УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА 3G/4G ИНТЕРНЕТА: Антенна для 3G/LTE

УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА 3G/4G ИНТЕРНЕТА: Антенна для 3G/LTE

ВВЕДЕНИЕ
(Этот пункт для того, чтобы, ознакомившись с ним, человек однозначно для себя понял, читать ему дальше или нет.

1.1. НАЧАЛО

Каждый, кто хоть раз пользовался беспроводным 4G-интернетом, не может не оценить его достоинств, таких, как: независимость от проводов; доступность в тех местах, куда кабельный интернет не проложат еще очень долго; мобильность.
Однако, помимо вышеназванных преимуществ, у беспроводной связи есть и недостатки: зависимость качества (скорости, стабильности, задержек) работы интернета от качества принимаемого сигнала;зависимость качества работы интернета (в основном, скорость) от загрузки базовых станций (далее - БС) операторов.
И, если на второй недостаток (загрузка БС) повлиять, практически, нельзя, то на первый (качество сигнала) - очень даже можно.
В любом устройстве беспроводной радиосвязи, будь то модем, роутер, либо что-то другое, имеется приемо-передающий тракт, упрощенно представляющий из себя антенну и некоторое количество электронных компонентов. Как правило, внутренние антенны мобильных устройств очень слабы и в состоянии нормально принимать/передавать сигнал, только находясь относительно недалеко от БС. Но, как быть, когда расстояние до БС приличное, модем вроде бы и находит сеть 4G (далее - LTE), но сигнал очень слабый и коннект, либо не происходит, либо происходит, но скорость "никакая", либо постоянно "отваливается" от сети, либо все вместе сразу?
В общем, в данном FAQ речь пойдет о том, как повысить стабильность, скорость и уменьшить задержки беспроводного 4G-интернета с помощью использования внешней антенны.

 

1.2. В КАКИХ СЛУЧАЯХ АНТЕННА ПОМОЖЕТ


Итак, использование внешней антенны помогает, обычно, в следующих ситуациях:
1. Сигнал есть, но ооочень слабый и пользоваться интернетом невозможно/некомфортно, либо нет коннекта;
2. Сигнал есть, но довольно слабый и хотелось бы бОльшую скорость, стабильность и меньшие задержки;
3. Сигнал есть, относительно, нормальный, но все же хотелось бы еще бОльшую скорость, стабильность и еще меньшие задержки;
4. Сигнал есть, хороший, но скорости невысокие (как правило, такое бывает из-за множества паразитных шумов, которые ловит антенна модема вместе с "полезным" сигналом).

Однако, как и во всех правилах, в теме усиления сигнала 4G, тоже есть исключения. В очень редких (к счастью) случаях бывают парадоксы, когда сигнал есть и, вроде бы, все должно быть отлично, но антенна не дает желаемого результата.
В большинстве таких случаев (по статистике) причиной этому является неправильная настройка антенны, либо неправильный подбор ее характеристик, либо неправильная организация кабельной сборки между антенной и модемом/роутером, либо неправильное место ее размещения, либо что-то еще, связанное, именно, с какими-то ошибками при реализации нашей рассматриваемой темы.
И только в совсем небольшой части случаев бывает так, что все сделано правильно, но результат не достигнут. Вот, тут уже виной, скорее всего, различные факторы, которые учесть заранее невозможно, т.к. слишком индивидуальны у каждого из нас условия приема и передачи сигнала на местности (переотражения, искажения, ослабления и тд.). В этом случае придется немного попотеть, прежде чем удастся чего-то добиться.

 

КРАТКО ОБ АНТЕННАХ
(тут дано определение антенне, принцип ее работы на примере простейшей, описаны основные (интересные нашему делу) характеристики антенны, а также рассмотрены несколько основных типов антенн с описанием того, в каких случаях лучше использовать тот или иной вид антенны).

