Czym jest rozproszony system antenowy (DAS)?

W erze cyfrowej, gdzie stały dostęp do szybkiej i niezawodnej łączności mobilnej jest nie tyle luksusem, co koniecznością, zapewnienie doskonałego zasięgu sieci komórkowych wewnątrz budynków stało się jednym z kluczowych wyzwań dla inżynierów, architektów i zarządców nieruchomości.

Definicja DAS: więcej niż tylko wzmacniacz sygnału

Wyobraź sobie duży, nowoczesny budynek – biurowiec, centrum handlowe czy szpital. Jego konstrukcja, wykonana ze stali, betonu i specjalistycznego szkła, stanowi skuteczną barierę dla fal radiowych. Sygnał z zewnętrznych stacji bazowych operatorów telefonii mobilnej (z tzw. makrokomórek) z trudem przenika do środka, a im głębiej w budynku, tym jest słabszy lub zanika prawie całkowicie.

To tłumienie sygnału przez niektóre materiały budowlane, jest głównym powodem, dla którego w wielu miejscach wewnątrz obiektów mamy problemy z prowadzeniem rozmów czy korzystaniem z internetu mobilnego.

Rozproszony system antenowy (Distributed Antenna System – DAS) to sieć przestrzennie odseparowanych anten, podłączonych do wspólnego źródła sygnału, zaprojektowana w celu dostarczenia niezawodnego i równomiernego sygnału radiowego (np. dla sieci komórkowych 2G, 3G, 4G LTE, 5G) na określonym obszarze, najczęściej wewnątrz budynków lub w miejscach o skomplikowanym ukształtowaniu terenu lub w obecności naturalnych lub wybudowanych przeszkód.

Najprostszą analogią jest system zraszaczy przeciwpożarowych w budynku. Zamiast jednego, potężnego „działa wodnego” przy wejściu, które zalałoby lobby, ale nie dotarło do odległych pomieszczeń, instaluje się sieć rur (okablowanie) i strategicznie rozmieszczonych zraszaczy (anten), aby zapewnić precyzyjne i efektywne pokrycie wodą (sygnałem radiowym) całego obiektu. Technologia DAS działa na tej samej zasadzie – „pobiera” sygnał ze źródła, transportuje go w głąb budynku i „rozpyla” za pomocą niewielkich anten dokładnie tam, gdzie jest potrzebny.

Problem do rozwiązania: wojna z tłumieniem i odbiciami

Analizując rozchodzenie się fal radiowych wewnątrz budynków musimy uwzględnić zjawiska związane z tłumieniem, odbiciami i rozpraszaniem sygnału na ich elementach konstrukcyjnych. Kiedy fala radiowa poruszająca się w powietrzu napotyka budynek, jej energia może zostać odbita, pochłonięta lub przepuszczona. Głównymi wrogami poprawnego poziomu odbieranego wewnątrz sygnału są zjawiska tłumienia w rzeczywistym materiale budowlanym oraz odbicia od jego powierzchni. Każdy nieidealny ośrodek dielektryczny, inny od próżni (i w praktyce od powietrza), przez który przenikają fale radiowe osłabia je poprzez wytracanie części ich energii i to tym bardziej im większa jest ich częstotliwość. Natomiast odbicie fal radiowych jest zjawiskiem, które zależy głównie od przewodności elektrycznej materiału, na który trafiają. Materiały o wysokiej przewodności, takie jak metale, działają jak lustra dla fal radiowych. Swobodne elektrony w metalu reagują na pole elektromagnetyczne fali i niemal natychmiast reemitują energię, powodując silne odbicie sygnału. Z tego powodu metalowe konstrukcje, zbrojenie w betonie czy nawet metalowe siatki skutecznie blokują sygnał. Szczególnym przypadkiem są nowoczesne szyby, zwłaszcza te z powłoką niskoemisyjną (Low-E). Chociaż są przezroczyste dla światła widzialnego, ich cienka, niewidoczna warstwa metalu, zaprojektowana do odbijania promieniowania cieplnego, w identyczny sposób odbija fale radiowe, co czyni takie okna jedną z głównych barier dla sygnału komórkowego i Wi-Fi w budynkach.

Poniższa tabela prezentuje jak bardzo osłabiane są sygnały o różnych częstotliwościach w zależności od napotykanego materiału budowlanego.

Skala decybelowa (dB) jest logarytmiczna. Utrata 3 dB oznacza spadek mocy sygnału o 50%. Utrata 10 dB to spadek o 90%, a 20 dB to już spadek o 99%. Nowoczesne, energooszczędne biurowce, posiadające fasady ze szkła typu Low-E, stają się więc niemal klatkami Faradaya, skutecznie blokującymi sygnał z zewnątrz. DAS jest chirurgicznym rozwiązaniem tego problemu – zamiast próbować „przebić się” przez ściany z zewnątrz, wprowadza sygnał do środka i dystrybuuje go od wewnątrz.

