:: Oddziaływanie pól elektromagnetycznych na ludzi i środowisko w sieciach komórkowych ::
:: Oddziaływanie pól elektromagnetycznych na ludzi i środowisko w sieciach komórkowych ::
Źródła pola elektromagnetycznego w systemach telefonii komórkowej oraz wybrane aspekty transmisji radiowej
Budowa stacji bazowej telefonii komórkowej

W telefonii komórkowej źródłami pól elektromagnetycznych są terminale ruchome zaopatrzone w odpowiednie anteny mikropaskowe lub anteny prętowe oraz po drugiej stronie łącza radiowego – stacje bazowe BTS i nodeB wyposażone w odpowiednie anteny rozsiewcze. Częścią systemu komórkowego – BSC w GSM lub RNC w UMTS sygnał transmitowany jest za pośrednictwem radiolinii lub światłowodu. Zadaniem anten jest zamiana sygnału elektrycznego w falę elektromagnetyczną i odwrotnie zgodnie ze stosowaną przez operatora koncepcją telefonii komórkowej opartą na oficjalnie przyjętych standardach.

Stacja bazowa telefonii komórkowej wyposażona jest w zestaw anten umieszczonych na stalowym maszcie, betonowym lub metalowym słupie, kominie czy na elewacji budynku. Anteny połączone są za pomocą odpowiednich kabli współosiowych – tzw. fiderów (kabli koncentrycznych lub falowodów) – ze sprzętem nadawczo-odbiorczym i zasilającym, znajdującym się w wydzielonym pomieszczeniu lub kontenerze u podnóża danego obiektu.

Wartość tłumienia jednostkowego kabla współosiowego zależy od jego rodzaju i średnicy. W przypadku anten umieszczonych na wysokich obiektach wykorzystywane są kable współosiowe o jak najmniejszej tłumienności, czyli fidery o stosunkowo dużej średnicy. Z powodu ich dużych promieni zgięcia, na zakończeniach dużej średnicy fiderów podłączane są cieńsze, bardziej tłumiące kable – tzw. jumpery. Jumpery ułatwiają podłączenie fiderów do odpowiednich portów anteny i nadajnika. Tłumienie jednostkowe typowych fiderów wynosi około 3-4 dB/100 m dla częstotliwości 900 MHz, dla 2000 MHz zaś ok. 6 dB/100 m. Przykładowo wartość tłumienia fidera LDF5-50A o średnicy 7/8” to odpowiednio 3,87 dB/100 m dla 960 MHz oraz 6,2 dB/100 m dla 2000 MHz. Dla jumpera o średnicy 3/8" wartości tłumienia dla tych częstotliwości wynoszą odpowiednio: 13,2 dB/100 m oraz 19,8 dB/100 m [Źródło].

Niskostratność toru doprowadzającego ma szczególnie duże znaczenie przy projektowaniu systemu radiowego w systemach trzeciej generacji, gdzie poszczególne usługi wymagają stosunkowo małej bitowej stopy błędów BER (ang. Bit Error Rate), a zatem dużych stosunków mocy sygnału do szumu na wejściu odbiornika. Jedną z metod stosowanych przez operatorów telefonii komórkowej jest projektowanie stacji bazowych z dodatkowymi elementami poprawiającymi w konsekwencji jakość transmisji. Są to między innymi elementy MHA (ang. Mast Head Amplifiers) spotykane na stacjach bazowych drugiej generacji oraz TMA (ang. Tower Mounted Amplifier) używane w systemie UMTS.

Innym sposobem na poprawę jakości transmisji jest zastosowanie podjednostek nadawczych rozmieszczonych w różnych odległościach od anteny (RRH – ang. Remote Radio Heads) zamiast sprzętu umieszczonego w całości u podnóża obiektu. Element RRU (ang. Radio Frequency Unit), do którego podłączone są światłowody z jednostki BBU (and. BaseBand Unit), jest lokowany w bezpośredniej bliskości anten. Dopiero w elemencie RRU następuje przesunięcie sygnału w zakres wysokich częstotliwości i wprowadzenie ostatecznego poprzez tor transmisyjny do anten stacji bazowej.

Choć nie jest wymagane stosowanie elementów TMA, to ten rodzaj montażu torów transmisyjnych pozwala na znaczne zmniejszenie mocy sygnałów w fiderach. Rozwiązanie to jest w pełni wspierane przez takich producentów jak Huawei i Nokia Siemens i często stosowane na nowo budowanych lub przebudowywanych stacjach bazowych sieci komórkowej w Polsce. Taki sposób montażu jest proponowany przez producentów sprzętu przy projektowaniu stacji bazowych systemów LTE czwartej generacji.

