4.1. Цели, задачи и принципы проектирования сетей связи. 4. Методика многокритериального проектирования беспроводных сетей связи. Основы теории мобильной и беспроводной связи

Бс на колесах

Во время аварий или перегрузок сети не всегда можно оперативно перераспределить мощность стационарных базовых станций (БС) сотовой связи для того, чтобы поддержать тот или иной участок сети. И тогда на помощь приходят передвижные БС, которые монтируются на подвижном шасси.

Первые мобильные БС вступили в строй в Японии – они были смонтированы на небольших грузовичках и были призваны функционировать в зонах стихийного бедствия, особенно при землетрясениях, которые бывают в Японии регулярно. Причем несколько таких передвижных станций могут создавать действующую мобильную сеть даже при тотальном разрушении инфраструктуры.

Радиус соты одного грузовика – примерно 800-1200 м, за электропитание отвечал генератор, который работал на солярке.

Обычно передвижные БС, используемые в оперативном режиме, помогают увеличить емкость сети во время проведения мероприятий с массовым стечением зрителей: футбольных матчей, концертов мировых звезд, авиашоу и др.

Кроме того, подобные системы (в том случае, если они оснащены системами спутниковой связи) можно доставить в любое место по воздуху, где мобильной связи нет физически (или базовые станции уничтожены), и организовать там временную соту.

В связи со значительным количеством стихийных бедствий, некоторые операторы связи в США разработали целую программу по развитию мобильных БС.

Так, у Verizon Wireless есть больше десяти грузовиков в разных штатах, снабженных аппаратурой базовых станций мобильной связи. Кроме расширения емкости сети, они позволяют быстро создать “отдельную” от основной сеть для работников служб спасения – доступ туда получают владельцы тех телефонов, чьи номера заранее прописаны в специальной БС.

Соответственно, офицеры спецслужб, полиция, спасатели и врачи получают приоритетный доступ к связи. Обычно такие 11-тонные грузовики помимо оборудования укомплектованы ресурсами жизнеобеспечения для экстренных ситуаций: горючим, генератором электроэнергии, пищей, водой и спальными местами для обслуживающего автомобили персонала.

Читайте про операторов:  Как переоформить SIMкарту несколькими способами

Передвижная БС “ВымпелКома” – один из самых интересных проектов – смонтированный на шасси КАМАЗа, он обеспечивает высокую проходимость и удобство для персонала. Фактически, это проект созданный по принципу “все свое вожу с собой”.

Кстати, “связь на колесах” есть и для фиксированных абонентов. Сейчас, в век мобильных терминалов, это не так актуально, но еще 5-6 лет назад при авариях на телефонных подстанциях “в бой” вступали передвижные пункты телефонной связи, смонтированные на базе самых обычных “газелей”.

В свое время такие решения использовали и в МГТС: в микроавтобусе размещалась антенна для связи с базовой станцией по радиосигналу (БС находилась на Останкинской башне), дальность действия – до 40 км. Таким образом, передвижной пункт мог присоединиться к сети общего пользования в месте аварии или ЧП и, пока идет ремонт, обеспечивать связь при помощи радиотрубок или мини-таксофонов, работающих на расстоянии до 1,5 км от машины.

Обычно на каждый такой мобильный переговорный пункт выделялось от 12 до 70 радиолиний. Недавно такие мобильные станции были использованы во время взрыва газа на Озерной улице в Москве, когда без проводной связи остались жители нескольких многоэтажек.

Правда, у большинства абонентов есть мобильные телефоны, поэтому наличие таких станций у проводных операторов уже не критично.

В целом, опыт использования мобильных БС есть у всех крупных операторов связи России и стран СНГ. И это несмотря на тот факт, что мобильные БС для сотовой связи гораздо дороже тех же мобильных VSAT-станций из-за большого количества необходимого оборудования, которое несет “на борту” оснащенный автотранспорт.

Типовое наполнение таких решений (к примеру, передвижной станции “ВымпелКома”) – это автономная дизель-электрическая станция, система кондиционирования, а также аппаратная мобильной базовой станции, оборудованная рабочим местом оператора.

Внутри автомобиля или контейнера в стойках монтируются блоки базовой станции мобильной связи – ее размеры обычно напоминают тумбу от офисного стола, и с ее установкой не возникает каких-либо проблем.

Как правило, такое оборудование многостандартно – к примеру, в решении “ВымпелКома” в аппаратной размещается оборудование базовых станций GSM-диапазона 900/1800 МГц, позволяющее работать в сетях двух вендоров – Alcatel и Ericsson, а также оборудование сети третьего поколения диапазона 2100 МГц.

Мобильные БС могут быть и в контейнерах – для транспортировки их просто “цепляют” к грузовику и доставляют на место работы.

Подвижные базовые станции устанавливаются на автотранспорте трех основных типов – это микроавтобусы (в основном, “Газель” или “Баргузин”), грузовые транспортники повышенной проходимости (МАЗ, КамАЗ, ЗИЛ, КрАЗ, “Урал”) и специальные прицепы, которые буксируются автомобилем.

Есть и экзотические транспортные средства на четырех осях (тягачи от военных ракетных систем типа “Точка-У” или “Искандер”), но это единичные экземпляры, не представленные в сколь-нибудь значимой серии.

Мачта для антенны (обычно не превышающая по высоте 12 м) выставляется или вручную, или с помощью специального подъемного механизма; для этого необходима уже гидравлическая антенная опора, не требующая растяжек, которая может достигать высоты 25 м.

Кроме того, обычно обеспечена гибкость при выборе способа подключения к базовой сети сотовой связи – можно использовать радиорелейное, лазерное и спутниковое оборудование. Правда, типовая скорость от станции к базовой сети и обратно – от 512 кбит/с до 1 Мбит/с, более скоростную передачу данных организовать сложно (к примеру, при антенне диаметром 1,2 м внешний выделенный спутниковый канал не сможет обеспечить скорость более 512 кбит/c).

Кроме того, в кузове такой системы вполне можно обнаружить систему спутниковой навигации GPS/ГЛОНАСС, а также оборудование для контроля и измерения мобильной сети – при движении такой комплекс вполне может служить передвижной лабораторией, занимающейся мониторингом сотовой сети.

Еще один вариант мобильной БС – монтаж комплекса на базе автомобиля “Газель”. Правда, в таком случае приходится повозиться с внешней опорой для подвеса антенн сотовой сети, да и VSAT-антенну поставить уже некуда – обычно используется радиорелейный канал передачи данных с базовой сетью.

