Современный мир вряд ли можно представить без новомодных мобильных смартфонов и мобильной связи, о которой мы уже говорили в предыдущей части этого материала. Да, мы пользуемся всем этим сотни раз в день. Каждый раз, когда просто смотрим на смартфон или используем другим образом, полагаемся именно на сотовые сети. Ставьте «+» в комментариях, если и этот материал загрузили именно через мобильный интернет и сейчас читаете в метро или на лавке в парке.
Лучший Telegram-канал про технологии (возможно)
Уж точно не каждый понимает, как устроена мобильная связь. Именно поэтому мы решили рассказать о ней на страницах нашего сайта. Это вторая часть материала, которая расставит недостающие точки над «i». Да сегодня смартфоны впечатляют скоростью работы, дисплеями на миллионы цветов, громкими спикерами и набором из камер. Но без доступа к сотовым сетям они превращаются банальные тамагочи. Именно поэтому тема сотовых сетей не теряет в актуальности.
Базовые станции. Общие сведения
Так выглядят антенны сотовой связи, установленные на крышах зданий. Эти антенны являются элементом базовой станции (БС), а конкретно – устройством для приема и передачи радиосигнала от одного абонента к другому, и далее через усилитель к контроллеру базовой станции и другим устройствам. Являясь наиболее заметной частью БС, они устанавливаются на антенных мачтах, крышах жилых и производственных зданий и даже дымовых трубах. Сегодня можно встретить и более экзотические варианты их установки, в России их уже устанавливают на столбах освещения, а в Египте их даже «маскируют» под пальмы.
Подключение базовой станции к сети оператора связи может производиться по радиорелейной связи, поэтому рядом с «прямоугольными» антеннами блоками БС можно увидеть радиорелейную тарелку:
С переходом на более современные стандарты четвертого и пятого поколений, для удовлетворения их требований подключать станции нужно будет исключительно по волоконной оптике. В современных конструкциях БС оптоволокно становится неотъемлемой средой передачи информации даже между узлами и блоками самой БС. К примеру, на рисунке ниже показано устройство современной базовой станции, где оптоволоконный кабель используется для передачи данных от RRU (выносные управляемые модули) антенны до самой базовой станции (показано оранжевой линией).
Оборудование базовой станции располагается в нежилых помещениях здания, либо устанавливается в специализированные контейнеры (закрепленные на стенах или столбах), ведь современное оборудования выполняется довольно компактно и может запросто поместиться в системный блок серверного компьютера. Часто радиомодуль устанавливают рядом с антенным блоком, это позволяет уменьшить потери и рассеивание передаваемой в антенну мощности. Так выглядят три установленных радиомодуля оборудования базовой станции Flexi Multiradio, закрепленные прямо на мачте:
Что делать
Желающим проверить законность действий провайдеров адвокаты дают совет посетить несколько организаций:
- Прокуратура.
- Суд.
- Роспотребнадзор.
Плотность мощности излучения устанавливает экспертиза. Видите возможность круговой поруки – тревожьте частного эксперта, обладающего нужным оборудованием (стоимость типичного измерителя напряженности поля измеряется тысячами долларов). Иногда чиновники предупреждают испытуемых. Оператор снизит временно мощность излучения. Самостоятельно проверить соответствие нормам пространства перед жилым зданием чрезвычайно сложно.
Имеется прецедент в Бресте: обитатели района Граевки оккупировали строительную площадку, собирали подписи против возведения на дворовой территории вышки сотовой связи. Мотивация проста: волны повредят здоровью детей, жизням жителей прилегающих домов. Действительный вред обсуждается, однако чаще стали умирать вполне известные люди. Причина – рак:
- Жанна Фриске.
- Михаил Задорнов.
- Певец Хворостовский.
Лишь малый перечень. Ранее отсутствовала столь обескураживающая смертность среди не старых людей. Всемирная организация здравоохранения заявила:
- Нет предпосылок видеть вред. Слабые радиосигналы неспособны оказать пагубное влияние.
