Mit der kommerziellen Einführung der UMTS-Technologie im Jahr 2003 setzte sich neben der Sprachkommunikation auch die mobile Datenkommunikation durch. Die globale Nachfrage nach mehr Bandbreite ist u. a. dem steigenden Bedarf an Datenvolumina geschuldet. Die zunehmende Nutzung von Smartphones und anderen mobilen Endgeräten führt zu einer wesentlich höheren Auslastung der bestehenden und konventionell aufgebauten Mobilfunknetze.

Problematisch für Mobilfunkbetreiber, die auf moderne, innovative Technik setzen, sind zum einen die hohen Investitionskosten in neue Netzwerkinfrastrukturen und Systemtechnik sowie zum anderen hohe Wartungs- und Betriebskosten für bestehende Mobilfunkanlagen. Folglich ist es ihr Ziel, Service- und Betriebskosten effizient zu senken und zudem der wachsenden Gruppe der Mobilfunkanwender eine deutlich höhere Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit zu bieten.

Mobilfunkbetreiber und Systemtechnik-Hersteller verwenden weltweit immer mehr die Remote Radio Head / Unit-Technologie für UMTS (3G) und LTE (4G). Remote Radio Head / Unit (RRH / RRU) ist eine Weiterentwicklung der dritten Mobilfunkgeneration.
Nicht nur bei kommerziell genutzten Mobilfunkanwendungen kommt die Remote Radio Head-Technologie zum Einsatz. Auch in Anlagen des digitalen Behördenfunks (BOS), z. B. bei Polizei und Rettungsdiensten oder in der Bahnkommunikation wird diese Technologie verwendet, haben doch gerade dort hohe Ausfallsicherheit und Anlagenverfügbarkeit oberste Priorität.

Konventioneller Aufbau von Mobilfunkanlagen

Konventionell aufgebaute Mobilfunkanlagen verwenden Koaxialkabel, sogenannte Wellmantel-Kabel. Nachteile dieser Technologie sind die erheblichen Verluste bei der Sendeleistung (bis zu 50 %), abhängig von der Leitungslänge und den Kabelquerschnitten der Hochfrequenzkabel. Negativ wirkt sich zudem aus, dass die komplette Funkübertragungstechnik in der Basisstation / Radio Base Station (RBS) integriert ist, was eine stetige Kühlung der Technikräume erfordert und einen erhöhten Energieverbrauch sowie hohe Unterhaltskosten nach sich zieht (Bild 9.27.1).

Aufbau mit Remote Radio Heads / Units

Remote Radio Heads / Units beinhalten die ausgelagerte Hochfrequenztechnik, die ursprünglich zentral in der Basisstation integriert war. Das HF-Signal wird direkt an der Antenne erzeugt und übertragen. Die RRHs / RRUs werden unmittelbar an den Antennen montiert und stellen somit weniger Verluste und eine höhere Reichweite / Übertragungsgeschwindigkeit sicher. Ein weiterer Vorteil ist die Reduzierung der Klimatechnik aufgrund der Eigenkühlung der abgesetzten HF-Köpfe. Die Datenübertragung zwischen Basisstation / Radio Base Station und Remote Radio Heads / Units ist bis zu 20 km über Lichtwellenleiter möglich. Durch die Auslagerung der Systemtechnik und den Einsatz moderner, kleiner Basisstationen werden einerseits Energiekosten eingespart, andererseits werden durch die Reduzierung von Technikräumen auch Einsparungen bei Miet- und Standortkosten erreicht (Bild 9.27.1).

Äußerer Blitzschutz

Die Antennen der oben genannten Anlagen werden vielfach auf gemieteten Dachflächen errichtet. Zwischen dem Betreiber der Antennen und dem Eigentümer der baulichen Anlage besteht in der Regel die Vereinbarung, dass durch die Errichtung der Antennen die bauliche Anlage nicht zusätzlich gefährdet werden darf. In Bezug auf den Blitzschutz bedeutet dies, dass bei einem Blitzeinschlag in die Tragwerkskonstruktion kein Blitzteilstrom in die bauliche Anlage gelangen darf. Ein Blitzteilstrom im Inneren der baulichen Anlage würde die elektrischen und elektronischen Einrichtungen gefährden (Bild 9.27.2). Bild 9.27.3 zeigt eine Antennentragwerkskonstruktion mit getrennter Fangeinrichtung.

