5G: sieci telekomunikacyjne nowej generacji

Stacja bazowa systemu telefonii komórkowej to ten element sieci, która odpowiada za nawiązanie połączenia z tzw. segmentem użytkownika, do którego należy np. telefon czy smartphone, ale także urządzenia M2M (ang. Machine to Machine) wyposażone w odpowiedni interfejs radiowy. Połączenie pomiędzy stacją bazową a terminalem użytkownika jest zestawiane drogą radiową za pośrednictwem anten stanowiących wyposażenie stacji bazowej. W tradycyjnym ujęciu anteny instaluje się na posadowionej na gruncie, dedykowanej wieży kratowej lub betonowej albo maszcie. Takie rozwiązania są nadal spotykane na obszarach o małej gęstości zaludnienia, np. na terenach wiejskich. W miastach raczej trudno wyobrazić sobie wybudowanie wysokiej wieży, stąd wykorzystuje się istniejącą już infrastrukturę. Anteny instaluje się na niewielkich konstrukcjach wsporczych umieszczanych na dachach budynków o odpowiedniej wysokości, czy też wprost na kominach, wieżach kościołów, elewacjach itp.

Oczywiście stacja bazowa to nie tylko anteny. Do anten dołączane są urządzenia nadawczo-odbiorcze. W ujęciu tradycyjnym urządzenia nadawczo-odbiorcze znajdują się zazwyczaj w kontenerze posadowionym u podstawy wieży/masztu lub w przeznaczonym do tego pomieszczeniu i są łączone z antenami za pomocą długich, ciężkich, grubych i sztywnych kabli (tzw. feeder). W kontenerze znajdują się także urządzenia sterujące oraz zasilające. W rozwiązaniach bardziej nowoczesnych, dzięki postępowi techniki, wykorzystuje się zminiaturyzowane urządzenia nadawczo-odbiorcze (RRU, ang. Remote Radio Unit), które są instalowane w niewielkiej odległości od anten, a więc np. bezpośrednio na wieży, a nie w kontenerze pod nią. W rozwiązaniach tego typu klasyczne tory antenowe (wspomniane wcześniej feedery) są zastępowane kablami krótkimi, cienkimi, lekkimi i elastycznymi (tzw. jumper). Rozwiązania z zastosowanie RRU wymagają w zasadzie jeszcze tylko dołączenia zasilania z niewielkiej siłowni i połączenia z modułem sterującym (BBU, ang. Baseband Unit) z wykorzystaniem łącza światłowodowego. Natomiast rozwiązania stosowane w sieciach najnowszej generacji (5G) są jeszcze bardziej kompaktowe – tutaj antena oraz urządzenia nadawczo-odbiorcze są zintegrowane w jednej obudowie (AIRU, ang. Antenna Integrated Radio Unit), do której (podobnie jak w przypadku RRU) dołącza się moduł sterujący z wykorzystaniem łącza światłowodowego oraz zasilanie.

Rysunek 1. Trzy generacje stacji bazowych [wysoka rozdzielczość]

 

Rysunek 2. Kontenery stacji bazowych

 

Rysunek 3. Kable antenowe (feedery)

Należy pamiętać, że stacje bazowe nie działają niezależnie, ale funkcjonują w sieciach i są ze sobą połączone właśnie za pośrednictwem tzw. sieci szkieletowej. W tym celu wykorzystuje się albo łącza światłowodowe, albo dedykowane łącza radiowe, tzw. radiolinie.

W stacjach bazowych typowo wykorzystuje się dwa rodzaje anten:

• anteny sektorowe, przeznaczone do pokrycia sygnałem radiowym tych miejsc, w których mogą przebywać abonenci,

• antanteny radiolinie, zapewniające łączność z siecią szkieletową, nie są przeznaczone do łączności z abonentami.

Anteny sektorowe przeważnie rozmieszcza się w trzech zestawach, a każdy taki zestaw odpowiada za pokrycie sygnałem radiowym wybranego sektora o szerokim kącie, równym w przybliżeniu 120°. Stąd też właśnie anteny tego typu nazywane są antenami sektorowymi. To właśnie anteny sektorowe nadają i odbierają sygnały na częstotliwościach 800 MHz, 900 MHz, 1800 MHz, 2100 MHz czy 2600 MHz, które są odbierane i nadawane przez urządzenia abonentów. Aby sygnał radiowy z anten sektorowych skutecznie docierał do większego obszaru, na którym znajdują się abonenci, anteny te są w nieznacznym stopniu odchylane od pionu (kilka stopni) i pochylane w stronę powierzchni ziemi. Natomiast anteny radiolinii pracują na częstotliwościach rzędu kilkunastu-kilkudziesięciu GHz i emitują sygnał skupiony w niezwykle wąskiej wiązce. Anteny radiolinii nie są przeznaczone do łączności z abonentami, dlatego też nie pochyla się ich w kierunku ziemi.

Najprościej odróżnić anteny sektorowe od anten radiolinii. Różnice widać już na pierwszy rzut oka. Anteny sektorowe stosowane w systemach 2G, 3G i 4G, to podłużne, prostopadłościenne elementy, których szerokość wynosi ok. 30 cm – 40 cm (choć zdarzają się także anteny o szerokości ok. 50 cm) a wysokość, która zależy m.in od częstotliwości pracy (po prostu im niższa częstotliwość tym wyższa antena), sięga nawet ok. 250 cm. Obecnie popularnie stosowane są rozwiązania z wykorzystaniem anten wielozakresowych. Antena wielozakresowa jest umieszczana w jednej obudowie i może pokrywać bardzo szeroki zakres częstotliwości, np. od 700 MHz do 3 GHz. Antenę wielozakresową można rozpoznać po tym, że doprowadzono do niej wiele kabli antenowych.

Anteny radiolinii mają zazwyczaj kształt cylindryczny lub sferyczny. Ich średnica, podobnie jak wysokość anten sektorowych, związana jest z częstotliwością pracy i wynosi przeważnie kilkadziesiąt centymetrów.

Rysunek 4. Anteny sektorowe i anteny radiolinii

Anteny, czy raczej zintegrowane z anteną urządzenia nadawczo-odbiorcze, przeznaczone do pracy w systemie 5G to jak na razie nowość. Jak je rozpoznać? Wbrew pozorom nie jest to takie łatwe zadanie i wymaga pewnej wprawy, łatwo więc np. można pomylić modernizację stacji 4G z budową stacji 5G. Można próbować oszacować rozmiar anteny oraz proporcję jej wysokości do szerokości. Podczas, gdy anteny pracujące w systemach 2G, 3G czy 4G są raczej wąskie i wysokie (kształtem przypominają wąski prostokąt), anteny przeznaczone dla 5G są zdecydowanie szersze i niższe (kształt przeobraża się w kierunku kwadratu). Przykładowe wymiary, na podstawie danych katalogowych anteny model AIR 6468 firmy Ericsson: szerokość ok. 52 cm, wysokość ok. 98,8 cm.

Rysunek 5. Antena 5G i typowa antena systemów 2G/3G/4G

Autorka: Jakub Kwiecień, Rafał Pawlak - Instytut Łączności - Państwowy Instytut Badawczy