Типичная передвижная базовая станция по своей мощности равна емкости стандартной трехсекторной БС и способна поддерживать до 300 дополнительных голосовых каналов на расстоянии до 10 км (на открытой местности вне города). Правда, полезность подобных комплексов в России ограничивается тем, что необходимо заблаговременно получить специальное разрешение органов надзора даже на временное включение комплекса.

Конечно, в случае возникновения техногенных катастроф, в результате которых становится невозможным обеспечение связи стационарными базовыми станциями (отключение питания, повреждение опор стационарных БС и т. д.), такое разрешение получается за несколько минут, но об увеличении емкости сети при массовых мероприятиях оператору приходится заботиться заранее.

Мобильный контроль

Постоянный контроль покрытия сотовой сети, качества голосовой связи жизненно важен для любого оператора сотовой связи. Именно поэтому первостепенное значение приобретает получение адекватных и полных данных о состоянии сотовой сети – это можно сделать только с помощью специальных измерительных лабораторий на колесах.

Фургоны и джипы, оснащенные специальной аппаратурой, неустанно колесят по Москве и области, постоянно анализируя эфир по десяткам показателей и мгновенно определяя сложности и проблемы в функционировании базовых станций, способствуя бесперебойной работе сети.

В этой связи надо разделять два типа автомобилей – ремонтные комплексы (автомобили, оснащенные самой разнообразной и современной техникой для устранения всех возможных проблем функционирования сотовой сети) и подвижные измерительные лаборатории.

Машин первого типа у операторов “Большой тройки” по 5-6 в каждом крупном регионе – в основном такие комплексы монтируются на базе микроавтобусов. Машины второго типа стоят гораздо дороже обычных ремонтных грузовиков, так как оснащены современной компьютерной техникой (по стоимости такие измерительные комплексы гораздо дороже самих автомобилей) – их обычно меньше.

Лаборатории “на колесах” чаще всего предпочитают монтировать на базе джипов – это упрощает передвижение по проселочным дорогам.

Лаборатории “на колесах” представляют собой джипы, где установлены комплексы измерительной аппаратуры для тестирования сетей GSM 900/1800 и UMTS 2100. Джипы нужны потому, что сеть активно развивается не только в крупных городах, но и в пригородах, регионах, где условия воистину спартанские, а инженерам надо предельно ясно представлять себе ситуацию с покрытием сотовой связью на всей территории области.

Для этого приходится съезжать с асфальта и забираться в лес, ездить по полям и труднопроходимой местности со сложным ландшафтом. А проселочные дороги – это отдельная “песня” – рытвины, ухабы, глубокие лужи и скользкая глина. Не всякий микроавтобус выдержит – именно поэтому и покупают внедорожники.

Подвижные лаборатории – отнюдь не для парадов. Это настоящие “рабочие лошадки”, исправно выполняющие трудную и кропотливую работу – контроль качества сети. Каждый рабочий день экипажи отправляются на объезд территории – только по Москве за долгие годы выработано около 20-30 специальных маршрутов, проезжая по которым можно увидеть работу всех столичных базовых станций.

Второй вид тестов – проверки по жалобам пользователей на неважное качество связи или невозможность дозвониться с мобильных телефонов из определенного района. Если жалоб несколько или они повторяются, измерительная лаборатория обязательно проедет этот район вдоль и поперек с тем, чтобы выяснить причину “плохого поведения” сотовой сети – дальше ремонтные бригады устранят неисправность.

Третий вариант объездов – это доскональная проверка новых базовых станций, которые только водятся в строй. Измерительный комплекс проверяет не только покрытие станции и сверяет это с частотным планом, но и тестирует качество переключения между новой БС и соседями, качество голосовой связи.

Все это организуется с помощью специального оборудования, которое есть в автомобилях. Однако в последнее время первый вариант контроля сети почти сходит на нет – большое количество новых базовых станций “съедает” почти все рабочее время измерительных бригад. Тем более, что такие лаборатории по расписанию “гоняются” в регионы – там тоже надо определять качество связи.

Все свободное место в машине занимает оборудование для проверки качества связи, оператору остается только небольшой закуток.

Если заглянуть внутрь, то можно отметить, что во вместительном джипе всего одно рабочее место – все остальное занимает измерительная аппаратура. Чаще всего, в машине стоит два комплекса, питаются они от бортовой сети джипа, хотя есть и автономное питание, которого хватает на несколько часов.

Основной комплекс состоит из мощного ноутбука, нескольких специальных радиотехнических устройств и трех-четырех мобильных телефонов, один из которых работает только в диапазоне GSM900, второй – GSM1800, третий – двухдиапазонный и поддерживает оба стандарта связи, а четвертый (добавлен недавно) может работать на частоте 2100 МГц чтобы тестировать UMTS-сети.

Каждый из телефонов непрерывно звонит на специальные технические номера в офисе оператора связи так называемыми длинными звонками – то есть устанавливается соединение которое держится 54-59 минут. В это время измерительная аппаратура анализирует качество покрытия на протяжении всего маршрута движения измерительной лаборатории, определяя, насколько успешно сотовый звонок передается из соты в соту при движении автомобиля, в каких случаях могут возникать “глюки” или обрывы связи.

Все данные немедленно заносятся в компьютер в автоматическом режиме для дальнейшего анализа.

Второй, очень значимый комплекс, называется QVoice и представляет из себя небольшую темно-синюю сенсорную управляющую панель с цветным дисплеем, навигация по которой осуществляется с помощью пластикового пера.

Несколько радиотехнических блоков соединены между собой сложными коммуникациями, основу системы составляют тоже четыре мобильных телефона. Два из них звонят друг другу в режиме т. н. коротких звонков – длительностью 59 секунд. Один звонит на специальный сервисный номер в офис компании мобильной связи, еще один только принимает звонки из офиса компании.

После соединения передается короткое голосовое сообщение, представляющее собой стандартный текст на английском языке (так было проще разработчикам), произнесенный женским и мужским голосом. Эталон текста известен обрабатывающему компьютеру, полученный результат мгновенно сравнивается с эталоном и, посредством сложных математических вычислений, устанавливается мера сходства отправленного и полученного сообщения.

