Введение
Местоположение оборудования связи: сотовая станция, вышка сотовой связи, сотовая базовая станция или базовая станция сотовой сети – это площадка для размещения антенн и электронного оборудования связи (обычно на радиомачте, башне или другом возвышенном сооружении), предназначенная для создания соты или смежных сот в сотовой сети. На возвышенном сооружении обычно устанавливаются антенна и один или несколько комплектов передатчиков/приемников (трансиверов), цифровые процессоры сигналов, электронное оборудование управления, GPS-приемник для синхронизации (в системах CDMA2000/IS 95 или GSM), основные и резервные источники электропитания, а также защитное укрытие. Несколько операторов сотовой связи часто экономят средства, устанавливая свои антенны на общую мачту; поскольку отдельные системы используют разные частоты, антенны могут располагаться близко друг к другу, не создавая помех. Некоторые операторы работают с несколькими сотовыми сетями и аналогичным образом используют базовые станции совместного размещения для двух или более сотовых сетей (например, CDMA2000 или GSM). Иногда требуется, чтобы сотовые станции были малозаметными; их можно замаскировать под окружающую местность или установить на зданиях или рекламных башнях. Сохраняемые лесные массивы часто могут скрывать вышки сотовой связи внутри искусственного или сохранившегося дерева. Такие установки обычно называют скрытыми или маскировочными сотовыми станциями.
A cell site, cell phone tower, cell base tower, or cellular base station is a cellular enabled mobile device site where antennas and electronic communications equipment are placed (typically on a radio mast, tower, or other raised structure) to create a cell, or adjacent cells, in a cellular network. The raised structure typically supports antenna and one or more sets of transmitter/receivers transceivers, digital signal processors, control electronics, a GPS receiver for timing (for CDMA2000/IS 95 or GSM systems), primary and backup electrical power sources, and sheltering. Multiple cellular providers often save money by mounting their antennas on a common shared mast; since separate systems use different frequencies, antennas can be located close together without interfering with each other. Some provider companies operate multiple cellular networks and similarly use colocated base stations for two or more cellular networks, (CDMA2000 or GSM, for example). Cell sites are sometimes required to be inconspicuous; they can be blended with the surrounding area or mounted on buildings or advertising towers. Preserved treescapes can often hide cell towers inside an artificial or preserved tree. These installations are generally referred to as concealed cell sites or stealth cell sites.
Обзор
Сотовая сеть – это сеть портативных мобильных телефонов (сотовых телефонов), в которой каждый телефон связывается с телефонной сетью посредством радиоволн через локальную антенну на сотовой базовой станции (сотовой площадке). Зона покрытия, в которой предоставляется услуга, разделена на мозаику небольших географических областей, называемых "ячейками", каждая из которых обслуживается отдельным маломощным многоканальным приемопередатчиком и антенной на базовой станции. Все сотовые телефоны в пределах ячейки взаимодействуют с системой через антенну этой ячейки на отдельных частотных каналах, выделяемых базовой станцией из общего пула частот, используемых системой. Цель организации в ячейки – экономия радиочастотного спектра за счет повторного использования частот; радиосигналы малой мощности, используемые в каждой ячейке, не распространяются далеко за ее пределы, поэтому радиоканалы могут быть повторно использованы в географически удаленных ячейках. Когда мобильный пользователь перемещается из одной ячейки в другую, его телефон автоматически "передается" антенне новой ячейки, ему назначается новый набор частот, и впоследствии он взаимодействует с этой антенной. Этот фоновый процесс передачи незаметен для пользователя и может происходить во время телефонного разговора без прерывания связи. Каждый сотовый телефон оснащен автоматическим полнодуплексным цифровым приемопередатчиком и взаимодействует с антенной ячейки по двум цифровым радиоканалам в диапазоне УВЧ или СВЧ, по одному для каждого направления двусторонней связи, а также по каналу управления, который обеспечивает регистрацию телефона в сети, набор номера и процесс передачи. Как правило, вышка сотовой связи располагается на границе одной или нескольких ячеек и охватывает несколько ячеек с помощью направленных антенн. Распространенная схема – размещение базовой станции на пересечении трех соседних ячеек, с тремя антеннами под углом 120° каждая, покрывающими одну ячейку. Тип антенны, используемый для сотовых базовых станций (вертикальные белые прямоугольники на изображениях), называемый секторной антенной, обычно состоит из вертикального коллинеарного массива диполей. Она имеет плоскую веерную диаграмму направленности, слегка наклоненную вниз для покрытия территории ячейки без излучения под большими углами в более удаленные ячейки, использующие те же частоты. Угол наклона антенны должен быть тщательно отрегулирован, чтобы луч охватывал всю ячейку, не распространяясь слишком далеко. В современных секторных антеннах наклон луча обычно можно регулировать электронным способом, чтобы избежать необходимости в подъеме техника на вышку для механической регулировки наклона антенны.
