q – 1 - Южный федеральный университет

1
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Нерсесянц А.А.
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
Анализ параметров сотовой сети подвижной связи
Контрольная работа
Ростов-на-Дону
2012
2
Методические указания разработаны доктором технических наук,
профессором кафедры Радиофизики А.А. Нерсесянцем.
Специальность: Телекоммуникация
Печатается в соответствии с решением кафедры Радиофизики Физического
факультета ЮФУ, протокол № 5 от 21.02.2012 г.
3
ВВЕДЕНИЕ
Настоящее методическое пособие посвящено анализу наиболее существенных
параметров, характеризующих принципы построения и качество функционирования
сотовых систем подвижной связи (ССПС):
- определение мощности радиосигнала в точке приёма;
- составление частотно-территориального плана;
- разработка частотного кластера;
- определение медианного отношения сигнал-интерференция в кластере.
Системный анализ проводится на примере сотовой системы стандарта GSM,
относящейся ко второму поколению сотовых систем (2G).
Расчёт уровней сигналов и их затуханий в различных условиях проводится в
соответствии с моделями Окамура и Ли.
Пособие содержит задание на выполнение контрольной работы.
4
1.Краткие сведения о принципах построения ССПС
1.1. Общие принципы построения сетей стандарта GSM.
CCПС стандарта GSM предназначена для обмена речевой, факсимильной и
цифровой информацией между абонентскими системами, находящимися в одной или в
разных сотах, а также обмен с абонентами различных систем общего пользования.
Упрощенная структурная схема ССПС GSM представлена на рис. 1.1.
Рис . 1.1. Структурная схема сотовой сети стандарта GSM
Центр коммутации подвижной связи (MSC) обслуживает группу сот и
обеспечивает все виды соединений для подвижных станций (MS). MSC обеспечивает
интерфейс между ССПС и фиксированными сетями: PSTN (телефонная сеть общего
пользования), ISDN (цифровая сеть с интеграцией служб), PDN (сеть пакетной
передачи данных, например, Internet) и др. Он обеспечивает маршрутизацию вызовов,
функции управления вызовами и коммутации радиоканалов. Кроме того, MSC
организует “эстафетную передачу” для непрерывности связи при перемещении MS из
соты в соту и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или
неисправностях.
Оборудование базовой станции (BSS) состоит из контроллера базовой станции
(BSC) и приемопередающих базовых станций (BTS). Один BSC может управлять
несколькими BTS. BSS управляет распределением радиоканалов, контролирует
соединения, регулирует их очередность, обеспечивает режим работы с прыгающей
частотой, модуляцию и демодуляцию сигналов, кодирование и декодирование
сообщений, кодирование речи, адаптацию скорости передачи для речи, данных и
вызова, определяет очередность передачи сообщений персонального вызова.
5
Центр управления и обслуживания (OMС) обеспечивает управление работой
радио системы и организацию взаимодействия между BSS и MSC.
Подвижная станция (MS) состоит из оборудования для доступа абонентов сетей
GSM к мобильным и фиксированным сетям. Каждый абонент имеет свой
международный идентификационный номер (IMSI), записанный на его
интеллектуальную карточку. На время пользования системой связи абонент получает
стандартный модуль подлинности (SIM), который содержит IMSI, индивидуальный
ключ аутентификации (Ki) и алгоритм аутентификации (А3).
Доступ абонента к сети производится после проверки подлинности абонента, в
процессе которой MSC передает на MS случайное число (RAND). MS с помощью
ключа Ki и алгоритма А3 формирует значение отклика (SRES) и посылает его в сеть.
MSC сравнивает полученный отклик с ожидаемым (вычисленным сетью) и при
совпадении продолжает организацию обмена.
При перемещениях MS центр коммутации MSC осуществляет перепривязки
абонента между базовыми станциями BTS, контроллерами BSC или может передать
данную MS в другой центр MSC.
При включении МS выполняется определение местоположения абонента и
выделение ему рабочих частот. При пересечении мобильной станцией границы соты
сеть передает абонента другой BTS (а иногда другой BSC или даже другой MSC), при
этом на МS производится автоматическая смена рабочих частот. На самом деле
переключение рабочих частот производится не по географическим границам между
сотами, а по совокупности параметров (уровни сигналов, помех, доля ошибок и др.), по
которым производится выбор наилучшей радиолинии.
Ведение абонента – handover - включает несколько функций. Одна из них эстафетная передача МS от одной BTS к другой при движении абонента с включенной
МS без перерыва сеанса связи. Другая функция - переключение частотных каналов
внутри одной соты, например, при поражении рабочего канала помехой. Наконец, при
перегрузке соты сеть может передавать МS другой BTS, имеющей свободные частотновременные каналы.
В отличие от handoverа процедура роуминга предполагает возможность
пользоваться своим сотовым телефоном в других регионах страны (национальный
роуминг) или за рубежом (международный роуминг), не меняя своего городского
номера. Межсистемный роуминг обеспечивает взаимодействие абонентов
подключённых к сотовым сетям различных поколений (2G, 3G и 4G).
Соединение абонентов с телефонной сетью общего пользования (PSTN)
осуществляет MSC по линии связи 2 Мбит/с или более с помощью системы
сигнализации SS-7. Для соединения с ISDN предусмотрено до четырех линий связи по
2Мбит/с, также поддерживаемых системой SS-7. Кроме того, определены интерфейсы
для соединения с существующими аналоговыми ССПС (например, NMT 450), а также
для соединения с международными сетями GSM.
