Pokrýváme signálem GSM/DCS

7.11.2002     Šeryf

 Asi na nemá smysl na těchto stránkách znovu zdůrazňovat co je to buňková struktura sítě GSM, že se jedná o strukturu založenou na určitém obrazci, ve kterém je definované rozložení dostupného kmitočtového přídělu. Tento obrazec je pak možné zapojit tak, že jeho opakováním lze teoreticky pokrýt nekončící území, neboť obrazce do sebe zapadají a vzájemně na sebe navazují. Praxe je samozřejmě odlišná a představy ideální sítě jsou deformovány různými provozními požadavky. Při plánování a výstavbě základnových stanic považuji za nejdůležitější dvě hlediska rozhodování. Jednak jde o to zajistit na celém zájmovém území dostatečnou sílu signálu od BCCH vysílače – tj. tzv. displayové pokrytí :o) a neméně důležité a pro význam mobilní sítě nejpodstatnější je zajištění potřebné kapacity sítě. Nelze nezmínit ani ekonomická hlediska, která nutí plánovat BTS tak, aby přes ně byl ve vesnických oblastech veden alespoň jistý minimální provoz, který BTSku „uživí“a zaplatí. Ve městech je to zase otázka, kolik základnových stanic postavit a jak využít dostupné kmitočty tak, aby byla zákazníkům nabídnuta odpovídající kapacita sítě. Kapacita uvažovaná na cestě mezi mobilním telefonem a základnovou stanicí znamená samozřejmě počet uskutečnitelných hovorů, přenesených dat a třeba SMS zpráv pro daný okamžik z určité lokality. Již méně zřejmý je na první pohled vliv kapacity na některé statistické ukazatele sítě, jako jsou například nenavázané nebo spadlé hovory.

 Základnová stanice (BTS)
Je to souhrnný název pro zařízení, které ukrývá technologii a vzdušné rozhraní sítě GSM. Jestliže chci popsat, jakým způsobem pokrývá své okolí, rozlišuji, kolik buněk neboli sektorů je na základnové stanici umístěno. Na jedné BTS bývají od jednoho operátora 1 až 4 sektory. Buňka představuje sadu transceiverů zapojených do antén pro jeden směr. Jeden z těchto vysílačů vysílá servisní timesloty pro řízení provozu sítě, jedná se o BCCH TRX viz. článek Sledujeme kanály BCCH v idle režimu.

 Speciálním případem jednobuněčné BTS je situace, kdy je vysokofrekvenční energie vysílána do prostoru všesměrovými (OMNI) anténami. Takovéto základnovky najdeme dnes již jen velmi zřídka v lokalitách s malým provozem, neboť všesměrové vyzařování znemožňuje opakování použitých kmitočtů v blízkém okolí základnové stanice.
 Hospodárnější nakládání s kmitočty umožňují více sektorové základnové stanice využívající směrové antény. K těmto účelům se nejčastěji používají panelové antény, které pod svým laminátovým krytem ukrývají buď v prvním případě sady vertikálních dipólků umístěných před odraznou stěnou a napájených tak, aby bylo docíleno požadovaného vyzařovacího diagramu antény jako celku.
 V druhém případě jsou pod laminátem schovány tzv. patchové anténky – plošky mikropáskového vedení spočítané, nasimulované a doladěné tak, aby při správném buzení a propojení opět splnily požadavky kladené na vlastnosti celé antény. Takovéto antény mohou být navrženy jako duálně polarizované – jedná se o typ antény, která může pracovat ve dvou polarizačních rovinách v tomto případě v úhlech +45 a –45 stupňů vztažených k rovině země, proto se někdy takovéto anténě říká zkráceně X-pol. Anténa je pro každou polarizaci vybavena jedním konektorem. Více se o důvodech a používání jednotlivých typů antén zmíním v odstavci věnovaném diverzitnímu příjmu.