Практический пример диапазона
3G/4G/5G (FR1) Башня мобильной базовой станции: технически возможно покрытие до 50–150 км. (Macrocell)
5G (FR2) Мобильная базовая станция: расстояние между базовыми станциями 5G составляет примерно 250–300 м из-за использования миллиметровых волн.
5G (FR2) Mobile base station: the distances between the 5G base station is about 250–300 m, due to the use of millimetre waves.
Повторное использование каналов
Понятие "максимальной" дальности вводит в заблуждение в сотовой сети. Сотовые сети спроектированы для обеспечения множества одновременных соединений с использованием ограниченного числа радиоканалов (сегментов радиочастотного спектра, необходимых для одного соединения), лицензированных оператору сотовой связи. Чтобы обойти это ограничение, необходимо повторно использовать одни и те же каналы в разных местах. Подобно тому, как автомобильное радио переключается с одной местной станции на совершенно другую, использующую ту же частоту, при перемещении в другой город, один и тот же радиоканал может использоваться повторно на соседней базовой станции, расположенной всего в нескольких милях. Для этого сигнал базовой станции намеренно поддерживается на низкой мощности и во многих случаях наклоняется вниз, чтобы ограничить зону покрытия. Это позволяет охватить территорию, достаточно небольшую, чтобы количество одновременных соединений не превышало пропускную способность доступных каналов. Благодаря секторизованной структуре антенн на мачте, можно регулировать мощность и угол излучения для каждого сектора в зависимости от зоны покрытия соседних базовых станций.
Фактор ограничения сигнала
Мобильный телефон может иногда не работать из-за слишком большого расстояния до вышки сотовой связи, или потому что телефон находится в месте, где сигналы сотовой связи ослабляются толстыми стенами зданий, холмами или другими сооружениями. Для передачи сигнала прямая видимость не требуется, но сильные радиопомехи могут ухудшить или полностью блокировать приём. Когда большое количество людей одновременно пытаются использовать одну и ту же вышку, например, во время пробки или спортивного мероприятия, на экране телефона может отображаться сигнал, но установить новое соединение будет невозможно. Другим ограничивающим фактором для мобильных телефонов является способность передавать сигнал от аккумулятора с низким зарядом до вышки сотовой связи. Некоторые телефоны работают лучше других при низком заряде батареи, как правило, благодаря способности обеспечивать сильный сигнал от телефона до вышки. Контроллер базовой станции (центральный компьютер, отвечающий за установление телефонных соединений) и программное обеспечение мобильного телефона отслеживают и позволяют телефону переключаться между вышками во время разговора. Когда пользователь приближается к вышке, телефон выбирает самый сильный сигнал и освобождает канал на вышке, сигнал с которой стал слабее, делая его доступным для других пользователей.
Географическое расположение
Геолокация сотовой связи менее точна, чем определение местоположения по GNSS (например, GPS), но она доступна на устройствах, не оснащенных GPS-приемниками, и в зонах, где GNSS недоступна. Точность этой системы варьируется: она максимальна при использовании современных методов прямой связи и минимальна, когда доступна только одна базовая станция, в этом случае местоположение определяется лишь в пределах зоны покрытия этой станции. Современная прямая связь возможна, когда устройство находится в зоне действия как минимум трех базовых станций, а оператор связи внедрил использование системы синхронизации времени. Другой метод – определение по углу прихода сигнала (AoA), которое применяется, когда устройство находится в зоне действия как минимум двух базовых станций и обеспечивает среднюю точность. Assisted GPS (A-GPS) использует как спутниковые, так и сигналы сотовой связи. В Соединенных Штатах для службы экстренных вызовов с использованием данных о местоположении (известной как "Enhanced 911") было предписано, чтобы к 31 декабря 2005 года не менее 95% используемых сотовых телефонов поддерживали эту функцию. Многие операторы не успели выполнить это требование и были оштрафованы Федеральной комиссией по связи.
