Частотно-территориальное планирование сети сотовой подвижной связи стандарта GSM. Курсовая работа (т). Информатика, ВТ, телекоммуникации. 2014-04-27

Аннотация

Гребнев К. Е. Системы и сети связи с подвижными объектами – Челябинск:
ЮУрГУ, ПС, 2005, 24с. Библиография литературы – 5 наименований.

В курсовом проекте произведен выбор и обоснование модели для
прогнозирования уровня радиосигнала, произведен энергетический расчет,
частотно-территориальное планирование, расчет трафика сотовой системы, расчет
отношения сигнал-интерференция и сигнал-шум, радиуса зоны покрытия, модели
кластера.

Содержание

Введение

1. Анализ технического задания

2. Энергетический расчет трассы

2.1 Расчет мощности сигнала в точке приема при
распространении в свободном пространстве

2.2 Расчет УММС

.3 Расчет
шумов

3. Частотно-территориальное планирование

3.1 Модель кластера

3.2 Интерференционные помехи на совпадающих частотах

4. Расчет телефонного трафика

5. Выбор оборудования базовой станции и используемых антенн

Заключение

Литература

Приложения

шум сигнал станция антенна

Введение

Линии радиосвязи, входящие в состав сотовых сухопутных подвижных систем
электросвязи (ССПСЭ) и спутниковых систем связи, обычно работают в диапазонах
ультравысоких частот и сверхвысоких частот и соответственно в диапазонах
дециметровых и сантиметровых волн. Параметры радиоканала, определенные при
распространении радиоволн в свободном пространстве не могут быть полностью
использованы для расчета радиолиний, так как не учитывают специфику систем
подвижной радиосвязи. Поэтому расчет осуществляется с применением моделей
предсказания уровня принимаемого радиосигнала.

1. Анализ ТЗ

1.1 Протяженность трассы

Исходя из данных ТЗ протяженность трассы 50 км, тип местности – равнина.
При расчёте курсового для параметров ТЗ приходили к выводам о неполном охвате
абонентов при расчёте трафика, либо приходилось увеличивать число частотных
каналов, что ведет к усложнению и несёт дополнительные затраты связанные с
арендой частотного диапазона. Для проектирования в этом регионе сети с
уверенным приемом, учитывая площадь территории, тип местности, число жителей и
процент охвата СПР протяженность трассы возьмем 3 км. Данное значение выбрано
экспериментально с 3 раза, что требовало пересчета всей работы, как и подобает
курсовому проекту.

1.2 Уровень мощности передатчика

Возьмём уровень мощности передатчика 40 дБм, который является стандартным
и достаточным [4] и который стандартизован производителями оборудования.

1.3 Выбор модели предсказания уровня радиосигнала

Существует ряд моделей для прогнозирования уровня радиосигнала в СПР. Для
целей курсового проектирования в соответствии с ТЗ наиболее подходят две
модели: модель Окамуры и модель Хата [1]. Использование модели Хата было бы
предпочтительнее, т.к. вместо графических зависимостей коэффициентов пересчета
от реальных параметров системы она позволяет пользоваться формулами, что
ускоряет процесс расчета и исключает ошибки связанные с “человеческим
фактором”. Однако в обучение хочется не пересчета длинных формул, а
интересной проектной работы, чтобы была возможность наглядно посмотреть,
сравнить, сопоставить и проанализировать экспериментальные данные, на которых
основана модель Окамуры и что в модели Хата невозможно.

По ТЗ, диапазон частот 850 МГц, протяженность трассы выбрана 3 км.

Выберем модель Окамуры, которая распространяется на диапазон расстояний
1…100 км и диапазон частот от 100МГц до 3ГГц.

2. Энергетический расчет трассы

2.1 Расчет мощности сигнала в точке приема при распространении в
свободном пространстве

Согласно основному уравнению передачи, уровень мощности принимаемого
сигнала:

 (2.1)

 – уровень мощности сигнала в точке приема при
распространении в свободном пространстве;

= 40 дБм – уровень мощности передатчика БС;

=7дБ, =6дБ – коэффициент усиления передающей и приемной антенны
соответственно;

,  – потери в фидере передающей и приемной антенны
соответственно;

Потерями в тракте приемной станции можно пренебречь (= 0), потери в фидере передающей
станции = 0…10 дБ. Выберем =5дБ.

– ослабление свободного пространства;

 = 3км – протяженность трассы;

λ – рабочая длина волны;

– множитель ослабления поля свободного пространства.

