Stacje bazowe – planowanie i projektowanie

Technika wyposażyła nas w narzędzia, bez których, jak się okazuje, nie możemy żyć, a których mimowolnie staliśmy się zakładnikami. Bo kto dziś wyobraża sobie życie bez dostępu do internetu, mediów społecznościowych, bieżących informacji czy też zakupów w sklepach internetowych.

W cieniu powszechnie dziś używanych urządzeń zwanych telefonami komórkowymi stoi sztab specjalistów odpowiedzialnych na prawidłowe ich funkcjonowanie. Użytkownik oczekuje dostępu do rozmów telefonicznych i do internetu w każdym miejscu, a inżynierowie wszelkich specjalności muszą dbać o poprawną jakość usług. W początkowym okresie działania telefonii komórkowej najważniejsza była możliwość wykonywania połączeń głosowych czy też wysyłanie krótkich wiadomości tekstowych SMS w każdym miejscu. Dzisiejsza telefonia komórkowa to przede wszystkim dostęp do internetu.

Jak działają sieci komórkowe i stacje bazowe?

W Polsce mamy czterech wiodących operatorów telefonii komórkowej, którzy posiadają własną infrastrukturę umożliwiającą użytkowanie telefonów komórkowych. Każdy operator ma dział techniczny odpowiedzialny za prawidłowe działanie sieci. Specjaliści nie tylko monitorują odpowiednie (bezawaryjne) działanie stacji bazowych, ale też na bieżąco monitorują jakość pokrycia sieci w terenie. Każdy z operatorów jest wyposażony w narzędzia pomiarowe umożliwiające bieżące monitorowanie w terenie sieci. Popularnym narzędziem jest tzw. wóz pomiarowy, który objeżdża wytypowane trasy, wykonuje pomiary sieci w różnych pasmach pracy. Na podstawie zebranych danych wykonywane są techniczne regulacje sieci (zmiany azymutów anten, pochylanie anten) oraz typowane są obszary, w których należy dobudować kolejną stację bazową.

Dział techniczny operatora składa się z głównych działów:

• budowy sieci,
• planowania sieci,
• sieci transmisyjnej,
• utrzymania sieci,
• wdrożeń,
• elektrycznego,
• BHP

Przedstawiciele wszystkich działów biorą czynny udział w budowie stacji bazowych. Dla każdego operatora pracuje kilka firm – dostawców usług (podwykonawców), które zajmują się bezpośrednio pozyskiwaniem, projektowaniem i budową stacji bazowych. Dział planowania sieci typuje obszar, w którym wybudowana ma być nowa stacja bazowa. Wynikiem jego pracy jest wygenerowanie konfiguracji radiowej zawierającej typy anten nadawczo-odbiorczych, wysokości zawieszenia, azymuty oraz obsługiwane systemy. Warto wiedzieć, że w pierwszych systemach antenowych stacje bazowe obsługiwały system GSM900. Umożliwiał on prowadzenie rozmów i wysyłanie krótkich wiadomości tekstowych SMS. Obecnie w głównej mierze projektowane są systemy:

• GSM900
• GSM1800
• UMTS900
• UMTS2100
• LTE800
• LTE900
• LTE1800
• LTE2100
• LTE2600

Liczba w nazwie systemu działania oznacza pasmo pracy (częstotliwość). Im wyższa częstotliwość, tym mniejszy zasięg działania systemu. W zależności od lokalizacji stacji bazowej (obszar słabo zaludniony, obszar wiejski, miejski) inżynier planista (z działu planowania sieci) wybiera systemy pracy stacji bazowej.

Po wytypowaniu obszaru poszukiwań w teren ruszają firmy podwykonawcze, a właściwie ich specjaliści ds. pozyskiwania nieruchomości i wyszukują w terenie kilka potencjalnych lokalizacji.

Zobacz: Lokalizacja nadajników stacji telefonii komórkowej


Powstaje raport z poszukiwań, który jest przekazywany do operatora do uzgodnień. Raport zawiera takie elementy, jak lokalizacja obiektu, możliwość posadowienia konstrukcji wsporczej/lokalizacji wieży, dostęp do sieci energetycznej lub drogi publicznej. Są to wszystko bardzo ważne informacje, wpływające na koszt inwestycji. W kolejnym kroku raport jest opiniowany przez operatora i odbywa się pierwsza wizja w terenie, której celem jest weryfikacja lokalizacji (obiektu) i wybór ostatecznego miejsca.