В ССПС применяются методы многостанционного доступа с частотным (FDMA),
временным (TDMA) и кодовым (CDMA) разделением каналов (рис. 1.2).
В стандарте GSM используется узкополосный многостанционный доступ с
частотно-временным разделением каналов (TDMА). В структуре TDMA кадра GSM900 содержится 8 временных позиций (окон) на каждой из 124-х несущих. Каждой MS
для обмена предоставляется одно из окон на частоте передачи в полосе 890-915 МГц
6
(линия “вверх”) и одно из окон на частоте приема в полосе 935-960 МГц (линия
“вниз”). Каждая полоса разделена на 124 частотных канала с разносом в 200 кГц.
Таким образом, физический канал в стандарте GSM представляет собой комбинацию
временного и частотного разделения сигналов (8  124=992 физических канала). Длина
временного окна составляет 0.577 мс. Длина кадра равна 8  0.577=4.616 мс. При
длительности одного бита равной 3.69 мкс, что соответствует канальной скорости в
271 кбит/с, информационная скорость в каждом из 8-и временных каналов составляет
24.7 кбит/с (суммарная информационная скорость в одном частотном канале
составляет 8  24.7=197.6 кбит/с). Снижение скорости связано с тем, что в структуре
окна из 156.25 бит информационными являются только 114 бит.
Рис. 1.2. Методы многостанционного доступа.
Одна из особенностей формирования сигналов в стандарте GSM -использование
медленных скачков по частоте в процессе сеанса связи, что существенно повышает
устойчивость связи в условиях многолучевости и перемещения MS (максимальный
радиус ячейки составляет 35 км). Если учесть, что между окнами длиной в 0.577 мс на
перестройку частоты затрачивается время порядка 1 мс, то результирующая
информационная скорость в GSM не превышает 9.6 кбит/с (используется ряд
фиксированных скоростей: 300, 600, 1200, 2400, 4800 и 9600 кбит/с). Отметим, что при
любых настройках и перестройках частоты сохраняется дуплексный разнос между
каналами приёма и передачи в 45 Мгц.
Развитием стандарта GSM стало появление пакетных технологий передачи
данных GPRS и EDGE, позволивших в несколько раз повысить скорость доступа в Internet. Дальнейшее развитие сотовых систем (начиная с конца 90-х годов) шло по
7
линии увеличения эффективности использования спектра частот, при этом главным
показателем становится отношение – бит/с/Гц.
Так вместо частотно-временного мультиплексирования в поколении 2G, в
системах UMTS (поколение 3G) используется технология кодового разделения
широкополосных каналов (WCDMA), обеспечившая скорость доступа в Internet до 2
Мбит/с, а с применением технологии HSPA этот уровень значительно превышен (в
разных модификациях называются скорости по линии вниз (HSUPA) порядка 3-х, 7-и,
21-го и даже 42-х Мбит/с).
В разработке поколения 4G (в настоящее время это технология Long Term Evolution – LTE) поставлена задача – поднять эффективность использования спектра до 5-и,
15-и и даже 30 бит/с/Гц. С этой целью вместо кодового разделения каналов в
поколении 4G реализуется метод мультиплексного доступа с ортогональным
частотным разделением - OFDMA. Кроме того, широко внедряется и технология
множественного входа и множественного выхода – MIMO, главной особенностью
которой является использование нескольких передающих и приёмных антенн,
образующих дополнительно к частотному и временному разделению каналов ещё и
пространственное. С использованием этих инноваций ожидаемая скорость передачи
для стационарных и малоподвижных объектов поднимается до 300, 600, а с
расширением полосы даже до 1000 Мбит/с.
Интересной особенностью развития технологий сотовых сетей является то, что
они кардинально меняют только наземную радиосеть системы (линии связи между
базовой и мобильной станциями). В то же время, алгоритмы работы опорной сети (в
основном это касается функций мобильного коммутационного центра – MSC),
которые были хорошо отработаны в технологии GSM c GPRS, изменяются
незначительно. Поэтому в настоящем разделе при изучении принципов
функционирования сотовых сетей рассматривалась именно технология GSM, а в
следующих разделах основное внимание уделяется некоторым характеристикам
наземной радиосети.
1.2. Принципы построения наземной радиосети
Частотно-территориальный план. Сотовая система подвижной связи (ССПС)
является составной частью подвижной наземной сети общего пользования (РLМN),
включающей и такие технологии, как WiFi, WiMAX и др.
ССПС строят на основе частотно-территориальных планов (ЧТП). При этом
обслуживаемую территорию разделяют на зоны обслуживания базовых станций (ЗОБС).
Сама базовая станция (БС) располагается в центре такой зоны. Если на БС используется
всенаправленная антенна то граница ЗОБС - окружность. На рис. 1. 3 показан фрагмент
модели однородной сети.
В такой модели границы трех соседних зон пересекаются в одной точке.
Соединив точки пересечения, получают границы ЗОБС в виде шестиугольника,
называемого сотой. Итак, сота - ЗОБС в однородной модели при всенаправленных
антеннах. Каждая БС поддерживает радиосвязь с абонентскими мобильными станциями
(МС), находящимися в ее зоне обслуживания. Во избежание взаимных помех соседние
БС работают на разных частотах. При частотном планировании составляют кластер.
8
БС3
БС2
БС2
БС1
БС3
БС3
БС2
Рис. 1.3. Фрагмент модели однородной радиосети.