Чем более они похожи, тем лучше качество связи. Если есть значимые расхождения, немедленно можно установить причину, по которой возникают сложности или зафиксировать проблему для последующего анализа. Есть и оборудование для проверки GPRS/EDGE/UMTS, а также SMS/MMS – тестируются все возможности сети.

Одной из важных частей такого комплекса является система спутниковой навигации GPS (возможно, в ближайшем будущем поставят и ГЛОНАСС) – с ее помощью компьютер автоматически определяет свое местоположение в городе и заносит в специальный “черный ящик” все параметры сотовой сети с точной географической привязкой к местности.

Это позволяет аналитикам, с помощью высокоточной электронной карты города, с высокой достоверностью определять места, где возможны сбои или технические сложности.

В случае с новыми станциями, мобильные лаборатории объезжают их по кругу – на распечатке карты, которая имеется у экипажа, разными цветами показаны секторы (всего их три) новой базовой станции: им надо побывать в каждом и проверить, насколько они правильно ориентированы, не забивают ли друг другу эфир, есть ли “взаимопонимание” с соседями, и насколько они хорошо покрывают свой сектор – можно ли там звонить и принимать звонки.

Если станция работает, то в специальных “окошках” прикладного ПО мы видим ее порядковый номер, а телефоны лаборатории начинают работать через ее каналы. Если “hand over” произошел без потерь и “длинные звонки” в диапазонах от 900 до 2100 МГц удержались и “не слетели”, то это значит, что контроллер “видит” эту базовую станцию, соседи с ней не конфликтуют.

Проектирование беспроводной городской сети связи четвертого поколения

Пилипенко Александр Михайлович1, Ефремов Сергей Анатольевич2
1Южный федеральный университет, кандидат технических наук, доцент кафедры теоретических основ радиотехники
2Южный федеральный университет, студент Института радиотехнических систем и управления

Pilipenko Alexandr Mikhailovich1, Efremov Sergey Anatolyevich2
1Southern Federal University, candidate of Engineering Science, Associate Professor of the Fundamentals of Radio Engineering Department
2Southern Federal University, student of the Institute of Radio Engineering Systems and Control

Библиографическая ссылка на статью:
Пилипенко А.М., Ефремов С.А. Проектирование беспроводной городской сети связи четвертого поколения // Современные научные исследования и инновации. 2022. № 12 [Электронный ресурс]. URL: https://vse-simki.ru/issues/2022/12/61436 (дата обращения: 03.08.2022).

Сети беспроводной связи четвертого поколения (4G) начали разрабатываться в 2000 году, а с 2022 года сети 4G внедряются во многих странах мира. В соответствии с требованиями Международного союза электросвязи (МСЭ) сети 4G (International Mobile Telecommunications Advanced – IMT-Advanced), должны обеспечивать скорости передачи данных до 100 Мбит/с для высокоподвижных абонентов (абоненты, перемещающиеся в поездах или автомобилях) и до 1 Гбит/с для абонентов с небольшой подвижностью (пешеходы и фиксированные абоненты) [1]. В 2022 году МСЭ утвердил технологии LTE-Advanced (LTE Release 10) и WirelessMAN-Advanced (WiMAX Release 2 или IEEE 802.16m) в качестве официальных стандартов связи четвертого поколения [2]. 
Проведем сравнительный анализ стандартов LTE-Advanced (LTE-A) и WirelessMAN-Advanced (WiMAX-2) исходя из перечисленных ниже технических характеристик беспроводных сетей связи, определяющих их эффективность и качество предоставляемых услуг [3 – 6]:
– диапазон частот, в пределах которого рекомендовано МСЭ и разрешено Государственной комиссией по радиочастотам (ГКРЧ) развертывание беспроводной сети связи;
– максимальная спектральная эффективность – отношение максимальной скорости передачи информации к используемой полосе частот, измеряется в бит/с/Гц и определяется для линии связи от базовой станции к абоненту (линия «вниз» – downlink) и от абонента к базовой станции (линия «вверх» – uplink); 
– латентность сети – время подготовки к передаче информации по каналу связи, включающее в себя время перехода абонентского оборудования из режима ожидания в активный режим передачи данных (Control plane latency – C-plane) и время, через которое данные от абонентского оборудования поступят на базовую станцию (User plane latency – C-plane);
– длительность хэндовера – время переключения активного соединения с одного канала на другой: а) внутри одной и той же несущей частоты (внутри несущей), б) между двумя разными несущими в одной полосе частот (между несущими в полосе), в) между двумя разными несущими, расположенными в разной полосе частот (между полосами).
Следует отметить, что кроме традиционной оценки максимальной спектральной эффективности в бит/с/Гц существуют и другие подходы к расчету этого показателя. Например, спектральная эффективность часто определяется как отношение скорости передачи данных всех абонентов сети в определенной географической области (в соте или на границе соты) к используемой полосе частот [4].
Основные технические характеристики сетей связи четвертого поколения приведены в таблице 1, из которой следует, что стандарты LTE-А и WiMAX-2 являются практически равноценными по большинству параметров. Кроме того, оба стандарта поддерживают схему MIMO с обратной связью (Closed Loop MIMO – CL-MIMO), при использовании которой в приемнике оцениваются характеристики канала распространения радиоволн, после чего информация о характеристиках канала посылается от приемника к передатчику. Это позволяет сформировать оптимальные диаграммы направленности многоэлементных антенн на передающей и приемной сторонах, так чтобы пространственные каналы наименьшим образом интерферировали между собой, что значительно повышает энергетический бюджет соединения.