дБ

дБм

2.2     Расчет УММС

Расчет УММС для квазигладкой поверхности

Выбор энергетических параметров в сотовых системах радиосвязи должен
обеспечить уверенный прием в зоне обслуживания БС. В точках приема на границе
соты уровни сигнала будут различными вследствие неодинакового влияния застройки
и рельефа местности. Поэтому в системах радиосвязи путем усреднения по двум
параметрам: по времени и местоположению (по числу течек приема) определяют
усредненную медианную мощность (УММС).

УММС (Усредненная медианная мощность сигнала) – это такое значение,
которое не превышается в течение 50% времени наблюдения и в 50% точек приема,
находящихся на расстоянии  от передающей станции.

В модели Окамуры, для квазигладкой местности уровень УММС:

 (2.2)

=-53 дБм

– дополнительное ослабление сигнала в городе

 – Коэффициент “высота-усиление БС”

– Коэффициент “высота-усиление АС”

 дБ – по графику (рис. 1)

Рисунок 1 – Медианное ослабление сигнала на городских трассах

Влияние высоты антенны БС зависит от расстояния между МС и БС и
практически не зависит от частоты в диапазоне 200…2000 МГц. При r10 км мощность принимаемого сигнала
изменяется пропорционально квадрату высоты антенны:

, при  км (2.4)

НдБ

Влияние высоты антенны МС не зависит от протяженности трассы, поскольку
эти антенны расположены ниже уровня городской застройки. Кроме того, при h_МС <3 м влияние антенны МС одинаково
на всех частотах и не зависит от характера застройки. Коэффициент
“высота-усиление антенны МС” будет равно нулю, так как по ТЗ значение
высоты антенны МС совпадает с базовыми значениями модели Окамуры.

Экспериментальные данные позволяют записать:

 (2.5)

 дБ

Таким образом, подставив выражения (2,5), (2,4) в (2,3), получим уровень
УММС:

 дБм

УММС с учетом поправочных коэффициентов

 (2.6)

 = 0 – поправочный коэффициент для пригородной зоны и
открытой местности;

 – поправочный коэффициент для трассы с наклоном;

 – поправочный коэффициент для участка
“земля-море”;

 – поправочный коэффициент для холмистой местности.

Под трассами с наклоном подразумевают трассы, на которых рельеф плавно
понижается (или повышается) на расстоянии 5 км и более. Для нее определяют
средний угол наклона . По ТЗ = 15. Угол считается положительным, если МС расположена на
высшем участке трассы.

В этом случае дополнительный рост или потери мощности сигнала при его
распространении нужно учитывать с помощью коэффициента .

Рисунок 2 – Коэффициент, учитывающий влияние наклона местности: 1 – r >
60 км; 2 – r > 30 км; 3 – r < 10 км

При = 15, =2дБ.

Мощность сигнала возрастает, если трасса пересекает водную поверхность.
Коэффициент  зависит от отношения b=r_в/r, где r_в –
протяженность трассы над водой. По ТЗ b=0,3.

Кривая 1 на рис.3 определяет  для случая, когда водная поверхность
ближе к приемной станции, кривая 2 – к передающей. По ТЗ водная поверхность
ближе к МС, поэтому используем кривую 1 (рис. 3).

Рисунок 3 – Коэффициент “земля-море”

По ТЗ b=0,3МС, =5 дБ

При распространении сигнала над холмистой поверхностью потери
распространения увеличиваются по сравнению со случаем квазигладкой местности.
Значение  зависит от  – средней высоты неровностей, как
разность между высотами h
(90%) и h (10%). Здесь h (90%) и h (10%) – значения высот местности на трассе протяженностью
около 10 км, превышаемые в 90% и 10% точек профиля соответственно. Условие
квазигладкой местности нарушается при >20м.

По ТЗ Тип местности – равнина ( < 20м), следовательно поправочный
коэффициент = 0.

Таким образом, УММС с учетом поправочных коэффициентов:

дБм

Влияние протяженности трассы на УММС

В общем случае при удалении МС от БС мощность сигнала, принятого на МС
уменьшается по закону

 (2.7)

где ; n – показатель
затухания; R* = 1 км – эталонная длина трассы; .

На основании обработки экспериментальных результатов предложено следующее
аналитическое представление для мощности принимаемого сигнала:

   (2.9)

К₀ = Pм(1)
– медианная мощность сигнала на расстоянии одного километра от БС, которую
можно рассчитать по (2.3) и (2.8).

r –
расстояние между БС и МС выраженное в километрах, n – показатель затухания. Для свободного пространства n = 2. В городских условиях, при малых
высотах антенны АС, принимают n = 4.

