Рассказ о технологиях, за счет которых работает усилитель интернет-связи на примере конкретно выбранного усилителя. Мне был нужен усилитель сигнала сотовой связи, который работает на расстояние не менее 15 км от «вышки». Поискал в сети. Нашел несколько вариантов. Сравнил. Будучи мало подкованным в области сотовой связи юзером, решил разобраться, что к чему. Зачем? Интересно.  Итак, что нашел, о том, что выбрал, как разбирался в технологии того, что, как и почему работает на такое большое расстояние. Да, я не радиотехник и не инженер-радиофизик. Просто, мне хотелось докопаться в силу своих возможностей до сути, которая прячется за многообещающими лозунгами о превосходности предлагаемых устройств и цифрами, которыми пестрят сайты, за счет чего достигается усиление сигнала. Содержание  Как работают усилители сигнала мобильной связи Как усилить сигнал мобильной связи на расстояние 10 км и боле Сравнение выбранных типов усилителей Главные критерии выбора антенны Где узнавал про технологию Технология MiM Принципы работы антенны Модем Huawei E3372h Роутер Mikrotik Какие проблемы может решать алгоритм «формирование прямого луча» (explicit beamforming) Распределение мощности передатчиков Огибание препятствий, и работа с отражениями Устранение замирания каналов Прошивка HILINK как возможность находить интернет там, где его нет Увеличение покрытия и дальность передачи Что дает усилитель на технологии MiMO Как работает обеспечение стабильности Вывод Усилитель сигнала сотовой связи представляет собой устройство, которое работает по технологии MiMO, то есть использование в одном устройстве принимающей и передающей антенны.  Устройство принимает сигналы от базовой станции и транспортирует их на серверную установку. Потом сигнал идет к телефону абонента или на модем. Обратный ответ принимает сервисная станция, которая усиливает сигнал и транспортирует его обратно к базовой станции.  Для усиления интернет-сигнала нужны либо усиливающие сигнал антенны, либо усилители сигнала. Для города применяют всенаправленные антенны с усилением 9-15 Дб, эффективные на расстоянии от базовой станции до 5 км.  Для сельской местности используют антенны типа «Волновой канал», панельные MiMO, офсетные параболические с коэффициентом усиления от 15 Дб и более.  Они способны эффективно работать на расстояниях 10 – 20 км до базовой станции. «Волновой канал» усиливает сигнал и увеличивает скорость интернета от 1,5 - 2,5 раз. Менее требовательны к направлению и к расстоянию MiMO-антенны с усилением от 17 Дб до 24 Дб. В корпусе конструкции антенны находится 2 антенны, которые работают и на приём, и на отдачу сигнала. Благодаря этому связь становится более стабильной, скорость передачи данных увеличивается. Панельная антенна усилением 24 Дб показывает увеличение скорости передачи данных более чем в 2 раза на расстоянии около 23 км до передающей станции, а на меньших расстояниях увеличение скорости составило 3-5 раз.  Однако сложный рельеф местности, наличие преград, место расположения потребителя сигнала диктуют наличие репитеров или усилителей сигнала. С помощью усилителя можно вытянуть практически отсутствующий сигнал.  Существуют одно-, двух- и трех- диапазонные усилители: ●      GSM 900 (для голосовой связи); ●      GSM 1800 (для голосовой связи); ●      GSM 900/1800 (для голосовой связи); ●      GSM/UMTS 900/1800/2100 (для голосовой связи и мобильного интернета 3G); ●      GSM/DCS/LTE 900/1800 (для голосовой связи и мобильного интернета 4G); ●      GSM/UMTS/LTE 900/1800/2100 (для голосовой связи и мобильного интернета 3G и 4G). Читал, что усилители производителей MIKROTIK, ZyXELL одни из самых крутых. Для интереса подобрал еще пару, один из них усилитель российского производства.  Приведу для сравнения характеристики нескольких устройств от разных брендов, схожих по параметрам в, примерно, одинаковой ценовой категории. Мне было интересно устройство с самой большой зоной приемистости, то есть пригодное для больших расстояний от базовой станции. Еще устройство или как его еще называют репитер с симкой должно быть надежным и отличаться простым монтажом.   