چرا در طبقات پایین آپارتمان آنتن موبایل ضعیف است؟ | بررسی علمی علت‌ها

مقدمه

احتمالاً برای شما هم پیش آمده که در یک ساختمان چندطبقه، آنتن موبایل در طبقات بالاتر وضعیت مناسبی داشته باشد، اما هرچه به طبقات پایین‌تر می‌روید، قدرت سیگنال کاهش پیدا کند. گاهی حتی ممکن است در طبقات بالایی مکالمه و اینترنت موبایل بدون مشکل کار کند، اما در طبقه همکف، پارکینگ یا زیرزمین با قطع شدن تماس، کندی اینترنت یا حتی نبود شبکه مواجه شوید.

اما آیا دلیل این اتفاق فقط دور بودن گوشی از دکل مخابراتی است؟

خیر.

ضعیف شدن آنتن موبایل در طبقات پایین ساختمان معمولاً نتیجه مجموعه‌ای از عوامل رادیویی و ساختمانی است. ساختمان‌های اطراف، دیوارهای بتنی، آجر، میلگرد، سازه‌های فلزی، شیشه‌های خاص، فاصله و زاویه نسبت به سایت موبایل، بازتاب امواج، چندمسیری شدن سیگنال و حتی تداخل سلولی می‌توانند کیفیت ارتباط را تغییر دهند.

به همین دلیل ممکن است دو واحد در یک ساختمان و حتی دو نقطه با فاصله چند متر، قدرت و کیفیت سیگنال کاملاً متفاوتی داشته باشند.

برای بررسی دقیق این موضوع باید از مفاهیمی مانند Path Loss، Building Penetration Loss، Shadowing، Reflection، Diffraction، Scattering و Multipath استفاده کنیم. این پدیده‌ها در کنار یکدیگر مشخص می‌کنند که چرا یک سیگنال رادیویی که در فضای بیرون قابل‌قبول است، پس از ورود به یک ساختمان ممکن است به‌شدت ضعیف شود.

در این مقاله بررسی می‌کنیم که چرا طبقات پایین آپارتمان‌ها معمولاً سیگنال ضعیف‌تری دریافت می‌کنند، چه عواملی باعث این کاهش می‌شوند و چرا در برخی ساختمان‌ها حتی با وجود نزدیک بودن به دکل، آنتن موبایل همچنان ضعیف است.

آیا طبقات پایین واقعاً همیشه آنتن ضعیف‌تری دارند؟

خیر؛ این موضوع یک قانون مطلق نیست.

این تصور که «هرچه طبقه پایین‌تر باشد، آنتن ضعیف‌تر است» در بسیاری از ساختمان‌های شهری مشاهده می‌شود، اما نمی‌توان آن را به‌عنوان یک قاعده قطعی برای تمام ساختمان‌ها در نظر گرفت.

قدرت سیگنال به موقعیت ساختمان نسبت به سایت سلولی، ارتفاع آنتن BTS، جهت سکتورها، فرکانس مورد استفاده، موانع موجود در مسیر، جنس ساختمان و حتی موقعیت دقیق گوشی در داخل واحد بستگی دارد.

برای مثال ممکن است یک ساختمان در فاصله نسبتاً زیادی از سایت موبایل قرار داشته باشد، اما به دلیل قرار گرفتن در یک مسیر نسبتاً باز، طبقات پایین آن همچنان سیگنال مناسبی داشته باشند.

در مقابل، ممکن است ساختمانی در فاصله کمی از سایت قرار گرفته باشد، اما ساختمان‌های بلند اطراف آن مسیر مستقیم امواج را مسدود کرده باشند. در این حالت حتی فاصله کم نیز تضمین‌کننده سیگنال خوب نیست.

بنابراین مسئله اصلی فقط فاصله تا دکل نیست؛ بلکه باید مسیر انتشار امواج رادیویی بین سایت سلولی و گوشی را بررسی کرد.

مسیر انتشار سیگنال موبایل چه اهمیتی دارد؟

سیگنال موبایل یک موج رادیویی است که بین سایت سلولی و گوشی کاربر منتشر می‌شود. اگر این مسیر کاملاً باز باشد، شرایط انتشار می‌تواند بسیار مناسب‌تر باشد.

به چنین مسیری معمولاً LOS یا Line of Sight گفته می‌شود؛ یعنی بین فرستنده و گیرنده مانع عمده‌ای وجود ندارد.