 

2.1. ЧТО ТАКОЕ АНТЕННА

Из Википедии: Анте́нна — устройство, предназначенное для излучения или приёма радиоволн.
Антенны в зависимости от назначения подразделяются на приёмные, передающие и приёмопередающие. Антенна в режиме передачи преобразует энергию поступающего от радиопередатчика электромагнитного колебания в распространяющуюся в пространстве электромагнитную волну. Антенна в режиме приёма преобразует энергию падающей на антенну электромагнитной волны в электромагнитное колебание, поступающее в радиоприёмник. Таким образом, антенна является преобразователем подводимого к ней по фидеру электромагнитного колебания (переменного электрического тока, канализированной в волноводе электромагнитной волны) в электромагнитное излучение и наоборот.

2.2 КАКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АНТЕНН НАМ ИНТЕРЕСНЫ?


Есть несколько основных параметров, по которым мы подбираем антенны:
- частота, на которую рассчитана антенна (либо диапазон частот)
- коэффициент усиления (КУ)
- диаграмма направленности (ДН)
- коэффициент стоячей волны (КСВ)


Лучше всего антенна будет работать на тех частотах, на которые она рассчитана, поэтому при подборе антенны нужно стремиться к тому, чтобы диапазон частот работы антенны соответствовал диапазону частот вещания.

С коэффициентом усиления все проще, при прочих равных, он, чем выше, тем лучше.

Диаграмма направленности - это, образно, луч, которым антенна "светит" в сторону базовой станции. Луч бывает узким, бывает широким, а бывает всенаправленным и т.д. Вообще, очень много вариаций. Обычно, чем уже ДН, тем выше КУ и наоборот, чем шире ДН, тем ниже КУ. Если Вы хотите направить антенну на стоящую далеко БС (например, условия сельской местности), то лучше выбирать антенну с узкой ДН. Но если Вы находитесь в зоне, окруженной со всех сторон базовыми станциями с небольшой удаленностью (например, городские условия) и хотите иметь возможность переключаться между БС, то присмотреться лучше к антенне с широкой ДН или к всенаправленной.

Коэффициент стоячей волны показывает, насколько эффективно антенна отдает/принимает сигнал (утрированно). Вообще, хорошим считается КСВ в районе 1,5. От 1,5 до 2,0 - нормальным. Выше 2,0 уже многовато (представленная оценка является чисто субъективной и условной).

 

ЧТО НУЖНО ЗНАТЬ ПРЕЖДЕ, ЧЕМ ВЫБРАТЬ АНТЕННУ?
(это один из самых важных разделов; здесь, как раз, и описано всё то, что необходимо выяснить первопроходцу прежде, чем приступать к изготовлению\покупке антенны и прежде, чем задавать вопросы на форуме, т.е. тут нужно описать то, что перед изготовлением\покупкой антенны необходимо выяснить: частоту вещания, удаленность БС и направление на нее, рельеф местности, наличие препятствий и тд. и тп.) - т.е. всё то, на основании чего происходят все дальнейшие действия и всё то, что, как раз, и вызывает кучу однотипных вопросов в ветке.

 

3.1. ГЛАВНЫЕ ВОПРОСЫ

Известно, что любое оборудование, в т.ч. и для приема-передачи радиоволн, имеет технические характеристики и условия эксплуатации. Поэтому для того, чтобы правильно подобрать антенны, кабели, пигтейлы и пр., необходимо получить некоторую информацию.

Но, прежде, чем погрузиться в техническую сторону дела, ответьте для себя на два простых (казалось бы :happy: ) вопроса:
1. Чего я хочу добиться?
2. Сколько я готов на это потратить?


С ответа на эти два вопроса начинается или не начинается большой путь под названием "Улучшение качества 3G/4G-интернета".
Заметьте, термин "улучшение" предполагает, что хоть какой-то, пусть и очень слабый, но должен присутствовать сигнал сети 3G/LTE в том месте, где Вы хотите получать доступ в интернет. 