Почитал различные отзывы. Получилась такая картина.  Модем Zyxel LTE неплохой. Особенно последние модификации, но все равно встречаются нарекания по поводу глючности. Заявленная дальность всего 5 км, в то время как цена составляет 30 тыс. руб.  Микротик – хороший, позиционирует стандарт Cat.6, но смысла в нем мало, потому что не везде работает агрегация. И дальность до базовой станции всего около 8 км. Отсутствует возможность подключить напрямую в сеть. Питание исключительно PoE, что не всегда это удобно. Еще, нужно постоянно перезагружать. Вообще, как прочитал, антенна надежная, хотя, очень сложная в настройке.  Для настройки надо вызывать специалистов.   Усилитель HiTE PRO UNO, по характеристикам вроде бы не так уж и плох. Настороженность вызвало полное отсутствие отзывов. Может быть не там искал.   Остановился на антенне-усилителе сигнала STREET 2 PRO. На чем-то же надо останавливаться.  Сделано в России. Корпус жесткий поликарбонат. Начинка – роутер и модем от лучших брендов. Технология MiMO. Было интересно узнать про технологию, что это такое. Главные критерии выбора антенны Основное, что характерно для антенн:  Технология MiMO, то есть работа в обоих направлениях: как на прием, так и на передачу данных. Импортные комплектующие. Надежный литой корпус, который не рассыпается через пару-тройку лет от воздействия солнечного ультрафиолета.   Простой монтаж.  У компании производителя достаточно разных обзоров с описанием, какая антенна хорошая. Плюсов, конечно, множество. Но хотелось узнать суть.  Посмотрел некоторые обзоры, часть интересные, Гоблина прослушал с удовольствием. Но, главное про технологию MiMO. Нашел видео, раскрывающее суть технологии. Толково и без воды рассказывают о том, как развивалась технология сотовой связи. Смотрите видеоролик с описанием основ WiFi, SISO, MIMO… Прочитал статью, здесь же на Хабре: «Глубокое погружение в принципы работы Wi-Fi 6: OFDMA и MU-MIMO». Еще одна особенность усилителя – спрятанная внутри корпуса направленная антенна с коэффициентом усиления 15 dBi и технология, по которой она работает – MIMO.   MIMO – это система связи, в которой используются принципы действия двух систем связи:  1.     SIMO (одна передающая и несколько приемных антенн); 2.     MISO (несколько передающих и одна приемная антенна). То есть MIMO (Multiple-Input-Multiple-Output, что означает множественные входы и множественные выходы) – это система, где используются несколько передающих и несколько приемных антенн. В нашем случае создатели антенны засунули в корпус STREET 2 PRO один модем и один роутер. Но об этом дальше. Таким образом, система MIMO работает с пространственным разнесением на приеме и передаче. Технология используется для беспроводных сетей Wi-Fi, работает в 3G/LTE, (кто не знает, LTE – один из первых стандартов 4G). Система увеличивает пропускную способность и позволяет эффективно использовать частотную полосу. Пропускная способность канала MIMO определяет возможную скорость передачи информации, приведенную к единице полосы канала. Увеличивается количество передаваемых данных, а соответственно, и скорость. Это означает, что антенна позволяет ловить как 3G, так и LTE-сигнал на большом удалении от базовых станций. Технология появилась благодаря протоколу 802.11n. Прежний протокол 802.11abg, по которому работала связь, основанная на технологии SISO, уже не устраивала привередливого пользователя. MiMO означает использование сразу нескольких передатчиков и приемников. Это два сигнала: один вертикально поляризован (3G, GSM, LTE), другой – горизонтально (LTE).    