 Nejčastěji se v našich podmínkách používají tří sektorové BTS osazené panelovými anténami s úhly vyzařování (pro pokles o 3 dB) v horizontální rovině okolo 120 stupňů, ve vertikální pak nejčastěji mezi 15 – 30 stupni. V horizontální rovině je mimo tento úhel vyzařování značně potlačeno, takže ve směru opačném od hlavního směru záření panelové antény je signál se rostoucí vzdáleností velmi rychle zatlumen a otevírá se zde prostor pro opětovné využití stejné frekvence na blízké další BTS. Poněvadž je vyzařovací diagram ve vertikální rovině velmi úzký a svazek ostrý, lze pouhým naklápěním antény znatelně měnit sílu signálu v různých místech ozařovaných touto anténou. Pokud je anténa vhodně naklopena a to ať již vzhůru či dolů, dochází k omezení dosahu signálu z dané buňky a vytváří se opět prostor pro znovu zopakování stejného kmitočtu někde poblíž na další BTS.
 Dvou sektorové a jedno sektorové (směrové) základnovky se používají často z důvodu, že další sektor zde pro dané frekvenční možnosti být nemůže, neboť by při složitějších geografických podmínkách, s jakými se v naší zemi setkáváme na každém kroku, způsobil rušení v širokém dalekém okolí. Typickým případem mohou být základnové stanice na svazích ve velkých městech – směrem do kopce si vesele mohou vykrývat obydlené lokality, ale běda jak by svítily z kopce, pak by bylo opětovné nasazení použitých kmitočtů nížeji ve městě velmi ztíženo. Dalším činitelem majícím vliv na neosazení sektoru do určitého směru bývá třeba blízká překážka způsobující, že není kam zářit, případně se může jednat o místo, kde lišky dávají dobrou noc a jen málokdy tu někdo telefonuje.

 Neodpustím si také pár poznámek o charakteru mobilního spoje:
- Umístění antény mobilní stanice je, jak už z názvu samotného vyplývá, s mobilitou proměnlivé, proto v mobilních telefonech uvažujeme s trochou tolerance všesměrové antény.
- Přímá viditelnost mezi mobilním telefonem a BTS nastává pouze pro minimální procento času.
- Vždy nastává vícecestné šíření – pokaždé musíme brát v úvahu ještě navíc minimálně odraz od země, ale obvykle bude dominantní větší množství paprsků z mnoha směrů, s velkými časovými zpožděními mezi jednotlivými cestami až v desítkách mikrosekund.
- Vlivem těchto odrazů útlum na trase velmi kolísá a to jak bereme-li v úvahu pohyb v prostoru, tak i kolísání signálu v čase je-li mobilní telefon v klidu na místě.

 Typy buněk sítě GSM
Protože území pokrývané GSM signálem není homogenně obydleno, resp. požadavky na dostupnou kapacitu se místo od místa liší, vyvstává v některých místech nutnost mít síť hustší než jinde. Od základnových stanic se pak požaduje různě definované území, které mají pokrývat, z čehož plyne, že budou mít částečně jiné parametry, nejčastěji týkající se výkonu a antén. Někdy může být vhodné vyčlenit pro jednotlivé vrstvy různé sady kmitočtů pro usnadnění frekvenčního plánování. Protože je však již dnes síť GSM v obydlenějších oblastech velmi zahuštěna, je nalezení kmitočtových sad pro každou další novou BTSku velkým problémem a těžko se tato práce dá nějak jednoduše systematizovat. Dovolím-li si trochu generalizovat, probíhá výstavba sítě GSM v úvodu výstavbou buněk s velkými poloměry pokrytého území a s přibývajícím počtem uživatelů dochází k jejímu zahušťování buňkami o menších poloměrech, přičemž je třeba některé původně velké buňky rekonfigurovat výměnou a sundáním antén nížeji, omezením výkonu nebo dokonce i odklizením některých vysoko položených základnovek. Definic typů buněk je skoro stejně jako autorů článků o nich, takže mému vidění světa by asi odpovídalo toto dělení:

Makrobuňky: Jsou nejobecněji charakterizovány umístěním vysílacích antén nad úrovní střech. Velký vliv na šíření má ohyb a rozptyl na vrcholcích budov. Podle velikosti a významu se dají ještě dělit na buňky typu:

  • umbrella: Nejvyšší vrstva GSM sítě tzv. deštníkové buňky. Jedná se o buňky pokrývající velká území (až do cca 30 km), umístěné na vyšších kótách, rozmístění je podobné jako u systému NMT 450 MHz. Takovéto základnové stanice pokrývají dvěma až třemi sektory klidně celý okres, mají-li přiděleny vhodné frekvence, zprostředkovávají provoz v místech, kde je signál BTS nižších vrstev slabý nebo nedostupný – typicky vesnické a horské oblasti, kde není ekonomicky i technicky obhájitelné postavení dalších vysílačů.
  • velké: Typicky městské makrobuňky (až cca 5 km) zastřešující provoz nad větší částí města, menším venkovským prostorem (několik vesnic).
  • malé: Městské makrobuňky (do cca 1 km) , které řeší kapacitní potřeby jádra města, průmyslové, zábavní zóny. Bývají na nižších objektech a vyladěné tak, aby vyčerpávali kmitočtové spektrum opravdu jen v blízkém okolí.

  •  Provázání kmitočtového plánu je nutné zajistit tak, aby se jednotlivé vrstvy vzájemně nevyrušily, nevadí však ale v případě dostupnosti nižší vrstvy, že je zarušena vyšší vrstva. To se hlavně týká rušení do sousedního kanálu, kdy lze oba dva sousední kanály použít jsou-li v daném místě přibližně ve stejné síle a naopak je slabší kanál vyrušen, pokud je jeho výkonová úroveň na vstupu mobilního telefonu o cca 15 – 20 dB nižší, čímž se v podstatě „vymaskuje“ – to znamená, že je vždy použit jeden ze sousedních kanálů a na rozdíl od homogenní struktury sítě tak není potřeba držet se v některých místech plánování „ob jeden“ kanál.

    Mikrobuňky: Na rozdíl od makrobuněk se jejich antény situují pod úroveň střech, nejčastěji do roviny prvního nebo druhého patra. Pokrývají pouze své blízké okolí, kaňony ulic, křižovatky. Způsoby šíření elektromagnetických vln jsou pro tyto instalace částečně odlišné, převažuje odraz nad ohybem a rozptylem. Výhody mikrobuněk tkví především v možnosti snažší instalace a méně problémového výběru vhodných kmitočtů, neboť přezařování do vzdálenějších lokalit je z povahy umístění mikrobuněk velmi nepravděpodobné. Mezi jejich nevýhody především patří složitější definování handoverů a riziko, že se za hovoru z rychle jedoucího automobilu handover nestihne provést a hovor spadne.

    Pikobuňky: Tento typ buněk se instaluje přímo do budov, ve kterých je velký mobilně telefonní provoz a průnik signálu z venkovních základnových stanic je silně zatlumen zdmi nebo členitostí budovy, případně je-li provoz tak vysoký, že by venku způsoboval kapacitní problémy.

    Opakovače: Jsou to jednoduchá a relativně levná zařízení umožňující pokrýt před dostatečným signálem GSM schovaná údolí bez nutnosti stavět plnohodnotnou BTSku. Opakovač (repeater) přijímá, zesiluje a posílá do údolí signál od vhodné základnové stanice, to samé samozřejmě provádí i v opačném směru. Do obou zesilovaných cest se samozřejmě zařadí kanálový filtr, aby opakovač sloužil pouze operátorovi, kterému instalovaný opakovač patří. Signál z vybrané základnové stanice musí být v údolí obsluhovaném opakovačem tak slabý, aby nedocházelo k souběžnému přenosu jak přímou cestou z mobilního telefonu na BTS a zároveň trasou přes repeater, v nastalém posunu fází signálu na mezi oběma trasami by spojení nebylo optimální. Mezi další podmínky patří korektní nastavení zesílení v obou směrech a podmínka, aby použítý vysílač nepoužíval při hovoru hoppingové sekvence.