Зона обслуживания базовых станций
Для начала следует отметить, что бывают различные типы базовых станций: макро, микро, пико и фемтосоты. Начнем с малого. И, если кратко, то фемтосота не является базовой станцией. Это, скорее, Access Point (точка доступа). Данное оборудование изначально ориентируется на домашнего или офисного пользователя и владельцем такого оборудования является частное или юр. лицо, не относящееся к оператору. Главное отличие такого оборудования заключается в том, что оно имеет полностью автоматическую конфигурацию, начиная от оценки радиопараметров и заканчивая подключением к сети оператора. Фемтосота имеет габариты домашнего роутера:
Пикосота – это БС малой мощности, принадлежащая оператору и использующая в качестве транспортной сети IP/Ethernet. Обычно устанавливается в местах возможной локальной концентрации пользователей. Устройство по размерам сравнимо с небольшим ноутбуком:
Микросота – это приближенный вариант реализации базовой станции в компактном виде, очень распространено в сетях операторов. От «большой» базовой станции ее отличает урезанная емкость поддерживаемых абонентом и меньшая излучающая мощность. Масса, как правило, до 50 кг и радиус радиопокрытия — до 5 км. Такое решение используется там, где не нужны высокие емкости и мощности сети, или нет возможности установить большую станцию:
И наконец, макросота – стандартная базовая станция, на базе которой строятся мобильные сети. Она характеризуется мощностями порядка 50 W и радиусом покрытия до 100 км (в пределе). Масса стойки может достигать 300 кг.
Зона покрытия каждой БС зависит от высоты подвеса антенной секции, от рельефа местности и количества препятствий на пути до абонента. При установке базовой станции далеко не всегда на первый план выносится радиус покрытия. По мере роста абонентской базы может не хватить максимальной пропускной способности БС, в этом случае на экране телефона появляется сообщение «сеть занята». Тогда оператор со временем на этой территории может сознательно уменьшить радиус действия базовой станции и установить несколько дополнительных станций в местах наибольшей нагрузки.
Когда нужно увеличить емкость сети и снизить нагрузку на отдельные базовые станции, тогда и приходят на помощь микросоты. В условиях мегаполиса зона радиопокрытия одной микросоты может составлять всего 500 метров.
В условиях города, как ни странно, встречаются такие места, где оператору нужно локально подключить участок с большим количеством трафика (районы станций метро, крупные центральные улицы и др.). В этом случае применяются маломощные микросоты и пикосоты, антенные блоки которых можно располагать на низких зданиях и на столбах уличного освещения. Когда возникает вопрос организации качественного радиопокрытия внутри закрытых зданий (торговые и бизнес центры, гипермаркеты и др.) тогда на помощь приходят пикосотовые базовые станции.
За пределами городов на первый план выходит дальность работы отдельных базовых станций, так установка каждой базовой станции в удалении от города становится все более дорогостоящим предприятием в связи с необходимостью построения линий электропередач, дорог и вышек в сложных климатических и технологических условиях. Для увеличения зоны покрытия желательно устанавливать БС на более высоких мачтах, использовать направленные секторные излучатели, и более низкие частоты, менее подверженные затуханию.
Так, например, в диапазоне 1800 МГц дальность действия БС не превышает 6-7 километров, а в случае использования 900–мегагерцового диапазона зона покрытия может достигать 32 километров, при прочих равных условиях.
Соединение с абонентом осуществляется средствами коммутатора
Когда вы нажимаете кнопку вызова, ваше мобильное устройство тут же связывается с ближайшей базовой станцией, которая должна выделить ему свободный голосовой канал. Она отправляет его сначала на контроллер, а потом на коммутатор, который пытается найти необходимого абонента в домашней сети или за её пределами. В последнем случае подключаются компании-партнёры, которые таким же образом ищут необходимого пользователя внутри своей сети. Это звучит сложно, но на деле проще простого.