Кластер - это совокупность ближайших сот, в которых используются не
повторяющиеся частотные каналы. Число таких сот в кластере, называется его
размерностью. На рис. 1.3 принята размерность кластера N = 3. Цифрами на этом
рисунке обозначены частотные каналы, используемые в сотах. Размерность кластера N
= 7 (Рис. 1.4) удобна при шестиугольной соте. Действительно, возможны разные
частоты в одной центральной и шести пограничных сотах. Все частотные каналы
системы делятся между БС кластера. Каждой БС присваивается группа каналов. Так,
если в подвижной системе используется всего частотных каналов nf =119 и кластер
имеет размерность N = 7, то группа частотных каналов, приходящихся на одну соту,
содержит число частот
nfc =
𝑛𝑓
𝑁
=
119
7
=17.
На рис. 1.4 приведен фрагмент ЧТП для модели сети с использованием кластера
размерностью N = 7. Точками обозначены места установки БС. Цифрами обозначен
номер группы рабочих частот в соте. Жирными линиями выделен центральный кластер.
9
Пунктиром показаны пути прихода интерференционных помех на МС, находящуюся в
соте 1 в наиболее удалённом от своей БС месте.
ЧТП составляют так, чтобы уровень интерференционных помех не превышал допустимых значений, что позволяет многократно повторять кластер и реализовывать
достоинства сотовых систем в экономном использовании спектра радиочастот.
Основное достоинство любых сотовых систем - эффективное использование
выделенной полосы частот за счет многократного повторения кластера на территории.
Это позволяет обслуживать большое число абонентов при ограниченных ресурсах
спектра
частот.
Сотовые структуры. На модели сети расстановка БС может быть выполнена в
соответствии со структурой двух типов:
- регулярная сотовая структура, с использованием всенаправленных антенн. Этот
вариант рассмотрен выше и показан на рис. 1.3 и 1.4;
-секторная сотовая структура, на основе направленных антенн.
Рис. 1.4. Фрагмент ЧТП при размерности кластера N=7.
10
В качестве направленных антенн на БС используются секторные антенны. Получили
распространение секторные антенны с шириной главного лепестка диаграммы
напрвленности антенны (ДНА) α = 60°, α = 90° или α = 120°. На рис. 1.3 показаны соты
с секторными антеннами при α = 120°. В этом случае образуются секторы А, В и С. В
каждом секторе устанавливается своя БС. Все БС устанавливаются в центре соты.
Каждая БС работает на своих частотах, причем в каждом секторе используется своя
группа частот. При составлении частотного плана в соседних секторах (или сотах при регулярной сотовой структуре) частоты выбираются так, чтобы выполнялись
нормы на присвоение частот в соседних группах. Эти нормы различны для каждого
стандарта. На рис. 1.5 частотные группы обозначены 1А, 1В, 1С,... 3В, ЗС. В этом
случае в центре соты устанавливается несколько антенн. Это могут быть 3 передающих
антенны, 6 приемных (для разнесенного приема) и две антенны РРЛ для связи в
опорной фиксированной сети. Место размещения БС получило название "сайт" от
английского site - местоположение.
Рис. 1.5. Распределение частотных групп в сотах.
Каналы. Для выполнения своих сложных функций в ССПС предусмотрены система
управления связью и специальные каналы управления. В ССПС предусмотрены две
основные категории каналов:
- линейные каналы (или каналы трафика), предназначенные для передачи речи и
данных. Для их обозначения часто применяют английскую аббревиатуру – ТСН (Traffic
Chanel);
- каналы управления, которые используются для целей сигнализации и управления,
включая ведение абонента. Их часто обозначают ССН. Наличие каналов для ведения
абонента отличает ССПС от неподвижных систем радиосвязи с сотовой структурой,
например, от РРЛ типа "пункт - много пунктов".
2. Модели предсказания мощности сигнала
2.1. Общие положения
В этом разделе рассматриваются параметры радио-интерфейса ССПС от
передатчика базовой станции (БС) до приёмника мобильной станции (МС). В системах
радиосвязи дальность радиогоризонта зависит от высот подвеса антенн. Как правило,
высота антенны БС (hБС ) составляет десятки-сотни метров, высота антенны МС -
11
несколько метров. В этом случае дальность радиогоризонта dрг = 25, 35, 50 км при hБС
= 50, 100, 200 м. В городских условиях здания практически исключают возможность
прямой видимости между антеннами БС и МС и мощность принятого сигнала
оказывается значительно ниже, чем в свободном пространстве. В среднем,
дополнительное ослабление в городе на частоте f = 900 МГц составляет 20...30 дБ при
протяженности трассы R = 1...10 км. Это ослабление вызвано в основном отражением
и рассеянием энергии сигнала на крупных строениях. Принимаемый сигнал имеет
многолучевую структуру и подвержен глубоким замираниям.
Существует большое число моделей для прогнозирования уровня радиосигнала
в системах подвижной радиосвязи.
Рельеф местности существенно влияет на уровень сигнала. Известны два
основных метода для учета его влияния: детерминированный и статистический.
Первый позволяет рассчитать множитель ослабления по конкретному профилю
пролета и применим, для линий связи по схеме "от пункта к пункту", например, РРЛ.
В этом случае медианное значение мощности сигнала в точке приема - это то, которое
превышается в течение 50% времени наблюдения (например, месяца). В сотовых
системах, где БС должна обеспечить связь на территории соты, часто применяют
статистический метод, при котором параметры рельефа (высота препятствий, их
форма и взаимное расположение, наклон местности и т.п.) считаются случайными
величинами. Характер рельефа местности в соте оценивают параметрами,
усредненными на участках трассы протяженностью 5 ... 10 км.