Это основные элементы антенны. Если сравнить антенные элементы телефона и усилителя, то в мобильном телефоне элементы со спичечную головку. В усилителе квадрат разбросан на 40 см. Внутренняя начинка антенны Street 2 PRO на печатных платах. Одни дипольные отражатели горизонтально поляризованые, другие – вертикально поляризованные. Четыре полуволновых диполя составляют антенную решетку. От них идут пигтейлы в модем, на переходник, модемные входы Встроенная в усилитель антенна работает по принципу роутера, который имеет несколько антенн и поддерживает стандарты 2,4 ГГц. Немного теории на схеме: составляющие умной антенны Перейдем к самой антенне и технологии MiMO. Это усилитель сотовой связи, который работает в режиме 4G. Сейчас я говорю об усилителе интернет-сигнала STREET 2 PRO. Производитель – Россия, компания YS-system. Как утверждает производитель, усилитель предназначен для подключения к сети Интернет там, где полностью или частично отсутствует покрытие сети мобильного провайдера. Она отличается от более дорогого варианта направленным действием до 15-17 км. Второй вариант – STREET ULTRA PRO. Она всенаправленная, ее отличие в радиусе действия, то есть она собирает весь шум. Кстати, в городских условиях ULTRA только ухудшает сигнал. В условиях города более полезна точка доступа или комплект антенн для усиления связи. STREET ULTRA PRO хорошо работает на открытой местности, например, в низине, в тайге, то есть везде, где нет городских помех.   Оба варианта используют модем Huawei в связке с роутером Mikrotik. Насколько я узнал, производители работают над платами российского производителя.  Отличие антенн – в размере корпуса. От корпуса зависит размер антенных элементов, которые находятся внутри и обеспечивают обход препятствий, устраняют зависание сигнала и прочее.  На YouTube у производителя есть свой канал. Одна из главных фишек антенны, важных для пользователя, в том, что для ее подключения не нужно разбирать корпус, он полностью герметичен. Присоединяется очень просто. Провод вставляется в специальный плотный зажим, зажим – в разъем, который встроен в усилитель, для герметичности закручиваем заглушку. Провод служит как для интернета, так и для питания. Рядом с кабельным разъемом – гнездо для симки. Она может быть любого оператора. Теперь о том, что внутри, и за счет чего антенна работает на большие расстояния По утверждению производителя, антенна расширяет зону действия базовых операторов связи, повышает качество и стабильность соединений в условиях затрудненного приема сигнала связи. Устройство может устанавливаться на удалении от базовой станции оператора – минимум 15 км. Скорость передачи данных при этом достигает 150 Мбит/с. Усилитель работает с любыми операторами связи. Но не это главное. Хочу разобраться с устройством и подвести некоторую базу под утверждения производителя, за счет чего антенна обеспечивает скорость передачи, ведь, по сути, это прерогатива оператора связи. Технические характеристики STREET 2 PRO: сеть: GSM (850/900/1800/1900 МГц), UMTS (Band 900/2100 МГц), FDD-LTE (Band 1, 3, 7, 8, 20), TDD-LTE (Band 38, 40 антенна: направленная SIM-карта: mini-SIM электропитание: Power on Ethernet, 24 В подключение к ПК: Ethernet диапазон рабочих температур: -30 – +40 пылевлагозащита: IP67 процессор: 400 МГц, Qualcomm Atheros AR9331 оперативная память: 32 МБ размеры: 320 х 320 х 85 мм вес: 1282 г Разберем основные элементы конструкции антенны, за счет которых она работает В устройстве антенны используется модем от производителя Huawei E3372h. Модем имеет два разъема CRC9. Это свойство создатели и используют в своей антенне, что позволяет применять модем в составе систем доступа в интернет на объектах со слабым сигналом. Модем, встроенный в MiMO-антенну, – один из самых резвых, выдает скорость до 150 МБит/с, что является хорошим показателем для устройств cat.4 lte, не поддерживающих агрегацию частот. Реальная измеренная скорость на некоторых объектах колеблется от 20 до 80 Мбит/с и очень редко переваливает за 100. Внутри модема работает операционная система, построенная на базе Android  с ядром Linux. Кстати, у антенн STREET 2 PRO собственный интерфейс, не урезанный, как у Huawei.  