Сотовая связь называется сотовой за характерную карту покрытия, которая сверху напоминает разрез пчелиного улья. Но такая архитектура применима не везде. Бывают очень неприятные места, куда концепция сотовой связи напрямую не встанет. Если вы живете в большом городе, вполне возможно, что оказываетесь в этом месте почти каждый день.
Имя этому месту - метро. И концептуально это очень сложное пространство для работы. Давайте узнаем, каким образом научились делать надежную связь и в таких непростых условиях.
Подземное царство
Спускаясь на эскалаторе в подземку, современный человек совершает, казалось бы, простое действие - переходит из одной среды в другую. Но с точки зрения радиофизики, он покидает мир относительно предсказуемого распространения волн и попадает в мир, который для радиосигнала является враждебным.
Железобетонные конструкции, гранитная облицовка станций и узкие тоннели, пробитые в толще грунта. Все это работает как гигантский экран. Радиоволны стандартных сотовых диапазонов (от 800 МГц до 2600 МГц и выше) не способны проникнуть с поверхности на глубину 50-70 метров. Экранирующее действие грунта и перекрытий настолько велико, что сигнал «насквозь» затухает до уровня собственных шумов приемника уже через несколько метров породы.
Но благодаря этому под землей можно создать изолированную радиосеть. Правда по своей сложности она будет превосходить наземную инфраструктуру на порядок.
Почему в городе вышка, а в метро нет?
На поверхности мы привыкли к концепции «сота». Базовая станция стоит на крыше или вышке, и ее антенна веером раздает сигнал на километр вокруг.
Теперь представьте, что мы пытаемся установить такую же станцию в тоннеле. Диаметр тоннеля метро, как правило, не превышает 5-6 метров. Это замкнутый волновод. Сигнал от обычной антенны, установленной в таком пространстве, будет распространяться, но крайне неравномерно. Он многократно отразится от стен, создавая интерференционные картины: в одной точке вагона уровень сигнала отличный, а через метр уйдет в ноль.
Но главная проблема даже не в этом. На платформе станции мы имеем дело с открытым пространством, пусть и подземным. А в перегонном тоннеле сигнал должен догонять металлический поезд, идущий на скорости 80-90 км/ч. Обеспечить стабильное покрытие на всей двух-, трех- или пятикилометровой протяженности перегона с помощью одной антенны на платформе невозможно - сигнал просто затухнет в трубе.
Две среды - два подхода
С технической точки зрения метро четко делится на два типа пространств: объемные (вестибюли, платформы) и линейные (тоннели, наклонные ходы эскалаторов). Для каждого из них применяется своя технология.
1. Станции и вестибюли: Дискретные антенны.
На станциях обычно используют распределенную антенную систему. Радиосигнал подают от базовой станции или удаленного радиомодуля, а дальше через делители, ответвители и фидеры распределяют его по нескольким маломощным антеннам на платформе, в переходах и вестибюлях. Именно эти антенны мы видим на стенах и потолке. Они выглядят как небольшие панели, купольные или направленные излучатели.
Излучатели разбивают платформу на сектора. Как правило, одна антенна перекрывает определенную зону, чтобы телефон пассажира переключался между ними только при необходимости, снижая нагрузку на сеть. На эскалаторах антенны устанавливаются с шагом, чтобы обеспечить бесшовный переход. Таким образом, сотовая концепция в рамках эскалатора становится строго линейной.
2. Тоннели: концепция излучающего кабеля.
А вот в тоннеле начинается самое интересное. Здесь на смену привычным антеннам приходит особый тип фидера - излучающий кабель (радиочастотный кабель со щелевыми отверстиями).
Если вы едете в метро, посмотрите на стены тоннеля. Обычно на уровне окон поезда тянется толстый черный кабель. Чаще всего их два. Это и есть ваша антенна. Как бы непривычно она ни выглядела.
Стандартный коаксиальный кабель (антенный фидер) устроен так, чтобы не излучать. Вся энергия сигнала должна дойти от передатчика до антенны с минимальными потерями. Для этого внешний проводник (оплетка или сплошная медная труба) выполняет функцию экрана.
В излучающем кабеле этот принцип нарушен намеренно и строго дозированно. В его внешнем проводнике прорезаны специальные щели или отверстия.
Физика работы проста: когда высокочастотный ток бежит по внутреннему проводнику, на краях щелей во внешнем проводнике возникают токи смещения. В результате, щель начинает работать как щелевая антенна. Она излучает электромагнитную энергию вовне.
Конструкция такого кабеля - это высокоточное изделие. Рассмотрим его сечение изнутри наружу:
Центральный элемент. Часто внутри кабеля проходит несущий трос, обеспечивающий механическую прочность при подвесе.