اما در محیط‌های شهری معمولاً شرایط به این سادگی نیست.

ساختمان‌ها، دیوارها، سازه‌های فلزی، درختان، خودروها و سایر موانع می‌توانند مسیر مستقیم موج را قطع کنند. در این شرایط ارتباط وارد حالت NLOS یا Non-Line-of-Sight می‌شود.

در یک منطقه آپارتمان‌نشین، ممکن است سیگنال برای رسیدن به یک واحد در طبقه پایین مجبور باشد:

• از چند ساختمان عبور کند؛

• از دیوارهای متعدد عبور کند؛

• از پنجره یا نمای ساختمان وارد شود؛

• از کف و سقف‌های بتنی عبور کند؛

• از کنار ساختمان‌ها پراش پیدا کند؛

• چندین بار بازتاب شود؛

• یا از ترکیبی از مسیرهای مستقیم و غیرمستقیم به گوشی برسد.

در چنین شرایطی طبیعی است که توان سیگنال در نقطه دریافت کاهش پیدا کند.

مهم‌ترین علت‌های ضعف آنتن موبایل در طبقات پایین

ضعف سیگنال در طبقات پایین معمولاً یک علت واحد ندارد. در ادامه مهم‌ترین عوامل را بررسی می‌کنیم.

۱. مسدود شدن مسیر توسط ساختمان‌های اطراف

یکی از مهم‌ترین عوامل در مناطق متراکم شهری، Blocking یا مسدود شدن مسیر انتشار است.

فرض کنید یک سایت موبایل در فاصله چندصد متری یک مجتمع مسکونی قرار دارد. اگر ساختمان‌های بلند دیگری بین سایت و مجتمع موردنظر قرار گرفته باشند، امواج رادیویی دیگر یک مسیر مستقیم و آزاد برای رسیدن به ساختمان ندارند.

این مسئله در طبقات پایین شدیدتر می‌شود.

ممکن است طبقه پانزدهم ساختمان بالاتر از ساختمان مجاور قرار گرفته و بخشی از فضای اطراف سایت را ببیند، اما طبقه دوم کاملاً پشت ساختمان مجاور قرار گرفته باشد.

در این حالت تفاوت سیگنال بین دو طبقه می‌تواند محسوس باشد، حتی اگر فاصله افقی آنها از سایت سلولی دقیقاً یکسان باشد.

۲. تضعیف سیگنال هنگام عبور از مصالح ساختمانی

امواج رادیویی هنگام عبور از مواد مختلف بخشی از انرژی خود را از دست می‌دهند.

به این پدیده می‌توان به‌طور کلی Building Penetration Loss یا افت نفوذ در ساختمان گفت.

نوع و ضخامت مصالح تأثیر زیادی در میزان این افت دارد.

برای مثال موارد زیر می‌توانند باعث کاهش سیگنال شوند:

• بتن مسلح

• آجر

• بلوک‌های ساختمانی

• سنگ و مصالح متراکم

• شیشه‌های خاص

• دیوارهای ضخیم

• سازه‌های فلزی

• در و پنجره‌های فلزی

البته نمی‌توان برای همه این مصالح یک مقدار ثابت از افت سیگنال تعیین کرد؛ زیرا ضخامت، ساختار، رطوبت، فرکانس و نحوه قرارگیری ماده نیز اهمیت دارند.

به همین دلیل یک دیوار نازک آجری و یک دیوار ضخیم بتن مسلح رفتار یکسانی در برابر سیگنال موبایل ندارند.

۳. نقش بتن مسلح و میلگرد

در ساختمان‌های جدید، یکی از عوامل مهم، استفاده گسترده از Reinforced Concrete یا بتن مسلح است.

بتن به‌تنهایی یک مانع مهم برای امواج رادیویی محسوب می‌شود و وجود میلگردهای فلزی در داخل آن می‌تواند شرایط انتشار را پیچیده‌تر کند.

وقتی چندین دیوار، ستون، تیر و دال بتنی بین گوشی و فضای بیرون قرار داشته باشد، افت کلی می‌تواند قابل‌توجه شود.

این مسئله در طبقات پایین، پارکینگ‌ها و زیرزمین‌ها معمولاً شدیدتر است؛ زیرا کاربر علاوه بر دیوارهای پیرامونی ممکن است با دال‌های بتنی، فونداسیون و سازه‌های فلزی متعددی نیز مواجه باشد.