Fot. 6. Przykład lokalizacji urządzeń w kontenerze technologicznym. Fot. 7. Każda z anten MW to połączenie z inną stacją bazową

Po akceptacji lokalizacji do pracy przystępują specjaliści działu sieci transmisyjnej. Ich zadaniem jest określenie możliwości podpięcia stacji bazowej do sieci. Podłączenie do sieci jest realizowane za pomocą łączy anten radioliniowych lub np. za pomocą światłowodu. W pierwszym etapie zawsze podłączenie do sieci odbywa się za pomocą radiolinii. W tym celu w miejscu lokalizacji stacji bazowej badana jest widoczność radiowa do najbliżej położonych stacji bazowych. Badanie widoczności można wykonać wieloma sposobami: można użyć podnośnik koszowy o zadanym wysięgu lub też dron, który na żądanych wysokościach wykonuje serie zdjęć w azymutach istniejących stacji. Okazjonalnie operatorzy zlecają wykonanie przekrojów geodezyjnych, które są jednak rozwiązaniem czasochłonnym i drogim. W przypadku istniejących obiektów, na których planowana jest instalacja anten (kominy, kościoły, wieże ciśnień, wieżowce, obiekty innego operatora), w celu stwierdzenia widoczności radiowej należy po prostu wspiąć się na obiekt i za pomocą lornetki i dobrego aparatu fotograficznego przeprowadzić analizę na wcześniej wytypowanych azymutach.

Rys. 1. Przykładowy przekrój geodezyjny

W ten sposób mamy wygenerowane dwa najważniejsze dokumenty: konfigurację radiową i konfigurację MW (urządzeń linii radiowej). Na podstawie zawartych w nich danych jest wybierana wysokość projektowanego obiektu (typ wieży). I zaczyna się prawdziwe projektowanie.

W tym miejscu należy sobie zdać sprawę, że aby zaprojektować stację bazową, nie wystarczy tylko wiedza techniczna. Wiedza techniczna jest bardzo ważna i jest podstawą do wykonywania pracy projektanta, jednak niezbędna jest znajomość wytycznych operatora.

Każdy z operatorów ma własny zestaw wytycznych. Są to wytyczne budowlane, wytyczne konstrukcyjne, wytyczne instalacyjne, wykazy anten, wytyczne utrzymania itp. Wszystko, co mamy zaprojektować i wybudować, musi spełniać wytyczne. Zasadniczo wytyczne to nic innego jak standaryzacja stacji bazowej, mająca na celu budowanie obiektów podobnych technicznie i użytkowo. Oto prosty przykład: istnieje wiele systemów asekuracji podczas prac na wysokości, np. skc-block, Haca, Soll; każdy operator ma swój wiodący system, co znacznie obniża zarówno koszty eksploatacji obiektu (okresowe przeglądy), jak i koszty wyposażenia pracowników w tzw. wózki asekuracyjne, które są drogie i które należy co roku poddawać kosztownym przeglądom.

Zobacz: Zmiana ustawy o wspieraniu rozwoju usług i sieci telekomunikacyjnych

Posiadając odpowiednią wiedzę techniczną i znając wytyczne operatora, przystępujemy do pracy projektowej. Zajmiemy się projektem stacji bazowej typu wieża.

Większość stacji bazowych składa się z trzech sektorów z antenami nadawczo-odbiorczymi, które teoretycznie powinny być rozmieszczone co 120 stopni. W zależności od wygenerowanej konfiguracji antenowej sektor może się składać od jednej do kilku (czterech) anten (są to anteny wielosystemowe).

Teraz wykorzystujemy naszą wiedzę – wszystkie anteny w sektorze, aby działały poprawnie (nie zasłaniały obszaru promieniowania), muszą mieć tyły anten w jednej płaszczyźnie.

Ponieważ projektujemy wieżę o przekroju trójkąta, należy tak ją posadowić, aby azymuty krawężników wieży (patrząc od środka wieży) w miarę możliwości pokrywały się z azymutami anten sektorowych.

Fot. 2. Antena jednosystemowa (obsługuje jedno pasmo pracy, np. 900 MHZ) z mechanicznymi
pochyladłami (stary typ). Fot. 3. Po lewej nowoczesna antena ze złączami 4,3–10, silniczki pochylające, tzw. RET, wewnątrz anteny. Środkowa i prawa antena: dostosowane do montażu silniczków RET na zewnątrz (dodatkowe wyposażenie), prawa bez silniczków

Rys. 2. Przykład rozkładu anten

W ten sposób na każdym krawężniku zainstalowana będzie ramka antenowa, na której będzie odpowiedni dostęp do anten. Część wież ma na górze okrągłe galerie antenowe, jednak na jednej ze ścian lub krawężniku umieszczona jest pionowa droga wejściowa i pionowa droga kablowa.

