Внешние антенны для увеличения дальности действия мобильной связи

Основные стандарты:

• Стандарт GSM — работает в диапазонах 900 и 1800 МГц.
  Стандарт GSM 900 хорош для покрытия больших территорий и «пробивания » стен зданий,
• GSM 1800 — для обслуживания большого числа абонентов. Дальность действия базовых станций GSM 1800 намного меньше, зато емкость больше.
• Сети UMTS (3G ) работают в диапазонах 900 и 2100 МГц
• Диапазон 800 МГц хорошо подходит для «лесов и болот»
• Диапазон 2600 МГц даёт необходимую ёмкость сети в городах
• LTE (4G ) двух разновидностей (FDD и TDD) работает в нескольких частотных диапазонах
  CDMA (Скайлинк ) в диапазоне 450 МГц. Этот стандарт (LTE Advanced (LTE -A) с агрегацией частот) позволяет объединять и совместно использовать несколько полос частот в разных диапазонах и добиться фантастических скоростей передачи данных.
• 5G — Телекоммуникационный стандарт связи  5G должен обеспечивать более высокую пропускную способность по сравнению с технологиями 4G, что позволит обеспечить бо́льшую доступность широкополосной мобильной связи  Для полноценного функционирования сетей мобильной связи стандарта 5G необходимо разворачивать сети в более свободных высокочастотных диапазонах.

Bluetooth

Этот стандарт беспроводной связи является одним из самых универсальных, которые мы находим сегодня. Мы можем использовать его для подключения часов, браслетов, наушников, элементов управления, датчиков и многого другого.

В мобильных телефонах радиус действия Bluetooth составляет 10 метров, после чего сигнал начинает работать нестабильно и даже обрывается. Дальность действия может варьироваться в зависимости от различных факторов, таких как помехи в окружающей среде или тип используемой мощности передачи и покрытия. Всего имеется четыре класса с разной мощностью и дальностью действия в зависимости от устройства:

• Класс 1: дальность до 100 метров, средняя мощность 100 мВт
• Класс 2: дальность до 20 метров, средняя мощность 2,5 мВт
• Класс 3: дальность до 1 метра, при средней мощности 1 мВт
• Класс 4: дальность до 0,5 метра, при средней мощности 0,5 мВт

Wi-fi

Дальность действия Wi-Fi зависит от наличия препятствий, где стены и металлические предметы значительно уменьшают расстояние, на которое может распространяться сигнал. Однако предполагаемый радиус действия сигналов Wi-Fi для стандарта Wi-Fi 5 выглядит следующим образом:

• 2,4 ГГц: 45 метров в помещении и 90 метров на улице
• 5 ГГц: 15 метров в помещении и 30 метров на улице

Однако Wi-Fi 6 имеет больший диапазон благодаря модификациям модуляции. В диапазоне 2,4 ГГц сигнал может достигать 70 метров в помещении и 250 метров на улице, хотя фактическое покрытие может сильно различаться, особенно если между ними несколько стен или дверей.

Антенны типа волновой канал

В сотовой связи в качестве стационарных антенн
получила широкое распространение антенна типа
Уда-Яги (или “волновой канал”). Эта антенна
имеет много разновидностей, которые различаются
между собой числом элементов, плоскостями
поляризации и конструкцией отдельных элементов.

Антенна для сотовой связи имеет вертикальную
поляризацию, и поэтому ее активные вибраторы,
рефлекторы и директора устанавливаются
вертикально. “Волновой канал” до настоящего
времени является одной из лучших антенн для
радиосвязи на УКВ, а также приема телевидения.

Выбор внешней антенны производится, исходя из
ее основных параметров:

рабочий диапазон (frequency
range); коэффициент усиления (gain);

Рабочий диапазон антенны должен
соответствовать диапазону частот, в котором
работает ваш сотовый телефон. Коэффициент
усиления следует выбирать по возможности
наибольший, импеданс антенны (волновое
сопротивление) должен быть равен 50 Ом, а
коэффициент стоячей волны – не превышать двух.

Все вышеперечисленные параметры антенны обычно
указываются в ее паспорте, а если такого нет, то
необходимую информацию может дать продавец
магазина. В продаже есть антенны с аналогичными
радиотехническими характеристиками и других
фирм, которые по стоимости меньше указанных выше
типов антенн.