Die Fangspitze muss isoliert durch ein Stützrohr aus nicht leitendem Werkstoff an der Antennentragwerkskonstruktion befestigt werden. Die Höhe der Fangspitze richtet sich nach der Tragwerkskonstruktion, eventuell vorhandenen elektrischen Einrichtungen der Antennenanlage und der Basisstation (RBS), um diese im Schutzbereich der Fangeinrichtung vor Blitzeinschlägen zu schützen. Bei baulichen Anlagen mit mehreren Antennensystemen sind mehrfach getrennte Fangeinrichtungen zu installieren.

Schutz der Stromversorgung von Basisstationen (RBS)

Die Energieversorgung der RBS ist als separate, von der Energieversorgung des Gebäudes unabhängige Versorgungsleitung auszuführen. Für Mobilfunkanlagen ist ein eigener, separater Elektro-Unterverteiler / Etagenverteiler vorzusehen. Jede Unterverteilung wird standardmäßig mit Blitz- und Überspannungs-Schutzkomponenten (Kombi-Ableiter; SPD Typ 1) ausgerüstet. Zusätzlich wird im Nachzählerbereich, d. h. hinter den Zählerabgangssicherungen, ein Kombi-Ableiter (SPD Typ 1) installiert. Aus Gründen der energetischen Koordination sind an beiden Installationsstandorten Überspannungsschutzgeräte (SPD – Surge Protective Device) eines Herstellers einzusetzen.

Umfassende Labortests bei DEHN mit Stromversorgungen unterschiedlicher Hersteller belegen die Notwendigkeit der Koordination von Kombi-Ableitern wie DEHNvap CSP (CSP = Cell Site Protection), mit integrierten PSU-Eingangsbeschaltungen. Zum Schutz der Stromversorgung (Power Supply Unit, PSU) einer Basisstation werden kombinierte Blitzstrom- und Überspannungs-Ableiter auf Funkenstreckenbasis vom Typ DEHNvap CSP 3P 100 S FM installiert (Bild 9.27.4). Dieses SPD Typ 1 ist speziell für die Belange des Schutzes von Stromversorgungen in Funksende- / Funkempfangssystemen konzipiert.

Unabhängig vom einspeisenden Netzsystem ist dieser Ableiter universell einsetzbar. Der DEHNvap CSP 3P 100 S FM hat eine kompakte Bauform von nur 4 TE und dabei einen Summenstrom von 100 kA (10/350 µs). Er erfüllt die Maximalanforderung an das Blitzstromableitvermögen nach DIN EN 60364-5-53 und die Anforderungen an DIN EN 62305 entsprechend Blitzschutzklasse I/II.

Auf das Qualitätsmerkmal „Ausschaltselektivität“ zu vorgelagerten Sicherungen ist beim Einsatz von kombinierten Blitzstrom- und Überspannungs-Schutzeinrichtungen oder auch Kombi-Ableitern besonders zu achten. Nur durch ein ausreichendes Folgestromlösch- und Folgestrombegrenzungsvermögen ist es möglich, ein Fehlauslösen von Anlagensicherungen und somit das Abschalten der Energieversorgung zu vermeiden.

Wie Bild 9.27.3 zeigt, verfügen Remote-Standorte häufig über eine zusätzliche alternative Stromversorgung. Die Energie kann im Bedarfsfall beispielsweise durch einen Dieselgenerator oder auch durch eine Photovoltaik-Anlage (PV) in Kombination mit einem Batteriespeicher realisiert werden. In allen Fällen ist es wichtig, den Energieerzeuger in das Gesamtschutzkonzept für die Mobilfunkstation einzubeziehen. Dazu gehört nicht nur ein vermaschter niederimpedanter Potentialausgleich zwischen den baulichen Anlagen wie Funkmast, Basisstation, PV-Gestell, Generator und Perimeterschutz, sondern es empfiehlt sich zusätzlich, alle elektrischen Installationen in den Schutzbereich 0_B in Mastnähe zu integrieren. Falls dies nicht möglich ist, können zusätzliche Blitzschutzmaßnahmen notwendig werden (Bild 9.27.5).

Durch die baubedingt große Fläche von PV-Modulen induziert das elektromagnetische Blitzfeld Spannungsspitzen in die Stringleitungen, welche den DC-Laderegler zerstören können. Daher empfiehlt sich für eine sichere und günstige Energieeinspeisung die Installation von speziell auf die Bedürfnisse von PV-Systemen angepassten Überspannungs-Ableitern Typ 2.

