velcom +375(29)148-56-17 МТС +375(29)558-56-17

Как установить репитер GSM. Пособие.

Не секрет, что операторы сотовой связи используют несколько частотных диапазонов: 900 и 1800 МГц. Частотный диапазон 1800 МГц в основном используется в городах с плотной или многоэтажной застройкой, а частотный диапазон 900 МГц используется чаще за городом и в местах малоэтажной застройки. Связано это с физикой распространения радиоволн и количеством каналов, поддерживаемых вышеописанными стандартами сотовой связи.

Рассмотрим ниже эти особенности.

Из курса физики нам известно, что чем ниже частота волны, тем дальше и лучше она распространяется по пересеченной местности. Это позволяет размещать базовые станции на большие расстояния друг от друга, тем самым обеспечивая более качественное покрытие. Кроме того, низкочастотные радиоволны обладают ещё одним немаловажным свойством - они лучше проникают в здания.

Что касается высокочастотных радиоволн, то их затухание происходит быстрее, а проникновение в помещения зданий значительно хуже. Но зачем тогда сотовые операторы используют высокочастотные радиоволны? Ответ прост - основное преимущество использования более высоких частот в городах — это то, что в каждой точке города каждое абонентское устройство, “видит” лишь ограниченное число "вышек". Это позволяет базовым станциям не "мешать" друг другу. Но и это еще не все. Количество каналов значительно больше в стандарте GSM-1800, чем в стандарте GSM-900, а это позволяет работать одновременно большему количеству абонентов. Вот причины, по которым использование GSM-1800 оптимально в городе, а GSM-900 - в малонаселённых районах и деревнях.

Обследование объекта.

 

На данном этапе важно понять какие ставятся задачи по усилению сигнала - усиление сигнала только одного оператора или сразу всех? Данная статья послужит пособием только по усилению голосовой связи, хотя установка репитеров для мобильного интернета как правило отличается не сильно.

Таблица показывает распределение каналов радиочастот 900 МГц и 1800 МГц между тремя операторами: МТС, Life и Velcom. Также необходимо учитывать, что в различных регионах приведенные данные могут немного различаться, т.к. операторы могут "делиться" каналами для более эффективного покрытия.

Данные таблицы показывают на каких частотах работают белорусские сотовые операторы, а с учетом вышеописанных особенностей можно сразу оценить приблизительную стоимость и сложность работ по усилению сигнала.

Важной особенностью обследования объекта является использование профессионального оборудования - анализатора спектра. Программы и приложения, используемые на телефонах и компьютерах можно использовать лишь как дополнительные инструменты, так как они не являются средством измерения и их показания не помогут получить объективных количественных данных достаточных для принятия решения. Но в любом случае использование дополнительных программ и приложений может помочь в поиске каналов и названий сотовых операторов. 

 

Также перед выездом на место усиления GSM сигнала будет не лишним узнать расположение ближайших базовых станций сотовых операторов с привязкой к местности. Как правило, данные карты составляются любителями и их можно найти на профильных порталах и сайтах, их использование позволит не растеряться на местности.

Вышеописанные факторы, по прибытию в место усиления сотового сигнала, помогут сразу найти точки монтажа внешней антенны, репитера и внутренней антенны.

Важно учесть взаимное расположение внутренних и внешних антенн, для исключения возможности самовозбуждения репитера.

Определяем радиочастотную обстановку.

В большинстве случаев базовые станции всех сотовых операторов находятся в непосредственной близости друг от друга. Для примера мы рассмотрим именно этот вариант как наиболее простой. Если же базовые станции находятся в разных направлениях, то усиление сотового сигнала необходимо производить для каждого оператора отдельно.

На этом этапе нам необходимо произвести замеры уровней сигналов Downlink в месте, предполагаемом для установки внешней антенны с помощью анализатора спектра и подключенной к нему внешней антенны. Составляем таблицы зависимостей уровня сигнала от частоты приёма.

Действуем по следующему алгоритму.

1. Определяем на каких частотах работают белорусские сотовые операторы

2. Среди частотных диапазонов рассматриваемых сотовых операторов выбираем каналы Downlink. Здесь можно использовать различные приложения и программы, созданные любителями. По возможности выбираем каналы, которые будут максимально разнесены между собой.

3. Используя формулы рассчитываем частоты для каждого канала

4. Для удобства приводим все к виду, как в таблице ниже

5. Проводим замеры уровня сигнала в местах возможной установки антенны. В нашем случае оптимальное место было выбрано с уровнями сигналов, представленными в таблице.

Монтаж внутренних антенн.