Оптические волокна. В некоторых современных конструкциях комбинированных кабелей прямо в центре, вокруг несущего троса, размещаются оптические волокна для передачи данных. То есть эта необычная антенна продолжает подрабатывать кабелем для передачи данных.
Внутренний проводник. Обычно медная трубка или толстая медная жила.
Диэлектрик. Вспененный полиэтилен или полистирол с высокими диэлектрическими характеристиками.
Внешний проводник. Медная гофрированная трубка. Гофра нужна для гибкости кабеля, чтобы его можно было укладывать на изогнутых участках тоннеля.
Щели. Именно в этом внешнем проводнике с заданным шагом и под определенным углом прорезаны излучающие отверстия.
Внешняя оболочка. Выполняет защитную функцию. Часто из светостабилизированного полиэтилена или резины, которая не мешает прохождению радиоволн.
Зачем столько сложностей? Почему нельзя просто взять и просверлить отверстия?
Это был бы варварский метод. Конфигурация щелей (их форма, шаг, угол наклона) строго рассчитывается под конкретные частотные диапазоны. Одни кабели оптимизированы для 800-900 МГц другие - для 2600 МГц. Хотя сейчас есть тенденция делать кабели, покрывающие несколько диапазонов сразу.
Более того, существуют кабели с переменной плотностью щелей. Почему это важно? Сигнал, проходя по кабелю, постепенно затухает (имеют место омические потери и потери в диэлектрике). Если бы щели были везде одинаковыми, то в ближней к базовой станции части кабеля излучение было бы мощным, а в дальней - слабым.
На самом деле, играют сразу несколькими параметрами: типом кабеля, длиной секций, ответвителями, уровнем подводимой мощности и той самой геометрией щелей. Идея везде одна - сделать поле вдоль трассы как можно более равномерным.
Скрытый текст
Сделаем примерный расчет. Представьте кабель длиной 500 метров. На частоте 900 МГц погонное затухание может составлять около 4 дБ на 100 метров. Это значит, что в конце кабеля мощность сигнала будет на 20 дБ ниже, чем в начале. А 20 дБ - это разница в 100 раз по мощности! Если бы щели везде были одинаковыми, в начале перегона сигнал был бы избыточным, а в конце заметно слабее. Поэтому использование кабелей с переменной геометрией щелей - это необходимость.
Ок, излучающий кабель помог нам добиться более-менее равномерного покрытия. Более того, участки кабеля очень длинные, в среднем около километра. Это значит, что в тоннеле с абонентом случится максимум 2-3 хэндовера (перехода от соты к соте), что значительно повысит стабильность связи.
Но есть еще одна проблема. Поезд. Это просто кошмар радиоинженера.
Он большой, железный, несется на огромной скорости и ведет токоприемником по контактному рельсу. Там напряжение от 550 до 975 вольт и ток до 7500 ампер. Все это питает электродвигатели. В общем, это настоящая передвижная помеха.
Для связистов вагон - это прежде всего огромная заземленная металлическая клетка (экранированный объем), в которую необходимо достучаться снаружи. Сигнал с излучающего кабеля падает на алюминиевый или стальной корпус вагона, и большая часть энергии отражается. Та часть, что все-таки проходит внутрь, проходит через тонированные или металлизированные стекла (которые тоже вносят затухание). А затем через кожу и кости пассажиров, состоящие в основном из воды с высоким содержанием солей. Такая вода на радиочастотах ведет себя как очень плотная среда.
В результате затухание сигнала при проходе через всю эту «слойку» может достигать 20-30 дБ. Это просто колоссальные затухания. А если все пассажиры дружно запустили видео в толкучке, то затухание наложится на серьезную нагрузку для соты.
Усугубляет ситуацию то, что поезд везет в себе всех потребителей трафика. И везет очень кучно. В час пик они могут набиваться сотнями. Скопление живых тканей в замкнутом объеме меняет диаграмму направленности внутренних антенн смартфонов и создает эффект, который очень сложно предсказать в симуляторах. Абоненты для сигнала внутри вагона - это не цель, а препятствие. Плюс ко всему, тяговые двигатели и преобразователи напряжения вагона создают широкополосные импульсные помехи, которые способны «забить» приемник слабого сигнала на границе зоны покрытия. Поэтому все красивые теоретические расчеты распространения волны в идеально пустом тоннеле с гладкими стенами идут прахом, как только туда заезжает состав.
Рассматривать и рассчитывать покрытие в метро без учета поезда не имеет никакого смысла. В современных проектах оперируют не просто бюджетом мощности на перегоне, а бюджетом мощности «из тоннеля - внутрь вагона». Инженеры закладывают в проект запас порядка 20 дБ на проникновение внутрь салона.