Выбор энергетических параметров в сотовых системах радиосвязи должен
обеспечить уверенный прием в зоне обслуживания БС. В точках приема на границе
соты уровень сигнала будет различаться вследствие неодинакового влияния застройки
и рельефа местности. Поэтому в сотовых системах радиосвязи путем усреднения по
двум параметрам: по времени и по местоположению (по числу точек приема)
определяют усредненную медианную мощность сигнала (УММС). УММС - это такое
значение, которое превышается в течение 50 % времени месяца и в 50% точек приема,
находящихся на расстоянии R от передающей станции.
2.2. Модель Окамуры
2.2.1. Модель для квазигладкой местности
Трасса протяженностью в несколько километров, на которой средняя высота
неровностей не превышает 20 м, определена в модели Окамуры как "квазигладкая". В
модели Окамуры приняты базовые значения высоты антенны МС -- hМС = 3 м и
эффективной высоты антенны БС -- hБС = 200 м, причем последняя определяется как
высота над средним уровнем квазигладкой поверхности. Уровень УММС для
квазигладкой местности:
PM(R) = Po(f, R) – AМ(f, R) + H(hБC, R) + H(hMC, f), дБм,
(2.1)
где R - протяженность трассы (радиус соты), км;
f – рабочая частота, МГц;
P0(f, R) - уровень мощности сигнала в точке приема при распространении в
свободном пространстве, определяется как:
12
4πR
Po (f, R) = 10 log(PБС ) + g1 − 20 log (
λ
(2.1а)
) + g 2 , дБм,
причем PБС – мощность передатчика БС в мВт, g1 – коэффициент усиления
антенны БС в дБ, g 2 – коэффициент усиления антенны МС в дБ, расстояние R В КМ,
длина волны λ = c/f (где с – скорость распространения электромагнитной энергии, с =
3∙105 км/сек, а рабочая частота f – в кГц);
АМ(f, R) – дополнительное ослабление сигнала в городе (медианное значение),
определенное для квазигладкого городского района при hMC = 3 м и hБC = 200 м;
Н(hБС, f), - коэффициент "высота-усиление антенны БС", учитывающий влияние
реальной высоты антенны БС,которая может отличаться от значения 200 м;
H(hMC, f), - коэффициент "высота-усиление антенны МС", учитывающий
влияние реальной высоты антенны МС, которая может отличаться от значения 3 м.
Дополнительное ослабление сигнала в городе АМ(f, R) представлено в виде
функции аргумента f , при параметре R. Для построения таких зависимостей
рекомендуется воспользоваться табл. 2.1
Таблица 2.1
f, МГц
100
1000
3000
R=1км
15
20
25
5 км
22
27
34
10 км
25
30
35
АМ (f, R), дБ
20 км
30 км
28
31
33
37
40
44
40 км
35
41
48
50 км
38
46
54
100 км
51
61
70
Влияние высоты антенны БС зависит от расстояния между МС и БС и
практически не зависит от частоты в диапазоне 200... 2000 МГц. При R <= 10 км
мощность принимаемого сигнала изменяется пропорционально квадрату высоты
антенны, а при R >= 30 км - пропорционально кубу высоты, так что:
hБСm
(2.2,а)
H(hБС , R) = 20 lg (
) , при R < 10км;
200
H(hБС , R) = 30 lg (
hБСm
) , при R > 30км;
200
(2.2,б)
где h Б С m - высота антенны БС в метрах. По формулам (2.2,а) и (2.2,б) вычисляют
значения коэффициента "высота - усиление антенны БС" при R = 10 км и R = 30 км, и
строят вспомогательный график, для определения этого коэффициента при других
значениях R с помощью линейной интер- или экстраполяции. При этом значения R не
должны превышать дальности радиогоризонта, так как при R > d Р Г сигнал на входе
приемника определяется дифракционной составляющей электромагнитного поля. В
этом случае подъем антенны БС повышает уровень сигнала.
Влияние высоты антенны МС не зависит от протяженности трассы, поскольку
эти антенны расположены ниже уровня городской застройки, а при h М С < 3 м оно
13
одинаково на всех частотах и не зависит от характера застройки. Коэффициент
"высота - усиление антенны МС" равен:
H(h М С , f)=10 lg(
h MCm
3
),
(2.3)
где h MCm - высота антенны МС в метрах.
При установке антенны МС выше 3м значение коэффициента H(h М С ,f)
становится зависимым от характера застройки. Для среднего города этот коэффициент
зависит от частоты. Для средних городов при h MCm >3,
Н (h М С , f)= 20 lg (
Н (h М С , f)= 30 lg (
h MCm
3
h MCm
3
), при f = 400 МГц
), при f = 2000 МГц
(2.4)
(2.5)
Для крупных городов этот коэффициент не зависит от частоты, а при hМСм <3 на
всех частотах применима формула (2.3).
2.2.2. Реальные трассы.
Модель Окамуры позволяет для местности, которая не относится к
квазигладкой, путем введения поправочных коэффициентов в формулу (2.1)
рассчитывать ожидаемый уровень медианной мощности сигнала с учетом характера
местности:
Р_𝑀𝑍(R) =Р М (R) + K Z0 + K ZH + K Z3M + K ZX ,
(2.6)
Где K 𝒁𝟎 - поправочный коэффициент для пригородной зоны и открытой
местности ;
K ZH - поправочный коэффициент "для земной поверхности с наклоном";
K Z3M - поправочный коэффициент для участка "земля-море",
K ZX , - поправочный коэффициент для холмистой местности.