При определении наиболее подходящих мест установки внутренних антенн необходимо учитывать:

- планировку помещений, а также в каких из них необходимо усилить сигнал GSM. Это важно, т.к. в некоторых случаях применением более мощной комнатной антенны можно усилить сигнал сразу в нескольких помещениях, а в других – в одном помещении из-за большой площади и/или планировки необходимо устанавливать несколько внутренних антенн.

- материал стен, перекрытий и т.д., они будут ослаблять сигнал: металлическая кровля на 40-60 дБ; толстые кирпичные, железобетонные стены и перекрытия на 20-40 дБ; гипсокартонные, деревянные перегородки на 10-20 дБ. Также не забываем учитывать разницу в ослаблении между разными стандартами GSM;

- взаимное расположение внешних и внутренних антенн, для исключения случаев самозбуждения усилителя, это когда сигнал от внутренней антенны улавливается внешней, усиливается и снова улавливается и так далее.

Наша задача надёжно усилить сигнал Downlink (сигнал на прием от базовой станции), и в случае ее выполнения проблем с сигналом Uplink (на передачу) быть не должно. В связи с некоторыми техническими ограничениями телефоны принимают только относительно мощные сигналы. Сведения по уровню сигнала Downlink приведены ниже.

Расчет сигнала Downlink

Для этого складываем:

-уровень сигнала который в точке установки внешней антенны;

-усиление внешней антенны;

-потери в разъёмах и кабеле от внешней антенны до репитера;

-усиление репитера;

-потери в разъёмах и кабеле от репитера до внутренней антенны;

-потери в разветвителях GSM (если они используются);

-усиление внутренней антенны;

-затухание сигнала внутри помещения.

Сигнал Downlink в помещении, где мы хотим усилить сотовую связь должен быть не ниже -80 … -75 дБм.

Таблица для расчета затухания сигнала на открытом пространстве.

Расcчитаем сигнал Downlink от базовой станции в диапазоне стандарта GSM-1800 с установкой антенны в точке установки внешней антенны:

-85 дБм (сигнал Downlink от базовой станции МТС)

+14 дБ (усиление внешней антенны)

-7 дБ (потери в разъёмах и кабеле длинной 10м от внешней антенны до репитера)

+Кр (коэффициент усиления репитера, мы его как раз и должны найти)

-7 дБ (потери в разъёмах и кабеле длинной 10м от репитера до внутренней антенны)

+8 дБ (усиление внутренней антенны)

-58 дБ (затухание сигнала в комнате на расстоянии 10 метров от антенны до дальнего угла комнаты)

Рассчитаем: -85+14-7+Кр-7+8-58

Получилось (Кр-135) дБ.

 

Напомним, что сигнал Downlink в помещении, где мы хотим усилить сотовую связь должен быть не ниже -80 … -75 дБм.

 

Тогда Кр=135-75=60 дБ.

 

Как видим мы должны использовать репитер с коэффициентом усиления не ниже 60 дБ. Важным моментом при выборе репитера так же должны служить существующие погрешности в указании коэффициента усиления репитера GSM (до 3 дБ), неравномерность амплитудной частотной характеристики (до 3 дБ), а также коэффициент шума (примерно 6 дБ). Поэтому для гарантированного высокого уровня сигнала, выберем репитер GSM с коэффициентом усиления 70 дБ.

Установив репитер GSM с коэффициентом усиления 70 дБ дальнем углу комнаты, мы получим сигнал Downlink - 65 дБм.

Схематично наш расчет представлен на изображении.

Выбор расположения внутренних антенн

Мы решили первую задачу - определили для внешних антенн направления на нужные базовые станции.

Следующая задача - это определить для внутренних антенн необходимые зоны охвата внутри помещений:

  • расположение внутренних антенн зависит от конфигурации внутренних помещений и от того, в каких помещениях заказчик хочет усилить сигнал;
  • необходимо учесть из каких материалов сделаны внешние стены здания, перекрытия и внутренние перегородки. Сплошная металлическая кровля ослабляет сигнал на 40-60 дБ; толстые кирпичные, железобетонные стены и перекрытия ослабляют сигнал на 20-40 дБ; гипсокартонные, деревянные перегородки ослабляют сигнал на 10-20 дБ. При этом следует учитывать то, что более высокие частоты диапазона 1800 МГц ослабляются сильнее, нежели частоты диапазона 900 МГц.
  • взаимное расположение внутренних и внешних антенн должно быть таким, чтобы не было самозбуждения усилителя, т.е. такой ситуации, в которой сигнал с внутренней антенны улавливается внешней антенной, усиливается, подаётся на внутреннюю антенну, и так далее.