По формуле (2.3):

дБ

дБм

дБ по графику (рис.1)

 = -1,94 дБ (по формуле 2.4)

 дБ (по формуле 2.5)

Таким образом, УММС на расстоянии 1 км от БС:

 дБ

 Вт

Тогда с учетом влияния расстояния:

Вт

 дБм

.3 Расчет шумов

Тепловые шумы приемника

Мощность тепловых шумов приемной установки, пересчитанных ко входу
приемника:

 (2.10)

где  – коэффициент шума приемника;

 – постоянная Больцмана;

 – температура входной цепи, К;

П – эффективная ширина шумовой полосы приемника.

Уровень мощности теплового шума, выраженный в дБ:

 (2.11)

где , дБ

 дБм/Гц при =290 К

Уровень мощности теплового шума в дБм:

где  – значение П, выраженное в килогерцах. Значение коэффициента
шума приемника в ТЗ не указано, выберем его равным = 8 дБ. По ТЗ, = 35 кГц

Тогда уровень мощности теплового шума будет равен:

дБм

Индустриальные шумы

Это внешние помехи от систем зажигания автомобилей, промышленного
оборудования, шумовые излучения высоковольтных линий и др. В рассматриваемом
диапазоне 850 МГц преобладают шумы от систем зажигания автомобилей, а также
помехи соседних частот.

На рисунке 6 представлена зависимость усредненного значения коэффициента
шума, создаваемого системами зажигания (n_ТА), в зависимости от плотности автомобильного трафика (ПАТ),
измеренной числом транспортных единиц в час (ТЕ/ч).

По ТЗ, ПАТ=900. На рисунке 6 получены кривые для следующих значений
несущей частоты; 1) 10 МГц; 2) 20 МГц; 3) 48 МГц; 4) 100 МГц; 5) 700-800 МГц.

Рисунок 6 – К оценке шумов от ПАТ

Таким образом, n=15 дБ.

Шумы излучения

Создаются энергией, излучаемой БС и МС. Несмотря на то, что уровень этого
излучения жестко ограничен и весьма мал, с этими шумами приходится считаться на
тех территориях, где системы подвижной связи широко распространены. Обычно
берут  = 2…3 дБ для БС и  = 3…4 дБ для МС.

Отношение сигнал-шум на входе приемника

 (2.13)

На границе зоны покрытия должно выполняться условие:

где  – радиус зоны покрытия;

 – допустимое значение отношения сигнал-шум, указанное в
технических параметрах аппаратуры; =18дБ

= 5 …10 дБ – энергетический запас. Примем =10 дБ.

Запишем минимально допустимый уровень сигнала на границе зоны покрытия:

 (2.15)

Напряженность поля на границе зоны покрытия:

Минимально допустимый уровень сигнала на границе зоны покрытия:

дБм

С учетом энергетического запаса: =10дБ

 дБм

Из технических характеристик приемопередающего оборудования [4] известно,
что чувствительность БС составляет -104 дБм, тогда реальный энергетический
запас равен 25 дБм.

3. Частотно-территориальное
планирование

3.1 Модель кластера

Применение эффективной модели кластеров позволяет уменьшить число
частотных групп на территории при уменьшении числа мешающих сигналов.

Рисунок 7 – Эффективная модель кластера для секторной структуры

Выбор модели 2 [1], изображенной на рисунке 7, позволяет уменьшить число
частотных групп на территории при уменьшении числа мешающих сигналов, а также
является способом увеличения отношения сигнал-интерференция. Данная модель
применяется в шестисекторных сотах. Кластер включает 12 групп частотных
каналов. Каждая частота дважды повторяется в пределах модели, состоящей из 4
типов БС (выделена на рисунке утолщенной линией). На МС приходят 3 мешающих
сигнала от БС M1, M2, M3.

3.2 Интерференционные помехи на совпадающих частотах

Модель кластера (рис. 7) применяется в шестисекторных сотах. На МС
приходят три мешающих сигнала.

Таблица 1 – Расстояния от мешающих станций до МС для данной модели

где r0 – радиус соты.

Отношение медианной мощности j-го мешающего сигнала к медианной мощности полезного сигнала:

 (3.1)

При нескольких мешающих сигналах на МС воздействует суммарная помеха, для
которой может быть рассчитана медианная и средняя мощности. По определению
отношение сигнал-интерференция:

 (3.2)

где – медианная (или средняя) мощность полезного сигнала,
найденная по формуле 2.7)

 – медианная (средняя) мощность суммарного мешающего сигнала
(СМС).