W tym przypadku także należy tak manipulować posadowieniem wieży, aby uzyskać optymalne warunki dostępu do anten.

Moim zdaniem odpowiednie posadowienie wieży to najważniejsza część pracy z punktu widzenia projektanta systemów radiokomunikacyjnych stacji bazowej.

Fot. 4. Przykład rozkładu anten w stosunku do wejścia na wieżę

Na terenie stacji bazowej oprócz wieży znajduje się inny ważny element, są to urządzenia BTS (ang. base transceiver station, stacja bazowa). Podstawowe składniki BTS to: siłownia prądu stałego DC i urządzenia TRM (do sterowania antenami sektorowymi), urządzenia MW, DDF (krosownica połączeń, ang. digital distribution frame). Urządzenia BTS mogą być wykonane w dwóch podstawowych wersjach: outdoor (wolno stojące klimatyzowane szafy) lub też indoor (wolno stojący kontener lub wydzielone pomieszczenie techniczne).

Fot. 5. Instalacja urządzeń typu outdoor

Siłownia DC zapewnia zasilanie prądem o napięciu ±48 V. Wyposażona jest ona w obwody krytyczne i niekrytyczne. Obwody krytyczne służą do zapewniania działania anten łączy radioliniowych.

Są to obwody wyposażone w baterie podtrzymujące działanie łączy. Przy braku zasilania (awarii) stacja nie będzie wprawdzie działać dla użytkowników, będzie natomiast podtrzymywać działanie innych stacji, przez które przechodzi transport transmisji do centrali. Są sytuacje, w których do jednej stacji podpiętych jest kilka kolejnych i właśnie podtrzymanie transmisji minimalizuje obszar awarii.

Z obwodów niekrytycznych zasilane są urządzenia sterujące antenami sektorowymi. Obecnie tor antenowy składa się z urządzeń sterujących (RBS) zlokalizowanych u podstawy wieży, dalej połączenie realizowane jest z pomocą światłowodów i kabli zasilających DC do wyniesionych modułów radiowych (RRU, ang. remote, radio unit) zlokalizowanych na wieży jak najbliżej anten. RRU musi być zlokalizowane jak najbliżej anteny. Dzięki temu tłumienie jest minimalizowane, a poziom mocy wypromieniowanej z anteny większy. Standardem jest stosowanie kabli jumperowych wykonanych z kabla 1/2” flex o długościach do 3 m. W sytuacjach nietypowych, gdzie RRU jest oddalone od anteny, po prostu sięgamy do wytycznych, gdzie precyzyjnie podane są typy kabli jumperowych w zależności od projektowanego systemu.

W tym miejscu należy jeszcze wspomnieć o kolejnym ważnym elemencie. Kiedyś kabel jumperowy wyposażony był w złącza 7/16M, natomiast obecnie ze względów technicznych (miniaturyzacja, dostęp do złącza) producenci stosują przy antenach złącza 4.3-10 F. Należy dokładnie weryfikować kartę katalogową danej anteny, ponieważ ta sama antena może się nieznacznie różnić w nazwie, a ma inny typ złączy.

Rys. 3. Przykładowy schemat instalacji; kolory wskazują elementy toru istniejące (czarny), istniejące relokowane (niebieski) oraz nowo projektowane (zielony)

Operatorzy w konfiguracjach antenowych nie zawsze podają dokładny typ anteny, lecz odpowiedni fantom. Wynika to z faktu, że na rynku występuje kilka rodzajów anten o identycznych parametrach.

W stosowanych systemach poszczególne komórki (sektory) mogą zmieniać obszar pokrycia. Odbywa się to przez elektryczne pochylanie wewnętrznych elementów anteny (tzw. tiltowanie). I tu niespodzianka, albo do części anten należy zaprojektować dodatkowo jeden lub kilka silniczków pochylających, albo wystarczy tylko sam kabel do połączenia RRU z anteną, gdyż jest już ona wyposażona w wewnętrzny silnik, tzw. system Integret RET

Liczba silniczków lub kabli AISG (realizujących pochylenie elektryczne – zdalną regulację kąta pochylania wiązki promieniowania anteny) zależy od liczby wejść anteny-systemów. Należy tu wspomnieć, że często projektowane są anteny obsługujące kilka systemów ze względu na wyczerpanie lub ograniczoną nośność wieży. Mamy już urządzenia BTS, anteny RRU, silniczki RET i kable.
W przypadku kontenerów technicznych wyprowadzenie kabli w kierunku anten wykonywane jest przez przepust ścienny o zwiększonej odporności ogniowej typu ROXTEC. Jest to jedno lub kilka pól wypełnionych kostkami przewidzianymi do zabezpieczania kabli o odpowiedniej średnicy (fot. 10).