Если грамотно и надёжно усилить сигнал Downlink (т.е. от БС к телефону), то проблем с сигналом Uplink (т.е. от телефона к БС) быть не должно. При использовании качественного репитера такой сигнал тоже усилится. Обычно канал усиления Uplink в репитере делают с усилением на 5...10 дБ меньшим, чем усиление канала Downlink.
Чтобы телефон надёжно принимал сигнал Downlink, он должен быть не менее -80 дБм (в точке пространства, где находится телефон). Чтобы базовая станция надёжно принимала сигнал Uplink , он должен быть не менее -95 дБм (в точке пространства, где находится приёмная антенна базовой станции). Это связано с тем, что на базовых станциях используются малошумящие канальные фильтры и усилители, которые могут усиливать очень слабые сигналы от телефонов. Такой усилитель сужает полосу приема сигнала до 100 раз, уменьшая до 10...20 дб собственный уровень шумов приемника базовой станции.


Однако телефоны могут принимать только относительно мощные сигналы, так как в телефонах существует ряд технических ограничений на возможность приема сигнала с большей чувствительностью. Это обусловлено технической сложностью реализации в размерах телефона приемной антенны с высоким усилением и входного фильтра - преселектора приемника.

Расчёт развязки внешней антенны относительно внутренней

Затем необходимо примерно оценить, какая паразитная мощность будет доходить от внутренней антенны к внешней (обратный паразитный сигнал от внешней антенны до внутренней можно не брать в расчет, поскольку как упоминалось ранее, канал усиления Uplink имеет меньшее усиление). Оптимально, когда у вас есть в наличии скалярный анализатор цепей, позволяющий измерить прохождение сигнала от внешней антенны до внутренней. На внутренней антенне будет излучаться максимально возможная мощность от БС МТСа: -71+14-4-7+65-7+8=3 дБм

Внутренняя антенна удалена от внешней на 20 метров (это затухание -64 дБ, из таблицы) и, кроме того, между ними железобетонная стена (это примерно -40 дБ затухания). В сумме это даст до -101 дБм.
Таким образом, разница между паразитным сигналом (с внутренней на внешнюю антенну, -101 дБм) и самым слабым полезным сигналом Downlink (с БС Билайна, -81 дБм) составляет -20 дБм. Такая разница должна быть не менее -15...-20 дБм. Если эта разница менее -15…-20 дБм, то можно применить следующие способы исправления ситуации:
- разнести внутреннюю и внешнюю антенны на дополнительное расстояние;
- изменить плоскость поляризации внутренней антенны с вертикальной на горизонтальную (это даст выигрыш в развязке в 15 ... 30 дБ);
- использовать репитер с меньшим усилением;
- запустить систему на объекте в тестовом режиме, так как некоторые параметры при расчёте были взяты лишь приблизительно (например, значение величины затухания сигнала при прохождении через железобетонную стену). На практике всё может оказаться немного по-другому.

Расчёты по развязке внутренней и внешней антенн необходимо проводить для всех сигналов одного диапазона. Если же один оператор работает в одном диапазоне, а второй - в другом, то их взаимное влияние в таком случае будет минимальным.

Выбор репитера с учётом радиочастотной обстановки

Таким образом, после изучения радиочастотной обстановки на объекте мы получили информацию о сигналах Downlink от различных операторов, а именно уровни каналов каждого оператора. В зависимости от того, какой оператор, на каких каналах и с какими уровнями передает сигналы, следует выбор той ли иной схемы усиления.

Кратко об усилении репитера

Рассмотрим репитер с коэффициентом усиления 50 дБ. Тут всё просто: подав на его вход сигнал с уровнем -83 дБм, мы получим на выходе -83+50=-33 дБм. Однако у каждого репитера помимо коэффициента усиления указывают максимальную выходную мощность (ещё эту величину называют “точка компрессии”). Это максимально возможный выходной сигнал усилителя, выше которого начинают расти искажения и падает общее усиление репитера. До этой величины усиление можно считать линейным.

Но дело в том, что все без исключения производители репитеров лукавят, указывая усиление и амплитудно-частотную характеристику для одного канала. А нам необходимо усилить множество каналов. При усилении нескольких каналов коэффициент усиления репитера уменьшается в перерасчёте на один канал. Но об этом чуть позже.
Репитер не должен работать в режиме, близком к точке компрессии (для рассматриваемого репитера это 20 дБм - эта величина указывается в паспорте репитера и называется максимальной выходной мощностью), так как будут расти интермодуляционные искажения.
Поэтому репитер должен работать в режиме, в котором мощность на выходе меньше точки компрессии на 10-15 дБ.
То есть в рассматриваемом нами репитере на вход можно подать максимум -40 дБм. Тогда на выходе репитера будет 10 дБм, что как раз на 10 дБ меньше точки компрессии для этого репитера.