 (3.3)

 (3.4)

=3 – число мешающих сигналов;

 – Дисперсия по местоположению;

 – Дисперсия мощности СМС.

Подставляя (3.1) в (3.4), получим:

Значение дисперсии по местоположению =6,3 дБ определяем из таблицы 6.2
[1].

Дисперсия по мощности определяется по формуле:

 (3.5)

Подставив численные значения в (3.5), получим:

дБ

Найдем медианную мощность СМС по формуле (3,3):

 Вт

Подставив полученное значение медианной мощности суммарного мешающего
сигнала в (3.2), найдём отношение сигнал-интерференция:

4. Расчет телефонного трафика

По ТЗ площадь территории 1400 км². Число жителей 650 тыс.
человек.

Найдём площадь сектора:

 км²

Число секторов в городе:

Таким образом, для обеспечения данного региона качественной связью
необходимо поставить 50 БС (297всего секторов/6 секторов в 1 соте).

Рассчитаем трафик из условия, что сети выделено 36 частотных каналов,
тогда максимальное число частотных каналов в одном секторе

Общее число физических каналов в секторе, с учетом временного разделения:

Из них 3 канала выделяется на передачу сигнализации (каналы управления),
исходя из рекомендаций по соотношению каналов [4]. Для передачи трафика
остаются = 21 канала.

По формуле Эрланга найдем общий трафик в секторе , взяв вероятность отказа в час
наибольшей нагрузки = 0,02 = 2%.

В соответствии с таблицами Эрланга [2] при = 0,02 получаем: = 14 Эрл.

Число абонентов, приходящихся на 1сектор:

 чел.

Число абонентов сети:

По ТЗ Процент охвата СПР – 25% , то есть абонентами сети являются:

 тыс. человек. То есть 36 частотных каналов хватает для
обслуживания всех абонентов сети в ЧНН.

В качестве базовой станции выбирается Alcatel 9100.

1.       Диапазон частот

Оборудование поддерживает расширенный диапазон GSM 900:

2.       Кодек

Поддерживается полноскоростная, полускоростная и
ускоренная передача данных. Функционирование с полноскоростной и ускоренной
передачей данных требует, чтобы версии программного обеспечения BSS и других элементов сети также
поддерживали Кодек.

3.       Алгоритмы шифрования

Данные BTS
поддерживают алгоритмы шифрования А5/1 и А5/2;

А5/0 = ‘без шифрования’ поддерживается всегда.
Некоторые условия должны быть выполнены для А5/3 до А5/7 (если таковые
определены).

4.       Выходная мощность TRX

GSM 90030 W или 40 dBm, 0.5/-0.5 dB

В качестве направленных антенн используются антенны
фирмы Kathrein Antennen Electronic. Технические характеристики антенны
представлены в приложении 1.

Заключение

В данной курсовом проекте, в соответствии с требованиями технического
задания был произведен расчет сети сотовой связи.

Результатом энергетического расчета являются значения усредненной
медианной мощности сигнала (УММС), тепловые шумы, напряженность поля на границе
зоны покрытия. Полученные значения УММС свидетельствуют об том, что
обеспечивается уверенный прием сигнала.

В результате частотно-территориального планирования выбрана модель сети,
исходя из которой, рассчитаны интерференционные помехи на совпадающих частотах,
по данным ТЗ произведен анализ и переработка условий (радиус соты снижен до
3км).

Расчет телефонного трафика показал, что при выбранной модели сети для
обслуживания в ЧНН заданного по ТЗ числа абонентов достаточно 36 частотных
каналов. При этом вероятность отказа составляет 2%.

Литература

1.       Маковеева М.М., Шинаков Ю.С. Системы связи с
подвижными объектами: Учеб.пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 2002.

2.       М.А. Кузнецов, А.Е. Рыжков Системы подвижной связи.
– СПбГУТ. СТ “Факультет ДВО”, 2003.

.        Уильям К. Ли. Техника подвижных систем связи. – М.:
Радио и связь, 1985.

4.     А. Ф. Руфова.
Частотно-территориальное планирование сетей подвижной радиосвязи. – СПбГУТ,
2002.

5.       Сети мобильной связи.
Частотно-территориальное планирование. Учебное пособие. Бабков В.Ю.

Приложение

KATHREIN•
ElectronicPanel806-880PolarizationV

Half-power Beam Width60⁰

VPol Panel 780-930 60° 7dBi