Для чего же, все-таки, отвечать на вопросы выше? Все просто: если окажется, например, что Вы на данный момент имеете нестабильное соединение, скорости 1,2Мбит/0,3Мбит, БС от Вас находится на расстоянии 10-12км (а то и больше) через леса, холмы и пригорки, а скорость Вы хотите получить минимум 100Мбит/40Мбит, потратив рублей целых аж 100-150, то сразу говорим Вам: забудьте об этом.
Конечно, есть люди, у которых LTE ловится и на расстоянии в 12км, но скорости при этом, конечно же, не будут, как на проводном городском инете. Плюс к этому у них установлено антенное оборудование, которое, даже в случае изготовления своими руками, стоит денег.
Однако, даже если Вы приобретете или изготовите хорошее оборудование и все сделаете правильно, то все равно никто и никогда не сможет дать Вам гарантию, что инет заработает у Вас не хуже, чем у кого-то другого. Поэтому, говорить что-то типа: "А мне обещали, что все заработает, как надо, но оно не пашет!" - не надо. Радиопередача - это вещь, порой, непредсказуемая, но, к счастью, в большинстве случаев у людей всё получается. Но бывают и исключения.



3.2. ЧТО НУЖНО ЗНАТЬ ПРЕЖДЕ, ЧЕМ НАЧАТЬ


Итак, что нужно выяснить прежде, чем начать подбирать оборудование (антенны, кабели, пигтейлы и тд.):

1. Наличие возможности установки внешней антенны (фасад, штанга, крыша и тд.)
Этот пункт идет первым потому, что, если возможности установить антенну нет, то теряется смысл всех остальных манипуляций. Причем, не просто установить в любом месте, а установить, как можно выше и так, чтобы БС попала в пределы диаграммы направленности антенны (для узконаправленных антенн, особенно, важно). По хорошему, к моменту определения предполагаемых возможных мест установки антенны (а лучше их предусмотреть сразу несколько, т.к. в разных местах сигнал может сильно различаться), нужно бы определиться с типом антенны, которая будет использоваться. Пока, именно, с типом. Тарелка с облучателем, яги, всенаправленная и пр. 
2. Есть ли, вообще, в предполагаемом месте установки антенны сеть 3G/LTE.
О том, как понять, есть ли хоть какое-то покрытие, писалось много: можно посмотреть на сайтах операторов карту покрытия сети; можно взять модем и походить с ним по разным местам, выполняя поиск сети или подключение; можно поместить модем в фокус какого-нибудь отражателя и задрав его повыше, побегать с ним по крышам, "постреляв" в разные стороны, также выполняя поиск сети, либо подключение. Для оценки уровня сигнала можно скачать программу MDMA и в ней посмотреть уровни сигнала, можно смотреть в коннект-менеджере, либо веб-интерфейсе модема.
К слову, качество сигнала принято оценивать по двум параметрам: RSRP и SINR. Если упрощенно, то RSRP - это уровень (мощность) сигнала, а SINR - качество сигнала (показывает насколько уровень "полезного" сигнала отличается от уровня сторонних "вредных" шумов).

3. Частоту вещания 3G/LTE того оператора, интернетом которого планируете пользоваться и теоретические скорости, которые можно получить.
Частота вещания - один из основных параметров, который необходимо знать точно, т.к. антенна обязательно подбирается по частоте вещания, т.е. если вещается на 2600МГц, то и антенна на 2600МГц; если вещается на 800МГц, то и антенна на 800МГц. Если Вы выбрали широкополосную антенну, то частота вещания Вашего оператора должна попасть в диапазон частот, на которых работает эта антенна. Например: частота вещания 1800Мгц. Подойдет широкополосная антенна 1700-2600МГц или 900-1800Мгц.
Антенна, рассчитанная не на ту частоту, на которой вещается 3G/LTE, либо не будет работать совсем, либо, если и будет, то плохо. Причем, чем больше разница между частотой вещания и частотой, на которую рассчитана антенна, тем хуже она будет работать. Пример: LTE вещается на частоте 800МГц, а антенна установлена на 2600МГц. В этом случае антенна работать, скорее всего, не будет совсем, особенно, если условия приема итак очень слабые. А при небольшой разнице, например, если LTE вещается на частоте 2600МГц, а антенна установлена на 2400МГц, то работать будет, но хуже, чем если бы антенна была рассчитана прямо на 2600МГц.
Практика показывает, что отклонение частоты антенны от частоты вещания, в первую очередь вызывает снижение скорости отдачи (upload), но при значительных отклонениях влияет уже на все параметры.