Как проявляются интермодуляционные искажения

Если случится так, что на вход репитера приходят два сигнала с примерно одинаковой мощностью и с частотами, отличающимися на небольшую величину, то на выходе репитера будут не только два этих сигнала, но и сигналы с частотами, отличающимися от частот входных сигналов на их разницу.
Например, на вход подаются сигналы с частотами f1=952 МГц и f2=953 МГц. Тогда при работе репитера в режиме выше точки компрессии на выходе репитера будут не только усиленные сигналы f1=952 МГц и f2=953 МГц, но и сигналы, отличающиеся на их разницу ∆f=f2-f1=1 МГЦ, а именно f3=f1-∆f=951 МГц и f4=f2+∆f=954 МГц. Эти паразитные сигналы будут тем больше, чем ближе к максимальной выходной мощности рабочая точка репитера.

Итак, повторим ещё раз: репитер не должен работать в режиме, близком к максимальной выходной мощности.

Что значит “коэффициент усиления репитера”

Рассмотрим репитер с коэффициентом усиления 50 дБ и максимальным выходным уровнем 20 дБм. Это значит, что репитер усилит ОДИН входящий канал с коэффициентом 50 дБ при условии, что больше нет никаких других входящих сигналов в диапазоне усиления репитера. Это идеальный случай и такого почти никогда не бывает. Всегда есть несколько каналов на входе и какие-то шумы и помехи. Каждый дополнительный канал уменьшает коэффициент усиления на величину 10Lg(N/2). Эта формула справедлива, когда уровни сигналов примерно одинаковы и различаются не более чем на 1 дб. Например, для 10 каналов на входе усиление репитера упадет примерно на 7 дб. И соответственно, максимальный выходной уровень будет уже 20-7 = 13 дБм.


Если на входе репитера присутствуют не только полезные сигналы, но и помехи, то они тоже будут уменьшать коэффициент усиления в перерасчёте на полезные каналы.

Таким образом, коэффицент усиления репитера зависит от количества усиливаемых каналов. Важно знать, что ночью базовая станция может работать всего на одном-двух каналах, так как количество звонков невелико. Соответственно, коэффициент усиления репитера будет большой. Днём же количество активных абонентов увеличивается, базовые станции автоматически увеличивают количество каналов, и коэффициент усиления репитера закономерно снижается.

АЧХ репитеров

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика - зависимость коэффициента усиления репитера от частоты. АЧХ репитеров всегда нелинейная, имеет завалы на границах диапазонов по 3-8 дБ. Кроме того, АЧХ каждого конкретного репитера отличается от АЧХ другого репитера.
АЧХ идеального репитера диапазона GSM-900 с коэффициентом усиления 50 дБ должна выглядеть вот так:

Но мир электроники неидеален, и у настоящего репитера АЧХ выглядит вот так (на рисунке показан АЧХ репитера VECTOR R-610):

Как видим, репитер будет усиливать какие-то каналы лучше, а какие-то хуже. Особенно внимательными нужно быть при усилении каналов, находящихся на границах диапазонов.
В силу особенности схемотехники дешевых репитеров, чем выше усиление репитера, тем более неравномерную АЧХ он имеет. Авторам данной статьи попадались китайские и российские экземпляры репитеров, имеющие неравномерность АЧХ в рабочем диапазоне до 18 дБ. Это также надо учитывать при установке.

Необходимо обратить внимание

  • Если разность частот входящих каналов составляет 5-10 МГц при разнице их уровней в 10 дБм, то все эти каналы усилятся без искажений.
  • Если разность частот входящих каналов составляет порядка 1 МГц при разнице их уровней в 10 дБ, то слабый сигнал может быть подавлен более сильным. В данном случае необходимо либо усиливать каналы раздельно с помощью разных репитеров, либо пытаться найти другие каналы, сильнее разнесённые друг от друга.

Способы улучшения качества усиления

  • Можно использовать канальные репитеры. Они усиливают только узкую полосу с нужными каналами. Такие репитеры несколько дороже обычных, но иногда только их применение сможет усилить сигнал в сложной радиочастотной обстановке.
  • Необходимо покупать оборудование (репитеры, GSM антенны, кабели, разъёмы, фильтры и т.д.) только у надёжных поставщиков и желательно у тех, которые сами занимаются установкой репитеров, так как только тогда риск нарваться на левое оборудование с непонятными характеристиками будет минимален.
  • Можно использовать фильтры сигналов Uplink и Downlink на те частоты, которые мы хотим усилить. Это способ, которые способны использовать только очень опытные установщики непосредственно взаимодействующие с производителями репитеров.

Специалисты нашей компании быстро и качественно проведут все необходимые измерения уровней сигналов и подберут решение для Вашей ситуации. Будем рады Вам помочь.