После этого с помощью коммутатора идёт соединение с конкретным абонентом, с которым вы можете поговорить через голосовую связь. Если не возникло никаких проблем, вам это должно выйти сделать вполне успешно.
Винтажный коммутатор. Источник: rusdoc.ru
Говорят, что эхо в трубке — верный признал прослушки. Данный миф настолько стар, что пришёл ещё от наших бабушек. Это неправда. Если вы слышите эхо во время разговора по телефону, это может обозначать что угодно, но не то, что кто-то вас прослушивает. Одна из причин возникновения эха — использование громкой связи одним из абонентов. В этом случае звук из телефона может отражаться от стен и возвращаться обратно. Также эхо может говорить о проблемах в работе системы шумоподавления.
Да, кстати и молнии мобильники не притягивают. Национальное управление океанических и атмосферных исследований США доказало, что сотовые телефоны, также как и мелкие металлические предметы или ювелирные изделия, не могут привлекать молнии — всё же, они предпочитают бить в высокие объекты. Человек может оказаться в опасности, не потому что говорит по телефону, а потому что делает это в неподходящем месте — например, в поле, где является самым высоким объектом.
Кстати, сегодня работа мобильного интернета не так сильно отличается от голосовых вызовов. Вместо другого абонента ваш смартфон просто запрашивает у базовой станции доступ к всемирной паутине, и она ему его предоставляет.
Антенны базовых станций. Заглянем внутрь
В сотовой связи чаще всего используют секторные панельные антенны, которые имеют диаграмму направленности шириной в 120, 90, 60 и 30 градусов. Соответственно для организации связи во всех направлениях (от 0 до 360) может потребоваться 3 (ширина ДН 120 градусов) либо 6 (ширина ДН 60 градусов) антенных блоков. Пример организации равномерного покрытия во всех направлениях показан на рисунке ниже:
А ниже вид типовых диаграмм направленности в логарифмическом масштабе.
Большинство антенн базовых станций широкополосные, позволяющие работать в одном, двух или трех диапазонах частот. Начиная с сетей UMTS, в отличие от GSM, антенны базовых станций умеют изменять площадь радиопокрытия в зависимости от нагрузки на сеть. Один из самых эффективных методов управления излучаемой мощностью – это управление углом наклона антенны, таким способом изменяется площадь облучения диаграммы направленности.
Антенны могут иметь фиксированный угол наклона, либо имеют возможность дистанционной регулировки с помощью специального программного обеспечения, располагаемого в блоке управления БС, и встроенных фазовращателей. Существуют также решения, позволяющие изменять зону обслуживания, от общей системы управления сети передачи данных. Таким образом, можно регулировать зону обслуживания всего сектора базовой станции.
В антеннах базовых станций применяется как механическое управление диаграммой, так и электрическое. Механическое управление проще реализуется, но часто приводит к искажению формы диаграммы направленности из-за влияния конструктивных частей. Большинство антенн БС имеет систему электрической регулировки угла наклона.
Современный антенный блок представляет собой группу излучающих элементов антенной решетки. Расстояние между элементами решетки выбирается таким образом, чтобы получить наименьший уровень боковых лепестков диаграммы направленности. Наиболее часто встречаются длины панельных антенн от 0,7 до 2,6 метров (для многодиапазонных антенных панелей). Коэффициент усиления варьируется от 12 до 20 dBi.
На рисунке ниже (слева) представлена конструкция одной из наиболее распространенных (но уже устаревающих) антенных панелей.
Здесь излучатели антенной панели представляют собой полуволновые симметричные электрические вибраторы над проводящим экраном, расположенные под углом 45 градусов. Такая конструкция позволяет формировать диаграмму с шириной главного лепестка 65 или 90 градусов. В такой конструкции выпускаются двух- и даже трехдиапазонные антенные блоки (правда, довольно крупногабаритные). Например, трехдиапазонная антенная панель такой конструкции (900, 1800, 2100 МГц) отличается от однодиапазонной, примерно в два раза большим размером и массой, что, конечно же, затрудняет ее обслуживание.