Это объясняется их низкой
механической надежностью и плохой коррозийной
стойкостью. Заметим, что в Западной Европе
отсутствуют зоны неуверенного приема, и поэтому
направленных антенн для терминалов GSM-900
практически не выпускается. В продаже есть
только направленные фирменные антенны GSM-900 для
работы с ретрансляторами (репитерами)
операторов.

Характеристики промышленных направленных
антенн для сотовых телефонов

Выбор внешних антенн

Все стационарные антенны можно разделить на
два типа: направленные и ненаправленные. В
качестве ненаправленных стационарных антенн в
основном применяются полуволновые, коллинеарные
и солинейные антенны. Ненаправленные антенны по
сравнению с направленными антеннами обладают,
как правило, меньшим усилением и применяются в
основном там, где возможен прием сигнала от
нескольких базовых станций. По конструкции и
характеристикам они очень похожи на
автомобильные антенны.

Существует много типов направленных антенн,
которые отличаются только конструктивным
исполнением. В основном используются
направленные антенны типа волновой канал,
логопериодические и плоские печатные, Антенна
типа волновой канал имеет больший коэффициент
усиления и проста в изготовлении.
Логопериодическая антенна имеет более сложную
конструкцию при тех же габаритах, что и антенна
типа “волновой канал”.

Хотя логопериодическая антенна и имеет меньший
коэффициент усиления, но она широкополоснее, что
позволяет ее использовать в большем интервале
радиочастот. Для сравнения приведем
коэффициенты усиления наиболее
распространенных внешних антенных для сотовых
телефонов.

Простая автомобильная антенна имеет
усиление 1…3 дБ (1-2 кубика по шкале телефона),
волновой канал – 7…15 дБ (в зависимости от
количества элементов, качества сборки и
настройки антенны), что составляет уже 2-3 кубика
по шкале, а логопериодическая антенна – 7…12 дБ.

Ик‑порт

Инфракрасный порт используется в пультах для управления удаленными устройствами, такими как телевизоры или кондиционеры. Его радиус действия очень ограничен из-за малой мощности, когда пульт может достигать телевизора на расстоянии 10 или 15 метров. Датчики движения, которые также используют инфракрасный порт, имеют диапазон от 1 до 5 метров.

Кабель и антенные переходники

В диапазоне 900 МГц вопрос выбора кабеля
приобретает первостепенную роль. Отечественные
телевизионные коаксиальные кабели можно
использовать только ограниченно (затухание
более 30 дБ на 100 м слишком велико). Из доступных
импортных образцов подойдет RG-6 – коаксиальный
кабель с двойной оплеткой.

Промышленные штыревые автомобильные антенны
обычно включают в себя кабель RG-59 с затуханием 28
дБ на 100 м. Антенна типа волновой канал с
коэффициентом усиления 12 дБ и Юм кабеля RG-6U дают
общее усиление 9,6 дБ, а при 20 м – 7 дБ.

На большинстве сотовых телефонов есть разъем
для внешней антенны. Кроме того, для каждого типа
телефона существует так называемый антенный
переходник (около $5), он подключается к
указанному разъему и представляет собой
короткий кусок кабеля, с одной стороны которого
находится специфический телефонный
высокочастотный разъем, а с другой – стандартный
ВЧ-разъем. Обычно затухание в антенном
переходнике не превышает 1 дБ.

При покупке антенного переходника необходимо
убедиться в его работоспособности. При включении
переходника в телефон встроенная в телефон
антенна отключается, а выходной каскад
переключается на переходник. Другими словами, на
шкале телефона можно заметить, что при
подключении к нему одного переходника
происходит некоторое падение величины сигнала.

Как организована сотовая связь

Сотовая сеть разбита на территориальные ячейки (соты). Каждая сота занимает свой участок территории, который покрывает (обслуживает) базовая станция. Форма и размеры сот зависят от множества факторов, в том числе от мощности излучения базовой станции, стандарта, рабочих частот, направления антенн и т.п.

Базовые станции подключенные по оптоволоконному кабелю, осуществляют связь терминала (телефона) с базовой станцией, после чего разговор или трафик передачи данных от базовой станции доставляется до коммутатора.