Определение уровня медианной мощности для не квазигладкой поверхности
(PMZ(R)) с помощью поправочных коэффициентов производится следующим образом:
- KZ0. В пригородной зоне потери сигнала при распространении уменьшаются с
ростом частоты, т.е. поправочный коэффициент K Z0 растет. Его значения можно
определить из табл. 2.2. с помощью линейной интер- или экстраполяции.
Таблица 2.2
f, МГц
400
1000
8
10
K Z0 , дБ, для пригородной зоны
24
30
K Z0 , дБ, в открытых местностях
- KZH. Под "земной поверхностью с наклоном" подразумевают трассы, на которых рельеф плавно понижается (или повышается) на расстоянии 5 км и более. Для нее
определяют средний угол наклона Y(рис. 2.1, а,б). Угол считается отрицательным,
14
если МС расположена на нижнем участке трассы (рис. 2.1, б ). Дополнительные
потери мощности сигнала при распространении по наклонной поверхности можно
определить по графику (рис. 2.2). Значение угла наклона Y необходимо брать из
Табл.1 исходных данных.
Рис. 2.1. Учёт наклона земной поверхности.
Рис. 2.2. Определение поправочного коэффициента KZH.
KZЗМ. Медианная мощность сигнала возрастает, если трасса пересекает водную
поверхность. Коэффициент K Z3M зависит от отношения b = r м / R, (рис. 2.3), где r м протяженность трассы над водой. Кривая 1 на рис.2.3 для случая, когда водная
поверхность ближе к приемной станции, 2 - к передающей. Для определения
поправочного коэффициента значение отношения b и выбор одной из кривой на рис.
2.3 в данной контрольной работе производятся произвольно.
15
Рис. 2.3. Определение поправочного коэффициента KZЗМ.
KZX. При распространении сигнала над холмистой поверхностью потери
распространения увеличиваются по сравнению со случаем квазигладкой местности.
Значение K ZX зависит от показателя dh – средней высоты неровностей, которая может
быть определена по рис. 2.4.а как разность между высотами h (90%) и h (10%). Здесь h
(90%) и h (10%) - это значения высот местности на трассе протяженностью около 10
км, превышаемые в 90% и 10% точек профиля соответственно. На рис. 2.4.б кривая 1
соответствует случаю, когда МС находится у вершины холма, кривая 3 - у основания,
а кривая 2 соответствует промежуточному положению и используется в расчетах. При
dh > 20 м следует учитывать влияние холмистости, так как нарушается условие
квазигладкой местности.
Рис. 2.4, а
16
Рис. 2.4, б
В реальных условиях значение показателя dh определяется в соответствии с
таблицей 2.3. В данной работе значение dh выбирается из табл.1 исходных данных.
Тип местности
1. Слегка холмистая равнина
2. Холмистая равнина
3. Холмы
4. Горы
5. Высокие горные массивы
6. Очень высокие горные массивы
Таблица 2.3
Показатель dh, м
20...40
40 ...80
80... 150
150 ...300
300...700
свыше 700
2.2.3. Дополнительные факторы
Дополнительные факторы, которые могут влиять на значение уровня сигнала в
конкретных ситуациях - это ориентация улиц и близость лесных массивов.
Влияние ориентации улиц и дорог. При радиальном расположении городских
улиц относительно БС возможно возникновение волноводного эффекта, в результате
которого может происходить усиление принимаемого сигнала. Принятые на МС
сигналы, направления распространения которых параллельны направлениям улиц,
имеют уровень мощности на 10...20 дБ выше, чем сигналы, приходящие с других
направлений. На частотах ниже 1 ГГц этот эффект значительно ослаблен.
Влияние листвы. На распространение сигналов в лесной зоне влияют
параметры деревьев (размер ствола, размер ветвей, плотность листвы, расстояние
между деревьями, высота и др.). В тропических районах с очень густыми лесами
сигнал может не проходить через лесной массив, и распространяется только за счет
огибания верхушек деревьев и отражения от них. Некоторые сосновые леса сильно
17
поглощают энергию сигнала, поскольку размеры иголок соответствуют примерно
половине длины волны сигнала.
2.3. Модель Ли
Модель Ли позволяет прогнозировать уровень сигнала в диапазоне СВЧ на входе
приемника МС с учетом характера местности. Местность классифицируют по двум
признакам:
- по структуре, сформированной человеком (характер застройки): открытая
территория; пригородная зона; городская застройка;
- по естественным свойствам (характер трассы): гладкая трасса, холмистая трасса,
трасса над водной поверхностью, трасса через лиственные леса.
Модель Ли создана на основании анализа экспериментальных измерений уровня
сигнала (локального среднего), опубликованных разными авторами для зон с
различным характером застройки. В ее основе лежат два следующих
экспериментальных параметра модели:
P1 - уровень сигнала в точке, отстоящей от БС на 1 милю (или 1 км);
γ - наклон кривой потерь распространения, который численно равен ослаблению
сигнала при увеличении длины трассы в 10 раз; единицы измерения - дБ на декаду
(дБ/дек). Стандартные значения параметров P1 и γ, определенные при типовых
энергетических параметрах аппаратуры и необходимые для расчёта по модели Ли,
указанны в табл. 2.4 (стандартные значения отмечены *).
При выполнении контрольного задания не стандартные значения параметров Р1
и γ определяются по табл. 2.5 с учётом поправочных коэффициентов из табл. 2.4.