Fot. 10. Przykładowy przepust wyposażony w różne wypełnienia

Należy przewidzieć odpowiednią liczbę przejść dla projektowanych kabli i przyszłej rozbudowy.

Następna rzecz, którą zajmuje się projektant, to pozioma i pionowa droga kablowa. Często jej maksymalna szerokość (pionowej drogi kablowej) określana jest w typoszeregu wieży, ponieważ jej wypełnienie i szerokość mają wpływ na jej nośność. Zdarzyły się sytuacje, w których musiano wnioskować do operatora o zmianę typoszeregu wieży, ponieważ kable się nie mieściły na pionowej drodze kablowej. Oczywiście w jaki sposób instalować kable na pionowej drodze kablowej, trzeba sprawdzić w wytycznych. Powyższe informacje dotyczyły anten sektorowych, mamy jeszcze konfiguracje MW (anten radioliniowych). Operator zawsze wskazuje kilka możliwych kierunków. Przy projektowaniu należy przewidzieć kilka anten zainstalowanych na jednym bądź kilku wspornikach. Zasadniczo w zależności od bilansu łącza radioliniowego projektowane są anteny radioliniowe o średnicach 0,3; 0,6; 0,9; 1,0; 1,2 m. W przypadku anteny 1,2 m należy pamiętać, że czasza musi być dostabilizowana belką wizującą (elementem łączącym czaszę anteny z konstrukcją wieży), a kąt między tą belką a punktem jej mocowania na wieży powinien wynosić ± 12,5 stopnia. Anteny należy tak projektować, aby była możliwość instalacji tego zastrzału.

Każda antena MW wyposażona jest w moduł radiowy RF. Jedno łącze obsługiwane jest przez jeden moduł. W przypadku dublowania kierunku (zwiększenie pojemności łącza, protekcja) kiedyś instalowano drugą antenę na azymucie. Jednak nie zawsze była możliwa taka instalacja, czy to ze względu na wyczerpanie nośności czy też brak miejsca itp. Problem został rozwiązany przez anteny XPIC (fot. 11).

Fot. Fot. 11. Przykład anteny MW XPIC

Są to dwa moduły RF podpięte do jednej czaszy. Przy projektowaniu takich anten należy przewidzieć za anteną wolne miejsce na moduł XPIC zajmujący sporo miejsca. Zaletą anten XPIC jest to, że każdy moduł może pracować na innej częstotliwości. Należy tylko pamiętać o zaprojektowaniu dwóch odpowiednich kabli.

Obligatoryjnie do każdej anteny MW projektuje się po dwa kable zasilające sygnałem.

W podsumowaniu chciałbym zaznaczyć, że temat budowy stacji bazowych jest bardzo szeroki, w artykule opisano proces projektowania stacji bazowej na prostym przykładzie. Rozbudowa sieci stacji bazowych, rozwój technologiczny, zapewne nigdy się nie skończą i trzeba być stale czujnym i przygotowanym na nowości i naukę. Dużo mówi się obecnie o budowie sieci 5G, jednak na razie nie znamy, w jakim kształcie technicznym ta sieć powstanie. Trzeba się uzbroić w cierpliwość.

Na koniec od siebie chciałbym dodać, że rosłem wraz z rozwojem telefonii komórkowej w Polsce, brałem czynny udział nie tylko w projektowaniu, ale też w pracach instalacyjnych stacji bazowych. Prace instalacyjne są to w głównej mierze prace na wysokości i do tego w terenie. Każdy operator dysponuje terenem podzielonym na kilka obszarów i dojazd do stacji zajmuje zawsze dużo czasu. Zanim projekt zacznie być realizowany i nabierze ostatecznego kształtu, należy go dokładnie sprawdzić i zweryfikować zarówno rozwiązania, jak też zastosowany osprzęt. Praktycznie każda pomyłka powoduje przerwę w pracach, a to rodzi dodatkowe koszty, zabiera czas i burzy cały harmonogram.

mgr inż. Maciej Nawrocki – NATEL

Zobacz: Dokumentacja środowiskowa dla stacji bazowych telefonii komórkowej

Produkty budowlane