Само собой равномерное распределение базовых станций невозможно в условиях городской застройки ввиду архитектурных препятствий. Поэтому все операторы стараются резервировать дополнительные мощности в крупных городах, создавать перекрывающиеся зоны для базовых станций.

Чтобы закрыть так называемые «дыры» в покрытии сетей, сотовые операторы устанавливают свои базовые станции как на офисных зданиях, производственных помещениях и магазинах, так и на крышах жилых домов. Это дает возможность более равномерно покрыть район и позволить мобильным устройствам надежно регистрироваться в сети.

Для обслуживания тысячи пользователей операторы за большие деньги покупают Полосы частот — это ограниченный и крайне ценный ресурс, за лицензирование которых государству платят большие деньги. И не только деньги. Например, в России Министерство связи закладывает в лицензии обязательства оператора по обеспечению связью не только выгодных для сотовиков городов, но и малонаселенных территорий, где строить базовые станции – заведомо убыточное дело. Поэтому стоимость установки базовых станций и строительства сетей в малых городах компенсируется услугами в больших.

Какой оператор связи лучше

Определиться с выбором лучшего оператора основываясь только на количестве базовых станций, которые он имеет, неверно. Ведь стандартов связи становится больше и все они имеют свою специфику: 2G для голоса, 3G/4G и их промежуточные версии для передачи данных, а также голоса (3G , а также появляется Voice over LTE).

Маркетинговые термины про 4G, 4G сегодня не гарантируют качество связи. Важно понимать, какие скорости достижимы на практике и в чем есть подводные камни. Насколько хорошо работает голосовая связь. Наличие у оператора низких частот обеспечит «пробивную способность» сигнала.

Конечно же стоит учитывать число базовых станций и количество современных станций, которые объединены высокоскоростной оптикой для тех, кто частно разъезжает по миру. Среди операторов можно отметить Мегафон, которая активно и первой развивает станции новых поколений, и имеет максимальный частотный ресурс. Компания подобралась к теоретическому максимуму базовых станций для всех территорий в России.

Общий вывод

Чем больше в вашем телефоне поддерживаемых стандартов и чем больше их у вашего оператора, тем надежнее в большинстве случаев связь, особенно это касается мобильного интернета.

Мобильный интернет

Это один из самых важных вопросов, так как с его помощью мы можем узнать, будет ли у нас покрытие в определенном месте или нет. В зависимости от используемой сетевой технологии и частоты, дальность может составлять от 35 до 70 км. На больших расстояниях могут возникнуть проблемы с синхронизацией, и поэтому сигнал будет передаваться ненадежно.

К сожалению, это теоретический максимум, так как в реальной жизни расстояние, которое достигает сигнал, составляет от 3 до 20 километров, причем последняя цифра относится к сигналам меньшей мощности, с передачей только голоса или очень медленных данных.

Для достижения расстояния 20 км необходимы хорошие погодные условия, отсутствие препятствий и прямая видимость антенны. В прошлом покрытие первых мобильных телефонов, появившихся на рынке, было лучше благодаря использованию больших антенн. Однако с увеличением количества антенн у операторов отпала эта необходимость.

Настройка антенны на местности

Установленную антенну с помощью кабеля
подключают к сотовому телефону и производят ее
настройку. Телефон следует разместить так, чтобы
был виден его экран. При настройке антенны с
аппаратами Nokia лучше всего использовать функцию
NetMonitor.

В других типах телефонов можно ввести
специальный код и открыть служебное меню. Меню
позволяет увидеть приемный уровень 6…8 частот,
принимаемых телефоном в порядке убывания, номер
частоты, расстояние до базовой станции, процент
ошибок в канале и др.

При настройке антенну поворачивают вокруг
мачты медленно и с остановками, так как уровень
принимаемого сигнала, отображаемый в телефоне,
изменяется с задержкой до нескольких секунд.
Если известно направление на ближайший город, то
антенну можно вначале направить на него.

Вращение антенны производят до того момента,
пока не будет установлено направление, откуда
приходит сигнал максимального уровня. Получив
необходимый результат, производят фиксацию
антенны. Бывает и так, что удается определить
направление, откуда приходит сигнал, но его сила
такова, что не позволяет установить качественную
связь, тогда следует применить антенный
усилитель.

