wylewania fundamentu, przystąpić do strojenia anteny.

Strojenie. Krok ten polega (niezależnie od rodzaju instalacji) na obróceniu rezonatorów w odpowiednim kierunku (zgodnie z rysunkiem) i sprawdzeniu jakości komunikacji. Po tych czynnościach można przejść do ostatniego etapu.

Czynności kończące. Po ustawieniu anteny we właściwym kierunku, wszystkie dostępne połączenia śrubowe dokręcamy nakrętkami kontrującymi. Fundament masztu wypełnia się mieszanką cementową, kable kotwiczy się w gruncie za pomocą szpilek (można też kotwić za pomocą kruszonego kamienia i zasypki cementowej/wypełniacza) i napina poprzez obracanie napinaczy. Kable koncentryczne montuje się na linii napowietrznej lub zabezpiecza zaciskami wzdłuż ściany.

Ważne: Istnieje również metoda pośredniego mocowania anteny do elewacji budynku, a mianowicie za pomocą instalacji krótkiego masztu. Stosuje się go, gdy urządzenie ma być wyniesione np. ponad kalenicę więźby dachowej. W takim przypadku maszt jest również montowany i mocowany do ściany.

Jak widać, w elementarnej teorii anten nie ma nic trudnego i rozumiejąc podstawowe pojęcia można bez problemu zarówno wybrać potrzebną antenę spośród oferowanych na rynku, jak i skonstruować lub zbudować ją samodzielnie. Pamiętaj, że głównym zadaniem nie jest samo wykonanie anteny, musi być ona również odpowiednio dostrojona. W tym celu zaleca się dodatkowo zapoznanie się z materiałem dotyczącym cyfrowego przetwarzania sygnałów, gdzie na samym początku wyjaśnione jest zwykle teoretyczne minimum dotyczące istniejących rodzajów kanałów komunikacyjnych i metod przesyłania w nich informacji.