Wzrost tłumienia wraz z częstotliwością – wyzwanie dla 5G

Fundamentalną zasadą fizyki fal radiowych jest to, że tłumienie sygnału rośnie wraz ze wzrostem jego częstotliwości. Fale o niższej częstotliwości (np. 800 MHz) mają dłuższą długość, co pozwala im łatwiej „omijać” i przenikać przez przeszkody. Natomiast fale o wyższej częstotliwości (np. 2600 MHz i wyższe) mają znacznie krótszą długość, przez co są łatwiej absorbowane i odbijane przez materiały budowlane. Zjawisko to jest doskonale widoczne w powyższej tabeli – dla każdego materiału wartość tłumienia w decybelach (dB) jest najniższa dla pasma 800 MHz i rośnie systematycznie dla pasm 1800 MHz, 2100 MHz i 2600 MHz.

Ta zależność staje się krytycznie ważna w erze technologii 5G i przyszłych standardów komunikacji. Nowe sieci, aby oferować gigabitowe prędkości i minimalne opóźnienia, wykorzystują jeszcze wyższe pasma częstotliwości, takie jak pasmo C (3.4-3.8 GHz) oraz fale milimetrowe (mmWave), działające powyżej 24 GHz. Dla tych nowych pasm, wartości tłumienia przedstawione w tabeli byłyby znacznie wyższe. Przykładowo, ściana z betonu zbrojonego, która silnie tłumi sygnał 2600 MHz, dla sygnału w paśmie 3.6 GHz lub w jeszcze większym stopniu dla fal mmWave, staje się barierą niemal nie do pokonania. Dlatego wraz z rozwojem sieci mobilnych, zapewnienie niezawodnego zasięgu wewnątrz budynków staje się coraz większym wyzwaniem, a wdrażanie profesjonalnych systemów wzmacniających sygnał, takich jak systemy anten rozproszonych (DAS), przestaje być opcją, a staje się koniecznością.

Anatomia systemu DAS: kluczowe elementy

Każdy system DAS, niezależnie od jego typu, składa się z kilku fundamentalnych elementów, które współpracują ze sobą.

Źródło sygnału

To serce całego systemu, które generuje lub dostarcza sygnał radiowy do dystrybucji. Wybór źródła jest jedną z najważniejszych decyzji projektowych.

• Repeater Off-Air (wzmacniacz): najprostsze i najtańsze źródło. Składa się z anteny donorowej umieszczonej na dachu budynku, która „zbiera” istniejący sygnał od operatora z sieci makro. Sygnał ten jest następnie wzmacniany i wprowadzany do systemu DAS.
  – Zastosowanie: małe obiekty, gdzie sygnał na zewnątrz jest silny i stabilny. Rozwiązania budżetowe.
  – Ograniczenia: wzmacnia nie tylko sygnał, ale i szum, co może degradować jakość połączeń. Wydajność jest w pełni zależna od jakości i stabilności zewnętrznej sieci. Nie dodaje nowej pojemności do sieci, a jedynie „pożycza” ją z zewnątrz. Pamiętajmy, że w Polsce stosowanie repeaterów bez zgody operatora jest nielegalne.
• Dodatkowa stacja bazowa (BTS/NodeB/eNodeB/gNodeB): dedykowane źródło sygnału, często w wersji o małej mocy. Jest to odpowiednik stacji bazowej, instalowanej w siec RAN. Generuje ona w pełni czysty, licencjonowany sygnał, wolny od szumów i zakłóceń. Podobnie jak w przypadku repeatera wymagana jest licencja na pasmo, co oznacza, że mogą ją dostawić tylko operatorzy.
  – Zastosowanie: średnie i duże obiekty, miejsca o dużym natężeniu ruchu (stadiony, centra handlowe), obiekty o krytycznym znaczeniu (szpitale, lotniska). Wszędzie tam, gdzie wymagana jest nie tylko wysoka jakość zasięgu, ale i pojemność sieci (zdolność do obsłużenia wielu użytkowników jednocześnie).
  – Zalety: najwyższa jakość sygnału, gwarantowana pojemność, niezależność od sieci zewnętrznej.
• Połączenie z BTS Hotel (architektura C-RAN): w zaawansowanych wdrożeniach, zwłaszcza w gęstej zabudowie miejskiej, jednostka centralna DAS może być podłączona światłowodem bezpośrednio do zasobów operatorów znajdujących się w centralnym Hubie, tzw. „BTS Hotel”. BTS Hotel (z ang. Base Transceiver Station Hotel), to koncepcja polegająca na scentralizowaniu sprzętu nadawczo-odbiorczego wielu operatorów komórkowych w jednej, wspólnej lokalizacji. Zamiast budować oddzielne stacje bazowe operatorów w każdym z budynków, tworzy się jedno, profesjonalnie przygotowane pomieszczenie techniczne z którego sygnał jest rozprowadzany do budynków. Takie rozwiązanie jest bardzo skalowalne i efektywne kosztowo przy dużych projektach.