Общие сведения

В первых конструкциях сотовых телефонов применялись телескопические антенны, а несколько позже – малогабаритные антенны. В сотовых телефонах можно встретить такие малогабаритные антенны: спиральные, вибраторные и низкопрофильные.

При соответствующем выборе параметров спиральной антенны она очень эффективна. Для мобильных устройств используется режим ненаправленного излучения, который реализуется при диаметре спирали D значительно меньше длины волны. При этом в плоскости витков антенна равномерно излучает во всех направлениях, а в плоскости, совпадающей с осью спирали, диаграмма направленности имеет форму восьмерки.

Спиральные антенны представляют собой закрытую полимерной оболочкой спираль на диэлектрическом стержне. Существуют модели со спиралью, заключенной в резиновый корпус, “в гибком исполнении”. Спиральные антенны имеют физическую длину 1/12 при четвертьволновой электрической длине.

При дальнейшем уменьшении физической длины резко возрастают потери. Неудовлетворительная работа спиральной антенны в портативных радиотелефонах в диапазоне частот 800…900 МГц привела к тому, что разработчики усложнили ее, добившись выигрыша по сравнению с одиночной спиралью.

Усложненная спиральная антенна состоит из двух спиралей: первичной, жестко установленной на корпусе, длиной приблизительно 2 см и вторичной, длиной приблизительно 10 см, которая размещена внутри корпуса радиотелефона. В выдвинутом состоянии вторичная спираль становится основным излучателем.

Уменьшение размеров сотовых телефонов заставило отказаться от использования
вибраторных и спиральных излучателей и перейти к низкопрофильным конструкциям. Микрополосковые антенны и F-образные антенны известны как типичные низкопрофильные антенны и их широко применяют в радиотелефонах. Габариты носимого телефонного аппарата позволяют расположить антенну на лицевой или боковой стороне корпуса.

В современных аппаратах антенны выполнены в виде короткого стационарного штыря, который установлен внутри корпуса, и его почти не видно. Изменение конструкции применяемых антенн связано, в первую очередь, с ростом рабочей частоты, а также требованиями удобства их эксплуатации.

Уменьшение размеров корпуса и соответственно размеров антенны приводит, как правило, к уменьшению эффективности ее работы во время передачи и приема. Поэтому применение небольших по размерам сотовых телефонов оправдано только там, где сотовая сеть мобильной связи достаточно развита и имеет мощные базовые
станции.

Опыт показывает, что в большинстве случаев лучшая антенна – стандартная. При необходимости имеет смысл приобретать стационарную или автомобильную антенну. Стационарная направленная антенна устанавливается на улице так же, как телевизионная, и направляется на ближайшую базовую станцию.

противовесом. Измеренная плотность потока излучения мобильного телефона может составлять
несколько десятков процентов от номинальной
мощности и зависит от того, как расположена рука
пользователя с аппаратом у уха (рабочее
положение аппарата).

Основные потери эффективности антенны в рабочем положении аппарата носят название
“потери ближней зоны”. Эти потери определяются в основном двумя факторами:
результирующей изрезанностью диаграммы направленности и потерями мощности излучения на
единицу массы тела пользователя и, естественно, что у абонента крупных размеров потери ближней
зоны больше.

Находясь вдали от городов, пользователи сотовой связи нередко сталкиваются
с неуверенным приемом базовых станций. Выходом из данной ситуации является использование для работы телефона внешней антенны. Рассмотрим
некоторые особенности радиосвязи в широко распространенном стандарте GSM.

В стандарте GSM-900
всего 124 частотных канала. Сотовый телефон, как и базовая станция, могут работать на любой частоте,
определенной оператором. Передача от базовой станции (BS) на телефон (MS) ведется на одних
частотах (935,2…959,8 МГц), в то время как передача от
сотового телефона на базовую станцию – на других
на частотах (890,2…914,8 МГц). Канал от базовой
станции (BS) к мобильной станции (MS) носит название
Down Link, а от MS к BS – Up Link.