Радиоэнергия и здоровье
Согласно Федеральной комиссии по связи США: "Данные измерений, полученные из различных источников, последовательно показывают, что максимальная плотность мощности на уровне земли вблизи типичных сотовых вышек составляет около 1 мкВт/см2 (или 10 мВт/м2) или меньше (обычно значительно меньше)". Сотовые телефоны, сотовые вышки, Wi-Fi, умные счетчики, цифровые беспроводные телефоны, беспроводные телефоны, радионяни и другие беспроводные устройства излучают неионизирующие радиочастоты, которые Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) классифицировала как "потенциально" канцерогенные. По данным Национального института рака США, "Не выявлено механизмов, посредством которых электромагнитные поля крайне низкой частоты (ЭМП КНЧ) или радиочастотное излучение могли бы вызывать рак". По данным Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США, "Научный консенсус свидетельствует о том, что неионизирующее излучение не является канцерогеном и, при уровнях воздействия радиочастот, не превышающих установленные Федеральной комиссией по связи США (FCC), не оказывает вредного воздействия на человека".
Временные площадки
Хотя сотовые антенны обычно крепятся к стационарным сооружениям, операторы связи также содержат парк транспортных средств, называемых "сотами на колесах" (COW), которые используются в качестве временных базовых станций. Для работы в местах, где отсутствует сетевое электропитание, может быть предусмотрен генератор, а система может иметь беспроводной канал связи для использования там, где недоступна проводная связь. "Соты на колесах" также применяются на постоянных базовых станциях – в качестве временной замены поврежденного оборудования, во время плановых отключений и для увеличения пропускной способности, например, во время проведения массовых мероприятий.
Занятость
Рабочие сотовых вышек называются альпинистами или рабочими вышек связи. Рабочие вышек связи часто работают на высоте до 457,20 метров, выполняя монтаж, техническое обслуживание и ремонт оборудования для компаний сотовой связи и других компаний беспроводной связи.
Настройка шпионского агентства
Согласно документам, попавшим в распоряжение Der Spiegel, АНБ продает "активную базовую станцию GSM" стоимостью 40 000 долларов, предназначенную для имитации вышки сотовой связи и, таким образом, перехвата данных с мобильных телефонов. В ноябре 2014 года The Wall Street Journal сообщила, что группа технических операций маршалов США использует шпионские устройства, известные как "dirtboxes", для имитации мощных сигналов сотовых вышек. Эти устройства разработаны для того, чтобы заставить мобильные телефоны переключаться на них, поскольку они предоставляют самый сильный доступный сигнал. Устройства устанавливаются на самолеты для создания своеобразной "сети", собирая данные о телефонах во время полетов над населенными районами.
Камуфляж
Часто местные жители возражают против установки новых мачт из-за опасений за безопасность и их внешний вид. Последнее иногда решается путем маскировки мачты под другие объекты, такие как флагшток, уличный фонарь или дерево (например, пальмы, сосны, кипарисы), а также элементы крыш или городские объекты, например, дымоходы или панели. Такие замаскированные базовые станции могут отличаться формой листвы и типом коры. Листва этих антенн состоит из искусственных листьев, изготовленных из пластика и тщательно спроектированных с учетом количества, формы и расположения, чтобы полностью скрыть антенны и все вспомогательные элементы максимально естественно. Используемые материалы обеспечивают абсолютную радиопрозрачность и устойчивость к УФ-излучению. В обиходе такие мачты называют "монопальма" (для монопола, замаскированного под пальму) или "Pseudopinus telephoneyensis" (для мачты, замаскированной под сосну). В монопольных конструкциях направленные антенны иногда скрывают в пластиковом кожухе в верхней части мачты, чтобы избежать использования поперечных балок. Элементы крыш, такие как маскировочные дымоходы или панели высотой от 6 до 12 метров, могут скрывать оборудование одного или нескольких операторов мобильной связи на одной станции. Панели для маскировки крыш можно быстро и недорого установить на существующие конструкции крыши, изменив их внешний вид.
Миниатюра
Исследователи из Alcatel Lucent разработали базовую станцию под названием lightRadio, которая помещается на ладони. Она размером с кубик Рубика. Она способна ретранслировать сигналы 2G, 3G и 4G. Эти базовые станции более энергоэффективны и обеспечивают более эффективную передачу широкополосного доступа, чем существующие сотовые сети. Их можно использовать в густонаселенных городских районах для увеличения радиопокрытия.
Водяная башня сотовой связи
Сотовые компании заключают договоры аренды с местными органами власти для установки сотовых антенн на водонапорных башнях.