Помимо частоты вещания, неплохо было бы знать "а какие вообще максимальные теоретические скорости может отдавать БС?". Т.е. понимать к чему стремиться. А то может оказаться так, что Вы пытаетесь "выжать" из БС 100Мбит/с, монтируете крутые антенные системы, а сама БС больше 30 с копейками Мбит/с не в состоянии отдавать из-за ширины канала, модуляции и тд., и тп. Так вот, для того, чтобы знать, сколько может отдавать та БС, на которую Вы нацелились, есть удобный онлайн-калькулятор. Модуляцию, ширину канала и тип МИМО можно узнать у оператора, либо через специальный софт.

4. Направление на БС
Это необходимо знать для того, чтобы правильно разместить внешнюю антенну и знать, в какую сторону ее направлять.
Можно посмотреть по картам на сайтах операторов.

5. Удаленность БС от места установки антенны
Эти данные нужны для того, чтобы примерно понимать, нужна антенна мощная или можно немного сэкономить, используя более слабую. Конечно, можно не думая взять максимально мощную антенну, ведь в большинстве случаев более мощная антенна работать будет лучше, чем более слабая, НО, иногда бывает так (далее будет информация, научно не подтвержденная, но и не опровергнутая), что более мощная в условиях наличия большого количества внешних эфирных шумов (например, когда много разных БС той же или близкой частоты попадает в диаграмму направленности антенны), собирает вместе с полезным сигналом еще и кучу всякого ненужного сигнала, а это может влиять на SINR и, соответственно, на скорость.


6. Наличие значительных преград по линии направления на БС (дома, леса, ЛЭП и тд.)
Обычно, это определяется визуально, когда направление на БС определено. Значительные преграды могут стать причиной переотражения сигнала, либо причиной его ослабления, вплоть до нулевого значения. Практика показывает, что, иногда, люди вылавливали переотраженный сигнал, направив антенну в противоположную от БС сторону.

7. Предполагаемую длину кабелей от антенны до модема.
Это нужно прикинуть приблизительно потому, что может оказаться так, что от места, которое Вы выбрали для размещения антенны до места, где у Вас будет находиться модем получится пара десятков метров. Если для частоты 800МГц и пара десятков метров нормального кабеля - не помеха, то на частоте 2600МГц в этих же парах десятков метров кабеля может полностью затухнуть весь сигнал. 

4. КАК ПОДКЛЮЧИТЬ АНТЕННУ К МОДЕМУ/РОУТЕРУ? 

4.1 Распространенная схема соединения:
1. Антенна - кабель - пигтейл - модем
Плюсы: кабель определенной длины позволяет выносить антенну далеко от модема, модем при этом может находиться в пределах дома, в тепле. К тому же, удобно менять симку, переподключать модем и тд., модем можно подключать непосредственно в домашний комп/роутер напрямую, либо посредством небольшого USB-удлинителя.
Минусы: кабель стоит денег, дополнительные разъемы, дополнительные потери в кабеле.

2. Антенна - пигтейл - модем, используется в антеннах с гермобоксом
Плюсы: потерь в основном кабеле нет в виду отсутствия оного, одно лишнее соединение ликвидировано, экономия на кабеле.
Минусы: нельзя отдалить модем от антенны, доступ до модема несколько затруднен.

Какую схему выбрать - решать Вам. Возможно, Вы придумаете свою схему. В любом случае, рекомендую предварительно все прикидывать и считать на бумаге, чтобы потом не пришлось кусать локти.

4.2. Теперь о важном: методика расчета (грубого) потерь в кабеле и разъемах.
Как уже говорилось выше, радиочастотный сигнал имеет свойство затухать в проводниках (кабелях) и соединениях (разъемах). Поэтому каждому, кто озадачился устройством антенно-кабельной сборки, было бы хорошо хоть примерно знать, а сколько же дБ дойдет от антенны до модема, либо наоборот, сколько потеряется в кабеле и соединениях.