Альтернативная технология изготовления таких антенн предполагает выполнение полосковых антенных излучателей (металлические пластины квадратной формы), на рисунке выше справа.
А вот еще один вариант, когда в качестве излучателя используются полуволновые щелевые магнитные вибраторы. Линия питания, щели и экран выполняются на одной печатной плате с двухсторонним фольгированным стеклотекстолитом:
С учетом современных реалий развития беспроводных технологий, базовые станции должны поддерживать работу 2G, 3G и LTE сетей. И если блоки управления базовых станций сетей разных поколений удается вместить в один коммутационный шкаф без увеличения габаритного размера, то с антенной частью возникают значительные трудности.
Например, в многодиапазонных антенных панелях количество коаксиальных соединительных линий достигает 100 метров! Столь значительная длина кабеля и количество паяных соединений неизбежно приводит к потерям в линиях и снижению коэффициента усиления:
С целью снижения электрических потерь и уменьшения точек пайки часто делают микрополосковые линии, это позволяет выполнить диполи и систему запитки всей антенны по единой печатной технологии. Данная технологиях проста в производстве и обеспечивает высокую повторяемость характеристик антенны при ее серийном выпуске.
Исследования вреда вышек по фокус-группам расходятся
Статистические данные по поводу вреда сотовых вышек слишком противоречивые
В сети действительно есть неоднозначные исследования, с помощью которых пытаются доказать опасность сотовых вышек.
Например, в Германии связали сотовые вышки с раковыми заболеваниями. Учёные взяли тысячу пациентов и проанализировали, как далеко они живут от источника излучения.
Оказалось, в пределах 400 метров от вышки риск заболеть раком в три раза выше, чем на большем расстоянии.
Тем не менее, они уточнили, что эта выборка нерепрезентативная: это люди одного возраста и из одной социальной прослойки — предположительно группа риска.
Аналогичное исследование было в Израиле. Из 622 наблюдаемых, которые жили ближе 350 метров к вышке, раком заболели восемь человек. А из 1 222 тех, кто жил дальше — двое.
При этом в Австралии провели срез за 29 лет и выяснили, что зависимости между сотовой инфраструктурой и раком нет.
Данные противоречат друг другу и доказывают только одно, статистика — самая большая ложь. Поэтому предлагаю отталкиваться от научных фактов.
Многодиапазонные антенны
С развитием сетей связи третьего и четвертого поколений требуется модернизация антенной части как базовых станций, так и сотовых телефонов. Антенны должны работать в новых дополнительных диапазонах, превышающих 2.2 ГГц. Более того, работа в двух и даже трех диапазонах должна производиться одновременно. Вследствие этого антенная часть включает в себя довольно сложные электромеханические схемы, которые должны обеспечивать должное функционирование в сложных климатических условиях.
В качестве примера рассмотрим конструкцию излучателей двухдиапазонной антенны базовой станции сотовой связи Powerwave, работающей в диапазонах 824-960, МГц и 1710-2170, МГц. Ее внешний вид показан на рисунке ниже:
Этот двухдиапазонный облучатель состоит из двух металлических пластин. Та, что большего размера работает в нижнем диапазоне 900 МГц, над ней расположена пластина с щелевым излучателем меньшего размера. Обе антенны возбуждаются щелевыми излучателями и таким образом имеют единую линию запитки.
Если в качестве излучателей используются дипольные антенны, то необходимо ставить отдельный диполь для каждого диапазона волн. Отдельные диполи должны иметь свою линию запитки, что, конечно же, снижает общую надежность системы и увеличивает энергопотребление. Примером такой конструкции является антенна Kathrein для того же диапазона частот, что и рассмотренная выше:
Таким образом, диполи для нижнего диапазона частот находятся как бы внутри диполей верхнего диапазона.