Таблица 1. Основные технические характеристики стандартов 4G

Показатель

LTE-A

WiMAX-2

Диапазон частот, 
МГц

791 – 821; 832–862; 880–915; 925–960; 1710-1785; 1805-1880; 2300 – 2400; 2500 – 2690;

2300 – 2400; 2500 – 2690;
3400 – 3600

Максимальная спектральная эффективность, бит/с/Гц

downlink: 16,3;
uplink: 8,4

downlink: 16,3;
uplink: 8,4

Спектральная эффективность соты, бит/с/Гц/сота

downlink: 2,4 – 3,8 
uplink: 1,5 – 2,1

downlink: 2,6 
uplink: 1,3

Спектральная эффективность на границе соты, бит/с/Гц/граница соты

downlink: 0,066–0,1
uplink: 0,062–0,099

downlink: 0,09 
uplink: 0,05

Латентность сети, мс

С-plane: 50;
U-plane: 4

С-plane: 100;
U-plane: 10

Длительность хэндовера, мс

во всех режимах: 10,5

внутри несущей: 27,5 
между несущими в полосе: 40 
между полосами: 60

Таким образом, технологии LTE-А и WiMAX-2 теоретически позволяют обеспечить сравнимую скорость передачи информации. С другой стороны, рассматриваемые технологии имеют некоторые отличия, представленные ниже.
Базовая структура сети WiMax основана на использовании трех частотных каналов и трехсекторной конфигурации сот. При этом в каждом из секторов сети WiMax используется один из трех частотных каналов (коэффициент переиспользования частот равен 3), что показано на рис. 1, а. [3, 7, 8]. 
Коэффициент переиспользования частот для базовой структуры сети LTE равен 1, т. е. все базовые станции работают на одной несущей. В этом случае внутрисистемные помехи минимизируются с помощью гибкого частотного плана, один из вариантов которого представлен на рис. 1, б. Для пользователей в центре любой соты могут выделяться ресурсы из всей полосы канала (серая зона), таким образом, технология LTE более эффективно использует выделенный спектр, чем WiMAX. Пользователям на краях сот выделяются разные частотные блоки (указаны соответствующим цветом на рис. 1, б), что позволяет минимизировать внутрисистемные помехи. 

4.1. Цели, задачи и принципы проектирования сетей связи. 4. Методика многокритериального проектирования беспроводных сетей связи. Основы теории мобильной и беспроводной связи

а                                                           б
Рис. 1. Переиспользование частот в сетях WiMax и LTE

Инфраструктура сетей WiMAX более простая, чем сетей LTE и, следовательно, более надежная технически. С другой стороны, сети LTE совместимы со стандартами сотовой связи предыдущих поколений – GSM и UMTS. Например, сети LTE могут использовать для передачи речи ресурсы сетей GSM и UMTS, которые практически повсеместно внедрены на территории России [9]. Благодаря описанным выше достоинствам технология LTE в настоящее время используется подавляющим большинством операторов связи для построения сетей 4G на территории Российской Федерации. Технология WiMAX, в свою очередь, так и не получила широкого распространения в России.
Сеть LTE, структура которой показана на рис. 2, состоит из двух важнейших компонентов: сеть радиодоступа (Evolution UMTS Terrestrial Radio Access Network – E-UTRAN) и базовая сеть (System Architecture Evolution – SAE). 

Сеть радиодоступа E-UTRAN состоит только из базовых станций – БС (evolved Node В – eNB), соединенных между собой по принципу «каждый с каждым» при помощи интерфейса Х2, поддерживающего хэндовер мобильного терминала в активном состоянии. Базовые станции выполняют функции управления радиоканалами, управления доступом, управления мобильностью и осуществляют динамическое распределение ресурсов. 
Важнейшими элементами базовой сети SAE, иногда называемой ядром пакетной сети (Evolved Packet Core – ЕРС), являются узел управления мобильностью – УУМ (Mobility Management Entity – ММЕ) и узел уровня пользователя УУП (User Plane Entity – UPE). УУМ обеспечивает управление мобильностью абонентского терминала и распределяет сообщения вызова по базовым станциям с помощью протоколов плоскости управления (С-plane), а также отвечает за обеспечение безопасности сети и управление роумингом. Основными функциями УУП являются передача данных пользователей и взаимодействие с базовыми станциями согласно протоколам плоскости пользователя (U-plane), кроме того УУП обеспечивает шифрование потоков данных и коммутацию пакетов при обеспечении мобильности пользователя.
Основным отличием базовой сети SAE от базовой сети системы UMTS является максимально упрощенная структура и отсутствие дублирующих функций сетевых протоколов. Таким образом, базовая сеть SAE построена на основе сетей 3G , но позволяет обеспечить более высокие скорости передачи данных и низкие задержки с помощью оптимизации передачи данных.
Архитектура базовой сети SAE предоставляет как голосовые услуги, так и IP-услуги на основе коммутации пакетов. Доступ к базовой сети SAE может осуществляться через сети радиодоступа второго и третьего поколений (2G/3G) с помощью узла обслуживания абонентов (УОА) и 3GPP-шлюза, а также через сети радиодоступа неевропейских технологий (Wi-Fi, WiMAX) и через проводные IP-сети (ADSL , FTTH, FTTB) с помощью IP-шлюза (шлюза пакетной коммутации). Шлюзы 3GPP и IP образуют единый узел привязки IASA (Inter Access System Anchor) для присоединения внешних IP-сетей.
Ниже описаны основные интерфейсы базовой сети SAE:
S1 – интерфейс между базовыми станциями и базовой сетью SAE, предоставляющий доступ к сети радиодоступа для передачи данных протоколов плоскостей пользователя и управления;
S2 – интерфейс, обеспечивающий передачу данных между базовой сетью и IP-сетями неевропейских технологий, поддерживает функции управления и мобильности;
S3 – интерфейс между УУМ/УУП и узлом обслуживания абонентов 2G/3G, обеспечивающий управление межсетевым хэндовером абонентских терминалов;
S4 – интерфейс, обеспечивающий передачу данных между 3GPP-шлюзом и узлом обслуживания абонентов 2G/3G;
S5a – интерфейс, обеспечивающий передачу данных между УУМ/УУП и 3GPP-шлюзом;
S5b – интерфейс между обеспечивающий передачу данных между шлюзами 3GPP и IP;
S6 – интерфейс, обеспечивающий доступ к серверу домашних абонентов (СДА) для аутентификации и авторизации пользователей;
S7 – интерфейс, обеспечивающий доступ к серверу тарификации абонентов (СТА) для управления установлением соединений с заданными параметрами на основе политики сети и тарификации;
SGi – интерфейс между узлом IASA и внешними IP-сетями, которые могут принадлежать как разным, так и одному оператору сотовой связи.
Рассмотрим основные этапы проектирования сети стандарта LTE на примере города Таганрога, который является крупным промышленным и культурным центром Ростовской области и юга России. Данная задача является актуальной для большинства провайдеров услуг связи, так как в настоящее время в Таганроге сети 4G развернуты только двумя операторами сотовой связи (МТС и Мегафон) притом, что потребности населения в высокоскоростном беспроводном доступе в Интернет постоянно растут с появлением новых мобильных устройств и разнообразных гаджетов.
Проведем анализ радиопокрытия сети связи. Вначале вычислим энергетический бюджет, который равен максимально допустимым потерям на линии (МДП). МДП – это разность между эквивалентной изотропной излучаемой мощностью (ЭИИМ) передатчика и минимальной мощностью сигнала на входе приемника, при которой обеспечивается нормальная демодуляция сигнала [10]. 
Для расчета энергетического бюджета проектируемой системы связи будем полагать, что для нее выделена полоса частот F = 20 МГц в диапазоне 2500 – 2690 МГц и применяется частотное дуплексирование (FDD), при котором системная полоса частот разделяется на 2 канала: 10 МГц для линии «вниз» (DL) и 10 МГц для линии «вверх» (UL).
В таблице 2 приведены характеристики линии «вниз» и линии «вверх» для случая, когда антенная система базовой станции имеет две передающие и две приемные антенны (режим MIMO 2×2 на линии «вниз»), а в качестве мобильной станции (МС) используется USB-модем (класс 3) имеющий одну передающую и две приемные антенны (режим MIMO 1×2 на линии «вверх») [10 – 13]. При расчете МДП на линии связи, кроме характеристик передатчиков и приемников, в таблице 2 также учитывался ряд других параметров и характеристик среды распространения, физический смысл которых описан ниже.
Запас на интерференционные помехи MInt позволяет учитывать влияние помех от соседних сот на БС и МС, которое особенно велико для МС, находящихся на границах сот. Величина MInt лежит в пределах 3…8 дБ [11].
Запас на проникновение в помещение/автомобиль MBuild 4.1. Цели, задачи и принципы проектирования сетей связи. 4. Методика многокритериального проектирования беспроводных сетей связи. Основы теории мобильной и беспроводной связинеобходимо учитывать вследствие различного ослабления сигнала в зависимости от класса местности. Для диапазона 2600 МГц могут использоваться следующие значения запаса на проникновение: 22 дБ – в условиях плотной городской застройки; 17 дБ – в условиях средней городской застройки; 12 дБ – в условиях редкой застройки и в пригороде; 8 дБ – в сельской местности, в парке и в автомобиле на открытой местности [10].
Запас на затенение MShade учитывает ослабление сигнала вследствие движения МС, так как при этом часто происходит потеря прямой видимости между МС и БС. Стандартное значение MShade = 8 дБ [13].
Необходимо отметить, что приведенным в таблице 2 значениям МДП соответствует минимальная скорость передачи данных на линии «вверх» – 128 кбит/с, на линии «вниз» – 4200 кбит/с при условии средней городской застройки [10].