Согласно модели Ли, уровень мощности сигнала на входе приемника МС:
Рс = Р1 – γ lg Rmi +α1 + α2 + α3 + α4 + α5 ,
дБм
(2.11)
где R mi - протяженность трассы в английских милях ( 1 миля =1,6 км.);
𝛼1 ... 𝛼5 - поправочные коэффициенты. Вводятся в случае, когда технические
параметры радиоинтерфейса отличаются от типовых. Они определяются по формулам
табл. 2.4. При этом влияние высот антенн учитывается так же, как и в модели
Окамуры.
Таблица 2.4
Параметры
Уровень мощн. передатчика БС - Р БС
Высота антенны БС - h1
Коэффиц. усиления антенны БС - g1
Высота антенны МС - h2
Коэффиц. усиления антенны МС - g 2
Стандартные значения
Р БС * = 40 дБм
h 1 * =100 фут (30 м)
g1 * = 6 дБ
h2 * =10 фут (3м)
g 2 * = 0дБ
Поправочные
коэффициенты.
α1 = РБС - 40
α2 = 20lg(h1 /h∗1 )
α3 = g1 - 6
α 4 = 1 0 l g (h2 /h2 *)
α5 = g 2
18
Для определения параметров модели использованы результаты измерений
мощности сигнала на трассах (Табл. 2.5). Эти результаты получены при определенных
стандартных параметрах, указанных в табл. 2.4.
Таблица 2.5
Вид трассы
Открытая территория
Типовая пригородная
Филадельфия
Токио
Нью Йорк Сити
Свободное пространство
P1 , дБм
-49
-61,7
-70
-84
-77
-45
γ , дБ/дек
43,5
38,4
36,8
30,5
48
20
После подстановки в (2.11) параметров модели Ли из табл. 2.5 (Р1 и γ ) для трассы
"типовая пригородная" и выражения для 𝛼1 из табл. 2.4 , определяется уровень
мощности сигнала на входе приемника МС:
Рс = - 61,7 +(Р Б С - 40) - 38,4 lgRmi +α2 +α3+α4+α5 , дБм,
(2.12)
Полагая, что удобнее измерять протяженность трассы в километрах вносим
поправку ( 1 миля = 1,6 км.). Поправка при подстановке протяженности трассы (R) в
километрах (1 миля =1,6 км.) равна:
𝑍1 = 38,4lg(R/1,6) = 38,4(lgR –lg1.6) = 38,4lgR - 7,84.
(2.13)
Подставив величины 𝛼2 и 𝛼4 , вычисленные по данным Табл.1
исходных данных и Табл. 2.4, и поправку (-7,84) из (2.13) в (2.12),
находим:
Рc = Р Б С – 109,54 - 38,4 lgR + 20lg(h l ) + l 0 l g (h 2 ) + g l + g 2 ,
(2.14)
здесь R выражено в км, a h l и h 2 - в метрах.
Расчёт зависимостей уровня сигнала в точке приёма от расстояния (РС(R))
необходимо проводить по следующей расчетной формуле:
РС(R) = К – 38,4 lgR
Здесь: К = Р Б С – 109,54 + 20lg(h l ) + l 0 l g (h 2 ) + g l + g 2 , д Б м ,
(2.15)
(2.16)
- показатель, не зависящий от расстояния и определяемый по исходным данным
индивидуально для каждого варианта контрольной работы. При этом коэффициент
усиления антенны БС - g1 определяется по Табл.1 исходных данных, а для МС
принимается g2= 0.
Аналогичным образом необходимо рассчитать зависимости РС(R) по модели Ли
для открытой территории и для городской застройки.
19
3. Расчет отношения сигнал - интерференция
В разделе 1.2 были рассмотрены принципы построения кластера для однородных
моделей. В этих моделях антенны БС - ненаправленные, расстояние между БС с
одинаковой частотой равно:
d = qR 0 ;
q = √3N;
d =R 0 √3N,
(3.1)
где 𝑅0 - радиус соты, N - размерность кластера, q – показатель размерности
кластера. На рис. 1.4 приведен кластер размерности N = 7 и пунктиром показаны пути
шести мешающих сигналов при всенаправленных антеннах БС. Мешающие станции
обозначены М1- М6.
Расстояние от точки А до МС с номером j обозначим
Rj. Для вычисления Rj. используем упрощенный рис. 3.1,
аналогичный рис. 1.4. На рис. 3.1 обозначено
местоположение БС - точка О, МС -- точка А и
местоположение мешающих станций Ml...М6. Длины
отрезков Ml - О, М2 - О, ...М6 - О равны d (3.1). Радиус
внутренней окружности OA -- радиус соты R0.. Очевидно,
Рис.3.1
длина Ml - А равна расстоянию от МС до Ml, длина
М2-А равна расстоянию до М2 и т.д. По рис. 3.1 путём несложных геометрических
построений можно определить расстояния:
𝑅1 = d-𝑅0 ;
𝑅2 = √𝑑 2 + 𝑅02 − 𝑑𝑅0 ; R 3 = √𝑑 2 + 𝑅02 , + 𝑑𝑅0 ;
(3.2)
Подставив сюда значения из (3.1), получим:
𝑹𝟏 =(q – 1)𝑹𝟎 ;
𝑹𝟐 =(√𝒒𝟐 – 𝒒 + 𝟏)𝑹𝟎 ; (3.3)
𝑹𝟒 =(𝒒 + 𝟏)𝑹𝟎 ;
𝑹𝟑 =(√𝒒𝟐 + 𝒒 + 𝟏)𝑹𝟎 ;
𝑹 𝟓 = 𝑹𝟑
𝑹𝟔 = 𝑹 𝟐
Степень воздействия сигналов мешающих станций, работающих на частоте своей
станции, на полезный сигнал, определяется по показателю «медианное отношение
сигнал - интерференция» (SIR), зависящего от размерности кластера N.