بنابراین در یک ساختمان متراکم، حتی اگر سیگنال در بیرون ساختمان مناسب باشد، الزاماً به همان کیفیت وارد فضای داخلی نمی‌شود.

۴. افزایش موانع با کاهش ارتفاع

یکی از دلایل مهم ضعف آنتن در طبقات پایین این است که با کاهش ارتفاع، معمولاً تعداد موانع موجود در اطراف گوشی افزایش پیدا می‌کند.

یک کاربر در طبقه بیستم ممکن است بالاتر از بسیاری از ساختمان‌های اطراف قرار داشته باشد و بخش بیشتری از آسمان و محیط اطراف را ببیند.

اما کاربر طبقه دوم ممکن است از چند جهت توسط ساختمان‌های مجاور احاطه شده باشد.

در چنین محیطی، حتی اگر سایت سلولی نسبتاً نزدیک باشد، مسیر انتشار می‌تواند کاملاً متفاوت شود.

به بیان ساده:

هرچه محیط اطراف گوشی بسته‌تر باشد، انرژی کمتری از مسیرهای مناسب به گیرنده می‌رسد.

البته این موضوع به ارتفاع سایت سلولی و هندسه کل منطقه نیز وابسته است و نباید آن را فقط به «بلندتر بودن طبقه» نسبت داد.

۵. ایجاد ناحیه سایه رادیویی یا RF Shadow

ساختمان‌های بزرگ می‌توانند مانند یک مانع برای امواج رادیویی عمل کنند و در پشت خود ناحیه‌ای با سطح سیگنال پایین ایجاد کنند.

این ناحیه را می‌توان RF Shadow یا ناحیه سایه رادیویی نامید.

فرض کنید یک برج بلند دقیقاً بین سایت موبایل و یک ساختمان کوتاه‌تر قرار گرفته است.

سیگنال ممکن است در سمت رو به سایت شرایط مناسبی داشته باشد، اما در سمت مخالف برج به‌شدت کاهش پیدا کند.

این مسئله در شهرهایی با تراکم بالای ساختمان‌ها اهمیت زیادی دارد.

به همین دلیل گاهی دو خیابان نزدیک به یکدیگر می‌توانند از نظر پوشش موبایل تفاوت قابل‌توجهی داشته باشند.

۶. بازتاب امواج از ساختمان‌ها

امواج رادیویی همیشه در یک خط مستقیم حرکت نمی‌کنند.

هنگامی که موج به سطوح مختلف برخورد می‌کند، بخشی از انرژی آن می‌تواند بازتاب شود.

سطوحی مانند فلز، شیشه و برخی سطوح ساختمانی می‌توانند مسیرهای بازتابی ایجاد کنند.

در یک محیط شهری، سیگنال ممکن است پس از برخورد با چند ساختمان، از مسیر دیگری به سمت گوشی حرکت کند.

در نتیجه گوشی ممکن است سیگنال را از چند مسیر مختلف دریافت کند.

این موضوع ما را به یکی از مهم‌ترین پدیده‌های محیط شهری یعنی Multipath می‌رساند.

۷. چندمسیری شدن یا Multipath

Multipath Propagation یکی از پدیده‌های مهم در شبکه‌های موبایل است.

در محیط شهری، نسخه‌های مختلف یک سیگنال می‌توانند از مسیرهای متفاوت به گوشی برسند. بعضی مسیرها مستقیم هستند و برخی دیگر حاصل بازتاب یا پراش‌اند.

این سیگنال‌ها ممکن است با تأخیرهای بسیار متفاوت به گیرنده برسند.

در برخی نقاط، ترکیب این امواج باعث تقویت سیگنال می‌شود و در نقاط دیگر می‌تواند باعث تضعیف آن شود.

به همین دلیل ممکن است کاربر در یک نقطه از اتاق سیگنال نسبتاً مناسبی داشته باشد، اما با چند قدم جابه‌جایی، مقدار RSRP یا کیفیت ارتباط تغییر محسوسی کند.

این همان دلیلی است که گاهی توضیح می‌دهد چرا:

«کنار پنجره آنتن دارم، ولی دو متر آن‌طرف‌تر تقریباً هیچ آنتنی ندارم.»

پس تغییرات شدید سیگنال در فاصله‌های کوتاه همیشه به معنای تغییر فاصله از دکل نیست؛ بلکه می‌تواند نتیجه ساختار میدان رادیویی داخل ساختمان باشد.