Таблица 2. Характеристики канала связи сети LTE

Линия

DL

UL

Передатчик

БС

MC

Выходная мощность передатчика , PTX, дБм

43

23

Количество передатчиков, MTX

2

1

Суммарная мощность передатчиков, PTXΣ, дБм

46

23

Коэффициент усиления передающей антенны,GATX,дБи

18

0

Потери в фидерном тракте передатчика, LFTX, дБм

0,5

0

ЭИИМ передатчика: PEIRP= PTXΣ   GATX −LFTX, дБм

63,5

23

Приемник

МС

БС

Число выделенных ресурсных блоков, NRB

50

2

Мощность теплового шума приемника: PN =10lg(1000kTВ), дБм
k = 1,38•10−23 – постоянная Больцмана; 
T = 290 К – абсолютная температура;
B = NRBFRB – шумовая полоса приемника;
FRB = 180 кГц – ширина полосы одного ресурсного блока.

− 104,5

− 118,5

Коэффициент шума приемника, NF ,дБ

7

2

Отношение сигнал-шум и интерференционная помеха, SINR, дБ

− 1

1,5

Чувствительность приемника: 
SRX = PN   NF   SINR, дБм

− 98,5

− 115

Коэффициент усиления приемной антенны,GARX, дБи

0

18

Потери в фидерном тракте приемника, LFRX, дБ

0

0,5

Запас на интерференционные помехи, MInt, дБ

8

3

Запас на проникновение в помещение/автомобиль, MBuild, дБ

17

17

Запас на затенение, MShade, дБ

8

8

Максимально допустимые потери на линии:
LMAPL = PEIRP – SRX   GARX − LFRX − MInt− MBuild − MShade, дБ

129

127,5

Расчет радиуса соты, равного дальности связи, производят для минимального из двух значений МДП, полученных для линии «вниз» и линии «вверх». Для расчета дальности связи в данном случае используется модель распространения радиоволн COST231-Hata [13, 14]:

4.1. Цели, задачи и принципы проектирования сетей связи. 4. Методика многокритериального проектирования беспроводных сетей связи. Основы теории мобильной и беспроводной связи, (1)

где LP – потери на распространение радиоволн, дБ; hB – высота антенны базовой станции, м; hM – высота антенны мобильной станции, м; d – дальность связи, км; f – рабочая частота, МГц; KС – поправочный коэффициент потерь, зависящий от типа застройки, дБ.
Выражение (1) можно привести более компактному виду:
4.1. Цели, задачи и принципы проектирования сетей связи. 4. Методика многокритериального проектирования беспроводных сетей связи. Основы теории мобильной и беспроводной связи, (2)
где 4.1. Цели, задачи и принципы проектирования сетей связи. 4. Методика многокритериального проектирования беспроводных сетей связи. Основы теории мобильной и беспроводной связи; 4.1. Цели, задачи и принципы проектирования сетей связи. 4. Методика многокритериального проектирования беспроводных сетей связи. Основы теории мобильной и беспроводной связи.
Из формулы (2) нетрудно определить зависимость дальности связи d от величины потерь и от рабочей частоты 
4.1. Цели, задачи и принципы проектирования сетей связи. 4. Методика многокритериального проектирования беспроводных сетей связи. Основы теории мобильной и беспроводной связи. (3)
Площадь радиопокрытия одной базовой станции SBS можно оценить как площадь правильного шестиугольника (соты) с радиусом описанной окружности равным d [15]:
4.1. Цели, задачи и принципы проектирования сетей связи. 4. Методика многокритериального проектирования беспроводных сетей связи. Основы теории мобильной и беспроводной связи. (4)
Полагая, что hB = 30 м, hM = 1,5 м, f = 2600 МГц и приравнивая потери на распространение радиоволн LP минимальному из двух значений МДП, полученных для линии «вниз» и линии «вверх», можно определить радиус и площадь радиопокрытия одной базовой станции с помощью формул (3) и (4), а затем рассчитать требуемое количество БС для обслуживания города Таганрога площадь которого составляет около 80 км2. 
Результаты расчетов числа БС сведены в таблицу 3. При расчетах учитывался класс местности, так как потери на проникновение в помещение существенно влияют на МДП и соответственно на площадь обслуживания и количество БС.