Aufbau von Remote Radio Head / Unit-Anwendungen

Eine Mobilfunkanlage besteht aus:

• Basisstation / Radio Base Station als Indoor- oder Outdoor-Cabinet
• Baseband Unit / Radio Server
• Remote Radio Heads / Units (RRHs / RRUs)
• Richtfunksystem.

Für den Betrieb der Remote Radio Heads / Units (aktive Systemtechnik) wird eine separate Spannungsversorgung 48 V DC aus dem Betriebsraum benötigt. Im Regelfall werden geschirmte Mehrleiter-Kupferkabel (zentrale DC-Leitung) mit 6 – 16 mm² Anschluss­querschnitt eingesetzt. Die Verlegung dieser DC-Kabel erfolgt meist außerhalb des Gebäudes bis zur Dachfläche und zu den RRHs / RRUs oder von der Basisstation zum Mast. Die Datenkommunikation zwischen RRHs / RRUs und der Systemtechnik wird, anstelle der bisher eingesetzten Wellmantelkabel, über vorkonfektionierte Glasfaserkabel realisiert. Bei beiden Installationsformen sind die DC-Versorgungskabel sowie die Systemtechnik im Falle eines Direkteinschlages Blitzströmen ausgesetzt.

Blitz- und Überspannungsschutzgeräte müssen daher in der Lage sein, Blitzströme sicher zum Erdungssystem zu führen. Aus diesem Grund kommen Blitzstrom-Ableiter SPD Typ 1 nach DIN EN 61643-11 (Class I, IEC 61643-1/-11) zum Einsatz. Nur SPD Typ 1 mit Funkenstrecken-Technologie ermöglichen eine sichere energetische Koordination zu nachgeschalteten Eingangs-Schutzbeschaltungen von Endgeräten. Durch den Einsatz von Funkenstrecken für den Schutz von Basisstationen, Stromversorgungen und Remote Radio Heads / Units werden Blitzströme von der Systemtechnik ferngehalten. Sie bieten somit den größtmöglichen Anlagenschutz und stellen die Verfügbarkeit der Station auch bei Blitzbeeinflussung sicher (Bild 9.27.2 und Bild 9.27.3).

Kundenspezifische Lösungen für Remote Radio Head / Unit 48 V DC (SPD Typ 1)

DC-Ableiter: Modularer Blitzstrom-Ableiter SPD Typ 1, DEHNsecure 60 … (FM)

Die DC-Versorgung der RRHs / RRUs erfolgt zentral aus dem Betriebsraum. Das geschirmte Versorgungskabel ist normativ in die Antennenerdung nach DIN VDE 0855-300 und bei vorhandener Gebäudeblitzschutzanlage nach DIN EN 62305 Teil 3 einzubinden.
In der DC-Indoor-Box nahe der Stromversorgung im Technikraum und in der DC-Outdoor-Box am Antennenmast werden eigens für die RRH- / RRU-Anwendung entwickelte Typ 1-Ableiter für DC mit tiefem Schutzpegel eingesetzt. In der DC-Box am Mast ist eine „1+1“-Schaltung realisiert. D. h., der +Pol und Kabelschirm sind zur Vermeidung von Korrosions- und Streuströmen über eine sogenannte Summenfunkenstrecke indirekt miteinander verbunden. In der Stromversorgung ist der +Pol direkt geerdet. Dort kommen im Regelfall einpolige Typ 1-Ableiter für DC zum Einsatz.

Vorverdrahtete DC-Schaltgerätekombinationen (DC-Box) für Indoor- und Outdoor-Installationen mit Blitzstrom-Ableiter SPD Typ 1 für DC DEHNsecure DSE M 1 60 FM und DSE M 2P 60 FM (SPD Typ 1) stellen einen wirksamen Anlagenschutz sicher. Der Schutzpegel U_p der Blitzstrom-Ableiter SPD Typ 1 muss niedriger sein als die Spannungsfestigkeit der Systemtechnik.
Vorteile des neuen DC-Schutzgerätekonzeptes sind zum einen eine ausreichend hohe Reserve bei Nennlastströmen bis 2000 A für zukünftige Erweiterungen des Standortes, kein Auftreten von Netzfolgeströmen bis max. 60 V DC, Leckstromfreiheit und zum anderen eine hervorragende Schutzwirkung für das Endgerät aufgrund der niedrigen Restspannung von ≤ 0,4 kV bei 5 kA (Schutzpegel 1,5 kV (10/350 µs)).
Bild 9.27.6 zeigt das Schutzkonzept für eine RRH- / RRU-Anwendung bei räumlich getrennten Funktionspotentialausgleichsebenen.