Интерфейс антенны STREET 2 PRO, все ясно-понятно Продвинутая прошивка/софт HiLink помогает роутеру определить устройство как сетевую карту, а это означает, что скорость обмена информацией по стеку увеличилась, соответственно, и скорость интернета выше. Внутри чипсет Qualcomm Atheros AR9331 и 64 Мб оперативки DDR2. Обычно вот такая картинка появляется на мониторе. Как видим, поддерживается практически все, что можно. Поддерживает все современные стандарты связи, используемые сотовыми операторами: GSM(EDGE) – LTE (all bands) – 3G (DC-HSPA+) Ну, а литой корпус из современных материалов из морозостойкого поликарбоната, который не боится УФ-излучения, с использованием акрилонитрилбутадиенстирола (ABS) – хорошая гарантия того, что через пару лет антенна не разгерметизируется и не сдохнет. Вся внутренняя начинка 4G MIM0 – это печатная плата 3G и оцинкованные антенные элементы Huawei и Mikrotik.  Платы, кстати, имеют специальное покрытие, защищающее от окислов.  В технологии используется принцип «формирование прямого луча». То есть антенна может повышать и понижать мощность передатчика индивидуально для каждого канала. Не забываем, что антенна направленного действия, то есть ее желательно направить в сторону предполагаемой вышки, откуда ожидается сигнал. Алгоритм «формирование прямого луча» (explicit beamforming) работает только в режиме MIMO. Благодаря алгоритму усилитель способен поймать слабый нестабильный сигнал и усилить его на расстоянии до 15 км от ближайшей базовой станции любого оператора мобильной связи.  Способ увеличения пропускной способности – это использование пространственных потоков. Пространственный поток формируется между точкой доступа и пользовательским устройством. Благодаря этому общий объем передаваемой от точки доступа информации увеличивается кратно количеству потоков (антенн). По текущим стандартам в диапазоне 2,4 ГГц, в котором работает антенна STREET 2 PRO, можно реализовать до четырех пространственных потоков.     Эту способность антенны (усиление слабого сигнала связи) можно объяснить технологией мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM). Однако OFDM уже устарела, и к ней на смену подоспела технология OFDMA. Она подразумевает использование наряду с несущей частотой ещё и нескольких поднесущих частот в том же канале, что дает возможность осуществлять параллельную передачу данных.  Посмотрим, как это выглядит на деле. В том случае, если устройство видит, что не хватает мощности на одном из каналов, то оно может немного повысить или немного понизить мощность, если наблюдается перегрузка. Это выравнивает мощности сигнала, который приходит к клиенту без искажений. Если сигнал приходит к клиенту достаточно мощный, он может огибать препятствия, которые мешают прохождению сигнала от базовой станции. Это возможно за счет переформирования сигнала. Его можно отправлять вплоть до отражений. Такое свойство характерно для STREET. Например, если сигнал не идет напрямую к клиенту, антенна может за счет переотражения добиваться максимальной мощности сигнала. Также усилитель устраняет замирания каналов связи. Что это такое? Это когда в какой-то момент времени клиент не получил информацию, либо получил ее в очень искаженном и в очень слабом виде. Клиент не понимает, что с ней делать. То есть он ждет канал связи, а он замер. Вот такое вот замирание канала связи усилитель убирает. Из-за того, что усилитель устраняет замирание практически полностью, увеличивается скорость и стабильность передачи.  Тестирование антенны в программе, установленной на смартфон Network Cell Info Lite В свою очередь в условиях города Street 2 Pro – лучший вариант. Даже в условиях абсолютно плохой сотовой связи, при ручном поиске сети, можно обнаружить 2G-сети всех действующих в городе операторов, а также 3G-сети МТС, Yota и Tele2. Можно подключиться к Yota 3G и найти 3G-сеть Билайна и 4G-сеть МТС.  