Смарт-антенна для сетей LTE

    В настоящее время многие пользуются интернетом LTE. Однако, если в крупных городах уже нет проблем с покрытием сети и скоростью интернета, то в пригородах абоненты сталкиваются с проблемой слабого приема. Причиной этого является не только непосредственно слабый сигнал, но и возникновение множества переотражений сигнала по пути от базовой станции (БС) к абоненту. В данной статье описывается разработка смарт-антенны, которая адаптируется к условиям приема сигнала.

    В интернете есть много предложений о продаже внешних антенн для подключения к 4G-модемам. И хотя мобильные операторы не рекомендуют этого делать и даже грозят снятием модема с гарантии, так как разъемы на модемах считаются исключительно сервисными, внешние антенны продаются весьма неплохо. Несколько лет назад, когда появились первые модемы Wimax от Yota, которые выпускал Samsung, покрытие той сети было не очень хорошим даже в городе. Тогда же на рынке появились первые внешние антенны китайских и одного российского производителя – компании Резонанс. Стандарт Wimax сейчас сменил LTE, а портативные модемы продают все сотовые операторы. Рынок внешних антенн значительно расширился, в интернете можно найти десятки различных видов. Некоторые фирмы предлагают установку под ключ и создание целых систем для загородных домов, используя активные усилители и дополнительные антенны, устанавливаемые внутри дома для местной раздачи сигнала. Но для связи с базовой станцией в подавляющем большинстве случаев используются остронаправленные антенны, чаще всего печатные антенные решетки, имеющие ширину луча около 20 градусов как по азимуту, так и по углу места. Основная проблема направленных антенн в том, что они вручную один раз направляются на определенную БС и, в случае потери сигнала от этой БС, связь прервется. Решением это проблемы являются смарт-антенны, которые сами настраиваются на базовую станцию без всякого участия человека. Чаще всего они применяются для установки на автомобили и другие подвижные объекты (не в России) либо для создания временных каналов связи там, где это необходимо и нет никаких других способов быстро наладить связь.
    image

    Смарт антенны бывают двух типов: адаптивная и переключающаяся. Адаптивная антенна – это, фактически, антенная решетка с возможностью мгновенного синтеза лучей в произвольных направлениях. Переключающаяся антенна имеет несколько антенн в различных направлениях (обычно по кругу), и, смотря в каком направлении сигнал сильнее, та или иная антенна включается, остальные антенные неактивны и ждут либо изменения положения абонента, либо переключения на другую базовую станция, если сигнал от той стал по каким-то причинам сильнее. Таким образом, смарт-антенна отличается от известных систем тем, что адаптируется под изменяющиеся условия приема. Часто сигнал с разных базовых станций может отличаться в зависимости от времени суток или времени года. А еще, благодаря такому преимуществу такую антенну можно использовать, например, в походах или в домах на колесах.

    Для того, чтобы проверить, как такая антенна будет работать в реальных условиях, коллектив авторов разработал максимально простую и дешевую смарт-антенну и провел полевые испытания.

    image

    Известно, что частотный диапазон, выделенный для LTE, составляет 200 МГц – то 2,5 до 2,7 ГГц. Чтобы наглядно в этом убедиться, к анализатору спектра была подключена всенаправленная антенна, сам анализатор был переведен в режим накопления и оставлен на достаточно долгое время. Результаты приведены на графике выше. Там же на график нанесены поддиапазоны различных операторов (информация о частотах операторов найдена на просторах интернета). Лишних комментариев не требуется, кроме того, что на графике также захвачены верхние каналы Wi-Fi.

    image

    Предлагаемая конструкция представляет собой барабан из 8 граней и включает в себя СВЧ-переключатель и плату управления. Каждая грань — это отдельная антенна, представляющая собой печатную решетку 4х1. Чтобы лучи не перекрывались, но и не возникало «слепых» зон, ширина луча по азимуту составляет 65 градусов и 19 градусов по углу места для достижения высокого усиления (получилось примерно 12 дБи). Для простоты изготовления в качестве подложки микрополосковых патчей был использован пористый, но достаточно жесткий утеплитель толщиной 5 мм. Диэлектрическая проницаемость такого материала близка к единице, а вносимые потери пренебрежимо малы, что было проверено на специально изготовленном одиночном патче. Полосковые линии, как и экраны антенн, были вырезаны из медной фольги, нанесенной на тонкий лавсан, и приклеены скотчем к подложке. Антенны были рассчитаны на частоту 2,6 ГГц, КСВ на центральной частоте получился близким к 1, по краям диапазона поднимался до 2, что вполне приемлемо для антенн связных устройств.

    Отдельно был изготовлен восьмиканальный переключатель, подключающий вход модема к одной из восьми антенн, направленной на БС с наилучшим сигналом. В качестве управляемых элементов были использованы pin-диоды фирмы Infineon, а управлять ими, по замыслу авторов, должна плата контроля, которая, получая информацию от модема, выбирает, прием с какой стороны наилучший, и тот канал и включает. Такой опрос (проверка сигналов всех антенн) должен происходить несколько раз в минуту. Таким образом, при изменениях помеховой обстановки или силы сигнала от БС, смарт антенна может выбрать другое направление. На фотографиях ниже показаны переключатель и смарт-антенна со снятыми 2 полотнами.

    image

    Были проведены испытания смарт – антенны в Ленинградской области, там, где покрытие всех операторов достаточно слабое. Проверялись сигналы двух операторов – Мегафона и Теле2. Для тестирования был использован модем Huawei E8372, имеющий «законные» разъемы для подключения внешних антенн. С помощью speedtest.net были измерены скорости интернета обоих операторов без подключения антенны, а затем с антенной и переключением между всеми 8 сторонами. Результаты приведены на картинке ниже.