Таблица 3. Расчет числа базовых станций для обслуживания г. Таганрога

Класс местности

Плотная застройка

Средняя застройка

Редкая застройка

Открытая местность, парки

Итого

Доля площади города по классам местности, %

10

40

30

20

100

Площадь города по классам местности SГ, км2

8

32

24

16

80

Потери на проникновение в помещение, MBuild,дБ

22

17

12

8

−

МДП, LMAPL, дБ

122,5

127,5

132,5

136,5

−

Поправочный коэффициент потерь, 
KС, дБ

0

− 5

− 10

− 15

−

Радиус соты d, км

0,29

0,55

1,06

1,91

−

Площадь соты, SBS, км2

0,21

0,79

2,92

9,48

−

Число БС, SГ / SBS

38

41

9

2

90

Таким образом, для организации сети четвертого поколения стандарта LTE в городе Таганроге потребуется размещение 90 БС. Очевидно, что полученный результат является только предварительной оценкой, тем не менее, он позволяет установить возможность развертывания сети связи исходя из финансовых возможностей сотовой компании. Более точную оценку количества БС можно определить с помощью специализированных программных пакетов радиопланирования, учитывающих рельеф местности и тип застройки. Кроме того,при размещении БС необходимо проводить анализ зоны покрытия каждой станции и учитывать наличие уже имеющихся БС стандартов 2G/3G.
Формула (3) позволяет оценить зависимость дальности связи от частоты при различных типах застройки (рис. 3). Из рис. 3 видно, что с ростом рабочей частоты дальность связи уменьшается. Так, при увеличении рабочей частоты от 1 ГГц до 3 ГГц дальность связи будет уменьшаться от 4,8 до 1,7 км – на открытой местности, от 2,6 до 0,9 км – при редкой застройке, от 1,4 до 0,5 км – при средней застройке и от 0,7 до 0,25 км при плотной застройке. 

Основными производителями операторского оборудования LTE являются компании Ericsson, ZTE, Samsung, Huawei и Nokia. Стоимость одной базовой станции для сети LTE лежит в пределах от $30000 до $50000 [16]. В качестве примера БС можно привести модель DBS3900 компании Huawei (рис. 4), которая поддерживает диапазоны частот 700/800/900 МГц, 1,8/1,9/2,1/2,3/2,6/3,5 ГГц; полосы частот 3/5/10/20 МГц; временное и частотное дуплексирование (TDD и FDD); режимы MIMO2x2 и MIMO4x2 [17].
DBS3900 имеет гибкие возможности установки и обеспечивает быстрое развертывание сети. DBS3900 состоит из блока обработки базовых частот (BBU) и выносного радиочастотного блока (RRU). BBU устанавливается внутри помещений и обеспечивает централизованное управление, обработку сигнализации и синхронизацию базовой станции. BBU имеет физические интерфейсы (оптические линии) для соединения с контроллером базовых станций и RRU. RRU обеспечивает прием, передачу и обработку радиосигналов, причем каждый RRU реализует функции двух приемопередатчиков. Для снижения потребляемой мощности и затрат на фидеры RRU можно установить на столбе, мачте, бетонной стене или рядом с антенной системой.

4.1. Цели, задачи и принципы проектирования сетей связи. 4. Методика многокритериального проектирования беспроводных сетей связи. Основы теории мобильной и беспроводной связи

Рис. 4. Базовая станция Huawei DBS3900 стандарта LTE

Оценим пропускную способность (емкость) проектируемой сети с учетом, того, что для нее выделена пара полос 10 10 МГц. Емкость сети оценивают на основе средней спектральной эффективности соты, которая в соответствии с данными приведенными в таблице 1 для сети стандарта LTE-Advanced на линии «вниз» составляет 3,2 бит/с/Гц/сота, на линии «вверх» − 1,8 бит/с/Гц/сота. Для системы с частотным дуплексированием средняя пропускная способность соты равна произведению полосы частот канала на среднюю спектральную эффективность соты. В случае трехсекторных антенн средняя пропускная способность базовой станции будет в три раза больше средней пропускной способности соты [10]. Результаты расчета средней пропускной способности трехсекторных базовых станций приведены в таблице 4.

Таблица 4. Средняя пропускная способность базовых станций LTE-Advanced

Из таблицы 4, следует, что средняя пропускная способность базовой станции на линии «вниз» составляет RBS = 96 Мбит/с. Поскольку число базовых станций в проектируемой сетиNBS = 90, суммарная пропускная способность сети равна

RNW = NBS•RBS = 8640 Мбит/с.

Далее можно рассчитать число абонентов в сети, используя известные оценки трафика в типовой городской сети передачи данных [10]:
– максимальный объем трафика абонента Tm = 30 Гбайт/месяц;
– число часов наибольшей нагрузки (ЧНН) в день NBH = 8;
– число дней в месяце ND = 30;
– усредненный трафик абонента в ЧНН

– доля трафика на линии «вниз» SDL = 0,8;
– усредненный трафик на линии «вниз» в ЧНН

– число абонентов в сети: 4.1. Цели, задачи и принципы проектирования сетей связи. 4. Методика многокритериального проектирования беспроводных сетей связи. Основы теории мобильной и беспроводной связи.
Полученная расчетная емкость в 39 тыс. абонентов означает, что примерно 15 % населения города Таганрога (численность населения Таганрога составляет примерно 250 тыс. человек) можно обеспечить беспроводным широкополосным доступом в Интернет по технологии LTE-Advanced при выделении полосы 10 10 МГц (режим частотного дуплексирования).
Преимущества беспроводных сетей связи заключаются в том, что они не требуют затрат на прокладку кабелей к каждому абоненту, могут быть развернуты в достаточно короткие сроки и позволяют обеспечить высокоскоростной канал передачи данных и возможность голосовой связи для различных типов абонентов, в том числе абонентов с высокой мобильностью. В данной работе были рассмотрены основные принципы и особенности проектирования городской беспроводной сети связи четвертого поколения на примере города Таганрога. Получены оценки пропускной способности и емкости сети LTE-Advanced при заданной полосе частот. Следует отметить, что представленная в работе методика проектирования может использоваться при разработке беспроводных сетей связи четвертого поколения в средних и крупных городах России с населением 100 – 500 тыс. человек и площадью 30 – 120 км2.