Для определения медианного отношение сигнал - интерференция воспользуемся
упрощенной аналитической зависимостью между мощностью принимаемого сигнала
Рс и расстоянием от БС до МС, которая в общем виде может быть представлена как
Рс = К0R-n
(3.4)
20
Показатель n зависит от расстояния, высоты антенны БС и характера городской
застройки. По результатам измерений Окамуры этот показатель меняется от 2-х (для
свободного пространства) до 5-и в условиях плотной городской застройки.
Мощности сигналов, приходящих на МС представим в виде (3.4), приняв R = 𝑅0
для своего сигнала и R = R j для j-ого мешающего сигнала. Если энергетические
параметры базовых станций в сети одинаковы, то отношение медианной мощности jого мешающего сигнала к медианной мощности своего сигнала равно:
𝛽𝐽 =(𝑅𝐽 /𝑅0 )−𝑛 ,
(3.5)
При нескольких мешающих сигналах на МС воздействует суммарная помеха,
медианная мощность которой равна сумме медианных мощностей отдельных
сигналов. Тогда медианное отношение сигнал – интерференция определится как
𝑅 −𝑛
0
SIR= -10lg(∑𝑚
𝐽=1 𝛽𝐽 ) = 10lg(∑𝑚
−𝑛
𝐽=1 𝑅𝐽
), дБ
(3.6)
где m - число мешающих сигналов.
По (3.6), воспользовавшись соотношениями (3.3), можно найти усредненное
медианное отношение сигнал – интерференция для 7-и элементного кластера, т.е. для
N = 7. Для других значений N можно упростить выражения (3.3), заменив конкретные
расстояния R1…..R6 на расстояния между центрами сот. По рис. 3.1 это означает
замену расстояний Мj – А на Мj – О, т.е. на d, а т.к. среди расстояний Мj – А есть как
расстояния большие d, так и расстояния меньшие d, то в целом такое упрощение
оправдано.
Для правильных 6-и гранных сот в выражении (3.6) значение m = 6 независимо от
размерности кластера N, если учитывать воздействие мешающих БС только ближнего
круга. Тогда (3.6) преобразуется следующим образом:
𝑅 −𝑛
SIR=10lg(∑𝑚 0
−𝑛 )=10lg(
𝐽=1 𝑅𝐽
𝑅0−𝑛
𝑚𝑅𝑗−𝑛
)=10lg(6d/R0)n=10lg(6d/d/q)n =10nlg(6q)=10nlg(6√3𝑁), (3.7)
Произведены замены Rj = d и R0 = d/q. Приняв, далее, n = 3 окончательно получим:
SIR = 30lg(6√3𝑁), дБ
(3.8)
Например, для 3-х элементного кластера получим SIR = 30 lg 18 = 37.7 дБ, а для
19-и элементного SIR = 30 lg (6√3 ∗ 19 = 30 lg 45.3 = 50 дБ.
4. Расчет числа частотных каналов на БС
Рассматривая ССПС, как систему массового обслуживания, определим
необходимое число рабочих каналов в БС при заданной вероятности потери вызова из-
21
за их занятости. После этого можно будет определить необходимое число частотных
каналов в БС.
Выбор числа рабочих частот в каждой соте, а также числа рабочих и
управляющих каналов производится в зависимости от нагрузки, создаваемой
абонентами данной соты. Фирма Motorola предлагает для определения чисел каналов
рассчитывать общую нагрузку на БС в предположении, что нагрузка от одного
абонента (удельная нагрузка) составляет у = 0.025 Эрл (Это соответствует потоку
вызовов с интенсивностью λ = 1 выз/час при средней продолжительности разговора –
t = 90 с).
Табл. 4.1 содержит сведения, необходимые для определения числа каналов, а
следовательно, и числа частот на БС, в зависимости от числа абонентов (нагрузки),
обслуживаемых этой станцией. В стандарте GSM в каждом частотном канале имеется
8 временных окон, из которых небольшая часть выделяется под каналы управления
(CCH), а основная часть - под рабочие каналы (TCH). Например, при 4-х частотных
каналах из 32-х временных окон 30 отведены под рабочие каналы, а два оставшихся
окна используются под управляющие каналы.
Общая телефонная нагрузка на БС в час наибольшей нагрузки (ЧНН) определяется
как:
Y = Ny = Nλt,
(4.1)
где N – число абонентов, обслуживаемых данной БС, а у – удельная нагрузка от
одной МС. Величина обслуживаемой нагрузки зависит как от числа каналов, так и от
требуемого качества обслуживания, которое в данном случае задаётся в виде
допустимой вероятности потерь (вероятности отказа в предоставлении канала - Ротк).
Для расчёта числа частотных каналов при известном числе абонентов необходимо
по (4.1) найти нагрузку в Эрлангах и по табл. 4.1 подобрать соответствующую строку
для требуемого качества обслуживания.