Объяснить это можно тем, что поток от сигнала, полученный антенной от базовой станции и переданный клиенту, идет равномерно, без переспросов, с минимальным количеством ошибок. Поэтому, когда усилитель вышел на определенную скорость передачи данных, он уже отследил, с какими параметрами надо передавать сигнал клиенту, устройство автоматически выставляет параметры и в дальнейшем работает с ними. Тестирование скорости в условиях удаленного доступа. Это тест на прием, 5 – 6 Мбит/с Тест на отдачу, скорость – 12 Мбит/с Таким образом, если сигнал изначально ловится, то усилитель вытворяет невозможное: 5 – 7 Мбит/с превращает в стабильные 20 – 30 Мбит/с. То есть если серьезно, то невозможное возможно благодаря прошивке HILINK.  С ней модем работает в режиме роутера и представляется компьютеру в виде сетевого интерфейса USB-Ethernet-RNDIS. Клиент получает с этого интерфейса сетевые настройки через DHCP и входит в интернет как через обычную проводную локальную сеть.  Всю заботу об установлении соединения и поддержании канала модем берет на себя. Компьютер даже не замечает, что доступ в интернет осуществляется через сотовую сеть.  В этом режиме модем имеет собственный локальный IP-адрес (обычно 192.168.8.1), видимый со стороны компьютера как шлюз по умолчанию (default route), а также внешний IP-адрес, получаемый из сотовой сети. Между сетью сотового провайдера и локальной сетью (модем-компьютер) осуществляется маршрутизация с использованием механизма трансляции адресов (NAT). Предусмотрен проброс портов из внешней сети (port forwarding и DMZ). Еще один плюс – это синфазность. Благодаря этому качеству STREET 2 PRO хорошо работает в условиях отсутствия интернета. Обычно отдаленные поселки и расположенные вдалеке от города «виллы» современных нуворишей редко отличаются наличием хорошей связи. Используют «спутник».  Но ведь сотовая связь не в пример дешевле. Ожидать нормального ШПД не приходится. Поэтому усилитель берет и делает невозможное, и все благодаря синфазности. С ее помощью получается наиболее мощный сигнал, который приходит от усилителя. Из-за этого, как заявляют производители, покрытие и дальность устойчивого соединения с клиентом увеличивается на 150%. Толк в таком усилителе есть, если вы живете в очень отдаленной местности. Провайдер дает скорость 50 Мб/с, с этим усилителем меньше она не будет. Для многих антенн под вопросом стабильность передачи. Для этой антенны стабильная и предсказуемая передача – нормальное явление. Чем это достигается? В антенне предусмотрены два передатчика. Наличие их является условием работы алгоритма «формирование прямого луча» и поддержки на уровне клиента. Алгоритм требует поддержки от клиента – возврата диаграммы направленности. Усилитель отправляет клиенту информацию от всех своих антенн. А он, в свою очередь, должен передать информацию на усилитель, то есть что он увидел при передаче данных. Таким образом, усилитель вычисляет текущее местоположение клиента, определяет поправки, которые надо внести в работу всех передатчиков, для обхождения препятствий: ● устранить «замирание»; ● можно было сделать фазовый сдвиг, чтобы развернуть сигнал в какую-то нужную сторону; ● увеличить амплитуду, чтобы обойти препятствие; ● дать более мощный сигнал, чтобы преодолеть, например, стенку. Для более высокой стабильности передачи данных предусмотрен алгоритм «универсальное формирование луча» (алгоритм “implicit beamforming”). Но это антенны уже другой ценовой категории. Мне нужен такой усилитель, чтобы без проблем можно серфить и смотреть видео. С ним можно получить стабильный пинг на протяжении всей сессии, чтобы была возможность стримить, и смотреть прямой эфир. Для установки этого нужна только вертикальная труба, а для подключения — SIM-карта любого оператора, пара патч-кордов и, по необходимости, роутер. Десять минут работы – и даже там, где смартфоны не могут загрузить простую страницу, появляется надежный и скоростной интернет. Итог.  Выбранная антенна полностью отвечает моим целям. Копирайтер