Kundenspezifische Lösungen für Remote Radio Head / Unit 48 V DC (SPD Typ 2)

Abhängig von der Schutzphilosophie der Mobilfunkbetreiber und Systemhersteller sowie den technischen Spezifikationen und aufgrund von landesspezifischen Gegebenheiten finden auch Typ 2-Schutzgerätekombinationen nach DIN EN 61439-1/-2 Anwendung. SPD Typ 2, wie der DEHNguard DG S 75 FM, bieten Endgeräteschutz, basieren auf Varistor-Technologie mit sehr tiefem Schutzpegel und kommen für RRH-/RRU-Installationen mit einer Nennspannung bis 48 V DC zum Einsatz.

Bild 9.27.7 zeigt eine anschlussfertige Typ 2-Schutzgerätekombination als Hybrid-Ausführung (DC-Box) für Indoor- und Outdoor-Installationen. Das abschließbare, glasfaserverstärkte Gehäuse (GFK) mit Schutzgrad IP66 bietet Platz für max. 6 RRHs / RRUs. Alle zu- und abgehenden Leitungen bis 48 V DC werden auf Reihenklemmen aufgelegt, was für den Installateur vor Ort deutliche Montagevorteile vor allem bei Mastinstallationen, aber auch bei Nachinstallationen mit sich bringt. Für die Datenkommunikation sind bis zu 12 LC-Duplex-Adapter in der DC-Hybrid-Box zur Aufnahme des vorkonfektionierten Glasfaserkabels aus dem Technikraum vorbereitet. Mit sogenannten „Jumper-Kabeln“ erfolgt die kurze Verbindung zu den Antennenköpfen (Heads / Units). Montagefreundliches Zubehör wie Wandbefestigungen und Masthalterungen mit Spannband stellen zudem eine einfache und schnelle Installation sicher.

Die Datenverbindung zu Mobilfunkstandorten wird häufig unter Verwendung von Richtfunkantennen aufgebaut. Wird eine Antenne durch eine koaxiale Leitung oder durch Lichtwellenleiter kombiniert mit einer 48 V DC-Versorgung betrieben, kann analog auf die bisher beschriebenen Maßnahmen zurückgegriffen werden. Aus Gründen der Kosteneffizienz werden Richtfunkantennen aber auch mit Power over Ethernet (PoE) versorgt. Da Ethernetleitungen in der Regel mit niedrigen Leitungsquerschnitten ausgeführt werden, wird empfohlen, den direkten Blitzstromeintrag auf die aktiven Adern durch Maßnahmen des äußeren Blitzschutzes (z. B. isolierter Blitzschutz) möglichst gering zu halten. Zum Schutz der aktiven Technik vor Überspannungen muss der Ableiter nicht nur einen niedrigen Schutzpegel aufweisen, sondern vor allem auch störungsfrei Betriebsstrom und Daten übertragen.

Vergleich der Schutzwirkung von SPD Typ 1 mit Funkenstrecken oder MOVs

Ein wichtiges Kriterium für den Einsatz von Funkenstrecken als Typ 1-Ableiter im Vergleich zu MOVs (Metalloxidvaristoren), unter Berücksichtigung von Blitzströmen 10/350 µs, ist die energetische Koordination zum zu schützenden Endgerät.

Durch das schnelle Ansprechverhalten der Funkenstrecke im Mikrosekundenbereich wird eine sogenannte „Wellenbrecherfunktion“ erreicht, sodass nach dem Zünden der Funkenstrecke nahezu kein Strom mehr in das zu schützende Endgerät fließt (Bild 9.27.8). Somit wird auch bei sehr hohen Impulsströmen nur eine relativ kleine Energiemenge in das Endgerät eingetragen, die jedoch unkritisch für die Eingangs-Schutzbeschaltung des Endgerätes ist.
Im Vergleich dazu fließt bei der Verwendung von MOV-Schutzgeräten der Strom während der gesamten Impulsdauer in das zu schützende Endgerät. In vielen Fällen bedeutet dies eine Schädigung, im schlimmsten Fall sogar eine vollständige Zerstörung der angeschlossenen AC-/DC-Stromversorgung sowie der Systemtechnik (Bild 9.27.9).
Systemtests mit Mobilfunkequipment unterschiedlicher Hersteller zeigen deutlich, dass für diesen Anwendungsfall nur Funkenstrecken die notwendige Schutzwirkung sicherstellen.