Jednostka centralna (Master Unit / Hub)

Jednostka centralna jest zarazem centrum dowodzenia i logistyki całego systemu. Jej główne zadania to:

• Agregacja sygnału: odbiera sygnały ze źródeł (często od wielu operatorów i w wielu pasmach częstotliwości) i łączy je w jeden, gotowy do dystrybucji.
• Przetwarzanie sygnału do postaci optymalnej (tzw. kondycjonowanie): filtruje, wyrównuje poziomy mocy dla poszczególnych pasm, aby zapewnić optymalne działanie systemu.
• Konwersja sygnału: w nowoczesnych systemach aktywnych, jednostka centralna konwertuje sygnał radiowy (RF) z postaci elektrycznej na sygnał optyczny, który może być prawie bezstratnie przesyłany na duże odległości za pomocą światłowodów.
• Zarządzanie i monitoring: zapewnia interfejs do konfiguracji, monitorowania stanu całego systemu i alarmowania w przypadku awarii.

Sieć dystrybucyjna

To układ krwionośny systemu DAS, transportujący sygnał z jednostki centralnej do odległych anten. Rodzaj okablowania jest kluczowym czynnikiem rozróżniającym typy systemów DAS.

• Kabel koncentryczny: „tradycyjny” nośnik sygnału RF, naturalny dla tej postaci, nie wymagający jego konwersji. Jest to kabel miedziany o różnej grubości, dostosowanej do odległości, który dobrze przewodzi sygnały radiowe, ale ma jedną, fundamentalną wadę – wprowadza tłumienie. Im dłuższy kabel i im wyższa częstotliwość sygnału, tym większe straty mocy. To sprawia, że jest on niepraktyczny w dużych obiektach.
• Światłowód: standardowe rozwiązanie w nowoczesnych, aktywnych systemach DAS. Transmituje sygnał w postaci impulsów świetlnych. Jego zalety są niepodważalne:
  – minimalne tłumienie: sygnał może być przesyłany na odległość wielu kilometrów praktycznie bez strat.
  – wysoka przepustowość: jedno włókno światłowodowe może przenosić sygnały dla wielu operatorów, wielu pasm i wielu technologii (w tym 5G).
  – odporność na zakłócenia: jest całkowicie niewrażliwy na zakłócenia elektromagnetyczne, co jest kluczowe w środowiskach takich jak szpitale czy zakłady produkcyjne.
• Skrętka komputerowa: okablowanie standardowo używane w sieciach LAN (np. Cat 5e/6/6a). Najnowsza generacja systemów, tzw. cyfrowe DAS, potrafi wykorzystać istniejącą w budynku infrastrukturę LAN do dystrybucji sygnału. To rewolucyjne podejście, które znacząco obniża koszty i złożoność instalacji. Omówimy je szczegółowo w dalszych rozdziałach.

Jednostki zdalne

Występują tylko w systemach aktywnych i hybrydowych. Są to „przekaźniki” rozmieszczone w różnych częściach budynku.

• Funkcja: odbierają sygnał optyczny z jednostki centralnej, konwertują go z powrotem na sygnał radiowy (RF), wzmacniają do odpowiedniego poziomu i przekazują do podłączonych w pobliżu anten. W kierunku powrotnym (od telefonu użytkownika do sieci) proces jest odwrotny.
• Zasilanie: mogą być zasilane lokalnie z gniazdka elektrycznego lub zdalnie, za pomocą specjalnych kabli hybrydowych (światłowód + miedź) lub technologii Power over Ethernet (PoE) w przypadku systemów cyfrowych.

Anteny

Ostatni i najbardziej widoczny element systemu. To one bezpośrednio komunikują się z telefonem użytkownika. W systemach DAS stosuje się niewielkie, dyskretne anteny wewnętrzne w estetycznych obudowach.

• Typy:
  – Anteny dookólne: promieniują sygnał równomiernie we wszystkich kierunkach (360° w płaszczyźnie poziomej). Idealne do montażu na suficie w centrum dużych, otwartych przestrzeni.
  – Anteny kierunkowe: koncentrują sygnał w określonym kierunku. Stosowane do pokrycia korytarzy, tuneli lub montażu na ścianach w celu „oświetlenia” konkretnego obszaru.
• Wygląd: nowoczesne anteny DAS są projektowane z myślą o estetyce. Często przypominają czujniki dymu i łatwo wtapiają się w architekturę wnętrza.