Do elementów toru doprowadzającego sygnały do anteny można zaliczyć także takie elementy jak: combinery i duplexery. Pierwszy z nich umożliwia połączenie sygnałów pochodzących od wielu nadajników tego samego systemu i wprowadzenie ich do jednego kabla współosiowego. Elementy te wykorzystywane są w przypadku wprowadzenia sygnału pochodzącego od wielu nadajników systemu GSM emitujących sygnał w kanałach radiowych o różnych częstotliwościach i innych polaryzacjach. Tłumienie combinerów wynosi około 2 dB dla częstotliwości 900 MHz oraz 2,5 dB dla 1800 MHz. Na stacjach bazowych stosowane są także duplexery, umożliwiające wprowadzenie sygnałów różnych systemów np. GSM i UMTS do tego samego fidera. Tłumienie tych elementów wynosi około 0,2 – 0,5 dB [Źródło].

Do anten rozsiewczych mogą być także podłączone inne elementy nazywane w skrócie ACU (ang. Antenna Control Units) lub też RCU (ang. Radio Control Units), takie jak element RET (ang. Remote control of the Electrical down Tilt) – służący do zdalnej, elektrycznej regulacji pochylenia wiązki głównej anteny, czyli tzw. elektryczny tilt.

Operatorzy telefonii komórkowej stosują najczęściej anteny sektorowe (kierunkowe), nazywane także panelowymi, które umożliwiają pokrycie terenu w określonym kierunku. Anteny te mają kąt połowy mocy ok. 65-70o, stosowane są w konfiguracji po 3 anteny nadawcze na stację bazową i rozmieszczone z różnymi kątami azymutu, najczęściej co 120o. Stosowane są także anteny dookólne, z których emitowana wiązka promieniowania jest identyczna w każdym kierunku w płaszczyźnie horyzontalnej. Antena ta przyjmuje zwykle postać prostego, metalowego pręta, dlatego brak jest możliwość zastosowania regulacji pochylenia wiązki głównej. Powszechne jest także użycie anten sufitowych w pomieszczeniach zamkniętych, przymocowanych do sufitów lub ścian (pikokomórki). Z kolei anteny ściankowe są wykorzystywane na elewacjach budynków (mikrokomórki).

Stacje bazowych telefonii komórkowej spotykane są z układami anten w konfiguracji space-polar diversity i cross-polar. Pierwszy z nich to układ dwóch anten na sektor – jedna antena jest anteną nadawczo-odbiorczą, druga zaś tylko odbiorczą. Konfiguracja ta pozwala na przestrzenny odbiór zbiorczy, umożliwiający poprawę jakości transmisji w warunkach głębokich zaników wielodrogowych. Konfiguracja cross-polar to układ jednej anteny nadawczo-odbiorczej na sektor.

W telefonii komórkowej stosowane są anteny emitujące promieniowanie w polaryzacjach: +45o i -45o. Wykorzystanie dwóch polaryzacji spowodowane jest negatywnym wpływem anteny z pojedynczą polaryzacją na układy odbiorcze sąsiednich stacji bazowych ze względu na zmniejszanie się wielkości obsługiwanych komórek. Anteny te posiadają osobne porty wejściowe dla każdej z polaryzacji. Sygnały obu polaryzacji przesyłane są oddzielnymi fiderami oraz generowane w osobnych układach nadawczych. Stosowanie dwóch polaryzacji powoduje zwiększenie mocy doprowadzonej do anteny, co prowadzi do zwiększenia natężenia pola elektromagnetycznego wokół stacji bazowych. Anteny sufitowe i ściankowe najczęściej emitują promieniowanie w jednej polaryzacji – polaryzacji pionowej [Źródło].

Większość anten panelowych stacji bazowych zbudowanych jest z układu kilku anten półfalowych lub mikropaskowych oraz reflektora – metalowej ścianki z tyłu anteny. Elementy te umieszczane są w metalowo-platikowej obudowie. Stosowanie odpowiedniego układu antenowego powoduje uzyskanie określonego kształtu charakterystyki promieniowania dla odpowiednich zakresów częstotliwości oraz umożliwia późniejsze jego zmiany za pomocą elektrycznego sterowania amplitudą i fazą w poszczególnych promiennikach. Anteny półfalowe podłączane są między sobą najczęściej równolegle, zaś anteny mikropaskowe szeregowo. Na rysunku 2.1 przedstawiono wewnętrzną budowę anten panelowych oraz przykładowe modele siatkowe dla różnych polaryzacji. Na rysunku 2.2 zamieszczono przykładową antenę sektorową firmy Kathrein pracująca w trzech pasmach częstotliwości. Antena ta posiada 6 portów wejściowych, każdy dla innego pasma częstotliwości i polaryzacji. Wewnątrz znajdują się różnej długości anteny półfalowe, osobne dla odpowiednich zakresów częstotliwości. Stosowanie jednej anteny pracującej w różnych pasmach częstotliwościach jest łatwiejsze w montażu niż zestawu wielu anten dla każdego pasma z osobna. Dodatkowym plusem stosowania anten wielozakresowych jest ograniczenie ich negatywnego wpływu na otaczający krajobraz.