Библиографический список

  1. Recommendation ITU-R M.1645. Framework and overall objectives of the future development of IMT-2000 and systems beyond IMT-2000 // International Telecommunication Union, 2003. – URL: http://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/m/R-REC-M.1645-0-200306-I!!PDF-E.pdf (дата обращения 16.11.2022)
  2. ITU-R IMT-Advanced 4G standards to usher new era of mobile broadband communications // International Telecommunication Union, 2022. – URL:http://www.itu.int/net/pressoffice/press_releases/2022/40.aspx#.Vkpb87-ns5l (дата обращения 16.11.2022).
  3. Варукина Л. Производительность сети TD-LTE в сравнении с WiMAX [Электронный ресурс]: Мобильный Форум, 2022. – URL: http://www.mforum.ru/news/article/093817.htm (дата обращения 16.11.2022).
  4. Тихвинский В.О., Юрчук А.Б., Терентьев С.В. Сети мобильной связи LTE. Технологии и архитектура. – М: Эко-Трендз, 2022. – 284 с.
  5. IEEE 802.16m. Technology Introduction: Rohde & Schwarz, 2022. –URL: https://www.rohde-schwarz.com/en/applications/ieee-802.16m-technology-introduction-application-note_56280-15513.html (дата обращения 16.11.2022).
  6. Терещенко С. LTE vs. WiMAX [Электронный ресурс]: Радиочастотная служба, 2022 – URL: http://www.rfs-rf.ru/upload/medialibrary/53e/018691.pdf (дата обращения 16.11.2022).
  7. Легков К.Е. Беспроводные сети нового поколения WiMax и LTE: анализ производительности при применении на транспорте // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2022. Т. 6. № 3. С. 46-51.
  8. Легков К. Анализ производительности беспроводных сетей нового поколения // Мобильные телекоммуникации. 2022. № 5 (117). С. 12-15.
  9. Бочкова Н.И. Ярлыкова С.М. Сравнительный анализ решений по передаче голоса в мобильных сетях широкополосного доступа // TComm: Телекоммуникации и транспорт. 2022, T. 7. №7. С. 16-19.
  10. Варукина Л. Упражнение по планированию радиосетей LTE [Электронный ресурс]: Мобильный Форум, 2022. – URL: http://www.mforum.ru/news/article/097078.htm (дата обращения 15.11.2022).
  11. LTE Radio Link Budgeting and RF Planning: LTE Encyclopedia – URL: https://sites.google.com/site/lteencyclopedia/lte-radio-link-budgeting-and-rf-planning (дата обращения 21.11.2022).
  12. Holma H., Toskala A. WCDMA for UMTS: HSPA evolution and LTE. 5th ed. – John Wiley & Sons Ltd, 2022.
  13. Sesia S., Toufik I., Baker M. LTE – the UMTS long term evolution: from theory to practice. 2nd ed. – John Wiley & Sons Ltd, 2022.
  14. 3GPP TR 25.996 version 12.0.0 Release 12. Spatial channel model for Multiple Input Multiple Output (MIMO) simulations. Technical report, 2022. – URL:http://www.etsi.org/deliver/etsi_tr/125900_125999/125996/12.00.00_60/tr_125996v120000p.pdf (дата обращения 21.11.2022).
  15. Весоловский К. Системы подвижной радиосвязи / пер. Н.И. Рудинского, А.И. Ледовского. – М.: Горячая линия-Телеком, 2006. – 536 с.
  16. LTE (Long-Term Evolution, 4G) [Электронный ресурс] – URL: http://www.tadviser.ru/index.php/Статья:LTE (дата обращения 21.11.2022).
  17. DBS3900 Distributed Base Stations [Электронный ресурс] – URL: http://e.huawei.com/en/products/wireless/elte-access/network-element/dbs3900 (дата обращения 21.11.2022).

Количество просмотров публикации:

Please wait

Все статьи автора «Пилипенко Александр Михайлович»

Типовой монтаж

Смотреть на то, как монтируется оборудование на зданиях в городе, скучно – кран, рабочие и большая часть операций скрыта от глаз самых обычных пользователей. А вот вертолетный монтаж – это гораздо более зрелищно. Причем, технология за последние годы нисколько не изменилась.

  1. 1. укрупнительная сборка (четыре секции под вертолет и одна под кран) организуется силами 6-8 человек и одним автокраном в течение 4-5 дней. В это же время тяжелым краном устанавливается первая секция сооружения, чтобы не тратить на нее время вертолетного монтажа.
  2. 2. монтаж вертолетом в один день.
  3. 3. измерения пространственного положения ствола опоры и ее “протяжка” (2-3 дня). Допуск очень жесткий – башня не должна отклоняться от вертикального положения более чем на 6-7 см.
  4. 4. благоустройство участка вокруг башни (водоотводные лотки, установка ограждения).
  5. 5. монтаж базовой станции, секторных (связь с терминалами пользователей) и радиорелейных (связь с другими башнями) антенн, а также оборудования внутри контейнера, подводится электричество, монтируется система светоограждения, молниезащиты, заземления.
  6. 6. включение базовой станции и настройка пролетов (точная настройка азимутов и сигналов антенн).
  7. 7. подключение базовой станции в сеть (иначе – интеграция) и затем – сдача оператору сотовой связи всего объекта связи в комплексе.

Давайте рассмотрим эти этапы более подробно.

Стройплощадка – вагончик для оборудования и первая секция высотой в 20 метров, установленная краном

Обычно сборка происходит крайне оперативно. Все металлоконструкции привозят на длинномерных тягачах и после этого собирают в четыре крупные секции, которые вертолету предстоит водрузить одну на другую.

Самая верхняя часть мачты, здесь будут установлены антенны

Перед началом монтажа конструкции разложены в строгом соответствии с порядком сборки, для того, чтобы вертолет не совершал лишних движений в воздухе. Остается только поднять секции башни в воздух и по прямой донести до места сборки.

Значительную часть авиационного обслуживания монтажных работ осуществляет НПО “Взлет” (г. Москва).