Операторы обычно используют ограничение
дальности работы мобильного телефона от базовой
станции до 35 км, что обусловлено особенностями
стандарта. Если в сети стандартной конфигурации
в одном частотном канале формируется 8 временных
интервалов (тайм-слотов): один служебный, а семь –
разговорных, то в этом случае максимальная
дальность связи на каждом канале составляет 35 км.

Такой режим работы является неприемлемым для
городских условий, так как уменьшается
количество абонентов сотовой сети. Этот режим
работы сотовой связи иногда используется на
морском побережье для создания прибрежной зоны,
покрытия.

Резюмируя высказанное, можно сделать вывод, что
при наличии телефона стандарта GSM-900 для
нормальной работы сотового телефона не следует
удаляться от ближайшей базовой станции на
расстояние более 35 км, в противном случае связь с
ней будет затруднена или просто невозможна.

На дальность радиосвязи, как известно, влияют
такие факторы:

Местоположение BS и MS и рельеф
местности. Мощность и чувствительность сотового
телефона (MS). Мощность и чувствительность базовой
сотовой станции (BS). Антенны, установленные на MS и
BS. Время года и погодные условия.

Обычно базовые станции имеют мощность 20…30 Вт.
Антенны применяются либо штыревые, либо
направленные. Чувствительность базовых станций
составляет минус (100… 115) дБ, в то время как
выходная мощность телефона составляет 0,3…2 Вт, а
чувствительность – минус (90…105) дБ.

Если в зонах уверенного приема разница в
чувствительности и мощности между различными
моделями сотовых телефонов практически
незаметна, то в зоне неуверенного приема она
может стать критической. Зачастую трубка
показывает уровень сигнала от базовой станции 1-2
кубика (по шкале), а установить соединение не
может: не хватает мощности.

И хотя стандартизация
ETSI регламентирует стандартные выходные мощности
для каждого класса телефонов, реальное значение
может незначительно колебаться. Хорошей
чувствительностью отличаются трубки Sagem, Alcatel,
Motorola. А по мощности проходят все старые телефоны,
особенно Motorola. Все телефоны фазы 2 имеют примерно
одинаковую мощность.

Во время установки сеанса радиосвязи следует
учитывать, что радиоволны распространяются
лучше на ровной местности и по поверхности реки,
в то время как в лесу прохождение волн хуже, чем в
городе. Радиосигнал распространяется или
принимается лучше, если вы находитесь на высоте,
господствующей над окружающей местностью.

Бывает так, что во время сеанса связи вас слышат
хорошо, в то время как собеседник время от
времени пропадает. Для исправления ситуации
следует заменить ваш телефон на аппарат с
большей чувствительностью. Если же вы находитесь
на таком расстоянии от базовой станции, что
телефон ловит сигнал сети на пределе или
нестабильно, то для улучшения радиосвязи следует
попробовать подключить к телефону внешнюю
антенну.

В зонах неуверенного приема между каналами с
одинаковыми и соседними частотами часто
наблюдаются интерференционные помехи. Это
связано с ограниченностью частотного ресурса,
выделенного операторам GSM-900. И в связи
с этим, в зоне неуверенного приема часто
фиксируются сигналы от разных базовых станций,
имеющие одинаковые или соседние значения
частоты сигнала.

Такие сигналы создают взаимные помехи,
мешающие связи, а при определенных уровнях
сигналов связь становится и вовсе невозможной.
Если на экране телефона фиксируется сильный
сигнал от базовой станции, а установить
соединение не удается или удается, но речь все
время пропадает, значит, вы столкнулись с
“чужаками”.

В такой ситуации телефон не
всегда способен выбрать другую частоту, поэтому
если у вас телефон Nokia, то можно попытаться
воспользоваться функцией “NetMonitor”. При
отсутствии в телефоне функции NetMonitor следует
применить внешнюю направленную антенну с
хорошей диаграммой направленности.

Радиус действия соты сетей gsm – 35 км? | мобильные сети

Российские стандарты связи

Различные стандарты связи необходимы для сохранения работоспособности всех мобильных терминалов(различных моделей мобильных устройств).

Совместимость терминалов, выбор мобильного устройства с хорошей связью

По мере возможности производители смартфонов, планшетов и другой электроники адаптируют свои устройства под конкретные рынки. В таких устройствах обычно прописаны точки доступа, проверена работа со множеством SIM-карт различных операторов, в инженерном меню телефона выставлены правильные настройки для сети.