Итак, дано (например):
- частота вещания 2600МГЦ
- антенна на 2600МГц с коэффициентом усиления 14dBi (неважно, какая) с N-разъемом
- радиочастотный кабель длиной 4,5м с коэффициентом затухания на частоте 2600МГц примерно 54дБ/100м (0,54дБ/м)
- пигтейл длиной 15см (0,15м) CRC-9 > SMA из кабеля RG-316 (по таблице затухание на 3000МГц - 176дБ/100м; примем для 2600МГц - 171дБ/100м (1,71дБ/м).
- 3 соединения между антенной и модемом (1 - штекер с антенны на кабель, 2 - штекер с кабеля на пигтейл, 3 - штекер в модем)

При расчете потерь можно принимать, что на любом штекерном соединении теряется 0,5дБ сигнала.
Поэтому суммарные потери можно расписать так: "потери в трех соединениях + потери в длине основного кабеля + потери в длине кабеля пигтейла = суммарные потери в линии антенна-модем"

Сам расчет (грубый, конечно:
0,5дБ х 3 = 1,5дБ (потери в трех соединениях)
0,54дБ/м х 4,5м = 2,43дБ (потери в длине основного кабеля)
1,71дБ/м х 0,15м = 0,256дБ (потери в длине кабеля пигтейла)
Сложив все три цифры 1,5 + 2,43 + 0,256 = 4,186дБ - получаем суммарные потери.

Теперь, если мы вычтем из коэффициента усиления (КУ) антенны, получившиеся суммарные потери, то будем знать, сколько дБ реально дойдет до модема:
14дБ - 4,186дБ = 9,814дБ, т.е. примерно 9,5-10,0дБ.

Еще раз напоминаю, что расчет грубый, но для получения примерных данных использоваться может.

П.С. зачем, вообще, что-то считать? А, вот, зачем: представьте, что у Вас те же условия, что и в нашем примере, но кабель не 4,5м, а 25м.
Тогда потери получим следующие: 1,5 + (25 х 0,54) + 0,256 = 15,256дБ
И, если мы из КУ антенны 14дБ вычтем потери 15,256дБ, то получим отрицательный результат. Т.е. смысла большого в антенно-кабельной сборке не будет!
Работать будет, примерно, как обычная внутренняя антенна модема, КУ у которой приблизительно -3...-6дБ.

 

НАСТРОЙКА АНТЕННЫ
 

5.1. ЗНАЧИМОСТЬ ПРАВИЛЬНОЙ НАСТРОЙКИ

Настройка (юстировка) антенны - один из важнейших этапов, напрямую влияющих на результат всего Вашего мероприятия по улучшению 4G-интернета. Пренебрегать этим нельзя. Представьте, что Вы купили скрипку Страдивари за несколько миллионов и пытаетесь играть на ней, не настроив. Что в итоге получится? Звук будет хуже, чем у настроенных кустарных скрипок за 30 копеек.
С антенной похожая ситуация: можно изготовить или купить отличную антенну, дорогущий кабель, качественные разъемы, но все это перечеркнуть неправильной настройкой.
Думаю, Вы поняли, что к настройке антенны нужно отнестись со всей серьезностью.

 

5.2. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ НАСТРОЙКИ


Общий принцип настройки антенны звучит так:
1. Максимально возможная высота размещения
2. Максимально точное направление на источник сигнала (в случае направленной антенны)
3. Минимальное количество преград на пути сигнала от источника к антенне.


Т.е., если соблюдать все эти три принципа, то получается, что прежде чем закрепить антенну в каком-то месте, необходимо, во-первых, сначала определить, есть ли с этого места прямая видимость на БС; во-вторых, достаточно ли высоко располагается это место для того, чтобы на пути сигнала было минимальное количество препятствий (даже дерево является неким препятствием, не говоря уж про дом и тп.); и в-третьих, можно ли в этом месте закрепить антенну так, чтобы она "смотрела" на БС и плюс к этому, чтобы ее еще можно было крутить на какой-то угол (это нужно для обеспечения более точной настройки и еще для того, чтобы в случае появления в будущем новых БС, можно было бы при необходимости настраиваться и на них.

 30.01.2020
 (21 просмотров)