Rys. 2.1. Budowa wewnętrzna wybranych anten panelowych o polaryzacji: pionowej (a) i ±450 (b) oraz modele siatkowe anten o polaryzacji pionowej (a) i (b) oraz ±450 (c) [Źródło]
Rys. 2.2. Antena sektorowa firmy Kathrein – K-742 271, zakres pracy: GSM 900, GSM 1800 oraz UMTS 2100 – parametry i charakterystyka promieniowania [Źródło]

Anteny linii radiowych stosowane są do transmisji sygnału między stacją bazową, a sterownikiem stacji bazowych. Najczęściej zbudowane są z reflektora o kształcie powierzchni parabolicznej oraz promiennika, umieszczanego w jego ognisku. Promiennikiem jest antena tubową lub półfalowa. Szpilkowa charakterystyka, z kątem połowy mocy od 0,5o do 4o, idealnie sprawuje się w łączach typu punkt-punkt o dużej przepływności [Źródło]. Zwiększenie wielkości reflektora powoduje zwiększenie zysku kierunkowego anteny, co w przypadku niekorzystnych warunków transmisyjnych jest często wymagane. Anteny radioliniowe pracują w różnych pasmach częstotliwości od 5 do 60 GHz. Brak negatywnego wpływu na ludzi i środowisko spowodowane jest bardzo małym kątem bryłowym pola elektromagnetycznego oraz wymaganą bezpośrednią widocznością między antenami. Przykładowe parametry wybranych anten radioliniowych firmy Andrew zabrano w tabeli 2.1.

Tabela 2.3 - Wybrane parametry elektryczne anten linii radiowych firmy Andrew
Producent Nazwa anteny Średnica [m] Częstotliwość pracy [GHz] Zysk energetyczny [dBi] Kąt połowy mocy [stopnie]

Andrew
VHLP1-13 0,3 12,7-13,25 30,9 4,7
VHLP2-13 0,6 12,7-13,25 35,8 2,7
VHLP4-13 1,2 12,7-13,25 42 1,3
VHLP6-13 1,8 12,7-13,25 45,2 0,9
VHLP1-38 0,3 37-40 40,1 1,6
VHLP2-38 0,6 37-40 45,2 0,9
VHLP4-37 1,2 37-40 50,7 0,4

W Polsce, jako anteny rozsiewcze stosowane są najczęściej anteny producentów Kathrein i Powerwave, zaś w przypadku radiolinii – Andrew i Nera. Na stronach producentów tych anten w specyfikacjach umieszczone są dokładne informacje o możliwościach ich pracy w konkretnych pasmach częstotliwości oraz ich charakterystykach kierunkowych promieniowania niezbędnych m.in. w trakcie projektowania stacji bazowych telefonii komórkowej.

Na rysunku 2.3 przedstawiono przykładową stację bazową wyposażoną w dwie anteny GSM 900 i UMTS 2100 oraz jedną, krótszą antenę GSM 1800 i UMTS 2100. Anteny pracujące w paśmie GSM 900 i UMTS 2100 posiadają osobne porty wejściowe dla poszczególnych zakresów częstotliwości oraz polaryzacji. W przypadku anteny GSM 1800 i UMTS 2100 porty tych samych polaryzacji są wspólne. Z odpowiednich nadajników, umieszczonych wewnątrz budynku (niewidocznych na zdjęciu), prowadzonych jest 5 fiderów dla każdego pasma z osobna, za wyjątkiem anteny dla GSM 1800 i UMTS 2100. W tym przypadku sygnał przesyłany jest jednym fiderem, który po rozdzieleniu w jumpery wpinany jest do anteny bezpośrednio z pominięciem TMA. W przypadku pozostałych fiderów w górnej części stacji bazowej następuje rozdzielenie na jumpery, które częściowo są albo wpinane bezpośrednio do portów anten (w przypadku systemu GSM) lub do elementów TMA – dwie pary jumperów. Z obu elementów TMA poprowadzone są także kable do obsługi elementów RET każdej anteny. Z dolnego kontenera poprowadzony jest także fider do obsługi anteny radioliniowej.

Rys. 2.3 - Budowa stacji bazowej na przykładzie obiektu Polkomtel S.A., lokalizacja: Kraków - ul. Żabiniec 45 - budynek mieszkalny pasmo pracy: 3 anteny UMTS 2100 i GSM (2 – GSM 900, 1 – GSM 1800)
© 2009 Krzysztof Niemczyk