Для реализации трех- (и более) диапазонного режимов работы наибольшей технологичностью обладают печатные многослойные антенны. В таких антеннах каждый новый слой работает в довольно узком диапазоне частот. Такая «многоэтажная» конструкция изготавливается из печатных антенн с индивидуальными излучателями, каждая антенна настраивается на отдельные частоты рабочего диапазона. Конструкция поясняется рисунком ниже:
Как и в любых других многоэлементных антеннах в такой конструкции происходит взаимодействие элементов, работающих в разных диапазонах частот. Само собой это взаимодействие оказывает влияние на направленность и согласование антенн, но данное взаимодействие может быть устранено методами, применяемыми в ФАР (фазированных антенных решетках). Например, одним из наиболее эффективных методов является изменение конструктивных параметров элементов путем смещения возбуждающего устройства, а также изменение размеров самого облучателя и толщины разделительного диэлектрического слоя.
Важным моментом является то, что все современные беспроводные технологии широкополосные, и ширина полосы рабочих частот составляет не менее 0,2 ГГц. Широкой рабочей полосой частот обладают антенны на основе взаимодополняющих структур, типичным примером которых являются антенны типа «bow-tie» (бабочка). Согласование такой антенны с линией передачи осуществляется подбором точки возбуждения и оптимизацией ее конфигурации. Чтобы расширить полосу рабочих частот по согласованию «бабочку» дополняют входным сопротивлением емкостного характера.
Моделирование и расчет подобных антенн производят в специализированных программных пакетах САПР. Современные программы позволяют моделировать антенну в полупрозрачном корпусе при наличии влияния различных конструктивных элементов антенной системы и позволяют тем самым произвести достаточно точный инженерный анализ.
Проектирование многодиапазонной антенны производят поэтапно. Сначала рассчитывают и проектируют микрополосковую печатную антенну с широкой полосой пропускания для каждого рабочего диапазона частот отдельно. Далее печатные антенны разных диапазонов совмещают (наложением друг на друга) и рассматривают их совместную работу, устраняя по возможности причины взаимного влияния.
Широкополосная антенна типа «бабочка» может быть удачно использована как основа для трехдиапазонной печатной антенны. На рисунке ниже изображены четыре различных варианта ее конфигурации.
Приведенные конструкции антенн отличаются формой реактивного элемента, который применяется для расширения рабочей полосы частот по согласованию. Каждый слой такой трехдиапазонной антенны представляет собой микрополосковый излучатель заданных геометрических размеров. Чем ниже частоты – тем больше относительный размер такого излучателя. Каждый слой печатной платы отделен от другого с помощью диэлектрика. Приведенная конструкция может работать в диапазоне GSM 1900 (1850-1990 МГц) – принимает нижний слой; WiMAX (2,5 – 2,69 ГГц) – принимает средний слой; WiMAX (3,3 – 3,5 ГГц) – принимает верхний слой. Подобная конструкция антенной системы позволит принимать и передавать радиосигнал без использования дополнительного активного оборудования, не увеличивая тем самым габаритных размеров блока антенны.
Итоги
Написанное выше ясно свидетельствует: вред для здоровья вышки связи сильно недооценивали ученые эпохи предыдущих поколений пчелиных сот. Последние исследования ясно указывают пагубный радиус действия (пик – 80 метров), увеличение расстояния (свыше 300 метров) постепенно ослабляет эффект. Вначале европейские комиссии говорили: рядом с домом безопасно, поздние исследования начали опровергать устоявшееся мнение. Одновременно излучение от вышки в развитых странах много ниже предписываемого.
Первыми отсутствие влияния на человека стали оспаривать арабские, азиатские государства. Последовали повальные проверки наличия вреда от вышек. Радиация незаметна, редкий человек может описать, как выглядит фотон микроволн.
Фотон микроволн
Доклады исследователей
- Камилла Риз, МВА, Нью-Йорк (2016), исследования заказаны клиентом, почувствовавшим недомогание: «Первым делом провела измерения на первом этаже, в помещении, где человек получил рак горла. Затем обследовала спальню, уровень излучения непрерывно повышался. Эмпирическим путем установлен наружный источник. След вел вдоль улицы к группе зданий, разместивших антенну. Местные сказали: из жителей девяти квартир восемь нажили рак, в оставшейся случилось 3 выкидыша».