    image

    На карте нанесены положения ближайших базовых станций (согласно данным из интернета), а также видимая телефоном с SIM-картой Мегафона (приложением Network Cell Info, показывающее расположение текущей и нескольких близких БС). Линии «модем Мегафон» и «модем Теле2» показывают скорость интернета без подключения антенны, то есть при использовании всенаправленной антенны, встроенной в модем. Такая антенна принимает сигналы со всех сторон и видит не только сигнал напрямую от базовой станции (а может и вовсе не быть в прямой видимости), но и переотраженные сигналы со всех направлений. Направленная антенна, имеющая усиление в определенном направлении, будет работать эффективнее всенаправленной антенны, даже если сигнал той усилить с помощью усилителя, так как будет усилен еще и шум.

    image Линии «Мегафон» и «Теле2» демонстрируют скорость интернета с подключенной к модему антенной. Хорошо видно, что в определенных направления сигнал значительно ослаб, в других же усилился, что и говорит о пространственной селективности смарт-антенны. К сожалению, скорость интернета не является радиотехнической характеристикой, такой как мощность сигнала или отношение сигнал/шум, однако авторам не удалось получить от используемого модема хоть какой-нибудь «служебной» информации. Вероятно, софт других модемов может давать доступ к радиотехнической информации, но не наш.

    На первом этапе интерес авторов вполне удовлетворен, в дальнейших планах добавление полосно-пропускающих фильтров после антенн для снижения помех от внеполосных сигналов, добавление двунаправленного малошумящего усилителя с разделением частот приема и передачи.
    Третий пин 54,80
    Контрактная разработка электроники
    Поделиться публикацией
    Комментарии 15
    • +2
      Рябята, а зачем городить смарт-антену к роутеру? У Вас что базовые станции убегут?) Задумка интересная только цена антены+платы управления выйдет дороже роутера.
      • +1
        Когда речь идёт о подвижных объектах — автодомах или яхтах — комбинация смарт-антенна+роутер выглядит интересной заменой спутниковому интернету. Разумеется, в условиях наличия покрытия LTE.
      • +1
        Дело в том, что смарт-антенны широко используются, но для поддержания связи на подвижных объектах. На даче и за городом функционал кажется излишним, но в общем это просто удобно. Станции не убегут конечно) но качество связи с одной базовой станцией действительно может сильно меняться. Более того, БС часто нет в прямой видимости, работают переотражения. И тогда можно считать, что БС действительно разбегаются) Мы не делаем какой-то коммерческий продукт, поэтому и стремления к определенной цене нет. Просто эксперимент.
        • +2
          На даче простая логопериодическая антенна направлена в сторону большего уровня сигнала будет проще и дешевле. А сравнивать скорость соединения «свистка» с внутренней антенной и с вашей «умной» на мой взгляд некорректно. Тогда возьмите сначала подключите простую внешнюю WiFi от любого роутера(100+МГц рассогласования обычная штиревая переживет ), а потом свою. И это даст реальную картину прироста скорости.
          • +1
            Более того, я не уверен, что даже сравнивать именно скорости интернета корректно. Характеристика не радиотехническая. Но для конечного пользователя именно она важна. Надо обдумать это.

            Насчет роутерной не знаю, смысл же в том, чтобы сравнить именно сигнал без антенны и с антенной. А вернее даже не сравнить сигнал, а показать пространственную избирательность смарт-антенны. С этим, я считаю, справились.

            На даче простая логопериодическая антенна направлена в сторону большего уровня сигнала будет проще и дешевле

            Даже спорить не о чем
            • 0
              Если чисто для эксперимента, то вполне интересно. В обычной ситуации, одна перенастраиваемая или две стационарные антенны, должны покрыть все потребности на даче.
              И вот в необходимости полосовых фильтров я очень сомневаюсь. Они уже реализованы во входном тракте модема. А добавлением новых вы или значительно увеличите стоимость антенны или добавите затухания и помехи фильтров.
              • 0
                Возможно кто то настраивал связку микротик + модем LTE? Какой самый не проблемный модем для микротика?
                • 0

                  Не совсем понятно, как плата управления получает у модема данные об уровне сигнала.


                  И, правильно ли я понял, что фактически, несколько раз в минуту происходит полный оборот на 360° направления приема/передачи? Разве это не вносит лишние потери в канале?

                  • 0
                    Задумка именно такая, но задача пока не решена. В эксперименте грани антенны переключались вручную, и фиксировалась скорость передачи данных. Как непрерывно получать служебную информацию от модема и на ее основе включать тот или иной канал — сейчас мозгуют наши коллеги-программисты)
                  • 0

                    Я правильно понимаю, что это активная фазовая решетка, только очень грубая?

                    • +1
                      Нет.
                      • 0
                        Нет, совсем нет. Это просто коммутируемые антенные решетки. Фазовращаталей нет, усилителей тоже. Поэтому решетка не фазированная. Это было бы безумно дорогое решение для телефонного интернета. 5G базовые станции обещают с ФАРами.
                      • 0
                        Подскажите, а какую стоит выбрать недорогую антенну для LTE-модема, используемого в машине (часто езжу в области, бывают места, где связь пропадает).
                        • 0
                          Конкретно не подскажу, лучше всего взять плоскую квадратную с лучом шириной градусов 20. И направлять ее на базовую станцию вручную. Но вообще, как раз для таких случаев и годится смарт-антенна.
                          • 0
                            Так мне в дороге надо, в движении! Поэтому нужна всенаправленность. И мне это надо не для улучшения скорости, а чтобы хоть какой сигнал был. Потому что даже в 25 км от МКАД есть места, где нет даже одной «палки».

                        Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                        Самое читаемое