И это отдельная головная боль - выбрать тип излучающего кабеля и мощность передатчиков. Выбрать так, чтобы в ближней к станции зоне не пережать сигнал (чтобы телефоны не «глохли» от перегрузки входных каскадов), а в дальней зоне, в конце перегона, сигнал все еще проходил сквозь железо и толпу. И обеспечивал хотя бы голосовую связь. Именно для этого используются кабели с переменной плотностью щелей, о которых мы говорили выше. И системы с адаптивным управлением мощностью, которые пытаются угадать, когда поезд въезжает в зону «тени» за колонной или изгибом тоннеля.
Немного про топологию
Мы разобрались с антеннами и излучающим кабелем в тоннеле. Но откуда берется сам сигнал?
Здесь используется распределенная архитектура. Основное оборудование (базовые станции операторов) обычно устанавливается на поверхности или в крупных технических узлах метрополитена. А в подземку сигнал доставляется по оптоволокну. На каждой станции или в туннельных камерах устанавливаются удаленные радиомодули (внешние блоки) или ретрансляторы.
Эти устройства получают оптический сигнал, преобразуют его в электрический, усиливают и подают на излучающие кабели или антенны.
Но вот беда. Если раньше, в эпоху 2G, нам достаточно было просто обеспечить наличие сигнала для звонков, то для LTE нужны высокое отношение сигнал/шум и широкие полосы частот. Операторы запускают в метро несколько диапазонов одновременно: LTE800 для покрытия (низкая частота лучше проникает в вагоны) и LTE2100/2600 для скорости. Современный пассажир хочет не просто звонить, а смотреть видео в HD качестве по пути, знаете ли. И это требование радикально изменило подход к проектированию.
Например, МегаФон в 2024 году объявил о модернизации оборудования в метро Петербурга, добившись роста скорости на 20% на синей ветке. Билайн в Петербурге использует активные распределенные системы, поддерживающие технологию VoLTE (голос поверх 4G), что позволяет разговаривать и одновременно пользоваться интернетом.
Кооперация операторов и цена ошибки
Строительство сети в метро - это не просто техническая, но и логистическая задача. Доступ в тоннели возможен только ночью, в «технологические окна» продолжительностью 2-3 часа, когда снято напряжение с контактного рельса.
Зачастую операторы объединяют усилия. Например, в Санкт-Петербурге было подписано соглашение о совместном строительстве инфраструктуры: Билайн строил на одних ветках, МТС на других, а затем они обменялись доступом к построенным сетям. Это позволило покрыть 185 км тоннелей быстрее и дешевле.
И даже при такой кооперации бывают сбои. Открытие новой станции «Горный институт» в Петербурге в 2024 году показало, что пассажиры могут столкнуться с плохой связью, если коммерческие операторы не успели развернуть свои сети к моменту открытия.
Заключение
Так что же происходит в тот момент, когда мы, стоя в переполненном вагоне, достаем телефон, чтобы ответить на сообщение или загрузить видео? Мы редко задумываемся об этом, но на самом деле становимся участниками сложнейшего инженерного действа. Сигнал, который принимает наш смартфон, проходит путь от базовой станции, расположенной где-то на поверхности или в техническом помещении станции, затем преобразуется в оптический импульс, уходит в оптоволокно, спускается под землю, снова превращается в электричество, усиливается и подается в специальный излучающий кабель. Этот кабель, протянутый вдоль всего перегона, через точно рассчитанные щели излучает радиоволны в замкнутое пространство тоннеля.
А в тоннеле, в свою очередь, мчится многотонный металлический состав - сам по себе огромная подвижная помеха, с тяговыми двигателями и токоприемниками. Внутри него - сотни людей, и каждый из них со своим смартфоном. И каждый человек, состоящий в основном из воды и плотных тканей, для радиоволны является препятствием, поглощающим и рассеивающим сигнал. Пассажиры в буквальном смысле гасят друг другу связь, создавая эффект, который невозможно точно смоделировать ни в одном симуляторе.
И тем не менее - мы можем позвонить. Мы можем отправить фото или посмотреть видео. Более того, в метро связь иногда работает даже стабильнее, чем на некоторых оживленных улицах в центре города. Это значит, что инженеры сделали свою работу правильно: учли затухание в кабеле, рассчитали плотность щелей, заложили запас на проникновение в вагон, развели частоты и настроили мощность так, чтобы система не глушила сама себя.
В следующий раз, когда вы окажетесь в метро и увидите на стене тоннеля черный кабель или заметите антенну на платформе, вспомните, сколько расчетов, компромиссов и ночных смен стоит за тем, чтобы вы могли просто оставаться на связи. Вся эта работа проделана для вас. Пользуйтесь.
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