Одна и та же модель может быть настроена так, что ее локальный вариант будет качественно работать в сети, чем аналог, привезенный из Европы или США. Вопрос в настройках, которые сделаны для России, и в том, насколько они универсальны или специфичны.

Это также напрямую влияет на время работы вашего устройства, скорость регистрации в сети. Например, покупая новейший смартфон, не предназначенный для России, поддерживающий агрегацию частот в 4G, вы можете столкнуться с тем, что в российских условиях скорости не поддерживаются.

Зачастую в телефонах заявляется поддержка полного набора стандартов, обычное описание выглядит так – GSM 850/900/1800/1900, 3G 900/2100, 4G LTE FDD, и дальше идет перечисление диапазонов или, как их еще называют, band’ов. Например, если в сети МегаФон есть поддержка LTE Advanced, то ваш смартфон или планшет также должны поддерживать эту технологию и эти частоты, иначе не ждите большей скорости и качества связи.

Для LTE в России используется стандарт band 20 , в то время как во многих азиатских моделях он отсутствует. Например, привезённые из китая iPhone могут работать в band 7 (2600 МГц), но не поддерживать LTE 800 МГц (Band 20). К тому же стоит учитывать, что частот в Band 20 у наших операторов сравнительно мало, и сети в этом диапазоне развивают не так активно.

Обычно, большая часть устройств, продаваемых в России, поддерживает локальные частоты в полной мере, но «серые» аппараты могут предназначаться для других рынков, поэтому стоит внимательно ознакомиться с поддержкой используемых диапазонов терминала и оператора.

Факторы влияющие на качество связи

Многие сталкивались с тем, что в «пиковые » часы связь сильно портиться или вообще пропадает. Дело в том, что с повышением нагрузки (число одновременно разговаривающих) территория покрытия базовой станции 3G может уменьшаться, вплоть до появления «дыр » в покрытии там, где соседние соты мало перекрывают друг друга (ближе к границам сот).

Чтобы не возникали проблемы со связью на даче, в сельской местности можно установить сотовые усилители специально предназначенные для удаленных от города населенных пунктов (сотовые усилители для сельской местности).

Погодные условия также сказываются на связи. Во время дождя радиорелейные каналы связи резко теряют свою пропускную способность. Особенно за городом.

В городе проблемы со связью и интернетом возникают в местах плотной застройки, на первых и верхних этажах, во внутренних и подвальных помещениях, слепые зоны появляются в «Колодцах » между высокими домами. Причина плохой связи на верхних этажах заключаются в том, что станции ставят часто, и «светят » они низко, чтобы не мешать друг другу работать на тех же частотах.

Вернуть связь и улучшить ее качество могут GSM репитеры, предназначенные специально для городских условий , которые обеспечивают способность сигнала проникать сквозь слепые зоны и через железобетонные перекрытия.

В любом случает стоит обратиться к оператору. Бывает что проблемы возникают из-за перегрузки конкретной базовой станции, а может и радиорелейный канал связи не справляться.

Эффективность покрытия частот

Чем ниже частота, тем лучше проникновение сигнала через стены зданий и тем больше «дальнобойность» базовых станций и терминалов. Самая низкая частота в России у Скайлинка (450 МГц), благодаря этому небольшим количеством базовых станций можно «накрывать» обширные территории.

По мере роста распространённости терминалов с поддержкой 3G и 4G операторы начинают «отбирать » у своих сетей GSM часть полос и запускать на этих полосах LTE (4G). Сейчас под LTE всё активнее используют диапазон 1800 МГц. В обозримом будущем возможен переход LTE в диапазон 450 МГц и появление поддержки этого диапазона в большинстве современных смартфонов. Это возможность обслужить намного больше абонентов. Однако операторов работающих в 4G LTE TDD сравнительно мало.

Чтобы Обеспечить необходимую емкость в местах плотной застройки при большом скоплении людей эффективна установка высокочастотных станций 2100 МГц. Диапазон 3G 2100 МГц «пробивает» толстые стены и обслуживают тех, кто оказался между зонами покрытия базовых станций. Обеспечить мощность приема в этом диапазоне можно при помощи Комплекта VEGATEL VT2-3G-kit