- Доклад инициативной группы Bio-initiative 2012 (2014): «Биоэффект провоцируют сравнительно малые дозы излучения. Достаточно нескольких минут облучения типовыми уровнями сотовых операторов, радиотелефонов. Хронический эффект провоцирует болезнь.»
- Руководство EUROPEAEM 2105 для предотвращения поражения радиоволнами: «Люди, живущие близ базовых станций демонстрируют явную корреляцию с усталостью, депрессией, мигренями, нарушением концентрации внимания.»
Шведские исследователи заявили: проведено множество исследований действия единственной частоты, однако человека окружает уйма станций. Необходимо оценить воздействие результирующего поля спектра электромагнитных колебаний. Ученые исследовали опасность стокгольмского метро (stopsmartmetersbc.com/wp-content/uploads/2016/08/Hardell-RFR-Stockholm-Central-Railway-Station-some-medical-aspects-on-public-exposure-July2716.pdf), сделав определенные выводы: излучение несет опасность. Уровень канцерогенности, согласно выводам, соперничает с радиацией, асбестом.
Доктор философии Роберт Кейн, изрядно поработавший на Моторолу, заявил:
- Вера в безвредность микроволн касательно разрушения ДНК, прочих проблем, скорее рождена недостаточным понимаем вопроса. Механизм поглощения излучения загадочен, процесс разрушения молекул явно не описывается простой картиной ионизации молекул воздуха. Очевиден урон хромосомам. Обнаружение урона сопутствует всем используемым человечествам частотам: радио, телевидение, беспроводная связь, вплоть до 9 ГГц.
Как вообще работают вышки сотовой связи
Сотовые вышки работают в таком спектре излучения, который не может влиять на ДНК клеток
Сотовые вышки могут быть автономными или размещаться на существующих конструкциях: деревьях, столбах, зданиях.
Обычно их располагают на высоте не менее 15–60 метров, чтобы покрыть с помощью них максимальную площадь. Они обмениваются со смартфонами сигналом в спектре между микроволнами и FM-радиоволнами — такое излучение называют неионизирующим.
Неионизирующее излучение не влияет на структуру клеток в тканях, поэтому не может вызвать раковые заболевания.
Ионизирующее, наоборот, действует на ДНК. К такому излучению относят рентгеновское, гамма и ультрафиолетовое. Оно может стать причиной рака. Но сотовые вышки никак с ним не связаны.
Когда вы звоните, сигнал отправляется с антенны телефона на ближайшую сотовую вышку. Она назначает ему доступный канал частот, а потом он передаётся в коммутационный центр, который отправляет его в пункт назначения.
По этому каналу голосовые сигналы передаются туда и обратно, так вы и общаетесь.
Излучение вышек по параметрам ППЭ не превышает норму
В обычных условиях излучение сотовых вышек в 15 раз ниже максимально допустимого
У сотовой вышки есть конкретное направление. Если с неё идёт максимальная мощность 40 Вт (обычно не больше 20 Вт), то в условиях вакуума ППЭ опускается ниже 0,1 Вт/м² на расстоянии 45 метров.
При реальных измерениях ППЭ от вышки на соседнем здании падает до 0,0066 Вт/м² на расстоянии 110 метров через окно в комнату — в 15 раз меньше предельного значения, и это в том случае, если антенна направлена конкретно на вас.
Ещё раз подчёркиваю, что у вышки есть конкретное направление в определённую сторону. На расстоянии двух метров под ней ППЭ составляет всего 0,0078 Вт/м² — это почти в 13 раз меньше допустимого значения.
Получается вышка на крыше офисного здания не может быть связана ни с тараканами, которые неожиданно умерли, ни с головными болями.
Скажем так, это эффект плацебо или синдром поиска глубинного смысла. Выбирайте любое определение — важно, что всё это не более чем фантазии.