На их машинах специально для монтажа сложных конструкций предусмотрено несколько технических новшеств. Одно из них – специальная внешняя подвеска, на которую крепят трос с блоками башни. Она управляется компьютером, который учитывает все порывы ветра и удерживает несколько тонн металла в точно вертикальном направлении.

На некоторых “бортах” есть и специальная прозрачная задняя кабина, из которой летчик осуществляет монтаж секций. Оттуда открывается вид на конструкцию, которую необходимо установить. После взлета пилот, находящийся в основной кабине, передает управление в дополнительную кабину, и уже оттуда идет управление вертолетом для установки конструкции на нужное место.

Перед монтажом идет облегчение взлетного веса вертолета

Вертолет к монтажу готовят несколько техников – идет слив топлива во внешнюю цистерну, чтобы уравновесить машину и облегчить взлетный вес. Обычно конструкции башни весят по 2-3 тонны, при грузоподъемности машины до 5 тонн. Перед монтажом обычно запрашивается прогноз погоды по конкретному региону – должна быть хорошая видимость и небольшой ветер.

При этом сам процесс сборки очень быстрый – можно уложиться минут в 40, ведь чтобы поставить одну секцию надо всего 6 минут. Технология вертолетного монтажа позволяет монтировать 3-4 конструкции в день, если они, конечно, близко расположены друг к другу.

Обычно к монтажу привлекаются вертолеты типа Ми8 МТВ1, хотя для более тяжелых конструкций есть машины Ми10К, КА32 и даже самый большой вертолет Ми26.

Первый взлет – бело-синий вертолет Ми8 МТВ1 оживает, надрывно кашляет, вдыхая жизнь в свои двигатели, и приведенные в движение лопасти поднимают его над землей. Здесь можно оценить мастерство летчиков – громадная машина разворачивается буквально на пятачке и грациозно подплывает к первой конструкции, которую надо водрузить на уже собранные секции.

Персонал занял места “по боевому расписанию” – люди поднимаются к стыковочным узлам башни.

Вертолет готов к подъему первой секции – все разложено в своей очередности.

Если стоять в 30-40 метрах от машины, то на деревьях бешено дергаются листья, вокруг свистит воздух, летят в разные стороны небольшие ветки и трава – все живое прижимается к земле под сильным воздушным напором от лопастей вертолета. Работа по вертолетному монтажу ювелирная и требует большой выдержки и точности, как от летчиков, так и от монтажников, которые все это время работают на башне.

Плавное снижение с выпуском тросов, стыковка с конструкцией, медленный взлет в направлении башни.

К каждой многотонной секции, из которых собирают башню, привязаны направляющие тросы-ловители, с их помощью монтажники направляют конструкцию. Так вот сразу брать в руки тросы-ловители – нельзя! Надо, чтобы они сначала коснулись металлического остова башни, и заряд статического электричества ушел в землю.

Или другая ситуация – весь процесс монтажа производится в режиме радиомолчания – управление только по визуальным командам “флажкового” с земли. Именно этот человек должен сам убедиться в том, что фланцы блоков соприкоснулись, и только после крепления секции дать команду пилоту вертолета отцепить трос с внешней подвески.

Борясь с ветром, вертолет осторожно подходит к башне, касается тросами-ловителями металлических опор, после чего монтажники подтягивают конструкцию к основанию и закрепляют специальными болтами.

Все то же самое происходит с третьей и последующими секциями – только гораздо выше.

Захват последней секции и установка ее наверху. Самая сложная операция – ветер на высоте уже сильный, да и вертолету приходится каждый раз забираться все выше и выше, чтобы доставить секцию к башне.

Подтянуты уже все тросы, вставлены все оправки, закреплены болты, и вертолет, повинуясь взмаху флажка, отстегивает металлический трос и отходит в сторону от башни.

Антенно-фидерные трассы.

Все – монтаж башни закончен. Осталось протянуть антенно-фидерные трассы и установить оборудование в контейнер. Скоро и здесь будет устойчивая связь. Но для этого сотрудникам оператора связи еще предстоит поработать – установленное оборудование необходимо настроить.

Контейнеры с оборудованием защищены металлической дверью и сигнализацией

Контейнеры с оборудованием стараются располагать в защищенных местах, дверь обычно делают напротив населенного пункта или бензоколонки. Вагончик с оборудованием и саму башню обносят высоким забором, опоясывают тремя рядами колючей проволоки (к примеру, типа “Егоза”) и ставят на сигнализацию (кстати, кроме этого в вагончике есть противопожарная система и климатическая установка), которая выведена на пульт в центре контроля сети у оператора сотовой связи.

Правила для персонала – соблюдение их обязательно.

Случаи разграбления контейнеров бывают, но, к счастью, достаточно редко – там размещено специфическое оборудование, которое просто не продать на рынке, а вневедомственная охрана по вызову приезжает достаточно быстро.

Типовой план контейнера с оборудованием базовой станции оператора сотовой связи – разумеется, марка оборудования, равно как и размещение “железа”, может меняться.

Контейнер внутри совсем небольшой – на 8 или 10 (в зависимости от модели) квадратных метрах полезной площади надо уместить кондиционеры, батареи автономного питания, саму базовую станцию, панели сигнализации и распределительный щит, а также оптический кросс.

Самый простой стол с табуретками – все аскетично и предназначено для работы. Кстати, пластиковый поддон наполнен копиями бумаг по этой БС, чтобы не возить их постоянно с собой.

Базовая станция от NokiaSiemens (произведенная для “МегаФона”) со снятой лицевой панелью – очень компактная, потребляет немного электроэнергии и полностью готова к работе.

Базовая станция от AclatelLucent для “СкайЛинк” – поддержка EV-DO Rev. A присутствует.

Внутренний вид контейнера с оборудованием.

Помещение, конечно, аскетично – большую часть времени оно проводит в закрытом режиме, переживая “нашествие” технических специалистов только во время аварии или отключения электропитания, а также во время плановых технических осмотров. Кстати, после установки оборудования необходимо провести еще несколько обязательных мероприятий.

Тест системы питания – все кабели должны быть хорошо закреплены.

Тестирование базовой станции перед запуском и включение ее в “боевую” эксплуатацию.

Заключительная проверка коэффициента стоячей волны – степени согласования антенны и фидера.

Похожие записи про сим-карты:

Нет похожих записей про сим-карты.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

➤