Таблица 4.1. Зависимость чисел каналов различных типов от нагрузки
Число частотных
Число рабочих
Нагрузка в Эрлангах (У)
каналов
Каналов
Ротк= 0.01
Ротк= 0.02
1
7
2.5
2.94
2
14
7.4
8.20
3
22
13.7
14.9
4
30
20.3
21.9
5
38
27.3
29.2
6
45
33.4
35.6
7
53
40.6
43.1
8
61
47.9
50.6
9
69
55.2
58.2
10
77
62.6
65.8
Например, при числе абонентов N = 300 по (1) получим Y = 7.5 Эрл. Тогда, при
требуемом качестве обслуживания – не более 1% потерь (Ротк= 0.01), придётся
выделить 3 частотных канала (22 канала ТСН), так как 2 частотных канала при этих
22
требованиях смогут обслужить только 7.4 Эрл нагрузки. Если же смягчить требования
по допустимым потерям, например, увеличить допустимые потери до Р отк= 0.02, то
можно обойтись 2-я частотными каналами (14 каналов ТСН).
5. Контрольное задание
Задача 1. Модели предсказания уровня сигнала. Расчет энергетических параметров.
1. Используя модель Окамуры, рассчитать мощность сигнала на входе приемника
МС на расстояниях 1,5,10,15 и 25 км. Расчёт провести для энергетических параметров
указанных в табл.1 для 5-и вариантов местности:
а) квазигладкая; б) пригородная; в) открытая; г) холмистая; д) с наклоном.
Результаты расчета представить в виде графиков.
2. Определить радиусы зон обслуживания в километрах, при условии, что
допустимая мощность сигнала на входе приемника должна превышать: а) - 90 дБм; б) 100 дБм; в) - 105 дБм. Результаты показать на графике по п.1 и пояснить физический
смысл этих построений.
3. Используя модель Ли произвести расчёты и графические построения,
аналогичные п.п. 1 и 2 для 3-х вариантов местности:
а) типовая пригородная, б) открытая территория, в) городская застройка.
4. Для варианта местности – типовая пригородная -- произвести сопоставительный
анализ значений радиусов зон обслуживания, вычисленных по моделям Окамуры и
Ли. Точные значения радиусов зон следует определять интерполяцией. Результаты
представить в виде таблицы.
Показатели зон обслуживания, км
Предельная чувствительность приёмника, дБм
Вид модели
- 90
- 100
- 105
Окамура
23
Ли
Задача 2. Построение кластера. Расчет отношения сигнал-интерференция.
1. Для заданного в табл.2 числа абонентов рассчитать нагрузку на БС и в
соответствии с табл. 4.1 определить требуемое число частот и каналов для этой БС.
Качество обслуживания (величина потерь -- Ротк) выбрать произвольно. Рассчитать
общее количество частот, необходимых для полного кластера размерности N1, а
следовательно, и для всей сети оператора. Результаты расчёта занести в табл. 2.
2. Нарисовать кластер для заданной в табл. 2 размерности кластера N 1 .
3.Рассчитать расстояние между БС с одинаковыми частотами при заданном N2 и
радиусе соты R0= 10 км. Рассчитать медианное значение SIR для заданного N2.
Примечания:
а) Для всех вариантов принять коэффициент усиления антенны МС – g2 = 0 дБ;
б) Индивидуальный номер задания М определяется по двум последним цифрам
номера студенческого билета YZ следующим образом:
М = (YZ) mod 15 + 1
где выражение: (YZ) mod 15 – означает остаток от деления числа YZ на 15.
Например, если номер студенческого билета заканчивается цифрами 67, то М = 8.
Исходные данные для расчета
№
Мощность Коэффиц. Высота
вар передатчика
усил.
антенны
М
БС
антенны
БС
PБС, Вт
БС
h1 , м
g 1 , дБ
1
0,3
14
90
2
2
12
60
3
5
12
70
4
7
10
60
5
20
6
90
6
0,2
15
70
7
10
12
60
8
5
10
90
9
15
12
50
10
20
15
60
11
4
10
70
12
1
12
90
13
10
10
80
14
15
12
90
15
30
6
80
Высота
антенны
МС
h2 , м
1,2
1,5
1,4
2,0
1,3
1,1
1,7
1,0
1,8
1,6
1,2
1,0
1,1
1,9
2,0
Таблица 1. Задача 1.
Угол
Высота Рабочая
наклона неровносте частота
трассы
й трассы сигнала
Y, мрад
dh, м
f,МГц
3
5
10
15
20
20
14
10
7
3
5
15
10
2
10
30
40
50
90
10
40
100
60
20
20
110
70
120
30
40
1800
450
450
900
800
1800
800
800
900
900
900
900
900
800
900
24
№
вар
М
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Исходные данные
Число
Размерность Размерность
абонентов кластера N1
кластера N2
на БС
для п.2
для п.4
50
150
200
250
300
350
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
7
3
3
7
3
7
3
7
3
7
7
3
3
7
3
Таблица 2. Задача 2.
Результаты расчёта
Число
Число
Общее
каналов
частот
число
на БС
на БС
частот
в сети
3
7
13
19
21
3
7
13
19
21
3
7
13
19
21
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Берлин А.Н. Цифровые сотовые системы связи. – М.: Эко-Трендз, 2007.
2.
Бабаков В.Ю., Вознюк М.А., Михайлов П.А. Сети мобильной связи. Частотнотерриториальное планирование. – М.: Горячая линия – Телеком, 2007.
3.
Маковеева М.М. Расчет энергетических параметров сотовых систем радиосвязи.
Учебное пособие / МТУСИ. - М.: ЗАО." Информсвязьиздат". 1997.-26 с.
4.
Нерсесянц А.А. Сборник лабораторных работ по исследованию систем и сетей
связи на имитационных GPSS-моделях. Учебное пособие / МТУСИ СКФ.: Ростов-наДону, 2008.