    Poznámka: U typů buněk záměrně zdůrazňuji, že se jedná o GSM tj. pásmo 900 MHz. DCS uvažuji spíše jako pásmo určené ke kapacitnímu dokrytí míst, kde již byly vyčerpány technické možnosti GSM. Realizace v pásmu 1800 MHz proto nepatří do všech výše zmíněných kategorií buněk, ale jen mezi velké a malé makrobuňky a zřídka i do mikrobuněk.

     Typy diverzitního příjmu pro GSM/DCS
    Mnohde můžeme na BTSkách vidět dvě antény do jednoho směru vzdálené od sebe několik metrů. Jedná se o prostorovou diverzitu, přijímač na základnovce si může ze dvou antén vybrat lepší signál. Základem je, že oba signály mají být vzájemně minimálně korelované, takže výrazná minima v síle přijímaného signálu se na každé anténě vyskytnou v jiných časech. Z těchto dvou signálů se v jednodušším případě vybere vždy ten silnější, složitější systémy umějí signály různě sčítat a váhovat. Touto procedurou se omezí vliv úniků vznikajících díky odrazům a zastínění mobilní stanice. Tyto jevy se projevují ostrými minimy síly signálu při pohybu mobilního telefonu. Minima se opakují po násobcích půlky vlnové délky. Vysílá se pouze do jedné antény. Toto řešení diverzity se využívá pro antény s vertikální polarizací. Aby byla korelace antén minimální, stačí vzdálenost v jednotkách vlnové délky. Jiné řešení spočívá v instalaci antén s duální polarizací – jedná se o polarizační diverzitu. V tomto případě míří do jednoho směru pouze jedna anténa, jejíž vnitřek ale umožňuje vyzařování ve dvou polarizačních rovinách: + 45 a – 45 stupňů vůči zemskému povrchu. Opět jsou k dispozici 2 signály pro příjímač, zatímco vysílač využívá pouze jednu rovinu polarizace. Druhá varianta více vyhovuje podmínkám v městské zástavbě, jež představuje rovinné odražeče, které původně vertikálně polarizovanou vlnu mnohonásobně zotáčejí a na příjmu mohou způsobit vysoké polarizační ztráty. Oproti tomu na vlnu vysílanou v polarizaci +45 nebo –45 stupňů a přijímanou v duální polarizaci má otočení polarizační roviny jen malý vliv. Tato opatření zajišťují tzv. diverzitní zisk, který v systému GSM dosahuje hodnot kolem 3 dB.

     Použití duálních sítí GSM/DCS v ČR:
    Pokud Eurotel a RadioMobil používají na dané lokalitě pásmo 1800 MHz, pak je tam vždy společně i s vysílačem pro 900 MHz, nikdy samotné. Jedině síť Oskar využívá základnovky osazené jen čistě 1800 MHz technologií.

    Elektromagnetické vlny o frekvenci 900 MHz se lépe ohýbají, mají menší útlum v prostoru, ale kapacita kmitočtového přídělu je již vyčerpaná a to zvláště u sítě Oskar s pouhými 20 GSM kanály.
    Pro vlny pásma 1800 MHz je více dominantní odraz, výrazně horší je šíření za překážku, velký útlum, ale vzhledem k velkorysejší šířce vyhrazeného pásma označovaného někdy též jako DCS je k dispozici výrazně větší kapacita a tím samozřejmě snadnější plánování a přidělování kmitočtů použitelných na jednotlivých lokalitách.

     Pro dnešek už nic dalšího neprozradím, ale příště už budeme lovit BTSky!



    © 1997 - 2017 GSMweb.cz